Роль гранулометричного та мінералогічного складу ґрунту в процесі сорбції радіонуклідів.
Гранулометричний склад. На сорбційні процеси радіонуклідів у ґрунтах впливає гранулометричний склад ґрунтів. Це зумовлено тим, що ємність поглинання ґрунту залежить від вмісту в ньому високодисперсних частинок. К. К- Гедройц вказував, що основну роль в обмінній здатності ґрунтів грає глистий фракція, а роль більших механічних елементів ґрунту у фізико-хімічному поглинанні мала. Фракція ґрунту, частинки якого більша за 0,001 мм, має ємність поглинання від 0,12 до 13,4 мгекв., а фракція частинок менше 0,001 мм - від 20,6 до 107,4 мг-екв. на 100 г. Ґрунти, що містять більшу кількість високодисперсних частинок (розміром менше 0,001 мм), характеризуються високою ємністю поглинання.
Встановлено, що гранулометричний склад ґрунту впливає на міцність закріплення мікрокількостей радіонуклідів. Тяжкими ґрунтами поглинені радіонукліди, особливо 137Cs, сильніше закріплюються, ніж легкими. Із зменшенням розміру фракцій ґрунту міцність закріплення ними 90Sr та 137Cs підвищується. Найбільш міцно закріплюються радіонукліди глистою фракцією.
Поглинання радіонуклідів фракціями ґрунтів було досить повним. Виняток становить дрібний пісок, де сорбованого 90Sr менше, ніж у решті фракцій грунту. Поглинання ж 137Cs навіть дрібним піском становило близько 99%. Властивості частинок різного розміру впливають на міцність закріплення 137Cs, ніж на величину його поглинання. Найбільше десорбується 137Cs в 1,0 н розчині хлористого калію з дрібного піску, середнього та великого пилу. З мулистої фракції ґрунтів 137Cs витісняється всього близько 3%.
Значна частина 137Cs залишається у ґрунті у міцно пов'язаній, фіксованій формі. Навіть піщані фракції ґрунтів,які практично не містять гумусу, мають здатність міцно закріплювати мікрокількості поглиненого I37Cs. Наприклад, у фракції дрібного піску дерново-підзолистого ґрунту та чорнозему залишається невитісненим після трьох обробок хлористим амонієм 37-45 % поглиненої кількості цезію. Це свідчить про те, що у сорбції 137Cs велике значення має мінеральна частина ґрунтових частинок.
Пилуваті фракції мають ще більшу здатність до фіксації радіоактивного ізотопу цезію, ніж піщані. У мулистій фракції грунтів залишається найбільша кількість 137Cs, яка не витісняється в розчин хлористого амонію після багаторазової обробки. Цікаво простежити за розподілом радіонуклідів за фракціями забруднених ґрунтів. Основна кількість 90Sr зосереджена в мулистій і глинистій фракціях чорнозему, давньоалювіальному та сіро-коричневому грунтам.
У глинистій фракції (менше 0,01 мм) накопичується від 50 до 85% 90Sr від загального вмісту у ґрунті. Слід мати на увазі, що частка різних фракцій у гранулометричному складі ґрунтів неоднакова.
Мінералогічний склад. Відмінності в закріпленні мікрокількостей 90Sr і 137Cs різними за розміром фракціями обумовлені не тільки неоднаковою площею поверхні цих частинок, їх різним хімічним складом, але і різним мінералогічним складом.
Необмінна фіксація 137Cs піщаними та великопилявими фракціями обумовлена, очевидно, присутністю невеликої домішки слюд у цих фракціях. Зміст в мулистій фракції грунтів мінералів монтморилонітової групи, а також слюд і гідрослюд - одна з основних причин міцнішого закріплення мікрокількостей 90Sr і 137Cs цією фракцією.
Найбільшу поглинальну здатність по відношенню до мікрокількостей радіонуклідів, як і до макроелементів, мають мінералимонтморилонітової групи та групи гідрослюд. Мінерали каолінітової групи та групи слюд характеризуються меншою сорбційною здатністю по відношенню до макро- та мікрокількостей катіонів, що знаходяться у ґрунті.
Мінерали групи монтморилоніту поглинають від 92 до 99,9% 90Sr з розчинів, мінерали каолінітової групи - від 40 до 68, слюди - від 71 до 87, гідрослюди - від 80 до 88%. Мінерали групи кальциту, польових шпатів та кварцу поглинають від 10 до 50% 90Sr.
Відмінності у повноті сорбції радіонуклідів та у ступеня їх закріплення різними мінералами обумовлені насамперед неоднаковою структурою кристалічних ґрат мінералів. Мінерали монтморилонітової групи завдяки будові кристалічних ґрат відрізняються інтраміцелярним поглинанням і тому не тільки більш повно сорбують мікрокількості радіонуклідів, а й міцніше закріплюють їх у поглиненому стані, ніж мінерали інших груп. Інтраміцелярне поглинання - це входження катіонів усередину кристалічних ґрат мінералів. Поглинання катіонів на поверхні шарів кристалічних ґрат мінералів називається екстраміцелярним поглинанням.
Поглинений 137Cs на відміну від 90Sr міцніше сорбується мінералами. Більш сильне закріплення I37Cs, як і 90Sr, спостерігається на монтморіллонітових глинах. 137Cs особливо міцно закріплюється мінералами монтморіллонітової групи: асканітом, гумбрином, а також слюдами та гідрослюдами: флогопітом, гідрофлогопітом, вермікулітом. Наприклад, десорбція 137Cs в 0,5 н розчині азотнокислого калію з поглиненого стану асканітом, гумбрином, флогопітом та гідрофлогопітом не перевищує 10% поглиненої кількості. Каолініт менш міцно закріплює поглинений 137Cs, більшість якого може бути витіснена катіонами нейтральних солей.
Отже,сильніше закріплення 137Cs ґрунтами порівняно з 90Sr обумовлено насамперед міцною сорбцією радіоцезію мінеральною частиною, особливо високодисперсними фракціями, що містять мінерали монтморилонітової групи та групи гідрослюд.
Вільний від носія 137Cs може бути поглинений ґрунтом за допомогою сорбції елемента на поверхні тришарових мінералів. При цьому в процесі фіксації кристалічна решітка мінералів змінюється, трохи розширюється так, що радіонуклід може включатися в кристалічну структуру. При цьому 137Cs не може бути заміщений на іони водню, натрію, кальцію, магнію або барію, оскільки ці іони не входять до кристалічних ґрат. Мікрокількості 137Cs можуть бути певною мірою замінені в кристалічній решітці калієм, амонієм і стабільним цезієм. Додавання стабільного цезію в ґрунт сильно зменшує сорбцію137Cs ґрунтами і значно збільшує десорбцію його з поглиненого стану.
Мінералогічний склад ґрунтів впливає на повноту поглинання радіонуклідів та міцність їх закріплення у ґрунтах. Радіонукліди можуть бути в грунті як в обмінному, так і в необмінному стані, співвідношення даних форм залежить від мінералогічного складу грунту.