Curso Modelos Geoqumicos UPC Clculo de procesos Carlos

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: - Valoración de acidez o alcalinidad - Disolución conocida de mineral o gas -Perturbación de todos los componentes: - Mezcla de soluciones - Evaporación

Procesos: disolución de mineral-gas hasta eq. PROBLEMA MG 4: calcular la masa de calcita que necesita disolver el agua de lluvia para llegar al equilibrio ® Agua destilada: Tiinicial conocido (=0 excepto TH 2 O= 55. 51) ® Modificación de las ecuaciones de balance de masas ® 2 nuevas incógnitas: m. CC y m. CO 2(g) ® 2 nuevas ecuaciones de equilibrio

Procesos: disolución de mineral-gas hasta eq.

Procesos: disolución de mineral-gas hasta eq. TITLE MG 4: equilibrio agua de lluvia-calcita SOLUTION 1 units mol/kgw p. H 7. 0 # defecto density 1. # defecto temp 25. 0 # defecto EQUILIBRIUM PHASES CO 2(g) -3. 5 calcite 0. 0 END m. CO 2(g)= 4. 87 e-4 m m. CO 2(g)= 4. 93 e-4 m p. H= T C= TCa= 8. 28 9. 80 e-4 m 4. 93 e-4 m

Procesos: disolución de mineral-gas hasta eq. TITLE MG 4=Agua de lluvia en eq. con calcita SOLUTION 1 EQUILIBRIUM_PHASES p. H= CO 2(g) -3. 5 SAVE solution 2 T C= END USE SOLUTION 2 EQUILIBRIUM_PHASES calcite 0. 0 END p. H= T C= TCa= 5. 659 1. 296 e-05 m 9. 841 1. 363 e-04 m 1. 233 e-04 m

Procesos: valoración ácido-base PROBLEMA MG 5: calcular la evolución del p. H 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 H 2 SO 4 o vb moles de Na. OH

Procesos: valoración ácido-base TITLE MG 5: valoración ácida SOLUTION 1 units mol/kgw p. H 11. 0 density 1. # defecto temp 25. 0 # defecto C 0. 005 SAVE solution 1 REACTION 1 HCl 0. 1 0. 2 moles in 50 steps SELECTED_OUTPUT -file MG 5. sel -p. H -molalities CO 2 HCO 3 -2 -totals Cl END

Procesos: valoración ácido-base TITLE MG 5: valoración ácida SOLUTION 1 units mol/kgw p. H 11. 0 density 1. # defecto temp 25. 0 # defecto C 0. 00001 SAVE solution 1 REACTION 1 HCl 0. 1 0. 2 moles in 50 steps SELECTED_OUTPUT -file MG 5. sel -p. H -molalities CO 2 HCO 3 -2 -totals Cl END

Procesos: disolución mineral PROBLEMA MG 12: 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 p. H y la masa de Fe(OH)3, Al(OH)3 y yeso, que precipitarán al disolver 1. 5 kg de calcita en 1 m 3 de agua ácida. Suponer que el agua siempre está en equilibrio con la atmósfera. ® Añadir al sistema va moles conocidas de mineral:

Procesos: disolución mineral units p. H Ca Mg Na Fe Al Cl S(6) ppm 3. 1 489. 3 69. 8 58. 0 198. 0 92. 2 35. 0 2820. 0 as SO 4

Procesos: variación de solubilidad con temperatura PROBLEMA MG 14: Variación de la solubilidad con la temperatura: - Calcular la solubilidad (mol Ca. SO 4/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 en la base de datos termodinámica: Gypsum Ca. SO 4: 2 H 2 O = Ca+2 + SO 4 -2 + 2 H 2 O log_k -4. 58 delta_h -0. 109 kcal -analytic 68. 2401 0. 0 -3221. 51 -25. 0627 Ca. SO 4 = Ca+2 + SO 4 -2 log_k -4. 36 delta_h -1. 710 kcal -analytic 197. 520 0. 0 -69. 835 0. 0 Anhydrite -8669. 8 0. 0

Procesos: variación de solubilidad con temperatura TITLE MG 14 ab--Solubilidad del yeso y anhidrita con temperatura SOLUTION 1 Pure water p. H 7. 0 temp 25. 0 REACTION_TEMPERATURE 1 0. 0 100. 0 in 51 steps EQUILIBRIUM_PHASES 1 Gypsum 0. 0 SELECTED_OUTPUT -file MG 14 a. 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 MG 14 b. xls -temperature -totals Ca S(6) END

Procesos: variación de solubilidad con temperatura

Procesos:

Procesos: variación de solubilidad con salinidad PROBLEMA MG 15: Variación de la solubilidad con la salinidad: - Calcular la solubilidad de yeso y de CO 2 atmosférico para salinidades de 0 a 6 m Na. Cl ® 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

Procesos: variación de solubilidad con salinidad TITLE MG 15 --Solubilidad de yeso y CO 2(g)con salinidad (Pitzer y Truesdell-Jones) SOLUTION 1 Pure water p. H 7. 0 temp 25. 0 EQUILIBRIUM_PHASES 1 Gypsum 0. 0 REACTION Na. Cl 1. 0 6. 0 in 51 steps SELECTED_OUTPUT -file MG 15 a. xls -totals Na Ca SOLUTION 2 Pure water p. H 7. 0 temp 25. 0 EQUILIBRIUM_PHASES 1 CO 2(g) -3. 5 SELECTED_OUTPUT -file MG 15 b. xls -totals Na C END

Procesos: variación de solubilidad con salinidad

Procesos: mezcla de aguas PROBLEMA MG 9: Una descarga ácida de una mina va a parar a un río. Calcular la alcalinidad y p. H de todo el rango de mezclas aguas abajo. Suponer que las aguas siempre están 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 p. H y la alcalinidad.

Procesos: mezcla de aguas TITLE Agua de rio SOLUTION 4 units ppm p. H 6. 7 p. E 3. 0 O 2(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 HCO 3 S(6) 310 as SO 4 SAVE SOLUTION 4 END TITLE Agua de mina SOLUTION 5 units ppm p. H 3. 1 p. E 16. 0 O 2(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 CO 2(g) -3. 5 S(6) 2820. 0 as SO 4 SAVE solution 5 END MIX 1 Mezcla 90/10 4 0. 9 5 0. 1 SAVE solution 1 END Repetir para cada mezcla

Procesos: mezcla de aguas

Procesos: mezcla de aguas PROBLEMA MG 7: Calcular el índice de saturación respecto a la calcita de las mezclas de un agua continental y otra marina ambas saturadas en calcita. Calcular la masa de calcita que precipitaría por cada kg de agua. ® Los cambios siempre afectan al total del componente i, no a cada una de las especies acuosas:

Procesos: mezcla de aguas Agua continental : equilibrada con p. CO 2= 2 (suelo vegetal) y con calcita Agua marina: units ppm p. H 8. 22 Ca Mg Na K Cl Alkalinity S(6) 412. 3 1291. 8 10768. 0 399. 1 19353. 0 141. 682 as HCO 3 2712. 0 as SO 4

Procesos: evaporación PROBLEMA MG 8: 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:

Procesos: evaporación TITLE Evaporación hasta 5*conc. agua riego + precip. yeso, calcita SOLUTION 5 units ppm p. H 6. 9 pe 13 o 2(g) -0. 67 Ca 214 Mg 102 Na 509 K 88 Cl 955 C 1 co 2(g) -2. 0 S(6) 575 as SO 4 REACTION 1 # Concentrar 5*, quitar 4/5 of H 2 O H -2 O -1 #H 2 O -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 SAVE solution 3 END USE solution 3 EQUILIBRIUM_PHASES # precip. yeso y calcita calcite 0. 0 gypsum 0. 0 END

Procesos: evaporación TITLE Evaporación hasta 5*conc. agua riego + precip. yeso, calcita SOLUTION 5 units ppm p. H 6. 9 pe 13 o 2(g) -0. 67 Ca 214 Mg 102 Na 509 K 88 Cl 955 C 1 co 2(g) -2. 0 S(6) 575 as SO 4 REACTION 1 # Concentrar 5*, quitar 4/5 of H 2 O H -2 O -1 #H 2 O -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 SAVE solution 3 END USE solution 3 EQUILIBRIUM_PHASES # precip. yeso y calcita calcite 0. 0 gypsum 0. 0 END Calcita= 8. 671 e-04 mol/kgw Yeso= 1. 111 e-03 mol/kgw

Procesos: evaporación PROBLEMA MG 8: evaporación de agua de mar ® Los cambios siempre afectan al total del componente i, no a cada una de las especies acuosas:

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

Procesos: evaporación Na 2 Ca(SO 4)2 K 2 Mg. Ca 2(SO 4)4· 2 H 2 O Mg. SO 4· 6 H 2 O