"ГОСТ 33060-2014. Межгосударственный стандарт. Методы испытаний химической продукции, представляющей опасность для окружающей среды. Изучение адсорбции-десорбции замкнутым равновесным методом"
(введен в действие Приказом Росстандарта от 25.10.2023 N 1234-ст)

Цели, основные принципы и общие правила проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0 "Межгосударственная система стандартизации. Основные положения" и ГОСТ 1.2 "Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены"

1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский центр стандартизации, информации и сертификации сырья, материалов и веществ" (ФГУП "ВНИЦСМВ") на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии документа, указанного в пункте 5

2 ВНЕСЕН Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 20 октября 2014 г. N 71-П)

За принятие проголосовали:

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 25 октября 2023 г. N 1234-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 33060-2014 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 декабря 2023 г.

5 Настоящий стандарт идентичен международному документу OECD Test No. 106 "Изучение адсорбции-десорбции замкнутым равновесным методом" ("Adsorption-Desorption Using a Batch Equilibrium Method", IDT).

Наименование настоящего стандарта изменено относительно указанного международного документа для приведения в соответствие с ГОСТ 1.5 (подраздел 3.6)

6 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Это Руководство основано на предложении, представленном Европейской Комиссией в 1993 году, и учитывает замечания, сделанные странами - членами ОЭСР. Определенная деятельность предпринималась в Европейском союзе по разработке этого вида испытаний. Она включала интенсивные исследования с участием и в тесном сотрудничестве Федерального министерства Германии по охране окружающей среды (UBA), университета Киля, Европейской Комиссии и Объединенного Исследовательского Центра Испры (Италия) [1], [2]. В 1988 году UBA организовало кольцевой тест с участием 27 лабораторий стран Европейского союза [3]. В 1995 году в Белгирате (Италия) был проведен семинар ОЭСР по выбору почв для данного теста [4], где также были одобрены основные его элементы.

Другие руководства по адсорбции-десорбции существуют только на национальном уровне и в основном используются для испытаний пестицидов [5] - [11].

Значимость и применимость метода заключается в следующем:

1 Адсорбционно-десорбционные исследования весьма полезны для получения ценной информации о передвижении и распределении химических веществ в почве, воде и воздухе [12] - [21]. Они могут использоваться для оценки или прогноза способности химического вещества к разложению, трансформации или поглощению микроорганизмами, его вымывания из почвенного профиля, улетучивания из почвы и смыва с ее поверхности в природные водоемы. Адсорбционные данные также могут быть использованы для сравнения химических веществ и для математического моделирования их поведения в почве.

2 Распределение химического вещества между твердой и водной фазами почвы - это сложный процесс, зависящий от многих параметров: химической природы вещества, свойств почв и климатических факторов, таких как температура, осадки, уровень солнечной радиации и ветер. Таким образом, множество явлений и механизмов включаются в процесс адсорбции химических веществ почвой и не могут быть в полной мере объяснены при помощи упрощенных лабораторных моделей, представленных в этом Руководстве. Однако, несмотря на то, что такого рода исследования не могут описать все возможные в природе случаи, они все равно дают нам важную информацию об адсорбции химических веществ почвой в естественных условиях.

1.1 Данный стандарт предназначен для оценки сорбционно-десорбционного поведения различных веществ в почве. С его помощью можно получать значения величин сорбции для предсказания поведения веществ в различных природных условиях: с этой целью коэффициент равновесной сорбции определяется как функция почвенных характеристик (содержание органического вещества, гранулометрический состав, сложение почвы, pH и др.). Поэтому приходится использовать различные типы почв с целью оценки всех возможных взаимодействий данного вещества с почвой в естественных условиях.

1.2 В данном стандарте адсорбция представляется как процесс связывания химического вещества поверхностью почвенных частиц. Здесь она не разделяется на различные сорбционные процессы (физическая и химическая сорбция) и такие явления, как поверхностное каталитическое разложение, объемная адсорбция и поверхностные химические реакции. Адсорбция, происходящая на почвенных коллоидных частицах (< 0,2 мкм), постоянно генерируемых почвой, не принимается в расчет в полной мере.

1.3 Почвенные параметры, которые являются наиболее важными для изучения сорбции, - это содержание органического углерода [3], [4], [12] - [14], [41], [43], [44] - [48], гранулометрический состав и сложение почвы [3], [4], [41] - [48], pH для веществ, способных к ионизации [3], [4], [42]. Другие почвенные характеристики, которые могут оказать влияние на сорбционно-десорбционное равновесие, такие как эффективная емкость катионного обмена, содержание аморфных гидроксидов железа и алюминия, особенно нужно принимать в расчет при исследовании вулканических, тропических почв [4] и почв со специфической поверхностью [49].

1.4 Тест, служащий для оценки адсорбции химического вещества почвами разных типов, различающихся по содержанию органического вещества, гранулометрическому составу, сложению и pH, включает в себя три стадии:

1) подготовительная стадия служит для определения:

- соотношения почва-раствор;

- количества исследуемого вещества, сорбируемого почвой, и времени установления равновесия;

- количества вещества, сорбируемого стенками тестовой посуды, и стойкости вещества во время проведения тестов;

2) скрининговый тест: адсорбцию исследуют на почвах пяти типов посредством изучения кинетики сорбции для одной концентрации вещества и расчета коэффициентов распределения K_d и K_oc;

3) построение изотермы сорбции Фрейндлиха для установления влияния концентрации вещества на степень адсорбции его почвой. Исследование кинетики десорбции и построение десорбционной изотермы Фрейндлиха приведены в приложении A.

В настоящем стандарте нормативные ссылки отсутствуют.

Определения, обозначения и единицы измерения даны в разделе "Данные и отчет" и приложении B. Масса почвы в приведенных в них уравнениях приведена к абсолютно сухой почве.

4.1 Известные объемы растворов тестируемого вещества (радиоактивно меченых или немеченых) известной концентрации в 0,01 М CaCl₂ добавляют к образцам почв известной массы, заранее уравновешенной с этим же раствором. Смесь взбалтывают достаточное количество времени для установления равновесия. Далее почвенную суспензию центрифугируют, фильтруют и водную фазу анализируют. Сорбированное количество определяют по разности между изначально внесенным количеством вещества и количеством, оставшимся после окончания эксперимента (непрямой метод).

4.2 Как вариант, количество адсорбированного вещества может быть определено и напрямую анализом почвы (прямой метод). Хотя это делает процедуру определения более длинной и трудоемкой, так как появляется необходимость проводить экстракцию вещества из почвы соответствующим растворителем, тот метод можно рекомендовать в тех случаях, когда разницу между начальной и конечной концентрацией вещества трудно определить с нужной точностью. Примеры таких случаев: адсорбция вещества стенками посуды; нестабильность вещества во время эксперимента; слабая адсорбция, приводящая к незначительным изменениям концентрации вещества в растворе; наоборот, сильная адсорбция, которая оставляет в растворе незначительные количества вещества, которые трудно определить с необходимой точностью. При использовании радиоактивной метки процесс экстракции может быть заменен сжиганием почвенной фазы и измерением радиоактивности сцинтилляционным методом. Однако данный метод не позволяет отделить радиоактивность самого вещества от радиоактивности его метаболитов, поэтому он может применяться только для веществ, стабильных в течение всего эксперимента.

