MỘT SỐ MÔ HÌNH TOÁN TRONG NGHIÊN CỨU MÔI TRƯỜNG
21.8. MỘT SỐ MÔ HÌNH SINH HỌC
21.8.4. Cỏc yếu tố làm thay ủổi tớnh tồn lưu
Chất gõy ụ nhiễm cú một ủặc tớnh quan trọng làm ảnh hưởng ủến con ủường ủi của nú trong mụi trường là khả năng ngấm vào cỏc chất cú thể hấp thu ủược như bựn ủỏy và sinh khối trong cỏc hệ thống thuỷ, ủất ủai và hạt lơ lửng trong khụng khớ. Cú thể dựng ủịnh luật tỏc ủộng khối lượng ủể xỏc ủịnh khả năng nối kết của hoỏ chất vào chất nền. ðịnh luật này phỏt biểu
rằng một phản ứng sẽ diễn tiến cho ủến khi ủạt ủược cõn bằng. Cần bằng sẽ ủược duy trị trừ phi nồng ủộ của chất tham gia phản ứng thay ủổi.
[ ] [ ] [ ]AS
k S k A
s s
−
+
Theo ủịnh luật tỏc ủộng khối lượng thỡ:
=
=
−s s
s k
K k
AS AS] [ Và [A] + [S] = [AT]
Khi [A], [S], [AS] và [AT] là nồng ủộ của phần hoỏ chất khụng bị hấp thu A, nồng ủộ của chất hấp thu (bựn ủỏy) tớnh theo gram của trọng lượng chất khô /ml nước, tổng lượng của A, ks và k-s là các hằng số vận tốc của hai chiều phản ứng và KS là hằng số cân bằng tính theo mg/l.
Sự mất ủi của chất A cú thể ủược biểu diễn bằng phương trỡnh sau:
[ ] [ ]+1
= S
A k
R k T
s L L
Do vậy tỏc ủộng thuần của sự hấp thu ủối với sự mất ủi của [A] khỏi một bộ phận mụi trường nào ủú ở mức cõn bằng là làm giảm sự mất mỏt theo thừa số 1/kS [S] + 1. Do sự hấp thu, hoá chất sẽ có bán sinh dài lâu hơn và có thể xỏc ủịnh theo phương trỡnh sau:
[ ]
( )
T
s S k
K
t 2
ln
2 1
/
1 = +
Khi cú sự hấp phụ, nồng ủộ hoỏ chất ở trạng thỏi ủều sẽ cao hơn khi không có sự hấp phụ.
Nồng ủộ ở trạng thỏi ủều của A ủược gọi là [ASS], cú thể ủược tớnh theo cụng thức sau ủõy:
[ ] ( [ ] )
L S I
SS k
S K
A R +1
= Với RI vận tốc hoỏ chất ủưa vào.
Có hai trường hợp mà sự hấp phụ trở nên quan trọng là sự hấp phụ các thể khớ hoặc thể lỏng vào trong ủất hoặc bựn ủỏy. Tiến trỡnh hấp phụ này bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, gồm có:
Thành phần cấu tạo của hoá chất;
Nồng ủộ cacbon trong ủất;
pH của môi trường;
Kớch cở hạt ủất;
Khả năng hoỏn chuyển ion của ủất;
Nhiệt ủộ.
Quỏ trỡnh hấp phụ cú thể diễn tả bằng ủường ủẳng hấp phụ. Hai loại ủường hấp phụ ủược dựng rộng rói là ủẳng hấp phụ Langmuir và Freundlich. ðẳng hấp phụ Langmuir áp dụng cho việc hấp phụ khí vào chất rắn, và ủẳng hấp phụ Freundlich ủược ỏp dụng cho sự hấp phụ chất lỏng vào chất rắn.
b. ðẳng hấp phụ Langmuir
Số mole khớ ủược hấp phụ/gram chất hấp phụ X là một nồng ủộ cõn bằng C của chất khí trong dung dịch:
bC bC X Xm
= + 1 Trong ủú:
Xm: số mol khớ ủược hấp phụ/gram chất hấp phụ ủể hỡnh thành một lớp ủơn.
C: nồng ủộ của hoỏ chất ở mức cõn bằng.
B: hằng số liờn quan ủến năng lượng khớ ủược hấp phụ.
Nếu nghịch ủảo của lượng khớ ủược hấp phụ/ủơn về khối lượng của chất hấp phụ (1/X) ủược vẽ lờn ủồ thị ở dạng hàm số của biến số là nghịch ủảo của nồng ủộ ở mức cõn bằng của chất ủược hấp phụ ta sẽ thu ủược một ủường thẳng, cỏch ủiểm cắt là 1/Xm và ủộ dốc là 1 (k.Xm).
ðể sử dụng ủược phương trỡnh kể trờn cần cú cỏc giả ủịnh sau:
1. Năng lượng hấp phụ là hằng số và ủộc lập với ủộ bao phủ bề mặt.
2. Sự hấp thụ diễnra ở các về trí cục bộ và không có mối tương tác giữa cỏc phõn tử ủược hấp phụ.
3. Sự hấp phụ tối ủa cú thể xuất hiện trờn một lớp ủơn bào hoàn toàn.
c. ðẳng hấp phụ Freundlich
ðẳng hấp phụ Freundlich luụn ủược dựng ủể xỏc ủịnh mức hấp phụ chất gõy ụ nhiễm vào ủỏy bựn hoặc ủất nhưng cũng ủược dựng ủể xỏc ủịnh sự hấp phụ của hoỏ chất vào sinh quần, ủặc biệt là cỏc vi sinh vật cú một tỉ số rất lớn giữa diện tắch bề mặt và thể tắch. đã phát hiện thấy sự hấp phụ các kim loại và các hợp chất hữu cơ vào vi khuẩn hoặc rong (sống và chết).
