Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

СОСТОЯНИЕ И ПЕРЕНОС ВОДЫ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТАХ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТРИТИЯ

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "СОСТОЯНИЕ И ПЕРЕНОС ВОДЫ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТАХ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТРИТИЯ"

ЬОЪЧЬ

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

- , На правах рукописи

ЛЕНСКИЙ Леонид Александрович

УДК 546;11.02.3 : 621.039.85

СОСТОЯНИЕ И ПЕРЕНОС ВОДЫ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТАХ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТРИТИЯ

06.01.03 — агролочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

МОСКВА 1991

Диссертация выполнена в Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии им К А. Тимирязева и в Московском институте инженеров сельскохозяйственного производства им В П. Го-рячкина.

Научный консультант — заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор химических наук, профессор В. В. Рачинский.

Официальные оппоненты: Н. А. Корнеев — академик ВАСХНИЛ, доктор биологических наук, профессор, В. А. Емельянов — доктор сельскохозяйственных наук, профессор, В. И. Савич — доктор сельскохозяйственных наук, профессор.

Ведущее учреждение — Институт почвоведения и фотосинтеза АН СССР.

Защита диссертации состоится «/.& » 1991 г.

в 1У. час на заседании специализированного . совета Д 120 35 02 в Московской сельскохозяйственной академии им. К А. Тимирязева.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю специализированного совета по адресу: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 47, ученый совет МСХА.

С диссертациеи можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА по адресу: 127550, г. Москва, ул Тимирязевская, 49.

Автореферат разослан С ,/Э. » -в— . 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета

¡1

. . Л. М. Наумова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблем». Влажность почв, грунтов и других объектов агропочвоведенияиагрофизики, любой сельскохозяйственной продукции является одним иэ важнейших показателей их состава, строения, физико-химических и технологических свойств, однако тради-ционнме методы гидрофизики практически исчерпали себя в исследовании состояния и переноса воды в сельскохозяяственных объектах. Повтому одну из актуальных проблем современного агропочвоведения и агрофизики представляет, разработка новых высокоэффективных методе» исследования состояния и молекулярно-кинетичсского механизма переноса воды. Об этом свидетельствует,в частности .исследования Н»А;!&чиископ>, А.А.Рвде, И^И.Судницына» А.Д.Воронина и др. в об—-ллстиструктурко-функциовальной гидрофизики почв. Значительные . возможности длярешениявопрооов, связанных « водно-физическими свовствамипочв, грунтов и других объектов исследования агрофизики, появились в результат« развития ядерной физики. В разработку теории и методов использования атомной техники в агропочвоведении и агрофизике крупиыЯвкладвпесли Л.И.Бескин, В.И.Ферронский, В.А. Емельянов,В.М»Клечковокий,С.Й.Цвлящев, Д.А.Кореньков, В.В.Рачин-Gкий, Н.В.Чураев,И.С.Жауричев,Ф. А.Тихомиров, И.Е.Зимаков, А.Д. Фокин i; А .И.Карпухжн, В.Й.Савяч ц др. 'В настоящее время для реяеяия некоторыхвопросов г*адодагмпрм«вявтрадиоактивт«й изотоп водо-; рода тритий в соетавеиоавкул водм. Одкако до последнего времен* тритийвкачеотве игаитатора вагропочвоведения и агрофизике м получил зиачителыгогорвспростренеетя из-за его ряда сведифичеомх особенностей. '

Развитие ядерной энвргетшеиииеяытвиия ядерногооружия в то же времяпривеликщвйлемв оаилкохозяйствекиоЯрадновкало-гии. Значительны)! вклад в' нааей отраие в исследования в этой о<3ласт« вщели Й.А.Корнэев, Р.И.ЛлвксАхин, Б.Н.Анненков и др. Трит*«, являясь адиимиэ продукгвв деле«я тя*елых ядер и активации дейтерия потоком нейтронов в яяеряыг реакторах, выделяется совр—чими»» АЭС и заводами по регенерация ядераого теялгаа в окружаадув среду в возрйетшвчих *о»чест*жх..' йельвя ■ всклочить возможноети. случайных выбросов эначятельвах кожчеств трития я вжружаещувореду в вмж о работами по управляемому теривмьерквиу ««тезу. АитропогадвиЛ . трития непосредственно в составе воды и воздуха или косвенно ч#фвз пишу попадает в организм человека вплоть до генетического иктари-ала. Поэтому весьма актуальна выявление закономерностей распределения и переноса трития в природе, вскрытие механизма мхграаяя

рлльная НАУЧ. '.АН Ь'-оЛИОТЕКА

^•f. оольскохсз-.

...... A_fLo«X7/i

: vl^m-a

трития в составе воды в почвах, грунтах и других ооъектах агро-почвоведения а агрофизики.

Цель и задачи исследования. Целью раооты явилось решение проблемы тритиевои индикации воды в агропочвоведении и агрофизике, в частности: I) разработка методологии использования антропогенного радиоактивного изотопа водорода трития в составе молекул воды для исследования состояния и молекулярно-кинетичесього механизма переноса воды в объектах сельскохозяйственного производства, 2) выявление физико-химических закономерностей поведения трития в почвах, грунтах, семенах сельскохозяйственных растении и некоторых других объектах агрономии, необходимых для прогнозировании радиоэкологической опасности трнтиевых выбросов ядерной энергетики и разработки систем мероприятий по защите окружающей среды.

Так как к началу исследований автора.имелись лишь отрывочные сведения об увеличении концентрации трития в природе и появились только неполные описания лабораторной малопроизводительной сложной аппаратуры для регистрации его излучения, в процессе исследований предполагалось: проанализировать и обобцить имеющиеся сведения по физике и химии трития применительно к агрофизическим исследованием; разработать достаточно простую, чувствительную и высокопроизводительную метрологии трития, позволяемую решать задачи тритиевой индакайии воды в агропочвоведении и агрофизике; выявить закономерности равновесного распределения трития в объектах земледелия И растениеводства; выявить особенности кинетики достижения равноеес-вого распределения трития в таких системах; выявить элементарные закономерности направленного переноса трития в составе воды в фильтрационных колонках с образцами исследуемых материалов{разработать научно-практические основы методов использования трития в составе воды для решения некоторых проблем гидрофизики, влагомет- . рии и влагопереноса в многокомпонентных и многофазных, объектах сельскохозяйственного производства. ' . .

Теоретический вклад и научная новизна. Впервые, в результате анализа физических основ методов изотопных индикаторов и изотопно» го разбавления, теоретического обобщения явлений изотопного обмена, изотопного разбавления «^сорбции разработана и аксперименталь» но обоснована теория квазидиффузионноЯ изотопнообменной-сорбциц и миграции трития в многофазных и многокомпонентных Объектах оаль-с кохоэяйотленного производства в статических, и- динамических условиях, На защиту выносятся; . ■.'■■. ••. ;

- теория методов прямого и обратного изотопного разбавления в обобщенной форме для многоизотопных химических элементов,

- теория изотопнообменной сорбции микроконцентраций трития из воды водородосодержаиими многокомпонентными телами в статических и динамических условиях,

- теория изотопного разбавления микроконцентрации трития в гетерогенных системах с учетом отклонения величины коэффициента его равновесного' распределения во взаимодействующих фазах от единицы, .

- теория квазидиф.рузионной равновесной фильтрации тритийсодер-жащей воды в колонках дисперсных сред,

- основы теории новых радиохимических методов практического использования трития в составе воды для решения некоторых проблем влагометрии и влагопереноса в сельскохозяйственных объектах, а также для исследования пористой структуры таких систем.

Научно-практическое значение. Выявленные закономерности изотопного обмена и миграции.трития в сельскохозяйственных объектах составляют основу нового направления в агропочвоведении и агрофизике - тритиевая индикация воды, способствуют дальнейшему развитию научно-технических средств гидрофизики, влагометрии, радиогидрологии, радиоэкологии, радиобиологии и др; Они позволяют использовать трития в составе воды для интегральной и дифференциальной оценки количества и подвижности воды в таких системах и определения количества воды, поступающей в интересующий объем из различных источников' увлажнения; исследования степени водопроницаемости различных, типов почв, плотин и обочин; определения направления и скорости водных потоков; оптимизации технологий хранения, сушки и гидротер-»ичвской обработки сельскохозяйственной продукции; уточнения представлений, лежащих в основе современных теорий фильтрационных процессов и порис*ой структуры дисперсных систем и др.; решения на научной основе актуальных вопросов защиты природной среды от загрязнения антропогенный тритием.

-, Реализация работы. В результате многолетних исследований впервые систематизированы и обобщены в двух монографиях вопросы гидрологической фи зико-химии трития, имеющие важное значение для планирования и интерпретации результате® гидрофизических исследований' с применениек этого радиоактивного изотопа водорода. .

