شیمی ردوکس آب‌های طبیعی

شیمی ردوکس حالت اکسیداسیون کربن، نیتروژن، گوگرد، آهن و بسیاری از عناصر دیگر را در آب‌های طبیعی تعیین می‌کند و سیستم‌های آبی را از آب‌های سطحی اکسیژنه تا رسوبات بی‌هوازی ساختاربندی می‌کند.

Definition

مطالعه واکنش‌های انتقال الکترون و شرایط ردوکس که حالت‌های اکسیداسیون گونه‌های محلول و ذره‌ای را در آب‌های طبیعی کنترل می‌کنند.

Scope

این موضوع شامل تعادلات و سینتیک اکسیداسیون-کاهش در آب‌های طبیعی، استفاده از فعالیت الکترون (pE) و Eh به عنوان متغیرهای اصلی، توالی استفاده از پذیرنده‌های الکترون با واسطه میکروبی، و تغییرات ردوکس عناصر کلیدی در مرزهای اکسیژنه-بی‌هوازی است.

Core questions

• چگونه pE و Eh شرایط ردوکس را در آب توصیف می‌کنند؟
• چرا پذیرنده‌های الکترون در یک توالی قابل پیش‌بینی استفاده می‌شوند؟
• چگونه گذارهای ردوکس شیمی آهن، منگنز، گوگرد و نیتروژن را کنترل می‌کنند؟
• در کجا سینتیک، به جای تعادل، نتایج ردوکس را تعیین می‌کند؟

Key theories

نردبان ردوکس پذیرنده‌های الکترون

همانطور که مواد آلی اکسید می‌شوند، جوامع میکروبی از پذیرنده‌های الکترون به ترتیب کاهش بازده انرژی استفاده می‌کنند، از اکسیژن از طریق نیترات، اکسیدهای منگنز و آهن، سولفات، و در نهایت دی‌اکسید کربن، که منجر به ایجاد یک منطقه‌بندی ردوکس عمودی مشخص می‌شود.

Mechanisms

فعالیت الکترون (pE) و pH به طور مشترک میدان‌های پایداری را برای گونه‌های حساس به ردوکس تعریف می‌کنند که در نمودارهای pE-pH خلاصه شده‌اند. در رسوبات و آب‌های لایه‌بندی شده، تنفس میکروبی اکسیژن و سپس پذیرنده‌های با انرژی کمتر را به ترتیب مصرف می‌کند و باعث کاهش نیترات، اکسیدهای فلزی و سولفات می‌شود و عناصر مرتبط را متحرک یا بی‌حرکت می‌کند.

Clinical relevance

شرایط ردوکس تحرک آهن، منگنز، آرسنیک و مواد مغذی را کنترل می‌کند و بر کیفیت آب‌های زیرزمینی، آزادسازی آلاینده‌ها از رسوبات و طراحی سیستم‌های تصفیه تأثیر می‌گذارد.

History

چارچوب pE-pH در اواسط قرن بیستم از ژئوشیمی به شیمی آبزیان اقتباس شد و کنترل میکروبی توالی ردوکس از طریق کارهای بیوژئوشیمیایی بعدی روشن شد.

Key figures

• Werner Stumm
• James J. Morgan

Seminal works

• stumm1996
• vanLoon2017

Frequently asked questions

چرا آرسنیک گاهی در آب‌های زیرزمینی ظاهر می‌شود؟

شرایط کاهنده می‌تواند اکسیدهای آهن حاوی آرسنیک را حل کند و آن را به آب‌های زیرزمینی آزاد کند؛ بنابراین شیمی ردوکس این مشکل آلودگی مهم را کنترل می‌کند.