MINTEQA2 Metal Speciation Equilibrium Model for Surface and Groundwater MorettiniMarco (744614)A. A. 2010/2011

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 Perry Lane Flowery Branch, GA e HydroGeoLogic, Inc Herndon Parkway Suite 900 Herndon, VA La versione corrente (4.03) è stata rilasciata nel maggio 2006 dalla U. S. Enviromental Protection Agency (EPA) ed è disponibile all’indirizzo 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.

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 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).

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). 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.