Влияние различных синтетических смол на нано- и микроструктуру почвы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Применение синтетических и натуральных смол при закреплении органо-минерального вещества для дальнейших исследований встречается повсеместно, например, при микроморфологическом исследовании почв, так как процедура изготовления шлифов включает в себя пропитывание образца заполнителями. При этом до сегодняшнего дня не было известно об их воздействии на почвенную структуру. В статье впервые поставлен эксперимент по изучению влияния синтетических и натуральных смол на нано-и микроструктуру почвы при пропитывании. С использованием методов малоуглового рентгеновского рассеяния и компьютерной томографии получены первые данные о характеристиках часто применяемых в лабораториях смол, а также об их воздействии на структуру почвенных образцов. Выявлена рентгеновская “прозрачность” материалов-закрепителей. Последующая пропитка ими фракции горизонта AU чернозема типичного Курской области (Haplic Chernozems) позволила установить влияние закрепителя на изменение размера наноструктурных неоднородностей почвы. Эксперимент с разными горизонтами солонца каштанового мелкого каштановой солонцеватой почвы (Protosalic Solonetz) позволил установить увеличение размера нанонеоднородностей с глубиной в тренде нативной почвы по отношению к тренду пропитанной. На микроуровне доказано уменьшение микропористости в пределах первых процентов после полимеризации закрепителя. В результате исследований нанонеоднородностей в почве экспериментально подобраны параметры съемки на станции БиоМУР Курчатовского источника синхротронного излучения. Наноструктура почвенных монолитов и отдельных фракций на этой станции исследованы впервые. Приведенные результаты могут быть использованы при пробоподготовке и дальнейшем анализе органо-минеральных объектов (почва, порода, грунт) для ряда исследований, требующих закрепления структуры вещества на разных размерных уровнях.

Об авторах

Р. Э. Мусаэлян

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Автор, ответственный за переписку.
Email: romaniero1@gmail.com
Россия, Москва

К. Н. Абросимов

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: romaniero1@gmail.com
Россия, Москва

К. А. Романенко

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: romaniero1@gmail.com
Россия, Москва