Для осуществления экспериментальных исследования разработаны в ысокоппоизводителышй жидкостная оиинтилляциоиный радиометр с дискретно проточной кюветой и методика г.ысоковозпропзкодкаой

радиометрии трития на нем в составе воды. Этот радиометр и результаты исследований внедрены в практику решения задач гидрофизики И гидродинамики во ВНИИГиМ, СовэдорНШ Министерства транспортного строительства СССР, отраслевой лаборатории "Строительство городских дорог" МАЛИ; в практику физико-химических исследовании в лаборатории радиоактивных методов исследования дисперсных систем Калининского политехнического института, научно-исследовательском физико-химическом институте им. Л.Я.Карпова, Институте физической химии АН СССР, Институте геохимии и аналитической химии АК СССР и др.; в практику сельскохозяйственной радиологии во ВЗИПП, Всесоюзном научно-исследовательском институте зерна, Воеооюзном научно-иссле-довательоком институте сельскохозяйственной радиологии, Московской сельскохозяйственной академии им. К.А.Тиыирязева и др.

Результаты исследований внедрены в учеОныи процесс на кафедре применения изотопов и радиации ТСХА, в Московском авто -

дорожном институте, Всесоюзном заочном институте пищевой промышленности, Московском институте инженеров сельскохозяйственного производства. Московском химико-технологичеоком институте им. Менделеева Д.И., на кафедре прикладной ядерной физики МИОИ, в Московском государственном университете и др.

Научные выводы диссертации частично отражены в учебных пособиях Рачинского В.В. "Кура атомной техники в сельском хозяйстве" (Атомиздат, 191И и 1979 ГГ.), Б.М.Андреева и др. "Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике" (Знергоатомиздат,1987 г.), монографиях Л.Ф.Беловодекого и др. "Тритии" (Знергоатомиздат,1985 г.), Н.В.Чу-раева и И.И.Ильина "Радиоиндикаторные методы исследования подземных вод" (Атомиздат, 1967 и 1972 гг.), А.С.Гинзоурга и др. "Влага в зерне" (Колос,1969 г.), а так&е в других изданиях.

Апробация раОоты. Материалы диссертации доложены л получили одобрение на международных совещаниях и конференциях по агрофизике з ГДР (Росток,1987 и 1989 гг.). Всесоюзной научной конференции "Пути повышения качества зерна и зернопродуктов" (Москва,1969 г.). Всесоюзной научно-технической конференции "20 лет производства и применения изотопов и источников ядерных излучении в народном хозяйстве СССР" (Минск,1966 г.),Всесоюзной конференции по применению изотопов и излучении в сельском хозяйстве (Москва,1967 г.),Всесоюзном семинаре на ВЛНХ "Радиоизотопные методы и средства в гидротехнике и мелиорации" (Москва,1971 г.), на Щ Всесоюзном совещании па тепло- л масоооомену (Ми.«ок,19бв г.),Совещании по производству и

применению ионообменных полимеров в промышленности (Москва,1954 Г.), У Всесоозной конференции по синтезу и использование сцинтилляторов (Харьков, 1968 г.), Всесоюзной конференции по совершенствовании определения влагосодержаиия в различных средах на основе применения новых влагомерных приборов (Киев,1970 г.), первой Бсссоозной конференции по сельскохозяйственной радиологии (Обнинск,1979 г.). Всесоюзном научно-координационном совещании "Использование метода радиоактивных индикаторов в изучении загрязнения почвенно-раститель-ного покрова" (Обнинск,1982 г.), на ежегодных научных конференциях МИЙСП в 1965-1990 гг., а также в других учреждениях.

Публикации. Основные результаты и научные положения диссертации полностьп освещены в двух монографиях и более чем 70 научных статьях.

'Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, теоретической и экспериментальной частей, включающих по 6 глав с 43 рисунками и 35 таблицами и выводами, заключения с перечнем основных результатов, списка литературы из 377 названий,'в том числе 64 иностранных, и приложений на 42 отр., в которых кратко охарактеризованы иоследованные системы, описан разработанный и использованный автором для осуществления экспериментальных исследований жидкостно-сцинтилляционный метод радиометрии трития в воде* изложены вопросы планирования экспериментов и обработки полученных данных, приведены справки о внедрении результатов исследований.

, ВВЕДЕНИЕ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОБОСНОВАНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ■ Несмотря на;наличие разнообразных методов определения влажности объектов сельскохозяйственного производства и изучения форм связи воды в них, гидрофизика сложных систем не имеет завершенной' теории и вполне удовлетворительных методов исследования. Дальнейшие разработки в этом направлении весьма актуальны и имеют большое народнохозяйственное значение. Для решения проблем влагометрии и: широкого внедрения новых методов гидрофизики в производство необходимы фундаментальные теоретические исследования и разработка разнообразных прикладных вопросов. Необходимо: •

- решить вопросы;рациональной классификации ¿орм связи воды в оложных системах, .

'' - разработать надежные методы исследования связанных форм воды . в зависимости от природы и качества материала, .'..'.

- разработать и исследовать гигрометрические датчики,обладаедав , хорошими метрологическими качествами (диф^еренцирутаай или иитегри-

рующей способностью, бесконтактностью и дистанционном ью метода измерения и контроля, долговременной устойчивостью характеристики, непрерывностью и точностью получения информации), .

- создать методы и технические средства для локальных изменений влажности при исследовании полей распространения води в исследуемой среде,

- провести сравнительные исследования.различных методов измерения влажности,

- разработать и исследовать комбинированные методы измерения влажности,

- осуществить переход от эмпирических методов градуировки и . расчета влагомеров к точным математическим методам,

- создать адекватный математические модели преобразователей влажности в измеряемую величину, обрабатывать получаемую информацию с помощью специализированных микроОВМ,

- решить вопросы стандартизации методов ьлагометрии,

- внедрить влагомера в автоматизированные системы управления производственными процессами, для которых влажность является ос -новным контролируемым параметром. ;

Перечисленное характеризует большой объем и сложность необходимых теоретических и экспериментальных исследований в области исследований состояния и переноса воды в объектах сельскохозяйственного производства ц их влагометрии.

Значительные возможности для решения вопросов, связанных с гидрофизическими свойствами сложных систем, появились в результате развития ядерной физики и техники (появления гамма- и нейтронных влагомеров,'создания приборов с использованием электронного и ядерного магнитного резонанса, а также открытия изотопии). Для решения многих вопросов гидрофизики может быть использован радиоактивный изотоп водорода тритии, вводимый в состав молекул воды.

До 19% г. па Земле имелось примерно 2 кг трития (18.10^ Ки), его атомная концентрация в природном водороде определялась величиной порядка ГО"18. С развитием ядерной энергетики в окружающую сре ду вносится значительное количество антропогенного трития, что обусловлено образованием трития в процессах деления из шейной части: фрагментируьцихся ядер, синтезом в ядерных реакциях бора и-лития : при поглощении нейтронов в расплаве теплоносителя, в стержнях регу лирования, активацией дейтерия в тяжелой воде. Современные исследо ваиия миграции и распределения трития в окружающей среде основаны -на определении его концентрации ь воде и носят качественный характер. Сиалко-хинические закономерности «играцли трития в сложных ри

стемах практически не разработаны.

Настоятая работа направлена на приспособление и применение имеющихся в теории процессов сорбции и хроматографии, методов для описания миграции и распределения трития из состава води в многофазных и многокомпонентных сельскохозяйственных объектах. В результате анализа Физических основ методов изотопных индикаторов и изотопного разбавления, совместного рассмотрения явлений изотопного обмена, изотопного разбавления и сорбции разработана и экспериментально обоснована теория квазидиффузионной изотоинообмснной сорбции трития из воды многокомпонентными'дисперсными телами в статических и динамических условиях.

Теоретическая часть I. ОБОБЩЕННАЯ ТЕОРИЯ МЕТОДОВ ИЗОТОПНЫХ ИНДИКАТОРОВ И • . : ИЗОТОПНОГО РАЗБАВЛЕНИЯ

Исследование состояния и переноса воды в сельскохозяйственных объектах с применением трития привело нас к выводу о единой физической основе методов изотопных индикаторов и изотопного разбавления» каковой является изменение в изотопном составе химического элемента; который в естественных условиях остается практически постоянным. Причиной тому,как следует из содержания этой работы» должно быть изотопное разбавление в результате изотопного обмена с установлением равновесного почти равновероятностного распределения изотопов. ,-' - - . ' ■ ' *

Изотопное разбавление в классическом понимании и простейшая реакция изотопного обмена в однокомпонентной гомогенной системе с инертным растворителем или без него в конечном итоге приводят ■ к одному и тому же результату - равновероятностному распределению изотопов во всей системе. В современных методах изотопных индикаторов и изотопного разбавления,как правило,изотопы принимают полностью идентичными и не учитывают'изменения грамм-атомной массы химического элемента при изменении его изотопного состава.

