搜索
环境水化学平衡软件——VisualMINTEQ简介摘要：VisualMINTEQ是一款计算水化学平衡的计算机软件，用于评估水体中金属污染物的形成和迁移的模型系统。本文主要介绍了VisualMINTEQ模型的功能、理论基础、操作方法和应用。最后，通过实例展示了VisualMINTEQ模型在土壤重金属污染等环境领域方面的应用。关键词：VisualMINTEQ化学平衡重金属污染IntroductionofVisualMINTEQ--AComputerProgramforCalculatingAqueousChemistryEquilibriaAbstract:VisualMINTEQisacomputerprogramforcomputationofaqueouschemistryequilibria,andamodelingsystemfortheassessmentofthefateandmigrationofselectedpollutantmetalsinaquaticsystems.Thefunctions,theoriesfoundation,operatingmethodandapplicationsofVisualMINTEQwasmentionedinthisessay.Finally,anexamplewasdemonstratedtointroducetheapplicationinsoilheavymetalspollutionandotherenvironmentalareas.Keywords：VisualMINTEQequilibriumheavymetalpollution21.引言随着计算机计算能力的不断增强和互联网的发展，计算机日益成为科学研究中必要的工具。由于环境水化学问题的复杂性，越来越多的科研工作借助计算机进行辅助。水环境化学十分复杂，水中溶解的化学组分可以在液相水溶液中形成配合物，产生沉淀作用形成固相，或吸附到颗粒物表面，产生气体形成气相。所有这些反应都将影响pH、离子强度等水质参数。化学平衡方法提供了一种直接的热力学统一标准，能近似地提供了一种理解可能存在的化学反应和简化其中复杂机理的技术。近年来与环境水化学研究相关的软件VisualMINTEQ就是在上述基础上发展起来，并在质量上不断提高而在研究中得到了运用。2.软件介绍2.1简介MINTEQ[1]是一款由美国国家环境保护局（EPA）开发，已经被广泛应用在模拟环境水平衡溶液中或水体中的离子和矿物平衡情况的软件，现已发展到经计算机软件窗口化的VisualMINTEQ3.0[2]。该模型拥有强大的平衡常数数据库，涉及液相络合、溶解/沉淀、氧化/还原、气-液相平衡、吸附等多种平衡反应。通过平衡常数、吉布斯自由能等热力学数据计算化学物质的相互作用，以及通过质量作用表达式来判断化学物质的形态分布，预测金属的吸附和金属有机络合物的形成。典型的MINTEQ程序主要包括以下计算：计算环境水化学体系中各种化学形态分布；模拟土壤水体与矿物相的相互作用；计算水化学体系的理论pH；模拟离子的转移和变化；计算表面吸附行为；模拟固相沉淀；测定新的化合物热力学常数；评价实验室数据质量的准确度。32.2理论基础VisualMINTEQ模型的理论基础是美国著名教授WLLindsay创立的土壤化学平衡理论[3]。模型中使用预定义的基本组分(basiccomponent，如Na+、Cd2+、S042-等)，作为反应物来编写反应方程。每一种化学物质均可用基本组分表示(如CaCl+和CaCl2等，可以写成由基本组分Ca2+和CI-组成的化合物)，所以，对于N个水溶物质均可用输入的M个基本组分来表示，其化合反应的平衡常数亦包含在VisualMINTEQ的数据库中，使用者也可参考文献报道的平衡常数值，替换模型中的默认值或将新的化合物平衡常数添加到模型中[4]。2.3操作步骤使用模型时，首先输入一个给定的参数文件，包括离子初始浓度（如Ca2+，C032+）或初始无机化合物含量（如CaC03）、浸出液pH、温度、离子强度、氧化还原电位(ORP)等信息。浸出液pH、ORP和离子强度可设为固定值（根据实测值输入），也可通过输入的条件进行平衡计算而得。然后，运行模型程序进行计算。VisualMINTEQ根据M个基本组分的初始浓度，通过N个物质的溶解/沉淀、吸附、络合、氧化还原等平衡反应方程和平衡常数，进行重复迭代，模拟计算体系达到平衡时，溶液中各物质的化学形态（分子或离子组成）和浓度。若在模型中设置“不允许过饱和物质沉淀”，则计算结果中各组分将全部溶解，VisualMINTEQ会自动计算各物质的饱和指数(Saturabilityindex，SI)。通过SI值可判断该物质是否有沉淀可能，SI0时表示物质在溶液中的浓度未超过其溶解度，不会沉淀；而SI0时物质过饱和，将会沉淀。也可设置“允许过饱和物质沉淀”，此时，所有SI0的物质将沉淀下来，沉淀的量作为新的变量继续参与迭代，直到该物质SI=0，即达到溶解/沉淀平衡。计算结束后，程序会给出输出文件，包含了溶液平衡计算结果，如溶解物质的浓度和化学形态、沉淀物质化学形态、平衡时pH以及物质的饱和指数等。2.4应用VisualMINTEQ模型由于其具有强大的计算能力、较全面的数据库、灵活的操作方式等优点，已经被广泛用在模拟土壤溶液中或水体中的离子和矿物的平衡情况，并用于模拟人工配制的溶液和天然水体中的金属化学形态，预测沉淀的形成，以及预测金属的吸附和金属有机络合物的形成等。MINTEQ可模拟500多4种水溶液形态、70种组分、400多种矿物质、16种气体形态和21种氧化还原反应；同时有7种吸附模型可以应用于吸附过程的模拟[5]。Komnitsas等[6]应用MINTEQ数据库建立了飞灰栅栏清除酸性渗滤液的模型，提出了飞灰吸附，沉淀和共沉淀去除机制。