Список литературы

  1. Абросимов К.Н., Герке К.Н., Семенков И.Н., и Корост Д.В. Применения алгоритма Оцу при сегментации порового пространства почв по томографическим данным // Почвоведение. 2021. № 4. С. 475–488. http s: //d o i.o rg/10.31857/ S 0032180 X 21040031
  2. Бернштейн П.С., Буняк Н.Д. Пропитка заготовок для изготовления безрельефных аншлифов составами на основе сингенетических смол и монтирование их в стандартные шашки // Тр. ЦНИГРИ цвет. и благород. металлов. 1974. № 142. С. 3–47.
  3. Калинин Т.Г., Ивонин Д., Абросимов К.Н, Грачев Е.А., Сорокина Н.В. Анализ томографических изображений структуры порового пространства почв методами интегральной геометрии // Почвоведение. 2021. № 9. С. 1113–1123. https://doi.org/10.31857/ S 0032180 X 21090033
  4. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
  5. Классификация и диагностика почв СССР. М.: Колос, 1977. 224 с.
  6. Коненко В.Ф. Методика изготовления прозрачных препаратов для исследования на микрозонде // Минералогия и петрохимия интрузивных комплексов Сибири. Новосибирск: Наука, 1982, 156 с.
  7. Лебедева М.П., Плотникова О.О., Чурилин Н.А., Романис Т.В., Шишков В.А. Влияние состава и свойств хвалынских отложений на эволюцию почв Волго-Уральского междуречья (по результатам минералогических и микроморфологических исследований) // Геоморфология. 2022. № 53. С. 48–59. https://doi.org/10.31857/ S 0435428122050091
  8. Михайленко Ю. В. Изготовление прозрачных и полированных шлифов. Методические указания. Ухта: УГТУ, 2012. 43 с.
  9. Мусаэлян Р.Э. Связь между данными малоуглового рентгеновского рассеяния и рентгеновской дифракции при определении минерального состава солонца (Джаныбекский стационар) // Глины и глинистые минералы – 2023. VI Рос. c ов. по глинам и глинистым минералам “ГЛИНЫ-2023”. СПб., 13–16 июня 2023 г. М.: ИГЕМ РАН, 2023. 232 с.
  10. Полевой определитель почв России. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2008. 182 с.
  11. Роде А.А., Польский М.Н. Почвы Джаныбекского стационара, их морфологическое строение, механический и химический состав и физические свойства // Почвы полупустыни Северо-Западного Прикаспия и их мелиорация. 1961. Т. 56. С. 3–214.
  12. Хитров Н.Б., Герасимова М.И. Диагностические горизонты в классификации почв России: версия 2021 г. // Почвоведение. 2021. № 8. С. 899–910. https://doi.org/0.31857/S0032180X22010087
  13. Хитров Н.Б., Герасимова М.И. Предлагаемые изменения в классификации почв России: диагностические признаки и почвообразующие породы // Почвоведение. 2022. № 1. С. 3–14. https://doi.org/10.31857/S0032180X22010087
  14. Bahadur J., Radlinski A.P., Melnichenko Y.B., Mastalerz M., Schimmelmann A. Small-angle and ultrasmall-angle neutron scattering (SANS/USANS) study of New Albany shale: a treatise on microporosity // Energy Fuels. 2015. V. 29. P. 567–576. https://doi.org/10.1021/ef502211w
  15. Bendle J., Palmer A., Carr S. A comparison of micro-CT and thin section analysis of Lateglacial glaciolacustrine varves from Glen Roy, Scotland // Quarter. Sci. Rev. 2015. P. 114. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2015.02.008
  16. Neil C.W., Hjelm R.P., Hawley M.E., Watkins E.B., Cockreham C., Wu D., Mao Y. Probing oil recovery in shale nanopores with small-angle and ultra-small-angle neutron scattering // Int.J. Coal Geology. 2022. V. 253. P. 103950. https://doi.org/10.1016/j.coal.2022.103950
  17. Elliot T., Heck R. A comparison of optical and X-ray CT technique for void analysis in soil thin section // Geoderma. 2007. V. 141. P. 60–70. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2007.05.001.
  18. Fomin D.S., Yudina A.V., Romanenko K.A., Abrosimov K.N., Karsanina M.V., Gerke K.M. Soil pore structure dynamics under steady-state wetting-drying cycle // Geoderma. 2023. V. 432. P. 116401. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2023.116401
  19. Fomin D., Timofeeva M., Ovchinnikova O., Valdes-Korovkin I., Holub A., Yudina A. Energy-Based Indicators of Soil Structure by Automatic Dry Sieving // Soil Till. Res. 2021. V. 214. P. 105183. https://doi.org/10.1016/j.still.2021.105183