При использовании метода изотопного разбавления обычно в раствор немеченого элемента добавляют определенное количество раство- • . ра меченого элемента,находящегося в том же химическом состоянии. После установления равновероятностного распределения изотопов получается смешанный элемент,в котором измеряют концентрацию изотопа-индикатора. Автором обоснована теория методов изотопного разбав-. ления, устанавливающая в общем виде функциональную зависимость между массами.немеченого, меченого и смешанного элемента, грамм-атомными массами его изотопов и их атомными концентрациями. Фор- ;

мула для определения мисс немеченого и меченого элемента ^ составе смешанного олсмснта имеют следушшй вид:

™ « Д. С0-К6м1 н" - - - ' ^ /

С(5"нк&м] -

Р- ^нк^ - (Гн^мк >

Ь зтлх формулах приняты следующие обозначения: J .1 к - номера 2-х фиксированных коотоиов, индексы "м" и "н" соответствуют меченому и немеченому элементу, (г- атомная концентрация изотопа,у«.- грамм-атомная масса. Ь результате почленного разделении раьенста СО и (2) получлм осоОщенную ^ормуду для вариантов прямо; о и ооратного изотопного разСаьления:

ЛЬ. - &| 6- мк > (3)

"ч." А

В соответствии о (1)-(Э) дль количественной оценки масс л немеченого >ш меченого элемента неоСходимо знание ли грачм-атомних масс л атомно-) концентрации ¿-х изотопов в составе немеченого, меченого л сле-а^ього лемечта.

Й качестве «астеого случаи для 2-х изоюиного ал^мента С ^ «I, к -2) получим следующие об.цие формулы методов изотопного риэбав-ления:

. а.)

^ ^ . <*«>

^н

СГм2

■

(Гг

А. - ^

(За)

н2

■зти ^орму^л нлляитсн раочетныыи при использовании метода стабильных и-итлшцх .1 ндл кати [ЮН.

В сл/час исиользоваиня в качестве индикатора исл^ссаиенни синтезируемого р^.-иаадивного изотопа 2 С&М£> и) из СХа)-(-За)

соо «с^сенно пил,4йм:

-В

(4)

"-и - и» тг <г - т*-2-)' ' (16)

Г- ун2

««-«-ТГ -р- ' <2б>

В диссертации обосновано,что

^м2 >н^о

Т " р- СЬ

где Л0 и О. - соответственно удельная радиоактивность элемента в иоходном и равновесном растворах.

* При использовании индикаторных, концентраций, радиоактивного изотопа и обсуждении изотопного разбавления и миграции трития в дисперсных системах в естественных условиях,когда атомная.кон -центрация трития выражается величиной порядка 10""1В, в соответствии

Л - . Л.',- (5)

с большой ТОЧНОСТЬ«)

Поэтому имеет место приближенные известные формулы методов изотопного разбавления: / ' • .

щн - т а - ) , ; (Гв)

тм -т-щ- " : (г»)

<3в).. ,

- При использовании изотопов-индикаторов без носителей в методах изотопного разбавления формулы (1б)~(3б) и (1в)-(3в) эквивалентны с достаточной точностью только для и > ЮО, так как при 99 и отношение /1н//*к равна 0,99. Однако уже при

' 9 я ^ ш" 10 это отношение составляет 0,90, т.е. расхождение достигает Во многих случаях приемлема и такая точность оп^елений«.. -,

■ • '" - .•"'-'•* . я

В случае изотопов водорода при уИц**! и учц « 3 отношение

Лн^м составляет 0,33, т.е. величину в 3 раза меньшую I. Однако при разоавлении тритиевоИ воды Т£0 в природной [^О такое же отношение составляет уяв 0,82, т.е. величину,близкую к 1. Поэтому даже в самих неблагоприятных случаях использования тритиевой води без носителя в классических методах изотопного разбавления с. достаточной точностью отношение удельных радноактивностеи может быть заменено отношением молярных концентраций изотопных разновидностей воды и наоборот.

При определении многоизотошшх химических элементов,каковим является и водород в случае использования трития,их,как правило, можно рассматривать в качестве двухизотошшх: изотоп-индикатор с его грамм-атомной массой и все остальные изотопы вместе о их естественной средневзвешеннои грамм-атомной массой поэто-

му формулы (1а)-(3а) и их приближенные выражения могут, быть использованы для вывода обобщенных формул всех модификации метода изотопного разбавления при радиоаналитических определениях химического элемента.

П'. И30Т0ПН00БШШАЯ СОРБЦИЯ ТРИТИЯ . Изотопнообменной сорбцией трития нами названо'явление перехо-• да трития из жидкой или газообразной фазы в состав твердой фазы вследствие процессов.изотопного обмена. Во многих случаях оно осложнено процессами сорОции воды. Представления об изотолнооб-меннои сорбции универсальны и применимы для объяснения поведения в поли(:азних системах изотопов любых химических элементов.

Исследование законов изотопнообменной сорбции предполагает выявление различии в поведении изотопов при взаимодействии газов и жидкостей с соответствующим твердым материалом. Что кас;к;тся например-ионного обмена, при применения для его исследсван.щ мето-' да изотопных индикаторов полагают,что изотопы обменивающихся ионов в исследуемых процессах ведут себя совершенно одии.дг.око" -процессы изотопнообменной сорбции при этом совершенно н» клппта-Фицируются.

С целью количественного описания закономерное геи изотопного обмена и миграции трития в исследуемых системах рассмотрены следующие фазы: Х-фаза межзернового Спорового) растьора, мо-лекулярно адсорбированной воды, 3-твердая фаза.содерладая водород различных соединении, и 4-газовая фаза,включающая пары ьоды. Они • имеют различную Физмеакус природу н не превращаются од!а в дру-

гу11,как это имеет место при термодинамических фазовых превращениях одного вещества.

Конечным результатом процессов сороции воды и изотопного обмена, протекавших при взаимодействии тритийсодержащей воды с водороде одержащими телами,является равновесное распределение изотопов водорода во взаимодействующих фазах и соединениях. Наличие различий в свойствах взаимодействующих фаз,соединений и самих изотопов водорода сказывается в том,что равновесное распределение изотопов водорода отличается от равновероятностного (не.вы-1 полняется одно из основных требований теории изотопного разбавления в классическом понимании).

Равновесное распределение трития в гетерогенных системах нами охарактеризовано коэффициентом распределения

# У «З/Сх - 65 ) ' (6)

где индексы I и j являются номерами вышеперечисленных фаз.

■ В-процессах взаимодействия тритийсодержащей воды с многокомпонентными водородсодержащими телами между рассматриваемыми двумя взаимодействующими фазами может протекать несколько изотопно-обменных ре акции, каждая из которых характеризуется своим коэффициентом распределения. Коэффициент распределения (б) является эффективным для взаимодействующих фаз и однозначно характеризует -степень термодинамической неравноценности изотопов водорода в этих фазах. Формула (6) по своему смыслу : является уравнением изотермы равновесного,распределения трития (изотопнообменной сорбции). В случае микроконцентраций трития, когда, бг. и (?) стремятся к нулю,имеет место приблизительно линейная изотерма: -

■V' .. . б-- ■ ' (?) ,

где «¿у,.- .

С учетом (4) уравнение изотермы можно записать в виде:

а,-4-И . - «,>■,

где необходимо учитывать зависимости у^ш^Лд,

" V Ш. ИЗОТОПНОЕ РАЗБАВЛЕНИЕ МИКРОКОНЦЗНТРАЩМ ТР1ГГИЯ . - -В:ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ В СТАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ .

• В реакциях изотопного обмена имеет место изотопное разбавление, как правило.в'различных химических:соединениях и состояниях исследуемого элемента.* При этом равновесное распределение изото-

нов отличается от равновероятностного. В зтои главе осуществлено оообщение теории изотопного разоавления применительно к реакций« изотопного обмена водорода. Представляют интерес два типа взаимодействии тритиисодержащеи воды с водородсодержащими материалами: а) через галовую ^зу, б) непосредственно,когда газовая фаза об-разуетсн над жидкостью,в которую погружен материал.

Ниже схематически представлены изотопноооменные процессы при непосредственном взаимодействии тритийсодержаией воды с массой водорода т0 с наследуемым материалом.содержащим водород в различных £азах массой приводящие к распределению исходпои оощеа радиоактивности А0 во всех фазах системы.

г_ ,овяя Фаза межзериово- Фаза молекулярно Твердая фаза с жп-4яла г0 Спорового) адсорбированной мичеоки связанным раствора воды водородом

ы «04 а1 то1 а0 т0 а2 то2 а3 т03

"»И ш24 т/»о тн т21 т31 ■чщ - т12 ^20 т22 т32 т13 т23 тУ) ^33

"ч "ь

Имеют место следующие уравьвния баланса:

* 4-

а0 - 2 а£ или т0 а0 - ^«ч4*«. . о) «о "»-с* ° , ао)

. цг;

четыре суммы дли | « I ♦ ч в +

т^ «"^т^ - ^ % , (12)

которые в иоиок/пйоати удовлетворим опрсмйлсьинд и-юютиго семена и с-орСдьи воды гидрофильными маторылами.

Дли «..кроконцентради-И трития и использованием (ч),С/) и (9) полечим оЛедуициа выражения для определения количества .иоголно-оймвнного ^о„орода в ьоитаве твердой г^зы исследуемого мшери-

ала 4.

