Ρύπανση Υδάτων και Εδαφών Ενότητα 3η: Φυσικοχημικές και μηχανικές ιδιότητες εδαφών Τσικριτζής Λάζαρος Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος και Μηχανικών Αντιρρύπανσης
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Σκοποί ενότητας Μετά την ολοκλήρωση της ενότητας οι φοιτητές θα πρέπει να: γνωρίζουν τις φυσικοχημικές και μηχανικές ιδιότητες του εδάφους. να αξιολογούν την κατάσταση και τη συμπεριφορά των εδαφών με τη βοήθεια κι άλλων παραμέτρων, όπως η ρυθμιστική ικανότητα κ.α. να γνωρίζουν βασικά στοιχεία για τα όξινα - αλκαλικά εδάφη και τις τεχνικές θεραπείας τους. 4
Περιεχόμενα ενότητας Σχηματισμός εδαφών. Φυσικοχημικές και μηχανικές ιδιότητες εδαφών. Όξινα και αλκαλικά εδάφη και μέθοδοι εξυγίανσης. Ρυθμιστική και ιοντοεναλλακτική ικανότητα εδαφών. 5
Φάσεις εδάφους και Ορίζοντες Σταθερές παράμετροι εδάφους (ανόργανες ενώσεις) και μεταβλητές (υγρασία, αέρας). Φάσεις. Στερεή (50 % v/v Ανοργ +Οργ). Υγρή (50 % v/v). Αέρια (50 % v/v). Εδαφικοί ορίζοντες : Ολότητες με ξεχωριστή μορφολογία (εξάρτηση από κλίμα, τοπογραφία κλπ). Εδαφογένεση. Εδαφικό προφίλ : Ορίζοντες Α (έκπλυση). Ορίζοντες Β (συσσώρευση). Γ (μητρικό υλικό). 6
Υγρή φάση του εδάφους Είναι ανάμεσα στα κενά (25 % v/v). Τριχοειδή φαινόμενα συγκράτηση. Μεγάλοι πόροι στράγγισμα. Νερό + διαλυμένα άλατα + κολλοειδή. Αποτελεί το εδαφικό διάλυμα θρέψης των φυτών. Είναι το πεδίο εκδήλωσης των χημικών ιδιοτήτων (Ο2, CO2). 7
Αέρια φάση του εδάφους Το έδαφος ρυθμιστής της σύστασης της ατμόσφαιρας. κύκλος C, Ν2, S. N2 NO3 (aq) αμινοξέα σήψη (Ν2). CO2 (πολύ): εμπλουτισμός υγρής φάσης (διαλυτότητα ). Ο2 (λίγο) : μεταβολή αερισμού. Η ισόρροπη αναλογία μικρών / μεγάλων πόρων βοηθά. 8
Μηχανική σύσταση των εδαφών Το έδαφος αποτελείται από θραύσματα (κλάσματα) διαφόρων μεγεθών. Το κλάσμα < 2 mm ονομάζεται «λεπτή γη». Βασικά συστατικά λεπτής γης: άμμος / ιλύς /άργιλος (μηχανική σύσταση %). 9
Τρίγωνο κατανομής εδαφών Εικόνα: Τρίγωνο κατανομής εδαφών (Ανακτήθηκε 15 Δεκεμβρίου, 2014). Από το τρίγωνο προκύπτουν 12 κλάσεις εδαφών. Τρείς βασικές ομαδοποιήσεις. Η άργιλος έχει μεγάλη ειδική επιφάνεια και συνεπώς μεγαλύτερη χημική δραστηριότητα και γονιμότητα (μέχρι ενός ορίου). 10
Πορώδες του εδάφους (1/2) Σημασία του πορώδους. για την κατανομή και τα ποσοστά της υγρής και της αέριας φάσης. Μεγάλοι μεσαίοι μικροί πόροι. 0,05-0,01mm 0,01-0,002 <0,002mm. 11
Πορώδες του εδάφους (2/2) Όταν τα λεπτόκοκκα τότε το πορώδες. Η οργανική ουσία βελτιώνει το πορώδες. Προσθήκη οργανικής ύλης στα αμμώδη. Κατανομή πόρων με το βάθος: πάνω οι μεγάλοι, κάτω μεσαίοι και μικροί. 12
Φαινόμενο και Απόλυτο ειδικό βάρος Φαινόμενο ειδικό βάρος ΦΕΒ είναι το ειδικό βάρος του αδιατάρακτου εδάφους. Εξαρτάται από: το πορώδες (αντιστρόφως ανάλογο). την οργανική ύλη (αντιστρόφως ανάλογο). τη μηχανική σύσταση (ανάλογο με το μέγεθος των κόκκων). 13
Φαινόμενο ειδικό βάρος Απόλυτο ειδικό βάρος ΕΒ είναι το ειδικό βάρος χωρίς τους πόρους. Πορώδες % = (1- ΦΕΒ / ΕΒ) x 100. 14
Το ph των εδαφών. Προέλευση H + Διάσταση νερού. Ορισμός ph. Πηγές H+. Απομάκρυνση βάσεων (ΟΗ-) λόγω έκπλυσης. CO 2 του εδάφους ( ~0,3 % v/v). CO 2 + H 2 O HCO 3 + H +. Οργανικά οξέα RCOOH RCOO - + H +. Υδρόλυση αργίλου (προσροφάται στη στερεά φάση). Al 3 + + 3H 2 O Al(OH) 3 + 3H+. Λιπάσματα, π.χ θειικό αμμώνιο. Οξειδο-αναγωγή, π.χ το S 2- οξειδώνεται σε Η2SO4 (H + ). Όξινη βροχή SO 2 και NO x μετατρέπονται σε οξέα (H+). 15
