Феномен изотопного осмоса при использовании бентонитовых мембран
The distilled water transfer through a bentonite membrane into a vessel with tritium (HTO << H2O) and deuterium (99.84% of D2O)) water has been experimentally studied. The phenomenon of isotopic osmosis is observed in the series of experiments. It is shown that this effect is caused by...
Saved in:
| Date: | 2007 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2007
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1906 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Феномен изотопного осмоса при использовании бентонитовых мембран / Э.В. Соботович, А.В. Пушкарев, А.С. Литовченко, Р.А. Пушкарева, В.В. Долин // Доп. НАН України. — 2007. — N 1. — С. 179–183. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860255429963022336 |
|---|---|
| author | Соботович, Э.В. Пушкарев, А.В. Литовченко, А.С. Пушкарева, Р.А. Долин, В.В. |
| author_facet | Соботович, Э.В. Пушкарев, А.В. Литовченко, А.С. Пушкарева, Р.А. Долин, В.В. |
| citation_txt | Феномен изотопного осмоса при использовании бентонитовых мембран / Э.В. Соботович, А.В. Пушкарев, А.С. Литовченко, Р.А. Пушкарева, В.В. Долин // Доп. НАН України. — 2007. — N 1. — С. 179–183. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | The distilled water transfer through a bentonite membrane into a vessel with tritium (HTO << H2O) and deuterium (99.84% of D2O)) water has been experimentally studied. The phenomenon of isotopic osmosis is observed in the series of experiments. It is shown that this effect is caused by the difference in the hydrogen isotopic composition of water in two conjugated vessels. The values of the rate constants and the osmosis pressure are assessed.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:48:33Z |
| format | Article |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
1 • 2007
ЕКОЛОГIЯ
УДК 546.027:541.12.121;553.611.6
© 2007
Академик НАН Украины Э. В. Соботович, А.В. Пушкарев,
А.С. Литовченко, Р.А. Пушкарева, В. В. Долин
Феномен изотопного осмоса при использовании
бентонитовых мембран
The distilled water transfer through a bentonite membrane into a vessel with tritium (HTO ≪
≪ H2O) and deuterium (99.84% of D2O)) water has been experimentally studied. The pheno-
menon of isotopic osmosis is observed in the series of experiments. It is shown that this effect
is caused by the difference in the hydrogen isotopic composition of water in two conjugated
vessels. The values of the rate constants and the osmosis pressure are assessed.
Общей стратегией при реализации мероприятий по предотвращению загрязнения подзем-
ных вод является применение физических барьеров. При сооружении таких барьеров, где
основное внимание уделяется достижению низкой гидравлической проводимости для огра-
ничения адвективного переноса загрязнений, обычно используют бентониты. Для этих по-
род характерны весьма низкие значения гидравлической и диффузионной проницаемости.
Так, для консолидированного бентонита в зависимости от его плотности значения эффек-
тивной диффузии НТО (тритиевая метка в молекуле воды, используемая в качестве инди-
катора массопереноса) определяются в пределах от 4,4 ·10−11 [1] до 9,7 ·10−11 м2
·с−1 [2], при
плотностях соответственно 2,0 и 1,18 г · см−3. Столь же малы значения их гидравлической
проницаемости на уровне (1,3–9) · 10−11 м2
· с−1 [3].
При изучении взаимодействия обогащенной тритием воды и глинистых минералов нами
обсуждалась возможность вхождения трития в структуру филлосиликатов [4–6]. Вместе
с тем при исследовании диффузии трития через бентонитовую мембрану нами был обна-
ружен эффект перемещения дистиллированной воды через мембрану в цилиндр с три-
тиевой водой. В настоящее время хорошо известна способность глинистых пород действо-
вать в качестве полупроницаемых мембран [7–9]. Мембранные свойства глинистых пород
обычно обусловлены химическим осмосом, т. е. движением флюидов вследствие концент-
рационного градиента в сторону повышения концентрации растворов и снижения водной
активности. Кроме того, процесс осмотического переноса может осуществляться под вли-
янием термического или электрического градиентов [8, 9]. Пределы, в которых глинистые
породы действуют как полупроницаемые мембраны, количественно оцениваются посредст-
вом коэффициента осмотической активности (КОА) [7, 10]. Авторы отмечают, что на ве-
личину КОА оказывают влияние различные факторы, в частности, статическое давление
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №1 179
в грунтах, тип и количество глинистых минералов, тип и состав поровых растворов и др.
Присутствие электролитов также сказывается на мембранном эффекте в натриевом бенто-
ните [8, 9, 11], который является предпочтительным материалом для сооружения барьеров
против распространения различных типов загрязнений.
Вместе с тем в литературе отсутствуют сведения о том, что возможен осмотический эф-
фект на бентонитовых мембранах, разделяющих дистиллированную воду и воду, содержа-
щую молекулы НТО. Для выяснения природы этого явления нами была выполнена серия
экспериментов.
