顧雪元, 艾弗遜, 張?jiān)蒲?/p>

(南京大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，環(huán)境科學(xué)與工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，污染控制與資源化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023)

0 引 言

環(huán)境化學(xué)是環(huán)境科學(xué)的核心組成部分，它是以環(huán)境問題為研究對象，以解決環(huán)境問題為目標(biāo)，是一門研究有害化學(xué)物質(zhì)在環(huán)境介質(zhì)中的存在、化學(xué)特性、行為和效應(yīng)及其控制的科學(xué)[1-3]。在目前開設(shè)環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)的高校中，環(huán)境化學(xué)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程均是廣泛開設(shè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，在教學(xué)中一般按環(huán)境介質(zhì)分為水環(huán)境化學(xué)、大氣環(huán)境化學(xué)、土壤環(huán)境化學(xué)等[4-8]。通過對環(huán)境化學(xué)課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對環(huán)境的化學(xué)組成，有害化學(xué)物質(zhì)在環(huán)境介質(zhì)中的存在、遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律、化學(xué)特性、行為和效應(yīng)等有較全面的了解，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)、分析和解決實(shí)際環(huán)境問題的能力[9-11]。

在環(huán)境化學(xué)教學(xué)中，水環(huán)境化學(xué)是課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)較多的地方[12-14]，課程內(nèi)容一般包括水環(huán)境中的酸堿平衡、碳酸平衡、水氣界面、沉淀與溶解、氧化與還原、固/液界面化學(xué)、水污染化學(xué)等內(nèi)容，其中包括了大量天然水化學(xué)體系下對物料平衡和形態(tài)的計(jì)算過程，如推測天然雨水中的pH值，以及碳酸鹽礦物發(fā)育水體中pH值等[15-16]。盡管在一定簡化條件下，此類問題可以采用筆算的方式解決，但計(jì)算過程繁復(fù)，實(shí)際環(huán)境條件下，情況往往更加復(fù)雜，筆算往往無法解決實(shí)際問題。本文在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)將近年發(fā)展的地球化學(xué)平衡計(jì)算程序引入到課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，可極大增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 Visual MINTEQ平衡計(jì)算軟件介紹

人們很早就認(rèn)識(shí)到基于溶液中各種組份的化學(xué)熱力學(xué)平衡計(jì)算可以預(yù)測溶液中各種形態(tài)的濃度，但由于涉及反應(yīng)眾多，在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以前，大規(guī)模化學(xué)平衡組成的計(jì)算幾乎是不可能的。20世紀(jì)50年代末到60年代初，一系列地球化學(xué)熱力學(xué)平衡模型MINTEQA 程序以及MICROQL等得到建立[17]，使化學(xué)平衡模型的計(jì)算機(jī)化得到了較大發(fā)展，在此基礎(chǔ)上，目前已存在較多的關(guān)于化學(xué)平衡的計(jì)算軟件可用于此類問題的計(jì)算，如visual MINTEQ、PHREEQC、CHEAQS、Geochemists Workbench等。

近年來由瑞典皇家理工學(xué)院Jon Petter Gustafsson教授改進(jìn)的視窗版本Visual MINTEQ軟件是目前功能最為強(qiáng)大的、人機(jī)界面較為友好的化學(xué)平衡軟件，此軟件可以在網(wǎng)絡(luò)上免費(fèi)獲得[18]，在Windows下可快速安裝。軟件含有3 000余種離子形態(tài)以及600余種沉淀；可以計(jì)算氣體溶解、沉淀/溶解、氧化/還原等過程；包含兩種腐殖質(zhì)的離子絡(luò)合模型: NIAC-Donnan和SHM(Stockholm Humic Model)；并含有5種表面絡(luò)合模型(DLM，TLM，BSM，CCM，CD-MUSIC)，可以滿足常見的離子平衡條件下的形態(tài)計(jì)算要求。

在環(huán)境化學(xué)教學(xué)過程中引入此類平衡計(jì)算軟件的教學(xué)，可將學(xué)生從繁瑣的計(jì)算中解放出來，計(jì)算效率更加高效、計(jì)算結(jié)果也更加準(zhǔn)確，同時(shí)也有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、擴(kuò)大學(xué)生的視野、加深對水化學(xué)相關(guān)知識(shí)的理解。

