BADANIE MOBILNOŚCI RADIOCEZU W GLEBOWYM KOMPLEKSIE SORPCYJNYM

Transkrypt

1 Proceedings of ECOpole Vol. 2, No Tadeusz MAJCHERCZYK 1, Agnieszka DOŁHAŃCZUK-ŚRÓDKA 2 Maria WACŁAWEK 2 i Witold WACŁAWEK 1 BADANIE MOBILNOŚCI RADIOCEZU W GLEBOWYM KOMPLEKSIE SORPCYJNYM INVESTIGATION OF RADIOCESIUM MOBILITY IN SORPTIVE COMPLEX OF SOIL Streszczenie: W warunkach laboratoryjnych badano proces desorpcji radiocezu z gleby (w układzie gleba-roztwór) w obecności selektywnego jonitu Purolite NRW-160-Li7. Jednocześnie prowadzono badania w układzie odniesienia, który był analogiczny, lecz bez jonitu. Próbki gleby wykorzystane do badań pochodziły z obszaru Anomalii Opolskiej z okolic Łambinowic. Pomiaru aktywności właściwej radiocezu w glebie i w jonicie dokonano za pomocą spektrometru półprzewodnikowego gamma (Canberra). Wykazano, Ŝe obecność selektywnego jonitu miała znaczący wpływ na proces ustalania się równowagi jonowymiennej radiocezu w układzie gleba-roztwór. Eksperyment wykazał, Ŝe w układzie pomiarowym w obecności jonitu z gleby desorbowało znacznie więcej jonów radiocezu niŝ w analogicznym układzie odniesienia (bez jonitu). Stwierdzono korelujące ze sobą zmiany aktywności radionuklidu w poszczególnych etapach procesu desorpcji radiocezu z gleby i procesu jego akumulacji w jonicie. Słowa kluczowe: sorpcja radionuklidów, radiocez, jonit Gleba leśna spełnia rolę buforu gromadzącego substancje chemiczne zarówno pochodzenia naturalnego, jak i antropogennego, z którego w odpowiednich warunkach mogą być one uwalniane i przemieszczane, między innymi do szaty roślinnej i środowiska wodnego [1]. Radioaktywny cez czynnie uczestniczy w obiegu pierwiastków w przyrodzie, tym samym wykazuje tendencje do rozprzestrzeniania się w środowisku przyrodniczym. Zanieczyszczenia promieniotwórcze elementów środowiska, między innymi za pośrednictwem gleby, włączają się w łańcuch troficzny, którego najwaŝniejszym ogniwem jest człowiek [2-5]. Poznanie natury zjawisk zachodzących pomiędzy kompleksami sorpcyjnymi gleby a jonami radionuklidów moŝe mieć kluczową rolę w ewentualnym przewidywaniu zachowania tych nuklidów w przypadku wprowadzenia do roztworu glebowego innych zanieczyszczeń chemicznych lub czynników zmieniających warunki fizykochemiczne w glebie. Materiały i metody Próbki gleby pochodziły z obszaru Anomalii Opolskiej z okolic Łambinowic, z terenu leśnego, wyróŝniającego się zwiększoną aktywnością 137 Cs. Profil glebowy pobrano metodą odkrywkową ze starannym oddzieleniem poszczególnych poziomów genetycznych, specyficznych dla danego miejsca. WyróŜniono tu poziomy organiczne: Ol, Of, Oh oraz mineralne: A i B (a w tym ostatnim podpoziomy: B1, B2, B3). Wszystkie przygotowane próbki umieszczano w pojemnikach typu Marinelli (450 cm 3 ) i po dokładnym oznaczeniu masy, po wysuszeniu w temperaturze 105 C, wykonano pomiary gammaspektrometryczne. 1 Katedra Fizyki Chemicznej, Uniwersytet Opolski, ul. Oleska 48, Opole, mtadek@uni.opole.pl 2 Katedra Biotechnologii i Biologii Molekularnej, Uniwersytet Opolski, ul. kard. B. Kominka 4, Opole

