Curso Modelos Geoquímicos, UPC
Cálculo de procesos
Carlos Ayora
Instituto de Diagnóstico Ambiental y Estudios del
Agua, CSIC
[email protected]
Procesos (reaction paths)
-Disolución de un mineral o gas hasta equilibrio
- Perturbación conocida de un componente:
- Valoración de acidez o alcalinidad
- Disolución conocida de mineral o gas
-Perturbación de todos los componentes:
- Mezcla de soluciones
- Evaporación
Procesos: disolución de mineral-gas hasta eq.
Procesos: disolución de mineral-gas hasta eq.
PROBLEMA MG4: calcular la masa de calcita que
necesita disolver el agua de lluvia para llegar al equilibrio
 Agua destilada: Tiinicial conocido (=0 excepto TH2O= 55. 51)
 2 nuevas incógnitas: mCC y mCO2(g)
 2 nuevas ecuaciones de equilibrio
 Modificación de las ecuaciones de balance de masas:
Ti
nuev o
 Ti
inicial
  m ,i m m
C a C O 3 (cc )  C a
2
C O 2 (g)  C O 2 (aq)
 C O 2 (a q)  H 2 O  2 H

Procesos: disolución de mineral-gas hasta eq.
K HCO  
3
c CO 2  CO 2 a H 2 O
c HCO   HCO  a H 
3
K CO 2  
3
c CO 2  CO 2 a H 2 O
c CO 2   CO 2  a H 
2
3
K OH  
K CaCO
3
3
3
a H 2O
c OH   OH  a H 
( cc )
K CO 2 ( g ) 

c CO 2  CO 2 c Ca 2   Ca 2  a H 2 O
2
aH
C a C O 3 (cc )  C a
c CO 2  CO 2
C O 2 (g)  C O 2 (aq)
p CO 2 ( g )
T C  m CC  m CO 2 ( g )  c CO 2  c HCO   c CO 2 
3
3
TH 2 O  m CC  c H 2 O  c HCO   c CO 2   c OH 
3
3
TH   2 m CC  c H   c HCO   2 c CO 2   c OH 
3
TCa  m CC  c Ca 2 
2
3
 C O 2 (a q)  H 2 O  2 H

Procesos: disolución de mineral-gas hasta eq.
TITLE MG4: equilibrio agua de lluvia-calcita
SOLUTION 1
units
mol/kgw
pH
7.0
# defecto
density 1.
# defecto
temp
25.0
# defecto
EQUILIBRIUM PHASES
CO2(g)
-3.5
calcite
0.0
END
Procesos: disolución de mineral-gas hasta eq.
TITLE MG4=Agua de lluvia en eq. con calcita
SOLUTION 1
EQUILIBRIUM_PHASES
CO2(g)
-3.5
SAVE solution 2
END
USE SOLUTION 2
EQUILIBRIUM_PHASES
calcite
0.0
END
Procesos: valoración ácido-base
PROBLEMA MG5: calcular la evolución del pH al añadir
un ácido o una base a una solución
 Añadir al sistema va moles conocidas de ácido o vb de base:
nuev o
TH 
 TH 
inicial
  a ,H  v H 
Ejemplo: añadir va moles de H2SO4 o vb moles de NaOH
TH   2 v a  c H   c HCO   2 c CO 2   c OH 
3
3
TH   v b  c H   c HCO   2 c CO 2   c OH 
3
3
Procesos: valoración ácido-base
PROBLEMA MG5A: calcular la evolución del pH al añadir 0.02 mol HCl a una
solución con 5 mmol/kgw DIC. Representar las especies de C con el pH y la
evolución del pH con el ácido añadido
TITLE MG5: valoración ácida de una solución con 5 mmol/kgw de DIC
SOLUTION 1
units
mol/kgw
pH
11.0
density 1.
# defecto
temp
25.0
# defecto
C
0.005
SAVE solution
1
REACTION 1
HCl
0.1
0.2 moles in 50 steps
SELECTED_OUTPUT
-file MG5.sel
-pH
-molalities CO2 HCO3- CO3-2
-totals Cl
END
Procesos: valoración ácido-base
PROBLEMA MG5B: calcular la evolución del pH al añadir 0.02 mol HCl a una
solución con 0.01 mmol/kgw DIC. Representar las especies de C con el pH y
la evolución del pH con el ácido añadido
Procesos: disolución-precipitación mineral
Procesos: disoluciónprecipitación mineral
Procesos: disolución- precipitación mineral
Procesos: disolución mineral
PROBLEMA MG12:
Una descarga ácida de una mina se hace pasar por un tratamiento de
caliza (ALD: Alkaline Limestone Drainage) de manera que la calcita
se disuelva neutralizando la solución y precipitando el hierro y
aluminio disuelto. Calcular la evolución del pH y la masa de Fe(OH)3,
Al(OH)3 y yeso, que precipitarán al disolver 1.5 kg de calcita en 1 m3
de agua ácida. Suponer que el agua siempre está en equilibrio con la
atmósfera.
 Añadir al sistema va moles conocidas de mineral:
CaCO 3 ( cc )  Ca
Ti
nuev o
 Ti
2
 CO 2 ( aq )  H 2 O  2 H
inicial
  a ,i v a