Visual MINTEQ的主界面如圖1所示。主界面上的濃度單位、溫度、pH值、離子強(qiáng)度可以根據(jù)需要設(shè)置。注意濃度單位一旦選定后，所有組份均采用這同一濃度單位。在“Add components”的下拉菜單中用于添加所要計(jì)算體系中所有組份的總濃度，選好后點(diǎn)擊“Add to list”添加進(jìn)計(jì)算列表，點(diǎn)擊“View/edit list”可以查看添加的各個(gè)組份及濃度。菜單欄中的各項(xiàng)可以進(jìn)行更復(fù)雜的設(shè)置，如沉淀(Solid phases and excluded species)、吸附(Adsorption)、氣體(Gases)、氧化還原過程(Redox)。完成對體系中所有組份的設(shè)置后點(diǎn)擊運(yùn)行(Run)鍵，即可完成運(yùn)算。以下本文將采用舉例的方式具體介紹Visual MINTEQ在水環(huán)境化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

圖1 Visual MINTEQ 主界面

2 Visual MINTEQ計(jì)算應(yīng)用舉例

2.1 試計(jì)算天然雨水的pH值

圖2 氣體“Gases”中的界面

2.2 試計(jì)算碳酸鹽存在下天然水體的pH值

此條件下，存在氣/液/固相三者的平衡，因此除按上面添加CO2氣體之外，還需要加入CaCO3沉淀，在菜單沉淀欄(Solid phases and excluded species)中，選擇“無限多的固相(Specify infinite solid phase)”，在彈出的菜單中添加碳酸鈣Calcite，在“l(fā)ist of fixed species”中可以看到CO2(g)和calcite均已在列表中，點(diǎn)擊“Species tableau”可以查看當(dāng)前體系中水相中各種形態(tài)的相關(guān)反應(yīng)平衡常數(shù)logK值、熵值及每種形態(tài)的化學(xué)計(jì)量數(shù)(見圖3)，返回主界面開始運(yùn)算。最終結(jié)果顯示，在此條件下的pH值為“8.227”，說明碳酸鹽存在下，天然水體承現(xiàn)弱堿性。

圖3 CO2和碳酸鈣沉淀體系中水相中各物質(zhì)形態(tài)的相關(guān)參數(shù)表

2.3 繪制開放體系中各碳酸形態(tài)的logC-pH圖

水相中各物質(zhì)形態(tài)的logC-pH圖可以幫助學(xué)生理解pH對物質(zhì)形態(tài)變化的強(qiáng)烈影響。上面兩個(gè)例子能開展某個(gè)pH條件下的計(jì)算，如需要繪制水相中各物質(zhì)形態(tài)隨pH變化的logC-pH圖，可采用軟件的批量計(jì)算方法輕松繪制。下面舉例說明開放體系下各碳酸形態(tài)的pH變化圖。如例1進(jìn)行設(shè)置后，在菜單欄中“Multi-problem/Sweep”中進(jìn)行如圖4所示的各項(xiàng)設(shè)置：勾選第一欄“Sweep：one parameter is varied”，在要計(jì)算的問題數(shù)中填入“57”，在變化的組份(Choose sweep component)中選中“pH”，在后面的起始值中設(shè)為0，變化步幅設(shè)為0.25，即從pH=0開始，每增加0.25個(gè)pH單位進(jìn)行一輪運(yùn)算，共運(yùn)算57輪，使pH達(dá)到14。

圖4 批量計(jì)算中的設(shè)置界面

圖5 開放體系中各碳酸形態(tài)的logC-pH圖

在此基礎(chǔ)上，教師可以根據(jù)需要自行定義需要計(jì)算的反應(yīng)體系，啟發(fā)學(xué)生開展復(fù)雜環(huán)境下的形態(tài)計(jì)算，如繪制碳酸鈣存在下開放體系的logC-pH圖，或計(jì)算不同重金屬的水解、絡(luò)合形態(tài)圖等。通過實(shí)際計(jì)算過程，幫助學(xué)生更好理解和掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。

3 結(jié) 語

Visual MINTEQ程序可以環(huán)境科學(xué)、地球化學(xué)、大氣科學(xué)等眾多領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，本文列舉了應(yīng)用該程序在水環(huán)境中碳酸鹽體系中的計(jì)算過程，可見，采用該方法后，不僅可以減輕學(xué)生的計(jì)算負(fù)擔(dān)，還提高了教學(xué)過程中師生的互動(dòng)性和寓教于樂性，從而培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考問題、分析問題、解決問題的能力，同時(shí)使課堂傳統(tǒng)教學(xué)和具體實(shí)驗(yàn)操作向網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化轉(zhuǎn)變，取得了較好的教學(xué)效果。