5.1 Химические реагенты должны быть аналитической чистоты. При использовании радиоактивно немеченых тестируемых веществ известного состава рекомендуется использовать образцы не менее 95% чистоты. Когда используют радиоактивно меченые тестируемые вещества, то они не должны быть известного состава и не должны содержать радиоактивных примесей. В случае если вещество радиометки малостабильно, то это должно быть соответствующим образом учтено.

5.2 Перед проведением теста по адсорбции-десорбции необходимо иметь следующую информацию о тестируемом веществе:

- растворимость в воде;

- давление паров или константу Генри;

- функцию зависимости абиотического гидролиза от pH;

- коэффициент распределения n-октанол/вода;

- способность к биодеградации или аэробной и анаэробной трансформации в почве;

- константу pK_a для ионизующихся веществ;

- прямой фотолиз в воде (поглощение в УФ и видимой части спектра, квантовый выход) и фотодеградация в почве.

6.1 Данный тест применим для всех веществ, для которых разработаны достаточно точные аналитические методы их определения. Важный параметр, влияющий на достоверность полученных результатов, особенно, если используют непрямой метод, это стойкость вещества во время теста. Поэтому в предварительных исследованиях обязательно должна проверяться стабильность вещества. Если обнаружено его разложение в ходе эксперимента, то рекомендуется анализировать как водную, так и твердую фазу почвы.

6.2 Трудности могут возникнуть при проведении теста с малорастворимыми веществами (S_w < 10^-4 г/л), а также с сильными электролитами ввиду того, что их концентрации в водной фазе не могут быть измерены с необходимой аналитической точностью. В таких случаях приходится прибегать к дополнительным мерам. Как поступать в таких случаях, подробно описано в соответствующих разделах этого стандарта.

6.3 При работе с летучими веществами соблюдайте осторожность, чтобы избежать потерь вещества в процессе теста.

Стандартное лабораторное оборудование приведено ниже.

Пробирки и колбы для проведения экспериментов. Эти пробирки или колбы должны иметь возможность напрямую устанавливаться в центрифугу во избежание потерь при перенесении вещества и должны быть сделаны из инертного материала, минимально адсорбирующего тестируемое вещество.

Перемешивающее устройство: круговой встряхиватель или аналогичное оборудование, способное создавать почвенную суспензию.

Центрифуга, лучше высокоскоростная с ускорением более 3000g, термостатированная и способная осаждать из водного раствора частицы крупнее 0,2 мкм. В ходе взбалтывания и центрифугирования посуда должна быть закрыта крышками во избежание потерь раствора и улетучивания вещества из суспензии. Чтобы минимизировать адсорбцию, следует использовать крышки из инертных покрытий, таких как тефлон .

Дополнительное оборудование: фильтровальная установка; фильтры с диаметром пор менее 0,2 мкм, одноразовые, стерильные. Чтобы избежать потерь тестируемого вещества на фильтрах, следует обратить особое внимание на материал, из которого они изготовлены. Для малорастворимых тестируемых веществ фильтры из органических материалов не рекомендуются.

Аналитическое оборудование: приборы, способные определить концентрацию тестируемого вещества.

Лабораторный сушильный шкаф должен поддерживать температуру 103 °C - 110 °C.

7.2.1 Почвы должны быть охарактеризованы по трем основным параметрам, наиболее сильно влияющим на адсорбционную способность: содержание органического углерода, гранулометрический состав, сложение почвы и pH. Как уже упоминалось в 1.3, другие физико-химические свойства почвы могут влиять на адсорбцию-десорбцию некоторых веществ, и их следует также учитывать в таких случаях.

7.2.2 Методы, которые используются для анализа почвенных характеристик, имеют определяющее влияние на полученные результаты. Поэтому рекомендуется, чтобы pH определяли в растворе 0,01 М CaCl₂ (таком же, как и в адсорбционно-десорбционных экспериментах) в соответствии с методом ISO [53]. Все остальные параметры также рекомендуется определять в соответствии со стандартными методиками (например, ISO "Анализ почвы. Справочник"). Благодаря этому результаты сорбционных экспериментов могут опираться на стандартные почвенные ISO параметры, общепринятые во всем мире. Некоторые существующие руководства по проведению почвенных анализов приведены в библиографии [50] - [52]. Для калибровки методов анализа почв могут использоваться эталонные образцы почв.

7.2.3 Инструкция по выбору почв для сорбционно-десорбционных экспериментов приведена в таблице 1. Семь выбранных почв обычно широко распространены в умеренной температурной географической зоне. Для веществ, способных к ионизации, выбранные почвы должны покрывать достаточно широкий интервал pH, чтобы определить адсорбцию данного вещества как в ионизованной, так и в неионизированной форме. Указание, какое количество почв использовать на различных этапах эксперимента, приведено в разделе "Проведение теста".

7.2.4 Иногда, кроме указанных почв, возникает необходимость исследовать почвы холодных, умеренных или тропических поясов стран ОЭСР. Однако, даже если выбираются другие почвенные типы, они должны характеризоваться сходными почвенными параметрами и иметь варьирование этих параметров, подобно почвам, приведенным в таблице 1, даже если их нельзя сопоставить в полной мере.

Никаких специфических требований к отбору образцов не предъявляется. Техника отбора проб зависит от целей, поставленных в исследовании [53] - [58].

Должны быть соблюдены следующие правила:

- необходима детальная информация о поле, на котором происходил отбор проб; она должна включать в себя расположение поля, произрастающую на нем культуру, историю внесения удобрений и пестицидов, знание о биологических добавках и техногенных загрязнениях. Для описания места отбора проб рекомендуется использовать соответствующие рекомендации [58];

- должны быть определены географические координаты поля, на котором отбирались образцы. Это поможет восстановить место пробоотбора в будущем, а также определить тип почвы по различным классификациям, принятым в разных странах мира. Отбирать следует только верхний горизонт A до глубины 20 см. Исключением является почва N 7; в том случае, если горизонт Q_h (подстилка) представляет собой часть почвенного профиля, она тоже должна быть отобрана в качестве образца;

- отобранные образцы следует транспортировать в контейнерах и при температурных условиях, гарантирующих, что в процессе транспортировки не произойдет существенных изменений почвенных свойств.

Для анализа рекомендуется брать свежеотобранные образцы почв. В тех случаях, когда это невозможно, почву хранят при температуре окружающей среды в воздушно-сухом состоянии. Нет максимального срока хранения почвенных образцов, однако для почв, хранящихся более трех лет, необходимо перед тестом заново определить содержание органического углерода, pH и емкость катионного обмена.

7.3.3.1 Почва должна находиться в воздушно-сухом состоянии. Температура в лаборатории должна быть в пределах 20 °C - 25 °C. Дезагрегацию необходимо проводить с минимальными усилиями, чтобы структура почвы изменилась настолько слабо, насколько это возможно. Почва должна быть просеяна через сито с диаметром отверстий 2 мм в соответствии с рекомендациями [58]. Перемешивание почвы следует проводить тщательно, это повысит воспроизводимость результатов.

7.3.3.2 Влажность почвы определяют в трех повторностях методом высушивания в сушильном шкафу при температуре 105 °C до тех пор, пока вес образцов не перестанет меняться. Все расчеты следует производить на абсолютно сухую навеску.