Lượng hoỏ chất hấp phụ/gram chất hấp phụ cú thể ủược xỏc ủịnh như sau:
KCn m
X 1
= Trong ủú:
X/m: khối lượng của hoá chất/gram chất hấp phụ.
K: hằng số cân bằng chỉ thị cho lực hấp phụ.
(K=X/m, khi C=1)
C: nồng ủộ cõn bằng của hoỏ chất.
1/n: ủộ dốc của ủường ủẳng hấp phụ.
ðường biểu diễn mối quan hệ này ủược tuyến tinh hoỏ theo phương trỡnh sau ủõy:
n C m K
X 1log
log
log +
Khi log X/m ủược vẽ lờn ủường biểu diễn như là hàm số của log C, ta thu ủược một ủường thẳng với ủiểm cắt trục ở vị trớ logK. Từ ủú cú thể xỏc ủịnh ủược mức ủộ dốc.
Trị số logK càng lớn ủộ hấp phụ càng cao, ủộ dốc càng lớn thị ủộ hấp phụ càng tốt hơn. ðộ hấp phụ của PCB vào các bề mặt sẽ gia tăng khi tích
hoà tan trong nước của PCB giảm. Sự hấp phụ vào ủất cũng tuỳ thuộc vào hàm lượng cacbon hữu cơ, hàm lượng này càng cao thị mức hấp phụ càng cao. ðối với cỏc hợp chất hữu cơ khụng phõn ly ion thị ủộ dốc của ủường ủẳng nhiệt Freundlich l/n tiến dần ủến 1. Ở ủiều kiện này hàm (X/m = K.C.l/n) trở thành:
C m K
X
= s
Với Ks hệ số hấp phụ
Người ta ủó tỡm thấy mối quan hệ giữa Ks và hệ số phõn ly Kw, giữa nước octanol và hàm lượng cacbon hữu cơ.
Sự hấp phụ của một hợp chất quan hệ chặt chẽ với tỉ lệ của hàm lượng cacbon hữu cơ Koc. Phương trỡnh (X/m = KSC) thường ủược viết như sau:
X/m = KocC
Dựng phương trỡnh này nồng ủộ của một hoỏ chất bị hấp phụ ủược diễn tả theo ủơn về hàm lượng hữu cơ là dựng ủơn vềkhối lượng ủất. Cú tỏc giả cho rằng Koc ớt thay ủổi, Ks trong nhiều loại ủất khỏc nhau.
Sự hấp phụ chất hữu cơ vào ủất gia tăng khi kớch thươc hạt ủất giảm xuống. Do vậy, trị số Koc của một hợp chất hữu cơ của ủất mựn lớn hơn nhiều so với ủất cỏt.
d, Sự bay hơi
Cỏc chất cú tớnh hoà tan và ủộ phõn cực thấp sẽ bốc hơi khỏi mụi trường nước nhanh chúng hơn ủể di vào mụi trường khụng khớ so với cỏc hợp chất cú ủộ hoà tan cao. Nhiều chất gõy ụ nhiễm cú trọng lượng phõn tử cao cú thể bốc hơi dễ dàng do hệ số hoạt ủộng cao trong dung dịch của chỳng. ðặc ủiểm này rất quan trọng ủối với chất cú ủộ bền cao như DDT và là cơ chế giúp các chất này phân bố vào những vùng phân cực. Trong mô mỡ của cỏc ủộng vật ở vựng cực người ta ủó tỡm thấy nồng ủộ khỏ cao của các hợp chất clo hoá.
Áp suất riờng phần của một hoỏ chất trong khụng khớ cú thể xỏc ủịnh ủược theo cụng thức sau, từ ủú cú thể tớnh ủược hệ số chuyển vị hoàn toàn phần KA của một hoỏ chất ủi từ nước vào khụng khớ.
[ ]
A A A
A C
C P P =
Trong ủú:
PA: là áp suất riêng phần của hoá chất A trong không khí P0: là áp suất hơi của chất A ở dạng tinh khiết
CA: là nồng ủộ của A trong nước.
C*A là nồng ủộ hoà tan cõn bằng của chất A trong nước.
Hệ số chuyển vị vật chất tổng quát của một số alkane, hợp chất thơm, thuốc bảo vệ thực vật, cỏc loại Aroclor ủó ủược nghiờn cứu rất chi tiết. Cỏc hợp chất alkane và thơm như benzen và toluen có hệ số chuyển về cao nhất ((0,12m/h). Các thuốc bảo vệ thực vật có chứa clo trị số thấp nhất di chuyển từ 3,7 * 10-3 (aldrin) ủến 5,3 * 10-5 m/h, DDT cú trị số nằm giữa hai khoảng trên.
Vì sự bốc hơi của một hoá chất là một quá trình phản ứng bậc một, bỏn sinh của nú cú thể ủược xỏc ủịnh bằng cụng thức sau:
KA
t 0,693d
2 /
1 =
với d chiều sâu phân bố của hoá chất trong nước.