Кульский Л.А., Накорчевская В.Ф. Химия воды: Физико-химические процессы обработки природных и сточных вод - файл n1.doc

приобрести
Кульский Л.А., Накорчевская В.Ф. Химия воды: Физико-химические процессы обработки природных и сточных вод
скачать (12651.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc12652kb.19.09.2012 18:34скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11













Химия воды: Физико-химические процессы об­работки природных и сточных вод. Кульский Л. А., Накорчевекая В. Ф. — К.: Вища школа. Голов­ное изд-во, 1983.—240 с.

В учебном пособии рассмотрено современное состояние подготовки воды различного назначе­ния, очистки производственных сточных вод. Из­ложен принцип классификации примесей и загряз­нений воды по их фазово-дисперсному состоянию, что дало возможность научно обосновать техно­логические приемы водообработки. Рассмотрены физико-химические основы процессов водоподго-товки, вопросы интенсификации методов очистки, использования новых реагентов, усовершенствова­ния технологии.

Предназначено для студентов инженерно-строительны\ институтов по специальности «Во­доснабжение и канализация».

Табл. i2. Пл. 70. Библиогр.: 7 назв.

Рецензенты: кандидат технических наук Т. А. Карюхина и кандидат технических наук И. Н. Чурбанова (Московский инженерно-строи­тельный институт)

Редакция литературы по химии, химической технологии, горному делу и металлургии Зав. редакцией Т. С. Антоненко





Ускоренное развитие всех отраслей народного хозяйства и повы­шение культуры быта советского человека предъявляют все более строгие требования к качеству потребляемой воды. В то же время потребители воды сами являются причиной загрязнения ее природ­ных запасов. Поэтому охрана источников водоснабжения от естест­венных загрязнений и от загрязнений, вносимых с бытовыми и про­изводственными сточными водами, а также разработка и применение наиболее совершенных методов и схем подготовки этих вод для ком­мунальных и технических целей является комплексной задачей ис­ключительной важности.

В последнее время качественно изменился подход к решению про­блемы охраны окружающей среды, неотъемлемой частью которой является охрана и рациональное использование водных ресурсов. Не­обходимость масштабного, комплексного подхода к данной задаче требует от специалистов, ее решающих, высокого уровня теоретичес­кой и практической подготовки, широты взглядов, эрудиции.

О том, какое огромное значение придают охране окружающей среды все государства мира, свидетельствует состоявшаяся в октябре 1977 года в г. Тбилиси межправительственная конференция ЮНЕСКО по проблеме просвещения в вопросах окружающей среды, которая стала важным этапом в развитии межгосударственных усилий в об­ласти образования, обучения и пропаганды знаний об окружающей среде.

В 1981 году Генеральная Ассамблея Организации Объединенных Наций объявила 80-е годы Международным десятилетием обеспече­ния питьевой водой и санитарии и призвала правительства всех стран активно включиться в реализацию мероприятий по программе деся­тилетия.

Большое внимание уделяется охране окружающей среды в нашей стране, где благодаря преимуществам социалистического строя она успешно сочетается с научно-техническим прогрессом.

Любая новая проблема нуждается в энтузиастах. Не является ис­ключением и проблема охраны окружающей среды, со всей полно­той осознанная человечеством недавно, и важнейший ее аспект — ра­циональное водопользование. Новое поколение, вооруженное моло­достью и знаниями, призвано решить ее в самое кратчайшее время, защитить и сохранить «чудо планеты» — воду.

Вода — самое простое и загадочное вещество на Земле. Ее огром­ное значение в жизни нашей планеты подчеркивают многие крупней­шие ученые, в том числе и американские исследователи — физик Дж. Дей и химик К- Девис, называя воду «зеркалом науки». Про­должая их сравнение, советский геолог и планетолог В. Ф. Дерпгольц утверждает, что отношение к воде — зеркало ученого-естествоиспы­тателя. Чем серьезнее, вдумчивее относится такой ученый к воде, чем большее значение придает ей в своей дисциплине, тем выше как уче­ный стоит он сам в ряду своих коллег.

О том, что вода — «самое удивительное и самое лучшее», писал немецкий ученый Ф. Ауэрбах, а выдающемуся французскому физио­логу Э. Дюбуа-Раймону принадлежит образное сравнение жизни с «одушевленной» водой.

Ученый-мыслитель, крупнейший минералог и геохимик советский академик В. И. Вернадский писал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных самых грандиозных геологичес­ких процессов. Нет земного вещества, минерала, горной породы, жи­вого тела, которое ее бы не заключало. Все земное вещество... ею проникнуто и охвачено»'.

Авторы будут во многом вознаграждены, если изучающие эту книгу проникнутся гордостью и ответственностью за то, что изучают, улучшают и работают с таким замечательным веществом, как вода.

В пособии особое внимание уделено научному обоснованию тех­нологии очистки природных и сточных вод, использованию новых реагентов и процессов, методам их интенсификации и совершенство­вания. Значительное место занимают вопросы опреснения и обессо-ливания воды, охарактеризованы применяемые методы и диапазон их использования.

Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам — кан­дидатам технических наук, доцентам Т. А. Карюхиной и И. Н. Чур-бановой за ценные замечания и пожелания, сделанные при просмотре рукописи. Авторы будут признательны всем, кто пожелает оказать помощь в дальнейшем совершенствовании учебного пособия.