7.3.4.1 Тестируемое вещество растворяют в 0,01 М растворе CaCl₂, приготовленном на дистиллированной или деионизированной воде. Данный раствор используют в качестве жидкой фазы для облегчения центрифугирования и минимизации катионного обмена. Концентрация исходного (головного) раствора должна быть на три порядка выше, чем минимальная концентрация вещества, детектируемая выбранным аналитическим методом. Этот порог гарантирует точность измерения (9.2.1.7 - 9.2.1.11). Кроме того, концентрация исходного раствора должна быть ниже растворимости исследуемого вещества.

7.3.4.2 Исходный головной раствор должен быть приготовлен непосредственно перед экспериментом и должен храниться в темноте при температуре 4 °C. Максимально возможное время хранения зависит от стабильности вещества и его концентрации в растворе.

7.3.4.3 При проведении тестов с малорастворимыми веществами (S_w < 10^-4 г/л) может понадобиться введение в раствор растворяющих добавок, облегчающих растворение вещества. Эти вещества должны: свободно смешиваться с водой (например, метанол или ацетонитрил); их содержание в головном растворе не должно превышать 1% по объему и составлять даже меньшее количество в растворе, который будет непосредственно взаимодействовать с почвой (рекомендуется менее 0,1%); они не должны обладать поверхностной активностью или вступать в реакции с исследуемым веществом. Использование данных веществ должно быть оправданно и соответствующим образом отражено в результатах анализа.

7.3.4.4 Альтернативный способ использования малорастворимых веществ в эксперименте - это введение тестируемого вещества, растворенного в небольшом количестве органического растворителя, в систему почва - 0,01 М раствора CaCl₂. Содержание органического растворителя не должно превышать 0,1% от общего объема жидкой фазы. Однако исследователь должен помнить, что такой способ введения вещества может негативно сказаться на воспроизводимости эксперимента, так как концентрация исследуемого вещества не всегда будет одинакова во всех экспериментах.

8.1.1 Ключевыми параметрами, влияющими на точность сорбционных исследований, являются: точность аналитического метода определения концентрации вещества, как в водной фазе, так и в почве; чистота и стабильность тестируемого вещества; достижение сорбционного равновесия; величина изменения концентрации раствора; соотношение почва - раствор и изменение почвенной структуры в процессе достижения равновесия (8.1.4, 9.2.1.12, 9.2.2, 9.2.3.1). Некоторые примеры, касающиеся вопросов точности результатов, приведены в приложении C.

8.1.2 Возможность использования того или иного аналитического метода необходимо оценивать с учетом тех концентраций, которые необходимо будет определять. Каждый исследователь может выбрать метод, подходящий ему по точности, воспроизводимости, пределу определения и открываемости. Некоторые рекомендации по выбору метода даны ниже.

8.1.3 Необходимый объем 0,01 М раствора CaCl₂ (например, 100 мл) взбалтывают в течение четырех часов с навеской почвы, например 20 г (для сильно сорбирующих почв с высоким содержанием органического углерода); этот вес и объем можно менять в широких пределах, но соотношение 1/5 обычно является общепринятым. Суспензию центрифугируют и фильтруют. Далее берут необходимое количество головного раствора, добавляют к фильтрату до достижения тех уровней концентраций, которые предполагается определять в ходе теста. Добавляемый объем не должен превышать 10% от полученного почвенного раствора, чтобы свести к минимуму нарушение равновесия. Раствор анализируют.

8.1.4 Один раствор (холостой вариант) анализируют без добавления тестируемого вещества, чтобы определить возможные инструментальные ошибки, связанные с матрицей почвы.

8.1.5 Аналитические методы, которые можно использовать для измерения концентрации веществ, включают в себя газожидкостную хроматографию (ГЖХ), высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ), спектрометрию и сцинтилляционные исследования (для радиоактивно меченых веществ). Независимо от выбранного метода определения, он должен давать 90% - 110%-ную открываемость для используемых концентраций вещества. Чтобы правильно рассчитать величину сорбции, после того как вещество разделилось между фазами, необходимо, чтобы минимальный предел детектирования был на два порядка ниже его определяемой концентрации.

8.1.6 Знание характеристик и предела детектирования аналитического метода определения необходимо для изучения адсорбции и играет важную роль в экспериментальной части исследования в целом. Далее в этом стандарте речь пойдет об основной части эксперимента и будут даны рекомендации для приготовления альтернативных растворов для тех лабораторий, которые ограничены в использовании аналитических методов и имеют недостаточное оснащение.

8.2.1 Выбор соотношения почвы и раствора в сорбционных экспериментах зависит от коэффициента распределения K_d и уровня адсорбции вещества почвой. Изменение концентрации исследуемого вещества в растворе определяет статистическую точность измерения, основанную на виде сорбционных уравнений и ограничениях методов анализа в определении концентрации химических веществ в растворе. Поэтому в повседневной практике достаточно удобным оказывается установить ряд фиксированных значений соотношения почва/раствор, при котором доля сорбированного вещества больше 20% (лучше всего > 50%) [62], и до того уровня, пока концентрация вещества в растворе позволяет определить ее с необходимой точностью. Это особенно важно в случаях, когда сорбция очень сильна.

8.2.2 Выбор необходимого соотношения почва/раствор базируется на оценке величины K_d как с помощью предварительных экспериментов, так и при помощи выбранного метода расчета (приложение D). Выбор соотношения можно произвести при помощи графика зависимости K_d от соотношения почва/раствор с линиями, соответствующими определенной доле сорбированного вещества (рисунок 1). В этом случае считается, что адсорбция описывается линейной зависимостью. Приведенные на рисунке закономерности получены подстановкой K_d из уравнения (4) в уравнение (1).

или в логарифмической форме, приняв R = m_soil/V₀ и 

8.2.3 Рисунок 1 представляет нам соотношение почва/раствор в виде функции величины K_d при различных уровнях адсорбции. Например, допустим, для соотношения 1:5 и K_d, равного 20, адсорбция составляет 80%. Тогда, если необходима адсорбция в 50%, необходимо взять соотношение 1:25. Такая возможность дает исследователю известную гибкость при проведении эксперимента.

8.2.4 Особенно непросто иметь дело с теми областями графика, где адсорбция очень слабая или очень сильная. Если адсорбция очень слаба, рекомендуется использовать соотношение 1:1, хотя для некоторых почв, богатых органическим веществом, при таком узком соотношении получается мокрая глина. В любом случае необходимо сосредоточить внимание на определении сверхмалых изменений в концентрации раствора. В противном случае измерения будут очень неточными. С другой стороны, можно довести соотношение почва/раствор до 1:100, но при этом большая часть вещества останется в растворе. Тем не менее особое внимание должно быть уделено качественному смешиванию и соответствующему времени установления равновесия в системе. Альтернативный подход может быть реализован в тех случаях, когда аналитические методы исследования не могут быть применены. Коэффициент распределения можно приблизительно рассчитать исходя из значений коэффициента распределения октанол/вода. Это особенно эффективно для полярных веществ с P_ow < 20 и гидрофобных сильно сорбируемых веществ с P_ow > 10⁴.

9.1.1 Все эксперименты должны выполняться в лаборатории при температуре окружающей среды. Если возможно, она должна быть постоянной и составлять 20 °C - 25 °C.

9.1.2 Центрифуга должна иметь возможность осаждать из суспензии все почвенные частицы крупнее 0,2 мкм. Такая величина частиц является пограничной между твердой и коллоидной фазой почвы. Указания, как определить параметры центрифугирования, приведены в приложении E.

