Hidrológiai Közlöny 1987 (67. évfolyam)

5-6. szám - Márkos Gergely: Hidrogeokémiai rendszerek diffúziós folyamatai. 1. rész: Alapfogalmak és a korszerű diffúzióelmélet

MARKOS G.: Hidrogeokémiai rendszerek 255 Hidrogeokémiai rendszerek diffúziós folyamatai 1. rész: Alapfogalmak és a korszerű diffúzióelmélet Markos Gergely Vízgazdálkodási Tudományos Kutatóközpont 1095 Budapest, Kvassay J. út 1. Kivonat: A diffúzió a természetes (hidrogeológiai) vízrendszerek egyik vektoriális terjedési folyamata, mely jelentős a kis távolságú anyagmozgások létrehozásában, és így fontos a diagenetikus folyamatok, a szennyező anyagok megkötődési feltóteleinek vizsgálatában, valamint általában a víz és környezete közötti kölcsönhatások tanulmányozásában, minthogy a fázisátmeneti reakciók (szorpció, lecsapódás, stb.), vagy a közlekedő és a zárt pórusok között a felszín"alatti vízrendszerben az anyagáramlás nagy részében a diffúzió következtében jön létre. Fick törvénye egyértelműen meghatározta a diffúziót mint a koncentrációgradiens által keletkezett anyagmozgási folyamatot. Transzport folyamatok értelmezésére a diffúziót külön kell választani a más erőterek okozta folyamatoktól ahhoz, hogy az anyagmozgás e folyamatát jelentőségében értelmezni lehessen. A diffúzió törvénye hosszú fejlődésen ment keresztül Fick eredeti meghatározása óta. Mint ez napjainkban ismeretes a diffúzió erőterét a kémiai potenciál-gradiens és az oldatban, illetve az oldószerben lévő összes részecskék kölcsönhatásai képezik, melyet a makroszkopikus szinten a többkomponensű rendszerekre jól alkalmazható irreverzíbilis folyamatok termodinamikája alapján szokásos értelmezni. A korszerű diffúzióelmólet Onsager munkásságán alapszik, ós az egyik leglényegesebb szempontja a kereszthatások vizsgálata, amelyet a Fick törvény kiterjesztésével az empirikus vagy a fenomenológiai együtthatókra alkalmazunk. A diffúzió más vektoriális terjedési folyamatokkal összefüggésben van, ós így lehetőség kínálkozik az együtthatók számítására a bővebben rendelkezésre álló ionkonduktivitási együtthatók alapján. A diffúzióvizsgálat fontos szempontja a vonatkozási koordináta rendszer figyelembevétele, mivel a kereszthatási együtthatók értéke ettől is függ. A tanulmány a korszerű diffúzióelméletet ismerteti egyszerű elektrolitrendszerre, figyelembe véve mindazokat a tényezőket, amelyek a diffúziófolyamat értelmezéséhez szükséges. Kulcsszavak: iondiffúzió, elektrolit, természetes vízrendszer, hidrogeológiai rendszer, irreverzíbilis folyamatok termodinamikája, többkomponens kölcsönhatási folyamatok rendszere. 1. Bevezetés A diffúzió* a porózus kőzetek egyik fontos folyamata, melynek jelentősége különösen a kis távolságokra vonatkozó anyagmozgási jelenségekben és az oldószeren belüli folyamatokban mutatkozik. A hidrogeokémiai vizsgálatok középpontját a víz viselkedésének tanulmányozása képezi, jelentős hangsúlyt fektetve az anyagmegoszlást, illetve a koncentrációk tér- és időbeli változásait vezérlő folyamatok értelmezésére, vagy a folyamatok ok-okozati összefüggéseinek ismeretében az előbbiek előrejelzésére. A diffúzió a hidrogeokémia területén kívül is rendkívül fontos folyamat (gázdiffúziós módszer például izotópok szétválasztására), és elméletileg részleteiben is kidolgozott különösen Onsager munkásságának kiterjesztésével. Ennek ellenére az alkalmazott hidrogeokémiai gyakorlatban a diff úzió — mint fogalom —- zavaros megfogalmazásban és az elmélettől elszigetelten kerül felhasználásra. Számos különféle vonatkozású példát lehetne erre felsorolni, de szolgáljon mindössze kettő: /. Az ismert tankönyv a felszín alatti vizek modellezésére (Wangé8 Anderson, 1 982) az összes nem advektív és nem-konvektív anyagmozgást egyetlen úgynevezett diszperziós tényezőbe foglalja — a diffúziót is beleértve — mivel a diffúzió sebessége az advektív vízmozgás sebességéhez viszonyítva elhanyagolható, vagy valamilyen becsült értékkel jellemezhető. A szerzők nem ve* A fontosabb fogalmak meghatározását FI. Függelék ben közöljük. szik figyelembe, hogy az oldott ós a szuszpendált anyagok mozgása a víz áramlásába részt nem vevő és a konduktiv pórusok közötti anyagforgalom túlnyomórészt a diffúzió által történik, amely igen jelentős lehet különösen a szennyező anyagok nyelőjének értelmezésével, ós a vonatkozó számítások elvégzésében. Az együtthatót diszperzivitásnak nevezik, amely a porózus anyag belső tulajdonsága, és dimenziója a hosszmórték. 2. Li ós Gregory (1974) igen sokszor idézett és felhasznált munkája nem veszi figyelembe az elektrolitek oldati megoszlási formáját, hanem kísérleteikben átlag diffúziós együtthatókat állapítottak meg. Ezzel szemben vizes oldatban az ionpárok, komplexek formálódása jól ismert (Schindler, 1967), ós figyelembevételük a vizek kémiai modellezésénél alapvetően fontos (Stumm ós Morgan, 1971, 1981). Az alábbi, több részes szemlecikk célja, hogy a diffúzió eredeti megfogalmazásának — a Fick-törvények alapján meghatározott jelenség—alapján és a diffúzióelmélet részleteiben való kidolgozásával számítógépre alkalmazható egyenletrendszert dolgozzon ki, amelyet későbbi feldolgozással a gyakorlati hidrogeokémiában alkalmazni lehessen, különösen a forrás és nyelő közötti anyagforgalom tanulmányozására. Az oldott és a transzportált anyag koncentrációjában változás történik a transzport folyamat során, amelyet a nem perturbált rendszerben legtöbbnyire három különböző vagy ezek kombinációjából keletkező esemény szabályoz (1) mechanikai diszperzió, (2) koncentráció menti diffúzió és (3) különféle mechanizmusok által vezérelt fázisátmeneti reakciók.