Гигроскопическая влажность как показатель дисперсности почвы: термодинамическое обоснование и экспериментальная проверка

Аннотация

Адсорбционные свойства дисперсных систем определяются их поверхностной энергией, поэтому показатели гигроскопической влажности (содержания адсорбированной воды) и дисперсности (удельной поверхности твердой фазы) почв и грунтов находятся в тесной взаимной корреляции. Этот хорошо известный эмпирический факт получил новую фундаментальную трактовку на основе теории расклинивающего давления воды по Дерягину в форме термодинамического уравнения, связывающего удельную поверхность, гигроскопическую влажность почвенных образцов и относительную влажность воздуха в помещении для их сушки. Теоретическое уравнение позволило обосновать методику количественной оценки гидрофильной удельной поверхности почвенных образцов по широко распространенным данным об их гигроскопической влажности. Сопоставление нового метода со стандартным БЭТ-анализом удельной поверхности, а также с предложенным ранее физически обоснованным способом ее определения по наклону термодинамических кривых водоудерживания показало их статистически достоверное совпадение в широком диапазоне оцениваемой величины удельной поверхности от 5 до 340 м²×г^-1 для почвенных образцов разного генезиса и дисперсности.

Литература

1.           Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М., 1973.

2.           Воронин А.Д. Основы физики почв. М., 1986.

3.           Колоскова А.В., Гилязова С.М. Поверхностные свойства основных типов почв ТАССР и их высокодисперсных фракций // Почвоведение. 1977. № 5.

4.           Роде А.А. Избранные труды. Т. 3. Основы учения о почвенной влаге. М., 2008.

5.           Судницын И.И. Новые методы оценки водно-физических свойств почв и влагообеспеченности леса. М., 1966.

6.           Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М., 1982.

7.           Arthur E., Tulle M., Moldrup P. et al. Soil specific surface area and non-singularity of soil-water retention at low saturations // Soil Sci. Soc. of Am. J. 2013. Vol. 77. https://doi.org/10.2136/sssaj2012.0262

8.           Arthur E., Tuller M., Moldrup P. et al. Evaluation of a fully automated analyzer for rapid measurement of water vapor sorption isotherms for applications in soil science // Soil Sci. Soc. Am. J. 2014. Vol. 78. https://doi.org/10.2136/sssaj2013.11.0481n

9.           Campbell G.S.; Shiozawa S. Prediction of hydraulic properties of soils using particle-size distribution and bulk density data // Eds. van Genuchten M.Th. et al. Proceedings of the International Workshop on Indirect Methods for Estimating the Hydraulic Properties of Unsaturated Soils. 1994. University of California, Riverside, CA.

10.        Carotenuto A., Dell'Isola M. An experimental verification of saturated salt solution-based humidity fixed points // Int. J. Thermophys. 1996. Vol. 17(6). https://doi.org/10.1007/BF01438677

11.        Gregg S.J., Sing K.S.W. Adsorption, Surface Area and Porosity, 2nd ed. San Diego, USA, 1982.

12.        ISO 9277:2022. Determination of the specific surface area of solids by gas adsorption — BET method. Available online: https://www.iso.org/standard/71014.html (accessed on 13 Sept. 2023).

13.        Resurreccion A.C., Moldrup P., Tuller M. et al. Relationship between specific surface area and the dry end of the water retention curve for soils with varying clay and organic carbon contents // Water Resour. Res. 2011. Vol. 47. https://doi.org/10.1029/2010WR010229

14.        Schneider M., Goss K.U. Prediction of the water sorption isotherm in air dry soils // Geoderma. 2012. Vol. 170. http://doi.org/10.1016/j.geoderma.2011.10.008

15.        Sing K. The use of nitrogen adsorption for the characterization of porous materials // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2001. Vol. 187–188. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(01)00612-4

16.        Smagin A.V. Physically based mathematical models of the water vapor sorption by soils // Eurasian Soil Science. 2011. Vol. 44 (6). https://doi.org/10.1134/S1064229311060135

17.        Smagin A.V. Thermogravimetric determination of specific surface area for soil colloids. Colloid J. 2016. Vol. 78. https://doi.org/10.1134/S1061933X16030170.

18.        Smagin A.V. About thermodynamic theory of water retention capacity and dispersity of soils // Eurasian Soil Science. 2018. Vol. 51(7). https://doi.org/10.1134/S1064229318070098

19.        Terzaghi K., Peck R. Soil Mechanics in Engineering Practice. New York, 1948.

20.        Wuddivira M.N., Robinson D.A., Lebron I. et al. Estimation of soil clay content from hygroscopic water content measurements // Soil Sci. Soc. Am. J. 2012. Vol. 76(5). https://doi.org/10.2136/sssaj2012.0034

21.        Yan F., Tuller M., de Jonge L.W. et al. Specific surface area of soils with different clay mineralogy can be estimated from a single hygroscopic water content // Geoderma. 2023. Vol. 438. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2023.116614