Все отзывы просим направлять по адресу: 252054, Киев-54, Гого­левская, 7, Головное издательство издательского объединения «Ви-ща школа».

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших глобальных проблем, вызывающих серьез­ную озабоченность всего человечества, является усиливающееся воз­действие человека на природу, несущее угрозу нарушения динами­ческого равновесия в природе.

Стремительное развитие научно-технической революции, быстрый рост промышленности, автотранспорта, возрастание численности и урбанизация населения, индустриализация и химизация сельскохо­зяйственного производства — все эти факторы неизбежно ведут к увеличению эксплуатации природных ресурсов, оказывают воздейст­вие на окружающую человека природу—растительный и животный мир, состояние недр, почвы, воздушного и водного бассейнов. Совре­менные масштабы этого воздействия, с одной стороны, обусловлены целесообразной деятельностью человека в отношении создания тех или иных необходимых продуктов; с другой стороны, они могут при­вести к нарушению динамического равновесия в природе. А человек, по словам советского академика П. Л. Капицы, может жить только в условиях равновесия с природой. Отсюда очевидность огромной важности проблемы охраны окружающей среды, необходимость ре-шения которой стоит перед человечеством.

Что же такое окружающая среда? Это понятие включает все то, что окружает человека, что прямо или косвенно воздействует на его жизнь и деятельность. В широком смысле окружающей средой явля­ется вся наша планета и космическое пространство; в более узком, упрощенном представлении под окружающей средой подразумевают только биосферу.

Современные представления о биосфере сформулированы выдаю­щимся русским естествоиспытателем академиком В. И. Вернадским. Биосфера представляет собой внешнюю оболочку нашей планеты, в которой концентрируется все ее живое вещество. Согласно В. И. Вер­надскому, биосфера включает: литосферу (земную кору), простираю­щуюся на глубину около 3 км; гидросферу (водную оболочку) глу­биной до 12 км и нижний слой атмосферы — тропосферу высотой 10—15 км. В 1927 г. французским ученым Ле-Руа было введено по­нятие «ноосфера», развитое впоследствии В. И. Вернадским. Новое понятие охватывает сферу влияния человеческого разума на приро­ду. Позднее академик А. Е. Ферсман дал ей название «техносфера» и тем самым приравнял человека к самым могучим действенным си­лам природы.

Действительно, человек в процессе своей деятельности преобразу­ет поверхность Земли, и эта деятельность (выемка горных пород, разработка полезных ископаемых, прокладка каналов, регулирова­ние рек, создание водохранилищ и т. д.) приобретает масштаб геоло­гических процессов. Масштабы воздействия таких процессов на при­роду настолько грандиозны, что необходимо учитывать, насколько они разумны и целесообразны.

Академик В. И. Вернадский отмечал, что на этапе становления ноосферы возрастает значение науки, которая должна определять на­правления рационального поведения людей как геологического фак­тора, действующего в соответствии с законами природы, а не против этих законов. Так возникла необходимость в науке об охране при­роды, под которой подразумевают систему мероприятий по рацио­нальному использованию, сохранению и восстановлению природных ресурсов и защите от загрязнения окружающей среды.

Развивая учение о биосфере Земли, В. И. Вернадский так харак­теризовал ее: биосферу по существу можно рассматривать как об­ласть земной коры, занятую трансформаторами, которые переводят космические излучения в действенную земную энергию — электричес­кую, химическую, механическую, тепловую и т. д. Одним из основных факторов, который воспринимает, сохраняет и трансформирует энер­гию, поступающую на земную оболочку, является вода. Она обуслов­ливает климат на Земле и обеспечивает условия для развития и под­держания жизни, она представляет собой одно из непременных веществ всего живого. Организм человека на 60—70 % (по массе) со­стоит из воды. Потеря воды для организма опаснее голодания. Без пищи человек может прожить больше месяца, без воды он погибает через несколько дней. Потеря 10 % воды приводит к самоотравлению организма, а при потере 21 % наступает смерть. Растительный мир содержит 70—95 % воды. Трудно найти такое природное тело на Земле, будь то металл или минерал, растение или животное, газ, жидкость или твердое тело, которое бы не содержало воды при лю­бой температуре. Даже в огненной магме содержится до 12 % воды.

С водой связана вся жизнь и деятельность человека. Известно, что каждый житель благоустроенного населенного пункта ежеднев­но расходует не менее 150—200 л воды. Статистика свидетельствует: население нашей планеты потребляет за сутки 7 млрд. м3 воды, в том числе население СССР — 850 млн. м3. Значительное количество воды потребляют промышленные предприятия. Например, для про­изводства 1 кг бумаги необходимо более 100 л воды, 1 т цемента — 4—5 тыс. л, 1 т стали — 20 тыс. л. Огромным водопотребителем яв­ляется сельское хозяйство: 1 га кукурузы в течение вегетационного периода требует 3 млн. л влаги, 1 га капусты — 8 млн. л, а 1 га ри­са — от 12 до 20 млн. л.

