ANIONOS-, KATIONOS-, ÉS NEMIONOS TENZIDEKKEL MÓDOSÍTOTT FELÜLET TALAJMINTÁK KAPILLÁRIS VÍZEMELÉSE

Átírás

1 ANIONOS-, KATIONOS-, ÉS NEMIONOS TENZIDEKKEL MÓDOSÍTOTT FELÜLET TALAJMINTÁK KAPILLÁRIS VÍZEMELÉSE Nagy Edina, Makó András Pannon Egyetem, Georgikon Kar, Növénytermesztéstani és Talajtani Tanszék, Keszthely Összefoglalás A felületaktív anyagok (tenzidek) adszorpciójával megváltozik a talajszemcsék felületének vízzel való nedvesíthetsége, amely jelentsen megváltoztatja a talaj tulajdonságait. A tenzidek - karakterüktl függen - módosítják a talajszemcsék felületét. Különösen a talajkolloidok pl. organo-minerális komplexek - és a tenzidek kölcsönhatásának befolyása számottev. A kapilláris vízemelésben bekövetkezett változásokat kontroll, valamint anionos-, kationos- és nemionos tenziddel kezelt talajmintákon három ismétlésben, kontrolált körülmények között vizsgáltuk. A tenzides kezelésben a biológiai aktivitást és a fény katalitikus reakcióját kizártuk, hogy meggátoljuk a tenzidek természetes lebomlását. A kontroll- és a tenziddel kezelt talajoszlopok vízemelés magasságát tetszleges idpontokban állapítottuk meg. A talajminták vízemelési magasságának alakulásából a tenzidek talajfelület- és/vagy szerkezet módosító hatását értékeltük ki. Summary The water wetting capabilitiy of soil particle surfaces is changing with the adsorbtion of surface active substances (surfactants). Such soil treatment alters the soil characteristics significantly. Surfactant s effect on soil particles is depending on their characteristics. Interaction between soil colloids e.g. organo-mineral complexes and surfactants is remarkable. At surfactant treatments we assumed exclusion of biological activity, and photocathalitic reactions hindering decomposition of surfactants. The capillary rise of water was measured on non treated controls, and anionic, cationic and non-ionic surfactants treated soil samples in three replicates. The capillary rise of the control and tensid-treated soil-columns were determined in optional appointments. Then surface- and/or structure-modifying effects of surfactants were evaluated. Bevezetés A felületaktív anyagok (tenzidek) környezetszennyez hatásának tanulmányozása kiemelked jelentség napjainkban. A tenzidek, mint szerves mikroszennyezk kerülhetnek a talajba, pl. szennyvízzel, hígtrágyával, talajmosásos tisztítási eljárásból visszamaradó folyadékkal (PATZKÓ, DÉKÁNY, 1997). Mezgazdasági szempontból kiemelt szerepet képviselnek a növényvédszerek formázószerei, mellyel a peszticidek pl. nedvesíttapadóképességét és/vagy hatékonyságát módosítják (MONOSTORY, 2001). A tenzidek megkötdésében minden esetben kiemelt szerepet játszanak, a kis energiájú van der Waals, illetve a kohéziós erk, amelyek rendszerint a talaj és a tenzid hidrofób elemei között alakulnak ki (DOBOZY et al., 1974). A tenzid kémiai összetétele, szerkezete, és a talajfelület polaritása, töltésállapota alapvet jelentség a tenzid-adszorpcióban. A tenzidek adszorpciójára jellemz, hogy az adszorbeált anyagmennyiség telítési értéket vesz fel a kritikus micellaképzdési 391

