jan Solecki
2. Modele Migracji radionuklidów w glebie
na przestrzeni lat powstało szereg teoretycznych modeli pionowego prze-mieszczania się radionuklidów antropogenicznych w głąb ziemi [16, 49–54]. Migrujący w glebie izotop 90sr należy do średnioruchliwych, średnia szyb-kość jego przemieszczania się w głąb gleby jest przeważnie niższa od 1 cm/rok [6, 51–54].
rysunek 2. Zależność sorpcji sr od php na glebie z sernik [43] figure 2. sorption of sr on soils from serniki as a function of phe [43]
Wszystkie opracowania teoretyczne prezentowane w cytowanych pracach były weryfikowane danymi eksperymentalnymi. kirchner [49] w jednym z opracowań założył możliwość analizowania procesu migracji w oparciu o równanie funkcji przeniesienia (ang. transfer function model). W obliczeniach przyjął dwa modele transportu radionuklidów: konwekcyjno-stochastyczny i konwekcyjno-dyspersyjny. jako podstawowe parametry decydujące o przebiegu migracji autor wymienił proces sorpcji radionuklidów, dynamikę przepływu wody a także homogeniczność gleby. W podsumowaniu autor stwierdza, że dla opadu światowego radionuklidów oby-dwa modele (konwekcyjno-stochastyczny i konwekcyjno-dyspersyjny) dostarczają
GáĊbokoĞü [cm] St ĊĪ en ie p ro m ie ni ot w ór cze [B q• m •c m ] -2 -1 Opad caákowity Sr90
j. solecki
696
danych dobrze opisujących ten proces. jednak lepsze dopasowanie uzyskał przy użyciu modelu konwekcyjno-stochastycznego, zwłaszcza w sytuacji pojawienia się zanieczyszczeń z innego źródła, w tym przypadku czarnobyla, a także do opisu dys-trybucji radionuklidów o różnej szybkości przemieszczania (ruchliwości). gene-ralnie model konwekcyjno-stochastyczny jest modelem o lepszych możliwościach przewidywania pionowego rozkładu radionuklidów w układach glebowych, którego wiarygodność zweryfikowana została na podstawie oznaczania dystrybucji 137cs i 90sr (rys. 2).
Z porównania kilku modeli dokonanego przez smitha i in. [50] wynika, że można uzyskać dobrą korelację pomiędzy dopasowaniem wielkości parametrów określających dany model korzystając z rozwiązania równania adwekcyjno-dysper-syjnego. Zestawienie to wskazuje, że możliwe jest porównywanie wyników uzyska-nych na podstawie obliczeń z różuzyska-nych modeli.
bossew i in. [51] przyjmując, że cząstki przemieszczają się w dół gleby z wodami opadowymi, a faza rozpuszczalna podlega procesom konwekcji i dyfuzji w roztwo-rze glebowym, oraz że izotopy ulegają sorpcji na cząstkach gleby, obliczyli na pod-stawie równania konwekcyjno-dyfuzyjnego szybkość migracji różnych izotopów w glebach z okolic czarnobyla. na podstawie uzyskanych wyników zaproponowali następujący szereg ruchliwości radionuklidów:
(sr, cs, co, sb, pb) < am < eu: sr < (cs, nb)
położenie sr w powyższym szeregu wskazuje na jego małą ruchliwość, co jest niezgodne z większością prezentowanych wyników [16, 48, 49, 53, 54]. fakt ten autorzy tłumaczą właściwościami wynikającymi z typu badanej gleby.