9.1.3 Если центрифугирование не гарантируют полного удаления из раствора частиц более 0,2 мкм, то оно обязательно должно сочетаться с фильтрованием через фильтры с порами меньше указанной величины. Фильтр должен быть сделан из подходящего инертного материала, исключающего потерю вещества при фильтровании. Однако, в любом случае, отсутствие потерь при фильтровании должно быть проверено.

Цели проведения предварительного эксперимента указаны в 1.4. Далее будет описано проведение эксперимента.

9.2.1.1 Для проведения эксперимента необходимы две почвы разных типов и три различных соотношения (итого шесть экспериментов). Почва одного типа должна содержать много органического вещества и небольшое количество глины; почва другого типа, напротив, должна быть с высоким содержанием глины и бедна органическим веществом. Соотношения, которые необходимо получить, приведены ниже. Однако абсолютные масса почвы и объем могут варьироваться с учетом лабораторной необходимости:

50 г почвы и 50 мл водного раствора исследуемого вещества (1/1);

10 г почвы и 50 мл водного раствора исследуемого вещества (1/5);

2 г почвы и 50 мл водного раствора исследуемого вещества (1/25).

9.2.1.2 Минимальное количество почвы, которое может быть использовано, зависит от лабораторных возможностей и возможностей выбранного аналитического метода. Однако для получения реалистичных результатов необходимо использование не менее 1 - 2 г образца почвы.

9.2.1.3 Один контрольный образец, содержащий только раствор исследуемого вещества в 0,01 М CaCl₂, должен наравне с остальными образцами пройти все стадии анализа для определения стабильности вещества в водной среде и определения величины его адсорбции на стенках посуды.

9.2.1.4 Еще один образец, содержащий только почву и необходимый объем 0,01 М раствора CaCl₂ (без исследуемого вещества), также должен пройти через все стадии анализа, для выявления почвенных компонентов или загрязняющих веществ, мешающих определению (например, поглощающие излучение в том же диапазоне длин волн, что и тестируемое вещество).

9.2.1.5 Все эксперименты, включая контрольные и холостые образцы, необходимо проводить, по крайней мере, в двух повторностях. Общее количество образцов, которые необходимо приготовить, можно рассчитать, используя технику, приведенную в 9.2.1.11.

9.2.1.6 Методы основных предварительного и основного эксперимента обычно одинаковы, кроме тех случаев, когда это нецелесообразно.

9.2.1.7 Воздушно-сухие образцы почвы взбалтывают в течение ночи (12 часов), предшествующей дню эксперимента, с 45 мл 0,01 М раствора CaCl₂. После этого добавляют головной раствор и доводят общий объем до 50 мл. Добавляемый объем не должен превышать 10% от общего количества почвенного раствора (50 мл), чтобы свести к минимуму нарушения в установившемся за ночь равновесии. Получаемая концентрация вещества, находящегося в контакте с почвой (C₀), должна, по крайней мере, на два порядка превышать значения минимального предела детектирования выбранного аналитического метода. Это позволит провести измерения с необходимой точностью даже в случае сильной сорбции (> 90%) и построить позже изотерму сорбции. Также рекомендуется, чтобы получаемая концентрация не превышала половины растворимости исследуемого вещества.

9.2.1.8 Приведем пример расчета концентрации головного раствора. Пусть предел обнаружения аналитического метода 0,01 мкг/мл и происходит 90%-ная сорбция. Тогда концентрация вещества в растворе, уравновешенном с почвой, должна быть на два порядка выше (1 мкг/мл). Если решено добавлять к 45 мл раствора максимально рекомендуемую часть (10%), значит, концентрация головного раствора должна быть 10 мкг/мл, что в конечном итоге на три порядка больше предела детектирования.

9.2.1.9 Необходимо измерить pH водной фазы до и после добавления раствора исследуемого вещества, так как этот параметр сильно влияет на сорбцию, особенно ионизированных веществ.

9.2.1.10 Далее проводят взбалтывание суспензии для наступления равновесия. Время его наступления варьирует в широких пределах, но 24 часов обычно заведомо достаточно для его наступления. На предварительном этапе исследования можно провести серию экспериментов с разными временами взбалтывания, например, 4, 8, 24, 48 часов. Однако время анализа может быть гибким в зависимости от графика работы лаборатории.

9.2.1.11 Существует два способа для определения исследуемого вещества в растворе: параллельный и серийный методы. Следует подчеркнуть, что параллельный метод более трудоемкий, но математическая интерпретация результатов проще. Однако конечный выбор остается за исследователем, который должен учитывать возможности и ресурсы своей лаборатории.

(a) Параллельный метод. Образцы с соответствующим соотношением почва/раствор, приготовляют в таком количестве, сколько будет выбрано временных интервалов для изучения кинетики сорбции. После центрифугирования и, если это необходимо, фильтрования, водная фаза из первой пробирки анализируется, скажем, через 4 часа. То же проводят со второй пробиркой через 8 часов, с третьей - через 24 часа и т.д.

(b) Серийный метод. Приготовляют только одну пробирку (в двух повторностях) и через определенные промежутки времени раствор центрифугируют и из жидкой фазы отбирают небольшую аликвоту, которая немедленно анализируется. Дальнейший эксперимент продолжается с исходной суспензией. Если необходима еще и фильтрация, то лаборатория должна располагать соответствующим оборудованием для фильтрации микроколичеств раствора. Рекомендуется, чтобы объем аликвоты не превышал 1% от общего объема раствора, так чтобы изменение соотношения почва/раствор, влияющее на сорбционное равновесие, не было очень значительным.

9.2.1.12 Процент сорбированного вещества рассчитывается для каждой точки исходя из начальной концентрации вещества в растворе и величины концентрации, полученной после каждого временного интервала. Далее строят график зависимости от времени (рисунок F.1 приложения F) с целью определения точки выхода кривой сорбции на плато. В точке равновесия также рассчитывается коэффициент K_d. С использованием значения K_d подбирают необходимое соотношение почва/раствор (рисунок 1) таким образом, чтобы сорбция была выше 20% (в идеальном случае более 50%). Все необходимые уравнения и принципы построения приведены в разделе "Данные и отчет" и приложении F.

9.2.2.1 Как уже упоминалось в 9.2.1.12, график зависимости от времени позволяет определить наступление равновесия и количество сорбированного вещества в точке равновесия. Рисунки F.1 и F.2 приложения F дают примеры таких построений. Время равновесия - это время выхода кривой на плато.

9.2.2.2 Если для некоторых образцов равновесие так и не наступило, а обнаруживается устойчивый рост, это может быть следствием совокупности факторов, таких как биодеградация или крайне медленная диффузия. Для установления явления биодеградации необходимо повторить эксперимент со стерильными образцами почвы. В том случае, если и после такой проверки равновесие не достигается, необходимо изучить данное явление с целью нахождения других возможных влияющих факторов. Это можно попытаться сделать изменяя температуру, время взбалтывания или соотношение почва/раствор. В конечном итоге решение о продолжении исследования, несмотря на возможные ошибки в достижении равновесия, остается за исследователем.

