水中溶解的氣體有哪些？
實(shí)驗(yàn)室k / 2019-08-12
地下水的重要組分之一是溶解和游離狀態(tài)的氣體：O2、CO2、H2S、N2、CH4及惰性氣體。當(dāng)介質(zhì)的物理-化學(xué)條件變化時(shí)，它們能從水中逸出。在地球化學(xué)作用方面，水中的氣體具有重大意義，實(shí)質(zhì)上，地下水本身是一個(gè)水-氣平衡體系。
(1)氧(O2) 氧在水中以被溶解的分子形式存在。水中氧的成因有加下幾種：①來(lái)自大氣；②水生植物的光合作用；③還原作用放出的氧。水中的氧由于微生物生命作用的吸收，氧化作用和有機(jī)殘骸的發(fā)酵腐爛而被消耗，氧在水中的溶解度受溫度影響，隨溫度增高而減少，在垂直方向上，地下水中的游離氧隨深度而逐漸減少，到一定深度完全消失，這個(gè)深度叫做氧面，氧面的深度因潛水面的位置，水的運(yùn)動(dòng)方向，地質(zhì)構(gòu)造，巖石的透水性及氣候條件而異，變化幅度較大，從幾厘米到1公里或更多。
在氧面以下的深部，地球化學(xué)作用是在缺少游離氧的條件下進(jìn)行的，在表生帶，特別是在氧面以上，溶解氧是水中溶解氣體的重要組成部分(氧在水中的溶解量達(dá)14毫克/升或更多)，它是化學(xué)風(fēng)化的主要因素之一，在使鈾轉(zhuǎn)入溶液的過(guò)程中起重要作用。氧面以上主要是氧化作用，氧面以下則為還原作用，在氧化作用中，變價(jià)元素(Fe，Mn，U)可由低價(jià)離子變?yōu)楦邇r(jià)離子，非含氧化合物(硫化物，砷化物)可變?yōu)楹趸衔?硫酸鹽和砷酸鹽)。
氧的影響與礦石的物質(zhì)成分有關(guān)，也與介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，資料表明，天然條件下的中性水，當(dāng)不存在能與六價(jià)鈾生成易溶化合物的離子時(shí)，由于UO3的溶解度低，氧化不會(huì)引起水中含量的較大增高。但當(dāng)有黃鐵礦存在時(shí)，含氧水對(duì)瀝青鈾礦的溶解就大為增加。
總之，地下水中的氧是促使礦物中的鈾進(jìn)入水中的條件之一。
(2)二氧化碳(CO2) 地下水中的二氧化碳，有大氣成因的(大氣擴(kuò)散而來(lái))、巖漿成因的、碳酸鹽巖石變質(zhì)分解以及土壤中有機(jī)物、礦物鹽類(lèi)、微生物的分解而生成的。二氧化碳在水中主要以溶解的氣體分子形式存在，少部分(約1％)與水作用生成碳酸：
CO2+H2O ?H2CO3 ?H+＋HCO3-
所謂二氧化碳是指CO2、H2CO3和HCO3-的總合，在地下水中可達(dá)3.7克/升。它的地球化學(xué)作用是巨大的，一方面它影響著鈾礦物的氧化作用，另一方面可以與鈾酰生成絡(luò)合離子而遷移。二氧化碳在天然水中，能引起礦物中碳酸鹽雜質(zhì)的溶解，形成HCO3-離子，并使六價(jià)鈾生成易溶的碳酸鹽絡(luò)合物。所以，礦物和礦石中，碳酸鹽雜質(zhì)越多，二氧化碳的影響就越大。
試驗(yàn)表明，飽和二氧化碳的蒸餾水，可使鈾自瀝青鈾礦和晶質(zhì)鈾礦向水溶液遷移的強(qiáng)度最大可增高15倍。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)定了溶液中HCO3-離子的含量，用蒸餾水做的試驗(yàn)中其含量為39-49毫克/升，而在用飽和二氧化碳的水所做試驗(yàn)中則為75毫克/升。HCO3-離子含量的增高說(shuō)明，二氧化碳對(duì)鈾向溶液的遷移的影響，與礦物中碳酸鹽雜質(zhì)的存在有關(guān)。所以二氧化碳對(duì)鈾的溶解的影響與鈾礦物成分有關(guān)。
當(dāng)水中二氧化碳含量高時(shí)，U6+→U4+的氧化還原電位降低。因此，在還原條件下，鈾也可能以[UO2(CO3)3]4-形式存在于水中。
當(dāng)水的溫度、壓力等條件改變時(shí)，CO2逸出，絡(luò)合物被破壞，鈾就沉淀析出。
(3)甲烷(CH4)及重?zé)N 它們是在有機(jī)物分解時(shí)，由各種生物化學(xué)作用而生成并聚集在地下水中的，含量可達(dá)50厘米3/升。甲烷本身對(duì)放射性元素的遷移無(wú)影響。但當(dāng)有硫酸鹽存在時(shí)，它可以與之作用并生成H2S，H2S則是強(qiáng)還原劑。
Ca2+＋SO42-＋2CH4→H2S＋Ca2+＋2HCO3-＋2H2O
(4)硫化氫(H2S) 地下水中的硫化氫，可由有機(jī)質(zhì)(蛋白)的分解產(chǎn)生，這種情況見(jiàn)于油氣田地下水中。.在缺氧條件下，硫酸鹽被碳?xì)浠衔镞€原形成。還可以在火山噴發(fā)時(shí)隨其它氣體逸出。它在天然水中的含量可達(dá)2克/升。硫化氫是強(qiáng)還原劑，主要存在于氧面以下的強(qiáng)還原環(huán)境中，是還原環(huán)境的重要標(biāo)志。一般在還原環(huán)境H2S含量在77-100毫克/升以上。
(5)氮及惰性氣體 它對(duì)放射性元素的遷移不發(fā)生影響。
地下水的氣體成分，對(duì)鈾向水中遷移的影響，還與礦石本身的物質(zhì)成分有關(guān)。硫化物(首先是黃鐵礦)與碳酸鹽對(duì)鈾在氧化帶中的遷移起著積極的作用，當(dāng)水中有氧及二氧化碳存在時(shí)，它們能使鈾轉(zhuǎn)入溶液的能力增強(qiáng)，就是說(shuō)，含鈾巖石中的碳酸鹽或鈾礦物中的碳酸鹽雜質(zhì)，可提高鈾向溶液中遷移的強(qiáng)度。
水中氣體成分對(duì)鐳的遷移無(wú)直接影響，但水的氣體成分及其含量，能反映水存在的地球化學(xué)條件，可幫助判斷水中富集鐳的原因。
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