Физико-химическое моделирование поведения тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd) в природных водах: комплексы в растворе, адсорбция, ионный обмен, баланс потоков, транспортные явления, страница 2

Между тем, в современной геохимии накоплен значительный фактический материал по поведению микроэлементов в природных экосистемах. Сложности в применении термодинамического моделирования к описанию подобных данных связаны сразу с несколькими обстоятельствами. Во-первых, общепринятая теория сорбционных равновесий пока отсутствует, во-вторых, не вполне ясно, как отождествлять сорбционные свойства фаз, изучаемых в лаборатории с природными фазами, в третьих,  до сих пор не вполне понятно, какие параметры следует измерять в полевых условиях, чтобы полученные данные можно было бы интерпретировать и использовать для предсказания развития ситуации. Помимо этого, настоящая работа имеет большое прикладное значение в области экологической технологии.

Настоящая работа охватывает теории растворов электролитов, адсорбции и ионного обмена, транспортных явлений и баланса потоков вещества. В качестве микроэлементов, на примере которых рассмотрен данный круг вопросов, были выбраны кадмий, цинк и медь. Причиной такого выбора является то, что эти элементы встречаются в природе почти исключительно в двухвалентном состоянии, а также и то, что для этих элементов имеются все данные, необходимые для соответствующих расчетов.

Целью работы является разработка модели, позволяющей производить расчет коэффициентов распределения тяжелых металлов между природными водами и осадками, калибровка модели по экспериментальным данным, и применение модели к расчету транспорта тяжелых металлов с грунтовыми водами и решению задач по балансу потоков компонентов в водоемах.

Глава 1. Модель раствора

1.1. Равновесия макрокомпонентов 

Таблица 1. Средние содержания макрокомпонентов и тяжелых металлов в морской и речной воде. Компонент Морская вода1, моль/кг Речная вода2, моль/кг Na+ 0.470 0.00022 K+ 0.0100 0.000033 Mg2+ 0.0531 0.00014 Ca2+ 0.0103 0.00033 Cl- 0.547 0.00016 SO42- 0.0282 0.000086 CO2 0.00233 0.00085 Cu 3.3 · 10-9 24 · 10-9 Zn 4.9 · 10-9 9.2 · 10-9 Cd 0.71 · 10-9 0.09 ·10-9 1. Макрокомпоненты по Браунлоу, 1984; тяжелые металлы по Whitfield and Turner, 1987 2. Макрокомпоненты по Meybeck, 1979; тяжелые металлы по Martin and Windom, 1991

В Табл. 1 приведены средние макросоставы природ-ных вод. Значительная часть солевых компонентов поступает в речную воду с аэрозолями морских солей, а также при растворении карбонатных пород и эвапоритов. Однако основным источником растворенных солей в природных водах является выветривание силикатных пород. При растворении силикатов в воде силикат ион гидролизуется до кремниевой кислоты

CaSiO₃ ó Ca²⁺ + SiO₃^2- + 2H₂O ó Ca²⁺ + H₂SiO₃ + 2OH^-                                     [1]

а образующаяся щелочь нейтрализуется атмосферной углекислотой:

Ca²⁺ + 2OH^- + 2CO₂(газ) ó Ca²⁺ + 2HCO₃^-                                                             [2]

В результате речные воды имеют преимущественно карбонатный состав.

В морской воде солевые компоненты концентрируются, однако, карбонат весьма быстро выводится путем отложения кальцита и обмена с атмосферой. Из анионов наибольшее время пребывания в океане имеет хлорид, который и определяет анионный состав морских вод. Следует заметить, что состав океана остается практически неизменным. Так, максимальные времена пребывания солевых компонентов оцениваются лишь в 100 млн. лет, поэтому состав океана уже давным-давно должен был прийти в стационарное состояние.