9.2.3.1 Некоторая информация о стабильности вещества и его сорбции на стенках лабораторной посуды может быть получена из анализа контрольных образцов. Если обнаруженная потеря составляет больше стандартной ошибки выбранного аналитического метода измерения концентрации, то абиотическая деградация и/или сорбция на стенках посуды должны быть непременно учтены. Разница между этими двумя явлениями может быть определена тщательным промыванием стенок посуды подходящим растворителем с последующим анализом полученной жидкости. Если сорбция не обнаружена, значит вещество способно к абиотической деградации. Если сорбция имеет место, необходимо поменять материал, из которого сделана посуда. Однако данные по сорбции на стенках сосудов не могут быть переведены на эксперименты с присутствием почвы, так как ее присутствие обычно значительно снижает такую сорбцию.

9.2.3.2 Дополнительная информация о стабильности вещества может быть получена расчетом массового баланса исходного вещества с течением времени. Это означает, что и водная фаза, и почвенный экстракт, и стенки сосудов должны быть проанализированы. Разница между массами складывается и полученная сумма масс исследуемого вещества в водной фазе, почвенном экстракте и на стенках посуды эквивалентна массе разложившегося, и/или испарившегося, и/или неэкстрагированного вещества. Для определения массового баланса сорбционное равновесие должно быть достигнуто в течение эксперимента.

9.2.3.3 Расчет массового баланса должен проводиться для обеих почв для одного такого соотношения почва/раствор, которое обеспечивает сорбцию более 20%, а в лучшем случае более 50%. Когда эксперимент по определению соотношения почва/раствор завершен, исследование продолжает анализ последнего образца почвенной суспензии (48 часов). Водную фазу отделяют центрифугированием и, если необходимо, фильтруют. После удаления водной фазы, настолько полно, насколько это возможно, к почве добавляют растворитель с высокой экстрагирующей силой (коэффициент экстракции, по крайней мере, 95%). Рекомендуется сделать две последовательные экстракции. Количество исследуемого вещества в почве и на стенках сосуда определяют, и рассчитывают массовый баланс [уравнение (10) в разделе "Данные и отчет"]. Если он получается менее 90%, исследуемое вещество считается нестабильным в течение эксперимента. Однако эксперимент может быть продолжен, принимая при конечном расчете этот установленный факт. В таких случаях рекомендуется анализировать как водную, так и твердую фазу почвы.

9.3.1 Используют пять разных почв. Критерии отбора приведены в таблице 1. Рекомендуется, чтобы среди этих почв были также некоторые или все почвы, которые исследовали на предварительном этапе. В этом случае для этих почв повторять второй этап исследования нет необходимости.

9.3.2 Время равновесия, соотношение почва/раствор, массу почвенного образца, объем и концентрацию раствора, контактирующего с почвой, выбирают исходя из результатов предварительных исследований. Анализы желательно проводить спустя 2, 4, 6, 8 и, если возможно, 10 и 24 часа. Максимальное время анализа можно довести и до 48 часов, если для вещества характерно долгое установление равновесия. Однако указанные значения временных интервалов можно изменять по своему усмотрению.

9.3.3 Все эксперименты (и с почвой, и с раствором) должны проводиться, по крайней мере, в двух повторностях, чтобы иметь возможность определить вариабельность результатов. Во всех экспериментах параллельно исследуют еще и "холостой" образец, содержащий только почву и 0,01 М раствор CaCl₂. Его вес и объем должны быть идентичны остальным образцам. Контрольный образец, состоящий только из раствора исследуемого вещества (без почвы), исследуют сходным образом, чтобы предотвратить разного рода неожиданности. Исследования проводят способом, описанным в 9.2.1.7 - 9.2.1.12.

9.3.4 Процент сорбированного вещества в каждой временной точке и/или на каждом временном интервале (в зависимости от нужд исследования) рассчитывают и откладывают на графике зависимости сорбции от времени. Коэффициент распределения K_d, а также коэффициент распределения, нормированный по углероду K_oc, также должны быть рассчитаны.

9.3.5.1 Линейное уравнение сорбции (и его коэффициент K_d) обычно достаточно точно описывает сорбционное поведение вещества [35], [78] и его мобильность в почве. Например, вещества с K_d <= 1 мл/г обычно очень мобильны. Классификация мобильности веществ, базирующаяся на значении параметра K_oc, была разработана McCall et all [16]. Кроме того, существует также классификация способности вещества к вымыванию, базирующаяся на соотношении между K_d и DT50 [32], [79].

9.3.5.2 Кроме того, учитывая погрешность анализа, значения коэффициента K_d менее 0,3 мл/г не могут быть определены с приемлемой точностью по изменению концентрации вещества в растворе даже при самом предпочтительном соотношении почва/раствор 1:1. В таких случаях рекомендуется анализировать обе фазы.

9.3.5.3 В соответствии с вышесказанным рекомендуется, чтобы исследование адсорбции и поведения вещества в почве было продолжено построением изотермы Фрейндлиха, для которой возможно точное определение K_d при помощи приведенного в данной инструкции протокола. Точное определение возможно, если при перемножении K_d и соотношения почва/раствор получается величина > 0,3, если измеряют убыль концентрации в жидкой фазе (непрямой метод) или > 0,1, если исследуют обе фазы (прямой метод) [61].

Выбирают пять значений концентрации тестируемого вещества, желательно покрывающие интервал в два порядка. Концентрации вещества следует выбирать с учетом его растворимости и возможности их определения после наступления равновесия. В течение всего эксперимента должно поддерживаться одинаковое соотношение почва/раствор. Адсорбционный тест проводят согласно 9.2.1.2 - 9.2.1.11 с той лишь разницей, что анализ проводится только один раз по истечении времени наступления равновесия, определенного ранее на втором этапе исследования. Количество вещества в растворе определяют и по его убыли в растворе рассчитывают количество адсорбированного почвой вещества (можно воспользоваться также и прямым методом определения). Строят график зависимости равновесной концентрации вещества в растворе от количества вещества, сорбированного единицей массы почвы (см. раздел "Данные и отчет").

Среди всех математических моделей сорбции изотерма Фрейндлиха употребляется наиболее часто. Более подробную информацию о сорбционных моделях можно найти у авторов [41], [45], [80] - [82].

Важно: Следует упомянуть, что сравнивать величины K_F (коэффициент адсорбции Фрейндлиха) для разных веществ возможно, только если они приведены в одинаковых единицах измерения [83].

9.4.3.1 Целью данного эксперимента является определение, сорбируется ли исследуемое вещество почвой необратимо. Данная информация очень важна, так как десорбция играет очень важную роль в поведении веществ в почве. Более того, десорбционные данные часто используют для расчета выщелачивания и плоскостного смыва при помощи математического моделирования. Если десорбционные исследования будут проводиться, то рекомендуется, чтобы эксперимент, описанный ниже, был проведен для каждой системы, для которой возможно точное определение в процессе исследования кинетики сорбции.

9.4.3.2 Так же как и в случае кинетики сорбции, существует два метода исследования: параллельный и серийный методы. Выбор одной из приведенных ниже методик зависит от возможностей экспериментатора, исходя из имеющихся ресурсов и оборудования. Следует иметь в виду замечания, сделанные в 9.2.1.11.