Procesos: disolución mineral
units
pH
Ca
Mg
Na
Fe
Al
Cl
S(6)
ppm
3.1
489.3
69.8
58.0
198.0
92.2
35.0
2820.0 as SO4
Procesos: variación de solubilidad con temperatura
PROBLEMA MG14:
Variación de la solubilidad con la temperatura:
- Calcular la solubilidad (mol CaSO4/kgw) de yeso y
anhidrita entre 0 y 100ºC
 Los cambios afectan al valor de la constante de equilibrio de
la reacción de disolución.
 Comprobar la función de variación de log K con T en la base
de datos termodinámica:
Gypsum
CaSO4:2H2O = Ca+2 + SO4-2 + 2 H2O
log_k
-4.58
delta_h -0.109 kcal
-analytic 68.2401 0.0
-3221.51
-25.0627
Anhydrite
CaSO4 = Ca+2 + SO4-2
log_k
-4.36
delta_h -1.710 kcal
-analytic 197.520 0.0
0.0
a  bT 
-8669.8
-69.835
0.0
c
T
 d·ln T 
e
T
2
Procesos: variación de solubilidad con temperatura
TITLE MG14ab--Solubilidad del yeso y anhidrita con temperatura
SOLUTION 1 Pure water
pH
7.0
temp
25.0
REACTION_TEMPERATURE 1
0.0 100.0 in 51 steps
EQUILIBRIUM_PHASES 1
Gypsum
0.0
SELECTED_OUTPUT
-file
MG14a.xls
-temperature
-totals Ca S(6)
END
USE solution 1
REACTION_TEMPERATURE 2
0.0 100.0 in 51 steps
EQUILIBRIUM_PHASES 2
Anhydrite
0.0
SELECTED_OUTPUT
-file
MG14b.xls
-temperature
-totals Ca S(6)
END
Procesos: variación de solubilidad con temperatura
[CaSO4] (mol/kgw)
0.025
anhidrita
yeso
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000
0
20
40
60
temperatura (C)
80
100
Procesos:
[CaSO4] (mol/kgw)
0.025
anhidrita
yeso
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000
0
20
40
60
temperatura (C)
80
100
Procesos: variación de solubilidad con salinidad
PROBLEMA MG15:
Variación de la solubilidad con la salinidad:
- Calcular la solubilidad de yeso y de CO2 atmosférico
para salinidades de 0 a 6 m NaCl
 Los cambios afectan al valor del coeficiente de actividad de
las especies disueltas (iónicas y neutras)
 Calcular lo anterior con los modelos de actividad de
Truesdell-Jones y de Pitzer
Procesos: mezcla de aguas
PROBLEMA MG9:
Una descarga ácida de una mina va a parar a un río. Calcular la
alcalinidad y pH de todo el rango de mezclas aguas abajo. Suponer
que las aguas siempre están en equilibrio con la atmósfera.
 Los cambios siempre afectan al total del componente i, no a
cada una de las especies acuosas:
Ti
mezcla
  Ti
1
 (1   ) Ti
2
0   1
Esto es especialmente evidente en el pH y la alcalinidad.
Procesos: mezcla de aguas
TITLE Agua de rio
SOLUTION 4
units
ppm
pH
6.7
pE
3.0 O2(g) -0.68
Ca
86.3
Mg
44.8
Na
46.0
K
11.1
Fe
0.01
Al
0.01
Cl
29.0
Alkalinity
101.68 as HCO3
S(6)
310 as SO4
SAVE SOLUTION 4
END
TITLE Agua de mina
SOLUTION 5
units
ppm
pH
3.1
pE
16.0 O2(g) -0.68
Ca
489.3
Mg
69.8
Na
58.0
K
28.1
Fe
198.0
Al
92.2
Cl
35.0
C
100.0 CO2(g) -3.5
S(6)
2820.0 as SO4
SAVE solution 5
END
MIX 1 Mezcla 90/10
4
0.9
5
0.1
SAVE solution 1
END
Repetir para cada mezcla
Procesos: mezcla de aguas
PROBLEMA MG7: mezcla de aguas continental y marina
