TALAJFIZIKAI VIZSGÁLATOK APOLÁROS

SZERVES FOLYADÉKOKKAL

Makó András

VE GMK Talajtani és Vízgazdálkodási Tanszék

Bevezető

Az apoláros szerves folyadékokkal (főként a különféle

szénhidrogén-származékokkal) történt talajszennyezések

mértékének megállapítása, a feltárt szennyeződések lehatá-

rolása és a kárelhárítás szakszerű és gazdaságos megvaló-

sítása országos feladat. A fenti feladatok sikeres elvégzését

nagyban segíthetik azok a számítógépes szimulációs mo-

dellek, melyek a szerves folyadékszennyezések megkötő-

dését, terjedési irányát és sebességét becslik a különböző

talajtani, hidrológiai adottságok és (újabban) a kármentesí-

tési beavatkozások által módosított feltételek (pl. szabá-

lyozott hőmérsékleti viszonyok) mellett. A modellek pon-

tossága, megbízhatósága folyamatos számítógépes, labora-

tóriumi és szabadföldi tesztelés során érheti el a kívánt

szintet és ezután válhatnak a modellek a gyakorlati felada-

tokat igazán segítő munkaeszközzé.

A szénhidrogén-származékok terjedését szimuláló model-

lek legfontosabb talajtani input paraméterei a talajok mec-

hanikai összetétele, humusztartalma, nedvességtartalma,

víztartó képessége (pF-görbe) és hidraulikus vezetőképes-

sége (K). A modellek a továbbiakban általában a víztartó

képesség alapján becslik a talajok olajvisszatartó-

képességét, a hidraulikus vezetőképesség alapján pedig a

talajok olajvezető-képességét. Szakirodalmi közlések és

saját előzetes vizsgálataink alapján megállapítható, hogy a

modellek pontosságának növelése érdekében célszerű

megvizsgálni a talajok olajvisszatartó- és olajvezető-

képességének becslésére használt összefüggések alkal-

mazhatóságát (RUBIN et al., 1998; MAKÓ, 1999). Az álta-

lánosan elterjedt becslő egyenletek szigorúan véve ugyanis

csupán az „ideális porózus rendszerek” esetében érvénye-

sek, amikor a talajok különböző fázisai között nincs lénye-

ges fizikai-kémiai, kémiai kölcsönhatás. A talajok eseté-

ben ez a kitétel csupán a kavicsos, durva homokos altalaj-

okban igaz valamennyire, egyéb esetekben, amikor a szi-

lárd fázis-folyadék fázis kölcsönhatások az eltérő folyadé-

kok esetében különböző pórusméret-átrendeződéseket

eredményezhetnek (humusz- és agyagkolloidokat tartal-

mazó, aggregált talajok esetében), erősen megkérdőjelez-

hető alkalmazhatóságuk.

Jelen közleményünkben bemutatandó vizsgálatainkat az-

zal a céllal indítottuk el, hogy (1) kidolgozzuk az eredeti

szerkezetű talajoszlopokon történő folyadékvisszatartó-

képesség és folyadékvezető-képesség mérés (víz és apolá-

ros szerves folyadék) megbízható módszerét; (2) különbö-

ző talajféleségeket jellemző teljes talajszelvények egyes

(megmintázható) talajszintjeiből származó eredeti szerke-

zetű és/vagy mesterséges talajoszlopokon

folyadékvisszatartó és folyadékvezető-képesség méréseket

végezzünk vízzel és nem vizes fázisú (apoláros) szerves

folyadékkal; (3) keressük a talajtulajdonságok és a talajok

folyadékvisszatartó- és folyadékvezető-képessége közötti

összefüggéseket; (4) kidolgozzuk a talajok szerves

folyadékvisszatartó és folyadékvezető-képességének egy

megbízhatóbb, új becslési módszerét; (5) vizsgáljuk az

előzőekben már megismert talajok folyadékvezető-

képességét több folyadékfázis egyidejű jelenléte esetében.

A kutatást két OTKA (F 022805; T 034373) és két minisz-

tériumi (FKFP 0055/1999.; KÖM KAC 020881-01/2000)

pályázati támogatás tette lehetővé.

Anyag és módszer

Tíz különböző dunántúli talajszelvény genetikai szintjeiből

származó talajmintasort választottunk ki vizsgálatainkhoz.

