Określanie dyspersyjności układów koloidalnych gleb górskich za

Określanie dyspersyjności układów koloidalnych gleb górskich za pomocą pomiaru
różnic potencjałów elektrycznych układem elektrod sprzężonych wykonanych w
technologii LTCC.
Przemysław Woźniczka*1, Tadeusz Chodak*1, Leszek Golonka*2,Tomasz Zawada*2,
Henryk Roguszczak*2.
OKREŚLANIE DYSPERSYJNOŚCI UKŁADÓW KOLOIDALNYCH GLEB GÓRSKICH ZA POMOCĄ
RÓŻNIC POTENCJAŁÓW ELEKTRYCZNYCH UKŁADEM ELEKTROD SPRZĘŻONYCH
WYKONANYCH W TECHNOLOGII LTCC.
*1
*2
Instytut Gleboznawstwa i Ochrony Środowiska Rolniczego, Akademia Rolnicza we Wrocławiu
Katedra Elektroniki i Fotoniki, Politechnika Wrocławska
Abstrakt
W obiegu pierwiastków w powierzchniowej warstwie litosfery, w tym szczególnie w
środowisku glebowym, istotną rolę odgrywają zjawiska koagulacji i peptyzacji koloidów. W
układach koloidalnych występujące koloidy mineralne, mineralno – organiczne oraz
organiczne ze względu na swoje właściwości wynikające z ich budowy w istotny sposób
oddziaływają na całokształt procesów powodujących zjawiska erozji. W globalnym znaczeniu
procesy wpływające na erozję są uznawane jako pierwszorzędne czynniki powodujące
zjawiska degradacji litosfery a gleby w szczególności. Pomiary tych zjawisk nastręczają wiele
trudności. Większość zagadnień związanych z nasileniem procesów przemieszczania się
koloidów i jonów w litosferze związana jest z ich właściwościami elektrokinetycznymi. W
pracy tej podjęto próbę określenia stanu dyspersyjności układów koloidalnych gleb
narażonych na erozję wodną poprzez pomiar różnic potencjałów elektrycznych powstałych w
trakcie grawimetrycznej sedymentacji cząstek koloidalnych.
W tym celu opracowano autonomiczny układ o wysokiej impedancji wejściowej
wyposażony we własne źródło zasilania oraz wewnętrzną pamięć EEPROM. Pomiar stanu
dyspersji prowadzono w ekranowanych kuwetach o pojemności 100cm3 oraz wysokości
15cm. Zastosowano układ elektrod pomiarowych umieszczone na wysokości 5cm, 6cm i 7cm
od powierzchni zawiesiny glebowej oraz elektrodę referencyjną generującą napięcie
odniesienia (potencjał odniesienia).
Wstępne wyniki pozwalają stwierdzić, że w zależności od ilości i jakości jonów
zawartych w roztworach glebowych oraz składu jakościowego i ilościowego koloidów
określana różnica potencjałów na elektrodach pomiarowych jest proporcjonalna do
elektrokinetycznego potencjału cząstek. Pomiary takie można wykonywać w warunkach
polowych. Proponowana metodyka polega na rejestracji różnicy potencjałów sprzężoną
elektrodą pomiarową pozwalającą określić stan dyspersji układów koloidalnych gleb w
biochemicznych procesach zachodzących w powierzchniowych warstwach litosfery.
Słowa kluczowe: potencjał sedymentacji, erozja gleb, koloidy glebowe
I WSTĘP
Gleby górskie ze względu na położenie są często narażone na zjawiska erozji
wywołane głównie spływem powierzchniowym wód opadowych. Zjawiska erozji poprzez
przemieszczania cząstek mineralnych i organicznych powoduje degradację górnych
poziomów gleb w wyniku czego zmniejsza się produktywność gleb (D.B. Blaschke i in.,
Określanie dyspersyjności układów koloidalnych gleb górskich za pomocą pomiaru
różnic potencjałów elektrycznych układem elektrod sprzężonych wykonanych w
technologii LTCC.
2000). Ponad to na powierzchniach zdyspergowanych koloidów glebowych są silnie
absorbowane fosforany i w tej formie przedostają się z gleb do wód powierzchniowych
powodując zjawiska eutrofizacji. (K. Itami, H. Fujitani., 2005).
