minteqa

Morettini Marco (744614)
A. A. 2010/2011
MINTEQA2
Metal Speciation Equilibrium Model
for Surface and Groundwater
MINTEQA2 è un modello geochimico per il calcolo della composizione di soluzioni acquose
all’equilibrio, nato dalla combinazione delle strutture matematiche fondamentali di MINEQL con il
database termodinamico di WATEQ3.
MINTEQA2 è stato creato con lo scopo di calcolare la distribuzione di massa all’equilibrio tra
specie chimiche disciolte e assorbite, in fase solida, liquida e gassosa.
Il modello possiede un esteso database termodinamico, facilmente accessibile e utile a risolvere
una vasta gamma di problemi senza il bisogno di ulteriori costanti di equilibrio fornite dall’utente.
Questa versione possiede 1235 specie di soluzioni, 559 specie di solidi e 35 specie gassose.
MINTEQA2 utilizza gli stessi algoritmi computazionali e lo stesso database termodinamico della
versione DOS distribuita dall’EPA. Un programma ausiliario, PRODEFA2, lavora come
preprocessore interattivo per agevolare la lettura dei file d’ingresso da parte di MINTEQA2.
MINTEQA2 è stato sviluppato da:
Allison Geoscience Consultants, Inc.
3920 Perry Lane
Flowery Branch, GA 30542
770-525-1191
e
La versione corrente (4.03) è stata rilasciata nel maggio
2006 dalla U. S. Enviromental Protection Agency (EPA) ed è
disponibile all’indirizzo
http://www.epa.gov/ceampubl/mmedia/minteq/index.html - .
Essa utilizza il linguaggio di programmazione FORTRAN
(Formula Translation) su un sistema operativo PC-DOS
(Windows 98/NT/2000/XP). Richiede un coprocessore
matematico e almeno 8 Megabyte di memoria libera.
HydroGeoLogic, Inc.
1155 Herndon Parkway
Suite 900
Herndon, VA 20170
L’applicazione di un modello geochimico ad un problema di tipo ambientale prevede quattro fasi:
1.
Formulazione di una o più domande che possono ottenere una risposta dalla conoscenza della
composizione all’equilibrio del sistema.
2.
Traduzione delle richieste in un formato comprensibile dal modello, che deve essere in grado di
interpretarle come un problema matematico (nel caso di MINTEQA2, l’interpretazione delle
domande viene agevolata dall’uso del preprocessore PRODEFA2).
3.
Risolvere il problema matematico tramite il modello.
4.
Interpretare i dati in uscita in modo da ottenere una risposta valida per il problema ambientale.
Il vantaggio principale dell’utilizzo di MINTEQA2
consiste nella capacità del programma di simulare
dettagliate ripartizioni delle specie chimiche in
funzione di molteplici condizioni, specificando anche
eventuali specie disciolte, adsorbite o precipitate
dalla soluzione acquosa.
MINTEQA2 tuttavia non può fare calcoli che si
protraggono nel tempo.
Il metodo di utilizzo del software consiste nello specificare variabili, parametri e vincoli del sistema,
per poi procedere con il calcolo della loro distribuzione all’equilibrio.
I dati richiesti per l’elaborazione sono principalmente le concentrazioni delle sostanze
completamente disciolte nella soluzione ed i vincoli imposti sul sistema preso in considerazione.
E’ possibile inserirli grazie alle icone
dei dati in ingresso, poste sulla parte
sinistra della schermata iniziale:
• General Parameters: Specifica i
valori di forza ionica, temperatura,
concentrazione, alcalinità e dei
coefficienti di attività (questi ultimi
possono essere stimati con
l’equazione di Davies, oppure tramite
l’equazione di Debye-Huckel).
• Total Concentrations: Specifica le
concentrazioni totali delle
componenti del sistema, che possono
essere espresse in mol/l, mg/l ed eq/l.