A mintasorozatot kiegészítettük még további kilenc - előző

vizsgálatainkban már tanulmányozott, így a többieknél

jobban ismert - mintával (talaj- és ásványi őrlemény min-

ták), így összesen 50 talajmintát (illetve ásványi őrlemény

mintát) vontunk be a vizsgálatokba. A talajok származási

helyét és típusát az 1. táblázatban mutatjuk be. A begyűj-

tött minták legfontosabb fizikai és kémiai tulajdonságait a

FM NAÁ Talajvédelmi Laboratóriumában (Velence) hatá-

rozták meg, hazai szabványok szerint (BÚZÁS, 1993).

A folyadékvisszatartó- és folyadékvezető-képesség méré-

seket desztillált vízzel és egy aromás összetevőktől mentes

apoláros szerves modellfolyadékkal, a DUNASOL

180/220 elnevezésű kőolajlepárlási termékkel (MOL Rt.

Dunai Finomító) végeztük (2. táblázat).

Az eredeti szerkezetű talajminták vízvisszatartó-

képességét (pF értékeket) a hazai szabvány módszerek

szerint határoztuk meg (BÚZÁS, 1993) a FM NAÁ Talaj-

védelmi Laboratóriumában. Az olajvisszatartó-képesség

meghatározására a Soilmoisture Equipment Corporation

LAB 23 jelű porózus kerámialapos pF-mérő berendezés

szerves folyadékokkal történő mérések céljára – általunk –

átalakított változatát használtuk (KLUTE, 1986, MAKÓ,

1999). A három ismétlésben végzett mérések adataiból

megszerkesztettük a nyomás-folyadéktelítettség görbéket.

A folyadékvezető-képesség mérések során az eredeti

szerkezetű talajmintákat 40 oC-on szárítottuk, majd a né-

miképp összezsugorodott talajoszlopokat óvatosan kiszed-

tük a mintavevő csövekből. A száraz talajoszlopokat ezu-

tán 4-5 rétegben műgyantaborítással (POLIKON P-210

FAXT) vontuk be, majd lemértük a talajoszlopok átmérő-

jét, magasságát. (A műgyanta kb. 1 mm vastagságban a

száraz talajba ivódott, így elkerültük, hogy a talajoszlop és

a mintatartó henger fala között makropórusok, hézagok

alakulhassanak ki.) Végül a műgyantával borított talajosz-

lop aljára sifon vászonszövetet, a tetejére pedig a folya-

dékvezető-képesség mérő eszközzel (a talajminta átmérő-

jével közel azonos belső átmérőjű) csatlakoztatható fém-

csövet rögzítettünk, ugyancsak műgyantával. A csökkenő

folyadéknyomás módszerével mértük a talajok folyadék-

vezető-képességét (KLUTE, 1986, BÚZÁS, 1993). Berende-

zésünket oly módon alakítottuk át, hogy az alkalmas le-

gyen a szerves folyadékokkal történő mérésekre is. Egy-

egy folyadékkal egy-egy talajmintán 27 ismétlésben vé-

geztünk méréseket (MAKÓ, 1997).

A több folyadékfázist tartalmazó rendszerek folyadékveze-

tő képességének vizsgálatára a víz-, illetve az olajvezető-

képesség mérések során alkalmazott (mesterséges és ere-

deti szerkezetű) talajoszlopokat használtuk. Az előzetesen

vízzel telített talajoszlopokon mértük az olaj (DUNASOL

180/220) átszivárgási sebességét (az előzőekhez hasonló

módon), illetve az olajjal telített talajoszlopokon mértük a

víz átszivárgási sebességét, valamint folyamatosan regiszt-

ráltuk az átszivárgó folyadékok mennyiségét. Vizsgáltuk

az átszivárgás sebességének változását az átszivárgó fo-

lyadékok mennyiségének függvényében.

Aggregátum stabilitási méréseket kétféle módon végez-

tünk. Egyrészt a nedves szitálásos módszert alkalmaztuk -

egy általunk továbbfejlesztett műszert használva - úgy,

hogy a kiválasztott talajminták 1-2 mm-es frakciójának

szétiszapolódását hasonlítottuk össze vizes és kerozinos

közegben. Másrészt - a mikroaggregátum vizsgálatok mé-

rési elvéhez hasonlóan - meghatároztuk a diszpergált, a

csak desztillált vizes közegben rázatott és a szerves folya-

dék közegben rázatott talajminták szemeloszlási görbéit és

összehasonlítottuk az egyes frakciók mennyiségét

(KLUTE, 1986, MAKÓ, 1999).

Eredmények és értékelés

A talajok folyadékvisszatartó-képességének mérése során

azt tapasztaltuk, hogy a szakirodalomban használt (a tala-

jok pF görbéjét és a folyadékok eltérő határfelületi feszült-

1.: A vizsgálatokba vont talajminták származási helye és

típusa

Minta jele

(1)

A talajminta

származási helye(2)

Talajtípus(3)

1-4. Zalakomár Erdőtalaj eredetű lejtőhordalék talaj

5-8. Heresznye Agyagbemosódásos barna erdőtalaj

9-11. Zalakaros I. Réti talaj

12-15. Zalakaros II.

