Dirvožemiai, nuosėdos, adsorbcija ir geocheminė pernaša

Dirvožemio komponentas gali būti keliose fazėse

Dirvožemio ar nuosėdų sistemoje gali būti mineralinių kietųjų medžiagų, organinės medžiagos, porų vandens ir dujų. Komponentas gali būti ištirpęs, sorbuotas, nusodintas ar susijęs su atskira faze. Nurodykite cheminę formą ir kiekio pagrindą, naudojamą medžiagų apskaitoje.

Kietosios fazės koncentracijos sausosios masės vienetui ir ištirpusios medžiagos koncentracijos vandens tūrio vienetui negalima palyginti be atitinkamos masės bei tūrio. Drėgnoji masė, sausoji masė ir porų vandens tūris yra skirtingi vardikliai.

Sorbcija perskirsto medžiagų kiekį ir gali uždelsti modelio frontą

Originaliam uždaram pusiausvyros modeliui nurodykite bendrą simbolinio komponento kiekį 0.880 mg, vandens tūrį 0.220 L ir sauso dirvožemio masę 0.0600 kg. Priskirkite grįžtamąjį tiesinį ryšį S=K_d C_w su K_d=5.40 L kg⁻¹, kur S išreikštas mg kg⁻¹ sauso dirvožemio, o C_w – mg L⁻¹ vandens. Neįtraukiama jokia transformacija ar kita fazė.

Bendras balansas yra m_total=C_w(V_w+K_d m_soil). Jo efektyvusis tūris yra 0.544 L, todėl C_w=1.61764706 mg L⁻¹ ir S=8.73529412 mg kg⁻¹. Vandenyje ir kietojoje fazėje yra 0.355882353 ir 0.524117647 mg; jų suma yra 0.880 mg. Sorbuotos medžiagos koncentracija sausosios masės vienetui tiesiogiai nepalyginama su ištirpusios medžiagos koncentracija tūrio vienetui.

Įpilkite 0.220 L švaraus vandens, išlaikykite visą komponentą bei kietąsias medžiagas ir leiskite tam pačiam sąlyginiam modeliui vėl pasiekti pusiausvyrą. Kai V_w=0.440 L, C_w=1.15183246 mg L⁻¹ ir S=6.21989529 mg kg⁻¹. Kiekiai vandenyje ir kietojoje fazėje tampa 0.506806283 ir 0.373193717 mg. Mažesnę koncentraciją vandenyje lydi didesnis ištirpęs kiekis; bendras medžiagos balansas vis tiek tenkinamas.

Atskiram prisotintam vienalyčiam vienmačiam idealiojo pernašos fronto modeliui nurodykite sauso dirvožemio tūrinį tankį ρ_b=1.55 kg L⁻¹ bendro tūrio, vandeniu užpildytą poringumą φ=0.310 ir K_d=0.850 L kg⁻¹. Tarkime, vietinė grįžtamoji tiesinė sorbcija yra momentinė, nėra dispersijos, skilimo ar preferencinio tekėjimo. Sulėtėjimo koeficientas yra R_f=1+ρ_bK_d/φ=5.25.

Nurodykite Darcy srautą q_D=0.0620 m day⁻¹ ir kelio ilgį 8.40 m. Porų vandens greitis yra q_D/φ=0.200 m day⁻¹; idealusis komponento frontas juda 0.200/5.25=0.0380952381 m day⁻¹ greičiu. Vandens kelionė trunka 42.0 dienos, o fronto – 220.5 dienos. Sumažinus K_d perpus iki 0.425 L kg⁻¹, gaunama R_f=3.125 ir fronto laikas 131.25 dienos; vandens laikas lieka 42.0 dienos. Sulėtėjimas yra dėl kaupimo atsirandanti delsa, o ne suardymo pusėjimo trukmė ar nuolatinė izoliacija.

Sorbcijos ryšiai yra sąlyginiai modeliai

Tiesinis pasiskirstymo ryšys gali susieti sorbuotą kiekį sausosios masės vienetui su ištirpusios medžiagos koncentracija, kai nurodytos jo sąlygos ir koeficiento vienetai. Netiesinė izoterma turi kitokią priklausomybę nuo koncentracijos. Nė vienas ryšys nėra universaliai tinkamas visoms sudėtims ir intervalams.

Paviršiaus chemija, konkuruojančios cheminės formos, pH ir mineralinė ar organinė sudėtis gali paveikti ryšį. Sorbcija pakeičia pasiskirstymą; ji savaime nesuardo komponento ir nepatvirtina nuolatinės imobilizacijos.

Baigtinei talpai ir neišaiškintam atgavimui reikia aiškių ribų

Kitam simboliniam pusiausvyros telkiniui nurodykite talpą q_max=18.0 mg kg⁻¹ ir koeficientą b=0.400 L mg⁻¹. Tegul nurodyta laisvoji koncentracija C įeina į q=q_max bC/(1+bC). Kai C=2.00 mg L⁻¹, sorbuotos medžiagos koncentracija q=8.00 mg kg⁻¹, užimta talpos dalis 4/9 ir tariamasis K_d=q/C=4.00 L kg⁻¹.

Kai C=8.00 mg L⁻¹, tas pats modelis duoda q=13.7142857 mg kg⁻¹ ir tariamąjį K_d=1.71428571 L kg⁻¹. Ankstesnį tariamąjį K_d ekstrapoliuojant tiesiškai, būtų gauta 32.0 mg kg⁻¹, viršijant nurodytą talpą 18.0 mg kg⁻¹. Grafikas aprašo nurodytą netiesinį ryšį; tai nėra aplinkos duomenims pritaikytas modelis, greičio dėsnis ar suardymo mechanizmas.