Вода — необходимый элемент энергетики, с ее помощью намыва­ются плотины, поддерживается санитарно-гигиеническое состояние населенных пунктов. Она служит транспортными артериями и явля­ется лечебным средством.- Значительное место в народном хозяйстве занимает рыбный промысел, который ведется в морях, реках, озерах. Как видим, вода, как никакие другие природные ресурсы, находит

самое широкое применение в нашей жизни. Поэтому неудивительно, что на современном этапе проблема «водного дефицита» становится все острее: в век технического прогресса вода стала сырьем, опре­деляющим развитие производительных сил того или иного экономи­ческого района. К сожалению, технический прогресс имеет и теневые стороны: известно, например, что 3/4 потребляемой воды превраща­ется в сточные воды, количество которых исчисляется миллиардами кубических метров в год. Этот факт вместе с огромным потреблени­ем чистой воды и порождает понятие «водный голод», так как в на­стоящее время нет такого избытка чистой воды, которой раньше раз­бавлялись эти стоки до безвредных для жизни концентраций содер­жащихся в них веществ.

Научно-технический прогресс вносит существенные изменения в естественные процессы кругооборота воды, протекающие в атмосфе­ре, морях и океанах, внутренних водоемах и подземных водоносных горизонтах, т. е. в гидрологический цикл планеты.

Особенно остро проблема «водного дефицита» стоит в капитали­стических государствах. Здесь, даже в наиболее высокоразвитых странах, основные источники водоснабжения быстро выходят из строя. Так, в США главная река Миссисипи получила название «главного канализационного коллектора», погибают озера Мичиган и Эри. В странах Западной Европы ужасающе загрязнены Рейн (ФРГ), Сена (Франция), реки Италии и многие другие.

Мероприятия, предпринимаемые в условиях капитализма в этом направлении, очень ограничены. Предложения по очистке воды об­суждаются на различных уровнях, а темпы загрязнения водных ис­точников непрерывно нарастают.

В нашей стране преимущества социалистического строя создают благоприятные возможности как для научно-технического прогресса, так и для решения проблемы охраны окружающей среды. Основные принципы социалистического общества по сохранению природных бо­гатств и охране окружающей среды, изложенные в декретах и поста­новлениях, подписанных В. И. Лениным, стали основополагающи­ми в деятельности КПСС и Советского государства по данному во­просу.

В постановлении Верховного Совета СССР от 20 сентября 1972 г. «О мерах по дальнейшему улучшению охраны природы и рациональ­ному использованию природных ресурсов» отмечается: «Рациональ­ное использование, сохранение и воспроизводство природных ресур­сов, бережное отношение к природе — составная часть программы строительства коммунизма в СССР».

В последнее время Верховный Совет СССР принял важные зако­ны по защите окружающей среды: «Основы земельного законода­тельства Союза ССР и союзных республик», «Основы законодатель­ства Союза ССР и союзных республик о здравоохранении», «Основы водного законодательства Союза ССР и союзных республик».

ЦК КПСС и Советом Министров СССР принят, ряд постановле­ний: о мерах по предотвращению загрязнения Каспийского моря, о сохранении богатства вод оз. Байкал, о предотвращении загрязне­ний бассейнов рек Волги и Урала и другие.

Огромное значение в согласовании работы научных учреждений, различных министерств и ведомств имеет принятое 29 декабря 1972 г. ЦК КПСС и Советом Министров СССР развернутое постановление «Об усилении охраны природы и улучшении использования природ­ных ресурсов». Этим постановлением внесены важные новые поло­жения в тактику государственных мероприятий по охране окружаю­щей среды. В соответствии с указанным постановлением в 1975 г. впервые в Государственный план развития народного хозяйства СССР был включен самостоятельный раздел «Охрана природы и ра­циональное использование природных ресурсов» с выделением по этому разделу более 1,8 млрд. руб. капитальных вложений. Планом, в частности, предусматривался ввод в действие новых очистных со­оружений, внедрение систем оборотного водоснабжения.

На XXV съезде КПСС было также отмечено, что по мере разви­тия народного хозяйства, роста городов и промышленных центров сохранение окружающей среды будет требовать все больше средств. В десятой пятилетке на эти цели было выделено 11 млрд. руб.

Ответственные задачи по хозяйственному использованию и вос­становлению природных ресурсов были поставлены на июльском (1978 г.) Пленуме Центрального Комитета КПСС.

Вопросы охраны окружающей среды нашли отражение в Законе о Совете Министров СССР, утвержденном девятой сессией Верхов­ного Совета СССР.

Практическое выполнение постановлений партии и Советского го­сударства состоит в том, что на многих предприятиях уже введены установки по очистке воды, загрязненной отходами производства. Со­оружения по биологической очистке городских стоков работают в целом ряде городов нашей страны.

Новые, более сложные задачи сформулированы на XXVI съезде нашей партии. В принятых на съезде «Основных направлениях эко­номического и социального развития СССР на 1981 —1985 годы и на период до 1990 года» в разделе «Охрана природы» указывается на необходимость ускорения строительства водоохранных объектов в бассейнах Черного, Азовского, Балтийского, Каспийского морей и важнейших промышленных районах страны. Насущными задачами является увеличение мощности систем оборотного и повторного ис­пользования вод, разработка и внедрение на предприятиях бессточ­ных систем водоиспользования, увеличение выпуска высокоэффектив­ного водоочистного оборудования.

