Hidrológiai Közlöny 1987 (67. évfolyam)
5-6. szám - Márkos Gergely: Hidrogeokémiai rendszerek diffúziós folyamatai. 1. rész: Alapfogalmak és a korszerű diffúzióelmélet
M ARKOS G.: Hidrogeokémiai rendszerek 257 gálatának és értelmezésének olyan összefüggésekben leg yenletekben való kidolgozására van szükség, amelyek az alábbi feltételeket kielégítik: (1) elektrolitekre is alkalmazhatók, (2) a részecskék közötti kölcsönhatások figyelembevételével a számítások a kereszteffektusokat is magukban foglalják. (3) a diffundáló részecskére ható erőtér részleteit és az összetett hatásokat vizsgálják, (4) az anyagok belső tulajdonságaira jellemző és véges sebességeket leírják, (5) a diffúziót a meghatározás értelmében hozzák összefüggésbe az erőtérrel, de más vektoriális helyváltoztatási folyamatokkal is kapcsolják, ((>) a diffundáló részecske és a diffúziós közeg közötti strukturális tulajdonságokat a szükséges megközelítéssel értékelik (a diffundákló részecskék méretei közel azonosak) a közeg szerkezeti tulajdonságait jellemző méretekkel, tehát a kontinuum leírását szolgáló összefüggések nem szükségszerűen használhatók, mint például a Stokes törvény), (7) a diffúziós együtthatók számítását lehetővé teszik. Végezetül tegyük fel a kérdést: szükséges-e az olyan bonyolult fizikai és kémiai rendszerekre, mint a porózus kőzetek vízrendszere a korszerű elméletek adta pontossági lehetőségek alkalmazása, amikor számos olyan jelenséggel is foglalkozunk, melyeket fekete dobozként kell kezelni a kielégítő ismeretek hiányában? A felelet nem egyszerű, ós valószínűleg nem minden szempontra kielégítő. Szolgáljon egy gyakorlati tapasztalat a kérdés válaszaként. Az USA EPA ós NJÍC rendelkezései megkövetelik az urán metallurgiai meddőhányók elhelyezéséhez rendkívül költséges alépítmény készítését, amelyek csupán hidrológiai szempontok alapján kerültek kidolgozásra. Példaként a Wyoming államban elhelyezett 9 aktív meddő alépítményei körülbelül tíz óv leforgása alatt nagymértékben elvesztették környezetvédelmi szerepüket, és a káros anyagok mind a 9 meddőből útban vannak a védett vízkészletek felé. Egyrészt az alkalmazott alépítmény kémiailag nem volt kompatíbilis a meddő anyagaival, másrészt az advektív áramlás megakadályozása nem vette figyelembe a valóságos diffúzió szerepét (Markos, 1984). A számítógépek használata olyan eszközöket adott kezünkbe, mellyel az elméleti ismeretek a gyakorlati felhasználásra alkalmazhatókká váltak, még a bonyolult hidrogeokémiai rendszerek viselkedésének előrejelzésére is. A meglevő tudományos ismeretek alkalmazása tehát tudományos-műszaki kötelesség és gazdaságossági szükségesség is egyben. 2. A difíúzióolmólet megalapozó fogalmai 2.1. A diffúzió meghatározása és vizsgálatának szempontjai 2.1.1 A diffúzió meghatározása A tudományos fejlődós empirikus következtetései alapján a Fourier-törvény analógiájára Fick (1855) megalapozta a diffúzió fogalmát, mely szerint anyagmozgás jön létre a koncentrációgradiens következtében; Fick első törvénye az áram és a koncentrációgradiens által vezérelt anyagmozgási folyamat között az anyagmegoszlási állandóval teremti meg a kapcsolatot. A második törvény a koncentrációgradiens változását az állandó fél használásával hozza az idővel összefüggésbe a tranziens folyamat leírására. A XIX. századi empirikus törvényekre jellemző, hogy homogén rendszerek egyszerű viselkedését határozzák meg. Ezek a jelenlegi alkalmazások követelményeinek nem felelnek meg, mivel a valóságban a természetes rendszerek sem nem homogének, sem pedig nem egyszerűek, így a XIX. század törvényei módosításokra szorultak. Az empirikus törvények rendkívüli fontossága viszont abban rejlik, hogy az összefüggések lineáris rendszerét megteremtették, amelyek viszonylag egyszerű termodinamikai alapokon kezelhetők. Ha a linearitás TKF rendszerekre is érvényes, akkor az empirikus megfigyelésen alapuló összefüggések az 1 FT lineáris elméletének felhasználásával egységes rendszerbe foglalható. Ennek gyakorlati előnye rendkívül nagy, mivel a különféle folyamatok összefüggéseikben együttcsen vizsgálhatók. A Fick törvények értelmében a diffúzió, mint irányított, vektoriális terjedési folyamat (VTF) pontos meghatározást kapott, amely a korszerű diffúzióelmélet alapját is képezi. A tudományos kutatások egyik legfontosabb része, hogy a folyamatokat külön-külön a hatóerőkkel hozza összefüggésbe, elemezze, és az anyagviselkedések előrejelzését a részfolyamatok összesítése és kereszthatásai értelmezése alapján végezze. A transzportfolyamatok leírásához a Fick által meghatározott és korszerű elméletekben feldolgozott diffúziót el kell választani más folyamatoktól, a fizikai diszperziótól, a íS'oreí-hatástól, az ozmózis potenciáltól stb., úgy, hogy a természetes rendszerekre jellemző dinamikusan változó erőtér hatásában vizsgálható legyen. Ezután más folyamatokkal a diffúziót összefüggésbe lehet hozni és kereszthatásaiban a transzportfolyamat vizsgálatához alkalmazni. 2.1.2 A diffúzió korszerű hidrogeokémiai szemlélete A természetes porózus anyagok — kőzetek, talajok, hordalékok, üledékek stb. — vizeire jellemző, hogy a környezettel való kölcsönhatások következtében szervetlen és szerves anyagok oldott és szuszpendált állapotban vannak jelen, amelyeknek igen nagy része ionizált vagy felületi elektromos töltéssel rendelkezik. Következésképpen: a természetes vízrendszereket elektrolitoldatnak kell tekinteni, amelyben semleges töltésű anyagok is vannak. A diffúziós folyamat, az egyes anyagokra vonatkozó mozgási sebesség, az anyag fajlagos tömegével és elektromos (töltési) tulajdonságaival van összefüggésben. Továbbá a részecskék egymásra különböző hatásokat fejtenek ki, és így a diffúziós folyamatokat l>efolyásolják. Tehát a természetes vízrendszerekben a diffúzió bonyolult folyamat. A természetes porózus anyagrendszerek diffúziós vizsgálatára általában az alábbi összefüggés használata szokásos (Bolt, 1982; Lasaga, 1979): Jyw = — & 0Dj(dCjldx) (2-1) egydimenziós folyamatra kifejezve az x-0 koordináta és tömegreferencia viszonyhoz, ahol a