иц ■ «' - Х^л^О аз)

и концентрации такого водорода

' = тг2 «"ц -2'«¿и «о , (14)

"о 0 1=1,

где а^.«■ Др/с^, М0 - масса безводной матрицы исследуемого материала. Величины С^ и " являвт°я характеристическими! для материала. Расчеты могут быть проведены без учета отклонения «¿у от X» Тогда вместо (14) получим:

(.К- 1)%- т, V

(15)

где 1Н. - масса водорода в составе.воды в исследуемом образце.

Если исследуемый материал не содержит в составе твердой фазы химически связанного изотопнообменного водорода (С^- С « 0), то из (15) следует известная приближенная формула метода изотопного разбавления (Зв):

т.* I) ,

которая позволяет определить общее количество воды в исследуемом образце. , . ■ _

На основе (13) обоснована формула для оценки коэффициента равновесного распределения трития между межзерновым раствором и молекулярно адсорбированной водой

<^гг«1 + ; .7 (хб)

17, ОСОБЕННОСТИ КИНЕТИКИ ЙЗОТОГОЮОБМЕННОЙ СОРБЦИИ ТРИТИЯ

В результате использования атомной концентрации трития б- и рассмотрения реакций гомогенного изотопного обмена между соединениями МН и ВТ с участием изотопов водорода Н и Т обоснована экс--поненциальная зависимость степени обмена от времени Ь

. О"«

1 мн

I - ехр (-к-Ь) , (17)

в которой,» Отличие от известной в химии изотопов формулы,константа К явно от концентрации реагирующих соединений не зависит. Экспоненциальный характер гомогенного изотопного обмена не изменяется в зависимости от механизма и числа.обменивающихся равно-

ценных атомов в молекулах участвующих в обмене соединении. Однако скорость водородного обмена изменяется в очень широких пределах в зависимости от строения обменивающихся молекул, свойств растворителя,катализатора,температуры и некоторых других факторов.

Отклонение численного значения о£у от I обусловливает зависимость порядка кинетического уравнения от истинного порядка реакции изотопного обмена. Я.И.Варшавский и С.Э.Ваисберг показали, что для того чтобы кинетическое уравнение было первого порядка, достаточно любое из трех условии: 1) ^¿у близок к I, 2) оквива-лентная доля одного из реагирующих компонентов и системе примерно равна нулю, 3) атомная концентрация исследуемого изотопа в систем! незначительна» При взаимодеистаии тритиисодерлацей воды с материалами биологического происхождения близок к I, а концентрация трития незначительна. Поэтому сделан вывод,что реакции гомогенного изотопного обмена микроконцентрации трития в системах о -равноценными атомами водороди должны описываться (17).

Исследованные в работе системы,как'правило,многокомпонентны и полифазны. При их взаимодеистаии с тритиисодерлащей водой не -посредственно или через газовую Фазу равновесная концентрация три тия во взаимодействующих Фазах и компонентах устанавливается в результате диффузии обменивающихся атомов и молекул внутри фаз и обменных процессов на поверхности, раздела фаз. Поэтому в оощем случае простая экспоненциальная зависимость не должна выполняться Когда не представляет специального интереса оценка истинного количества изотопнообменного водорода, кинетические исследования могут быть основаны на использовании рОщеизвестноа приближенной, формулы изотопного разбавления. Тогда выражение для доли обменного водорода в образце к моменту времени Ь можно записать в 'виде: п

' . : ав)

И^ОО . "оо ■ ■«. ,.

Эта зависимость,как правило,не является экспоненциальной. Однако вмпиричеокие закономерности удобно компактно представить на основе разложения кинетической кривой (18) на экспоненциальные ооста! ляюдие; к -','."■■ "

У-^ЭД - ехр (- к^ )] . • (19)

Не имея строгого физичеокого обоснования, этот метод таи не мене« облегчает анализ получаемых экспериментально результатов на основе использоьаиия понятий доли и "коиотцнтц" обмана или'периода полуобмена.

у. изотопнообмишая сорбция микроконцентрация трития в условиях фильтрации

В процессах фильтрации тритийсодержащей воды в колонках с исследуемыми дисперсными материалами происходит изотопнообменное вытеснение воды и водорода. Это явление нами рассмотрено на основе общих положений теории динамики сорбции и хроматографии. Для этого в колонке с Фильтрующей средой выделены механически подвижная Фаза (межзерновой раствор-1) и механически неподвижная фаза (молекулярно адсорбированная вода-2 и твердая фаза с химически связанным изотопнообменным водородом-3).

Согласно общей теории динамики сорбции и хроматографии распределение трития в процессе фильтрации в колонке описывается на основе кваэидиффузионного уравнения баланса о использованием ур&Бления кинетики (неравновесная), или статики (равновесная), изотопного обмена и разбавления трития. Во всех естественных условиях имеет место достатовно медленная фильтрация, т.е. равновесный режим. Поэтому, целесообразно использование уравнения линейной изотермы (7).

Построены схематические выходные хроматограммы для четырех случаев: а-все поры материала предварительно заполнены водой, б- в колонке о материалом содержится некоторое количество поро-вой воды, в-колонка заполнена материалом,насыщенным гигроскопической водой, г- колонка заполнена предварительно высушенным материалом, В результате проведенных расчетов получены следующие формулы для определения массы химически связанного изотопнообменного водорода фильтрационным методом:

. пгд »«¿^(п^-»»^) - оС23пг2 » (20а)

: т3 «<£13<тт-т0) - «*23т2 ' (го<53

т3 «с£13тТ ~ о^гУ^г » (гов)

Из воех этих формул при оС12-<<23-о^3« I следует очевидное уравнение баланса

• в + + Ш3 |

Если фильтрующий материал не содержит химически связанного изотопнообменного водорода в твердой фазе (М3 - 0), то

■• тт * т1 + ^г •

т*е. фильтрационным методом возможно определение общего количест-

ва води в колонке с такой средой.

Предложены формулы и рассмотрени возможности оценки коэффициента равновесного распределения трития между межзераовой и молеку-лярно адсорбированной додой фильтрациони&м методом.

У1. ТЕОРИЯ КВАЗИДИ55УЗИОННОЛ ФИЛЬТРАЦИИ ТРДТИИ-СОДЕРдАда води В КОЛОНКАХ ДХПЕРСНиХ СРЕД

Перенос тритийсодержащеИ води в колонках исследуемых сред рассмотрен для двух случаев: I) Фронтальной фильтрации,когда в колонку непрерывно подают трлтийсодержащую воду, 2) элюативной фильтрации, когда в слои исследуемой среды вводят небольшую порцию тритийсодержащеИ воды,а затем подают воду без трития. Способ изучения движения отражается на начальных и граничных условиях,которые определяют концентрацию трития в неподвижной и подвижной фазах в начальный момент времени и на границах между фазами.

В случае фронтальной фильтрации уравнение движения фронта трития в колонке записывается приближенно в виде - ; .

^ - 0,5 [х - . -

а распределение трития в элюативной волне приближенно описывается уравнением гауссовского типа- •

о х/чЗгн* Ц. .1

где х - расстояние от входа а слой исследуемой среды до рассматриваемой концентрационной точки, х0 - первичная ширина слоя тритиЯ-содераащей воды, -Ь- продолжительность фильтрации, Ч^ - скорость движения выпрямленного фронта трития (максимума концентрационной волны), II - 'квазидиффузиошшй коэффициент, учитывающий все факторы, приводящие к размыванию фронта трития. . •'•■■;

Для проверка предсказаний теории использован метод виходных кривых. Поэтому получени аналитические выражения для концентрации, трития в пробах фильтрата при использовании рассмотренных методов, предложена формула для расчета величины кваэидиффуэионного коэффициента фильтрации,.-. '• .. '

Экспериментальная часть

уп. оценка колзшленга рав1ОВЕСЬОГО распределения трития в хследуе их слсте!!ах

Окспаримеита-.ыше определение представляет значительнее

трудности из-за его незначительного отклоления от I л зависимости от температуры,В сравнительно небольшом интервале температур имеет места экспоненциальная зависимость:

«хр С- . С^)

которая всегда до-гыш приниматься во внимание,

Я. 4.Варшаве к.1и и С.О.ВаиоСерг выявили закономерноеть.оцреде-ляьмую характер распределения трития в реакциях изотопного осме-ла,которая позволяет приближенно оценить «»¿у для лиоои ьары взаимодействуй,(х водород^одертааих соединении. Среди всех комоина-ций "вода-водородсодержащее соединение" при нормильных условиях обогащение трития далъно иаблидатьон в воде. Если моллр<ше концентрации п водоридсидержа4их соединении и исследуемом многокомпонентном материале оОозначить Ч-реэ в} ,то ¿флективный е^^-флциент распределения <¿¿3 должен оыть оценен по формула

- X (т.• (2ч)

Однако величину в", мопно достаточно точно оценить только дл* ПростеРаих природных л синтетических ьелеств. Потому для ,.рики-дочных расчетов с цечьо оценки вклада на величину ¿ксг.ери

ментально определяемых параметров,характеризующих изогопньи обмен И миграции трлт.1я а иее^едуемых системах,в качестве его численного значения принимали 1,*5 - 0,01.

