Массоперенос

Массоперенос

Прикладные задачи и фундаментальные основы

Подземные воды в процессе фильтрации изменяют свой химический состав, растворяя горные породы, при поступлении загрязнителей и притока вод другого качества. Подземная вода переносит и распространяет растворенные молекулы атомы и ионы вещества на определенные пространства и территории. В связи с этим возникает ряд задач и проблем, для решения которых необходимо понимание геохимических процессов протекающих в недрах Земли. Одни из самых часто встречаемых задач представлены ниже:
-Защита подземных вод и водоносных горизонтов от загрязнения. Данные задачи решаются при соседстве водозаборов питьевых вод и токсичных заводов. Рассчитывается вероятность поступления загрязненной воды в водозабор питьевых вод. Схема загрязнения представлена ниже.

Миграция загрязнения от источника к водозабору подземных вод

Схема миграции загрязнения от источника к водозабору подземных вод

-Расчет вероятности проникновения некондиционных подземных вод в эксплуатируемый водоносный горизонт. Данная проблема актуальна для прибрежной морской полосы, где пресные подземные воды контактируют с высокоминерализованными подземными водами морей и океанов, при откачке пресных вод, начинается продвижение фронта морских вод к водозабору.
— Захоронение токсичных отходов в водоупорных пластах. В этой задаче рассчитываются резервуарные свойства водоупорных слоев, на какой период времени они смогут сдержать распространение токсичных веществ.
-Изучение образования и разрушения месторождений полезных ископаемых. Многие месторождения формируются на так называемых геохимических барьерах (зонах изменения миграционных свойств компонентов).
-Индикация подземных вод. Определение условий формирования данных подземных вод.
-Гидрогеохимические поиски месторождений. По выносу компонентов подземных вод можно рассчитать место выноса, и возможно открыть месторождение.
Решение этих задач основано на фундаментальных основах теории массопереноса и миграции веществ в подземных водах.
Также в результате процессов массопереноса формируется агрессивность подземных вод. Процессами, отвечающими за массоперенос (миграцию) вещества подземными водами, являются: конвекция, молекулярная диффузия и гидродисперсия. Эти процессы сопровождаются физико-химическим взаимодействием подземных вод, газов и грунтов. Процессы, сопровождающие миграцию гетерогенных системах: сорбция, ионный обмен, растворение, выщелачивание, осаждение, деятельность микроорганизмов. Процессы сопровождающие миграцию в гомогенных системах: окислительно — восстановительные реакции, кислотно-щелочные взаимодействия, комплексообразование.
Основной причиной протекания указанных выше процессов, является существование различия концентраций компонента вещества. Т.е. в одном месте водоносного горизонта он выше, чем в другом. Функцией, отвечающей за направление самопроизвольных процессов, является «химический потенциал». По мере протекания химического процесса, химический потенциал стремится выровняться. Т.е. концентрации веществ в различных частях системы (порода – вода, источник загрязнения – вода, концентрация воды пресной и высокоминерализованной и т.п.) стремятся выровняться до равновесного состояния.
Ниже будут более подробно описаны процессы, отвечающие за миграцию вещества (массоперенос).

Молекулярная диффузия

Молекулярная диффузия, является процессом самопроизвольного перемещения молекул вещества, стремящегося к выравниваю химического потенциала, а также к стабилизации концентраций. Источником молекулярной диффузии является тепловое, беспорядочное передвижение атомов, молекул и ионов вещества. Наглядное представление диффузии ниже.

Схема молекулярной диффузии

Схема молекулярной диффузии

Молекулярная диффузия определяется законом Фика:
Jd=-Dm*(dc/dl)*S*dt, где
Jd — диффузионный поток;
Dm- коэффициент молекулярной диффузии, характеризующий подвижность водорастворенных компонентов при их миграции в пористой среде под действием разности химических потенциалов;
dc/dl – градиент изменения концентрации вещества;
dt – время;
S-площадь сечения.
Коэффициент молекулярной диффузии характеризует тот объем вещества, который прошел за счет молекулярной диффузии через площадь равную 1 см2 за одну секунду при градиенте концентрации, составляющим единицу. Единицей измерения коэффициента диффузии в системе СИ, являются квадратные сантиметры в секунду. Данная характеристика – константа, не зависящая от проникновения в среду и скорости проникновения. Знак минус перед Dm означает, что вещество перемещается в направлении уменьшения концентрации.
Молекулярно-диффузионный перенос особенно важен при небольших скоростях фильтрации, в первую очередь при переносе через слабопроницаемые образования. При миграции вещества в пластах с различной проницаемостью (прослоями и линзами глин в песчаных отложениях, пористыми блоками и трещинами), молекулярная диффузия действует как фактор, направленный на выравнивание концентраций, обуславливая отток вещества из более проницаемых элементов (по которым идет основной конвективный перенос) к менее проницаемым. В результате она способствует образованию на фронте вытеснения одного раствора другим переходной зоны с постепенно меняющейся концентрацией и снижает скорость его перемещения.
При отсутствии разницы концентрации вещества, молекулярная диффузия может происходить за счет геополей, образующих разницу в температуре, электрическом потенциале и давлении. Такие виды диффузии называются по характеру источника возникновения: термодиффузией и бародиффузией.