В качестве полупроницаемой мембраны был использован бентонит (Б) второго слоя
Черкасского месторождения [12]. Химический состав бентонитовых глин, % (мас.): SiO2
58,8; TiO2 1,14; Al2O3 17,58; Fe2O3 + FeO 6,3; MnO 0,03; MgO 2,17; CaO 2,16; Na2O + K2O
0,06–0,29; P2O5 0,05; S 0,05–0,34; п.п.п. 9,7.
Бентонитовая паста готовилась с использованием дистиллированной воды и в одном
случае с использованием обогащенной тритием воды (смесь H2O ≫ HTO, далее НТО).
Процесс набухания пасты продолжался 3 сут при комнатной температуре. Из полученной
пасты готовилась мембрана толщиной 50 мм в стеклянном цилиндре диаметром 34 мм.
В стеклянный цилиндр наливалась вода до уровня 30 мм выше бентонитовой мембра-
ны. В качестве жидкой фазы использовалась дистиллированная вода, дейтериевая вода
(99,84%) и НТО с различной удельной активностью. Химический состав НТО, мг-экв/л:
Ca2+ + Mg2+ 10,1; Na+ 0,41; K+ 0,027; HCO−
3
6,84; SO2−
4
1,75; Cl− 0,42; pH 10,2.
Стеклянный цилиндр помещался в резервуар с дистиллированной водой таким образом,
что уровень воды в резервуаре совмещался с уровнем воды в цилиндре. Резервуар и цилиндр
во избежание интенсивного испарения закрывали крышками, но без герметизации. Схема
экспериментальной установки показана на рис. 1. Эксперименты выполнялись при темпе-
ратуре (21 ± 3) ◦С. Всего исследовано 9 вариантов экспериментальных систем (табл. 1).
Соотношение объемов жидкости в цилиндре и резервуаре соотносилось в среднем как 1 : 12
(системы 1–3) или 1 : 24 (системы 4–9). Длительность экспериментов составляла до 295 сут.
Фиксация уровней воды производилась через каждые 7 сут. В ходе экспериментов наблюда-
лось приращение уровня жидкости в цилиндре и изменение уровня жидкости в резервуаре.
Влияние изменения концентрации трития в воде на эффект осмотического перемещения
дистиллированной воды через бентонитовую мембрану оценено посредством использова-
ния разбавленной в 2 и в 4 раза исходной НТО (соответственно смеси 4, 5). Кроме того,
в качестве контроля влияния фактора химического осмоса исследована система с участием
Таблица 1. Типы экспериментальных систем
Номер
эксперимент.
систем
Цилиндр Резервуар
pH воды
в резервуаре
hmax, мм k, 10−7 c−1
1 НТО H2O 8,40 23 1,85
2 НТО H2O 8,34 29 1,62
3 H2O НТО 8,03 2 0,87
4 НТО (0,5 C) H2O 8,03 24 1,74
5 НТО (0,25 C) H2O 8,25 17 1,51
6 НТО HTO 8,33 7 1,39
7 НТО H2O + NaCl 6,77 +2/−3 Не опр.
8 D2O H2O 8,59 20 2,08
9 H2O H2O 7,67 0 Не опр.
180 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №1
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — резервуар; наполненный дистиллированной водой (H2O);
2 — стеклянный цилиндр; 3 — медная сетка; 4 — бентонитовая мембрана; 5 — тритиевая вода (НТО)
разбавленного электролита (1 М раствор NaCl). Во всех вариантах экспериментальных си-
стем были измерены значения pH жидкости в резервуаре (табл. 1). Интенсивность испаре-
ния из сосуда в условиях выполнения экспериментов составила менее 0,02 мл · см−2/сут. За
время эксперимента изменений толщины бентонитовой мембраны не наблюдалось.
В результате выполненных исследований было установлено, что поведение жидкости
в цилиндре над бентонитовой мембраной зависит от изотопного состава воды в цилиндре
и резервуаре. В случае использования дистиллированной воды в резервуаре и цилиндре
(система 9) над бентонитовой мембраной за 141 сут эксперимента подъема жидкости не
наблюдалось. В остальных экспериментальных системах поведение жидкости было суще-
ственно иным.
В случае использования дейтериевой воды (система 8) на 5 сут эксперимента было зафи-
ксировано начало подъема уровня воды в цилиндре, который продолжался 140 сут и дос-
тиг 20 мм превышения над исходным уровнем (рис. 2). Более существенный мембранный
эффект наблюдался в экспериментальных системах с тритиевой водой. В системе 2, где
использовалась НТО исходной активности, подъем жидкости в цилиндре начался на 15 сут
от начала эксперимента и продолжался 250 сут. Максимальное превышение уровня воды
в цилиндре относительно исходного уровня составило 29 мм, т. е. произошло почти 2-крат-
ное увеличение объема жидкости в цилиндре (см. рис. 2).