2 Nagy Makó koncentrációnál (CMC) vagy annak közelében. A tenzidoldatok CMC-je és az adszorbensek fajlagos felülete széles határok között változik (ATKIN et al., 2003). A talajok negatív töltés felülete a kationos tenzidekkel, a pozitív töltés pedig az anionos tenzidekkel lép elektrosztatikus kölcsönhatásba, és így azok irányítottan kötdnek meg. A szilikátfelületeken a kationaktív tenzidek, a többnyire pozitív töltés fém-oxid-hidroxidokon az anionos tenzidek kötdnek meg. A nemionos tenzidek amfipatikus tulajdonsága a talajfelületek nedvesedését bármely folyadékkal elsegítik (SZÁNTÓ, 1986). A kationos tenzid a rétegszilikátok bels (ioncsere) és küls (ioncsere és molekuláris adszorpció) felületén, a rétegszilikátok duzzadását elidézve adszorbeálódik (SCHLADOT et al., 1994). Az anionos tenzid a rétegszilikát küls felületén kötdik meg, de a rétegközi térben a Ca-ionokat a tenzid Na-ionja lecserélheti, melynek hatására a rétegszilikátok bázislaptávolsága kismértékben csökken. A nemionos tenzid az agyaglamellák küls felületén adszorbeálódik, ami miatt duzzadás-zsugorodás nem történik (PATZKÓ, 1996). A különböz szemcsefrakciókból álló talajoszlopokban a vízemelkedés magasságát a talajpórusok méreteloszlása, míg a vízemelés sebességét ugyancsak a pórusméret, valamint a részecskemérettel összefügg anyagi tulajdonságok határozzák meg. A vízemelés magassága a részecskeátmérvel fordítottan, a vízemelés sebessége pedig a részecskátmér vagy a pórusméret függvényében - maximum görbe szerint -, változik (ATTERBERG et al., 1908). A nedvesít folyadék a bele állított talajoszlopban felfelé, azaz a kisebb szabadenergiájú irányban potenciál gradiens mentén, a nehézségi er ellenében mozog. Amikor a talajoszlopban a kapilláris emelkedés elérte a végs magasságot, a nedvesít folyadékra ható kapilláris és gravitációs erk egyensúlya alakul ki (VAN DAM, 1967). A folyadék és a talajoszlop, mint makroszkopikus szilárd anyagfelület érintkezése, kontakt, azaz érintkezéses nedvesedés. A nedvesedés mértékét a szilárd felület és a cseppfelület által bezárt szög, az ún. kontaktszög (peremszög) jellemzi. A peremszöget három határfelületi feszültség határozza meg: a szilárd test felületi feszültsége (S/G felületi feszültség), a folyadék felületi feszültsége (L/G felületi feszültség), valamint a szilárd test és a folyadék (S/L) határfelületi feszültség (SZÁNTÓ, 1986). Minél kisebb az illeszkedési szög, tehát minél nagyobb az adhéziós feszültség, annál nagyobb a folyadékoszlopok egyensúlyi magassága. A kapillárisokban, a nedvesít folyadék emelkedésének magassága a felületi feszültség mellett az adhéziós feszültségtl, a fajlagos tömegtl és a kapilláris átmértl függ (AMYX et al., 1960). A szemcseméret-eloszlás befolyásolja a talaj fajlagos felületét, ezáltal annak megköt és szorpciós képességét (KOVÁCS et al., 2007). A tenzidadszorpció hatására a talajszemcsék eltér módokon tapadnak össze, nagyobb pórusok és kapillárisok keletkeznek a talajban. Különösen akkor szembetn ez a talajhatás, ha a talaj duzzadó rétegrácsú agyagásványt is tartalmaz. A tenzidek hidrofóbizáló hatására a pórusátrendezdés az üledékszerkezet megváltozásával jár (ERLEI, 1997). A hidrofobizáló tenzidhatás a kapilláris vízemelés sebességében és magasságában is különbségeket eredményezhet. A tenzides felületmódosítás a módszerébl adódóan nehezen reprodukálható eredményeket származtathat. Vizsgálatainkban heterogén összetétel talajmintaanyagon tanulmányoztuk az anionos-, kationos-, és nemionos tenzidek talajfelület- és/vagy szerkezet-módosító hatását a kapilláris vízemelést megfigyelve. 392

