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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
slide1

Curso Modelos Geoquímicos, UPC

Cálculo de procesos

Carlos Ayora

Instituto de Ciencias de la Tierra Jaume Almera, CSIC

cayora@ija.csic.es

slide2

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
slide3

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
slide5

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

slide6

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

slide7

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

slide8

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

slide9

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

slide10

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:
slide11

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

slide13

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

slide14

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

slide17

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
slide18

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

slide20

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.

slide21

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

slide23

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:
slide24

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

slide26

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:
slide27

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

slide28

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

slide29

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:
slide30

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

slide31

saturación

minerales?

Sistema de ecuaciones:

-balance de masas

-equilibrio

Procesos: evaporación

Ti

Ti

no

ci

mp

acumulación

sedimento

Ti