34. Физико-химические факторы формирования химического состава природных вод

Физико-химические факторы формирования состава природных вод

Обогащение природной воды тем или иным элементом определяется не только его общим содержанием в породах и почвах, но и миграционной способностью, т.е. способностью к перемещению, зависящей от физико-химических констант данного иона и условий среды.

Подвижность гидратированных ионов тем больше, чем меньше ионные радиусы и валентность.

По значению этих параметров миграционная способность основных ионов может быть представлена в виде следующей последовательности:

Однако в зависимости от характера среды подвижность ионов резко меняется.

Так, нитраты вследствие усвоения их растениями и процессов денитрификации в реальных условиях имеют низкую миграционную способность.

Только в специфических условиях они способны накапливаться в грунтовых водах.

Подвижность калия значительно ниже, чем у кальция и магния, вследствие поглощения его растениями и животными.

Миграционная способность элементов в значительной степени зависит от рН выпадения гидроксидов.

Многие химические элементы подвижны в широком диапазоне рН и могут интенсивно мигрировать как в кислой, так и в щелочной среде (Na+, K+, Li+, F-, Cl-, Br-, I- и др.).

Значение рН осаждения гидроксидов для одного и того же элемента зависит от его концентрации в растворе, и в разбавленных растворах осаждение начинается при более высоких рН.

Например, при содержании цинка 10мкг/л рН выпадения его гидроксида равняется 9,5, а рН выпадения меди при содержании 1 мкг/л равно 8.

Гидролиз анионов HCO3-, CO32-, HS-, H2BO3-, H3SiO4- приводит к связыванию ионов водорода и освобождению ионов OH- , т.е. к повышению рН воды.

Гидролиз катионов Fe3+, Cu2+, Fe2+, Al3+, Zn2+ и др. напротив сопровождается увеличением кислотности воды, т.е. уменьшением величины рН.

Скорость гидролиза возрастает с ростом температуры природных вод.

Одним из наиболее быстро протекающих процессов, при котором могут одновременно захватываться большие объемы взаимодействующих вод, являются процессы смешения вод.

Характер взаимодействия определяется минерализацией и химическим составом смешивающихся вод.

При смешении вод, содержащих несовместимые соли – антагонисты, например: NaHCO3 и CaSO4; Na2SO4 и CaCl2, происходит интенсивное выпадение осадка в результате реакций:

При этом формируется новая вода, не похожая на исходные воды.

Особенно сильно отражается на составе поверхностных водоемов примешивание подземных вод.

Поэтому состав воды водоема не является постоянным на всем протяжении, а может изменяться во времени и пространстве.

Существенное влияние на состав поверхностных вод оказывает смешение с промышленными и сельскохозяйственными стоками.

В глинах и глинистых породах на химическом составе воды заметно сказывается явление катионного обмена, т.е. обмена катионами между породой и контактирующего с ним водного раствора.

Интенсивность катионного обмена зависит

от степени дисперсности породы,

природы обменивающихся катионов,

рН среды,

концентрации электролитов в растворе.

Известно, что поглощение катионов при прочих равных условиях зависит от их валентности: чем выше валентность, тем сильнее они поглощаются и удерживаются породой.

Для катионов одинаковой валентности поглощение растет с ростом относительной атомной массы. По энергии обмена катионы располагаются в следующий ряд:

Из приведенной последовательности следует, что если кальциевая вода циркулирует среди пород, в поглощенном комплексе которых присутствует натрий, то кальций, обладающий большей энергией обмена, будет энергично вытеснять натрий из породы, становясь на его место.

В результате вода из кальциевой становится натриевой.

Особую роль в реакциях катионного обмена играет ион водорода.

Чем больше водородных ионов присутствует в воде, тем сильнее они препятствуют вхождению других катионов в коллоидный комплекс.

Обменная способность почвы повышается при увеличении рН раствора, с которым почва находится в равновесии.

В природных водах совершается главным образом катионный, а не анионный обмен.