Сравнительно легко но«ет быть оценен коэр*мциент распределения трития мелду тритиисодердащей зодои и ее Паром:

где рЦ и - с э ответственно давление пара при род ни и воды и три-гийсодержадеи воды при известной температуре. При иовичвнли тем-Heparjpn с ;о 10ü°C величина o^j^q т 0 уменьшается от l,¿t>

до Г,Ой, а зе-.,чика q соотввтЬтвеЬно уменьшается от 1,12 до I.0J. 2 '

в Outiouj автором измерении аоаолена (.7), и иоот-

ВеТеТайИ е кигории определенна свидиген к iíuj ьза-

-У?

имодействия исследуемого материала с тритийсодержащей вод»и в замкнутой системе до установления равновесного распределения трития, последующему отбору проб из интересующих фаз системы без нарушения изотопного равновесия и измерению удельной радиоактивности водорода. В табл.1 приведены результаты определений.

Таблица I

Материал ^ «¿12 -

ионит:

Н-КУ-2 1,07 + 0,01 1,04 + 0,01

$Г-КУ-2 ' 1,08 + 0,01 1,03 + 0,01

С1-АН-2ф 1,11 £ 0,01 1,11 + 0,01 Г,00 + 0,01

С1-АВ-17 1,13 + 0,01 0,Э8 + 0,01

почва:

А1/А2 1,14 + 0,01

А, 1,16 + 0,01

а2/в • 1,15 + 0,01

Если имеется существенное различие в свойствах связанных форм воды в различных материалах, то численное значение для них должно отличаться от I, Поэтому определение о£у может стать средством классификации форм связи воды во влагосодержащих •сиоте-иах, а также средством исследования поверхностных сил и разработки теоретических проблем адсорбции.

УШ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ ИЗОТОПНООБМЕННОГО ВОДОРОДА .

И ВЛАЗНОСТИ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ РАЗБАВЛЕНИЙ ТРИТИЙСОДЕРЖАЩЕЙ ВОДЫ ' _ ' С целью проверки возможности использования выведенных формул и выяснения влияния рН раствора на оненку концентрации изотопно-обменного водорода и влажности дисперсных материалов проведены экспериментальные исследования о воэдуино-сухим« и высушенными при Ю5°С образцами почв при перемешивании их со следующими растворами: нейтральной меченной тритием водой и 0,1 н растворами Й2$0А и КОН в тритийсодержащей воде 2 мкКи/кл.,

Не обнаружено влияние состава раствора на оценку концентрации изотопносбменного водорода почв. Пренебрежение отклонение* от I приводит к занижению результатов определения в 1,5-2 раза. Установлено,что в тяжелосуглинистых дерновоподэолистых почвах концентрация химически связанного изотопнообменного водорода со-

ставлвет около 0,2-0,6$, что в пересчете иа воду дает Эти величины соответствует потерям от прокаливания.

Оценка влажности методом разбаолоиия трития без учета количества химически связанного изотопноооменного водорода почв приводит к значениям,прев илаьадм величин,определенных методом термостатной сушки. Однако при значительных количествах воды в исследуемых материалах влажность,определенная этим методом,может быть принята в качестве абсолютной.

Проведены три серии опытов по оценке концентрации изотопнооб-менцого водорода и влажности почв в условиях фильтрации тритий-содердащеИ воды: при полном влагонасыцении пор, ь колонках с воздушно-сухим образцом и в колонках с образцом,предварительно высушенным при 105°С. Установлено,что и в этом случае пренебрежение . отклонением оСу от I приводит к значительному занижение результатов определения. В то же время с достаточной точностью выполняется (Зв). Поэтому фильтрационный метод рекомендован для быстрого определения абсолютной влажности дисперсных материалов. Проведенные эксперименты показывает перспективность использования тратий-содерла:цеИ воды для уточнения представлений о роли воды в составе электроизоляционных и других типов бумаг и разработки новых методов улучшения их свойств.

рассмотрен вопрос об оптимальных условиях измерения методом разбавления тритийсодермащей воды без учета и с учетом отклонения оin от I. Сделан вывод,что для получения наиболее надежных значений влажности этим методом необходимо стремиться к выполнение условия Ä«flf0/ü, т.е. для проведения анализа необходимо взять пробу меченой воды с массой,примерно равной массе воды в Образце, и с необходимей точность!) измерить CL .

ix. определение параметров фильтрационного переноса .. тритийс0дшвдй1 води в колонках дисперсных сред - ' : Соотношение между скоростями движения раствора U, и выпрямленных фронтов водорода VH и трития между сечениями фильтрационных колонок С?', переноса рас тв о paß j и эффективным сечением переноса водорода С?ц и трития а также между квазидиффузионными коэффициентами <§5*и Н определяется распределительным отношением водорода .. ■ •

. • , и Щ • . „о

. и трития г пгх ■ щ I . .

• С", к' ^of5 -«I ■ тпцХ - . . <2б)

где - пористость фильтрующего материала, - плотность его безводного остатка, \Д/о2 - влагосодержание,соответствующее моле-кулярно адсорбированной воде,р - плотность воды, ПЬ^ 5 я Мтах -масса фильтрата,соответствующая половинной и максимальной концентрации трития в выходном фронте. Из (25) и (26) следует выражение для оценки эффективного коэффициента распределения трития между подвижной и неподвижной фазами фильтрационным методом.

В табл.2 приведены экспериментально оцененные соотношения между различными параметрами фильтрационного переноса трития в колонках исследованных сред.

Объект исследования и, кт /1т и ~ I +к Н " 12 К и

почва из пахотного слоя 1,20 5,60 0,85 1,03 1,18

почва из а1/а2 Г,21 3,84 0,79 1,04 1,26

почва из а2 Г,19 4,67 0,62 1,03 1,22

кварцевый песок 1.15 69,7 0,99 1,00 1,01

ионити:

Н-К7-2 1,07 2,03 0,67 1,02 1,49

5Г-К7-2 1,08 4,50 0,82. 1,01 1.22

с1-ан-2Ф 1.11 5,72' 0,85 1,02 1,16

сг-АВ-17 1,13 3,76 0,79 Г,03 1,27

' Установлено,что водородная форма катионита и торф характеризуются наименьшим значением распределительного отношения трития • и его эффективного коэффициента распределения, приближающимися ' к Г, а кварцевый песок имеет наибольшее значение,приближающееся к 100. Образцы почвогрунтов имеют значение в пределах От 4 до 10. Вследствие кзотопнообменноа сорбции средняя скорость переноса трития меньше скорости потока раствора в межзерновом прост- , ранстве до 30$, различие в скоростях переноса трития и природного водорода незначительно - порядка 1-3$. Практически этим различием можно пренебречь, т.е. тритиевая:метка с хорошей для практики точностью воспроизводит изотопнооймеяный перенос водорода и воды в колонках дисперсных сред (динамическое равновесие). Элективное сечение переноса тритийсодержаяей воды значительно превышает.-оечение механического переноса раствора а межзерновом,пространстве.

X. ПРОВЕРКА ТЕОРИИ КВАЗИД1ШУЗИ0НН0Й ФИЛЬТРАЦИИ ' ■ .ТРИТИЙСОДЕРЭДЕИ ВОДи-

Осуществлена экспериментальная проверка выводов теоу.ш квазк-циффузионной фильтрации тритийсодерлащей води. Получено удовлетворительное согласие экспериментальны* данных и теоретических выводов в части предсказания линеиной зависимости квадрата сирины выходного фронта и объемов Vq j и .V^ax от толщины L фильтрующего слоя. Поэтому эта теория рекомендована для гидродинамиче -ских расчетов.

Установлено,что при небольших скоростях фильтрации (t¿<10~^ см/с) величина квазидиффузионного коэффициента 3*" близка к значению коэффициента самодиффузии молекул ьоды. При увеличении скорости фильтрации она значительно возрастает.

Оба метода исследования фильтрационного процесса тритиисодер-жащей воды приводят к идентичным выводам. Однако при проведении экспериментов в лабораторных условинх преимущества в надежности получаемых результатов имеет метод фронтальной фильтрации. С точки же зрения техники безопасности некоторые преимущества имеет изучение процесса перекоса методом меченой волны, так как позволяет избежать радиоактивного загрязнения окружающей среды.

V; ; XI. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННОГО ПЕРЕНОСА ТРИТИЛ- : V ; : ..'■ С0ДЕРВД2Д вода в: КОЛОНКАХ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД

';' С целью исследования зависимости ширины фронта трития и квазидиффузионного коэффициента ой от скорости фильтрации Ц, проведены специальные опыты о колонками почвы из Aj/Ag и кварцевого песка, так как последние позволяют изменять скорость фильтрации ,в достаточно широких пределах. .'>'•'-, •■'

Зависимость сО"*" от параметров среды и потока в ламинарной области фильтрации в общем случае можно представить в виде

■• -' ; <^0 + " ки.4- \ '" : ■ (г?)'

