ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Особенности диффузии в горных породах из "Динамика геохимических процессов " Диффузия— ЭТО процесс переноса вещества из одной части системы в другую, обусловленный тепловым движением частиц (молекул, атомов, ионов и т. п.). Она протекает как в одном веществе, так и в любой смеси веществ независимо от их агрегатных состояний. В первом случае процесс называется самодиффузией, во втором — взаимодиффузией или просто диффузией. Тепловое движение атомов и молекул хаотично. Поэтому в одном веществе диффузия беспорядочно переносит частицы из одного места в другое. Однако если в системе имеются два или более веществ, причем концентрации их в разных точках неодинаковы, то возникают направленные диффузионные потоки, стремящиеся выравнивать концентрации. Такая система посредством диффузии переходит в состояние термодинамического равновесия, отвечающего максимально неупорядоченному распределению частиц, т. е. равенству концентраций каждого из их компонентов в любой части системы. Следовательно, диффузия является самопроизвольным и необратимым процессом. Благодаря своей универсальности диффузия играет существенную роль в гетерогенных процессах геохимической миграции [Голубев В. С., Гарибянц А. А., 1968]. [c.18] Закономерности диффузии впервые были сформулированы Фи-ком в виде двух законов. Первый закон Фика гласит, что диффузионный поток вещества пропорционален его градиенту концентрации и направлен в сторону ее убывания, т. е. [c.18] Здесь /х) — диффузионный поток, т. е. количество вещества, переносимого диффузией через единицу сечения среды (в одномерном случае перпендикулярного к х) в единицу времени, D — коэффициент диффузии. [c.18] Если /в меняется со временем, то в среде происходит накопление или убыль диффундирующего вещества. [c.19] Разлатш С х+йх,1) в ряд по степеням йх, получим уравнение второго закона Фика (уравнение нестационарной диффузии). [c.19] Диффузия в горных породах лишь в исключительных случаях подчиняется указанным выше закономерностям, так как она протекает в более сложной обстановке, чем та, которая учитывалась при выводе уравнений диффузии. Все породы имеют пористук структуру, включающую поры разных размеров и формы, и механизм переноса вещества в них весьма сложен. Горные породы являются гетерогенными системами, вмещающими растворы или газы, или растворы и газы одновременно. При диффузии в гетерогенной среде вещество взаимодействует с горными породами (сорбируется, вступает в химические реакции). В природной обстановке вещество часто диффундирует. через серию неодинаковых пластов, в которых коэффициент диффузии разный, что усложняет описание диффузии. [c.19] Рассмотрим, каким образом могут быть учтены некоторые из указанных основных факторов при описании диффузии в горных породах. [c.19] Так как горные породы имеют поры всевозможных размеров и разной формы, перенос вещества происходит всеми упомянутыми выше способами одновременно. Это затрудняет количественное описание процесса. Наиболее разработана в этом. отношении ипористая модель сорбента, в которой учитывается диффузия сорбируемого вещества в транспортных (более широких) порах и сорбированного вещества в микропористых зонах Золотарев П, П., Дубинин М. М., 1973 Золотарев П. П., 1979]. [c.20] Теоретические исследования показывают [Тимофеев Д. П., 1962], что скорость процесса во всех случаях имеет одинаковую зависимость от градиента концентрации, аналогичную законам диффузии Фика. Следовательно, при любом виде переноса веЕ1,е-ства в пористой среде, в том числе при переносе в горных породах, скорость процесса в первом приближении формально можрт быть выражена уравнениями диффузии с некоторым эффективным коэффициентом диффузии. [c.20] Структура среды. Рассмотрим диффузию в зернистых породах. Диффузия растворенных веществ в этом случае может происходить в свободном пространстве пород (т. е. в промежутках между гранулами). Если промежутки между гранулами заполнены газом, то возможна диффузия только газов. Когда свободное пространство пород частично или полностью заполнено водой, то наряду с диффузией газов происходит диффузия растворенных веществ в жидкой фазе. [c.20] Влажность пород. Содержание влаги в породах оказывает существенное влияние на скорость диффузии растворенных веществ или газов. Диффузия газов идет через воздух, заполняющий поры. При неполной увлажненности вода заполняет часть пор в породах, главным образом капиллярные поры. Следовательно с увеличением влажности скорость диффузии газов уменьшается. В увлажненных и влажных породах диффузия происходит главным образом через некапиллярные (межагрегатные поры). Если газ растворяется в воде, то происходит диффузия растворенного газа. Однако, если растворимость газов невелика, то можно считать, что диффузионный перенос растворенного газа пренебрежимо мал. [c.21] Система уравнений (2.10) и (2.11) характеризует при определенных начальных и граничных условиях диффузию растворенного в жидкой фазе вещества, если поровое пространство среды полностью заполнено водой, так что отсутствует осмотический перенос воды. [c.22] Явный вид уравнения кинетики (2.11) зависит от способа взаимодействия вещества со средой. Рассмотрим диффузию при наличии сорбции. [c.22] Подставляя выражение (2.13) в (2.10), получим уравнение, характеризующее диффузию растворенного вещества в пористой среде при наличии сорбции. [c.23] Из сравнения уравнений (2.15) и (2.5) следует, что в рассматриваемом случае процесс характеризуется уравнением диффузии, сли в нем заменить коэффициент диффузии О на эффективную величину Оэф. Поскольку 0 ф 0, то сорбция замедляет диффузию по сравнению с непоглощающей средой. [c.23] Диффузия при наличии химических реакций рассматривается яиже (см. главу 4). Обычно используемые уравнения диффузии дают бесконечно большую скорость распространения вещества, что не имеет физического смысла. Это связано с отсутствием учета флуктуаций теплового движения частиц, вследствие чего направленный перенос вещества (в сторону понижения концентрации) при достаточно малых градиентах концентрации уже не имеет места. Флуктуации имеют значение в области малых концентраций, они практически мало влияют на распределение диффундирующего вещества и поэтому здесь не учитываются. В ра,м-ках развиваемого подхода могут быть получены решения с конечной скоростью распространения диффундирующего вещества (см. главу 7). [c.23] Вернуться к основной статье