Объясняется это тем, что коллоидный состав пород и почв образуется преимущественно из SiO2, Al2O3 и других отрицательно заряженных мицелл, поэтому они поглощают положительно заряженные ионы.

35. Влияние донных отложений на состав природных вод

Влияние донных отложений на состав природных вод

В формировании химического состава водной среды важную роль играют оседающие взвешенные частицы и донные отложения.

В донных отложениях создается своя среда, свойства которой зависят от расстояния до границы раздела вода – донные отложения.

В зависимости от мощности донных отложений в них могут формироваться как аэробные, так и анаэробные слои.

Значение донных отложений для водных экосистем многофакторно.

Аккумулируя ТМ, некоторые минеральные и органические вещества донные отложения способствуют самоочищению водной среды.

Эта функция донных отложений зависит от гидрохимического режима на границе раздела фаз, от степени загрязнения, дисперсности взвешенных частиц и донных отложений, содержания оксидов железа (III) и марганца (IV) и от микробиальной составляющей.

Вместе с тем донные отложения могут при определенных условиях превращаться в источник вторичного загрязнения водоемов.

Донные отложения служат для водной среды в основном источником биогенных элементов, ионов Mn2+ и частично ионов Fe3+.

Процессы трансформации биогенных и загрязняющих веществ, а также обмен с водной средой совершаются в так называемом активном слое ила, толщина которого изменяется в зависимости от свойств донных отложений от 5 до 20 см.

Высокая растворимость минеральных форм азота определяет их высокую подвижность в системе вода – донные отложения.

По отношению к фосфатам донные отложения имеют высокую аккумулирующую способность в аэробных условиях, которая значительно снижается в анаэробных условиях.

С ростом трофности водоема потоки вещества в системе вода – донные отложения возрастают: чем больше первичная продукция органического вещества, тем больше его оседает, минерализуется и возвращается в воду.

Согласно проведенным расчетам от 25 до 50% N и от 10 до 50% P из поступающих на дно при седиментации биогенов возвращаются в воду.

Время оборота N и P в системе вода – донные отложения может быть найдено по формуле:

где h - средняя глубина водоема, м;

c - средняя концентрация в воде, кг/м3;

L - поток со дна в воду (кг/м2.год).

Расчеты показывают, что для азота t = 2 - 4 года, для фосфора от года до нескольких десятков лет в зависимости от трофности водоема.

Чем более высокотрофен водоем, тем меньше время оборота P.

Для соединений азота наблюдается обратная корреляция: интенсивность обмена в системе вода – донные отложения уменьшается с ростом продуктивности водоема.

Важной характеристикой для оценки состояния водоема является окислительно-восстановительный (редокс) потенциал донных отложений.

Так, при установлении восстановительных условий в поверхностном слое ила наблюдается резкое (кратковременное) увеличения потока фосфора из донных отложений в толщу воды.

В зависимости от величины и знака редокс-потенциала (+ для окислительной среды и – для восстановительной) в донных отложениях происходит окисление или восстановление загрязняющих органических и неорганических веществ.

Важную роль во внутриводоемном круговороте окислительно-восстановительных эквивалентов играют ионы марганца.

Оксиды марганца (III, IV) не растворимы в воде и находятся в ней в виде легко коагулирующих коллоидов.

Поступая в донные отложения с оседающими частицами, в анаэробных условиях оксид марганца восстанавливается до Mn2+ , который в донных отложениях не удерживается и поступает в толщину воды, где вновь окисляется (рис.) .

Оседая, оксиды марганца весьма эффективно захватывают другие металлы ( Cu2+ , Zn2+ и др.).

Аналогичный круговорот, но менее эффективно, совершают ионы железа.

Установлено, что в окислении Mn2+ наряду с O2 и H2O2 большую роль играют бактерии.

В результате радиационного загрязнения водоемов в них происходит массовое развитие цепных свободнорадикальных процессов, что приводит к возникновению сверхокислительного состояния водной среды и донных отложений и является губительным для рыб и других водных живых организмов.