2 222 Tadeusz Majcherczyk, Agnieszka Dołhańczuk-Śródka, Maria Wacławek i Witold Wacławek W celu zbadania wpływu selektywnego jonitu (typu Purolite NRW-160-Li7) na proces ustalania się równowagi jonowymiennej radiocezu w układzie gleba-roztwór, zaprojektowany został następujący eksperyment (rys. 1): a) Naczynie I Roztwór wodny b) Naczynie II Roztwór wodny Gleba (A) Jonit Gleba (A) Rys. 1. Schemat eksperymentu: a) układ właściwy (gleba-roztwór-jonit), b) układ odniesienia (gleba-roztwór) Fig. 1. Experiment scheme: a) investigated soil-solution-ionite system, b) reference soil-solution system W naczyniu o pojemności 3 dm 3 wypełnionym wodą destylowaną umieszczono dwa pojemniki typu Marinelli o pojemności 450 cm 3, stosowane zwykle do pomiaru aktywności radionuklidów za pomocą spektrometru półprzewodnikowego gamma. Jeden z pojemników wypełniony był glebą z próchniczego poziomu genetycznego A, natomiast w drugim znajdował się wymieniacz jonowy typu Purolite NRW-160-Li7. Obydwa pojemniki ułoŝone były poziomo i całkowicie zanurzone w wodzie destylowanej. Zarówno gleba, jak i jonit miały bezpośredni kontakt z wodnym roztworem, poniewaŝ wylot kaŝdego pojemnika przykrywała specjalna gęsta siateczka membranowa, całkowicie zatrzymująca cząstki gleby i jonitu, lecz przepuszczalna dla dyfundujących w roztworze jonów. Zastosowany układ pozwalał na względnie swobodną wymianę jonów pomiędzy glebą a jonitem, przy czym jednocześnie moŝliwy był cykliczny pomiar aktywności radionuklidów w obu próbkach z zachowaniem ich niezmiennej geometrii (rys. 1a). W eksperymencie zastosowano równieŝ układ odniesienia. W tym celu w identycznym naczyniu II przygotowano drugi, analogiczny układ, w którym w takiej samej ilości wody zanurzony był pojemnik Marinelli z taką samą próbką gleby, lecz w naczyniu II brak było jonitu (rys. 1b). W ustalonym cyklu pomiarowym dokonywano pomiaru aktywności radionuklidów kolejno, w kaŝdym z trzech pojemników biorących udział w eksperymencie. KaŜdy pomiar trwał jedną dobę i po trzech kolejnych dniach pomiarowych następował dzień przerwy. W tak ustalonym cyklu kaŝda próbka (tj. gleba z naczynia I, jonit z naczynia I i gleba z układu odniesienia II) mogła być zmierzona co cztery dni. Eksperyment kontynuowano przez 52 dni aŝ do osiągnięcia stanu równowagowego i zaniku znaczących zmian aktywności radiocezu. Przedstawienie i omówienie wyników Badania wykazały, Ŝe w poziomie genetycznym A aktywność właściwa radiocezu była największa (rys. 2) i gleby z tego właśnie poziomu uŝyto w doświadczeniu. Wraz z przebiegiem eksperymentu stwierdzono ubytek aktywności 137 Cs w glebie spowodowany desorpcją niektórych form mobilnych radiocezu i przechodzeniem ich do roztworu. ZauwaŜono, Ŝe zarówno w układzie pomiarowym I (gleba-roztwór-jonit), jak

3 Badanie mobilności radiocezu w glebowym kompleksie sorpcyjnym 223 i w układzie odniesienia II (gleba-roztwór) spadek aktywności w kolejnych pomiarach był znaczący do ok dnia trwania eksperymentu. Potem, w kolejnych dniach, zmiany aktywności stają się coraz mniejsze i widać wyraźnie, Ŝe oba układy zmierzają do ustalenia się stanu równowagi jonowej (rys. 3). poziomy genetyczne 137 Cs [Bq/kg s.m.] Ol Of Oh A B1 B2 B3 Rys. 2. Rozmieszczenie radiocezu w poziomach genetycznych profilu Fig. 2. Radiocesium distribution in genetic horizons of the examined profile Eksperyment wykazał jednoznacznie, Ŝe w naczyniu I, w układzie gleba-roztwór-jonit całkowity spadek aktywności radiocezu w glebie (43%) jest zdecydowanie większy niŝ w kontrolnym układzie odniesienia gleba-roztwór (31%). 137 Cs [Bq/kg s.m.] układ: gleba-roztwór-jonit układ: gleba-roztwór dni Rys. 3. Zmiany aktywności radiocezu z upływem czasu w układzie właściwym oraz w układzie kontrolnym Fig. 3. Radiocesium activity in soil: in the investigated system (soil-solution-ionite) and in the reference system (soil-solution) W zastosowanym w układzie I wymieniaczu jonowym w kolejnych cyklach eksperymentu obserwowano sukcesywny wzrost aktywności 137 Cs (rys. 4).