• Equilibrium Constraints: Specifica i
valori che devono avere all’equilibrio
vincoli come pH, pE (l’inverso del
logaritmo dell’attività degli elettroni),
fasi solide o gassose. Valori come il
pH e il pE possono essere inseriti
come dati oppure calcolati dal
software.
• Sorption: Permette di scegliere uno dei sette modelli di adsorbimento a disposizione e le reazioni
fisico-chimiche ad esso associate. E’ possibile scegliere fino a due superfici adsorbenti.
• DOM: Specifica tramite una distribuzione gaussiana le reazioni della materia organica disciolta
(Dissolved Organic Matter) nella soluzione considerata. In questo caso, il modello richiede come input
la concentrazione di carbonio organico disciolto (DOC) e la densità del sito presa in considerazione.
• Precipitation: Specifica a quali componenti solide è permesso precipitare. I minerali presenti in
condizioni di equilibrio possono essere più o meno soggetti a dissoluzione.
• Excluded Species: Specifica quali specie chimiche escludere dal calcolo dell’equilibrio.
Selezionando l’opzione
Equilibrate dalla barra del
menu, o dall’icona sulla
sinistra dello schermo,
MINTEQA2 computa la
distribuzione degli elementi
chimici all’equilibrio.
Se la differenza tra la
ripartizione totale delle
componenti e le quantità
inserite in partenza superano
un livello di tolleranza
prestabilito, viene fatta una
nuova stima dell’attività delle
componenti e l’intera
procedura viene ripetuta
utilizzando il metodo di
Newton-Raphson.
Dopo aver equilibrato la fase acquosa, MINTEQA2 calcola gli indici di saturazione (SI) per ogni
possibile solido che si può accostare ad essa. I solidi con SI < 0 sono termodinamicamente
portati a disciogliersi nella soluzione insatura, mentre per degli SI > 0 la soluzione risulta satura
ed il solido tende a precipitare. In ogni caso, dopo l’aggiunta o la rimozione di un solido,
l’equilibrio del sistema va ricalcolato finché non è più possibile alcuna precipitazione o
scioglimento.
I dati in uscita del sistema vengono visualizzati in forma riassuntiva; dei valori più dettagliati
possono essere visualizzati cliccando sul tasto Full Output, mentre per vedere i grafici delle
distribuzioni delle componenti in funzione di diversi parametri di sensibilità bisogna selezionare
l’opzione View Graph (in questo caso verrà utilizzato un diagramma circolare).
In MINTEQA2 è possibile includere nei calcoli anche reazioni di assorbimento, grazie all’opzione
Sorption. L’utente può scegliere tra sette modelli di adsorbimento per elaborare al meglio i dati
disponibili:
1.
Il modello di attività Kd;
2.
Il modello di attività di Langmuir;
3.
Il modello di attività di Freundlich;
4.
Il modello di scambio ionico;
5.
Il modello di capacità costante;
6.
Il modello a triplo strato;
7.
Il modello a strato permeabile.
Per ogni zona di assorbimento/adsorbimento è necessario specificare le reazioni più rilevanti che
avvengono in essa. L’utente, accedendo alla finestra Define Sorption Reaction, può aggiungere,
rimuovere, modificare e leggere le reazioni dai file cliccando sulle rispettive icone.
Nel database scaricato col software sono presenti due archivi di dati contenenti le reazioni di
assorbimento degli idrossidi di ferro e della goethite (HFO_DLM.SRP e GTH_DLM.SRP).
Nella barra del menu, sotto la voce Sensitivity Analysis è possibile precisare la variazione di
quantità di sostanza apprezzabile in funzione della tecnica analitica impiegata. Anche in questo
caso, i valori in uscita sono disponibili sia analiticamente sia graficamente.
Il tasto Edit Thermodynamic Data, presente nella barra del menu, permette di calcolare le variazioni
dei valori ottenuti al variare di parametri come l’entalpia e la costante di equilibrio (espressa nella
forma logaritmica log K).