环境水化学平衡软件Visual MINTEQ简介

环境水化学平衡软件——Visual MINTEQ简介

摘要：Visual MINTEQ是一款计算水化学平衡的计算机软件，用于评估水体中金属污染物的形成和迁移的模型系统。本文主要介绍了Visual MINTEQ模型的功能、理论基础、操作方法和应用。最后，通过实例展示了Visual MINTEQ模型在土壤重金属污染等环境领域方面的应用。

关键词：Visual MINTEQ 化学平衡重金属污染

Introduction of Visual MINTEQ -- A Computer Program for Calculating Aqueous Chemistry Equilibria

Abstract: Visual MINTEQ is a computer program for computation of aqueous chemistry equilibria, and a modeling system for the assessment of the fate and migration of selected pollutant metals in aquatic systems. The functions, theories foundation, operating method and applications of Visual MINTEQ was mentioned in this essay. Finally, an example was demonstrated to introduce the application in soil heavy metals pollution and other environmental areas.

Keywords：Visual MINTEQ equilibrium heavy metal pollution

1. 引言

随着计算机计算能力的不断增强和互联网的发展，计算机日益成为科学研究中必要的工具。由于环境水化学问题的复杂性，越来越多的科研工作借助计算机进行辅助。水环境化学十分复杂，水中溶解的化学组分可以在液相水溶液中形成配合物，产生沉淀作用形成固相，或吸附到颗粒物表面，产生气体形成气相。所有这些反应都将影响pH、离子强度等水质参数。化学平衡方法提供了一种直接的热力学统一标准，能近似地提供了一种理解可能存在的化学反应和简化其中复杂机理的技术。近年来与环境水化学研究相关的软件Visual MINTEQ就是在上述基础上发展起来，并在质量上不断提高而在研究中得到了运用。

2. 软件介绍

2.1 简介

MINTEQ[1]是一款由美国国家环境保护局（EPA）开发，已经被广泛应用在模拟环境水平衡溶液中或水体中的离子和矿物平衡情况的软件，现已发展到经计算机软件窗口化的Visual MINTEQ 3.0[2]。该模型拥有强大的平衡常数数据库，涉及液相络合、溶解/沉淀、氧化/还原、气-液相平衡、吸附等多种平衡反应。通过平衡常数、吉布斯自由能等热力学数据计算化学物质的相互作用，以及通过质量作用表达式来判断化学物质的形态分布，预测金属的吸附和金属有机络合物的形成。典型的MINTEQ程序主要包括以下计算：

▪计算环境水化学体系中各种化学形态分布；

▪模拟土壤水体与矿物相的相互作用；

▪计算水化学体系的理论pH；

▪模拟离子的转移和变化；

▪计算表面吸附行为；

▪模拟固相沉淀；

▪测定新的化合物热力学常数；

▪评价实验室数据质量的准确度。

2.2 理论基础

Visual MINTEQ模型的理论基础是美国著名教授WL Lindsay创立的土壤化学平衡理论[3]。模型中使用预定义的基本组分(basic component，如Na+、Cd2+、S042-等)，作为反应物来编写反应方程。每一种化学物质均可用基本组分表示(如CaCl+和CaCl2等，可以写成由基本组分Ca2+和CI- 组成的化合物)，所以，对于N个水溶物质均可用输入的M个基本组分来表示，其化合反应的平衡常数亦包含在Visual MINTEQ的数据库中，使用者也可参考文献报道的平衡常数值，替换模型中的默认值或将新的化合物平衡常数添加到模型中[4]。

2.3 操作步骤

使用模型时，首先输入一个给定的参数文件，包括离子初始浓度（如Ca2+，C032+）或初始无机化合物含量（如CaC03）、浸出液pH、温度、离子强度、氧化还原电位(ORP)等信息。浸出液pH、ORP和离子强度可设为固定值（根据实测值输入），也可通过输入的条件进行平衡计算而得。

然后，运行模型程序进行计算。Visual MINTEQ根据M个基本组分的初始浓度，通过N个物质的溶解/沉淀、吸附、络合、氧化还原等平衡反应方程和平衡常数，进行重复迭代，模拟计算体系达到平衡时，溶液中各物质的化学形态（分子或离子组成）和浓度。若在模型中设置“不允许过饱和物质沉淀”，则计算结果中各组分将全部溶解，Visual MINTEQ会自动计算各物质的饱和指数(Saturability index，SI)。通过SI值可判断该物质是否有沉淀可能，SI < 0时表示物质在溶液中的浓度未超过其溶解度，不会沉淀；而SI > 0时物质过饱和，将会沉淀。也可设置“允许过饱和物质沉淀”，此时，所有SI > 0的物质将沉淀下来，沉淀的量作为新的变量继续参与迭代，直到该物质SI = 0，即达到溶解/沉淀平衡。

计算结束后，程序会给出输出文件，包含了溶液平衡计算结果，如溶解物质的浓度和化学形态、沉淀物质化学形态、平衡时pH以及物质的饱和指数等。2.4 应用

Visual MINTEQ模型由于其具有强大的计算能力、较全面的数据库、灵活的操作方式等优点，已经被广泛用在模拟土壤溶液中或水体中的离子和矿物的平衡情况，并用于模拟人工配制的溶液和天然水体中的金属化学形态，预测沉淀的形成，以及预测金属的吸附和金属有机络合物的形成等。MINTEQ可模拟500多