(a) Параллельный метод. Из каждой почвы, для которой было принято решение провести исследование кинетики десорбции, готовят образцы с соответствующим соотношением почва/раствор в количестве, равном количеству временных интервалов, выбранных для проведения испытания. Лучше всего, если это будут такие же интервалы, как и при изучении адсорбции. Однако полное время эксперимента может быть увеличено, если необходимо, чтобы установилось десорбционное равновесие. Во всех экспериментах параллельно исследуют еще и "холостой" образец, содержащий только почву и 0,01 М раствор CaCl₂. Его вес и объем должен быть идентичен остальным образцам. Контрольный образец, состоящий только из раствора исследуемого вещества (без почвы), также проводят через все стадии исследования. Все почвенные суспензии взбалтывают до достижения сорбционного равновесия (способом, приведенным ранее). Далее водную фазу центрифугируют и отделяют настолько полно, насколько это возможно. Извлеченную фазу заменяют в каждой пробирке на 0,01 М раствор CaCl₂, не содержащий исследуемого вещества. Суспензии взбалтывают вновь. Фазу из первой пробирки исследуют, допустим, спустя 2 часа, из второй - через 4 часа и т.д. до тех пор, пока не установится десорбционное равновесие.

(b) Серийный метод. После эксперимента по изучению кинетики адсорбции, смесь центрифугируют и удаляют жидкую фазу. Удаленную фазу замещают на такой же объем 0,01 М раствора CaCl₂, не содержащего исследуемого вещества. Суспензии взбалтывают вновь до достижения десорбционного равновесия. В течение этого периода через выбранные промежутки времени фазы разделяют центрифугированием и отбирают из водной фазы небольшую аликвоту и немедленно ее анализируют. Объем аликвоты не должен превышать 1% от полного объема раствора. Во избежание изменения соотношения почва/раствор извлеченный объем аликвоты восполняют 0,01 М раствора CaCl₂. Взбалтывание продолжают до наступления следующего временного интервала.

9.4.3.3 Процент десорбированного вещества в каждой временной точке и/или на каждом временном интервале (в зависимости от нужд исследования) рассчитывают и откладывают на графике зависимости десорбции от времени. Коэффициент десорбции K_des также рассчитывают в точке равновесия. Все необходимые уравнения приведены в разделе "Данные и отчет" и приложении F.

Обычно графики зависимости процента адсорбции и процента десорбции вещества от времени показывают характеристику обратимости этого процесса, даже если десорбционное равновесие наступает в два раза позже, чем адсорбционное. Если общая десорбция составляет более 75% от общей адсорбции, адсорбция считается обратимой.

Изотерму десорбции Фрейндлиха определяют для почв, использованных в изучении адсорбции. Десорбционный эксперимент проводят по схеме, приведенной в разделе "Кинетика десорбции" (9.4.3) с той лишь разницей, что анализ водной фазы проводят только один раз в точке десорбционного равновесия. Рассчитывают количество десорбированного вещества, а содержание тестируемого вещества, оставшегося сорбированным, рассчитывают как функцию от содержания вещества в равновесном растворе (раздел "Данные и отчет" и приложение F).

Аналитические данные представляют в виде таблиц (приложение G). Также приводят индивидуальные измерения и расчеты средних значений. Изотермы адсорбции представляют в графическом виде. Расчеты проводят, как описано в 10.1.

В данных исследованиях полагается, что 1 мл водной фазы весит 1 г. Поэтому соотношение почва/раствор может быть указано в г/г или в г/мл, что здесь по сути одно и то же.

Адсорбцию определяют как процент адсорбированного вещества в каждой временной точке, и если вещество стабильно и не оседает на стенках посуды, то рассчитывается для каждого времени по уравнению (3).

где - процент сорбции во временной точке t_i, %;

- масса сорбированного почвой вещества к моменту времени t_i, мкг;

m₀ - масса исследуемого вещества в начале анализа.

Детальная информация по расчету для параллельного и серийного методов приведена в приложении F.

Коэффициент распределения K_d - это соотношение между количеством вещества в твердой фазе и его содержанием в равновесном растворе.

где - содержание адсорбированного почвой вещества в точке равновесия, мкг/г;

- массовая равновесная концентрация вещества в растворе; при расчете необходимо принимать во внимание результаты, полученные при исследовании "холостых" образцов, мкг/мл;

- масса сорбированного почвой вещества в точке равновесия, мкг;

- масса исследуемого вещества в равновесном растворе, мкг;

m_soil - масса твердой фазы почвы, г;

V₀ - объем равновесного раствора, мл.

Соотношение между и K_d описывается следующим уравнением:

где A_eq - процент адсорбированного вещества в точке равновесия, %.

Коэффициент сорбции K_oc, нормированный по углероду, зависит от K_d и содержания органического углерода следующим образом:

где %OC - содержание в почве органического углерода, %;

K_oc - коэффициент, величина которого отражает, в основном, гидрофобные взаимодействия между исследуемым веществом и органическим веществом в почве или донных отложениях. Адсорбционная емкость этих компонентов коррелирует с содержанием органического вещества в твердой фазе сорбента [7].

Таким образом, этот коэффициент сильно зависит от специфических свойств различных фракций гумуса, значительно отличающихся по сорбционной емкости, а также по строению, происхождению и т.д.

Изотерма адсорбции Фрейндлиха показывает соотношение между количеством адсорбированного вещества и его концентрацией в растворе в точке равновесия [8].

Для каждой тестовой пробирки рассчитывают количество вещества, сорбированного в результате эксперимента [, иногда еще обозначают как x/m]. Предполагается, что равновесие наступило и значение является равновесной величиной:

Уравнение изотермы Фрейндлиха (8):

в линейной форме:

где - коэффициент Фрейндлиха; измеряется в мл/г только когда 1/n = 1, в остальных случаях (мкг^1-1/n·мл^1/n·г^-1);

n - коэффициент регрессии. Обычно коэффициент 1/n находится в интервале 0,7 - 1,0, указывая на то, что зависимость часто имеет слегка нелинейный характер.

По уравнениям (8) и (9) строят графики, значения K_F и 1/n рассчитывают, используя регрессионный анализ графика уравнения (9). Примеры таких графиков даны на рисунке 2.

Баланс масс рассчитывают как процент вещества, оставшегося после адсорбционного эксперимента от начального количества вещества, введенного в эксперимент.

Обработка данных несколько отличается в зависимости от свойств растворителя. В случае использования растворителя, свободно смешивающегося с водой, количество экстрагированного вещества может быть рассчитано, как приведено в подразделе "Десорбция". Если растворитель не смешивается с водой, расчет количества извлеченного вещества должен быть произведен.

Баланс масс рассчитывают следующим образом - термином m_E обозначают сумму масс вещества, экстрагированного из почвы и смытого со стенок посуды органическим растворителем:

где MB - баланс масс, %;

m_E - общая масса вещества, экстрагированного из почвы и смытого со стенок посуды в два этапа, мкг;

C₀ - начальная массовая концентрация вещества в растворе, контактирующем с почвой, мкг/мл;

V₀ - объем супернатанта, введенный после адсорбционного теста, мл.

Десорбцию определяют как процент десорбированного вещества от предварительно сорбированного в условиях эксперимента:

где - процент десорбции во временной точке t_i, %;

- масса десорбированного из почвы вещества к моменту времени t_i, мкг;

- масса исследуемого вещества, предварительно сорбированного почвой, мкг.

Детальная информация по расчету для параллельного и серийного методов приведена в приложении F.

Коэффициент десорбции K_des в условиях эксперимента - это соотношение между количеством вещества, оставшегося в сорбированном состоянии в почве, и массовой концентрацией вещества в растворе в точке десорбционного равновесия.

