Физико-химическое моделирование поведения тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd) в природных водах: комплексы в растворе, адсорбция, ионный обмен, баланс потоков, транспортные явления, страница 9

Рис. 5. Верхняя панель. Адсорбция меди, цинка и кадмия на целлюлозе. Нижняя панель. Адсорбция кадмия на двух почвах штата Нью-Джерси (США).

На рис. 5 (верхняя панель) показаны данные по адсорбции меди тяжелых металлов на растительной клетчатке (Ravat et al., 2000a, 2000b). Данные были воспроизведены с помощью той же модели, что и для растворенного органического вещества, с той разницей, что константы равновесий были уменьшены в 5 раз для меди и в 3 раза для кадмия и цинка. Сорбционная емкость растительной клетчатки в данном случае составила 0.3 ммоль/г.

На нижней панели Рис. 5 показаны данные по адсорбции кадмия на двух различных образцах почвы (Lee et al., 1996). Образец почвы из округа Бунтон Юнион имеет довольно высокое содержание органического вещества, поэтому данные довольно точно воспроизводятся без учета сорбции на оксидах и глинистых минералах. Напротив, для того, чтобы воспроизвести данные по сорбции на суглинке из Фрихолда приведенных выше данных явно недостаточно. Общая сорбционная емкость твердого гумуса, так же как и растворенного, составляет 1 ммоль/г. Параметры взаимодействия тяжелых металлов с растворенным и твердым органическим веществом приведены в Табл. 4.

Таблица 4. Параметры взаимодействия тяжелых металлов (25^oC, 1 Атм)

Твердое органическое вещество
Равновесие	lgKoMeL
Cu2+ + HLs           ó CuLs+ + H+ Cu2+ + HLw          ó CuLw+ + H+	0.6 -1.0
Zn2+ + HLs           ó ZnLs+ + 0.65H+ Zn2+ + HLw          ó ZnLw+ + 0.65H+	1.1 -0.5
Cd2+ + HLs           ó CdLs+ + 0.65H+ Cd2+ + HLw          ó CdLw+ + 0.65H+	1.1 -0.5
Растворенное органическое вещество
Равновесие	lgKoMeL
Cu2+ + HLs           ó CuLs+ + H+ Cu2+ + HLw          ó CuLw+ + H+	1.3 -0.3
Zn2+ + HLs           ó ZnLs+ + 0.65H+ Zn2+ + HLw          ó ZnLw+ + 0.65H+	1.6 0.0
Cd2+ + HLs           ó CdLs+ + 0.65H+ Cd2+ + HLw          ó CdLw+ + 0.65H+	1.6 0.0
Количество молей HLs и HLw
[HLs] = 0.0002 · OM = 0.0004 · OC [HLw] = 0.0008 · OM = 0.0016 · OC здесь OM – органическое вещество, OC – органический углерод (граммы)
Поправка на жесткость и ионную силу
lgKøMeL = lgKoMeL + lg{(1+0.2[Ca+Mg] ∙ KøCaHL)/(1+[Ca+Mg] ∙ KøCaHL)} – 2 ∙ D lgKøCaHL = 4.0 - 4 ∙ D   (D – см уравнение [4])

На рис. 6 показано распределение свободных ионов Me²⁺, комплексов с неорганическими лигандами MeIn, и комплексов с растворенными органическими веществами MeOrg в пресных и морских водах. В пресной воде при рН 8 в присутствие 10 мг/л растворенного органического вещества доля свободных ионов меди, цинка и кадмия снижается в 80, 5.1 и 4.5 раз соответственно, и органические комплексы становятся доминирующей формой тяжелых металлов (98.7 % меди, 78.0 % цинка и 80.5 % кадмия). В этих условиях, доля свободных ионов Me²⁺ составляет 0.071 % меди, 17.4 % цинка и 17.9 % кадмия.

Вблизи эстуариев рек морская вода обычно обогащается органическим веществом до концентраций порядка 5 мг/л. В этих условиях на долю органических комплексов приходится 96.2 % меди, 27.5 % цинка и 2.0 % кадмия. Доля свободных ионов составляет, соответственно, 0.77 % (Cu²⁺), 59.6 % (Zn²⁺) и 4.3 % (Cd²⁺). В целом, при смешении вод наблюдается увеличение доли свободных ионов меди в 10.8 раз и цинка в 3.4 раза. Доля свободных ионов кадмия, напротив, падает в 4.2 раза. Соответственно, активность меди увеличиваются в 1.93 раза, а активность цинка и кадмия падает, соответственно, в 1.64 и 23.3 раза.

                   РЕЧНАЯ ВОДА                                            МОРСКАЯ ВОДА

 

 

В водах открытого океана концентрация растворенных органических веществ снижается до 1 мг/л, поэтому доля органических комплексов остается значительной только для меди (83.6 %), тогда как для цинка (7.1 %) и кадмия (0.4 %) несущественна.

Рис. 6. Распределение свободных ионов Me2+, комплексов с растворенным органическим веществом MeOrg, и комплексов с неорганическими лигандами MeIn в речной (слева) и морской (справа) воде.