Do najczęściej stosowanych modeli należy model przedziałowy [52], oparty na średnim czasie przebywania radionuklidów w kolejnych warstwach gleby. Model ten opiera się na oznaczaniu aktywności właściwej danego radionuklidu w poszczegól-nych warstwach gleby o jednakowej grubości (przedziałach). Do opisu matematycz-nego przyjęto następujące założenia: migracja w górę na drodze dyfuzji lub konwek-cji jest zaniedbywana (przyjmuje się jedynie przepływ w dół), stężenie radionuklidu w danym przedziale jest jednakowe w całej objętości i ustala się natychmiast po pojawieniu się radionuklidu, sorpcja przebiega zgodnie z izotermą liniową. Model ten posiada charakter uniwersalny, gdyż pozwala na rozróżnianie depozycji jedno-razowych od ciągłych. W przypadku depozycji ciągłej, jako wartość początkową wprowadza się szybkość opadu w bq/m2·rok, jako sumę depozycji pojedynczych. Model przedziałowy w oparciu o wartości aktywności właściwych radionuklidów w kolejnych warstwach stwarza możliwość obliczenia na drodze numerycznej war-tości stałej szybkości migracji z przedziału do przedziału, następnie czasu przeby-wania w danym przedziale i w końcu szybkości migracji w cm/rok.
badania sorpcyjne [36, 43, 44, 47] w znacznym stopniu potwierdzają zasad-ność założeń modelu przedziałowego dla poszczególnych poziomów genetycznych gleby.
prezentowane w literaturze obliczone na podstawie różnych modeli średnie szybkości migracji 90sr w glebach leżą w zakresie od 0,5 do 1,5 cm/rok [15, 16, 33, 53, 54].
Ważnym składnikiem wpływającym na właściwości fizykochemiczne gleb są substancje organiczne, do których zaliczamy przede wszystkim kwasy fulwowe i humusowe oraz huminy. te wielkocząsteczkowe związki różnią się pomiędzy sobą masą cząsteczkową, zawartością grup funkcyjnych a także rozpuszczalnością. sub-stancje te mogą wiązać w wyniku sorpcji lub kompleksowania znaczne ilości katio-nów metali [55]. porównanie szybkości migracji 90sr z zawartością corg. w glebie pokazuje, że w większości przypadków szybkość migracji strontu–90 rośnie wraz ze spadkiem stężenia substancji organicznych [33].
podSuMowanie
W posumowaniu należy podkreślić, że pionowa migracja 90sr w glebach jest procesem bardzo złożonym i zależy przede wszystkim od:
• typu gleby
• poziomu genetycznego • miejsca pochodzenia próbki
Mechanizm tego zjawiska oparty jest głównie na zjawiskach sorpcyjno-desorp-cyjnych, na które wpływają takie czynniki, jak:
• pH
• obecność innych jonów w roztworach glebowych
• skład mineralogiczny gleby – zwłaszcza obecność substancji organicznych, które spowalniają proces migracji
podkreślana w większości badań rola glinokrzemianów jest przeceniana, bowiem ich ilość jest wielokrotnie mniejsza niż frakcji krzemionkowych, przez co sumaryczna powierzchnia tych frakcji jak i właściwości porowate w większym stop-niu wpływają na sorpcję 90sr.
proponowane w literaturze modele migracji, oparte na uwzględnianiu tylko dyspersji, dyfuzji, konwekcji, adwekcji, przy założeniu stałego charakteru sorpcyj-no-desorpcyjnego, mają jedynie znaczenie szacunkowe i mogą dotyczyć najczęściej jednego poziomu genetycznego.
Dobrym i prostym modelem migracji radionuklidów jest model przedziałowy, którego zasadność w dużym stopniu potwierdziły prezentowane w literaturze bada-nia (liniowa izoterma sorpcji, kinetyka sorpcji i desorpcji).
Dokładność obliczeń szybkości migracji na podstawie powyższego modelu w największym stopniu zależy od precyzji oznaczenia 90sr [56] w poszczególnych przedziałach (warstwach próbki gleb).
j. solecki
698
Piśmiennictwo cytowane
[1] S. Bieszczada, J. Sobota, Zagrożenie, ochrona i kształtowanie środowiska przyrodniczo-rolniczego, Wydawnictwo AR Wrocław, 1993.
