Экспериментальное исследование и термодинамическое моделирование миграции тяжелых металлов в системе "вода - донные отложения" в зоне антропогенного воздействия

Глава 6. Верификация результатов термодинамического моделирования распределения тяжелых металлов в системе "поровый раствор - твердая фаза донных отложений".

Для обоснования методики термодинамического моделирования распределения ТМ в системе "поровый раствор - донные отложения" необходима верификация результатов моделирования.

6.1 Верификация результатов моделирования в гомогенной системе.

Поскольку прямые аналитические данные по растворенным формам ТМ в р.Ичке отсутствуют, результаты моделирования были сопоставлены с экспериментальными и расчетными данными других исследователей. Полученные в работе основные форм нахождения ТМ в растворе (ионы Zn2+, комплексы CuFu и PbCO3) находятся в соответствии с данными по другим водным объектам (Кулматов 1982; Прокофьев, 1983; Линник, Набиванец, 1986; Лапин, Красюков, 1988; Аникиев и др., 1991; Benedetti et al, 1996; Achterberg et al, 1997; Tipping E. et al, 1998; Lores, Pennock, 1998; Lofts, Tipping, 2000).

6.2 Верификация результатов термодинамического моделирования в гетерогенной системе "поровый раствор - твердая фаза донных отложений" с помощью лабораторного эксперимента.

Для верификации результатов моделирования, предсказывающих большую миграционную подвижность Zn в сравнении с другими ТМ при загрязнении водоемов CaCl₂, выполнены лабораторные эксперименты, имитирующие влияние загрязнения речной воды NaCl и CaCl₂ на донные осадки.

Методика постановки экспериментов. В опытах использованы основные разности отложений р.Ички: песчаные и супесчаные. В качестве воздействующей на осадки водной фазы использовались вода р.Ички (pH=6,49) и искусственно приготовленные на ее основе растворы с добавкой CaCl₂ (СaCl₂ 2 г/л, pH=7,28) и NaCl (NaCl 2,3 г/л, pH=7,45). Взятые концентрации растворов соответствовали максимально наблюдавшимся в поверхностном стоке с трассы МКАД в период снеготаяния. В опытах готовились суспензии с пропорцией Ж/Т=2,5-3,0 в зависимости от дисперсности осадка.

Суспензии отстаивались в течение фиксированного времени. Были выполнены 3 кинетические серии из 5 параллельных опытов с продолжительностью выдержки от 1 до 13 суток для песчаного и 2 серии из 8 опытов с выдержкой до 56 суток для супесчаного образца. Для определения воспроизводимости в одной серии опыты проводились в 2-х повторностях. По истечении срока выдержки суспензии фильтровались, в фильтрате определялись рН, органическое вещество и металлы. Для аналитического определения ТМ использовались ИВА, атомно-абсорбционный и ИСП-АЭС методы анализов. Всего было поставлено 72 опыта.

Результаты лабораторных экспериментов. По полученным данным, влияние состава добавленного раствора существенно для Zn. Во всех 5 кинетических сериях была зафиксирована максимальная мобилизация Zn в растворах, содержащих добавку CaCl₂ (концентрации металла оказалась в 3-6 раз выше, чем в опытах с речной водой и раствором NaCl) (рис.5). В противоположность этому, содержания Cu и Pb в растворах, содержащих добавки NaCl и CaCl₂, соответствуют в пределах воспроизводимости опытам с незагрязненной речной водой.

В ходе экспериментов была выявлена сложная кинетика взаимодействий в опытах. Полученные зависимости содержания ТМ от времени выдержки обнаруживают характерную особенность: достижение максимума на 3-7 день, после чего концентрации начинают медленно снижаться. Вероятно, в опытах с суспензией донных отложений параллельно протекают несколько процессов с разными скоростями ввиду присутствия в них несколько сорбентов, обладающих разной кинетикой достижения равновесия. На первом этапе происходит десорбция с быстро реагирующей фазы (судя по количеству десорбированных ме=таллов - катионообменной на глинистых минералах).

Затем происходит перераспределение вышедшего в раствор металла между остальными сорбирующими фазами, которые характеризуются более медленной скоростью обмена, но существенно большей сорбционной емкостью.

Экспериментальные данные, полученные для различных типов речных осадков, согласуются с результатами термодинамического моделирования и подтверждают, что загрязнение реки противогололедными реагентами, содержащими CaCl2 способно вызвать десорбцию именно Zn из осадков в поровый раствор.