Почвы и грунты имеют сложное строение в виду изменчивости их морфологии и химического состава. Изучение характеристик почвогрунтов — это основа для выяснения происхождения, свойств и уровня плодородия почв. Такие исследования полезны при составлении карт почвенного покрова, которые необходимы в строительстве, агропроизводстве и нефтяной промышленности. Классические методы не позволяют проводить точный анализ неоднородных грунтов, состоящих из различных пористых компонентов. Ученые Пермского Политеха разработали подход для качественного анализа их морфологических характеристик. Способ дает возможность достоверно и эффективно оценить особенности структуры грунтов.
Статья с результатами опубликована в журнале «Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология», 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Детальное изучение почвогрунтов необходимо для понимания их свойств и возможностей. Например, в строительстве важно знать особенности грунта, на котором будет построено здание. В сельском хозяйстве это поможет повысить урожайность и подобрать технологии для улучшения качества посевов. А в нефтегазовой отрасли информация о структуре почв поможет предсказать распространение нефтепродуктов в случае их возможной утечки.
Для этого ученые изучают морфологические признаки — это информация о влажности, составе, структуре, пористости, включениях, глубине и общей мощности почвенного профиля. Пористость и удельная площадь поверхности являются важнейшими характеристиками почвы. Они влияют на ее адсорбционную способность и реактивность в отношении загрязняющих веществ, фильтрационные свойства и удержание влаги.
Для измерения этих параметров применяют метод низкотемпературной адсорбции азота: газ заполняет собой поры образца (адсорбция) при увеличении относительного давления, а при его постепенном снижении происходит десорбция газа из пор. После обработки полученной информации можно количественно оценить пористость образца — вид пор, их объем и прочие свойства. Но интерпретировать эти данные для дальнейшего использования очень сложно. Однозначно охарактеризовать таким образом можно только непористый и макропористый материал. Но в большинстве случаев он имеет и микро-, и мезо- и макропоры.
— Типичным примером являются грунты. Они содержат непористую песчаную фракцию, состоящую из микрочастиц кварца, полевого шпата, кальцита и т.д., и микропористую глинистую фракцию. В щелях между соприкасающимися микрочастицами образуются мезопоры (размером от 2 до 50 нм), а в полостях — макропоры (более 50 нм). Такой материал с трудом вписывается в идеализированные модели, которые используются для расчета и распределения пор по размерам. И даже более сложные гибридные модели не описывают его адекватно, поскольку предполагают, что твердое вещество химически однородно, что не так в случае с грунтами, — рассказывает доцент кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ, кандидат химических наук Леонид Аснин.
Ученые Пермского Политеха разработали подход, который основан на существующих моделях для анализа пористых материалов, но при этом достоверно учитывает все особенности неоднородного грунта. Политехники ввели новое уравнение, рассчитывающее основные параметры процесса адсорбции — объем микропор, энергию и связь объема газа в порах с давлением.
Для эксперимента брали образцы из двух пробуренных скважин. Их просушивали и просеивали через сита с разными размерами ячеек. Измерение изотерм адсорбции ученые проводили при очень низких значениях давления — от 0 до 0,005, так как это облегчает расчет параметров. В качестве контрольного образца использовали непористый кремнезем, и с ним сравнивали все полученные данные. В результате получили зависимость, которая позволяет с высокой точностью определить набор морфологических характеристик, относящихся к удельной площади поверхности и структуре пор разных размеров.
— Мы установили, что морфологические характеристики грунта в значительной степени зависят от общего содержания глины. Исследованные образцы, содержащие от 25 до 45% глины, имеют относительно низкий общий объем пор (0,03-0,05 см3/г). Примерно на 70% он состоит из мезо- и макропор, на 22-29% — из супермикропор, при этом оставшаяся незначительная доля пор состоит из ультрамикропоры (2-7%). Удельная поверхность образцов колеблется от 20 до 40 м2/г. Полученные данные доказывают, что с помощью нашего подхода можно проводить полноценный анализ свойств и особенностей структуры грунтов, — поделилась аспирант кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ Маргарита Першина.
Подобные исследования являются частью работ, направленных на создание физико-химических основ расчета миграции загрязняющих веществ в почвах и грунтах. Для этого необходимо понимать как структуру проницаемой среды, так и ее адсорбционные свойства. Это знание позволит построить математические модели для предсказания распространения органических загрязнителей в грунте. Разработанный подход ученых Пермского Политеха как раз дает такую возможность получить более полное представление о его неоднородных структурах и морфологических характеристиках.