saturadas en calcita
 Los cambios siempre afectan al total del componente i, no a
cada una de las especies acuosas:
Ti
mezcla
  Ti
1
 (1   ) Ti
2
0   1
Procesos: mezcla de aguas
Agua continental : equilibrada con pCO2= 2 (suelo vegetal) y con calcita
Agua marina:
units
ppm
pH
8.22
Ca
Mg
Na
K
Cl
Alkalinity
S(6)
412.3
1291.8
10768.0
399.1
19353.0
141.682 as HCO3
2712.0 as SO4
3. Reactive transport in MVT deposits
‘Pure’ mixing:
t=0.150 Ma
mixing pattern:
100
80
z (m)
60
40
20
0
0
10
x (m)
20
3
5
4.8
4.6
4.4
4.2
4
3.8
3.6
3.4
3.2
3
2.8
2.6
2.4
2.2
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
calcite (mol/m )
100
80
60
z (m)
ClT (mol/kg)
precipitation / dissolution:
40
20
0
0
10
x (m)
20
10000
1000
800
600
400
200
10
1
0.1
0
-0.1
-1
-10
-200
-400
-600
-800
-1000
-10000
Procesos: evaporación
PROBLEMA MG8: Infiltración de agua de riego,
evaporación en el suelo y precipitación de sales:
- calcular la masa de calcita y yeso precipitados
- utilizar diversas bases de datos y comparar el resultado
 Los cambios siempre afectan al total del componente i, no a
cada una de las especies acuosas:
Ti
k 1
  Ti
k
 1
Procesos: evaporación
TITLE Evaporación hasta 5*conc. agua riego + precip. yeso, calcita
SOLUTION 5
units
ppm
pH
6.9
pe
13 o2(g) -0.67
Ca
214
Mg
102
Na
509
K
88
Cl
955
C
1 co2(g) -2.0
S(6)
575 as SO4
REACTION 1
# Concentrar 5*, quitar 4/5 of H2O
H -2 O -1 #H2O
-1.0 es lo mismo
44.4072
#55.5*4/5
SAVE solution 2
END
MIX 1
2
5.0
# Aumentar el volumen hasta 1 kg de agua
SAVE solution 3
END
USE solution 3
EQUILIBRIUM_PHASES
# precip. yeso y calcita
calcite 0.0
gypsum 0.0
END
Procesos: evaporación
TITLE Evaporación hasta 5*conc. agua riego + precip. yeso, calcita
SOLUTION 5
units
ppm
pH
6.9
pe
13 o2(g) -0.67
Ca
214
Mg
102
Na
509
K
88
Cl
955
C
1 co2(g) -2.0
S(6)
575 as SO4
REACTION 1
# Concentrar 5*, quitar 4/5 of H2O
H -2 O -1 #H2O
-1.0 es lo mismo
44.4072
#55.5*4/5
SAVE solution 2
END
MIX 1
2
5.0
# Aumentar el volumen hasta 1 kg de agua
SAVE solution 3
END
USE solution 3
EQUILIBRIUM_PHASES
# precip. yeso y calcita
calcite 0.0
gypsum 0.0
END
Procesos: evaporación
Procesos: evaporación
PROBLEMA MG8: evaporación de agua de mar
 Los cambios siempre afectan al total del componente i, no a
cada una de las especies acuosas:
Ti
k 1
  Ti
k
 1
Procesos: evaporación
Ti
Ti
no
saturación
minerales?
sí
Sistema de ecuaciones:
-balance de masas
-equilibrio
ci
Ti
mp
acumulación
sedimento
Procesos: evaporación
log mineral ( m)
1
dolomita
0
yeso+anhidrita
-1
halita
-2
-3
-4
glauberita
Na2Ca(SO4)2
polihalita
K2MgCa2(SO4)4·2H2O
hexahidrita
MgSO4·6H2O
-5
-6
log soluto ( mol/kgw)
1.0
0
50
100
150
200
Na
cuencas evaporadas
0.0
K
Mg
-1.0
Ca
-2.0
Cl
-3.0
SO4
-4.0
CO3
-5.0
0
50
100
150
cuencas evaporadas
200
Procesos: evaporación
Procesos: evaporación
Procesos: evaporación
Descargar

Cálculo procesos