Метод определения удельной поверхности почвы

научная статья по теме ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОЧВ НА ОСНОВЕ ВЕЛИЧИНЫ ГИГРОСКОПИЧЕСКОЙ ВЛАЖНОСТИ Сельское и лесное хозяйство

Цена:

Авторы работы:

Научный журнал:

Год выхода:

Текст научной статьи на тему «ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОЧВ НА ОСНОВЕ ВЕЛИЧИНЫ ГИГРОСКОПИЧЕСКОЙ ВЛАЖНОСТИ»

ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2008, № 7, с. 845-849

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОЧВ НА ОСНОВЕ ВЕЛИЧИНЫ ГИГРОСКОПИЧЕСКОЙ ВЛАЖНОСТИ

Агрофизический научно-исследовательский институт РАСХН, 195220, Санкт-Петербург, Гражданский проспект, 14 Поступила в редакцию 15.05.2006 г.

Использование методов теории подобия позволяет построить комплексные параметры — критерии подобия физических явлений адсорбции влаги почвами. На основе критериальной зависимости построена модель для расчета в автомодельной области общей удельной поверхности по экспериментальным данным о гигроскопической влаге почвы. Проведена апробация модели для пахотных горизонтов некоторых дерново-подзолистых почв северо-запада РФ. Предложенный подход может быть использован при планировании и организации эксперимента, при массовых анализах образцов почв.

Почвы как физические системы непрерывно находятся в состоянии динамического равновесия, любое возмущение этого равновесного состояния создает совершенно новую физическую систему. Поэтому почвы зачастую характеризуются не параметрами, или константами, а функциями [6]. Измерение таких функций требует больших усилий и затрат. Отсюда понятно стремление почвоведов определить и построить педотрансферные функции. Педотрансферные функции выражают количественно связь между трудно определяемыми и легко, и проще определяемыми характеристиками почв, как, например, величина гигроскопической влаги, плотность сложения и т.п. Педотрансферные функции (уравнения) часто содержат феноменологические коэффициенты с неясным физическим смыслом. В них нередко нарушен принцип Фурье -одно из базисных требований классической физики. Все эти проблемы относятся к сфере задач недостаточно формализованной области физики почв [6]. Возможное решение задачи раскрытия и уточнения физического смысла феноменологических коэффициентов хорошо формализованных процессов адсорбции паров воды почвой представлено в данной работе.

Адсорбция газов твердыми телами зависит от величины и свободной энергии поверхности [4, 7, 9, 16]. Удельная поверхность 8 при прочих равных условиях является фактором емкости, или экстенсивной составляющей поверхностной энергии твердого тела [11]. Величина удельной поверхности почв востребована, например, при использовании в расчетах прочности и несущей способности почв механического фактора удельной поверхности — 8Р, где Р — механическое давление на почву. Величина 8 — как базовая физическая характеристика (фактор емкости) не может быть заменена во многих

расчетах физики почв [17]. Удельная поверхность почв зависит от минералогического и химического состава твердой фазы, она является одной из важнейших характеристик почвы [3, 4].

Для определения удельной поверхности почвы обычно используют методы адсорбции [5, 7, 9, 10, 14, 15]. Они трудоемки и требуют больших затрат времени исследователя. Поэтому способы быстрого нахождения величины удельной поверхности почв, особенно при массовых определениях, все еще являются актуальными. Известны регрессионные соотношения (педотрансферные функции), позволяющие приближенно оценить удельную поверхность почв [17, 18].

Например, соотношение, предложенное Мит-черлихом, позволяет оценить 8 по данным о максимальной гигроскопической влажности почв МГ (%)

где 4 — численный коэффициент. В похожем выражении, данном Пакшиной [12], феноменологический (численный) коэффициент равен 10:

Злочевская отмечала [10], что емкость монослоя по модели адсорбции паров воды соответствует 1/10 максимальной гигроскопической влажности глин. Выражения (1) и (2) совпадают по форме с педотрансферной функцией для удельной поверхности черноземов [18]:

где ГВ — гигроскопическая влажность почв (%), 18 — численный коэффициент, аналогичный коэффициентам в (1) и (2). Необходимо отметить, что коэффициент 18 носит эмпирический характер и его физический смысл не ясен. Уравнения (1, 2, 3)

представляют собой яркий пример педотрансфер-ной функции.

