Conceptual Models > Equilibrium assumptions

How to model simple solution in equil. w/ atmospheric CO2, N2, O2?

(1/1)

jheadley:
All I'm trying to do is just establish a baseline to make sure I'm doing things right.

10 mM of KCl should have a conductivity of around 1400 (that I can get), and it should have a pH of around 5.6. That I can also get, if I only put CO2(g) in the equilibrium phase calc.

But as soon as I try to add O2 and N2, my pH goes down to 1, and my pe goes up to 19 or so. It looks like it's saying that the O2 and N2 should react to form about 100 mM of NO3-.


How do I just model a simple beaker of KCl, with all its dissolved gasses?

Ultimately, I want to input actual samples from a surface stream, measured with field measurements and ICP/MS and IC. But I don't understand why things like the atmosphere are seemingly ignored in the provided examples. I want to use my dissolved oxygen measurements (and maybe NO3- concentrations?) to get a semi-quantitative answer to the oxidizing/reducing conditions present in the stream.


--- Code: --- EQUILIBRIUM_PHASES 1
    CO2(g)    -3.4 10
    O2(g)     -0.68 10
    N2(g)     -0.11 10
SOLUTION 1
    temp      25
    pH        7
    pe        4
    redox     pe
    units     mmol/l
    density   1
    Cl        10
    K         10
    water    1 # kg
END
-------------------------------------------
Beginning of initial solution calculations.
-------------------------------------------

Initial solution 1.

-----------------------------Solution composition------------------------------

Elements           Molality       Moles

Cl                1.001e-02   1.001e-02
K                 1.001e-02   1.001e-02

----------------------------Description of solution----------------------------

                                       pH  =   7.000   
                                       pe  =   4.000   
      Specific Conductance (?S/cm,  25?C)  = 1396
                          Density (g/cm?)  =   0.99752
                               Volume (L)  =   1.00324
                        Activity of water  =   1.000
                 Ionic strength (mol/kgw)  =   1.001e-02
                       Mass of water (kg)  =   1.000e+00
                 Total alkalinity (eq/kg)  =   2.934e-09
                         Temperature (?C)  =  25.00
                  Electrical balance (eq)  =  -2.933e-09
 Percent error, 100*(Cat-|An|)/(Cat+|An|)  =  -0.00
                               Iterations  =   3
                                  Total H  = 1.110124e+02
                                  Total O  = 5.550622e+01

----------------------------Distribution of species----------------------------

                                               Log       Log       Log    mole V
   Species          Molality    Activity  Molality  Activity     Gamma    cm?/mol

   OH-             1.124e-07   1.012e-07    -6.949    -6.995    -0.046     -4.03
   H+              1.095e-07   1.000e-07    -6.961    -7.000    -0.039      0.00
   H2O             5.551e+01   9.997e-01     1.744    -0.000     0.000     18.07
Cl            1.001e-02
   Cl-             1.001e-02   9.014e-03    -2.000    -2.045    -0.045     18.14
H(0)          1.413e-25
   H2              7.063e-26   7.079e-26   -25.151   -25.150     0.001     28.61
K             1.001e-02
   K+              1.001e-02   9.010e-03    -2.000    -2.045    -0.046      9.07
O(0)          0.000e+00
   O2              0.000e+00   0.000e+00   -42.081   -42.080     0.001     30.40

------------------------------Saturation indices-------------------------------

  Phase               SI** log IAP   log K(298 K,   1 atm)

  H2(g)           -22.05    -25.15   -3.10  H2
  H2O(g)           -1.50     -0.00    1.50  H2O
  O2(g)           -39.19    -42.08   -2.89  O2
  Sylvite          -4.99     -4.09    0.90  KCl

**For a gas, SI = log10(fugacity). Fugacity = pressure * phi / 1 atm.
  For ideal gases, phi = 1.

-----------------------------------------
Beginning of batch-reaction calculations.
-----------------------------------------

Reaction step 1.

Using solution 1.
Using pure phase assemblage 1.

-------------------------------Phase assemblage--------------------------------

                                                      Moles in assemblage
Phase               SI  log IAP  log K(T, P)   Initial       Final       Delta

CO2(g)           -3.40    -4.87     -1.47    1.000e+01   1.000e+01  -1.313e-05
N2(g)            -0.11    -3.29     -3.18    1.000e+01   9.938e+00  -6.171e-02
O2(g)            -0.68    -3.57     -2.89    1.000e+01   9.847e+00  -1.533e-01

-----------------------------Solution composition------------------------------

Elements           Molality       Moles

C                 1.314e-05   1.313e-05
Cl                1.002e-02   1.001e-02
K                 1.002e-02   1.001e-02
N                 1.236e-01   1.234e-01