Jednym z ważniejszych czynników decydujących o stopniu podatności gleb na erozję
jest zawartość frakcji koloidalnej oraz trwałość glebowych układów koloidalnych.
Termin frakcja koloidalna gleb odnosi się do specyficznych grup minerałów z grupy
glinokrzemianów zawierających w swoich siatkach krystalicznych strukturalnie wbudowane
jonu hydroksylowe (SW. Bailey, 1980). Frakcja koloidalna zawiera cząsteczki fazy stałej gleb
o średnicach poniżej 2 mikrometrów i składają się głównie z minerałów ilastych, materii
organicznej (próchnicy glebowej) oraz tlenków i wodorotlenków żelaza i glinu. Minimalna
średnica koloidów wydzielonych z wodnego ośrodka dyspersyjnego wynosi 10nm (RYAN
AND
ELIMELECH, 1996). W związku z małymi rozmiarami koloidy mogą w zależności od ich
właściwości fizyko – chemicznych występować w postaci układów dyspersyjnych, gdzie
ośrodkiem dyspersyjnym jest roztwór glebowy. Dodatkowo koloidy są względnie reaktywne
w stosunku do sorpcji różnych cząsteczek chemicznych dzięki temu, że posiadają dużą
powierzchnię właściwą obdarzoną ładunkiem elektrycznym i dużą ilość powierzchniowych
grup funkcyjnych.
W warunkach naturalnych występowanie oraz trwałość glebowych układów
koloidalnych zależy od składu jakościowego i ilościowego frakcji koloidalnej oraz od
interakcji frakcji koloidalnej z jonami obecnymi w roztworze glebowym, materią organiczną
jak również od właściwości fizykochemicznych środowiska. Do głównych właściwości
fizykochemicznych
mających
wpływ na trwałość układów koloidalnych zalicza się
temperaturę, zawartość tlenu, stężenie jonów wodorowych i wodorotlenowych. (W. Stamm,
1992; G.McD Day, 1994).
Określanie dyspersyjności układów koloidalnych gleb górskich za pomocą pomiaru
różnic potencjałów elektrycznych układem elektrod sprzężonych wykonanych w
technologii LTCC.
Właściwości dyspersyjne układów koloidalnych
głównie bada się wyznaczając
potencjał Zeta w oparciu o zjawiska elektroforezy lub elektroosmozy. W niniejszej pracy
podjęto próbę opracowania systemu pomiaru dyspersyjności układów koloidalnych gleb
górskich za pomocą metody opartej na zjawisku Dorna.
ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE SYSTEMU POMIARU DYSPERSYJNOŚCI GLEB
Celem niniejszego projektu było opracowanie układów grubowarstwowych wykonanych
w technologii LTCC zawierających system sprzężonych elektrod o wysokiej impedancji
wewnętrznej, wyposażonych we własne źródło zasilania oraz pamięć wewnętrzną EEPROM
umożliwiających pomiary rozkładów czasowych różnic potencjałów w roztworach
glebowych. Jak wynika z badań wstępnych w zależności od ilości i jakości jonów zawartych
w roztworach glebowych oraz składu jakościowego i ilościowego koloidów określana różnica
potencjałów na elektrodach pomiarowych jest proporcjonalna do elektrokinetycznego
potencjału cząstek. Pomiary takie można wykonywać w warunkach polowych.
Podstawowym elementem mającym wpływ na jakość pomiarów jest zestaw elektrod
zanurzanych w roztworze glebowym podczas prowadzenia pomiaru. Należy podkreślić, że
jakość jak i sposób wykonania takich elektrod ma decydujące znaczenie dla tego typu
pomiarów.
Biorąc pod uwagę cel niniejszego opracowania wyznaczono następujące założenia
projektowe:
•
Struktury elektrodowe powinny być kompatybilne z istniejącymi już modułami
pomiarowymi pozwalającymi na prowadzenie pomiarów w układzie tróji pięcioelektrodowym.
Określanie dyspersyjności układów koloidalnych gleb górskich za pomocą pomiaru
różnic potencjałów elektrycznych układem elektrod sprzężonych wykonanych w
technologii LTCC.
•
Elektrody powinny być wykonane z Pt i PdAg, w celu zbadania wpływu materiału
elektrod na pomiar.
•
Struktury elektrodowe powinny być wykonane z materiału neutralnego w stosunku
do badanych roztworów glebowych tak aby nie zakłócały pomiaru.