При определении удельной поверхности почв по сорбции паров воды методом Кутилека также пользуются уравнением, похожем по форме на уравнения (1, 2, 3):

S = 36.14Wm, м2/г, (4)

где Wm — влажность монослоя (%), 36.14 — коэффициент пропорциональности — равен площади, занимаемой 0.01 г воды в виде монослоя на поверхности 1 г твердого тела [7].

Таким образом, в общем случае при определении величины удельной поверхности почв имеем линейное уравнение вида:

где W — сорбционно удерживаемая почвой влага (%), определенная в заданных физических условиях. Коэффициенты «А», в уравнениях (1-3, 5) -эмпирические коэффициенты пропорциональности.

При помощи анализа размерности предикторов, определяющих процесс сорбции паров воды почвой, можно: 1) обобщить полуэмпирические уравнения адсорбции, построив критериальную функцию в автомодельной области; 2) попытаться раскрыть физический смысл коэффициентов «А» в уравнениях (1, 2, 3, 5). Эта задача представляет как академический, так и прикладной, практический интерес (ускорение определения удельной поверхности почв на базе данных о других физических характеристиках почв). На основе задачи определения физического смысла полуэмпирических коэффициентов «A» в уравнениях (1-3, 5) продемонстрируем возможности теории подобия.

Для определения обобщенного случая адсорбции влаги почвой применим анализ размерностей существенных для процесса параметров. Состояние равновесия в процессе адсорбции водяного пара почвой, может быть выражено, в неявном виде, функцией содержащей следующие параметры

/(P; Yм,О M; Т; W; S) = 0,

где P0 — давление водяного пара в воздухе при насыщении (Па), P — давление паров воды в воздухе (Па), ум, С — плотность монослоя воды (кг/м3), М -молекулярная масса воды (кг/моль), Т — термодинамическая температура (°К — градус Кельвина), W — количество влаги, адсорбированное почвой (кг/кг), S — удельная поверхность при адсорбции паров воды (м2/кг).

Итак, имеем 7 предикторов процесса. Выбираем 5 основных единиц измерения в системе [СИ]:

М (масса); L (длина); Т (время); mol (моль); б (термодинамическая температура, °K). Используемая в теории подобия теорема — п утверждает [1, 8], что число безразмерных комплексов n, равно числу предикторов существенных для процесса m, за вычетом числа основных единиц измерения k (n = m — k), тогда: 7 — 5 = 2.

Построено два безразмерных комплекса, определяющих подобие процесса адсорбции воды почвой:

Физическая константа И (универсальная газовая постоянная (Дж/моль К)) введена согласно с правилом Фурье для приведения размерностей параметров к одной системе единиц измерения -системе [СИ].

Если ставить задачу построения критериального уравнения относительно величины удельной поверхности почв, то критерий п2 — является аргументом критерия — функции (числа) так как содержит искомую переменную — удельную поверхность.

В безразмерных координатах = /(п2) все кривые сорбции стягиваются в единую кривую.

где С и п — параметры кривой.

Предварительный расчет при постоянной температуре (298°К) и давлении паров воды от 4675.8 до 18703.2 Па показывает, что п = 1. Тогда выражение для удельной поверхности имеет вид:

где C — константа, включающая количество адсорбированной почвой влаги.

Введем Sx — удельную поверхность образца почвы, определяемую по методу Кутилека. S2 -удельная поверхность этого же образца, определяемая в произвольных термодинамических условиях (обычно в лаборатории относительная влажность воздуха ф = 0.37-0.40, и T°C = 20).

Нормируем величину S2 по величине Sx:

Нижние индексы при переменных показывают, что ее значение относится к соответствующей величине удельной поверхности.

При Т = Т2 правая часть уравнения (9) равна единице, Р/Р0 = ф, следовательно S2/S1 = Сф2/ф1,

82 = Wi х 36.14, где Wi — количество адсорбированной почвой влаги в произвольных термодинамических условиях определяемое как ГВ — методом сушки. Удельная поверхность, определяемая в стандартных условиях метода Кутилека 8Х = W0 х х 36.14, W0 — количество адсорбированной почвой влаги, определяемое по Кутилеку. И:

W1 х 36.14 Ф2 WIфl

-г— — = С —, тогда С = —— = 1, следо-

Wo х 36.14 ф/ Woф2

вательно W0 = — W1 и 82 = — W1 х 36.14, или (при

Т = 20°С и ф2 = 0.37; фх = 0.2) 82 = 19^ м2/г.