4 224 Tadeusz Majcherczyk, Agnieszka Dołhańczuk-Śródka, Maria Wacławek i Witold Wacławek 137 Cs w jonicie [Bq/kg s.m.] 150,0 100,0 50,0 0, dni Rys. 4. Wzrost aktywności cezu w jonicie w kolejnych etapach eksperymentu Fig. 4. Radiocesium activity in ionite in successive measurement steps ZauwaŜono statystycznie istotną korelację pomiędzy zmianami aktywności radiocezu w glebie i w jonicie, bliską wartości 0,99 przy poziomie ufności p 0, Cs w glebie [Bq/kg s.m.] R 2 = 0, ,0 50,0 100,0 150,0 137 Cs w jonicie [Bq/kg s.m.] Rys. 5. ZaleŜność aktywności 137 Cs w jonicie od aktywności w glebie Fig. 5. The relation between 137 Cs activity in ionite and its activity in soil Korelujące ze sobą zmiany aktywności radiocezu w poszczególnych etapach procesu jego desorpcji z gleby i procesu jego gromadzenia się w jonicie, wskazują na waŝny wpływ pośredniego działania jonitu na proces desorpcji cezu z gleby (rys. 5). W układzie odniesienia II (bez jonitu) wzrost stęŝenia jonów cezowych w roztworze doprowadził do spowolnienia procesu jego desorpcji i ustalenia się stanu równowagi jonowej. Mobilny cez, który desorbował z gleby do roztworu w układzie I, ulegał jednocześnie wiązaniu się poprzez wymianę jonową z obecnym w układzie jonitem. Jonit powodujący zmniejszanie stęŝenia jonów cezowych w roztworze był czynnikiem wymuszającym uzupełnianie niedoboru tych jonów w roztworze i powodował przesuwanie się stanu równowagi jonowej gleba-roztwór w kierunku desorpcji cezu z gleby.

5 Badanie mobilności radiocezu w glebowym kompleksie sorpcyjnym 225 Zarówno jonit, jak i kompleksy sorpcyjne gleby mają właściwości wymieniaczy kationowych. Modelowy układ stworzony w warunkach laboratoryjnych pokazuje jak wprowadzenie do środowiska glebowego dodatkowego elementu jonoczynnego moŝe wpłynąć na zachwianie równowagi pomiędzy glebą a roztworem glebowym. Podsumowanie i wnioski 1. Obecność selektywnego jonitu (typu Purolite NRW-160-Li7) w układzie I miała znaczący wpływ na proces ustalania się równowagi jonowymiennej radiocezu w układzie gleba-roztwór. W efekcie przeprowadzonego eksperymentu wykazano, Ŝe aktywność radiocezu w glebie (poziom genetyczny A) w układzie I (gleba-roztwór-jonit) zmniejszyła się o 43%, podczas gdy w układzie odniesienia (bez jonitu) o 31%. 2. Obecny w układzie I jonit, który powodował zmniejszanie stęŝenia jonów cezowych w roztworze, był czynnikiem wymuszającym uzupełnianie niedoboru tych jonów i powodował przesuwanie się stanu równowagi gleba-roztwór w kierunku desorpcji cezu z gleby. 3. Eksperyment wskazuje, Ŝe wprowadzenie do środowiska glebowego dodatkowego elementu jonoczynnego moŝe wpłynąć na zachwianie równowagi pomiędzy glebą a roztworem glebowym. 4. Wykazano statystycznie istotną korelację (r = 0,99) pomiędzy zmianami aktywności radiocezu w glebie, w poszczególnych etapach procesu jego desorpcji, a zmianami aktywności gromadzącego się radiocezu w jonicie. Literatura [1] Szperliński Z.: Chemia w ochronie i inŝynierii środowiska. Ofic. Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa [2] Nimis P.L.: Radiocesium in plants of ecosystems. Stud. Geobot., 1996, 15, [3] Niesiobędzka K.: Specjacja radionuklidu 137 Cs w glebach. Chem. InŜ. Ekol., 2000, 7(3), [4] Zbytniewski R., Kowalkowski T. i Buszewski B.: Zastosowanie metod chemometrycznych w badaniu oddziaływań jonów metali w środowisku glebowym, [w:] Nowe horyzonty i wyzwania w analityce i monitoringu środowiskowym, (red:) J. Namieśnik, W. Chrzanowski i P. Szpinek, CDAM, Gdańsk [5] Pietrzak-Flis Z.: SkaŜenia promieniotwórcze środowiska i człowieka w Polsce. Post. Fiz., 2000, 51, INVESTIGATION OF RADIOCESIUM MOBILITY IN SORPTIVE COMPLEX OF SOIL Summary: In laboratory conditions, using a system permitting free flow of ions, the radiocesium desorption from soil process in the soil-solution system in the presence of selective ionite Purolite NRW-160-Li7 was tested. Simultaneously tests were led in comparative system without ionite. Soil samples used for the tests originated from the area of the so-called Opole Anomaly nearby the town of Łambinowice. The specific activities of radiocesium in the soil and in the ion exchanger were measured using a gamma semiconductor spectrometr (Canberra). The selective ionite resulting in a decrease of cesium ion concentration in the solution affected the shift of the soil-solution state of equilibrium towards cesium desorption of the soil. In the test demonstrated that in the main system in presence of ionite, in soil decreased the considerably more ions of cesium than in the analogous system of reference (without ionite). The tests demonstrated correlating changes of radionuclide activities in individual stages of the radiocesium desorption process of the soil and its accumulation in the ionite. Keywords: sorption of radionuclides, radiocesium, ionite