Agyagbemosódásos barna erdőtalaj

réti hatással

16-19. Vízvár I. Agyagbemosódásos barna erdőtalaj

20-22. Vízvár II. Agyagbemosódásos barna erdőtalaj

42. Százhalombatta Mészlepedékes csernozjom talaj

23. Nagyrécse Agyagbemosódásos barna erdőtalaj

24. Karcag Réti szolonyec talaj

25. Kisújszállás Réti talaj

26-29.

43-44.

Keszthely

Ramann-féle barna erdőtalaj

30-32.

50.

Lovasberény

Mészlepedékes csernozjom talaj

33-36. Magyarszombatfa Pszeudoglejes barna erdőtalaj

45-49. Székesfehérvár Futóhomok talaj

37. Mád bentonit

38. Salföld kvarchomok

39. Füzérradvány illit

40. Zettlitz kaolin

41. Paks lösz

1.: The origin and types of soil samples studied

sample number(1); name of the closest city(2); soil type(3)

2.: A folyadékvisszatartó- és folyadékvezető-képesség

mérésekhez használt folyadékok jellemző tulajdonságai

A folyadékok fizikai és

kémiai tulajdonságai(1)

Desztillált víz(2)

DUNASOL

180/220

Forráspont (oC) (3) 100 179 - 217

Fajlagos tömeg [20 oC]

(g/cm3) (4)

0,998 0,775

Viszkozitás [20 oC] (cP) (5) 1,00 1,91

Aromás összetevők (m/m%)

(6)

0,00 0,00

n-alkánok (%) (7) - 60,3

Cikloalkánok (%) (8)

1 gyűrű

2 gyűrű

3 gyűrű

4 gyűrű

-

25,1 12,0

2,1

0,5

Határfelületi feszültség (fo-

lyadék/levegő) [20 oC] (mN/cm) (9)

72,6 25,0

Határfelületi feszültség (fo-

lyadék/víz) [20 oC] (mN/cm)

(10)

- 45,9

2.: Characteristic physical and chemical properties of the

liquids used in the measurements

physical and chemical properties of the liquids(1); distilled water(2); boiling point(3); density(4); viscosity(5); aromatic compounds(6); n-alkanes(7); cyclic alkanes 1-4 rings(8); inter-facial tension (fluid/air)(9); interfacial tension (oil/water)(10)

ségét számításba vevő) becslő egyenlet alulbecsli a talaj-

minták által visszatartott olajtartalmat a vizsgált nyomás-

tartományban. A mért és a becsült olajtartalmak közötti

eltérést a nagyobb humusztartalmú és aggregálódott tala-

joknál nagyobbnak, míg a kisebb humusztartalmú és szer-

kezet nélküli altalajokban kisebbnek találtuk. Megállapít-

ható volt továbbá, hogy a talajok térfogattömege, humusz-

tartalma, mésztartalma és a mechanikai összetétel vizsgá-

latok eredményei (homok %, por %, agyag %) szoros reg-

ressziós kapcsolatot mutatnak a talajok által visszatartott

olajtartalommal, így elvileg megvan a lehetősége annak,

hogy ezen paraméterek alapján becsülni tudjuk az

olajvisszatartási görbe egyes pontjait.

A talajoszlopok folyadékvezető-képességének vizsgálata

során kapott eredményeket értékelve megállapítható, hogy

a szénhidrogénszennyezés terjedési modellekben az olaj-

vezető-képesség becslésére széleskörűen használt (a hidra-

ulikus vezetőképességet, illetve a talajok pórusrendszerét

kitöltő különböző folyadékfázisok viszkozitási és sűrűség

értékeit figyelembe vevő) egyenlet a tényleges olajvezető-

képességet általában alaposan alulbecsli, az olajvezető-

képesség becslésére nem alkalmas. Kerestük a továbbiak-

ban a mért olajvezető-képesség értékek kapcsolatát a talaj-

tulajdonságokkal, hogy ezzel egy esetleges új becslési

eljárást megalapozzunk. Megállapítottuk, hogy a mechani-

kai összetétel ismeretén túl a talajok összporozitásának

ismerete minden esetben döntő a folyadékvezetés becslése

szempontjából. A talajok kémiai tulajdonságai közül a

humusztartalom, illetve a mésztartalom ismerete kívánatos

a megfelelő pontosságú olajvezető-képesség becslés eléré-

séhez.

