Modelling equilibrium distribution of carbonaceous ions and molecules in a heterogeneous system of CaCO_3-water-gas

Süsinikku sisaldavate ioonide ja molekulide tasakaalulise jaotuse modelleerimine heterogeenses süsteemis CaCO_3-vesi-gaasifaas

Toomas Tenno ； Ergo Rikmann ； Ivar Zekker ； Taavo Tenno ； Laura Daija ； Alexey Mashirin

《Proceedings of the Estonian Academy of Sciences》 65卷1期 (2016/03) Pp. 68-77

https://doi.org/10.3176/proc.2016.1.07

摘要

Lahustunud CO_2 osalusel kulgevad tasakaalulised protsessid on paljudes bioloogilistes ja tehnoloogilistes süsteemides väga olulised. Lahustunud CO_2 on peamine süsinikuallikas autotroofsetele organismidele, kel on suur tähtsus looduslikes ökosüsteemides ja reoveepuhastuse tehnoloogias. Piirkondadele, kus pinnase aluskivim on lubjakivi (CaCO_3), sealhulgas Põhja-Eesti, on omane pinna- ja põhjavee suhteliselt kõrge leelisus (pH ＞ 8) ning karedus. Kuigi CaCO_3-le on iseloomulik madal lahustuvuskorrutise (KSP) väärtus ja sellest tulenevalt vähene lahustuvus, toimub heterogeenses tasakaalulises süsteemis CaCO_3 ↔ CO_3 ^(2-) ↔ HCO_3 ^- ↔ H_2CO_3 ↔ CO_2 CaCO_3 lahustuvuse suurenemine, mis põhjustab pinna- ja põhjavees CO_3 ^(2-), HCO_3 ^- ning OH^- ioonide kontsentratsiooni tõusu. Käesolevas artiklis on kirjeldatud CaCO_3 (lubjakivi) osalusel kulgevaid tasakaalulisi protsesse vedeliku-gaasitahkise faasis. Ioonide ja molekulide tasakaalulist jaotust süsteemis on kirjeldatud struktuurskeemi abil. On esitatud matemaatiline mudel pH ja CO_3 2–, HCO_3 –, CO_2, Ca_2+, H^+ ning OH^- kontsentratsioonide arvutamiseks tasakaalulises süsteemis vedelfaasi erinevate CO_2 kontsentratsioonide korral, kasutades iteratsioonimeetodit. Väljatöötatud mudel on leidnud katselist kinnitust. Mudelit saab kasutada vedelfaasi kõikide koostisosade kontsentratsioonide määramiseks erinevate looduslike ja tehnoloogiliste süsteemide iseloomulikel tingimustel, põhinedes teadaolevale CO_2 kontsentratsioonile gaasifaasiga tasakaalus olevas veefaasis. Mudel kirjeldab ka CO_3 ^(2-) massiülekannet tahke ja vedela faasi ning CO_2 massiülekannet vedela ja gaasilise faasi vahel. Ioonide ja molekulide õhuga tasakaalulise süsteemi jaotuse kvantitatiivne hindamine heterogeenses süsteemis CaCO_3 ↔ CO_3 ^(2-) ↔ HCO_3 ^- ↔ H_2CO_3 ↔ CO_2 on iseloomustatav pH väärtusega 8,2, mis on iseloomulik olukorrale, kus lubjakivi (koosneb peamiselt CaCO_3-st) pinnase aluskivimina on kokkupuutel vee ning atmosfääri õhuga. Väärtus pH □ 8,2 vastab CO_2 sisaldusele vees temperatuuril t□ 25 °C, mis on tasakaalus atmosfääriõhuga (gaasifaasis), CO_2 sisaldusel P(CO_2)_G □ 390 ppm. Ioonide ja molekulide tasakaalulise jaotuse kvantitatiivne hindamine heterogeenses süsteemis CaCO_3 ↔ CO_3 ^(2-)↔ HCO_3 ^- ↔ H_2CO_3 ↔ CO_2 tuvastas iseloomuliku CaCO_3 lahustuvuse miinimumi s [CaCO_3]min□0,1 mmol/L. Mudel võimaldab hinnata inimtekkeliste protsesside mõju looduskeskkonnale ja on rakendatav keskkonnatehnoloogias, näiteks reoveepuhastuses (sealhulgas lämmastikuärastusel biometaani tootmisel tekkiva vädu töötlemisel). Mudel võimaldab arendada innovaatilisi CO_2 kontsentratsiooni mõõtmise meetodeid, mis on uurimisgrupi üks tulevaste uuringute teemasid.

並列摘要

Equilibrium processes involving dissolved CO_2 play a vital role in many biological and technological systems. Dissolved CO_2 is an available carbon source for autotrophic organisms that have great natural and technological relevancy. In many places, including northern Estonia, the soil bedrock is limestone (CaCO_3), which has a relatively small ion product and hence low solubility. However, in the equilibrium system CaCO_3 ↔ CO_3^(2-) ↔ HCO_3^- ↔ H_2CO_3 ↔ CO_2 the solubility of CaCO_3 is elevated, which causes a relatively high alkalinity (pH ＞ 8) of surface and ground water as a result of increased concentration of CO_3^(2-), HCO_3^-, and OH^- ions. In this paper the equilibrium processes involving CaCO_3 (limestone) in liquid-gas-solid phase systems are described. The equilibrium distribution of ions and molecules in the system is described on the basis of a structural scheme. A mathematical model is presented for the calculation of pH and concentrations of ions and molecules in the equilibrium system CO_3^(2-), HCO_3^-, CO_2, Ca^(2+), H^+, and OH^- at different concentrations of CO_2 in its liquid phase using an iteration method. The developed model was experimentally validated.

並列關鍵字

calcium carbonate ； carbon dioxide ； water ； equilibrium ； ternary system