  20. Ganyushkin D., Lessovaia S., Vlasov D., Kopitsa, G., Almásy L., Chistyakov K., Panova E. Application of Rock Weathering and Colonization by Biota for the Relative Dating of Moraines from the Arid Part of the Russian Altai Mountains // Geosciences (Switzerland). 2021. V. 11(8). P. 342. https://doi.org/10.3390/geosciences11080342
  21. Greenland D.J. Soil damage by intensive arable cultivation: temporary or permanent? // Phil. Trans. Royal Soc. 1977. V. 281. P. 193–208.
  22. Hammersley A.P. FIT2D: a multi-purpose data reduction, analysis and visualization program // J. Appl. Crystallogr. 2016. V. 49. P. 646–652. https://doi.org/10.1107/S1600576716000455
  23. Hildebrand T., Ruegsegger P. A new method for the model independent assessment of thickness in three dimensional images // J. Microsc. 1997. V. 185. P. 67–75. https://doi.org/10.1046/j.1365-2818.1997.1340694.x
  24. IUSS Working Group WRB 2015 World Reference Base for Soil Resources 2014, update 2015 International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps / World Soil Resources Reports no 106. Rome: FAO. 2015.
  25. Konarev P.V., Volkov V.V., Sokolova A.V., Koch M.H.J., Svergun D.I. PRIMUS: a Windows PC-based system for small-angle scattering data analysis // J. Appl. Crystallogr. 2003. V. 36. P. 1277–1282. https://doi.org/10.1107/S0021889803012779
  26. Lebedeva M.P., Golovanov D.L., Abrosimov K.N. Micromorphological diagnostics of pedogenetic, eolian, and colluvial processes from data on the fabrics of crusty horizons in differently aged extremely aridic soils of Mongolia // Quarter. Int. 2016. V. 418. P. 75–83. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2015.12.042
  27. Lessovaia S.N., Gerrits R., Gorbushina A.A., Polekhovsky Y.S., Dultz S., Kopitsa G.G. Modeling Biogenic Weathering of Rocks from Soils of Cold Environments // Processes and Phenomena on the Boundary Between Biogenic and Abiogenic Nature. Lecture Notes in Earth System Sciences. 2020. V. 789. P. 501–515. https://doi.org/10.1007/978-3-030-21614-6_27
  28. Lessovaia S., Plötze M., Inozemzev S., Goryachkin S. Traprock transformation into clayey materials in soil environments of the Central Siberian Plateau, Russia // Clays and Clay Minerals. 2016. V. 64. P. 668–676. https://doi.org/10.1346/CCMN.2016.064042
  29. Haili L., Anneleen F., Julie D., Bart P., Swennen R. X-ray high resolution micro-CT of thin sections: A new calibration approach between classical // EGU General Assembly Conference Abstracts. 2009.
  30. Mady A.Y., Shein E.V., Abrosimov K.N., Skvortsova E.B. X-ray computed tomography: Validation of the effect of pore size and its connectivity on saturated hydraulic conductivity // Soil Environ. 2021. V. 40. P. 1–8. https://doi.org/10.25252/SE/2021/182420
  31. Mady A.Y., Shein E.V., Skvortsova E.B., Abrosimov K.N. Evaluate the impact of porous media structure on soil thermal parameters using x-ray computed tomography // Eurasian Soil Science. 2020. V. 53. P. 1752–1759. https://doi.org/10.1134/S1064229320120066
  32. Nguyen T.X, Bhatia S.K. Characterization of accessible and inaccessible pores in microporous carbons by a combination of adsorption and small angle neutron scattering // Carbon. 2012. V. 50. P. 3045–54. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2012.02.091
  33. Peters G.S., Zakharchenko O.A., Konarev P.V., Karmazikov Y.V., Smirnov M.A., Zabelin A.V., Mukhamedzhanov E.H. The small-angle X-ray scattering beamline BioMUR at the Kurchatov synchrotron radiation source // Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. A Accel. Spectrometers, Detect. Assoc. Equip. 2019. V. 945. P. 162616. https://doi.org/10.1016/J.NIMA.2019.162616
  34. Peters G.S., Gaponov Y.A., Konarev P. V., Marchenkova M.A., Ilina K.B., Volkov V. V., Pisarevsky Y. V. Upgrade of the BioMUR beamline at the Kurchatov synchrotron radiation source for serial small-angle X-ray scattering experiments in solutions // Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. A Accel. Spectrometers, Detect. Assoc. Equip. 2022.V. 1025. P. 166170. https://doi.org/10.1016/J.NIMA.2021.166170
