Гидрохимия - Крайнов С.Р.
ISBN 5-247-01293-3
Скачать (прямая ссылка):
1 ч
полевой шпат каолинит
3) процесс инконгруэнтного растворения может сопровождаться одновременным образованием и твердой и газовой фа»
CaCO3 + H3SO4= CaSO4+H2O + С02(газ). (6.3)
\
Если инконгруэнтное растворение сопровождается образованием газовой фазы, как это имело место в реакции (6.1), то открытость системы и движение в ней подземных вод гарантируют протекание процесса растворения с постоянной скоростью до полного растворения исходного CaCO3.
Если же при инконгруэнтном растворении образуется новая твердая фаза, как это было показано в реакциях 6.2 и 6.3, то скорость растворения исходного вещества по мере образования вторичной твердой фазы будет снижаться, поскольку образующийся слой вторичной минерализации препятствует диффузии ионов из растворяющегося минерала и их отводу в раствор. В этом случае для поддержания процесса растворения необходимо, чтобы продукты растворения удалялись от поверхности реакции. Это может быть достигнуто механическим путем (суффозия при быстром турбулентном движении подземных вод) или химическими реакциями, преобразующими вторичные продукты растворения. Так, при уменьшении минера
155
лнзации и pH подземных вод каолинит, образующийся по многим алюмосиликатам преобразуется в гиббсит
0,5Al2Si2O5 (QH)4 + 2,5H2O = Al (QH)3+ H4SiO4 и далее
каолинит гиббсит
Al (OH)3 + 3H+ = Al3+ + 3H2O.
Вследствие таких реакций, удаляющих вторичные продукты, скорость растворения снова увеличится.
Большая сложность инконгруэнтиого растворения определяет и значительную сложность и многообразие его кинетики. С уменьшением растворимости минералов все большее значение в кинетике их растворения приобретают механизмы поверхностных химических реакций и внутридиффузионные механизмы растворения. Это означает,-что динамика подземных вод уже не может оказывать существенного влияния на скорость растворения твердой фазы. Таким образом, чем труднее растворимо соединение, тем меньше влияет динамика подземных вод на кинетику его растворения. Примером является растворение таких магниевых минералов как диопсид, авгит, эн-статит и других силикатов.
Еще более сложными кинетическими механизмами характеризуется процесс выщелачивания, т, е. процесс селективной экстракции отдельных компонентов из твердой фазы без нарушения ее кристаллической структуры. В ходе процесса выщелачивания доступная для извлечения компонента поверхность должна перемещаться в глубь пор твердой фазы. Это приводит к возрастанию в кинетике процесса роли стадии внутренней диффузии из глубины твердой фазы к поверхности. Движение растворителя не может оказать существенного влияния на протекание внутренней диффузии и поэтому процесс выщелачивания мало зависит от гидродинамики среды. Он в большей степени зависит от пористости или соответственно, от дисперсности пород, т. е. от величины поверхности взаимодействия твердой и водной фаз. Увеличение такой поверхности уменьшает путь выщелачиваемого компонента при его внутренней диффузии.
Подведем итоги сказанному о различиях в кинетических механизмах процесса растворения. В общем-' кинетическом уравнении процесса растворения,- характеризующего удельный поток вещества с единицы площади поверхности Q = co(CH—C0), коэффициент скорости растворения о> может иметь различный физический смысл в зависимости от кинетического механизма растворения. Если процесс растворения протекает во внешне-диффузионной области (а это особенно характерно для конгруэнтного растворения), то коэффициент скорости растворения
156
O) по своему физическому смыслу тождествен коэффициенту массоотдачи ? с его закономерными изменениями в зависимости от скорости движения подземных вод и толщины диффузионного пограничного слоя. Если же процесс растворения протекает во внутридиффузионной области, то коэффициент скорости растворения по своему физическому смыслу уже должен быть тождествен коэффициенту массопередачи р, который в значительной степени зависит от соотношений между поверхностями контактирующих и взаимодействующих твердой и водной фаз.
6.1.3. Особенности процессов растворения
при формировании химического состава подземных вод
Сложность природных процессов растворения заключается, с одной стороны, в многообразии геохимических свойств растворяющихся минералов, а с другой — в многокомпонентности химического состава растворяющих эти минералы подземных вод. Для нас важнейшее значение имеет многокомпонентное^ химического сестава подземных вод — ома вызывает следующую серию процессов, которые способны увеличивать их растворяющую способность.
Процессы растворения при гидролизе силикатов и алюмосиликатов. Среди продуктов диссоциации Н2О решающее значение для гидролиза минералов имеет ион H+. В связи с этим выделяется серия процессов, вызываемых увеличением концентраций иона H+ в подземных водах и называемая Нь-/гро-цессами. Гидролизу силикатов и алюмосиликатов посвящены работы Р. В. Гаррелса, И. Тарди, Т. Па чеса, С. Л. Шварцева, Д. Дривера и др., в которых разработаны методы оценки степени -равновесности подземных вод с различными силикатами, позволяющие определить способность этих вод растворять различные силикаты. В основе этих методов лежат принципы химической термодинамики, дающие возможность строить диаграммы равновесных соотношений между различными первичными силикатами и продуктами, формирующимися при их растворении. Приведем методы построения таких диаграмм' на основе материалов Р. В. Гаррелса, Д. Дривера, И. Тарди.