Важнейшим аспектом охраны и рационального использования природных вод является проблема обеспечения населения, промыш­ленности и сельского хозяйства высококачественной водой. Подготов­ка такой воды в настоящее время является весьма сложной задачей в связи с большим разнообразием веществ (примесей), присутствую­щих в природных водах. Это объясняется тем, что наряду с тради­ционными источниками загрязнения — сточными водами населенных пунктов и промышленных предприятий (также значительно разнооб­разившимися в связи с появлением новых видов производства) — все более возрастающую роль играют и другие источники загрязне­ния: стоки животноводческих комплексов и птицеферм, дренажные

и сбросные воды с орошаемых земель, поверхностный сток (в том

числе и с сельскохозяйственных угодий, обработанных ядохимиката­ми и удобрениями), воды шахтного водоотлива и ряд других. Так, в настоящее время число видов загрязнений природных и сточных вод составляет несколько десятков тысяч, в то время как методы уда­ления из воды разработаны только для 250—300 соединений. Несо­ответствие этил цифр показывает бесперспективность пути поиска индивидуальных решений, т. е. методов освобождения от каждого компонента в отдельности.

Исследования, проводившиеся в течение ряда лет в Институте коллоидной химии и химии воды АН УССР, дали возможность уста­новить, что на выбор метода и технологии очистки воды от какого-либо загрязняющего се вещества определяющее влияние оказывает фазово-дисперсное состояние этого вещества, а не его индивидуаль­ная химическая природа. Возникла необходимость обобщения дан­ных о состоянии примесей и загрязнений воды и установления соот­ветствия методов очистки воды и фазово-дисперсного состояния уда­ляемых примесей. На основании исследований, выполненных под руководством академика АН УССР Л. А. Кульского, разработана классификация примесей воды по их фазово-дисперсному состоянию, объединившая все многообразие загрязнений природных и сточных вод в ограниченное количество групп с общим для каждой группы набором методов водоочистки. Сведения об индивидуальной химичес-кой природе удаляемых примесей дают возможность уже из числа рекомендованных для данной группы методов очистки воды выбирать оптимальные и уточнять для них технологические режимы. Принцип, заложенный в классификации, открывает широкие возможности для разработки эффективных методов удаления неизученных еще загряз­нений воды.

Прогрессивное значение классификации Л. А. Кульского заклю­чается еще и в том, что она дает возможность рассматривать все про­цессы водообработки с единых позиций и, таким образом, становится плодотворной основой как для создания науки о регулировании ка­чества воды, так и для решения ряда инженерных задач по этой проблеме.

раздел I НЕКОТОРЫЕ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДЕ

Глава 1.1

СВОЙСТВА ВОДЫ КАК ВЕЩЕСТВА

Вода является самым распространенным и в то же время не­обыкновенным, удивительным и далеко еще не разгаданным вещест­вом. Среди всех веществ, изучаемых физиками и физико-химиками, вода во многих отношениях является самым трудным.

Молекула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода, описывается простейшей формулой Н2О. Однако эта простота кажущаяся, ей не соответствуют ни состав и строение молекулы воды, ни ее структура.

Обычно молекулярную массу воды считают равной 18. Но встре­чаются молекулы и с большей массой (19—22). Это объясняется на­личием большого количества изотопов водорода и кислорода. Извест­но пять изотопов водорода: протий 'Н, дейтерий D, тритий Т, а также искусственно полученные сверхтяжелые короткоживущие 4Н и 5Н. Последние, как и тритий, радиоактивны. Кроме всем известного по таблице Д. И. Менделеева 16О, в природных водах встречаются 17О и 18О, а в ускорителях и реакторах создано еще шесть изотопов: лег­кие 13О, 14О и 15О, тяжелые 19О и 20О и сверхтяжелый 24О. Они также радиоактивны. Наличие пяти изотопов водорода и девяти изотопов кислорода свидетельствует о возможности существования 135 изо­топных разновидностей воды. Из них только девять являются доста­точно устойчивыми, стабильными (рис. 1.1). Соотношение их следую­щее: 1Н216О — 99,73 % мол.; 'Н218О — 0,2 %; 1Н217О — 0,04 %; 1H2H16O — около 0,03 %. Остальные пять изотопов содержатся в ни­чтожном количестве. Хотя количество молекул воды, образованных протием и 16О, несравнимо с количеством молекул других разновид-



ностей воды, последние оказывают значитель­ное влияние на свойства воды.

Кроме неоднородности молекул, связанной с изотопной модификацией, свойства воды во многом определяются и особенностями строе­ния самой молекулы (рис. 1.2).

Особенностью внутреннего строения моле­кулы воды является несимметричное располо­жение атомов водорода относительно атома кислорода. Связи Н—О—Н образуют у цент­рального атома кислорода угол, равный 104°27'. В результате этого внутримолекуляр­ные силы компенсируются не полностью и их



избыток проявляется вне молекулы. На рис. 1.3 приведены основные размеры молекулы воды. В силу асимметричного распределения по­ложительных и отрицательных зарядов молекула воды обладает ярко выраженной полярностью, значительно превосходящей разделение зарядов у других веществ.

Эти свойства молекулы воды (называемые также диэлектричес­кой проницаемостью, которая у воды очень велика) имеют очень большое значение, объясняя способность воды растворять многие ве­щества.

