Гидрохимия - Крайнов С.Р.
ISBN 5-247-01293-3
Скачать (прямая ссылка):
Диффузия химического вещества, 'присутствующего в движущемся растворе, является процессом, ведущим к выравниванию концентраций. Поэтому при конвективно-диффузионном переносе вещества наблюдается «размытие» границы между вытесняемой и вытесняющей жидкостями. .
Соотношение между конвективным и диффузионным переносом вещества устанавливается на основе такого критерия подобия !процессов массопередачи, как безразмерное число Пекле
где V — скорость движения потока, см/с; / — расстояние, на котором происходит изменение концентраций, см.; DK/— коэффициент диффузии, см2/с.
Если число Pe мало (<5-10~2), то распределение концентраций определяется молекулярной диффузией и соответственно описывается и пропнозируегся на основе ее законов. Если число Pe велико (>Ю), то распределение концентраций вещества определяется только конвекцией.
Использумый в . гидрогеохимии коэффициент продольной конвективной диффузии в своей сущности характеризует явление, которое в гидрогеодинамике называют гидродинамической дисперсией. Механизм этого процесса связан с неоднородным распределением внутрипоровых скоростей при фильтрации
142
D1 % см2/с
10
10 IP, см/с
Рис. 5.2. Зависимость коэффициента продольной днффузян Dk1 ОТ ИСТИННОЙ
скорости фильтрации и (по С. И. Смирнову). Точки — экспериментальные данные; прямая — линия регрессии вод IogDKj по log и
жидкостей (продольная гидродисперсия), а также со случайными перемещениями частиц жидкости в направлениях, ортогональных вектору средней скорости фильтрации (поперечная гидродисперсия). Для нас важно, что в математических моделях гидродисперсия описывается подобно молекулярной диффузии на основе градиентного закона Фика, а аналогия в характере действия этих двух процессов, позволила объединить их в обобщенном коэффициенте гидродисперсии. В случае одномерного фильтрационного потока с продольной гидродисперсией
где Dr — коэффициент продольной гидродисперсии; т| — эмпирический коэффициент, отражающий геометрию неупорядоченно-
14S
"*\-1
\ I
\ I
I \ I Рис. 5.3. Характерный график пространственного изменения концентраций консервативного компонента в движущемся потоке жидкости при наличии диффузии или гидродисперсии [28]
го порового или трещинного пространства горных пород [28]; ? — скорость фильтрации. Численно DMf = Dr и по своему существу это параметры-синонимы, характеризующие одно и то же явление рассеяния вещества в движущемся потоке жидкости. Если рассматривать движение консервативного химического вещества (т. е. вещества геохимически не взаимодействующего с веществом подземной воды и вмещающей породы), то общая картина его распределения в движущемся потоке жидкости выглядит следующим образом (рис. 5.3). Внешним проявлением диффузии является размыв границы между вытесняемой и вытесняющей жидкостями, образование вблизи фронта вытеснения переходной зоны Ln, в пределах которой концентрации вещества постепенно изменяются от C0 до C0 [28].
5.2.4. Кинетика процессов массопереноса
ч
Кинетика геохимических процессов изучается на основе законов и методов химической кинетики — раздела физической химии, изучающего скорости химических реакций. Кинетика процессов формирования химического состава подземных вод стала активно изучаться с начала 70-х годов, когда стало ясно, что без кинетических знаний невозможно прогнозирование гидрогеохимических явлений. Ее становлению в геохимии и гидрогеохимии способствовали работы многих советских и зарубежных ученых — С. И. Смирнова, В. С. Голубева, Е. В. Добровольского, Г. Хельгесона.
Процессы формирования химического состава подземных вод являются гетерогенными, так как в их основе обычно лежат межфазовые взаимодействия в системе «подземная вода — порода». Все эти процессы (растворение, выщелачивание, кристаллизация, ионный обмен, метасоматические реакции) имеют, по описанию В. С. Голубева и А. А. Гарибянца, общие кинетические особенности.
Любая гетерогенная реакция включает несколько стадий. Если раствор взаимодействует с твердой фазой на поверхности, то процесс массообмена включает несколько стадий: .1) перенос вещества к поверхности; 2) химическое или физическое взаимодействие на границе раздела фаз; 3) отвод обра
144
зовавшегося в результате взаимодействия вещества в объем раствора. Суммарная скорость гетерогенного процесса определяется скоростью отдельных его стадий. Для процессов, идущих в несколько последовательных стадий, суммарная скорость будет определяться скоростью наиболее медленной стадии, которую в этом случае называют лимитирующей или определяющей. Такой лимитирующей скоростью может быть скорость химической реакции, протекающей на границе раздела фаз (вторая стадия массообмена) или скорость диффузионно го переноса вещества на первой и третьей стадиях. Если ско рость химической реакции меньше скорости диффузии, то счи тается, что процесс лежит (протекает) в. кинетической обла сти, скорость процесса в этом случае описывается уравнением скорости химической реакции, происходящей на границе фаз. Если скорость диффузионного переноса меньше скорости химической реакции (наиболее частый случай), то считают, что процесс лежит в диффузионной области. Если скорости диффузии и химической реакции близки, то процесс лежит в переходной смешанной диффузионно-химической области.