•
Układ elektrod powinien mieścić się w pojemniku pomiarowym (długość nie
większa niż 70mm), oraz powinna istnieć również możliwość prowadzenia
pomiarów w wirówce laboratoryjnej.
Na podstawie założeń projektowych zaprojektowano i wykonano system elektrod
korzystając z technologii LTCC – Low Temperature Cofire Ceramics (Niskotemperaturowa
Ceramika Współwypalana). Ze względu na cały szereg zalet wydaję się ona najbardziej
odpowiednią technologią mikroelektroniki do wykonania wspomnianych zespołów elektrod
do pomiaru różnic potencjałów w roztworach glebowych.
Biorąc pod uwagę wymogi konstrukcyjne jak również specyfikę pomiaru zdecydowano
się na zaprojektowanie czterech rodzajów struktur zawierających elektrody pomiarowe:
•
Struktura A – trójelektrodowa (1 elektroda odniesienia i 2 elektrody pomiarowe),
elektrody wykonane z past PdAg.
•
Struktura B – trójelektrodowa (1 elektroda odniesienia i 2 elektrody pomiarowe),
elektrody wykonane z past Pt.
•
Struktura C – pięcioelektrodowa (1 elektroda odniesienia i 4 elektrody
pomiarowe), elektrody wykonane z past PdAg.
•
Struktura D – pięcioelektrodowa (1 elektroda odniesienia i 4 elektrody
pomiarowe), elektrody wykonane z past Pt.
Określanie dyspersyjności układów koloidalnych gleb górskich za pomocą pomiaru
różnic potencjałów elektrycznych układem elektrod sprzężonych wykonanych w
technologii LTCC.
Wszystkie struktury testowe wykonane są z czterech warstw foli ceramicznej LTCC o
grubości 165 µm przed wypaleniem. Każda ze struktur (po wypaleniu) została poddana
korekcji laserowej i posiadała wymiary 65.0×10.0×0.6 mm3.
Na rysunku 1 przedstawiona jest konstrukcja przykładowej struktury pięcioelektrodowej.
Aby możliwe było prawidłowe prowadzenie sygnałów pomiarowych od elektrod zastosowano
wewnętrzne (zagrzebane) ścieżki przewodzące połączone z elektrodami poprzez przelotki
(via).
Rys. 1. Widok konstrukcji wewnętrznej struktur elektrod LTCC.
METODYKA BADAŃ.
Do badań wybrano gleby górskie zlokalizowane w okolicy miejscowości Waliszów
(Dolny Śląsk) wytworzone z wietrzeniowo deluwialnej gliny lekkiej, oraz gleby
porównawcze o zbliżonym uziarnieniu zlokalizowane w okolicy Wrocławia, różniące się
właściwościami fizyko-chemicznymi (tab. 1). Istotnym kryterium wyboru próbek było
zachowanie zbliżonego składu granulometrycznego przy jednoczesnych zróżnicowaniu
Określanie dyspersyjności układów koloidalnych gleb górskich za pomocą pomiaru
różnic potencjałów elektrycznych układem elektrod sprzężonych wykonanych w
technologii LTCC.
właściwości fizyko - chemicznych. Materiał glebowy pobrany z poziomów próchnicznych
badanych gleb umieszczono w kuwetach o powierzchni 0,5m2 i ustawiono na stojakach tak,
aby uzyskać spadek wynoszący
60. Po dolnej stronie kuwety
znajdowały się otwory
umożliwiające swobodny odpływ wody grawitacyjnej. Gleby w kuwetach zraszano w ilości
20mm sztucznego opadu (woda destylowana) co 48 godzin przez okres 60 dni.
Uzyskane odcieki ze spływu powierzchniowego poddano następującym analizom:
•
Skład granulometryczny – aparat Malvern Size Meter
•
Właściwości fizyko – chemiczne: odczyn (pH) – potencjometrycznie, zawartość C
organicznego metodą Tiurina, formy przyswajalne dla roślin fosforu, potasu metodą
Egnera - Riehma oraz magnezu metodą absorpcyjnej spektroskopii atomowej (ASA).
•
Szybkości sedymentacji zaprojektowanym urządzeniem w celu określenie stanu
dyspersji układów koloidalnych.