3 Anionos-, kationos-, és nemionos tenzidekkel módosított felület talajminták... Vizsgálati anyag és módszer A vizsgálatokhoz lényegesen eltér fizikai féleség, humusztartalmú, agyagásványösszetétel, valamint - sótartalmú talajokkal végeztük. A talajmintavételek helyét a Csongrád Megyei Földhivatal - ill. MTA TAKI GIS Környezetinformatikai labor talajtérképe (FÜLÖP, 1989; AGROTOPO, 2002) alapján jelöltük ki. Talajmintát a Dél-Alföldön is gyjtöttünk, réti és réti szolonyec talajokét Hódmezvásárhely külterületérl, és mészlepedékes csernozjom talajét Mezhegyesrl, agyagbemosódásos barna erdtalajt Keszthely határából, pannon kvarchomokot pedig Salföldrl. A talajminták alapvizsgálat adatait -melyeket a hazai szabványos talajvizsgálati módszertan (BUZÁS, 1988) szerint határoztunk meg - az 1. táblázat mutatja be. 1. táblázat A talajminták vizsgálati eredményei A talajminták felületmódosítását a tenzidek 3 típusával (kationos-, anionos-, és nemionos) végeztük, melyek elnevezését, fbb paramétereit a 2. táblázatban mutatjuk be. A hexadecil-piridinium-kloridot (HDPCl) és az oktil-fenol-polietilénglikol-étert (TritonX-100) a Sigma-Aldrich cégtl, míg a Na-diizopropil-naftalin-szulfonátot (Supragil WP) Pannon Egyetem Föld- és Környezettudományi Tanszékrl szereztük be. 2. táblázat A talajvizsgálatban alkalmazott tenzidek A vizsgálatokban kontroll (tenziddel nem kezelt) és tenzidekkel módosított légszáraz, darált, homogenizált, 2 mm-es szitán átrostált talajokat használtunk fel. A légszáraz talajmintákat szántóföldi vízkapacitásuk (pf2,3) feltöltéséhez szükséges térfogatú tenzidoldattal permeteztük. A talajminták vízkapacitás értékét a talaj mechanikai összetételének, humusztartalmának és térfogattömegének ismeretében becsültük (RAJKAI, 1988). 393

4 Nagy Makó A tenzidoldatok koncentrációját úgy választottuk meg, hogy azok a talajszemcsék hidrofóbitási maximumát közelítsék. A tenzidoldatok elkészítésekor azok CMC (kritikus micellaképz dési koncentráció) tartományán belül választottuk a koncentrációt (ERLEI, 1997). A talajminták kezelésében figyelembe vettük a tenzidek lebontását befolyásoló körülményeket. A kezelésekben a biológiai aktivitást a tenzidoldatokhoz Na-azid (NaN3) hozzáadásával blokkoltuk (Karagunduz et. al. 2001). A fotokatalitikus reakciók kizárásához, - a talajokban el forduló fém-oxidok (pl. TiO2, SnO2) fotokatalitikus reakció során a szerves anyagok (pl a tenzidek) lebontását okozhatják (DÉKÁNY, 2005) - a kezelt talajmintákat lefedve, sötét helyiségben, 24 0C-on 48 óráig, kontrollált körülmények között tartottuk. A kezelési id t követ en szárítószekrényben 48 órán keresztül 40 0 C-on szárítottuk a talajokat (ERLEI, 1997). A kontroll- és a tenziddel kezelt talajokat ezután dörzsmozsárban aprítottuk, majd 2 mm-es szitán átszitáltuk. A kapilláris vízemelés vizsgálathoz (1. ábra) az el készített talajmintákból 1000 mm hosszú és 30 mm bels átmér j üvegcsövekben mesterséges talajoszlopokat készítettünk, kezelésenként és mintánként 3 ismétlésben. A mérés befejezéséig állandó 5 mm magas vízállást biztosítottunk a talajoszlopok alján (BALLENEGGER, 1962). A kapilláris vízemelés magasságát 10 id pontban rögzítettük (0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 24 óra). 1. ábra Kapilláris vízemelés vizsgálat Vizsgálati eredmények A kapilláris vízemelésben a pannon kvarchomok kationos tenziddel kezelt mintája mutatta a legnagyobb különbséget a kontroll mintához képest. A kationos tenzid a negatív töltés talajfelületeken, - minthogy izomorf helyettesítéssel a talajalkotó ásványokban többnyire állandó negatív töltések találhatók (JOHNSTON, TOMBÁCZ, 2002) jól adszorbeálódik. Az anionos tenzid azonban negatív töltése miatt kevésbé köt dik. A nemionos tenzidre jellemz, hogy apoláros és poláros felületen eltér en köt dik meg (SZÁNTÓ, 1986). A homokszemcsék felületét a nemionos tenzid az anionos tenzidhez képest jelent sebben, a kationoshoz képest viszont kevésbé módosította. A tenzidek adszorpciója a homoktalaj kis fajlagos felületén kismérték, így lehetséges, hogy a nem adszorbeálódott tenzidek a kapillárisan felemelked vízben oldódnak, akár jelen- 394