Где■ - коэффициент молекулярной диффузии в неподвижной фильтрующейся жидкости, - к и ■ ^ - эмпирические постоянные. Для определения к н построены графики. зависимости J0 0) от Оказалооь.что о достаточной точностью мо«шо принять (J^ •= 1, а Й0 примерно равен 1,5.10"5 см2/0; Значения <30 ь колонках с различными дисперсными материалами различаются незначительного позволяет рекомендовать описанный метод для егр оценки способом фильтрации; Получены следующие значения, к ;

. ккь,песок ' 6,0.10"^ см, . кцочва ° 8.0-*°~2 см.-' ;

Приближенно модно считать,что различные Факторы,влияющие на степень.размывания фронта тритийсодермащей воды в колонках дисперсных сред,вносят аддитивный вклад в величину об* :

• С28)

В качестве таковых выявлены: стеночный эффект,обусловленный тем, что у стенок фильтрационной колонки плотность упаковки частиц меньше* грануляционный эффект,связанный различием размеров частиц фильтрующей среды и наличием-пор разных размеров и форм, сорбци-онно-кинетический эффект,обусловленный неравновесностью процессов изотопного обмена и миграции трития. Проведенными экспериментами обоснована следующая зависимость:

к. А + кгс£ +-Щ . (29)

где Т- радиус фильтрационной трубки, с1- средний диаметр частиц фильтрующей среды, кс, кг и кк - соответствующие коэффициенты пропорциональности,оцениваемые экспериментально.

Совместное использование в фильтрационных опытах тритнйсодер-жащей воды и растворов,меченных другим индикатором,позволяет совершенствовать представления,лежащие в основе современных теорий фильтрационных процессов и пористой структуры дисперсных,систем.

. ХП, ИССЛЕДОВАНИЕ ДШРУЗИОННОИ КИНЕТИКИ. ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА ■ И МИГРАЦИИ ТРИТИЯ В ГЕТЕРОГЕННЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

Яри проведении исследований в естественных условиях часто ■ встречаются случаи,когда фильтрация воды осуществляется в почво-грунтах с неполным влагонасыщением пор:и естественным,строением.. ' Поэтому представляет интерес исследование процесса формирования И переноса фронта тритийсодержащей воды в таких условиях. Исследованы следующие состояния почв и кварцевого песка в фильтрационных колонках: I) воздушно-сухое, 2) влагонаснщеяное в парах дистиллированной воды, 3) поры неполностью насыщены водой и 4) поры полностью заполнены водой. При фильтрации тритийсодержащей воды: сверху получены сильно растянутые несимметричные фронты, так как раствор быстро растекается,по крупным порам,не успев полностью, увлажнить образец. В дальнейшем осуществляется длительный процесс установления изотопноооменного равновес^гя.-При пропитывании, снизу неполностью влагонасыценных образцов меченой водой формируется фронт трития,по форме и аирине совпадагэдй о фронтом,образующимся при фильхрации тритайсодёржащей воды во влагонасыщенном образце. .

Поэтому уравнения теории квазиди.^фу знойной фильтрации могут. Сыть использованы и для описания таких фильтрационных ''роцессов.

С целью проверки возможности использования ураиноичи кьази-диффузионной фильтрации для рассмотрения переноса тритии^одарка-щей воды в грунтах с естественна строением проведены специальные опыты в лабораторных условиях с монолитом сечением 10x10 См2 :. высотой см и натурные исследования поверхностного увлажнения земляного полотна автомобильных дорог. Показано,что фильтрация в колонке почьогрунтов с ненарушенным строением носит неравновесный характер. Однако теория квазидиф^узионной фильтрации с достаточной точностью описывает и этот процесс, чю важно для решения мьогих практических задач почвенной гидрологии и гидродинамики. В 1972-1978 гг. под руководством автора инженер В.¡1.Куканов в Московском автомобильно-дорожном институте проводил исследование поверхностного увлажнения полотна автомобильных дорог с использованием меченной тритием воды и теоретических положений,изложенных в данной работе. В результате оценено количество воды,поступающее в грунт земляного полотна из различных источников увлажнения; исследована степень водопроницаемости различных типов обочин; получены коэф^ициенты.связывасаие величину притока через неукрепленные и укрепленные обочины; разработана методика диагностики пучиниотых участков.

Так как в колонках с крупнодисперсными частицами фильтрация тритийсодержащеИ води может осуществляться с большой скоростью, то в этом случае условие равновесности иэотопнообменнои сорбции не соблюдается. Такие условия,в частности,имеют место при Филы-рации тритийсодержащей воды в колонках с ионитаыи. Рассмотрен пример использования для описания такого процесса уравнения внеш-недиф$узионноП кинетики. Оценены соответствующие параметры.

Для оптимизации технологии сушки и отволакивания зерна, предпосевной обработки, диагностирования жизнеспособности семян различных сельскохозяйственных культур имеет важное значение разработка адекватной Сиокибернетической модели семян. При изменениях физиологического состояния семян (покои,активация,возбулденне, стресс) существенно изменяются структурные особенности'и подвии-кость их внутриклеточной воды. Разработана-методика получения информации об этих осооенноотях в результате исследования кинетики изотопного оомеки и миграции трития при взаимодействии меченной тритием воды с семенами различных культур непосредственно и через газовую фазу. Доказана изотопнообменная подвижность значительной части структурного водорода в зерне. Во всех экспериментах оонару-

жено увеличение концентрации изотопнообменного водорода с повменкем температуры.

заключение

В результате анализа физических основ методов изотопных индикаторов и изотопного разбавления, совместного рассмотрения явлений изотопного обмена, изотопного разбавления и сорбции разработана и экспериментально обоснована методология использования антропогенного радиоактивного изотопа водорода трития для исследования состояния и моле-кулярно-кинетического механизма переноса воды в объектах сельскохозяйственного производства, выявлены физико-химические закономерности поведения трития в составе воды в почвах, грунтах, семенах сельскохо -зяйственных растений и некоторых других объектах агрономии, необходимые для прогнозирования радиоэкологической опасности тритиевых выбросов ядерной энергетики и разработки систем мероприятий по защите ок- . ружающей среды от них. На основе обсужденных в диссертации теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие обобщенные выводы, имеющие приоритетная характер:

I, Раскрыт квазидиффузионный изотопнообменный механизм процессов, приводящих к равновесному распределению трития в сельскохозяйственных объектах. Известные в радиохимии формулы методов изотопного разбавле- : ния не могут быть использованы для количественного описания состояния: и переноса воды в исследуемых сложных системах вследствие неравнове- : роятности распределения трития между, их взаимодействующими компонен- 5 таки и фазами и изменения грамм-атомной массы.водорода;,■

2* Сформулированы основы обобщенной теории методов изотопных индикаторов и изотопного.разбавления. Единой их физичеокой основой является изменение изотопного соотношения:химического элемента, приводящее к изменению его грамм-атомной массы. Дан вывод обобщенных расчет? . них формул применительно к методам прямого и обратного изотоппого разбавления для многоизотопных химических элементов,: учитывающих изменение их грамм-атомиой кассы. Обосновано, что все химические элементы * можно рассматривать как двухизотопные (изотоп-индикатор о его грамм- , атомной массой и все остальные изотопы вместе с их.средневзвешенной грамм-атомной массой). При использовании индикаторных концентраций трития в составе воды в классических методах изотопного разбавления ,. для расчетов можно пользоваться с большой точностью известной формулой.

3. Отклонение равновесного распределения трития от равновероятное т-ного охарактеризовано коэффициентом равновесного распределения иэото-пов водорода во взаимодействующих соединениях и фазах исследуемых си—, стем; Распределение трития между водой и смесью водородосодержайих ве-

ществ.в частности между молекулярио адсорбированной „чодоя и химически связанным водородом безводной матрицы исследуемых систем, охарактеризовано с использованием эффективного коэффициента ралновесисго распределения. Предложены формулы для оценки коэффициента равновесного распределения трития между свободной порозой и молекулярно адсорбированной водой в статических и динамических условиях и проведены его намерения. Обнаружено концентрирование трития в составе мекзернового раствора,что объяснено особенностями водородных связен во взаимодействующих (разах. Обосновано,что среди всех комбинации "вода-водородсодер-жащее соединение", в природных условиях миграции тритии должен кон -центрироваться в воде.

Обосновано,что переход трития из жидкой или гаяоооразпоИ фазы в состав твердой фазы вследствие процессов изотопного обмена и диффу- ' зии является изотопнообменной разновидностью сорбциоиных процессов. Рассмотрен вид изотермы изотспнообненной сорбции в зависимости от численного значения коэффициента равновесного распределения изотопов.

5. Рассмотрено изотопное разбавление микрокоицентрацлй трития в гетерогенных системах в статических условиях с учетом отклонения коэффициента его равновесного распределения от 1 и процессов сорбции воды. Предложены формулы для определения концентрации изотолноооменного водорода в составе безводной матрицы сельскохозяйственных объектов и их влагосодержаная методом разбавления тритийсодержащеи воды. Установлены оптимальные условия измерений этим методом.