----------------------------Description of solution----------------------------

                                       pH  =   1.001      Charge balance
                                       pe  =  19.627      Adjusted to redox equilibrium
      Specific Conductance (?S/cm,  25?C)  = 47432
                          Density (g/cm?)  =   1.00156
                               Volume (L)  =   1.00581
                        Activity of water  =   0.995
                 Ionic strength (mol/kgw)  =   1.326e-01
                       Mass of water (kg)  =   9.989e-01
                 Total alkalinity (eq/kg)  =  -1.225e-01
                       Total CO2 (mol/kg)  =   1.314e-05
                         Temperature (?C)  =  25.00
                  Electrical balance (eq)  =  -2.933e-09
 Percent error, 100*(Cat-|An|)/(Cat+|An|)  =  -0.00
                               Iterations  =  19
                                  Total H  = 1.110124e+02
                                  Total O  = 5.581280e+01

----------------------------Distribution of species----------------------------

                                               Log       Log       Log    mole V
   Species          Molality    Activity  Molality  Activity     Gamma    cm?/mol

   H+              1.225e-01   9.974e-02    -0.912    -1.001    -0.089      0.00
   OH-             1.366e-13   1.010e-13   -12.865   -12.996    -0.131     -3.65
   H2O             5.551e+01   9.955e-01     1.744    -0.002     0.000     18.07
C(-4)         0.000e+00
   CH4             0.000e+00   0.000e+00  -145.510  -145.497     0.013     35.46
C(4)          1.314e-05
   CO2             1.314e-05   1.355e-05    -4.881    -4.868     0.013     34.43
   HCO3-           7.797e-11   6.013e-11   -10.108   -10.221    -0.113     25.30
   (CO2)2          3.267e-12   3.368e-12   -11.486   -11.473     0.013     68.87
   CO3-2           7.993e-20   2.827e-20   -19.097   -19.549    -0.451     -3.96
Cl            1.002e-02
   Cl-             1.002e-02   7.474e-03    -1.999    -2.126    -0.127     18.38
H(0)          0.000e+00
   H2              0.000e+00   0.000e+00   -44.419   -44.406     0.013     28.61
K             1.002e-02
   K+              1.002e-02   7.445e-03    -1.999    -2.128    -0.129      9.28
N(-3)         0.000e+00
   NH4+            0.000e+00   0.000e+00   -48.848   -48.991    -0.143     18.20
   NH3             0.000e+00   0.000e+00   -57.247   -57.234     0.013     24.42
N(0)          1.004e-03
   N2              5.022e-04   5.178e-04    -3.299    -3.286     0.013     29.29
N(3)          2.538e-14
   NO2-            2.538e-14   1.853e-14   -13.595   -13.732    -0.137     25.28
N(5)          1.225e-01
   NO3-            1.225e-01   8.946e-02    -0.912    -1.048    -0.137     29.81
O(0)          5.192e-04
   O2              2.596e-04   2.676e-04    -3.586    -3.572     0.013     30.40

------------------------------Saturation indices-------------------------------

  Phase               SI** log IAP   log K(298 K,   1 atm)

  CH4(g)         -142.70   -145.50   -2.80  CH4
  CO2(g)           -3.40     -4.87   -1.47  CO2 Pressure   0.0 atm, phi 1.000
  H2(g)           -41.30    -44.41   -3.10  H2
  H2O(g)           -1.50     -0.00    1.50  H2O
  N2(g)            -0.11     -3.29   -3.18  N2 Pressure   0.8 atm, phi 1.000
  NH3(g)          -59.03    -57.23    1.80  NH3
  O2(g)            -0.68     -3.57   -2.89  O2 Pressure   0.2 atm, phi 1.000
  Sylvite          -5.15     -4.25    0.90  KCl

**For a gas, SI = log10(fugacity). Fugacity = pressure * phi / 1 atm.
  For ideal gases, phi = 1.

------------------
End of simulation.
------------------

--- End code ---

dlparkhurst:
You have diagnosed the problem correctly. In the SOLUTION calculation, PHREEQC allows redox disequilibrium, such that O2(aq) and N2(aq) can happily coexist. However, in reaction calculations--when SOLUTION is equilibrated with EQUILIBRIUM_PHASES, redox equilibrium is calculated. The O2 and N2 react to form NO3- and low pH.

Unless you are considering the formation of gas bubbles, you can assume N2(aq) is inert and its dissolved concentration relatively small. That is why it is not considered in most examples.

If you are considering the formation of gas bubbles, then N2 will distribute between solution and gas, and may be an important component leading to bubble formation. In that case, phreeqc.dat, pitzer.dat, and Amm.dat have an "element" named Ntg that does not react with the nitrogen system. It is effectively an inert species that only has a dissolved form, Ntg, and a gas (PHASES) form, Ntg(g). If you do want it to react, you can use REACTION or KINETICS to simulate the reaction of Ntg to N species.


--- Code: --- EQUILIBRIUM_PHASES 1
    CO2(g)    -3.4 10
    O2(g)     -0.68 10
    Ntg(g)    -0.11 10
SOLUTION 1
    temp      25
    pH        7
    pe        4
    redox     pe
    units     mmol/l
    density   1
    Cl        10
    K         10
    water    1 # kg
END
--- End code ---

Navigation

[0] Message Index

Go to full version