[2] B. Dobrzański, Gleboznawstwo, PWN Warszawa, 1995.
[3] A. Mocek, S. Drzymała, P Maszner, Geneza, analiza i klasyfikacja gleb, Wydawnictwo Akademii Rolniczej, Poznań, 1999.
[4] S. Zawadzki, Gleboznawstwo, PWRiL, Warszawa, 1999.
[5] USSR State Committee on the Utilization of Atomic Energy, The Accident at the Chernobyl NPP and
its Consequences. Summary Report of the Post accident Review Meeting of the Chernobyl Accident, Safety Series N 75–INSAG–1, International Atomic Energy Agency (1986) za IAEA–TECDOC–1240,
2001.
[6] Present and future environmental impact of the Chernobyl accident, IAEA–TECDOC–1240, 2001. [7] F. Vaca, G. Manjón, M. Garcia-León, J. Environ. Radioactivity, 1999, 46, 327. [8] C.T. Garten, Jr, J. Environ. Radioactivity, 1999, 43, 305. [9] C.S. Kim, M.H. Lee, C.K. Kim, K.H. Kim, J. Environ. Radioactivity, 1998, 40, 75. [10] S. Zhu, A. Ghods, J.C. Veselsky, A. Mirna, R. Schelenz, Radiochimica Acta, 1990, 51, 195. [11] J.W. Mietelski, J. LaRosa, A. Ghods, J. Radioanal. Nucl. Chem., 1993, 170, 243. [12] M. Herranz, C. Elejalde, F. Legarda, F. Romero, Appl. Radioat. Isot. 2001, 55, 521. [13] L.M. Kagan, V.B. Kadatsky, J. Environ. Radioactivity, 1996, 33, 27. [14] S. Askbrant, J. Melin, G. Rauret, R. Vallejo, T. Hinton, A. Cremers, C. Vadecastelle, N. Lewyckyj, Y.A. Ivanov, S.K. Firsakova, N.P. Arkhipov, R.M. Alexakhin, J. Environ. Radioactivity, 1996, 31, 287.
[15] Y.A. Ivanov, N. Lewyckyj, S.E. Levchuk, B.S. Prister, S.K. Firsakova, N.P. Arkhipov, A.N. Arkhi- pov, S.V. Kruglev, R.M. Alexakhin, J. Sandalls, S. Askbrant, J. Environ. Radioactivity, 1997, 35, 1. [16] G. Arapis, E. Petrayev, E. Shagalova, O. Zhukova, G. Sokolik, T. Ivanova, J. Environ. Radioacti- vity, 1997, 34, 171. [17] E. Korobova, A. Ermakov, V. Linnik, Appl. Geochem., 1998, 13, 803. [18] A.I. Scheglov, O.B. Tsvetnova, A.L. Klyashorion, Moscow Nauka, 2001, 155. [19] L. Monte, A.I. Klyashtorin, F. Strebel, P. Bossew, P. Aggarwal, IAEA–TECDOC–1314, 2002, 5. [20] V. Guzdenko, IAEA–TECDOC–1314, 2002, 145. [21] T. Tanaka, S. Ni, Japan Atomic Energy Research Institute, JAERI–M, 1993, 93–185, 1. [22] A.I. Agapkina, F.A. Tikhomirov, A.I. Shcheglov, W. Kracke, K. Bunzl, J. Environ. Radioactivity, 1995, 29, 257. [23] A.A. Odintshov, E.M. Puzukhin, A.D. Sazhenyuk, Radiochemistry, 2005, 47, 96. [24] M. Punhakainen, T. Heikkinen, E. Steinnes, J. Environ. Radioactivity, 2005, 81, 295. [25] H. Michel, M. Schertz, G. Barci-Funel, G. Ardisson, J. Radioanal. Nucl. Chem., 2003, 258, 209. [26] A.L. Kliashtorin, F.A. Tikhomirov, A.I.Shcheglov, Sci. Tot. Environ., 1994, 157, 285. [27] W.E. Sanford, I.L. Larsen, J.W. McConnell, Jr. R.D. Rogers, J. Environ. Radioactivity, 1998, 41, 147. [28] S. Forsberg, K. Rosén, V. Fernandez, H. Juhan, J. Environ. Radioactivity, 2000, 50, 235. [29] Y.H. Choi, K.M. Lim, H.J. Choi, G.S.Choi, H.S. Lee, C.W. Lee, J. Environ. Radioactivity, 2005, 78, 35. [30] V. Jedináková-Křižková, J. Radioanal. Nucl. Chem., 1996, 208, 559. [31] V. Jedináková-Křižková, J. Radioanal. Nucl. Chem., 1998, 229, 13. [32] J. Solecki, S. Chibowski, Polish J. Environ. Studies, 2001, 11, 157. [33] J. Solecki, J. Radioanal. Nucl. Chem., 2007, 274, 27.
