Гидрохимия - Крайнов С.Р.
ISBN 5-247-01293-3
Скачать (прямая ссылка):
Физическая адсорбция протекает очень быстро и поэтому при сорбционных процессах системы «твердая фаза — раствор» быстро достигают состояния динамического равновесия. Гакое равновесие достигается за несколько часов или суток. При количественной характеристике таких адсорбционных равновесий используют изотермы адсорбции, которые связывают определенными зависимостями и уравнениями количество адсорбированного вещества с его концентрацией в растворе при постоянной температуре (рис. 6.17).
Из изотермы адсорбции, показанной' на рис. 6.17, следует, что с ростом концентрации вещества в растворе (С) количество адсорбированного твердой фазой вещества (д) приближается к постоянному значению. Это означает установление равновесного распределения адсорбируемого вещества между твердой и водной фазами. В зависимости от минерализации растворов, взаимодействующих с адсорбирующей твердой фазой, используют различные виды и уравнения изотермы адсорбции. Если адсорбция происходит из подземных вод очень малой минерализации, используют изотерму Генри q=Kz*C (где q — количество адсорбированного вещества; С — концентрация раствора; /(ад — коэффициент Генри или константа адсорбции). В таком выражении изотерма адсорбции Генри представляет прямую наклонную линию, наклон которой зависит от значений константы адсорбции.
180
Рис. 6.17. Типичная изотерма адсорбции Ленгмюра
L
с
Рис. 6.18. Упрощенная схема двойного электрического слоя, в котором избыточный отрицательный заряд на поверхности твердого тела компенсируется избыточной концентрацией катионов в растворе близ поверхности раздела ?«твердое тело — раствор» [10]
расстояние от поверхности
При анализе адсорбции из более минерализованных подземных вод используют изотерму адсорбции Ленгмюра
где q' — количество адсорбированного вещества; С — концентрация раствора; Ь\ и &2 — постоянные, характеризующие данный сорбционный процесс. В большинстве случаев адсорбция веществ твердой фазой из реальных подземных вод подчиняется адсорбционной изотерме Ленгмюра (см. рис. 6.17).
В результате адсорбционных процессов в гидрогеохимических системах поверхность твердой фазы, взаимодействующей с подземными водами, оказывается заряженной катионами и аннонами. При взаимодействии такой заряженной твердой фазы с водами иного химического состава происходит самопроизвольный процесс обмена ионов в соответствии с их химическими потенциалами в твердой и жидкой фазах. Такой процесс называется ионным обменом. Это самопроизвольный и обратимый обмен между разными фазами гидрогеохимической системы, который не приводит к изменениям в кристаллической структуре твердой фазы. Физико-химическая сущность ионного обмена становится понятной из определения двойного электрического слоя (ДЭС). Двойной электрический слой — это электрическая система, состоящая из пространственно разделенных зарядов противоположного знака, возникающая на границе твердой и жидкой фаз (рис. 6.18). Он состоит из двух
181
частей — внутреннего слоя, определяемого зарядом частиц, твердой фазы, и внешнего, содержащего противоположно заряженные ионы, компенсирующие заряд частиц твердой фазы. Ионному обмену подвержены ионы внешнего слоя.
По знаку зарядов противоионов различают катиониты, (положительный заряд и катионный обмен) и аниониты (отрицательный заряд и анионный обмен). Примером катионного обмена может быть реакция
2Na+TB + Ca*Vp ^ Са*+„ + 2Na+p.P,
а примером анионного обмена — реакция 2СГТВ + S02-4 (р-р, ^=J= SO*~4 (тв) + 2ClVp.
Так как сорбционная система .«твердая фаза — раствор» в любой момент должна быть электронейтральной, обмен ионов-происходит в эквивалентных стехиометрических соотношениях. Он подчиняется закону действующих масс и имеет константы. Так, для указанной реакции катионного обмена константа обмена равна
К - °CaZ+m fl*Na+P-P
" aCa2Vp^Na+T? '
а для указанной реакции анионного обмена
_ 'S°2-«(TB) " С'-Р-Р
* "80-4(P-P) в'а-тв
Важно, что ионный обмен в гидрогеохимических системах протекает с высокими скоростями и поэтому при анализе гидрогеохимических явлений его можно считать равновесным процессом.
Кинетика ионного обмена определяется диффузионными процессами, при этом в гидрогеохимических системах более значимыми являются ионообменные процессы, протекающие по виешнедиффузионному механизму. Это означает, что скорость ионообменных процессов в гидрогеохимических системах находится в прямой зависимости от скорости движения подземных вод.
Мерой способности пород к сорбционным и ионообменным эффектам является величина активной поверхности. Поэтому при характеристике способности пород к сорбции и ионному обмену используют такие понятия как удельная поверхность и обменная емкость. Удельная поверхность — это поверхность 1 г сорбента (в м2/г). Обменная емкость — это концентрация ионов в сорбенте, способная к обмену (мг-экв/100 г сорбента при pH 7). Она также может быть охарактеризована количеством ионов, поглощенных какой-либо породой из 1 л раство
182
pa. Количество адсорбированного вещества какой-либо породой выражают в граммах на 1 см2 поверхности или в граммах на 1 г или 1 см3 адсорбента.