5 Anionos-, kationos-, és nemionos tenzidekkel módosított felület talajminták... tsen csökkentve a víz felületi feszültségét. A víz felületi feszültségének csökkenése miatt, pedig lényegesen csökkenhet a vízemelést elidéz erhatás. A homoktalaj minták tenzides kezelését követen pórusátrendezdés jeleit nem tapasztaltuk. 2. ábra A kontroll és különböz tenzidekkel kezelt homokminta kapilláris vízemelésének összehasonlítása * 3. ábra A kontroll és különböz tenzidekkel kezelt csernozjom talaj kapilláris vízemelésének összehasonlítása * A 2-5. ábrához tartozó számok a kezelések típusát jelölik: 1. kontroll, 2. anionos tenzid, 3. kationos tenzid, 4. nemionos tenzid 395

6 Nagy Makó 4. ábra:a kontroll és különböz tenzidekkel kezelt barna erdtalaj kapilláris vízemelésének összehasonlítása ábra A kontroll és különböz tenzidekkel kezelt réti talaj kapilláris vízemelésének összehasonlítása Az alföldi mészlepedékes csernozjom és az agyagbemosódásos barna erdtalaj kapilláris vízemelés értékei csak kissé térnek el. E talajokban a felületi töltések az agyagásvány bázislapján lév állandó negatív töltések (JOHNSTON, TOMBÁCZ, 2002) - és a humuszanyagok a pozitív töltés kationos tenzidekkel ionos kötés vegyületet képeznek (DE NOBILI, 1994) befolyásoló szerepet játszhatnak a tenzidek megkötdésében. A kontroll talajok kapilláris vízemeléséhez képest a legnagyobb eltérést a nemionos tenzid, míg legkisebbet az anionos tenzid adszorpciója okozta. Pórusátrendezdés jeleit egyik talaj esetében sem figyeltük meg.

7 Anionos-, kationos-, és nemionos tenzidekkel módosított felület talajminták... A karbonátos réti talaj kapilláris vízemelés vizsgálatai elre nem várt eredményt mutattak. Azt tapasztaljuk, hogy nagyobb mérték a kapilláris emelkedés a tenzidekkel kezelt talajokban, mint a kezeletlen mintában. Az eredményt leginkább a pórusátmérk szkülésével lehet összefüggésbe hozni. Ennek igazolását a nagy agyagtartalmú talajok tenzidkezelése során bekövetkez pórusméret-átrendezdése adhatná. Feltételezésünk igazolására azonban további vizsgálatok szükségesek. A közepes réti szolonyec talajban a nagy kicserélhet Na + tartalom (ersen kötött, vastag hidrátburok) miatt gátolt a kapilláris vízemelés (DI GLÉRIA et al., 1957). A tenzides kezelést követen sem következett be lényeges változás a kontroll mintához képest (a 24 órás mérésnél is 1 cm-en belüli értékeket olvastunk le). Következtetések A tenzidekkel kezelt és nem kezelt talajokkal végzett kapilláris vízemelés vizsgálatok eredményei alapján arra a következtettünk, hogy lényegesen eltér kapilláris vízemelés csupán a homoktalaj esetében figyelhet meg. A többi vizsgált talajban a humuszanyagok, az agyagásványok és az egyéb talajalkotók, illetve a tenzidek adszorpciójára bekövetkez duzzadási-zsugorodási jelenségek következtében valószínsíthet pórusméret-átrendezdés befolyásolhatta a kapilláris vízemelést. További vizsgálatainkban a tenzidkoncentráció és a tenziddel kezelt agyagtartalom és agyagásvány minség hatásának vizsgálatát végezzük a talajoszlopok kapilláris vízemelés magasságára. A víztartó- és vízvezet-képesség mérésekkel kívánjuk a nagy agyagtartalmú talajok tenzidek hatására bekövetkez pórusméret átrendezdését, szerkezetváltozását tanulmányozni. Irodalom AGROTOPO (2002). Talajtérkép. MTA TAKI GIS Környezetinformatikai labor. AMYX, J. W., BASS, D. M., WHITTING, R. L. (1960). Petroleum reservoir engineering. McGraw- Hill, Toronto, ATTERBERG, A. (1908). Landw. Versstat. In DI GLÉRIA, J., KLIMES-SZMIK, A., DVORACSEK, M. (szerk.) Talajfizika és talajkolloidika. Akadémiai Kiadó, Budapest, 311. ATKIN, R., CRAIG, V. S. J., WANLESS, E. J. S., BIGGS, A. (2003). The influence of chain length and electrolyte on the adsorption kinetics of cationic surfactants at the silica aqueous solution interface. Colloid Interface Sci., 103, 219. BALLENEGGER, R., DI GLÉRIA, J. (1962). Talaj- és trágyavizsgálati módszerek. Mg. Kiadó, Budapest. BUZÁS, I. (1988). Talaj- és agrokémiai vizsgálati módszerkönyv 2. A talajok fizikai-kémiai és kémiai vizsgálati módszerei. Mezgazdasági Kiadó, Budapest. BUZÁS, I. (1993). Talaj- és agrokémiai vizsgálati módszerkönyv 1. A talaj fizikai, vízgazdálkodási és ásványtani vizsgálata. Budapest, INDA 4231 Kiadó. DE NOBILI, M., CONTIN, M., SENESI, N., MIANO, T. M. (1994). Humic Substances in the Global Environment and Implications on Human Health. Elsevier Sci., Amsterdam, pp DI GLÉRIA, J., DVORACSEK, M., KLIMES-SZMIK, A. (1957). Talajfizika és talajkolloidika. Akadémiai Kiadó, Budapest. DOBOZY, O., BARTHA, B., NÁDASY, M. (1974). Talajok vízháztartásának szabályozása felületaktív anyagokkal. Magyar Kémikusok Lapja, XIXX. évf., 2, 81. JOHNSTON, C.T., TOMBÁCZ, E. (2002). Surface chemistry of soil minerals, Ch.2. In DIXON, J.B., SCHULZE, D.G. (eds.) Soil mineralogy with environmental applications. Soil Science Society of America, Madison, Wisconsin, USA,

