Сорбция. Простая модель однокомпонентной сорбции. Изотермы сорбции. Оценки сорбционной емкости дисперсных пород. Сорбция органических веществ и микроорганизмов. Биопленки

Процесс элиминации одного компонента, часто исследуется как его адсорбция и определяется зависимостью концентрации компонента в твердой фазе N от его концентрации в жидкой фазе C при условии равновесия процесса. Эта зависимость называется изотермой сорбции N = f(C). Понятие сорбция часто объединяет в себе все процессы элиминации веществ из подземной воды. При выводе изотермы сорбции, в отличие от ионного обмена, полагают, что полная сорбционная емкость состоит из активных центров, часть из которых занята сорбированными ионами, а часть «свободна». На самом деле свободных активных центров, имеющих определенный заряд, например отрицательный при сорбции катионов, существовать не может, они все заняты другими, «не интересующими» нас в решаемой задаче ионами. Однокомпонентная сорбция. Рассматриваемая гидрогеохимическая система содержит z-зарядный катион M^z+ в растворе (подземной воде), а в твердой фазе свободные активные центры X^–и занятые активные центры M_μX (μ=1/z). Общее количество активных центров (сорбционная емкость) N^T. Уравнение сорбции и константа равновесия записываются в виде μM+X=M_μX; , где C_M - концентрация металла в воде, моль/л, N_X и N_M - концентрации свободных и занятых металлом активных центров в твердой фазе, моль/дм³ породы или моль/кг. Сорбционная емкость имеет ограниченное количество свободных и занятых металлом активных центров (баланс активных центров) N^T = N_X + N_M, откуда можно выразить концентрацию незанятых центров N_X = N^T – N_M. Изотермы сорбции: Ленгмюра (μ=1) ; Фрейндлиха (KC_M^μ →0) ; Генри (KC_M → 0, μ=1) , где K_F – коэффициент распределения Фрейндлиха, K_d – коэффициент распределения линейной изотермы Генри. Наиболее часто используются изотермы Генри и Фрейндлиха.

Коэффициент распределения, наиболее часто употребляемая характеристика сорбции, имеет различные размерности для разных выражений концентрации компонента в породе и в воде. Для подземных вод чаще всего пользуются единой размерностью, определяемой количеством массы растворенного компонента в единичном объеме воды (г/л, моль/л). Полная или предельная величина сорбционной емкости пород увеличивается с возрастанием удельной поверхности твердой фазы доступной для реакции. Так для дисперсных пород сорбционная емкость падает от супесей (K_d=1000) к крупнозернистым пескам (K_d=20). В среднем для супесей она в 50 раз больше чем для чистых песков, но в среднем только в 6 раз больше чем для песков с кальцитом в виде пленок (K_d=180). Такое увеличение сорбционной емкости песков с кальцитом по отношению к чистым пескам почти в 10 раз объясняется хемосорбцией. При увеличении рН возрастает коэффициент распределения.

Органические соединения, растворенные в подземных водах в виде электронейтральных веществ, могут сорбироваться по принципу гидрофобного эффекта. Их растворимость, достаточно низкая, зависит от степени притяжения полярных молекул воды. Преимущественным сорбентом является твердое органическое вещество пород, аналитическим выражением которого чаще всего является твердый органический углерод ОУ. Осредненная связь коэффициентов распределения, определенных при использовании количества твердой фазы в виде органического вещества Kom или органического углерода Koc пород выражается через отношение массы углерода к массе всего органического вещества, содержащего этот углерод. Для обобщенного органического вещества

Koc = 1,724Kom. Коэффициент Kow представляет собой равновесное распределение вещества между октанолом и водой в контакте с ним. Этот коэффициент измерен для большого количества органических соединений, поэтому многие исследователи определяли соотношения между ним и Koс. Общий вид уравнения связи lgKoc = A⋅lgKow + b, значения коэффициентов А и b, определяются свойствами химических веществ.

Сорбция микроорганизмов. Экспериментальные исследования миграции патогенных микроорганизмов в песках, обнаружили существование их сорбции, зависящей от вида организмов, состава пород и скорости потока. На способность сорбции влияет подвижность микроорганизмов. Подвижные организмы сорбируются хуже неподвижных. Большое влияние оказывает концентрация организмов в начале пути миграции. Отмечается, что при повышении скорости фильтрации в 2-4 раза после сорбции организмов происходит их частичная десорбция. Экспериментально показано, что в общем случае при миграции в подземных водах сорбция микроорганизмов является неравновесным процессом и описывается уравнением , где индекс X указывает на концентрацию микроорганизмов в шт/л.

Сорбция микроорганизмов является началом формирования биопленок на поверхности раздела жидкой и твердой фаз. Процесс формирования биопленки имеет несколько стадий: 1) cорбция из раствора органических веществ с образованием макромолекулярной пленки на твердой (чистой) поверхности пород; 2) транспорт микроорганизмов к поверхности; 3) начальное прилипание бактерий (адгезия) – обратимый физико-химический процесс; 4) необратимое присоединение – происходит после некоторого критического времени пребывания микробов на поверхности; 5) образование колоний на поверхности – рассматривается как необратимая сорбция бактерий; 6) образование слоя бактерий до относительно стабильного состояния при существующем подтоке субстрата и скорости отмирания организмов; 7) разрушение биопленок.

Билет 11.