Kitam originaliam medžiagų apskaitos auditui imkite pradinę medžiagos masę visos sistemos ribose 1.26 mg ir ankstesnę masę vandeninėje fazėje 0.980 mg. Ribos apima vandenį, dirvožemį ir indą. Nurodykite tikslius mokomuosius galutinius stebinius: vandenyje 0.310 mg, ekstrahuotoje kietojoje fazėje 0.740 mg ir ant indo sienelės 0.0800 mg.

Iš viso atgauta 1.13 mg pradinės medžiagos, lieka 0.130 mg neišaiškinto kiekio; atgauta dalis yra 0.896825397. Kiekio sumažėjimas vandeninėje fazėje atskirai yra 0.670 mg. Sumažėjęs kiekis vandenyje vienareikšmiškai nepatvirtina skilimo: pernašai, produktams, garavimo nuostoliams, nevisiškai ekstrakcijai ar matavimo paklaidai gali reikėti papildomų įrodymų.

Jei atskirai pagrįstas patikslintas kiekis ant sienelės yra 0.210 mg, o kiti galutiniai stebiniai nekinta, atgauta pradinė medžiaga sudaro visus 1.26 mg, o neišaiškintas kiekis tampa nulis. Vandenyje vis tiek yra mažiau nei anksčiau. Šis patikslinimas iliustruoja galimą uždarą pradinės medžiagos balansą tarp fazių, o ne tikro stebinio taisymo taisyklę.

Komponentas gali judėti lėčiau nei vanduo

Supaprastintas pusiausvyrinės pernašos modelis gali įtraukti grįžtamąjį kaupimą kietojoje fazėje vandeniui judant. Jo sulėtėjimo ryšiui reikia tūrinio tankio, vandeniu užpildyto poringumo ir suderinamo pasiskirstymo koeficiento. Prielaidos neįtraukia procesų, kuriems reikia išsamesnės apskaitos.

Lėtas pusiausvyros nusistovėjimas, preferencinis tekėjimas, dispersija, transformacija ir negrįžtamieji pokyčiai gali pakeisti pernašą. Pusiausvyrinis sulėtėjimo koeficientas skiriasi nuo reakcijos pusėjimo trukmės ar įrodymo, kad komponentas negali pasiekti kitos vietos.

Vietinės sąlygos ir istorija veikia geocheminę elgseną

Deguonies prieinamumas, elektronų donorai, mikroorganizmų aktyvumas ir mineralinės fazės gali paveikti redokso transformacijas. Vien išmatuotas potencialas neįrodo, kad kiekviena ištirpusi redokso pora yra pusiausvyroje. Atskiroms cheminėms formoms būdingi stebiniai gali patikrinti siauresnį aprašymą.

Geocheminės sąlygos gali skirtis net nedideliais atstumais ir kisti laikui bėgant. Toliau pateikti originalūs dirvožemio balansai iliustruoja fazių ir pernašos samprotavimą nenurodydami tikros užterštos vietovės ar jos valymo procedūros.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Padvigubinkite vandens tūrį iki 0.440 L, išlaikydami visą komponentą ir dirvožemį. Leiskite tam pačiam tiesiniam modeliui vėl pasiekti pusiausvyrą. Raskite koncentracijas ir mases.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   C_w=1.15183246 mg L⁻¹; S=6.21989529 mg kg⁻¹; vandenyje / kietojoje fazėje 0.506806283/0.373193717 mg.

   Vardiklis tampa 0.440+5.40×0.0600=0.764 L, o bendras kiekis lieka 0.880 mg.

2. Sumažinkite tik pernašos modelio K_d perpus iki 0.425 L kg⁻¹. Raskite sulėtėjimą ir idealiojo fronto kelionės laiką.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   R_f=3.125; fronto laikas 131.25 dienos; vandens laikas 42.0 dienos.

   Perpus sumažėja tik sorbcinio kaupimo dėmuo. Vandens kaupimo dėmuo vienetas išlieka R_f išraiškoje.

3. Baigtinės talpos modelyje nurodykite C=8.00 mg L⁻¹. Raskite q ir tariamąjį K_d; palyginkite su ankstesne tiesine ekstrapoliacija.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   q=13.7142857 mg kg⁻¹; tariamasis K_d=1.71428571 L kg⁻¹; senoji tiesinė prognozė yra 32.0 mg kg⁻¹.

   Netiesinis rezultatas lieka mažesnis už talpą 18.0 mg kg⁻¹, o tiesinė ekstrapoliacija ją viršija.

4. Naudokite atskirai pagrįstą kiekį ant sienelės 0.210 mg, kitų išmatuotų fazių nekeisdami. Raskite pradinės medžiagos atgavimą visos sistemos ribose.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Atgauti visi 1.26 mg; neišaiškintas kiekis nulis; pradinės medžiagos suardymas neparodytas.

   Pakoreguota fazių suma atkuria pradinės medžiagos balansą, nors medžiagos kiekis vandeninėje fazėje mažesnis.

Ką verta įsidėmėti

• Fazės koncentracijai reikia atskiro masės ar tūrio vardiklio.
• Sąlyginė grįžtamoji sorbcija gali perskirstyti medžiagą jos nesuardydama.
• Sulėtėjimas ir cheminė pusėjimo trukmė yra skirtingi modelio dydžiai.
• Atgavimui visos sistemos ribose reikia kiekvienos svarbios fazės ir neišaiškinto kiekio apskaitos.