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Cálculo de procesos

Curso Modelos Geoquímicos, UPC. Cálculo de procesos. Carlos Ayora Instituto de Ciencias de la Tierra Jaume Almera, CSIC cayora@ija.csic.es. Procesos (reaction paths). Disolución de un mineral o gas hasta equilibrio - Perturbación conocida de un componente:

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Presentation Transcript

  1. Curso Modelos Geoquímicos, UPC Cálculo de procesos Carlos Ayora Instituto de Ciencias de la Tierra Jaume Almera, CSIC cayora@ija.csic.es

  2. 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

  3. 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= 55.65) • Modificación de las ecuaciones de balance de masas • 2 nuevas incógnitas: mCC ymCO2(g) • 2 nuevas ecuaciones de equilibrio

  4. Procesos: disolución de mineral-gas hasta eq. X

  5. 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 mCO2(g)= 4.87e-4 m mCO2(g)= 4.93e-4 m pH= 8.28 TC= 9.80e-4 m TCa= 4.93e-4 m

  6. 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 pH= 5.659 TC= 1.296e-05 m pH= 9.841 TC= 1.363e-04 m TCa= 1.233e-04 m

  7. 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: Ejemplo: añadir va moles de H2SO4 o vb moles de NaOH

  8. Procesos: valoración ácido-base TITLE MG5: valoración ácida SOLUTION 1 units mol/kgw pH 11.0 density 1. # defecto temp 25.0 # defecto C 0.005 SAVEsolution 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

  9. Procesos: valoración ácido-base TITLE MG5: valoración ácida SOLUTION 1 units mol/kgw pH 11.0 density 1. # defecto temp 25.0 # defecto C 0.00001 SAVEsolution 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

  10. 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 8 mmol de calcita. Suponer que el agua siempre está en equilibrio con la atmósfera. • Añadir al sistema va moles conocidas de mineral:

  11. Procesos: disolución mineral TITLE MG12: Neutralización de 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 Fe 198.0 Al 92.2 Cl 35.0 C 100.0 CO2(g) -3.5 S(6) 2820.0 as SO4 REACTION 1 calcite 1.0 0.015 mol in 50 steps EQUILIBRIUM_PHASES gypsum 0.0 0.0 al(oh)3(a) 0.0 0.0 fe(oh)3(a) 0.0 0.0 SELECTED_OUTPUT -file MG12.xls -totals Fe Al S(6) Ca -equilibrium gypsum fe(oh)3(a) al(oh)3(a) -saturation_indices gypsum fe(oh)3(a) al(oh)3(a) END

  12. Procesos: disolución mineral

  13. 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 e 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 0.0 Anhydrite CaSO4= Ca+2 + SO4-2 log_k -4.36 delta_h -1.710 kcal -analytic 197.520 0.0 -8669.8 -69.835 0.0

  14. 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 F:\cursIGME_2006\Problemas\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 F:\cursIGME_2006\Problemas\MG14b.xls -temperature -totals Ca S(6) END

  15. Procesos: variación de solubilidad con temperatura

  16. Procesos:

  17. 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

  18. Procesos: variación de solubilidad con salinidad TITLE MG15--Solubilidad de yeso y CO2(g)con salinidad (Pitzer y Truesdell-Jones) SOLUTION 1 Pure water pH 7.0 temp 25.0 EQUILIBRIUM_PHASES 1 Gypsum 0.0 CO2(g) -3.5 REACTION NaCl 1.0 6.0 in 51 steps EQUILIBRIUM_PHASES 1 Gypsum 0.0 CO2(g) -3.5 SELECTED_OUTPUT -file MG15.xls -totals Na Ca C END

  19. Procesos: variación de solubilidad con salinidad

  20. Procesos: mezcla de aguas PROBLEMA MG9: Una descarga ácida de una mina de 20 L/s y pH 3.61 va a parar a un río de 130 L/s y pH=8.3. Calcular la alcalinidad y pH de la mezcla aguas abajo. Suponer que el agua siempre está en equilibrio con la atmósfera. • Los cambios siempre afectan al total del componente i, no a cada una de las especies acuosas: Esto es especialmente evidente en el pH y la alcalinidad.

  21. Procesos: mezcla de aguas 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 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 Repetir para cada mezcla

  22. Procesos: mezcla de aguas

  23. 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:

  24. Procesos: mezcla de aguas TITLE MG7, Mezcla de agua continental y marina TITLE Agua continental SOLUTION 3 pH 7.0 temp 25.0 EQUILIBRIUM_PHASES CO2(g) -2.0 calcite 0.0 SAVE solution 3 END TITLE Agua marina SOLUTION 4 units ppm pH 8.22 Ca 412.3 Mg 1291.8 Na 10768.0 K 399.1 Cl 19353.0 Alkalinity 141.682 as HCO3 S(6) 2712.0 as SO4 EQUILIBRIUM_PHASES CO2(g) -2.0 calcite 0.0 SAVEsolution 4 END TITLE Mezcla 90% agua cont.y 10% marina MIX 1 Mezcla 90/10 3 0.9 4 0.1 SAVE SOLUTION 1 END USE solution 1 EQUILIBRIUM_PHASES calcite 0.0 END Repetir para cada mezcla

  25. Procesos: mezcla de aguas

  26. 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:

  27. 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 SAVEsolution 3 END USE solution 3 EQUILIBRIUM_PHASES# precip. yeso y calcita calcite 0.0 gypsum 0.0 END

  28. 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 SAVEsolution 3 END USE solution 3 EQUILIBRIUM_PHASES# precip. yeso y calcita calcite 0.0 gypsum 0.0 END Calcita= 8.671e-04 mol/kgw Yeso= 1.111e-03 mol/kgw

  29. 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:

  30. Procesos: evaporación TITLE Evaporación hasta 5*conc. agua marina+ precip. yeso, calcita SOLUTION 1 units ppm pH 8.22 Ca 412.3 Mg 1291.8 Na 10768.0 K 399.1 Cl 19353.0 Alkalinity 141.682 as HCO3 S(6) 2712.0 as SO4 REACTION 1 # Concentrar 5*, quitar 4/5 of H2O H -2 O -1 #H2O -1.0 44.4072 SAVE solution 2 END MIX 1 2 5.0 # Aumentar el volumen hasta 1 kg de agua SAVEsolution 3 END USE solution 3 EQUILIBRIUM_PHASES# precip. yeso y calcita calcite 0.0 gypsum 0.0 END

  31. saturación minerales? Sistema de ecuaciones: -balance de masas -equilibrio Procesos: evaporación Ti Ti no sí ci mp acumulación sedimento Ti

  32. Procesos: evaporación

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