A többfázisú folyadékáramlás vizsgálatára végzett folya-

dékvezető-képesség méréseink eredményeit röviden úgy

foglalhatjuk össze, hogy abban az esetben, amikor a min-

tákat először olajjal telítjük, majd ezután történik a vízzel

való telítés (vagyis a víz szorítja ki a pórustérből az olajat),

a minták vízzel mérhető folyadékvezető képessége csök-

ken. A csökkenés üteme az agyagtartalom növekedésével

nő. Abban az esetben viszont, amikor a pórustereket elő-

ször a víz telíti (a szilárd fázist elsőként a víz nedvesíti) és

ezután következik az olajjal történő telítés, a vízkiszorítás-

sal párhuzamosan pórusméret-átrendeződésekkel lép fel:

makropórusok keletkeztek az átszivárgás, vízkiszorítás

során, melyek idővel a minták olajvezető-képességének

nagyságrendekkel való növekedését eredményezik.

Végezetül mind a szerves folyadék közegben végzett ülepí-

téses, mind pedig a kétféle folyadék közegben végzett ned-

ves szitálásos aggregátum-stabilitás vizsgálataink igazol-

ták azt a feltevésünket, hogy jelentős a különbség a víz és

az apoláros szerves folyadékok talajszerkezetre gyakorolt

hatásában. Vizes (poláros) közegben a talajok aggregátu-

mai (az agyagtartalomtól, a humusztartalomtól, illetve a

kicserélhető Na+-tartalomtól függően) különböző mérték-

ben szétiszapolódtak. Apoláros szerves folyadék közegben

viszont nem figyelhető meg ez a szétiszapolódás, majdnem

egészében megmarad az eredeti aggregált szerkezet.

Összefoglaló

Az önálló fázisú szerves folyadékok talajokban történő

vándorlását leíró számítógépes modellek kísérleti adatbá-

zisának bővítése céljából kísérletsorozatot végeztünk,

melyben mértük a talajok folyadékvisszatartó- és folya-

dékvezető-képességét, valamint aggregátumstabilitását

vizes, illetve apoláros szerves folyadék (DUNASOL

180/220) rendszerekben. A vizsgálatokat jellegzetes hazai

talajszelvények különböző genetikai szintjeiből származó

talajmintákon végeztük. Közleményünkben bemutattuk az

alkalmazott módszereket, illetve összefoglaltuk – a szerves

folyadékvisszatartó- és folyadékvezető-képesség becslése

szempontjából – legfontosabb eredményeinket.

Irodalom

BÚZÁS, I. (ed.), 1993. Talaj- és agrokémiai vizsgálati módszerkönyv. 1-2.

INDA Kiadó. Budapest. KLUTE, A., 1986. Water retention: laboratory methods. In: Klute, A. (ed):

Methods of Soil Analysis. Part1. Physical and Mineralogical Methods. 2nd.

Edition. American Society of Agronomy. Madison. Wisconsin. p.635-662. MAKÓ A., 1997.: A talaj szilárd fázisa és a szerves folyadékok kölcsönhatá-

sai. Kandidátusi értekezés. Keszthely.

MAKÓ, A., 1999. Measuring the soil physical parameters of clayey soils using NAPLs. European Geophysical Society XXIV General Assembly The Hague,

Netherlands, 19-23 April 1999. Geophysical Research Abstracts Vol.1. No.2.

p.336. RUBIN, H., NARKIS, N. & CARBERRY, J., 1998. Soil and aquifer pollution.

Non-aqueous phase liquis – Contamination and reclamation. Springer-Verlag.

Berlin. p.412.

MEASURING THE SOIL PHYSICAL PARAME-

TERS OF SOILS USING NON-POLAR ORGANIC

LIQUIDS

Summary

In order to expand the experimental data set of models

describing the movement of organic liquids polluting the

soils, a series of experiments was set up in which the fluid

retention, the fluid conductivity and the aggregate stability

of soils were measured using water and non-polar organic

liquid (DUNASOL 180/220, a non aromatic petroleum

product). The measurements were carried out on disturbed

and/or undisturbed soil samples originated from different

characteristic Hungarian soils.

The presentation shows the applied methodologies and the

mean results of the measurements. There was found that

the commonly used scaling of the water retention and hy-

draulic conductivity data can give in some cases inade-

quate estimation of the non-polar organic liquid retention

and conductivity in the soils. This deviation may be a di-

rect result of clay volume changes and soil aggregation

changes when saturation with different fluids occurs.

We established however that the estimation of non-polar

organic liquid retention and conductivity is realizable us-

ing the easy measurable soil parameters (bulk density,

particle size distribution, lime and humus content).