где K_des - коэффициент десорбции;

- общая масса десорбированного из почвы вещества в точке равновесия, мкг;

V_T(eq) - общий объем жидкой фазы, контактирующей с почвой в эксперименте по кинетике десорбции, мл.

Указание, как рассчитать , дано в приложении F под заголовком "Десорбция".

Замечание. Если адсорбционный тест был проведен с использованием параллельного метода исследования, то V_T соответственно должен быть эквивалентен V₀.

Изотерма десорбции Фрейндлиха показывает соотношение между количеством вещества, оставшимся адсорбированным почвой, и концентрацией вещества в растворе в точке десорбционного равновесия (12).

Для каждой пробирки содержание тестируемого вещества, оставшегося в почве, рассчитывают как:

рассчитывают как:

где - содержание тестируемого вещества, оставшегося в почве в точке равновесия, мкг/г;

- масса вещества в растворе, определенная аналитически в точке равновесия, мкг;

- масса тестируемого вещества, оставшаяся в адсорбционном равновесии из-за неполного замещения раствора, мкг;

- масса тестируемого вещества в равновесном растворе, мкг.

где - объем раствора, отбираемого для измерения концентрации исследуемого вещества при десорбционном равновесии, мл;

V_R - объем супернатанта, удаленного из пробирки после адсорбционного эксперимента и замененного на аналогичный объем 0,01 М CaCl₂, мл.

Десорбционная изотерма Фрейндлиха:

В линейной форме:

где - коэффициент десорбции Фрейндлиха, мл/г;

n - коэффициент регрессии;

- массовая равновесная концентрация вещества в растворе при десорбционном равновесии, мкг/мл.

По уравнениям (16) и (17) строят графики и значения и 1/n рассчитывают, используя регрессионный анализ графика уравнения (17).

Замечание. Если показатель степени в уравнениях изотерм сорбции и десорбции 1/n равен 1, то коэффициенты Фрейндлиха и эквивалентны константам равновесия K_d и K_des, а графики C_s от C_aq имеют линейную форму. Если показатель не равен 1, то графики C_s от C_aq нелинейные и адсорбционные и десорбционные коэффициенты изменяются по всей длине изотермы.

Отчет о проведенном тесте должен содержать следующую информацию:

- полное описание использованных почвенных образцов;

- географическое положение поля (широта, долгота);

- дату отбора проб;

- происхождение образцов (сельскохозяйственные земли, лесные почвы и т.д.);

- глубину отбора проб;

- гранулометрический состав;

- pH (0,01 М CaCl₂);

- содержание органического углерода;

- содержание органического вещества;

- содержание азота;

- соотношение C/N;

- емкость катионного обмена, ммоль/кг;

- всю информацию о сборе и хранении образцов;

- где необходимо, всю дополнительную информацию, способную помочь интерпретировать результаты сорбционно/десорбционных испытаний;

- методы, использованные для определения каждого из параметров;

- информацию об исследуемом веществе;

- температуру эксперимента;

- условия центрифугирования;

- доказательство необходимости использования растворяющих агентов для приготовления головного раствора исследуемого вещества;

- объяснение всех поправок, внесенных в расчеты;

- данные в виде заполненного бланка из приложения G;

- все данные и наблюдения, помогающие интерпретировать результаты анализа.

Из приведенной таблицы C.1 становится очевидным тот факт, что при небольшой разнице между начальной массой вещества (m₀ = 110 мкг) и равновесной концентрацией исследуемого вещества в растворе , ошибка в 5% при измерении концентрации вещества в растворе приводит к 50%-ной ошибке при расчете массы сорбированного вещества и 52,4%-ной ошибке при расчете K_d.

Масса почвы 10 г.

Объем раствора 100 мл.

где - масса сорбированного почвой вещества в точке равновесия, мкг;

- масса вещества в водной фазе в точке равновесия, мкг;

- содержание сорбированного вещества в почве в точке равновесия;

- массовая концентрация вещества в водной фазе в точке равновесия;

R - аналитическая ошибка;

- ошибка расчетов, вычисленная на основе аналитической ошибки.

1 Способ приблизительной оценки коэффициента K_d базируется на его корреляции с такими показателями, как P_ow, [12], [39], [63] - [68], растворимость в воде [12], [19], [21], [39], [68] - [73], или данными о полярности вещества, которые получают методом обращенно-фазной ВЭЖХ [74] - [76]. Как показано в таблицах D.1 и D.2, коэффициенты K_oc и K_om можно найти по этим уравнениям, и от них потом перейти к K_d по уравнениям:

2 Теоретически данная теория базируется на двух предположениях: (1) Основным фактором, влияющим на адсорбцию веществ почвой, является содержание в ней органического вещества (2). Взаимодействия в большинстве своем неполярны. Поэтому, данная корреляция не распространяется, только в редких случаях, на полярные вещества и не применима в случаях, когда содержание в почве органического вещества очень мало [12]. Кроме того, если между P_ow и сорбционной способностью обычно прослеживается удовлетворительная корреляция, то о связи адсорбции с растворимостью такого сказать нельзя. Данные исследований на этот счет весьма противоречивы.

3 Некоторые корреляционные уравнения, связывающие сорбционные коэффициенты с P_ow и растворимостью, приведены в таблицах D.1 и D.2.

1 Расчет времени центрифугирования проводится по формуле (E.1) для частиц сферической формы:

где - угловая скорость вращения ( rpm/60), рад/с;

rpm - количество оборотов в минуту;

- вязкость раствора, г/(с·см);

r_p - радиус частиц, см;

- плотность почвы, г/см³;

- плотность раствора, г/см³;

R_t - расстояние от центра вращения до поверхности почвенной суспензии, см;

R_b - расстояние от центра вращения до дна центрифужной пробирки, см;

R_b - R_t - расстояние от поверхности суспензии до дна пробирки, длина пути, см.

Для удобства все единицы измерения даны не в системе СИ.

В повседневной практике полученное таким образом время удваивают, для того чтобы осаждение было гарантированно полным.

2 В данном уравнении также принимается, что вязкость и плотность раствора эквивалентны вязкости и плотности воды при 25 °C, соответственно 8,95 г/(с·см) и 1,0 г/мл.

Исходя из этого время центрифугирования будет равно:

3 Из полученного уравнения (E.2) становится очевидно, что на время центрифугирования влияют два основных параметра: 1) плотность почвы; 2) длина суспензии в центрифужной пробирке (расстояние от поверхности суспензии до дна пробирки). Ясно, что для постоянного объема это расстояние будет зависеть от радиуса пробирки.

4 Ниже на рисунках представлена зависимость времени центрифугирования от количества оборотов в минуту для разных плотностей почвы (рисунок E.1) и для разных расстояний от поверхности суспензии до дна центрифужной пробирки (рисунок E.2). Например, при классической скорости в 3000 оборотов в минуту время центрифугирования для почв плотностью 1,2 г/см³ будет равняться 240 минутам, а для почвы с плотностью 2,0 г/см³, всего 50 минут. Аналогично по рисунку E.2 получаем, что при той же скорости слой суспензии 10 см необходимо центрифугировать 50 минут, тогда как для слоя 1 см достаточно всего 7 минут. Однако необходимо помнить, что при слишком маленьком слое могут возникнуть сложности при разделении фаз после центрифугирования.

