Geokemisk modellering av metallers löslighet Charlotta Tiberg, SGI charlotta.tiberg@swedgeo.se Dan Berggren Kleja, David Bendz På säker grund för hållbar utveckling
Inledning Modellera metallers löslighet och speciering i mark Förståelse för mekanismer och processer Skulle kunna användas oftare i efterbehandlingsprojekt SGI har ett projekt för att titta på tillämpningar och underlätta användningen Standardiseringsarbete på europeisk nivå Renare marks vårmöte 2017 2
Speciering Metallers kemiska form i marken beror både av föroreningskällans och markens kemiska egenskaper. rganiskt material Fe/Al (hydr)oxider Markens innehåll av organiskt material, järnhydroxider, ph mm. Metallspecieringen avgör transport och biotillgänglighet Renare marks vårmöte 2017 3
Vad får vi ut av det? Processförståelse vad styr utlakningen? Undersöka förändringar - scenarier Långtidsperspektiv Källtermskaraktärisering Undersöka åtgärdsalternativ effekt, recept Ger konfidens, förtroende om vi gör det på ett transparent sätt Renare marks vårmöte 2017 4
Markens beståndsdelar Utfällningar Silikatmineral, mm Me(H) 2 MeC 3 Me x (XX) Si Me Si Fe/Al (hydr)oxider Fe Fe Me +L rganiskt Me material Me 2+ C Me 2+ -L Me-L Marklösning Lerpartiklar Renare marks vårmöte 2017 5
Geokemisk jämviktsmodellering? Beskriver ämnens fördelning med kemiska jämviktsreaktioner. Utfällningar Pb 5 (P 4 ) 3 Cl PbC 3 Fe/Al (hydr)oxides rganiskt material Fe Fe C Pb Pb... Pb 2+ Pb 2+ +L -L PbL Marklösning Lerpartiklar Renare marks vårmöte 2017 6
Vad behövs? Beskrivning av problem (Ex. vilka delmodeller ) Indata (Ex. mängd Feox, metaller) DELMDELLER: Lösning, organiskt material mm DATABASER med reaktioner, jämviktskonstanter: Pb+2 + H2 = PbH+ + H+ log_k = -7.71 Pb+2 + 2 H2 = Pb(H)2 + 2 H+ log_k = -17.12 Pb+2 + 3 H2 = Pb(H)3- + 3 H+ log_k = -28.06 Pb+2 + 4 H2 = Pb(H)4-2 + 4 H+ log_k = -39.7 2 Pb+2 + H2 = Pb2H+3 + H+ log_k = -6.36 Pb+2 + Cl- = PbCl+ log_k = 1.6 Mjukvara: MINTEQ, PREEQC, Leach XS Lösning av ekvationssystem Löslighet för olika ämnen Speciering: (utfällning/upplösning, sorption, komplexbildning) Jämförelse med lakförsök Renare marks vårmöte 2017 7
Indata Experiment Geokemisk modellering Tillgänglig metallkoncentration Me (mg/l) Kemisk databas Lösta humusämnen (DC) Mängder av reaktiva fasta faser Humusämnen (HA+FA) Järn(hydr)oxider Aluminium(hydr)oxider Lermineral Löslighet och fördelning (speciering) av Me Dator program Delmodeller (Antaganden) Jämförelse med phberoende lakförsök Renare marks vårmöte 2017 8
Redovisning Dokumentera tydligt och transparent Vilka delmodeller Databaser Vilka indata och hur de tagits fram Antaganden Kommande standard Rapport från SGI Renare marks vårmöte 2017 9
Exempel ZVI stabilisering av koppar Fältförsök, 2 % järn tillsatt Minskad utlakning av koppar Förstå vad som händer Modellera scenarier Inbindning till Fe-hydroxid ökade från 10 till 70 % (ph 7) Viktigt: ph och mängdförhållandet ZVI orgc Renare marks vårmöte 2017 10
Exempel ZVI stabilisering av koppar Renare marks vårmöte 2017 11
Exempel kisaska Höga halter Zn, Pb, Cu, As Karatärisera källtermen Vad styr utlakningen? Åtgärder? Modellering visar Sorption till järnhydroxider Starkt ph-beroende Provtagning kisaska, Bergvik sulfit, Söderhamn Renare marks vårmöte 2017 12
Tillsats organiskt material Log Zn (mol/l) 1.0E-01 1.0E-02 1.0E-03 1.0E-04 1.0E-05 1.0E-06 1.0E-07 Zn dissolved 1.0E-05 Measured SM +1% SM 1.0E-06 + 2% SM 1.0E-07 2 4 6 8 10 ph Log Cu (mol L -1 ) 1.0E-01 1.0E-02 1.0E-03 1.0E-04 Cu dissolved Measured SM +1% SM +2% SM 2 4 6 8 10 ph Renare marks vårmöte 2017 13
Sammanfattning Geokemisk modellering är ett verktyg Förstå processer Undersöka påverkan av markförhållanden Undersöka effekt av förändringar i systemet Undersöka effekt av tillsatser Renare marks vårmöte 2017 14
Renare marks vårmöte 2017 15
1.0E-01 1.0E-01 1.0E-02 1.0E-02 Log Zn, Cu (mol L-1) 1.0E-03 1.0E-04 1.0E-05 1.0E-06 1.0E-07 Zn dissolved Modell Zn Cu dissolved Modell Cu 2 4 6 8 10 ph Log Zn, Cu (mol L-1) 1.0E-03 1.0E-04 1.0E-05 1.0E-06 1.0E-07 Arsenat Zn dissolved Modell Zn Cu dissolved Modell Cu 2 4 6 8 10 ph Renare marks vårmöte 2017 16