Для успешного решения задач по очистке природных и сточных вод необходимо познакомиться с теорией растворов. Изучение этого раздела помогает рас-• крыть сущность процессов, протекающих в воде между различными веществами; определить поведение загряз-Ху нений воды в конкретных условиях; сделать правильную оценку качества различных вод с тем, чтобы выбрать на ; иболее рациональные и экономичные методы их обра- ч .. ботки.
Растворимость (абсорбция) газов в жидкостях различна. Например, при обычных условиях один объем воды может растворить 0,02 объема водорода, 400 объемов НС1 и 700 объемов 1ЧН3.Большая часть газов растворяется в менее полярных растворителях лучше, чем в воде.
Взаимная растворимость жидкостей может быть очень различна. Например, спирт и вода смешиваются в любых соотношениях; вода и бензин практически не смешиваются друг с другом. Наиболее часто встречающимся является случай ограниченной, взаимной растворимости, что наблюдается, например, в системе «вода— эфир».
Зависимость растворимости твердых веществ от температуры графически выражают кривой растворимости (рис. 2).Изучение кривых растворимости дает возможность определить: имеет ли место изменение состава соединений, образуемых растворенным веществом с растворителем.
При образовании растворов, наряду с физическими процессами распределения молекул растворенного вещества среди молекул растворителя, происходят химические процессы.Молекулы растворенного вещества взаимодействуют с растворителем, образуя сложные комплексы, которые называются сольватами (от латинского solvere — растворять). Если растворителем является вода, то эти соединения называются гидратами. Сольваты многих веществ выделены из раствора в твердом виде. Доказательством существования этих соединений в растворе служит изменение теплового эффекта растворения, иногда изменение объема раствора и даже его цвета.
Кинетика химических реакций — это учение о скорости протекания химических реакций и зависимости ее от различных факторов.Для практического использования какой-нибудь реакции нужно знать, с какой скоростью она совершается. Часто от скорости реакции зависит производительность аппаратуры и, следовательно, количество вырабатываемой продукции.
Обратимая реакция не доходит до конца, а протекает только до определенного момента, когда скорости обоих процессов — прямого и обратного — становятся одинаковыми, т. е. в системе наступает динамическое равновесие. После этого момента концентрации всех участвующих в равновесии веществ остаются постоянными неограниченно долгое время.
С помощью закона действия масс можно охарактеризовать состояние различных равновесных систем.Зная две величины, входящие в это уравнение, можно определить значение третьей для данных условий.Подобные вычисления дают постоянные значения величины К только для слабых электролитов. У сильных электролитов величина К не является постоянной; она возрастает с увеличением концентрации раствора. Это видно из вычисленных величин К для хлористого калия— сильного электролита (см. табл. 3). Для сравнения приводятся данные для слабого электролита (уксусной кислоты).
Согласно теории Дебая — Гюккеля, сильные электролиты полностью диссоциированы на ионы. Однако свободному движению частиц в жидкости препятствуют электростатические силы, действующие между ионами. В растворе, так же как и в кристалле, каждый ион окружен ионами противоположного знака, так называемой ионной атмосферой, которая перемещается вместе с центральным ионом и ограничивает его подвижность. В результате электропроводность раствора сильного электролита оказывается меньше той величины, которая должна быть, если бы все ионы могли беспрепятственно перемещаться в электрическом поле. Следовательно, создается впечатление, что в растворах сильных электролитов число свободных ионов меньше, чем их общая (аналитическая) концентрация. Поэтому для характеристики сильного электролита вводится понятие эффективной (т. е. проявляющей себя в действии) концентрации ионов, называемой также активностью а. Эта величина аналогична концентрации свободных гидратированных ионов (согласно теории электролитической диссоциации).
Так как произведение концентрации ионов электролита в насыщенном растворе характеризует способность электролита растворяться, то эту величину называют произведением растворимости ПР.Смысл этого уравнения таков: как бы не менялась концентрация отдельных ионов в насыщенном растворе электролита, произведение их при постоянной температуре сохраняет одну и ту же величину.
При регенеративных методах очистки воды часто пользуются извлечением из нее растворенного вещества другими растворителями, в которых данное вещество растворяется лучше, чем в воде. Например, если вода загрязнена жирами, маслами и смолами, то можно извлечь их из нее с помощью сероуглерода СБг. Для этой цели можно использовать и другую жидкость, но при выборе следует помнить, что она не должна образовывать с водой истинных растворов.
Ионное произведение воды представляет собой весьма важную величину. Так, оно остается величиной постоянной для любых концентраций водородных и гидроксильных ионов в растворе и изменяется только с изменением температуры.
Для определения реакции среды пользуются кислотноосновными индикаторами, которые изменяют свою окраску в зависимости от реакции среды.Все кислотно-основные индикаторы являются очень слабыми кислотами или слабыми основаниями.