Полученные теоретические выводы подтверждены следующим экспериментальным материалом.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследования служили дерново-подзолистые почвы опытных станций и институтов Ленинградской, Новгородской и Вологодской обл., а также залежные зональные почвы этих районов. На юге Ленинградской обл., для исследования выбраны поля Ленинградского НИИ сельского хозяйства (ЛенНИИИСХ) «Белогор-ка». В Новгородской области — угодья НИИ сельского хозяйства (НИПТИСХ), пос. «Борки». В Вологодской области — опытные поля СевероЗападного НИИ молочного и лугопастбищного хозяйства (СЗНИИМЛПХ), пос. «Молочное». Изучали гигроскопическую влажность и удельную поверхность почв.

Удельную поверхность исследованных почв определяли по сорбции влаги почвой методом Кутилека [15]. Влажность воздушно-сухих образцов (гигроскопическую влажность) определяли термостатно-весовым методом. Перед определением гигроскопической влажности и удельной поверхности образцы почв выдерживались в лаборатории семь дней, в течение этого периода фиксировались значения относительной влажности воздуха и температуры в помещении. Для вычисления удельной поверхности, измеренные величины влажности и температуры воздуха усреднялись. Зависимость удельной поверхности почв от величины гигроскопической влаги показана на рис. 1. Всего, при данной относительной влажности воздуха в лаборатории (0.37-0.38) проведены определения ГВ пахотных горизонтов 34 почвенных разрезов в среднем по три повторности в каждом.

Дальнейшим шагом необходимо сопоставить данные, полученные экспериментал

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Источник

Методы определения удельной поверхности.

S_уд может быть определена расчетным и экспериментальным методами.

Расчетные методы:

— по гранулометрическому составу пород

— по проницаемости и пористости

— формулы определения указаны выше

Более точны результаты экспериментальных методов:

2) адсорбции меченных атомов

3) адсорбции красителей

Первый метод основан на исп-ии ф-лы Дерягина. В соответствии с этой ф-лой расход разряженного газа при кнудсеновском режиме подчиняется следующему закону.

Кнудсеновский режим – это режим, когда длина свободного пробега мол. газа при фильтрации соизмерима с диаметром порового канала

(10)

Q – расход газа, [м 3 /с]

M – мол-ая масса газа

R – универсальная газовая постоянная, [Дж/ кг·К]

T — абсолютная температура , [К]

S_уд – удельная поверхность, [м 2 / м 3 ]

— градиент давления, [па/м]

Второй метод меченных атомов: при этом методе исп-ся радиоактивные вещества. Уд. пов-ть после адсорбции радиоактивного вещества на пов-ти пор определяют по формеле:

S_уд = (11)

S_уд – удельная поверхность, [м 2 / м 3 ]

N – число Авагадро

ω — площадь, занимаемая 1 ой молекулой на пов-ти кристалла

a_ω – число молей атомов в-ва, адсорб-го на внутр-ей пов-ти пор

Третий метод занимает особое место по точности. Метод идентичен вышеназванному, получил широкое распр-ие в силу своей безопасности и возможности использования веществ с молекулами малой площадью посадки.

Водонефтегазоносность

продуктивных коллекторов.

До формирования нефтяных и газовых залежей в пластах находится вода. Нефть и газ при миграции вытесняли воду из пласта НО много замещения воды не происходило, часть ее оставалась в порах. Эту воду наз-ют остаточной водой, погребенной, либо реликтовой водой.

Содержание остаточной воды колеблется от 0 до 72 %, в ср. изменяясь от 6-8 % до 24 %. Эта вода находится в пластах в виде пленки на гидрофильной пов-ти пор в виде отдельных капель в виде столбиков в узких порах, где прочно удерживаются кап-ми и адсорбц-ми силами.

Для более точной оценки запасов нефти и газа появляется необходимость определения содержания воды в нефтегазосодержащем пласте. С этой целью введены 3-и коэф-та:

Коэф-том нефтенасыщенности наз-ся отношение V_н к V_пор или н. в ед V_пор

до 70. 90 %