8 Nagy Makó ERLEI, K. (1997). Nemionos tenzid adszorpciója talajon és az áteresztképesség vizsgálata. Szakdolgozat, Szeged. FÜLÖP, M., TÁNCZOS, S. (1989). Talajtérkép. Csongrád Megyei Földhivatal, Hódmezvásárhely, Méretarány: 1: KARAGUNDUZ, A., PENNELL, K. D., YOUNG, M. H. (2001). Influence of a nonionic surfactant on the water retention properties of unsaturated soils. Soil Sci., 65, KOVÁCS, B., CZINKOTA, I., TOLNER, L., CZINKOTA, GY., SZACSURI, G., CZANIK, P. (2007). Automatikus finomfrakció szemcseméret-eloszlás meghatározás MARKÓNÉ MONOSTORY, B. (2001). Halogénezett szénhidrogének a talajban és a talajvízben. In: Környezetvédelmi füzetek sorozat, OMIKK. PATZKÓ, Á. (1996). Tenzidek hatása talajkomponensek vízátereszt képességére. The 1st Symposium on Analytical and environmental problems. Szeged, pp PATZKÓ, Á., DÉKÁNY, I. (1997). Tenzidek hatása a talaj vízátereszt képességére. A geokörnyezet szerepe a területfejlesztéstl a településrendezésig. Konferencia. Szeged, Abstracts p. 34. RAJKAI, K. (1988). A talaj víztartóképessége és különböz talajtulajdonságok összefüggésének vizsgálata. Agrokémia és Talajtan, SCHLADOT, J. D., KLUMPP, E., DÜRBECK, W., SCHWUGER, M. J. (1994). A felületaktív anyagok jelentsége. Journal Oil Soap Cosmetics, XVIII, SZÁNTÓ, F. (1986). A kolloidkémia alapjai. JATE Press Szegedi Egyetemi Kiadó, Szeged. VAN DAM, J. (1967). The migration of hydrocarbons in a water-bearing stratum. In HEPPLE, P. (ed.) The Joint Problems of the Oil and Water Industries. Proceedings of a Symposium, Institute of Petroleum, London,