Остановимся также на следующем факторе, обусловливающем ряд особых качеств воды, вытекающих из полярных свойств ее мо­лекул. В 1 см3 жидкой воды при 0°С содержится 3,35-1022 молекул. Кроме простых молекул, вода в жидком состоянии содержит и более сложные образования, соответствующие общей формуле (Н2О)П. Основное значение для ассоциации молекул имеют водородные свя­зи. Прочность их в 15—20 раз меньше прочности валентных связей. Поэтому достаточно обычных тепловых движений молекул воды, что­бы разрушить водородные связи или образовать новые. Эти особен­ности структуры воды и образуемых ею ассоциатов (макромолекул) и обусловливают аномальные свойства, которые значительно отлича­ют воду от всех других водородных соединений и придают ей ценней­шие качества.

Самое удивительное свойство воды заключается в том, что она является единственным веществом на нашей планете, которое при обычных температурах и давлении может находиться в трех агрегат­ных состояниях: в твердом (лед), жидком и газообразном (невиди­мый глазу пар).

Вода — самое аномальное вещество в природе. Так, вода наиме­нее летуча, максимальной плотности она достигает при плюсовой температуре, у нее аномально высокие теплота испарения и теплота плавления, удельная теплоемкость, температуры кипения и замерза­ния. Последняя особенность наглядно видна при сравнении с анало- гичными водородными соединениями элементов подгруппы кислоро­да периодической системы Д. И. Менделеева (табл. 1.1).




Так, исходя из температур кипения и замерзания гидри­дов серы H2S, селена H2Se и теллура НгТе, вода должна была бы кипеть при —70 °С и замерзать при —90 °С. В дей­ствительности же вода замер­зает при 0, а кипит при 100°С.

Многие из аномальных свойств воды оказывают боль­шое влияние на живые орга­низмы нашей планеты. Макси-

мальная плотность воды при температуре 3,98 °С обеспечивает сохра­нение жизни в водоемах подо льдом; аномально большая теплоем­кость способствует регулированию температуры на земном шаре за счет медленного нагревания и остывания огромных масс поверхност­ной воды.

Вода обладает наибольшим поверхностным натяжением из всех известных жидкостей, за исключением ртути. Это свойство обуслов­ливает возможность движения воды в стеблях растений, стволах де­ревьев, движения крови в тончайших сосудах животных и человека и пр.

Вода — наилучший растворитель для многих газов, жидкостей и твердых соединений. В то же время (что очень существенно) она хи­мически не изменяется под действием большинства соединений, ко­торые растворяет, так как является инертным растворителем. Этим обеспечиваются ее многие важные особенности, прежде всего полно­ценное питание живых существ (питательные вещества не теряют своих свойств в водной среде) и возможность многократного исполь­зования в природе и технологических процессах.

Одним из возможных объяснений причин аномалий воды явля­ются особенности структур, образуемых молекулами воды при раз­личных агрегатных состояниях, связанные с температурой, давлени­ем и другими условиями. Установлено, что в состоянии водяного пара вода представляет в основном мономерные молекулы, редко встре­чаются димеры, однако возможны и тримеры.

Достаточно хорошо изучена структура льда. Выявлены шесть ее модификаций и характеристики каждой из них. Кристаллы льда име­ют форму шестигранных призм. Каждая молекула воды окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одина­ковых расстояниях. Так, например, в структуре льда типа тридимита расстояние между молекулами равно 0,45 нм, а в структуре типа кварца — 0,42 нм. В первом случае это вода тающего льда с темпе­ратурой около 0 °С, более плотная упаковка молекул воды предпо­лагается при температуре около 4°С. Молекулы воды располагаются так, что соприкасаются разноименными полюсами.

Наблюдающееся при замерзании воды расширение объема при­мерно на 10 % объясняется быстрой сменой плотно упакованной структуры на ажурную, рыхлую. В структуре льда много пустот, ко­торые даже больше самих молекул воды. При температуре около

_+4 °C эти пустоты заполняются свободными молекулами воды и плотность ее становится максимальной.

Наименее всего исследовано жидкое состояние воды. Это объяс­няется тем, что внутреннее строение жидкостей, а воды в особенно­сти, значительно сложнее, чем у твердых тел и газов. До настоящего времени нет единства во взглядах на структуру воды. Обсуждаемые варианты сводятся к следующим двум моделям:

  1. непрерывные, однородные модели, в которых однородная
    структура воды равномерно распределена по всему объему;

  2. смешанные модели, предполагающие существование смеси
    рыхлой льдоподобной и плотно упакованной структур.

В обоих типах структур воды используется модель структуры льда. Показательно в этом отношении объяснение температурного изменения теплоемкости воды. В интервале 0—35 °С она падает и только в дальнейшем начинает повышаться. Это связано с заполне­нием пустот льдоподобного каркаса мономерными молекулами, ко­личество которых увеличивается с возрастанием температуры. Про­цесс приспособления льдоподобной структуры к увеличивающейся концентрации мономерных молекул интенсивно проходит до 35 °С и обеспечивает плотную их упаковку. При дальнейшем повышении температуры он резко замедляется, и только после 55 °С начинает преобладать разупорядочение льдоподобного каркаса; в это время теплоемкость воды повышается.