Szybkość sedymentacji określono za pomocą zaprojektowanego urządzenia określając
różnicę potencjałów elektrycznych w trakcie grawitacyjnej sedymentacji cząstek fazy
stałej gleby. Próbki glebowe przygotowano w postaci wodnej zawiesiny według metodyki
oznaczania składu granulometrycznego metodą Cassagrande’a i Prószyńskiego. Po 10
minutowej sedymentacji z cylindra o pojemności 1000cm3 odpipetowano 100cm3
zawiesiny, którą poddano pomiarom różnic potencjałów elektrycznych. Czas pomiaru
wynosił 16 godzin. Uzyskano wyniki w postaci krzywych zmiany wartości potencjału
elektrycznego względem czasu sedymentacji.
WYNIKI BADAŃ
Określanie dyspersyjności układów koloidalnych gleb górskich za pomocą pomiaru
różnic potencjałów elektrycznych układem elektrod sprzężonych wykonanych w
technologii LTCC.
Uzyskane odcieki z badanych gleb z kuwet wysuszono i zważono. Uzyskano 4,9g fazy
stałej z próbki Waliszów oraz 28,1g próbki kontrolnej. W próbce Waliszów w materiale
wyerodowanym z gleb dominują frakcje o średnicy od 100 do 110µm (12%), natomiast
frakcja koloidalna o średnicy poniżej 2 µm uległa wymyciu w bardzo niewielkiej ilości –
poniżej 1% całości wyerodowanego materiału (rys.3). Wyniki uzyskane dla próbki kontrolnej
wskazują na mniejszą trwałość układów koloidalnych w tej próbce. W wyerodowanym
materiale z tej gleby stwierdzono dominację cząstek fazy stałej o średnicy od 20 do 30 µm
(7%) oraz od 8 do 9 µm (5%). Analiza składu granulometrycznego po zakończeniu
przemywania wykazała większe wymywanie frakcji koloidalnych w glebie próbki kontrolnej
(rys.3). Prawdopodobnie było to spowodowane znacznie większą zawartością fosforu
przyswajalnego oraz mniejsza zawartością frakcji węgla organicznego w tej glebie (tab. 1) co
wpłynęło na większą stabilizację koloidów glebowych a tym samym wzrost ich peptyzacji i
podatność na wymywanie.
Otrzymane wyniki składu granulometrycznego świadczące o
zmianach uziarnienia badanych gleb w wyniku erozji powierzchniowej przedstawiają
podobne tendencje jak w przypadku pomiarów stanu dyspersyjności układów koloidalnych
gleb za pomocą szybkości sedymentacji. (Rys. 2) Zamieszczone wykresy przedstawiają
przebieg krzywych różnic potencjałów elektrycznych w trakcie 16 godzinnego pomiaru.
Otrzymane wyniki dla próbek Waliszów w porównaniu z wykresami dla próbek kontrolnych
wskazują na większy kąt nachylenia krzywej względem osi czasu w próbkach Waliszów co
świadczy o szybszej sedymentacji frakcji spławianych w tej glebie. W próbkach kontrolnych
krzywa różnic potencjałów ma przebieg zbliżony do osi czasu co wskazuje na brak lub bardzo
wolną sedymentacje co jest wynikiem dużej dyspersji frakcji koloidalnej w tej glebie.
Problemy związane z określeniem dyspersyjności opisywaną metodą za pomocą
zaprojektowanego urządzenia mogą wystąpić w przypadku próbek glebowych o małej
zawartości frakcji spławialnej (poniżej 10%) jak również o dużej zawartości tej frakcji
Określanie dyspersyjności układów koloidalnych gleb górskich za pomocą pomiaru
różnic potencjałów elektrycznych układem elektrod sprzężonych wykonanych w
technologii LTCC.
(powyżej 80%). Wówczas proponowana metoda nie uzyskuje zadawalającej powtarzalności
otrzymywanych wyników. Prawdopodobnie przypadku próbek gleb lekkich (poniżej 10%
frakcji spławianej) jest to spowodowane zbyt szybką sedymentacją co uniemożliwia
rozpoczęcie pomiarów w jednakowym czasie. W przypadku gleb ciężkich (ponad 80% frakcji
spławianej) pomiar jest zakłócony przez zbyt długi kontakt elektrod pomiarowych z
cząstkami ilastymi, które mogą przylegać do elektrod powodując przerwy w kontakcie
elektrod z zawiesiną. W przypadku wymienionych gleb należy zawiesinę zagęszczać (do 10%
części spławianych) lub rozcieńczyć (do 80% części spławianych) a otrzymane wyniki
poddać obróbce matematycznej.