6. Рассмотрена изотопнообменная сорбция микроконцентрациа трития из воды сельскохозяйственными объектами в условиях фильтрации. Предложены формулы для определения количества и концентрации иаотопнооб-ыенного водорода в безводной матрице таких тел фильтрационным методом в колонках с различным исходным содержанием воды. Теоретическими и экспериментальными исследованиями обоснован фильтрационный метод определения влажности дисперсных материалов с использованием тритицео-держащеи воды.'; '. .••'■-"'■ •

: • 7. Обоснованы о использованием общих положении теории динамики сорбции основы теории квазиди.рфузионноЯ. фильтрации тритиисодеркащей ¿оды в колонках дисперсных-сред. В результате исследований методами фронтальной фильтрации и элюативнои волны показано,что при не очень больших скоростях («•10""*' см/с) квадрат ширины фронта пропорционален толщине фильтрующего слоя;, со скоростью выпрямленного фронта трития движется точка его половинной концентрации при использовании фронтальной методики и максимальной концентрации - при использовании метода элюативной волны..:.'. ..',

Выявлено.что эффективное сечение переноса трития в фильтрационных колонках значительно превышает сечение механического переноса межзернового раствора. Вследствие изотопнообменной сорбции скорость движения выпрямленного фронта трития меньше скорости механического переноса межзернового раствора. Отклонение величины коэффициента равновесного распределения изотопов водорода от I приводит к различию в скорости, движения фронтов трития и природного водорода.

Предложены формулы для росчета квазидиффузионного коэффициента размытия фронта тритийсодержащей волны по результатам экспериментальных исследований, установлена примерно линейная зависимость этого коэффициента от скорости фильтрации. Квазидиффузионный коэффициент представлен в виде приближенно аддитивной суммы,кандое слагаемое которой характеризует вклад одного фактора в размытие фронта трития.

8. Экспериментально исследована ¡диффузионная кинетика изотопного обмена и миграции трития в сельскохозяйственных объектах в статических и динамических условиях. Установлено, что при пропитывании снизу влагоненасыщенных почв тритийсодержащей водой образуется фронт трития, по форме и ширине совпадающий.с фронтом,образующимся при её фильтрации в соответствующем влагонасыщенном образце. Обнаружено, что фильтрация тритийсодержащей воды в грунте с естественным строением носит . неравновесный характер. Оценены основные кинетические и динамические параметры переноса трития в составе.воды во влагонасыщенных колонках ионитовых смол. Доказана изотопнообменная подвижность при повышенных температурах значительной части структурного водорода в семенах различных сельскохозяйственных растений.

9. Предложены физико-химические основы различных радиохимических методов практического использования трития в составе воды для решения некоторых вопросов гидрофизики и влагометрии сельскохозяйственных . объектов, влагопереноса в пористых средах и физико-химии поверхност- . них сил:

- кидкостно-сцинтилляционная методика радиометрии трития в составе воды внедрена в практику исследовательских лабораторий,

- теория квазидиффузионней фильтрации внедрена в.практику гидро- . динамических расчетов, меченная тритием вода использована для исследования влагонакопления и влагопереноса в грунтах земляного полотна автомобильных дорог, * ■ - ,

- метод разбавления тритийсодержащей воды рекомендован в практику ■ радиоаналитичеоких лаборатосиД для оперативного определения абсолют- . ной влажности дисперсных материалов, продемонстрированы возможности получения этим методом ценной инфоршиш на примере исследования-

электроизоляционной бумаги л семян сельскохозяйствен растений,

- разнообразные фильтрационные методы с исцо*ьзоьаи. ,ч тр'.тиЯ-содержащей воды предложены Д/я уточнения представления, „•¡сли-л» ь основе теорий фильтрационных ароцессов и пористой структуры дисперсных систем, предложен фильтрационный метод определения козф-фициента молекулярной диффузии,

- определение коэффициента равновесного распределения тритий в статических и динамических условиях и параметров кинетики изо-топнообменных процессов монет стать средством классификации форм связи воды и степени их подвижности во влагосодержадих системах, а также исследования поверхностных сил и разработки теоретических вопросов адсорбции.

10. Результаты исследований представляет собой теоретико-экспериментальнуо основу экологии трития. Трития распределяется Оолее или менее равномерно во всех водородосодержащих соединениях биосферы, поэтому при непрерывном выделении современными АХ и заводами по регенерации ядерного топлива выявленный небольшой срок его удалении из организма животных при однократной инъекции «е может служить поводом для отнесения трития к числу относительно безопасных нуклидов.

Выявленные закономерности изотопного обмена и миграции трития в сельскохозяйственных объектах составляет основу нового направления в агропочвоведекии и агрофизике - тритиевая индикация воды, которое может стать теоретической базой для дальнейиего развития научно-технических средств гидрофизики, влагометрии, радиогидро-догии, радиоэкологии и др.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ленский Л.А. Лидкостно-сцинтилляционная радиометрическая установка с проточной квветой //Доклады ТСХА.-Вып.94.-19оЗ.-С.379-Заб

2. Ленский Л.А. ИзотопнооОменная сорбция трития из водных растворов почвами в статических условиях //Доклады ТСХА.-Вып.99.-1964,-С. 527-532.

3. РачинскиЯ В.В.,Ленокий Л.А. распределение и перенос трития в составе "ионит-вода" //Теорет. и эксп.химия.-ТЛ, вып.6.-1965.-

С .7 85-795.

РачинскиЯ В.В.,Ленский Л.А. Изотоанообменная сорбция трития из водных растворов почвами в динамических условиях //Доклады АН CCCP.-T.I62.-1H 2.-1965.-С.360-383.

5. РачинскиЯ В.В.,Ленский Л.А. Исследование взаимодействия ке-ченноя тритием води с почвами. Г.Изотопные эффекты при сорбции поч-

вами меченной тритием воды //Известия ТСХА.-5" 1.-1965.-0.133-144.

6. Рачинский В.В.,Ленский Л.А. П.Изотопный обмен водорода в статических и динамических условиях //Известия ТСХА.-& 3.-I965.-С.216-236.

7. Ленский Л.А. Доказательство обменной подвижности связанной воды в почвах с помощью трития //Доклады ТСХА.-Вып.119.-1966.-

С .49-52. •

8. Рачинский В.В..Ленский Л.А. Определение коэффициента размытия фронта меченой воды //Известия ТСХА.3.-I966.-C.I07-II6. .

9. Ленский Л.А. Измерение- активности препаратов тритяевой воды при помощи безоконных газопроточных счетчиков //Журнал физической химии.-К» 9.-1967.-С.2340-2342.

10. Ленский Л.А..Белов Г.В. Усовершенствование датчика жид-костно-сцинтилляционного радиометра с проточной кюветой //Доклады ТСХА.-Вып.124.-1967.-С.337-340.

11. Рачинский В.В..Белов Г.В.,Ленский Л.А. Исследование динамики переноса воды в почвогрунтах с применением трития методом меченой волны //Известия TCXAj-S" 4.-I9CT.-C.I93-I98.

12. Ленский Л.А..Чураев Н.В.,Лашнев В.И. Исследование грануляционного эффекта в процессах переноса меченой воды в пористых средах //Доклады ТСХА.-Вып.124.-1967.-С.243-249. " - . . ...

13. Меленевская H.H..Ленский Л.А.,Рачинский В.В.,Шубин A.C. Изучение кинетики изотопного обмена водорода влагонасыщенных зерен пшеницы с применением воды,меченной тритием //Известия ТСХА.-f 4.-1967.-С.59-64. V

14. Ленский Л.А.,Белов Г.В. Жидкостно-сцинтилляционный радиометр трития, для сельскохозяйственных исследований //Всесоюзная-научная конференция по применению изотопов и излучений в сельском" хозяйстве (20-24 июня 1967 г.).-М. :Изд.ВАСХНИЛ.-1968.-С.16б.:

15. Ленский Л.А. Датчик с проточной кюветой к жидкостно-сцин-тилляциоиному радиометру //Тезисы докладов У Всесоюзной конферен- ; ции по синтезу, - производству и использованию сцинтилляторов.-: Харьков.-1968.-С. 85-87.

16. Ленский Л.А..Белов Г.В. Жидкостно-сцинтилляционный радиометр трития //Заводская лаборатория.-»» 11.-1968.-0.1413-1414. -

17. Ленский Л.А. Опыт применения трития в почвенно-гидрологи-ческих исследованиях //Всесоюзная научно-техническая конференция "XX лет производства и применения изотопов и источников ядерных излучений в народном хозяйстве СССР"гМ.:Атомиздат.-1968.-С.47.

18. Меленевская Н.М..Шубин A.C..Ленский Л.А. Применение метода радиоактивных индикзторов для исследования форм связи и коэффици- .

ента диффузии влаги в зерне //Тепло- и массообмен.-ХиеЕ.:Яаукова дум ка.-1968.-Т. б,ч Л.-С.147-154.

19. Шубин А.С..Меленевская В.М.Денскиа Л.А. Исследование связи и коэффициента диффузии влаги в зерна //Сборник научных трэдов взгаш.-м.,19б8.-с.иг-18э.