Замечено изменение ряда свойств воды при воздействии на нее магнитного поля. Достаточно сильное магнитное поле приводит к увеличению концентрации водородных ионов и поверхностного натя­жения воды. Магнитное поле влияет на скорость и характер кристал­лизации солей, растворенных в воде. Магнитная обработка воды при­водит к уменьшению накипи в котлах, понижает смачиваемость водой поверхностей твердых тел, изменяет температуру кипения, сте­пень вязкости, повышает скорости сгущения суспензий, фильтрации, ускоряет и увеличивает адсорбцию загрязняющих воду веществ, по­вышает растворимость газов и т. д.

Все вышеприведенное указывает на реальную возможность моди­фицирования структуры воды и в перспективе — направленного ре­гулирования ее свойств путем физико-химических воздействий.

Глава 1.2 ПРИМЕСИ ВОДЫ

Химически чистой воды в природе нет. Даже дистиллированная вода после многократной перегонки будет содержать растворенные угольную кислоту, азот, кислород и в незначительном количестве — вещества, из которых сделан сосуд для хранения воды. Если пред­положить, что можно получить абсолютно чистую воду, то эта вода сама является источником существования примесей. В ней всегда происходит реакция разложения молекул воды на кислород и водо­род. При комнатной температуре в 1 т воды содержится 50 ионов водорода и около 25 ионов кислорода.

_Природные (а также сточные) воды представляют собой слож­ные дисперсные системы, содержащие большое количество разнооб­разных минеральных и органических примесей.

Системой называют тело или группу тел, находящихся во взаимодействии и мысленно обособляемых от окружающей среды. Гомогенной называется такая си­стема, внутри которой нет поверхностей раздела, отделяющих друг от друга части системы, которые различаются по свойствам. Системы, внутри которых есть такие поверхности раздела, называются гетерогенными.

Гомогенными системами являются, например, раствор сахара или соли, смесь газов, однородное твердое вещество, а гетерогенными — системы, состоящие из двух несмешивающихся жидкостей, льда и воды, смеси твердых веществ и т. д.

Термином фаза обозначается совокупность всех гомогенных частей системы, одинаковых по физическим и химическим свойствам и отделяющихся от других час­тей системы некоторой поверхностью раздела. Фазы, состоящие иэ одного химичес­ки индивидуального вещества, называют простыми, а фазы, содержащие два или больше индивидуальных веществ — смешанными. Гомогенная система представляет собой одну фазу, а гетерогенная содержит не менее двух фаз.

Дисперсной называется система, которая состоит из очень мелких частичек ве­щества, распределенного в другом веществе (среде). Поскольку и среда и распре­деленное вещество могут находиться в трех агрегатных состояниях (жидкое — Ж, твердое — Т, 1азообразное — Г), то возможны 9 типов дисперсных систем: Г+Г, Ж+Г, Т+Г, Г+Ж, Ж+Ж, Т+Ж, Г+Т, Ж+Т, Т+Т. Наибольшее значение для тех­нологии водоочистки имеют дисперсные системы, в которых средой является жид­кость (вода).

Свойства дисперсных систем в значительной степени зависят от размеров час­тичек распределенного вещества. Мерой раздробленности служит поперечный размер частички а или обратная ему величина D=1/a, называемая дисперсностью. Чем меньше размеры частичек, тем больше дисперсность. При размере частичек а мень­ше 10-7 см примеси образуют с водой гомогенную (однофазную, как правило, сме­шанную) систему. Если размер частичек превышает 10-7 см, примеси образуют с во­дой гетерогенные (неоднородные, как правило, многофазные) системы.

В водных гомогенных системах, называемых истинными растворами, примеси могут находиться в молекулярно-растворенном виде или в виде ионов. В гетероген­ных системах в зависимости от степени раздробленности примеси образуют с водой либо коллоидные растворы (а=10-7—10-5 см), либо взвеси (а>10-5 см).

Взвеси в зависимости от агрегатного состояния распределенного вещества под­разделяются на суспензии и эмульсии. Первые образуются при диспергировании твер­дых веществ, вторые — жидких или газообразных. Концентрированные эмульсии га­за называют пенами. С точки зрения дисперсности пены правильнее рассматривать как жидкость, пластинчато диспергированную в газе.

Примеси природных вод представлены рядом минеральных соеди­нений, а также органических веществ различной степени трансфор­мации. Кроме того, поскольку вода является средой обитания многих микроорганизмов, то их вместе с продуктами жизнедеятельности можно рассматривать как примеси воды.

В природных водах встречаются очень многие химические эле­менты. К наиболее важным относятся Na, Ca, MgnCl, присутствую­щие в виде простых ионов (Na+, Ca2+, Mg2+, С1-), а также С, S, N, О, Н, Si, находящиеся в виде сложных ионов (НСО3-, СО32-, SO42-, NO3-),

недиссоциированных молекул и коллоидов (H2Si03) и растворенных газов (СО2, H2S, O2 и др.). Газы и твердые вещества могут быть рас­творены в воде от ничтожных количеств до возможных пределов их растворимости. Как правило, перечисленные элементы встречаются в количествах, измеряемых миллиграммами в 1 л воды, однако со­держание некоторых из них может достигать граммов и даже десят­ков граммов в 1 л воды.

Разнообразие химического состава природных вод вызывает необ­ходимость их систематизации. Среди различных классификационных систем неорганических примесей воды в настоящее время для вод обычного типа наиболее употребительны классификации С. А. Щу-карева и О. А. Алёкина, а для минеральных вод — классификация В. А. Александрова.