Wu等[7]使用VisualMINTEQ模型模拟预测了联合处理工艺中不同金属离子组分的变化。3.应用实例为了更为准确探索渗滤液中重金属形态，以便在渗滤液运行管理中提出合理的对策，尝试采用VisualMINTEQ模型对渗滤液中Cu和Zn的形态进行模拟计算。以渗滤液水质(包括Cu和Zn的总浓度及pH、VFA、DOC、NH+-N、SO42-、S2-等)作为输入条件，计算渗滤液中Cu和Zn的形态分布[8]。VisualMINTEQ的运行界面及运行输入参数分别如图1及表1所示。模拟计算假设：(1)所有渗滤液水温设定为25℃；(2)所有未设定输入数据均采用VisualMINTEQ缺省值；(3)所有输出结果均为化学计量结果，单位为mol/L。图1VisualMINTEQ运行界面5表1VisualMINTEQ输入参数（单位：除pH外mg/L）根据表1的输入条件，可得到不同时期三套模拟填埋场渗滤液中Cu和Zn的形态分布，如表2至表4所示。可见，渗滤液中Cu(II)大部分以腐殖质络合态形式存在，且随着填埋时期的延长，逐渐呈现由与松结合态富里酸络合态(FA1-Cu)向稳结合态富里酸络合态(FA2-Cu)转变，如三套模拟填埋场的渗滤液中第320d的FA2-Cu分别为88.05%(CL)、84。58%(RL)和77.28%(BL)。相比而言，回灌型生物反应器填埋场渗滤液(RL和BL)中cu的形态分布较普通反应器填埋场(CL)更为丰富，这可能与其渗滤液循环过程中不断与填埋垃圾中各种基团的“络合一释放”动态过程有关。相比于Cu(II)，渗滤液中Zn(II)的形态分布更为丰富，与Cu(II)形态分布不同的是，渗滤液中大量的Zn(II)与无机络合体S2-相结合。随着填埋场还原性环境的逐步形成，与S2-的不同程度络合成了渗滤液中Zn2+的主要表现形态。相比而言，渗滤液中Cu(II)基本不与S2-形成络合体，这主要由于CuS比ZnS更小的溶解度导致ZnS向CuS发生沉淀转移(如式1、2)，而被溶解的ZnS则继续被S2-络合。Ksp=1.6×10-24mol2/L2(1)Ksp=1.3×10-36mol2/L2(2)可见，填埋场中更多的Cu已经在填埋场内部以CuS的沉淀形式存在，也即大量的Cu在填埋垃圾以CuS的形式被固定。这也间接表明，Cu和Zn在填埋场内的迁移或固定很大程度上被其中的S2-所左右。6重金属形态30（天）75（天）130（天）320（天）Cu2+0.201.24Cu(Ⅱ)FA1-Cu96.9797.3112.2411.95FA2-Cu2.831.4687.7688.05FA1-Zn2.290.032.350.52FA2-Zn0.160.06Zn(Ⅱ)Zn2+97.7199.971.240.08Zn4S64-0.130.14Zn2S32-93.7096.90ZnS(aq)2.402.30重金属形态30（天）75（天）130（天）320（天）Cu2+0.320.46Cu(Ⅱ)FA1-Cu97.2697.4476.1415.42FA2-Cu2.422.1023.8584.58FA1-Zn1.711.522.660.53FA2-Zn0.010.05Zn(Ⅱ)Zn2+98.2998.4896.040.12Zn4S64-0.130.12Zn2S32-1.2796.59ZnS(aq)0.032.58重金属形态30（天）75（天）130（天）320（天）Cu2+0.544.66Cu(Ⅱ)FA1-Cu97.3094.3821.2522.72FA2-Cu2.160.9678.9577.28FA1-Zn1.570.030.500.31FA2-Zn0.030.03Zn(Ⅱ)Zn2+98.4399.970.220.10Zn4S64-0.130.12Zn2S32-96.6096.49ZnS(aq)2.512.954.结语本文主要介绍了VisualMINTEQ模型的基本情况和在环境领域的应用。该软件普遍用于水中溶解离子形成的模拟，同时也用于矿物质沉淀与溶解、滴定、表2CL渗滤液中Cu(II)和Zn(II)的形态分布(%)表3RL渗滤液中Cu(II)和Zn(II)的形态分布(%)表4BL渗滤液中Cu(II)和Zn(II)的形态分布(%)7吸附/解吸和有机络合反应过程的模拟计算。该软件方便小巧，易于操作，基于其强大的平衡常数数据库，并通过平衡常数、吉布斯自由能等热力学数据计算化学物质的相互作用，可以很方便的来判断化学物质的形态分布，预测金属的吸附和金属有机络合物的形成。熟悉该软件的操作，可以帮助我们在土壤重金属污染、垃圾渗滤液等环境相关领域进行分析计算。参考文献[1]WestallJC,ZacharyJL,MorelFMM.MINEQL:Acomputerprogramforthecalculationofchemicalequilibriumcompositionofaqueoussystems[M].WaterQualityLaboratory,RalphM.ParsonsLaboratoryforWaterResourcesandEnvironmentalEngineering[sic],DepartmentofCivilEngineering,MassachusettsInstituteofTechnology,1976.[2]Gustafsson,J.P.VisualMINTEQver2.50,2006．[3]LapercheV,LoganTJ,GaddamP,etal.Effectofapatiteamendmentsonplantuptakeofleadfromcontaminatedsoil[J].EnvironmentalScience&Technology,1997,31(10):2745-2753.[4]章骅.城市生活垃圾焚烧灰渣重金属源特征及归趋[D].上海:同济大学,2006.[5]吴彦瑜.Fento