[34] P. Jurček. V. Jedináková-Křižková, P.I. Ivanová, J. Radioanal. Nucl. Chem., 1996, 208, 519. [35] S.H.S.S. Ahmad, Applied Radiation and Isotopes, 1995, 46, 287. [36] G. Atun, Z. Kaplan, J. Radioanal. Nucl. Chemi., 1996, 211, 425. [37] D. Jinzhou, D. Wenming, W.Xiangke, T. Zuyi, J. Radioanal. Nucl. Chem., 1995, 203, 31. [38] T. Liang, Appl. Radiation Isotopes, 1999, 51, 527. [39] D. Liu, Ch. Hsu, Ch. Chuang, Appl. Radiation Isotopes, 1995, 46, 839. [40] N. Lu, C.F.V. Mason, Appl. Geochem., 2001, 16, 1653.
[41] J. Szczypa, I. Kobal, W. Janusz, Application of environmental colloid science in the soil systems;
in Adsorption and its applications in industry and environmental protection studies in surface science and catalysis, Dąbrowski (Editor), Elsevier Science B.V., 1998, 120, 351.
[42] S. Tsai, S. Ouyang, Ch. Hsu, Appl. Radiation Isotopes, 2001, 54, 209.
[43] J. Solecki, J. Environ. Radioact., 2005, 82, 303.
[44] J. Solecki, S. Michalik, J. Radioanal. Nucl. Chem., 2006, 267, 271.
[45] B.J. Alloway, D.C.Ayres, Chemiczne podstawy zanieczyszczania środowiska, PWN, Warszawa, 1999. [46] H. Uggla, Gleboznawstwo, PWN, Warszawa, 1981. [47] J. Solecki, J. Radioanal. Nucl. Chem., 2006, 268, 357. [48] K.A. Vankatesan, N. Sathi Sasidharan, P.K. Wattal, J. Environ. Radioactivity, 1997, 220, 55. [49] G. Kirchner, Health Physics, 1998, 74, 78. [50] J.T. Smith, D.G. Elder, European J. Soil Sci., 1999, 50, 295.
[51] P. Bossew, M. Gastberger, H. Gohla, P. Hofer, A. Hubmer, J. Environ. Radioactivity, 2004, 73, 87.
[52] G. Kirchner, J. Environ. Radioactivity, 1998, 38, 339.
[53] A.A. Cigna, l. Romero, L. Monte, Y.N. Karavaeva, I.V. Molchanowa, A. Trapeznikov, J. Environ. Radioactivity, 2000, 49, 85.
[54] V.A. Knatko, A.G. Skomorokhov, V.D. Asimova, L.I. Strakh, A.P. Bogdanov, V.P. Mironov, J. Environ. Radioactivity, 1996, 30, 185.
[55] A. Komosa, Praca habilitacyjna, Wydział Chemii UMCS, 2003. [56] J. Solecki, Wiad. Chem., 2006, 1-2, 75.