20. Вубин А.С..Меленевокая Н.К. .Ленский Л.А. Определение коэффициента диффузии влага в зерне методой меченых атомов //Извеотия высших учебных заведения. Пищевая технология.-® 3.-1968.-С.166-169

21. Ленский Л.А.,Белов Г.В. Выбор сцинтиллятора и определение оптимальных условий измерения активности препаратов тритиевой воды на жидкостно-сцинтилляционном радиометре с датчиком с проточной кюветой //Монокристаллы,сцинтилляторы и органические люминофоры. -Вып. 5, ч.2. -1970. -С .214-217.

22. ЛенокиЯ Л.А. Применение трития в почвекно-гидрологичесхих исследованиях //Применение изотопов и ядерных излучений в сельском хозяйстве.-М.:Атоми здат.-С.167-170.

23. Ленский Л.А. Разработка и экспериментальное обоснование теории хвазидиффузионной фильтрации воды а почвогрунтах //Доклады МИИСП.-Т.8, вып. 1.-1971.-С.365-371.

24. ЛенокиЯ Л.А. Исследование форм связи и процесса диффузии влаги в зерне с применением радиоактивного изотопа водорода //Доклады МИШП.-Т.б, вып.1.-1971.-С.328-335.

25. Ачинский В.В.,Ленский Л.А..Белов Г.В. Исследование формирования фронта меченьоа тритием воды в колонках о неполностью вла-гонасыщеннын грунтом и фильтрации меченое воды в колонке с естественным строением грунта //Вадиоизотопнне методы и средства в гидротехнике а мелиорации.-М.-1971.-С.122-127.

26. Шубин А.С.Дурбаков 0.В.,Прокофьев В.Л.,Ленский Л.А. и др. Применение радиоактивного изотопа водорода-трития для определения различных форм водорода в воды в бумаге //Сборник научных трудов ВЗИПП "Тепло- и массообмен".-Вып.1.-М.-1971.-С.47-55.

27. Рачинокий В.В.,Ленский Л.А.«Белов Г.В. Зависимость размытия фронта меченной тритием воды в почвогрунтах от скорости потока ш присутствия в растворе хлористого натрия //Известия ТСХА.-& 3,-

1971.-С.211-217.

28. Рачинокий В.В.,Ленокий Л.А..Белов Г.В. Исследование станочного эффекта при фильтрации меченной тритием воды в колонках г.оч-Вогруатов //Известия ТСХА.-К 5.-Г971.-С.191-195.

29. Ленский Л.А. Формы влаги в гетерогенных системах и экспериментальные методы их исследования //Йборник трудов МИИСП.-Т.9.ВЫП I-

1972.-С. 335-341.

30. Ленский Л.А. Определение абсолютной влажности и исследование физико-химических форм влаги гетерогенных систем методом разбавления меченной тритием воды //Сборник трудов МИИСП.-Т.9, вып.1. 1972.-С. 342-346.

31. Ленский Л.А..Неленевская Н.М. Фильтрационный метод определения абсолютной влажности коллоидно-дисперсных материалов с применением тритиевой воды //Научные труды ВЗИПП по тепло- и массо-обмену.-Вып. 4.-М.-1972.-С. 67-75.

32. Ленский Л.А. .Меленевская Н.М. Об оптимальных условиях разбавления тритиевой воды для определения абсолютной влажности материалов //Научные труды ВЗИПП по тепло- и массообмену.-Вып.4.-М.-1972.-С.100-103.

33. Ленский Л.А.,Куканов В.И. Применение радиоактивных индикаторов для исследования процессов влагопереноса в грунтах земляного полотна //Труды МАЛИ.-Вып.37.-1972 .-С.124-130. .. , ,

34. Рачинский В.В.,Ленский Л.А..Белов Г.В. Исследование грануляционного эффекта в процессах размывания фронта Меченной тритием воды в почвогрунтах //Известия ТСХА.-5« 1.-1972.-С. 124-130,

35. Рачинский В.В.,Белов Г.В.,Ленский Л.А. Исследование сорбци*-онно-кинетического эффекта в процессах размывания фронта меченной тритием воды в почвогрунтах //Известия ТСХА.-* 2.-Г972.-С .204-208.

36. Рачинский В .В., Ленский Л.А..Белов Г.В. ■ Исследование формирования меченной тритием воды в колонках с неполностью влагонасы-венным грунтом и её фильтрации в грунте с ненарушенным строением// Известия. ТС ХА.-* 3.-1972.-С.196-200.

37. Рачинский В.В.,Ленский Л.А. Явление изотопного разбавления и обяая теория метода изотопных индикаторов //Известия ТСХА.-И» 2.-1977.-С.199-202. " , '

38. Рачинский В.В.,Ленский Л.А. Общая теория.метода изотопных индикаторов //Доклады АН СССР.-Т.236, * 4.-Г977.-С.932-934.

39. Ленский Л.А. Поведение трития во влагосодержащих системах// Первая Всесосэная конференция по сельскохозяйственной радиологии.-N. ;Изд.ВНИИСХР.-1979.-С.270-271. .

40. Ленский Л.А..Рачинский В.В. Исследование фильтрационных процессов в пористых средах с применением меченной тритием воды. I.Изотопнообменная сорбция трития //Журн.физ.химии.-* 8.-1980.-

с.2140-2142. .... ■ ,.- ;

41. Гач/нский В.В..Ленский Л.А..Белов Г.В. П.Проверка теории квазидиффузионной фильтрации //Курн.физ.химии.-* 12.-1900,-С.3147.

42. Ленский Л.А..Белов Г.В.,Рачинский-В.В, Ш.Зависимость кваэи-диффузиоиного коэффициента от скорости фильтрации //Жури.физ. " ..

...да- '• V"/': . " •'

химии.-»" I .-I98I.-С.261-262.

43. Ленский Л.А..Белов Г.В..Рачинский В.В. 1У.0 выборе се е-ния колонок для хроматографических исследования //Лурнал фпз..ч1-ской химии.-» 1.-1981.-0.262-263.

'44. Ленский Л.А..Белов Г.З. .Рачикский В.В. У.Зависимость ква-эидиффузиоиного коэффициента от характеристик фильтрационных колонок //2урнал физической химии.-S 2.-1*581.-С.500.

45. Ленокий Л.А..Белов Г.В.,Рачянский В.В. У1 .Зависимость ширины дорбционного фронта от скорости фильтрации /Ауриад физической химии.-Ш 2.-1981.-С.501,

46. Ленский Л.А.,Белов Г.В., Рачинский В.В. У11. Формирование фронта меченой воды //Зурн.физ.химии.-К' 10.-1981.-С.2685-2689.

47. Ленский Л.А..Белов Г.В.,Рачинокий В.В. УШ.Фильтрация в колонке с естественным строением грунта //Журн.физ.химии.-S» 10.-

1981.-С. 2 689-2 690.

48. Ленский Л.А. Физика и химия трития.-М.:Энергоатомиздат.-I90I.-I13C.

49. Ленский Л.А. Трития во влагосодержаошх системах.-М. :0нерго-атомиздат.-1961.-79 с.

50. Ленский I.A. ,Рачинский В.В. Исследование влагой о держащих систем с применением трития. I.Изотопное разбавление трития в статических условиях //Журн.физ.химии.8.-1982.-С.2036-2099.

51. Ленский Л.А..Рачинский В.В. П.Кинетика изотопнообменной сорбции трития //Журн.физ.химии.-Se 9.-1982.-С.2344-2346.

52. Ленский Л.А. .Рачинский В.В. Ш.Фильтрационный перенос трития //1урн.физ.химии.-» 9.-I982 .-С.2346-2347.

53. Рачински« В.В.,Ленский Л.А. Общая теория методов изотопного разбавления //Еурн.физ.химии.-» 10.-1982.-0.2620-2623.

54. Ленский Л.А. Современное состояние проблемы загрязнения окружавшей среды тритием /Дезиоы докладов на научно-координационном оовещании "Использование метода радиоактивных индикаторов в изучении загрязнения почвенно-растительного покрова",22-25 марта 1982 г.-Обнинок:ВНИЮХР. Деп. в ВИНИТИ, » 02.62.3.039360 , 23 апреля 1982 г.

55. LenskiJ L.A. Gewinnung von Informationen über die strukturellen Besonderhelten und die Beweglichkeit in ZeUwaaser von Weitenaamen.//Physikalische Gesellschaft der Deutschen Demokratische Republik. Tagung. Agrophysik, той 30»5. bis 5.4.1987,

56. Iienskij L.A. Triiiua in bydrological researches ef soils and grounds. 4th international conference Physical Properties of

Agricultural Materials.-Roetock (SDR), September 4-8, 1989.

57. Ленский Л.А. Иэотоянообмевннй метод исследования воды в семенах //Тезисы докладов Всесоюзно* научной конференции "Пути повышения качества зерна и зеряопроду ктов, улучшения ассортимента крупы, муки к хлеба".-*.-1989.-<3.36.

Объем 2 п л Заказ 1521 Тираж 100

Типография Московской с -х академии им К А. Тимирязева 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул, 44