Рассмотрим, в чем заключается различие между общей и активной кислотностями.В некоторых реакциях, например, при взаимодействии растворов с индикаторами принимают участие только свободные ионы водорода, имеющиеся в растворе в данных условиях. Концентрация ионов водорода и водородный показатель характеризуют именно эту величину и выражают активную кислотность раствора.
Подобные же изменения pH наблюдаются при добавлении сильных кислот и оснований к растворам солей, образованных сильными кислотами и сильными основаниями.Количество прореагировавшего аниона слабой кислоты пополняется из молекул соли.
Гидролизом называется обменное разложение веществ с водой. Гидролиз представляет собой частный случай реакций обменного взаимодействия растворенного вещества с растворителем, называемого солъволизом.Уксусная кислота (малодиссоциирующее вещество) связывает ион водорода. Следовательно, гидролиз — это химическое взаимодействие ионов растворенной соли с водой как растворителем, сопровождающееся изменением реакции среды.
Гидролиз хлора был впервые изучен А. А. Яковкиным (1863—1936), определившим константу равновесия этой реакции и степень гидролиза хлора при различных температурах.Экспериментальное определение этой константы дает величину Ягидр = 4,5 • 10 4.
Для изучения правила фаз необходимо предварительно ознакомиться с понятиями система, фаза, независимый компонент и степень свободы. Необходимо также установить основные закономерности, которые наблюдаются при равновесии между различными фазами.
Дисперсная система с размерами частиц от 1 до 100 ммк, распределенных в той или иной среде, носит название коллоидного раствора, или золя.Явления, связанные с коллоидным состоянием вещества, известны давно, но свое название эти системы получили в результате работ английского химика Т. Грэма.
Способы получения коллоидов делятся на дисперсионные и конденсационные.Дисперсионные методы. Дисперсионные методы различаются по способу измельчения — на коллоидных мельницах или электродиспергированием.
Коллоидную частицу удерживает во взвешенном состоянии ее электрический заряд. В дисперсной системе все коллоидные частицы несут на себе одинаковый по знаку заряд, поэтому происходит взаимное электростатическое отталкивание частиц при сближении их друг с другом. Следовательно, заряд коллоидной частицы препятствует их объединению в более крупные агрегаты и тем самым способствует устойчивости этих систем.
Явление движения дисперсных частиц под влиянием электрического поля называется электрофорезом. Отличие электрофореза от электролиза состоит в том, что процессы электролиза подчинены закону Фарадея, т. е. количества выделившихся на электродах веществ пропорциональны их эквивалентам. В случае электрофореза такая пропорциональность не наблюдается, так как образование коллоидной частицы не связано с химическим эквивалентом данного вещества.
По отношению коллоидных частиц к растворителю коллоидные системы делятся на две группы. Одни из них образуют с растворителем устойчивые комплексы и называются лиофильными (1уо — растворяю, рЫ1ео — люблю), другие подобные комплексы с растворителем не образуют и называются лиофобными (рЬоЬоэ — страх).
Золи являются гетерогенными системами. Из-за малого размера коллоидных частиц дисперсная фаза золя имеет колоссальную развитую общую поверхность, на которой проявляется поверхностная энергия. Наличие этой энергии у коллоидных частиц — одно из главнейших отличительных свойств коллоидной системы.
Система тел находится в устойчивом равновесии в том случае, когда ее свободная энергия имеет как можно меньшую величину. Наличие в коллоидных системах большой межфазной свободной энергии вследствие развитой поверхности раздела обусловливает малоустойчи-вость этих систем.
Если частицы дисперсной фазы крупнее 100 ммк, то соответствующая дисперсная система называется сус пензией, или взвесью.Процесс выделения суспендированных частиц, происходящий под действием их силы тяжести, носит название седиментации, или осаждения.
Эмульсиями называются системы, в которых дисперсионная среда и дисперсная фаза находятся в жидком состоянии.Необходимым условием для образования эмульсии является нерастворимость этих жидкостей друг в друге. Например, можно получить эмульсию масла, бензола, толуола в воде, но нельзя получить эмульсию спирта в воде.
Все многообразие химических процессов, происходящих в природе, можно свести к двум категориям: к реакциям первого и второго рода.Химические реакции первого рода характеризуются следующими признаками.Химические реакции второго рода отличаются следующими особенностями.
К ним относятся: температура, запах, вкус, прозрачность, мутность, цветность, плотность и т. д.Оптимальная температура воды, идущей для питья, должна быть не выше 11° С и не ниже 7° С. Вода с такой температурой имеет наиболее приятный и освежающий вкус. Вода с высокой температурой содержит в себе мало растворимых газов, поэтому она плохо утоляет жажду и неприятна на вкус. Температуру выражают в градусах Цельсия и измерение ведут исключительно в момент отбора проб.
Кроме того, на основании сопоставления результатов химического анализа природной воды с требованиями, предъявляемыми к очищенной воде, судят о том, каким процессам очистки следует подвергать природную воду для улучшения ее качества.
