ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Почвогрунты активно взаимодействуют с подземными сооружениями (трубопроводами, фундаментами и т.п.), промышленными и бытовыми отходами, корнями растений, микроорганизмами и приземной атмосферой. Это взаимодействие может иметь прямое или косвенное воздействие. Наибольшие значения имеют коррозия подземных сооружений, аккумуляция вредных веществ, влияние на качество сельскохозяйственной продукции, скорость процессов разложения и нейтрализации отходов производства при их захоронении в землю. Очевидно, что для этих экологически важных процессов большую роль имеют показатели энергетических потенциалов грунтов.

Известен целый ряд потенциалов многофазных систем, которые можно применить к рассматриваемой системе.

1. Электрокинетический потенциал j_к (потенциал диффузионной части двойного электрического слоя на границе фаз).

2. Диффузный потенциал j_д, определяемый разностью концентраций на поверхности раздела.

3. Адсорбционный потенциал j_а (представляет собой дифференциальную работу против адсорбционных сил.

4. Капиллярный потенциал Р (определяет давление всасывания влаги.

5. Температурный потенциал определяется разностью dТ температур ближайших слоев с термоперемещением влаги к более холодному слою.

Во влажном грунте, как электролите, при контакте с другой средой (например, металлической поверхностью), возникает электрический потенциал dj. При наличии двух металлических электродов (М ₁ и М ₂), где j₁, j₂ - электрические потенциалы на границе металлических электродов и грунта. Эти потенциалы связаны со стандартным электродным потенциалом j_ст (табличные значения j_ст = +2…-3 тв для наиболее распространенных металлов) и отражают ионообменный комплекс поверхностей грунтовых частиц, окислительно-восстановительные реакции на границе фаз, состав поровой влаги. Таким образом, dj зависит от потенциалов j_к, j_д, j_а. Капиллярное давление Р определяется поверхностным натяжением влаги на частицах грунтов, которое в соответствии с уравнениями Липпмана зависит (до некоторого предела) от электрического потенциала на границе фаз. Применительно к реальным условиям для почвогрунтов наибольшее значение имеют электрический, температурный и капиллярный потенциалы. В соответствии с этим возможное изменение энергии грунта, как гетерогенной системы имеет вид:

dЭ = qdj + р dv - sdТ = Э ₁ + Э ₂ + Э ₃,

где q - количество электричества в системе; dv - приращение объема; s - энтропия.

Для влажных глинистых пород существенное практическое значение приобретает адгезионно-когезионный потенциал, под которым можно понимать удельную силу адгезии (или когезии) для разъединения единицы поверхности между грунтом и другим телом (Р _а) или между параллельными слоями грунта (Р _к). Этот потенциал имеет размерность капиллярного потенциала и отражает затраты энергии на деформацию единичного массива грунта. Величина Р _а(к) определяется суммой ионоэлектростатического , молекулярного и капиллярного взаимодействий двух разъединяемых фаз. Таким образом, при маломеняющейся температуре электрический потенциал может быть основным энергетическим показателем влажных почвогрунтов в указанном выше взаимодействии для пластичной консистенции (при индексе текучести 0 Јj. Ј 1). Истинная величина электрического потенциала на границе грунт - контактная поверхность экспериментально неопределима. Поэтому предлагается измерять разность потенциалов dj и изменение тока i в электрической ячейке электрод 1 - грунт - электрод 2 в зависимости от времени и влажности w глинистых грунтов. Опытные зависимости i = f (t) дают возможность оценить количество электричества в данном объеме q = тidt за фиксированное время t=20-30 часов. Все это, хотя и не дает абсолютных значений энергетических характеристик, но зато достаточно просто позволяет определить относительные (в определенном отношении косвенные) показатели возможной энергетической активности почвогрунтов, имеющих важное значение в протекании процессов, связанных с оценкой экологической обстановки среды.

Ориентировочная оценка энергетического потенциала связных почвогрунтов (типа суглинков) дает следующие показатели при 0,2 < j=""><0,8 для="" положительной="" температуры="" dj="0,1" -="" 0,6="" в,="" dq="50" -="" 600="" к,="" dр="5" -="" 25="" кн/м="">², Р _а = 3 - 8 кН/м ². Если принять грунт с радиусами пор r = 10 ^-5 м, коэффициент пористости b = 0,5 высота капиллярного поднятия h = 1 м, q = 100 К/см ³, dj = 0,3 В, то получим расчетные величины энергий (возможные затраты работы системы):

Э ₂ = dр v = (100 ё300) х 10 ³ Н/м

Э ₁ = qdj= (50ё100) х 10 ³ Н/м (за 5-10 часов).

Работа адгезии по опытам составляет Э _а = (1-3) Н/м. Интересно сопоставить величину электроосмотической энергии при выделении пленочной влаги (уменьшающей адгезию грунта к металлу в 5-8 раз). Это энергия составляет Э _э = (2-5) х 10 ³ Н/м, что близко к Э _а. Тепловая энергия может быть оценена по кинетической энергии молекул воды. Это величина (при 20°С) составляет 40 Дж/см ³. Для слоя грунта толщиной 10 ^-3 м энергия Е _э=40х10 ³ Н/м. С учетом связности воды можно полагать, что общая тепловая энергия поровой влаги в контактном слое 1 мм составляет Э _т=(10-30)х10 ³ Н/м. Расчеты показали, что для энергетической характеристики грунтов наиболее важно определение капиллярного, электрического и адгезионного потенциалов. При этом dj и Р _а наиболее полно отражают способность грунтов к активным взаимодействиям с окружающей средой, антропогенными сооружениями и отходами производства, что имеет важное экологическое значение.