Классификация С. А. Щукарева основана на принципе преобла­дания одного или нескольких из трех главных катионов (Na+, Ca2+, Mg2+) и трех главных анионов (Cl-, НСО3-, SO42-). Вода относится

к тому или иному классу в зависимости от содержания указанных ионов в количестве, превышающем 25 %-экв2. Комбинируя типы вод по содержанию катионов, получают 49 классов вод.

Например, вода может называться гидрокарбонатная натриево-кальциевая или сульфатно-гидрокарбонатная кальциевая. Каждый класс вод разделен на группы по общей минерализации: группа А—до 15 г/л, В — от 1.5 до 10,0 г/л и С — более

10 г/л.

Классификация О. А. Алёкина сочетает принцип деления по пре­обладающим ионам и по соотношению между ними.

Все воды делятся на три больших класса по преобладающему аниону: гидро­карбонатные (карбонатные), сульфатные и хлоридные. Внутри каждого класса вы­деляются три группы по преобладанию одного из катионов: Са2+, Mg2+ (пли Na+ + +К+).

В природных водах наряду с неорганическими соединениями поч­ти постоянно присутствуют более сложные органические вещества, характеризующиеся значительным разнообразием. Они могут нахо­диться в воде в истинно растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Часть их входит в состав живых водных организмов, часть является продуктами распада этих организмов — растений и живот­ных, всегда присутствующих в природных поверхностных водах. В ря­де случаев источником органических соединений в водоемах являют­ся производственные и бытовые стоки.

Наиболее распространенными органическими примесями природ­ных вод являются гумусовые вещества, придающие воде окраску (цветность воды). Гумусовые вещества представляют собой комплекс органических веществ — продуктов конденсации ароматических со­единений фенольного типа с аминокислотами и протеинами. В при­родных водах гумусовые вещества представлены фульвокислотами и гуминовыми кислотами, а также их солями.

Присутствие органических веществ в природных водах обуслов­ливает определенную цветность, запах и привкус воды, уменьшение ее прозрачности, изменение показателя преломления света, снижение поверхностного натяжения, изменение способности к растворению и биохимического потребления кислорода (ВПК). Органические со­единения могут также связывать необходимые для нормальной фи­зиологической деятельности человеческого организма редкие и рас­сеянные элементы, находящиеся в воде (например, гумусовые веще­ства связывают ионы кальция и иода).

Наряду с относительно большими количествами минеральных и органических примесей в природных водах находится большое число

элементов в ничтожных концентрациях, редко превышающих 10-5 г в 1 л воды. К таким микроэлементам относятся иод, бром, фтор, бор, медь, цинк, свинец, мышьяк, молибден, никель, титан и некоторые другие.

Примесями природных вод являются и радиоактивные элементы. Радиоактивность в той или иной мере свойственна всем природным водам, однако в районах залегания радиоактивных пород количество радиоактивных элементов в воде может быть повышено. Источником повышенной радиоактивности природных вод могут являться жидкие и твердые радиоактивные отходы, образующиеся при использовании атомной энергии и радиоактивных изотопов в народном хозяйстве и научных исследованиях.

Природные воды заселены различного рода микроорганизмами. Вода является средой обитания патогенных, т. е. болезнетворных, ■ бактерий, являющихся возбудителями многих заболеваний: брюш­ного тифа, дизентерии, паратифов, полиомиелита, холеры, чумы, ин-фекционой желтухи и др. Они попадают в открытые водоемы и под­земные воды преимущественно в результате загрязнения их хозяйст­венно-бытовыми сточными водами..

В воде обитают и бактерии, не относящиеся к болезнетворным. Это бактерии-сапрофиты. Некоторые из них доставляют человеку немало неприятностей, например, железо- и серобактерии. Колонии железобактерий и продукты их жизнедеятельности приводят к зарас­танию труб, снижая их пропускную способность. Серобактерии в процессе жизнедеятельности выделяют серную кислоту, вследствие чего вода вызывает сульфатную коррозию, разрушающую железо­бетонные и деревянные конструкции.

Воду, кроме того, населяют грибы, водоросли, простейшие. Раз­виваясь в воде, микроорганизмы снижают в ней количество органи­ческих веществ и обогащают среду продуктами своей жизнедеятель­ности. В связи с этим органические вещества — загрязнители воды стимулируют развитие микроорганизмов, которые в процессе своей жизнедеятельности минерализуют их и этим способствуют очищению водоемов.

Многообразие примесей воды, как природного, так и антропоген­ного происхождения, вызывает значительные трудности при очистке и подготовке воды для различных потребителей. Ранее сообщалось, что количество видов примесей воды на два порядка превосходит число веществ, для которых разработаны методы очистки. Учитывая, что в будущем количество видов загрязнений будет возрастать, ста­новится очевидным неэффективность пути разработки методов очист­ки для каждого вида загрязнений в отдельности. Это привело к не­обходимости изучения различных свойств веществ — примесей воды и выявления тех свойств, которые определяют выбор метода очистки воды от данного вещества. Результатом явилась разработка универ­сального принципа классификации примесей воды.