Несколько менее этот эффект проявился в системах, где бентонитовая мембрана была
приготовлена на тритиевой воде (система 1), а также в тех случаях, когда исходная НТО
была разбавлена в 2 раза (система 4) и еще менее в случае разбавления исходной НТО
в 4 раза (система 5).
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №1 181
Рис. 2. Динамика изменения уровня воды в цилиндрах экспериментальных систем: цифрами обозначены
номера экспериментальных систем (см. табл. 1); сплошной линией показаны расчетные кривые
В свете изложенного несколько неожиданным оказался результат эксперимента в ва-
рианте, когда и в резервуаре, и в цилиндре находилась НТО (система 6). В этом случае на-
блюдался, хотя и очень слабый (до 7 мм), подъем уровня жидкости в цилиндре (см. рис. 2).
Практически не проявился эффект осмотического подъема уровня жидкости в экспери-
ментальной системе 3 (в резервуаре НТО, в цилиндре H2O).
Более сложный характер изменения уровня исходной тритиевой воды в цилиндре наблю-
дался в присутствии электролита (NaCl) в резервуаре. На первой стадии происходил осмоти-
ческий подъем уровня жидкости в цилиндре на протяжении первых 60 сут (+3 мм), который
затем сменился снижением уровня до −3 мм относительно исходного уровня, т. е. процесс
перешел в режим обратного осмоса.
Динамика наблюдаемого изменения уровня воды в цилиндре для систем 1–6 и 8 позво-
ляет с высокой достоверностью рассчитать константы скорости этого процесса (k) с приме-
нением уравнения формальной кинетики для необратимого процесса:
h(t) = hmax(1 − e−kt), (1)
где hmax — максимальный уровень подъема воды в цилиндре (см. рис. 2). Расчетные дан-
ные для систем 1, 2, 4, 5, 8 попадают в 10% доверительный интервал, для систем 6 и 3
доверительный интервал равен 20% при вероятности 95%. Константы скорости подъема
уровней воды составляют (1,5±0,6) ·10−7 с−1 и в небольшой степени зависят от концентра-
ции тяжелых изотопов водорода. Максимальная скорость подъема уровня воды отмечается
в системе с резервуаром, заполненным тяжелой водой (8), минимальная — в системе 3, где
НТО была помещена в резервуар, а H2O — в цилиндр (см. табл. 1).
Величина осмотического давления для разбавленных растворов неэлектролитов может
быть оценена с учетом уравнения Вант–Гоффа (1)
P = CRT, (2)
182 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №1
где P — осмотическое давление кПа; C — мольнообъемная концентрация (молярность),
моль/л; R — универсальная газовая постоянная (0,082 дм3
· атм. · моль−1
· T−1); T — абсо-
лютная температура раствора, К.
Расчеты показали, что для использованной в экспериментах НТО осмотическое дав-
ление, обусловленное химическим составом тритиевой воды (см. выше с. 180), не могло
превысить 0,04 кПа, что обеспечивало в различных экспериментальных системах подъем
уровня жидкости в цилиндрах не более 1,7 мм. В действительности, как видно из табл. 1,
максимальный подъем уровня для исходной НТО равен 29 мм, т. е. произошло практически
удвоение объема жидкости в цилиндре над бентонитовой мембраной.
Таким образом, в серии экспериментов нами наблюдался эффект изотопного осмоса,
ранее не описанный в литературе. Осмотический эффект от бентонитовой мембраны не
наблюдается (или выражен крайне слабо) в случаях, когда ниже и выше ее размещается
однообразная по изотопному составу среда (H2O или НТО). В случае существенных раз-
личий в изотопном составе воды выше бентонитовой мембраны (НТО) и ниже ее (H2O)
проявляется изотопный осмотический эффект, тем больший, чем выше концентрация три-
тия в цилиндре. Изотопный осмотический эффект проявляется и в случае размещения дей-
териевой воды выше бентонитовой мембраны. Присутствие электролита гасит изотопный
осмотический эффект, однако с некоторой задержкой во времени. Приближенная оценка
величины изотопного осмотического давления, выполненная на основе измерения прира-
щения массы жидкости в цилиндре, составляет от 0,2 до 0,29 кПа.
1. Melkior T., Mourzagh D., Yahiaoui S. et al. Diffusion of an alkaline fluid through clayey barriers and its
effect on the diffusion properties of some chemical species // Appl. Clay Sci. — 2004. — 26. — P. 99–107.
2. Garcia-Gutierrez M., Missana T., Mingarro M. et al. Solute transport properties of compacted Ca-bentoni-
te used in FEBEX project // Contam. Hydrol. — 2001. — 47, No 2–4. — P. 127–137.
