Физико-химическое моделирование поведения тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd) в природных водах: комплексы в растворе, адсорбция, ионный обмен, баланс потоков, транспортные явления

Физико-химическое моделирование поведения тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd) в природных водах:

комплексы в растворе, адсорбция, ионный обмен, баланс потоков, транспортные явления

Пивоваров Сергей Анатольевич

Институт Экспериментальной Минералогии РАН,

142432 Черноголовка, Московская обл., Россия

e-mail: serg:iem.ac.ru

Краткая аннотация

Работа посвящена численному моделированию поведения тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd) в природных водах. В основном тексте дано описание химических моделей (вместе с базами данных): равновесий макрокомпонентов (H⁺, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^-, SO₄^2-, CO₃^2-) и тяжелых металлов в природных (пресных – морских) водах; взаимодействия тяжелых металлов с органическим веществом, твердым и растворенным; адсорбции ионов на (гидр)оксидах трехвалентного железа; адсорбции и ионного обмена на поверхности глинистых минералов. В работе приведена компиляция экспериментальных данных, на основе которых построена база данных. Проведено согласование свойств модельных сорбционно-активных фаз (гумус, глинистые минералы, (гидр)оксиды трехвалентного железа) с характеристиками природных грунтов (содержание глинистой фракции, органического углерода, железа и алюминия и пр.). Общая модель позволяет производить оценку коэффициентов распределения тяжелых металлов между раствором и природными грунтами. Текст компьютерной программы приведен в приложении. В работе развиты также физические модели таких процессов, как транспорт компонентов в пористых средах и баланс потоков вещества в водоемах. Показаны возможности физико-химического моделирования в изучении баланса тяжелых металлов в водоемах и реках (скорости осаждения, времена пребывания, и пр.), и миграции тяжелых металлов с грунтовыми водами.
ОГЛАВЛЕНИЕ                                                                                    стр.

Введение……………………………………………………………………    3

1. Модель раствора…………………………………………….………….   5

1.1. Равновесия макрокомпонентов………………………………   5

1.2. Неорганическая химия растворов тяжелых металлов…..   9

2. Взаимодействие ионов с гумусовыми веществами ……………….   12

2.1. Общая характеристика гумусовых веществ……………….   12

2.2. Взаимодействие c тяжелыми металлами…………………   13

3. Взаимодействие ионов с (гидр)оксидами железа (III)……………..  20

3.1. Модели адсорбции ионов………………………………………   20

3.2. Общая характеристика (гидр)оксидов железа (III)……….. 25

3.3. Кислотно-основные свойства поверхности………………… 28

3.4. Адсорбция макрокомпонентов………………………………..  36

3.5. Адсорбция тяжелых металлов……………………………….  39

4. Взаимодействие ионов с глинистыми веществами………………… 44

          4.1. Моделирование сорбции на глинах…………………………… 44

4.2. Общая характеристика глинистых минералов……………. 45

          4.3. Адсорбционные и ионобменные свойства…………………… 48

5. Адсорбция тяжелых металлов в природных условиях…………….  59

          5.1. Мировой Океан………………………………………………….  59

          5.2. Озера и промотстойники……………………………………... 62

          5.3. Реки……………………………………………………………….  65

          5.4. Эстуарии рек…………………………………………………….  69

          5.5. Водонасыщенные грунты………………………………………72

Заключение………………………………………………………………….  82

Список литературы………………………………………………………..  83

Приложение. Компьютерная программа АКВАТИКА-2002………… 90

Введение

Основы моделирования распределения тяжелых металлов между твердыми фазами и природными водами были заложены Окли и др. (Oakley et al., 1981). В качестве первого приближения, авторы данной работы выдвинули гипотезу об аддитивности сорбционных свойств отдельных фаз сложных природных сорбентов (принцип аддитивности), и выделили основные фазы, отвечающие за поглощение тяжелых металлов из природных вод: окислы железа и марганца, гумус и глинистые минералы. Ряд авторов отмечают также, что во многих природных обстановках существенную роль могут играть карбонаты (Comans and Middelburg, 1987; Zachara et al., 1991; Van der Weijden et al., 1994) и сульфиды (Jean and Bancroft, 1986; Kornicker and Morse, 1991).

Несмотря на довольно большой срок, и колоссальное количество публикаций, посвященных изучению сорбционных свойств различных фаз, успехи в этом направлении пока невелики. Имеется ряд работ, в которых измеренное распределение тяжелых металлов между раствором и различными природными грунтами предсказывается на основе корреляционного анализа таких факторов как рН, содержание органического вещества, железа, алюминия и пр. (Sigg et al., 1987, 1996; Lee et al., 1996; Christensen et al., 1996, 2000). Существуют также две работы (Oakley et al., 1981; Davies-Colley et al., 1984) в которых распределение тяжелых металлов между морской водой и донными отложениями сравнительно удачно было воспроизведено с помощью коэффициентов распределения, измеренных в лабораторных условиях для модельных фаз. Предсказательная сила подобных моделей, увы, ограничивается условиями проведения эксперимента, поэтому при изменении условий этот подход оказывается совершенно беспомощным. На сегодняшний день существует пока единственная работа, в которой предпринята уверенная попытка термодинамического моделирования поведения рассеянных элементов в природе (Lofts and Tipping, 1998).  Между тем, модель Лофтса и Типпинга очень сложна (включает в себя избыточное число модельных параметров), и она не включает в себя параметры взаимодействия с некоторыми важными макрокомпонентами природных вод, в частности, с карбонатом и сульфатом.