Oznaczone właściwości fizyko - chemiczne badanych gleb przed i po przemywaniu w kuwetach
wskazują, że w wyniku przemywania odczyn gleb nieznacznie uległ zmianie. Wyniki dla
próbki Waliszów wykazują niewielki wzrost wartości pH a dla próbki kontrolnej spadek
(tab.1). W wyniku przemywania badanych gleb zauważono spadek zawartości węgla
organicznego o około 0,8% w próbce Waliszów i 0,2% próbce kontrolnej. Również formy
przyswajalne dla roślin fosforu, potasu i magnezu wykazują spadek zawartości w badanych
glebach po przemywaniu ich w kuwetach. W glebie z Waliszowa w porównaniu z próbkami
kontrolnymi zauważono znacznie większe straty omawianych składników (tab.1).
WNIOSKI:
1. Proponowany pomiar różnic potencjałów w roztworach glebowych metodą za pomocą
elektrod sprzężonych wykonanych w technologii LTCC wchodzących w skład
autonomicznego układu o wysokiej impedancji wejściowej i własnym źródłem zasilania
pozwala mierzyć trwałość układów koloidalnych gleb.
2. Pomiar potencjałów elektrycznych zaprojektowanym urządzeniem pomiarowym w
oparciu o metodę potencjału sedymentacji może być wskaźnikiem stanu dyspersji
Określanie dyspersyjności układów koloidalnych gleb górskich za pomocą pomiaru
różnic potencjałów elektrycznych układem elektrod sprzężonych wykonanych w
technologii LTCC.
glebowych układów koloidalnych w glebach górskich
narażonych
na erozję
powierzchniową.
3. Określanie dyspersyjności układów koloidalnych zaprojektowanym urządzeniem za
pomocą pomiarów różnic potencjałów elektrycznych powinno się przeprowadzać dla
próbek gleb zawierających od 10 do 80% frakcji spławialnej (<20µm).
LITERATURA:
1. SW. Bailey. Claus Clay Miner 28: 73, 1980
2. D.B Blaschke, N.A. Trustrum, Prog. Phis. Geogr. 24, 2000
3. K. Itami, H. Fujitani. Colloids and Surface A: Phisicochem. Eng. Aspects 265, 55-63, 2005
4. G. McD Day, BT. Hart, ID. McKelvie, R. Beckett. Colloids Surfaces 89: 1, 1994
5. J. Ryan, M. Elimelech.. Review: colloid mobilization and transport in groundwater. Colloid
surface, A: Pchysiochem. Eng. Aspect 107, 1-56. 1996
6. W. Stumm. Colloids Surfaces 73: 1, 1993
Określanie dyspersyjności układów koloidalnych gleb górskich za pomocą pomiaru
różnic potencjałów elektrycznych układem elektrod sprzężonych wykonanych w
technologii LTCC.
Tabela 1 Właściwości fizyko – chemiczne badanych gleb przed i po przemywaniu w kuwetach
Próba
Waliszów
Kontrola
pH (H2O)
Zawartość
C org. (%)
przed
po
przed
po
7,4
6,7
7,6
6,4
3,16
1,42
2,37
1,23
formy przyswajalne
mg/100g gleby
K2O
MgO
P2O5
przed
po przed
po
prze
po
d
11,0
21,0
1,7
17,5
18,0
35,0
4,2
20,8
28,0
12,6
10,1
10,2
Zasolenie
[µs]
przed
205
165
po
156
160
Zaw. Frakcji
koloidalnej
<2µm (%)
przed po
9
10
Rys. 2 Różnica potencjałów elektrycznych (mV) w materiale glebowym po zakończeniu doświadczenia
(doświadczenie erozyjne).
8
6
Określanie dyspersyjności układów koloidalnych gleb górskich za pomocą pomiaru
różnic potencjałów elektrycznych układem elektrod sprzężonych wykonanych w
technologii LTCC.
Rys. 3 Skład granulometryczny fazy stałej materiału glebowego wyerodowanego z kuwet.