Estimation of Buffer Properties of Natural Waters with Account of Acid-Basic Characteristics of Gumus Substances

 
PIIS086956520000882-3-1
DOI10.31857/S086956520000056-4
Publication type Article
Status Published
Authors
Affiliation: Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, RAS
Affiliation: Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, RAS
Address: 
Journal nameDoklady Akademii nauk
EditionVolume 481 Issue 1
Pages71-75
Abstract

The article deals with the influence of acid-base properties of humic substances in natural waters on the buffer capacity. An alternative way of calculation of the ANC parameter taking into account the dual nature of the humus water organics is found. The zonal aspects of the distribution of natural waters over ANC values are evaluated and the features that affect these parameters are singled out.

Keywords
Received12.09.2018
Publication date13.09.2018
Number of characters12481
Cite  
100 rub.
When subscribing to an article or issue, the user can download PDF, evaluate the publication or contact the author. Need to register.
Размещенный ниже текст является ознакомительной версией и может не соответствовать печатной
1 Кислотные выпадения и закисление природных вод - достаточно известные факты, широко освещенные в научной литературе [1-2]. Интенсивность закисления определяется двумя основными условиями: а) уровнем аэротехногенной нагрузки кислотообразующих веществ (SO2, NOx,); б) природной чувствительностью территории по геологическим, ландшафтно-географическим и климатическим факторам. Закисление вод не происходит, пока кислотная нагрузка не превысила буферную способность водосборной системы ее нейтрализовать [3].
2

Показатель кислотонейтрализующей способности (ANC) является общепринятым критерием оценки закисления вод в мировой практике. Разница между суммой катионов и анионов сильных кислот отражает запас или дефицит гидрокарбонатов с учетом свойств гумусовых кислот, как одного из компонентов буферной системы. Согласно работам Henriksen et al [4-5] показатель кислотонейтрализующей способности вод находится по уравнениям:

1. ANC1=Ca2++Mg2++Na++K+-SO42- - NO3-

2. ANC2=HCO3-+ An-- H+- Al3+ ,

где, An-- общее содержание органических анионов (мкмоль-экв./л)

и ANC1 = ANC2

3 Антропогенно закисленными считались озера, воды которых имеют высокую прозрачность, низкие значения рН и высокие содержания в анионном составе техногенных сильных кислот (сульфатов и нитратов), которые обуславливают низкие значения АNC [2]. Гумусовые кислоты в ранних работах по оценки антропогенного закисления рассматривались преимущественно как слабые кислоты, которые способны фиксировать протон [4] и участвовать в процессах нейтрализации кислотных выпадений. В то же время гумусовые кислоты имеют двойственную кислотно-основную природу, могут проявлять свойства как слабых, так и сильных кислот, в водной среде продуцировать или же поглощать протон [6-8]. Образование протонов с участием органических веществ гумусовой природы, обусловливающих кислотность вод, может протекать несколькими способами: 1) высокомолекулярные органические вещества вод могут диссоциировать с образованием свободного протона; 2) высокая концентрация органических веществ способствует доминирующему их взаимодействию с неорганическими компонентами вод (сульфаты, нитраты) с образованием новых функциональных групп и подвижных ионов водорода; 3) гумусовые вещества за счет диспропорционирования могут образовывать низкомолекулярные фрагменты, которые, в свою очередь, также способны к отщеплению протона и снижению рН вод.
4 Доказано, что на огромных гумидных территориях Европейской части России (ЕТР) и Западной Сибири (ЗС) развиваются процессы закисления вод [2]. В то же время многие озера на заболоченных водосборах имеют природные низкие значения рН вследствие высоких концентраций гумусовых кислот. Структура гумусовых соединений, в частности активность функциональных групп, сильно варьируется в зависимости от рН среды. В работе [2] показано, что в нейтральных средах (рН около 6-7) система характеризуется наиболее стабильным дзета-потенциалом и равновесным содержанием сильных и слабых кислот. В условиях низких рН (менее 6) за счет избытка протонов водорода стабильность полимерной структуры гумусовых веществ нарушается. Наиболее активные сильнокислотные составляющие органических веществ представляют собой полимеры с достаточно низкой электронной плотностью краевых атомов кислорода, азота или серы, функциональные группы связаны одинарными связями с каркасом матрицы. За счет протекающих мезоморных и индуктивных эффектов в этих соединениях происходит диссоциация с образованием протона. Слабокислотные компоненты гумусовых веществ, напротив, могут характеризоваться кратной связью и повышенной отрицательной плотностью на активном краевом атоме и способствовать тем самым образованию фрагментов -ОН, =NH и т.д. Схематично подобные различия в структуре сильных и слабых органических кислот можно изобразить следующим образом:

Number of purchasers: 1, views: 1954

Readers community rating: votes 0

1. Izraehl' Yu.A., Nazarov I.M., Pressman A.Ya., Rovinskij F.Ya. Kislotnye dozhdi. M.: Gidrometizdat, 1989. 243 s.

2. Moiseenko T.I., Gashkina N.A., Dinu M.I. Zakislenie vod: Uyazvimost' i kriticheskie nagruzki. M.: URSS, 2017. 400 s.

3. ICP Waters Programme Manual (2010) International cooperative programme on assessment and monitoring effects of air pollution on rivers and lakes. ICP Waters Report 105/2010. NIVA. Oslo.

4. Henriksen A., Kämäri I., Posh M., and Wilander A. Critical loads of acidity: Nordic surface waters // Ambio. 1992. V. 21. P. 356-363.

5. Henriksen A., Skjelvåle B.L., Mannio J., Wilander A., Harriman R., Curtis C., Jensen J.P., Moiseenko T. Northern European Lake Survey, Finland, Norway, Sweden, Denmark, Russian Kola, Russian Karelia, Scotland and Wales // AMBIO. 1998. V. 27. № 2. P. 80-91.

6. Evans C.D., Monteith D.T., Reynolds, B., Clark, J.M. Buffering of recovery from acidification by organic acids. // Sci. Total Environ. 2008. V. 404. P. 316–325.

7. Evans C.D., Monteith D.T., Fowler D., Cape J.N., Brayshaw S. Hydrochloric Acid: An Overlooked Driver of Environmental Change // Environmental Science & Technology. 2011. V. 45. P. 1887-1894.

8. Moiseenko T.I., Dinu M.I. // Doklady akademii nauk 2015. T. 460. № 5. S. 574–578.

9. Moiseenko T.I. Gashkina N.A., Dinu M.I., Kremleva T.A., Khoroshavin V.Yu. Aquatic Geochemistry of Small Lakes: Effects of Environment Changes. // International Journal of Geochemistry. V. 13. P. 1031 -1148.

10. Brakke, D.F., Henriksen, A., Norton A.S. 1987.The relative importance of acidity sources for humic lakes in Norway. // Nature. 1987. V. 329: 432-434.

11. Dinu M.I., Moiseenko T.I. Patent ACIDFORMMET 2015.

12. Moiseenko T.I., Gashkina N.A., Dinu M.I., Kremleva T.A. Osobennosti zakisleniya vod na Evropejskoj territorii Rossii i v Zapadnoj Sibiri. // Doklady RAN. 2015. T 462. № 5. S. 582-586.

(Рис._1.docx, 21 Kb) [Download]

(Рис._2.docx, 116 Kb) [Download]

(Рис._3.docx, 139 Kb) [Download]

(Табл._1_.docx, 19 Kb) [Download]

Система Orphus

Loading...
Up