  35. Plotnikova O., Romanis T., Kust P. Comparison of digital image analysis methods for morphometric characterization of soil aggregates in thin sections // Dokuchaev Soil Bulletin. 2020. V. 104. P. 199–222. h ttps://doi.org/10.19047/0136-1694-2020-104-199-222
  36. Radlinski A.P, Radlinska E.Z. The microstructure of pore space in coals of different rank: a small angle scattering and SEM study // Coalbed methane: scientific, environmental and economic evaluation / Eds. Mastalerz M. et al. Dordrecht, 1999. P. 329–365. https://doi.org/10.1007/978-94-017-1062-6_20
  37. Remy E., Thiel E. Medial axis for chamfer distances: computing look-up tables and neighbourhoods in 2D or 3D // Pattern Recognition Lett. 2002. V. 23. P. 649–661. https://doi.org/10.1016/S0167-8655(01)00141-6
  38. Ruppert L.F., Sakurovs R., Blach T.P., He L., Melnichenko Y.B., Mildner D.F.R., Alcantar-Lopez L. A USANS/SANS Study of the Accessibility of Pores in the Barnett Shale to Methane and Water // Energy and Fuels. 2013. V. 27. P. 772–779. https://doi.org/10.1021/EF301859S
  39. Stirck G.B. Some aspects of soil shrinkage and effect of cracking upon water entry into the soils // Austr. J. Agric. Res. 1954. P. 279-296. https://doi.org/10.1071/AR9540279
  40. Svergun D.I. Determination of the regularization parameter in indirect-transform methods using perceptual criteria // J. Appl. Crystallogr. 1992. V. 25. P. 495–503. https://doi.org/10.1107/S0021889892001663
  41. Tsukimura K., Miyoshi Y., Takagi T., Suzuki M., Wada S. Amorphous nanoparticles in clays, soils and marine sediments analyzed with a small angle X-ray scattering (SAXS) method // Scientific Rep. 2021. V. 11. https://doi.org/10.1038/s41598-021-86573-9
  42. Ulrich D, van Rietbergen B, Laib A, Rüegsegger P The ability of three-dimensional structural indices to reflect mechanical aspects of trabecular bone // Bone. 1999. V. 25. P. 55–60. https://doi.org/10.1016/s8756-3282(99)00098-8
  43. Volkov V.V., Konarev P.V., Kryukova A.E. Combined Scheme of Reconstruction of the Particle Size Distribution Function Using Small-Angle Scattering Data // JETP Lett. 2021. V. 1129. P. 591–595. https://doi.org/10.1134/S0021364020210110
  44. Young I.T., Gerbrands J.J., van Vliet L.J. Fundamentals of Image Processing. 2004. P. 112.
  45. Zhao J., Jin Zhijun, Hu Q., Jin Zhenkui, Barber T.J., Zhang Y., Bleuel M. Integrating SANS and fluid-invasion methods to characterize pore structure of typical American shale oil reservoirs // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 1–16. https://doi.org/10.1038/S41598-017-15362-0

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. 3D-регистрация (точное совмещение) двух стеков томографических данных – образцов почвы до (более тусклое изображение) и после заливки эпоксидной смолой. Область совмещения, она же зона расчета объемных показателей, более светлая на вертикальном (верхний ряд) и горизонтальном (нижний ряд) срезах. Слева направо: а – горизонт SEL с признаками AKL (разрез 1-22МПЛ), b – BSN (размер 2-22МПЛ), c – BIq (разрез 4-22МПЛ). Цветные линии на изображении – технические оси совмещения стеков и границы условной области автоматического сопоставления двух стеков, из них синие и зеленые линии – вертикальные сечения через центр структуры, красные горизонтальные – расположение горизонтального среза, представленного в нижнем ряду

Скачать (795KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Блок-схема проведения эксперимента по оценке влияния заполнителя на характер порового пространства почвы с использованием МУРР и КТ методов

Скачать (656KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Функции распределения парных расстояний P(R) образцов из табл. 2 и воздуха (9 на легенде), полученные по данным о размерах неоднородностей. Данные о размерах неоднородностей получены интегрированием одномерных кривых МУРР в PRIMUS. R – размер неоднородностей, нм

Скачать (930KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024