Fugacitní modely distribuce látek v životním prostředí

Prezentace na téma: "Fugacitní modely distribuce látek v životním prostředí"— Transkript prezentace:

1 Fugacitní modely distribuce látek v životním prostředí
Level I - rovnovážná distribuce stálého množství látky v uzavřeném prostředí bez degradačních procesů, advekce a transportu mezi složkami ŽP. Level II - popisuje situaci ve které je látka kontinuálně přiváděna do systému stabilní rychlostí a dosahuje ustáleného rovnovážného stavu ve kterém se rovná rychlost vstupu a výstupu látky do a ze systému. Zahrnuje degradační reakce a advekci, nezahrnuje nerovnovážný transport mezi složkami ŽP. Level III – podobně jako u Level II popisuje situaci ve které je látka kontinuálně přiváděna do systému stabilní rychlostí a dosahuje ustáleného stavu, který však není rovnovážný – to znamená že v každé složce ŽP může mít látka jinou fugacitu. Látkovou bilanci tedy nelze zapsat pro celý systém, ale pouze pro každou jeho složku zvlášť. Rychlost transportu mezi složkami se počítá pomocí difúzních koeficientů, plochy mezifázových rozhraní, depozičních rychlostí.

2 LEVEL I Schéma fugacitního modelu 1. úrovně Air Soil Water Sediment
LEGEND EQUILIBRIUM Air Aerosols Soil Suspended Sediment Water Sediment Fish

3 Vstupy a výstupy fugacitního modelu 1. úrovně
Požadovaná vstupní data jsou: Chemické vlastnosti: název látky molární hmotnost teplota fyzikálně-chemické vlastnosti - rozpustnost ve vodě - tenze nasycené páry - log Kow - partiční koeficienty Vlastnosti ŽP: objemy všech složek ŽP hustoty všech složek ŽP Obsah organického uhlíku (půda, sediment, suspendovaný sediment) obsah tuku v rybách Emise: množství Výstupy modelu: hodnoty Z (fugacitní kapacity) fugacita látky v systému koncentrace a množství látky ve všech složkách ŽP

4 koncentrace = Z  fugacita jednotky: mol/m3 = mol/(m3Pa)  Pa
Fugacitní kapacita – Z, fugacita - f C = Z  f koncentrace = Z  fugacita jednotky: mol/m3 = mol/(m3Pa)  Pa V rovnováze je f stejná ve všech fázích (složkách ŽP, environmental compartments): f1 = f2= C1/Z1 = C2/Z2 tj. K12 = C1/C2 nebo Z2/Z1 Všechny parametry (C, Z, K) závisí na T, P, vlastnostech příslušné látky, popř. na dalších podmínkách.

5 Schéma fugacitního modelu 1. úrovně + partiční koeficienty
H = Psat/Csatw Air Kow = Csato/Csatw Koa = Csato/Psat Koa H Psat Octanol Water Organické látky v půdě, tuky v organismech Sladká, slaná, podzemní voda Kow Csato Pure Phase (čistá látka) Csatw

6 Příklady výpočtů s fugacitním modelem 1. úrovně

7 Zdroje dat webbook.nist.gov/chemistry molární hmostnost, tlak nasycených par, Henryho konstanta, CAS (+ řada dalších údajů) databáze a odhadové metody pro řadu veličin download SW pro fyzikálně-chemické vlastnosti rozpustnost ve vodě i v jiných rozpouštědlech

8 Zdroje dat Další distribuční koeficienty se buď nechají spočítat ze základních údajů (Henryho konstanta, tenze, Kow) nebo se s jejich pomocí nechají alespoň odhadnout (korelační vztahy jsou uvedeny u jednotlivých přednášek). Pokud neznáme ani tyto základní veličiny, je třeba použít fundamentální odhadové metody, zpravidla založené na structure-property relationships (strukturně-příspěvkových metodách).

9 Odhad fyzikálně-chemických veličin: příspěvkové metody
Různé typy – skupinová příspěvková (0., 1., 2. řád), vazebně příspěvková… Metody 1. řádu: Y je hledaná veličina, Yi funkční příspěvek i-té skupiny, ni počet i-tých skupin v molekule Příklad: 1- butanol H2 C – CH2 – CH2 – CH3 │ OH Y(1-butanol) = 1*Y(CH3) + 3*Y(CH2 ) +1*Y(OH) Y = příslušná vlastnost Růžička, V., a kol.: Odhadové metody pro fyzikálně-chemické vlastnosti tekutin (aplikace v technologii a chemii životního prostředí). Praha: VŠCHT 1996. Baum, J.E.: Chemical Property Estimation (Theory and Application). CRC Press, Boca Raton, 1998 (kromě popisu odhadových metod také obsahuje rozsáhlé tabulky experimentálních dat)

10 Fugacitní modely 2. úrovně
Bilanční rovnice zahrnuje advekci a je tedy (mimo ustálený stav) závislá na čase. Rychlost degradace látek ve složkách ŽP se zpravidla vyjadřuje pomocí poločasů rozpadu a kinetiky 1. řádu

11 Fugacitní modely 3. úrovně
Bilanční rovnici lze napsat pouze pro jedinou fázi, protože mezi fázemi nemusí nastat rovnováha. Mezi fázemi (popř. i uvnitř fáze) dochází k časově proměnnému transportu látky molekulární difúzí Uvnitř jedné fáze: 1. Fickův zákon Mezi dvěma fázemi (např. voda-vzduch): Hnací silou transportních procesů je buď rozdíl koncentrací (v jedné fázi) nebo rozdíl fugacit (mezi fázemi).

12 Výběr a vlastnosti složek ŽP (compartments)
Výběr poměrů složek ŽP, jejich zahrnutí/nezahrnutí a jejich vlastností záleží na konkrétním problému. Pro distribuci v nespecifikovaném prostředí se používá Mackayův Unit World:

13 Centre for Environmental Modeling and Chemistry
Software pro výpočty na základě fugacitních modelů Centre for Environmental Modeling and Chemistry Trent University

14 Rozdíly mezi výsledky fugacitních modelů

15

16

17

18