Дисперсионный перенос

Механическая дисперсия (гидродисперсия) вещества объясняется эффектами: динамическим и кинематическим. Динамический эффект – локальная изменчивость поля скоростей фильтрации. Кинематический эффект – ветвление траектории движения. Другими словами при рассмотрении в крупном масштабе каждой поры и трещины водоносного горизонта, происходит изменение направления и скорости каждой отдельной струйки воды. Схема дисперсии представлена ниже.

Схема механической дисперсии

Данный процесс определяется законом Фика, однако вместо коэффициента молекулярной диффузии Dm используется другой параметр — коэффициент механической дисперсии Dd.
При больших скоростях фильтрации величина коэффициента механической дисперсии может превосходить коэффициент молекулярной диффузии. Сходство математического описания процессов привело к объединению этих двух коэффициентов в суммарный – коэффициент дисперсии.
D=Dm+Dd.
Соответственно, данный коэффициент используется в законе Фика.
Дисперсия может происходить как по потоку, так и в перпендикулярном к нему направлении. Такая дисперсия называется поперечной.

Конвективный перенос

Конвективный перенос – механический перемещение вещества под действим разницы напоров жидкости. Проще говоря, перенос вещества происходит фильтрационным потоком. При этом скорость распространения потока происходит со скоростью Vd, связанной со скоростью фильтрации V соотношением:
Vd=V/n,
где n является активной пористостью.
На основании закона Дарси, можно вывести формулу для определения скорости распространения потока:
Vd=(k*I)/n,
где k- коэффициент фильтрации,
I – градиент напора.
Таким образом, согласно приведенной выше формуле получается среднестатистическая скорость фильтрационного потока (распределение скоростей микро струек воды не учитывается). При такой сущности процесса конвективный перенос характеризуется резкой границей между вытесняющей и вытесняемой жидкостью, т.е. перемешивания нет, в динамике подземных вод это называется эффектом поршневого вытеснения. Модель поршневого вытеснения широко используется в гидродинамике при решении различных задач, связанных с изменением качества подземных вод, под влиянием поступления в них загрязняющих веществ, морских вод и т.п. Схема представлена ниже

Схема поршневого вытеснения жидкостей с одинаковой плотностью (а), жидкостей с разной плотностью (б)

При конвекции, количество переносимого вещества пропорционально его концентрации и скорости движения среды,
Jk=CV, где Jk-конвективный поток, С-концентрация вещества, v-скорость потока.
В реальных гидрогеологических условиях конвективный перенос сопровождается молекулярно-диффузионными процессами и в таком случае совокупность обоих видов переноса (молекулярно-диффузионного и конвективного) описывается понятием конвективной диффузии.
Суммарный удельный поток вещества при конвективной диффузии имеет вид:
J=CV-DmgradC, где
CV-конвективный поток;
DmgradC – молекулярно-диффузионный поток.
Следовательно, суммарный поток складывается из конвективного переноса со среднестатичстическрй скоростью фильтрации V и переноса молекулярной диффузией с коэффициентом диффузии Dm.

Опытно-миграционные работы

Характеристики и величины, используемые для расчета конвекции, гидродисперсии и молекулярной диффузии определяются с помощью особого вида исследований – опытно-миграционных работ, связанных с пуском индикатора в водоносный горизонт.
Только тщательно проведенные работы и кропотливо выполненные камеральные работы, выполненные с помощью аналитических зависимостей и численных методов моделирования, могут дать надежные результаты для определения условий захоронения токсичных веществ, определения ореола, направлений и скоростей движения загрязнителя подземных вод и поиска месторождений.

Рубрики: Химический состав подземных вод
Метки: ,

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

 

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>