3. Aertsens M., Wemaere I., Wouters L. Spatial variability of transport parameters in the Boom Clay //
Appl. Clay Sci. — 2004. — 26. — P. 37–45.
4. Пушкарев А. В., Пушкарева Р.А., Литовченко А.С., Колтунов Б. Г. Буферные свойства геологиче-
ской среды в местах размещения хранилищ тритийсодержащих радиоактивных отходов // Зб. наук.
праць Держ. наук. центру радiогеохiмiї навколишнього середовища. Сер. Техногенно-екологiчна без-
пека навколишнього середовища. — Київ, 2000. — 1. — С. 117–127.
5. Пушкарьов О.В., Яковлєв Є.О., Пушкарьова Р.О. та iн. Гiдрогеомiграцiя тритiю в мiсцях розмiще-
ння сховищ РАВ // Мiнер. ресурси України. — 2003. — № 2. — С. 38–40.
6. Пушкарьов О.В., Литовченко А.С., Пушкарьова Р.О., Яковлєв Е.О. Динамiка накопичення тритiю
в мiнеральному середовищi // Там же. — № 3. — С. 42–45.
7. Olsen H.W., Yearsley E.N., Nelson, K.R. Chemico-osmosis versus diffusion-osmosis // Transport. Res.
Record. — 1990. — 1288. — P. 15–22.
8. Malusis M.A., Shackelford C.D., Olsen H.D. A laboratory apparatus to measure chemico-osmotic effici-
ency coefficients for clay soils / Geotech. Testing. J. — 2001. — 24, No 3. — P. 229–242.
9. Malusis M.A., Shackelford C.D. Chemico-osmotic efficiency of a geosynthetic clay liner // J. Geotech and
Geoenvironmental Engin. — 2002. — 128, No 2. — P. 97–106.
10. Staverman A. J. Non-equilibrium thermodynamics of membrane processes // Transactions of the Faraday
Society. — 1952. — 48, P. 176–185.
11. Keijzer Th. J. S., Kleingeld P. J., Loch J. P.G. Chemical osmosis in compacted clayey material and the
prediction of water transport // Engin. Geol. – 53, No 2. — P. 151–159.
12. Рева В. Г. Материалы детальной разведки Дашуковского участка Черкасского месторождения бен-
тонитовых глин. — 1985.
Поступило в редакцию 09.07.2006Институт геохимии окружающей среды
НАН Украины и МЧС Украины, Киев
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №1 183
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1906 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:48:33Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Соботович, Э.В. Пушкарев, А.В. Литовченко, А.С. Пушкарева, Р.А. Долин, В.В. 2008-09-03T13:11:18Z 2008-09-03T13:11:18Z 2007 Феномен изотопного осмоса при использовании бентонитовых мембран / Э.В. Соботович, А.В. Пушкарев, А.С. Литовченко, Р.А. Пушкарева, В.В. Долин // Доп. НАН України. — 2007. — N 1. — С. 179–183. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1906 546.027:541.12.121;553.611.6 The distilled water transfer through a bentonite membrane into a vessel with tritium (HTO << H2O) and deuterium (99.84% of D2O)) water has been experimentally studied. The phenomenon of isotopic osmosis is observed in the series of experiments. It is shown that this effect is caused by the difference in the hydrogen isotopic composition of water in two conjugated vessels. The values of the rate constants and the osmosis pressure are assessed. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Екологія Феномен изотопного осмоса при использовании бентонитовых мембран Article published earlier |
| spellingShingle | Феномен изотопного осмоса при использовании бентонитовых мембран Соботович, Э.В. Пушкарев, А.В. Литовченко, А.С. Пушкарева, Р.А. Долин, В.В. Екологія |
| title | Феномен изотопного осмоса при использовании бентонитовых мембран |
| title_full | Феномен изотопного осмоса при использовании бентонитовых мембран |
| title_fullStr | Феномен изотопного осмоса при использовании бентонитовых мембран |
| title_full_unstemmed | Феномен изотопного осмоса при использовании бентонитовых мембран |
| title_short | Феномен изотопного осмоса при использовании бентонитовых мембран |
| title_sort | феномен изотопного осмоса при использовании бентонитовых мембран |
| topic | Екологія |
| topic_facet | Екологія |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1906 |
| work_keys_str_mv | AT sobotovičév fenomenizotopnogoosmosapriispolʹzovaniibentonitovyhmembran AT puškarevav fenomenizotopnogoosmosapriispolʹzovaniibentonitovyhmembran AT litovčenkoas fenomenizotopnogoosmosapriispolʹzovaniibentonitovyhmembran AT puškarevara fenomenizotopnogoosmosapriispolʹzovaniibentonitovyhmembran AT dolinvv fenomenizotopnogoosmosapriispolʹzovaniibentonitovyhmembran |