Αλκαλικότητα των εδαφών Σε συνθήκες έντονης εξάτμισης δεν έχουμε έκπλυση βάσεων (ΟΗ-). Το ph είναι 6,4-7. Ελεύθερο ανθρακικό ασβέστιο ΟΗ-. Ιόντα Να + και Mg 2+ (ή αλμυρό νερό) ΟΗ-. Παθογενή εδάφη, ph ~9. ΣΥΝΟΨΗ. Να + Mg 2+ Ca 2+ ph = 7-9. Al 3+ H + ph = 7-9. 16
Ενεργός και εναλλακτική οξύτητα (1/2) Ενεργός οξύτητα : το ph που μετράμε στο εδαφικό διάλυμα (Σε αιώρημα νερού). Βρίσκεται σε ισορροπία με Η + και Al 3+ της στερεάς φάσης. Εναλλακτική οξύτητα: Οφείλεται στην εναλλαγή ιόντων Η + και Al 3+ της στερεάς φάσης με την υγρή φάση. 17
Ενεργός και εναλλακτική οξύτητα (2/2) Ολική οξύτητα= Ενεργός + Εναλλακτική. Τη μετράμε σε αιώρημα CaCl 2 (Γίνεται εναλλαγή Η + και Al 3+ με Ca 2+ ). Εξάρτηση εναλλακτικής οξύτητας από βαθμό έκπλυσης κατιόντων Ca 2+, Μg 2+ Νa + Κ +. 18
Βελτίωση του ph των εδαφών (1/2) Επιθυμητή περιοχή ph : 6,5-7,2. Όξινα εδάφη. Προσθήκη ασβέστη CaCO 3 ή CaO (το καλύτερο υλικό). Η ποσότητα ασβέστη εξαρτάται από το αρχικό και τελικό ph, την άργιλο και την οργανική ύλη. Μέθοδος τιτλοδότησης με Ca(OΗ)2. Σχεδίαση καμπύλης ογκομετρησης. 19
Βελτίωση του ph των εδαφών (2/2) Αλκαλικά εδάφη. Προσθήκη όξινου υλικού: CaSO 4. 2H 2 O. Εναλλαγή με Να + Mg 2+ από στερεή φάση και δέσμευσή τους με τη μορφή θειικών αλάτων. 20
Ρυθμιστική ικανότητα των εδαφών είναι η αντίσταση του εδάφους στη μεταβολή του ph, στη διόρθωση δηλαδή της οξύτητας ή της αλκαλικότητάς του. Π.χ η προσθήκη CaCO 3 δεν αυξάνει αρχικά το ph, διότι παρά την μείωση των Η +, νέα Η + μπαίνουν από τη στερεή φάση στην υγρή, λόγω εναλλαγής τους με Ca 2+. Η ρυθμιστική ικανότητα εξαρτάται από την C.E.C. 21
Εναλλακτική ικανότητα των εδαφών C.E.C. (1/2) C.E.C. : Cation Exchange Capacity. Ορυκτά αργίλου αρνητικά φορτία. Έλκουν θετικά ανταλλάξιμα κατιόντα [Ca2+, Mg2+, K+, Na+ ] από το εδαφικό διάλυμα. Χημική ισορροπία. κατιόντα υγρής φάσης κατιόντα στερεής φάσης. Αν μεταβάλω τα Ca2+, Mg2+, K+, Na+ της υγρής φάσης μεταβάλλονται και τα Ca2+, Mg2+, K+, Na+ της στερεής φάσης. 22
Εναλλακτική ικανότητα των εδαφών C.E.C. (2/2) C.E.C. : το ποσό των ανταλλάξιμων κατιόντων που συγκρατεί η στερεά φάση ( Είναι ανάλογη του ηλεκτρικού φορτίου). Ανταλλάσσονται χημικώς ισοδύναμες ποσότητες. Μονάδες: meq / 100 g εδάφους ή αργίλου. 23
Βιβλιογραφία (1/2) Τεχνολογίες αποκατάστασης εδαφών και υπογείων υδάτων από επικίνδυνους ρύπους, Ε. Γιδαράκος, Μ. Αιβαλιώτη, Εκδόσεις Ζυγός, Θεσσαλονίκη, 2005. Μέθοδοι ελέγχου ρυπάνσεως περιβάλλοντος, Γ.Σ. Βασιλικιώτης, Κ.Κ. Φυτιάνος., Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, 1986. Έλεγχος ρύπανσης περιβάλλοντος, Θ.Α. Κουιμτζής, Κ. Σαμαρά Κωνσταντίνου, Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη, 1994. Χημεία Περιβάλλοντος, Θ.Α. Κουιμτζής, Κ. Φυτιάνος, Κ. Σαμαρά- Κωσταντίνου, Εκδόσεις University Studio Press, Θεσσαλονίκη, 1998. Εργαστηριακές ασκήσεις εδαφολογίας, Κ. Σινάνης, Θεσσαλονίκη, 2003. Εξυγίανση εδαφών και υπόγειων υδάτων από επικίνδυνα απόβλητα, Ε.Α. Βουδριάς, Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης, Έκδοση του Πανεπιστημίου, Ξάνθη, 2000. 24
Βιβλιογραφία (2/2) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater; American Public Health Association; 20th edition; 1999. Σημειώσεις εργαστηρίου (Ε. Αμανατίδου - Λ. Τσικριτζής, και συν., ΤΕΙ ΔΜ, Κοζάνη 2009). 25
Τέλος Ενότητας