Автор: Пивоваров Сергей Анатольевич
Название работы: Физико-химическое моделирование поведения тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd) в природных водах: комплексы в растворе, адсорбция, ионный обмен, транспортные явления
|
Присвоенная ученая степень: кандидат химических наук
Специальность: 25.00.09 - геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых
Классификационный индекс:
Ведущая организация: Институте экспериментальной минералогии РАН
Руководитель:
кандидат геолого-минералогических наук Алехин Ю.В.;
кандидат химических наук Лакштанов Л.З;
Оппонент:
доктор геолого-минералогических наук Колонин Г.Р.;
доктор химических наук Ходаковский И.Л.;
Место защиты: Москва
Дата защиты: 14 ноября 2003 г.
Издательство: Москва
Количество страниц: 137
Язык: русский
Содержание работы:
Глава 1. Методики, приборы, материалы
Глава 2. Модель раствора
Глава 3. Взаимодействие тяжелых металлов с гумусовыми веществами
Глава 4. Модель взаимодействия ионов с (гидр)оксидами железа (III)
Глава 5. Взаимодействие ионов с глинистыми минералами
Глава 6. Адсорбция тяжелых металлов в природных условиях
|
Реферат:
Актуальность исследований. 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. В настоящей работе затронуты теоретические основы экологической геохимии и технологии, охвачены
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.
Цель работы. 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.
Научная новизна работы. В работе приведены оригинальные модели ионного обмена и адсорбции на поверхности оксидов и глинистых минералов.
Основные защищаемые положения.
1) На основании проведенного анализа структуры поверхности оксидов и глинистых минералов установлено, что на поверхности различных минералов содержится около 7 моль/м2 адсорбционных
центров, а поверхность глинистых минералов имеет помимо этого решеточный заряд варьирующий в пределах от 1 (для монтмориллонита) до 3 (для иллита) экв/м2.
2) Развита новая модель ионного обмена на поверхности глинистых минералов, основанная на уравнении баланса заряда и структурных характеристиках поверхности. Модель позволила
объяснить различия в селективности обмена, наблюдаемые у разных глинистых минералов.
3) Создана модель адсорбции ионов на поверхности оксидов, в основе которой лежат развитые автором представления о самоионизации поверхности и балансе заряда. Модель впервые
позволила численно воспроизвести все ранее изученные особенности адсорбции ионов на поверхности оксидов.
4) На основе развитых представлений создана термодинамическая модель системы "Тяжелые металлы (Cu, Zn, Cd) - Макрокомпоненты раствора (H+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-,
CO32-) - Растворенное органическое вещество (гуминовые и фульвокислоты) - Твердый гумус - Глинистые минералы - Оксиды трехвалентного железа". Модель откалибрована на основе
литературных данных и данных автора и реализована в созданной автором компьютерной программе АКВАТИКА-2002, позволяющей производить расчеты распределения тяжелых металлов
между природными водами и твердыми осадками.
5) Продемонстрирована применимость расчетных методов к описанию транспорта тяжелых металлов в грунтовых водах, баланса потоков в водоемах и реках.
Практическая ценность работы. Работа представляет собой теоретическую основу для практических инженерных расчетов по экологической технологии. Результаты исследований могут
применяться также в качестве основы моделирования различных геохимических процессов.
Фактическая основа и методы исследования. В рамках данной работы в лаборатории гидротермальных процессов Института экспериментальной минералогии РАН, а также на кафедре неорганической
химии Университета Умеа (Швеция) проведены эксперименты по кислотно-основным свойствам и сорбции тяжелых и щелочноземельных металлов на поверхности оксида трехвалентного железа
(гематита). Также проведена работа по сбору и обработке литературных данных о поведении ионов в растворах, и в присутствии адсорбентов (гумусовые вещества, глинистые минералы,
оксиды трехвалентного железа). На основе развитых представлений о сорбционных процессах создана компьютерная программа АКВАТИКА-2002, позволяющая производить расчеты распределения
тяжелых металлов.
|
Библиография:
1. Пивоваров, С.А., Лакштанов, Л.З. (1998) Адсорбция и поверхностное осаждение кадмия на гематите. Электронная публикация: http://ecology.iem.ac.ru/article_1/index.html 2. Пивоваров С.А. (2001) Влияние структуры поверхности на адсорбцию ионов. Тезисы XIV российского совещания по экспериментальной минералогии. Черноголовка. Стр. 305. 3. Пивоваров С.А., Лакштанов Л.З. (2001) Моделирование распределения тяжелых металлов между твердыми фазами и раствором в природных водоемах. Тезисы конференции "Научные исследования в наукоградах Московской области. Новые материалы и технологии. Инновации XXI века". Черноголовка. Стр 187. 4. Пивоваров, С.А., Лакштанов, Л.З. (1998) Адсорбция кадмия на гематите. Геохимия. В печ. 5. Пивоваров С.А. (2001) Сорбция ионов (Cu2+, Zn2+, Cd2+, Ca2+, Na+, Cl-, SO42-, CO32-) на (гидр)оксидах трехвалентного железа. В сб.: Экспериментальное и теоретическое моделирование процессов минералообразования. В печ. 6. Pivovarov S. (1997) Acid-base properties of hematite at elevated temperatures. In: Oric. 5th Int. Symp. on Hydrothermal Reactions, Gatlinburg, USA, 295-296. 7. Pivovarov S. (1997) Surface structure and site density of oxide-solution interface. J. Colloid Interface Sci. 196, 321-323. 8. Pivovarov S. (1998) Acid-base properties and heavy and alkaline earth metal adsorption on the oxide-solution interface: non-electrostatic model. J. Colloid Interface Sci. 206, 122-130. 9. Pivovarov S.A., Alyokhin Yu.V. (1998) Calculation of the thermodynamic constants of polymerization for water vapor molecules. Experiment in Geosciences 5, N 2, 22-23. 10. Pivovarov S.A. (1998) Adsorption of ions on the hematite surface. Experiment in Geosciences 6, N 2, 34-35. 11. Pivovarov S.A., Lakshtanov L.Z. (1999) Sorption of cadmium on hematite in a wide range of sorbate/sorbent ratios. Experiment in Geosciences 7, N 1, 50-51. 12. Pivovarov S.A. (2000) Cadmium adsorption on ferric iron oxide. Experiment in Geosciences 8, N 1, 71-72. 13. Pivovarov S. (2000) Theoretical structures of mineral-solution interfaces. In: Surface Chemical Processes in Natural Environments. Monte Verita, Ascona, Switzerland, p. 46. 14. Pivovarov S. (2001) Adsorption of cadmium onto hematite: temperature dependence. J. Colloid Interface Sci. 234, 1-8. 15. Pivovarov, S. (2002) Structure of the oxide-solution interface. In: Encyclopedia of Surface and Colloid Science (Eds. A. Hubbard, P. Somasundaran). Marcel Dekker, Inc.: New York, pp. 4869-4877. 16. Pivovarov, S. (2003) Physico-chemical modeling of heavy metals (zinc, cadmium, copper) in natural environments. In: Encyclopedia of Surface and Colloid Science (Eds. A. Hubbard, P. Somasundaran). Marcel Dekker, Inc.: New York (electronic updates: http://www.dekker.com/servlet/product/productid/E-ESCS)
|
|