Глава 1.3

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИМЕСЕЙ ВОДЫ ПО ИХ ФАЗОВО-ДИСПЕРСНОМУ СОСТОЯНИЮ

Основой классификации примесей воды по их фазово-дисперсно-му состоянию являются:

а) фазово-дисперсная характеристика веществ, определяющая по­
ведение их в водной среде, а следовательно, и их отношение к вво­
димым реагентам и применяемым методам очистки;

б) способность многих веществ в водной среде изменять свое фа-
зово-дисперсное состояние под влиянием физико-химических факто­
ров (рН, солевого состава, температуры и т. д.), открывающая широ­
кие возможности для усовершенствования технологических приемов
очистки природных и сточных вод;

в) соответствие определенных технологических приемов и методов
удаления примесей их фазово-дисперсному состоянию.

Сущность классификации заключается в том, что все примеси во­ды по их отношению к дисперсионной среде объединены в четыре группы с общей для каждой из них физико-химической характеристи­кой"] (табл. 1.2). Примеси первых двух групп (исключая высокомо­лекулярные соединения) образуют термодинамически неустойчивые гетерогенные системы, а примеси двух других групп — термодинами­чески равновесные и обратимые гомогенные системы. Связь между техникой очистки воды и принадлежностью удаляемых примесей и загрязнений к той или иной группе классификации определяется об­щими закономерностями, которым подчиняются процессы, происхо­дящие в водной среде, в зависимости от физико-химической характе­ристики этих примесей (табл. 1.2).

Примеси / группы (a>10-5 см, D<105 см-1), к которым отно­сятся грубодисперсные вещества, образующие с водой суспензии, эмульсии, пены, а также планктон и патогенные бактерии — кинети­чески неустойчивы, удерживаются во взвешенном состоянии динами­ческими силами водного потока. Попадают такие вещества в водоемы в результате размыва пород, смыва почв, со сточными водами. Наи­более часто эти примеси представлены частичками глины, песка, поч­вы, ила, а также эмульсиями минеральных масел, нефтепродуктами и т. д. На поверхности частичек могут сорбироваться патогенные бактерии, вирусы, радиоактивные вещества. В состоянии покоя для таких систем характерна седиментация частичек или всплывание в зависимости от их плотности. Примеси I группы эффективно удаля­ются из воды под действием гравитационных сил, сил прилипания (адгезии и аутогезии), сопряженного осаждения.

Примеси // группы (10-5>а>10-7 см, 107>D>105 см-1) пред­ставляют собой коллоидные (минеральные и органоминеральные) частички почвы; гуминовые и фульвокислоты, которые вымываются из лесных, торфяных и болотистых почв и придают воде бурую окрас­ку; высокомолекулярные соединения естественного происхождения, а также попадающие в водоемы со сточными водами; вирусы и дру­гие микроорганизмы коллоидной степени дисперсности.







Примеси II группы образуют с водой кинетически и агрегативно устойчивые системы. Кинетическая устойчивость данных примесей характеризуется соотношением сил гравитационного поля и броунов­ского движения (примеси практически не оседают, время их седи­ментации измеряется годами); агрегативная устойчивость их обу­словлена электростатическим состоянием межфазной поверхности и образованием при этом диффузных слоев или созданием на поверх­ности частичек стабилизирующих слоев. Эти примеси удаляются ич воды в результате, главным образом, коагуляции, сорбции, воздей­ствия окислителей.

К примесям /// группы (молекулярная степень дисперсности) от­носятся растворенные в воде газы, органические соединения биоло­гического происхождения, а также вносимые производственными и бытовыми стоками. Органические вещества молекулярной степени дисперсности представляют собой неэлектролиты или слабые элек­тролиты. Это фенолы и его производные, ароматические амины, ни-тросоединения и др.

Молекулы примесей III группы могут существенно изменять структуру воды и взаимодействовать как с ней, так и друг с другом. В первом случае происходит гидратация молекул, во втором — ассо­циация. Исключая случай образования химических соединений, эти взаимодействия в основном обусловлены силами Ван-дер-Ваальса.

Молекулярно-растворенные вещества способны за счет водород­ных связей образовывать с водой непрочные соединения, существую­щие лишь в растворе. Большое значение имеют эти связи и при ассо­циации молекул растворенного вещества, необходимым условием воз­никновения таких связей является достаточная полярность валентных связей водорода в исходных веществах.

В процессе очистки воды газообразные вещества удаляются аэрированием, органические вещества — сорбцией, экстракцией.

Примеси IV группы (ионная степень дисперсности) образуются в результате диссоциации в воде солей, кислот и оснований. Это ве­щества с ионной или сильно полярной связью, которые в результате характерного полярного строения молекул воды распадаются на ио­ны. Примеси этой группы удаляются из воды в результате образова­ния малорастворимых или малодиссоциированных соединений. Кро­ме того, извлечение их осуществляется ионообменной сорбцией, элек­тродиализом, обратным осмосом, а также путем изменения агрегатив-ного состояния самой воды.

Динамическая связь между группами дает возможность изменять в желательном направлении их групповую принадлежность и нахо­дить рациональные технологические решения для конкретных случаев водоподготовки. С этой целью, кроме осуществления процессов, на­правленных на удаление веществ той или иной группы, можно ис­пользовать факторы общегруппового назначения, воздействующие на саму среду, ее окислительный потенциал, рН, солевой состав и на переход веществ в ту или иную группу.

Для целенаправленного и эффективного использования указанных факторов и процессов необходимо знакомство с их теоретическими основами, изложению которых и посвящается следующий, раздел.



  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации