Příklad h euristick ého model u pro modelování chemických reakcí v proudící tekutině

Příklad heuristickéhomodelu pro modelování chemických reakcí v proudící tekutině J. Šembera Výzkumné centrum Pokročilé sanační technologie a procesy Technická univerzita v Liberci

Obsah (pouze jeden z příkladů prezentovaných ve sborníku) • Motivace • Definice úlohy • Přehled možných přístupů řešení • Příklad • Závěr

Motivace 13 let zkušeností TUL s modelováním podzemního proudění a transportu rozpuštěných látek: • Sanace vyluhovacích polí ve Stráži pod Ralskemvytěžením kontaminace • Komunikace mezi vrty v lokalitě Potůčky • Model hydrologie lokality Melechov • Termální prameny v Cajamarce • ...Od roku 2005 práce na vývoji geochemických modelů: • Sanace vyluhovacích polí neutralizací in-situ • Sanace lokality Kuřivody in-situ železnými nanočásticemi • Sanace in-situ manganistanem draselným • ...

Problém • PMKP • SHMKP • MKP/MKD Darcyhoproudění Transport s chemickými interakcemi difúze/ disperze adsorpce advekce kinetické reakce zdroje • MKO • MKO/MKP • rozdělení operátoru rovnovážné reakce

Vlastnosti problému 1/4 (řešení rovnovážných reakcí) • Nelinearita:Chemická rovnice j:Rovnovážnýkonstanta:Nelineární rovnice:kde a • Termodynamické parametry:

roztok B roztok C pH (20 C) 6.63 1.13 Eh (abs) (20 C) mV 396 661 El. vodivost mS/m 374 4660 hustota g/cm3 1.008 1.056 TDS [mg/l] 2970 70580 NH4 [mg/l] 2.12 1126 Na [mg/l] 190 16 K [mg/l] 29.8 79.5 Mg [mg/l] 0.33 50.6 Ca [mg/l] 704 268 Fe [mg/l] < 0.05 1150 Al [mg/l] < 0.5 7960 NO3 [mg/l] 82 120 F [mg/l] 1.4 330 Cl [mg/l] 630 15 PO4 [mg/l] 0 350 SO4 [mg/l] 1134 57960 H2SO4 [mg/l] 0 7313 As [mg/l] 0 11 Be [mg/l] 0 1 Cr [mg/l] 0 14.4 Mn [mg/l] 0 11.7 Ni [mg/l] 0 23.1 SiO2 [mg/l] 0 140 U [mg/l] 0 15.7 V [mg/l] 0 19 Zn [mg/l] 0 52.2 Vlastnosti problému 2/4 • Citlivost: závislost teoretického pH technologickýchroztokůze Stráže pod Ralskem na obsahu SO4.

Vlastnosti problému 3/4 • Citlivost: závislost pH na obsahu SO4:

roztok B roztok C pH (20 C) 6.63 1.13 Eh (abs) (20 C) mV 396 661 El. vodivost mS/m 374 4660 hustota g/cm3 1.008 1.056 TDS [mg/l] 2970 70580 NH4 [mg/l] 2.12 1126 Na [mg/l] 190 16 K [mg/l] 29.8 79.5 Mg [mg/l] 0.33 50.6 Ca [mg/l] 704 268 Fe [mg/l] < 0.05 1150 Al [mg/l] < 0.5 7960 NO3 [mg/l] 82 120 F [mg/l] 1.4 330 Cl [mg/l] 630 15 PO4 [mg/l] 0 350 SO4 [mg/l] 1134 57960 H2SO4 [mg/l] 0 7313 As [mg/l] 0 11 Be [mg/l] 0 1 Cr [mg/l] 0 14.4 Mn [mg/l] 0 11.7 Ni [mg/l] 0 23.1 SiO2 [mg/l] 0 140 U [mg/l] 0 15.7 V [mg/l] 0 19 Zn [mg/l] 0 52.2 Vlastnosti problému 4/4 • Složitost: 22 měřených látek se vzájemnými rovnovážnými reakcemi => mnoho desítek termodynamických parametrů

Řešení rovnovážných reakcí 1/4 • Hotové kódy PHREEQC, Geochemist’s Workbench, MINEQL,CHAQS, CHESS, HARPHRQ, JESS, ... Výhody: Hotové, vyzkoušené, osvědčené, univerzální Nevýhody: objemné databáze, špatná znalost vnitřní struktury (numerika/algoritmy), pomalé, maximálně 1D transport.

Řešení rovnovážných reakcí 2/4 • Hotové kódy • Vlastní kódy pro přesný výpočet Výhody: Dobrá znalost vnitřní struktury, menší databáze Nevýhody: Nevyzkoušené, neuniverzální, pomalé, maximálně 2D transport.

Řešení rovnovážných reakcí 3/4 • Hotové kódy • Vlastní kódy pro přesný výpočet • Vlastní zjednodušené semi-heuristické modely Výhody: Dobrá znalost vnitřní struktury, několik parametrů, dost rychlé pro 3D transport. Nevýhody: Nevyzkoušené, jednoúčelové

Řešení rovnovážných reakcí 4/4 • Používáme PHREEQC, Geochemist’s Workbench • Programujeme své „přesné kódy“na základě dvou formulací rovnováh • Stavíme jednoúčelové modely • testujeme, porovnáváme a kombinujeme všechny přístupy

Příklad zjednodušeného modelu Dvě metody odhadu pH směsi dvou či více roztoků:1. Jednoduché míchání (předpoklad žádných reakcí): a.Smícháním roztoků 1 a 2 v poměru c1:c2 (c1+c2=1) .2. Míchání s korekcí(předp. rovnovážné disociace vody)Navíc počítáme s rovnovážnou disociační rovnicí . Potoma X splňuje rovnici

Příklad zjednodušeného modelu Porovnání jednoduchého míchání a míchání s opravou s výsledky laboratorních experimentů. Mícháníroztoků B a C, kde nedocházíke srážení.

Příklad zjednodušeného modelu Porovnání jednoduchého míchání a míchání s opravou s výsledky labor. experimentů. Míchání roztoků A a C a A a E, kde bylo pozorováno srážení.

Příklad zjednodušeného modelu Porovnání jednoduchého míchání a míchání s opravou s výsledky laboratorních experimentů. Míchání roztoků B a E, kde bylo pozorovánosrážení jinéhominerálu.

Příklad zjednodušeného modelu Hypotéza:Jednoduché míchání je dobrým odhadem pH pro míchání roztoků z DIAMO, s.p. Korekce může být použita jako indikátor srážení některých minerálů. Musí být ověřena indentifikací srážených minerálů v laboratoři a modely. V ARTEC připravujeme modely pomocí simulačních nástrojů Geochemist’s Workbench a PHREEQC.

Příklad zjednodušeného modelu Porovnání metody míchání s korekcí s výsledky PHREEQC získanýmiIng. L. Gombošem (s. p. DIAMO)

Příklad zjednodušeného modelu Aplikace jednoduchého míchání v 1D transportu pro simulaci kolonového experimentu - aplikace vytvořena Ing. V. Wasserbauerem, CSc.(s. p. DIAMO)

Závěr Abychom mohli aplikovat geochemické modely v praxi, musíme • provádět chemické a geochemické laboratorní experimenty • používat PHREEQC, Geochemist’s Workbench apod. • stavět své kódy pro „přesné výpočty“ chemických rovnováh • stavět jednoúčelové zjednodušené modely • testovat, srovnávat a kombinovatvšechny přístupy Hlavní problém: • nedostatek datpro návrh a verifikaci modelů

Příklad h euristick ého model u pro modelování chemických reakcí v proudící tekutině