5 Кроме того, при подборе условий центрифугирования необходимо также учитывать наличие в почве третьей псевдофазы: почвенных коллоидов. Эти частицы размером менее 0,2 мкм оказывают значительное влияние на адсорбцию веществ почвенной суспензией. Если центрифугирование проводить способом, приведенным выше, то коллоидные частицы остаются в растворе и анализируются совместно с ним. Таким образом, информация об их вкладе в адсорбцию теряется. Если лаборатория располагает приборами для проведения ультрацентрифугирования или ультрафильтрации, то исследования сорбционно-десорбционных процессов можно провести более глубоко, получив информацию об адсорбции на почвенных коллоидах. В этом случае ультрацентрифугирование на скорости 60 000 оборотов в минуту или ультрафильтрация через фильтр порозностью в 100 000 Дальтон может позволить разделить все три фазы. Итоговый протокол исследования в таком случае должен быть изменен соответствующим образом.

1 Схема эксперимента

2 Во всех расчетах принимается, что вещество стабильно и незначительно сорбируется стенками посуды.

a) Параллельный метод

3 Процент адсорбции считается для каждой пробирки i для каждой временной точки t_i по уравнению:

Члены данного уравнения можно рассчитать как:

где - процент сорбции во временной точке t_i, %;

- масса сорбированного почвой вещества к моменту времени t_i, мкг;

m₀ - масса исследуемого вещества в пробирке в начале анализа, мкг;

C₀ - начальная массовая концентрация вещества, контактирующего с почвой, мкг/мл;

- массовая концентрация вещества в растворе в момент времени t_i, мкг/мл;

V₀ - начальный объем раствора, контактирующего с почвой, мл.

Строят графики зависимости или от времени и определяют точку достижения системой равновесия. Примеры таких графиков приведены на рисунках F.1 и F.2.

b) Серийный метод

4 Следующие уравнения служат для расчета сорбции при проведении эксперимента серийным методом, когда измерение концентрации исследуемого вещества проводится в небольших аликвотах, отбираемых из водной фазы, через определенные временные интервалы.

Количество исследуемого вещества, сорбированного почвой в течение каждого временного интервала, рассчитывают по следующим уравнениям.

Для первого интервала: :

Для второго интервала: :

Для третьего интервала: :

Для n-го интервала :

Процент вещества, сорбированного в течение каждого временного интервала , рассчитывают следующим образом:

Процент вещества , сорбированного ко времени t_i, по уравнению:

Значения или , в зависимости от нужд исследования, откладываются на графике зависимости от времени, и по графику находится время наступления равновесия:

в точке равновесия:

масса исследуемого вещества в почве:

масса исследуемого вещества в растворе:

процент адсорбции исследуемого вещества:

Определения использованных выше параметров:

- масса вещества, сорбированного почвой в течение временного интервала , мкг;

- масса вещества в аликвотном растворе , определенная в точке t_i, мкг;

- масса вещества, сорбированного почвой в точке равновесия, мкг;

- масса вещества в растворе в точке равновесия, мкг;

- объем аликвоты, в которой измеряют содержание исследуемого вещества, мл;

- процент сорбции во время , %;

A_eq - процент вещества, сорбированного ко времени наступления равновесия, %.

5 Временем начала десорбционного эксперимента считается время, когда водная фаза из образца, в котором наступило адсорбционное равновесие, замещается на эквивалентное количество раствора 0,01 М CaCl₂.

a) Параллельный метод

6 Во временной точке t_i проводят измерение массы исследуемого вещества в водной фазе, отобранной из пробирки i , а массу десорбированного вещества рассчитывают по уравнению:

в точке десорбционного равновесия t_i = t_eq и, соответственно, ;

- масса вещества, десорбированного почвой в течение временного интервала , рассчитывается по уравнению:

7 Процент десорбции рассчитывают по уравнениям:

ко времени t_i:

за время :

где - процент десорбции во временной точке t_i, %;

- процент десорбции за время , %;

- масса вещества, десорбированного почвой к моменту времени t_i, мкг;

- масса вещества, десорбированного почвой, по истечении , мкг;

- масса вещества, аналитически определяемая в водной фазе в точке десорбционного равновесия, мкг;

- масса исследуемого вещества, оставшаяся в адсорбированном состоянии из-за неполного замещения раствора, мкг:

где - масса вещества в растворе в точке равновесия, мкг;

V_R - объем супернатанта, удаленного из пробирки после адсорбционного эксперимента и замененного на аналогичный объем 0,01 М CaCl₂, мл;

- объем раствора, взятый из пробирки i, при проведении эксперимента по кинетике десорбции параллельным методом, мл.

Значения или в зависимости от нужд исследования откладывают на графике зависимости от времени и по графику находят время наступления равновесия.

b) Серийный метод

8 Следующие уравнения служат для расчета сорбции при проведении эксперимента серийным методом, когда измерение концентрации исследуемого вещества проводится в небольших аликвотах, отбираемых из водной фазы, через определенные временные интервалы. Полагается, что супернатант, удаленный из пробирки после адсорбционного эксперимента, заменен аналогичным объемом 0,01 М CaCl₂, и полный объем водной фазы, контактирующей с почвой (V_T), остается постоянным и равным:

9 В точке t_i:

Масса вещества в аликвоте связана с массой десорбированного вещества по уравнению:

в точке десорбционного равновесия t_i = t_eq и соответственно .

Процент десорбции рассчитывается по уравнению:

10 На интервале :

Количество исследуемого вещества, десорбированного почвой в течение каждого временного интервала, рассчитывают по следующим уравнениям:

Для первого интервала: 

Для второго интервала: 

Для n-го интервала :

В конечном итоге процент десорбированного вещества рассчитывают как:

процент десорбированного вещества ко времени t_i:

где - масса вещества, оставшегося сорбированным почвой по истечении временного интервала , мкг;

- общая масса вещества, десорбированного почвой за отведенное время, мкг;

- масса вещества, аналитически определяемая в водной фазе в точке t_i, мкг;

V_T - полный объем раствора, находящийся в контакте с почвой при проведении эксперимента по кинетике десорбции серийным методом, мл;

- масса исследуемого вещества, оставшаяся в адсорбированном состоянии из-за неполного замещения раствора, мкг.

где V_R - объем супернатанта, удаленного из пробирки после адсорбционного эксперимента и замененного на аналогичный объем 0,01 М CaCl₂, мкг;

- объем анализируемой аликвоты, отбираемой на анализ из пробирки i, при проведении эксперимента по кинетике десорбции серийным методом, мл.

Примечание - Символом отмечены уравнения, пригодные для прямого и для непрямого методов анализа. Остальные уравнения применимы только для непрямого метода.

Исследуемое вещество:

Исследуемые почвы:

Влажность почвы (105 °C, 12 часов), %:

Температура, °C:

Применимость аналитического метода

Принцип выбранного аналитического метода:

Калибровка аналитического метода:

Исследуемое вещество:

Исследуемые почвы:

Влажность почвы: ________________%

Температура: __________________ °C

Метод анализа:

Исследуемое вещество:

Исследуемые почвы:

Влажность почвы: ____________%

Температура: ________________ °C

Исследуемое вещество:

Исследуемые почвы:

Влажность почвы: _____________%

Температура: _________________ °C

Исследуемое вещество:

Исследуемые почвы:

Влажность почвы: ______________%

Температура: __________________ °C

Исследуемое вещество:

Исследуемые почвы:

Влажность почвы: __________________%

Температура: ______________________ °C

PM - параллельный метод; SM - серийный метод.