Крупные частицы удаляются отстаиванием. Отстаивание воды практикуется как в качестве самостоятельного процесса ее очистки, так и после обработки ее коагулянтом.Для повышения эффекта осветлёния мутных и малоцветных вод после отстаивания применяют фильтрование воды через так называемые медленные фильтры (со скоростью фильтрования 0,1—0,3 м/час).
Стабильной называется такая вода, которая при контакте с металлическими и бетонными поверхностями в течение длительного времени не изменяет своего состава.Согласно ГОСТ 3313—46, стабильной считается такая вода, которая не выделяет и не растворяет карбонат кальция. Величиной, характеризующей ее стабильность, служит показатель стабильности С.
Массив из затвердевшего цементного или бетонного раствора выдерживается длительное время (несколько месяцев) на воздухе для того, чтобы на нем образовалась защитная пленка из СаС03. Этот защитный слой, не содержащий свободной извести, действию морской воды не подвергается. Но механическое повреждение этой защитной пленки делает возможным проникновение воды внутрь массива.
Природная вода,- содержащая большое, количество растворенных солей кальция и магния, называется жесткой. Соли, обусловливающие жесткость воды, не являются вредными для здоровья человека. Но наличие в воде, предназначенной для питья, значительных количеств магния нежелательно, так как он ухудшает органолептические свойства воды. По нормам пределом содержания окиси магния считается 150 мг/л. Избыток солей магния (свыше 50% от общей жесткости) затрудняет умягчение воды.
Процесс удаления из воды солей называется обессоливанием, или опреснением. При обессоливании удаляются соли почти полностью, а при опреснении до остаточной концентрации их 1000 мг/л (ГОСТ 2764—44).При вымораживании растворенных солей пользуются тем, что при замерзании концентрированных растворов первые порции льда состоят из чистого растворителя с малыми включениями растворимых солей, которые при повышении температуры плавятся первыми.
Методы удаления из воды железа сводятся к окислению двухвалентного железа в трехвалентное и осаждению его в виде гидроокиси железа (III).Л. А. Кульский рекомендует удалять железо, марганец и кремневую кислоту смешанным коагулянтом, состоящим из алюмината натрия и хлорного железа (оптимальное молярное соотношение NaA102 и FeCl3 1:1). Концентрация остающегося в воде железа не превышает 0,3 мг/л. Этим методом можно удалять железо, входящее в состав как органических, так и неорганических соединений.
Загрязнен ,н ые воды, подлежащие удалению с территории населенных мест и промышленных предприятий, называются сточными. Вода, использованная потребителем и не требующая больших затрат на восстановление, регенерируется и снова подается потребителю. Такую воду называют оборотной.
В 1870 г. была сделана попытка объединить бактерии по видам. По этому вопросу существовало два течения. Одно направление получило название мономорфизм. В его основе лежало представление о том, что у бактерий имеются хорошо разграниченные виды, отличающиеся большим постоянством.
Наружная оболочка. Наружная оболочка у бактерий пориста, тонка, бесцветна и только у крупных форм различима при микроскопировании. Благодаря наличию наружной оболочки бактерия имеет постоянную внешнюю форму.
Когда спора попадает в благоприятные условия, то она начинает прорастать. При этом она набухает, становится богаче водой, увеличиваясь в размере почти в два раза. Наружная оболочка разрывается и через получившееся отверстие выходит проросток. У некоторых бацилл активизация ферментов и формирование вегетативной клетки завершается в течение 40—50 мин. Иногда при накапливании в среде ядовитых веществ спороносные бациллы могут утратить способность к спорообразованию.
Жизнедеятельность микроорганизмов характеризуется обменом веществ, который осуществляется с процессами питания и дыхания. В процессе питания микробы усваивают из окружающей среды вещества, которые используют для своего роста.
Микробы появляются всюду, где есть условия, способствующие их развитию, а именно: 1) наличие достаточной влажности; 2) наличие питательных веществ и 3) определенная температура, допускающая проявление жизненной активности. Следовательно, существование микробов определяется внешними условиями, которые называются экологическими факторами (от греческого «ойкос» — дом). К ним относятся: температура, свет, элементы питания — органогены (С, N, Р, S, Н, О); солевой состав среды, осмотическое давление, поверхностное натяжение и активная реакция среды.
Для бактериологического анализа проба воды отбирается в стерильную посуду и анализируется по возможности немедленно, так как бактериологическое население может измениться вследствие размножения или отмирания бактерий.
О загрязнении воды патогенными (болезнетворными) микробами судят по наличию в ней кишечной палочки (Escherichia eoli), обитающей в кишечнике человека и животных.Кишечная палочка безвредна для человека, но наличие ее в воде указывает на загрязнение воды выделениями человека и животных и на возможное присутствие в ней возбудителей заразных заболеваний.
В загрязненных водах содержатся разнообразные-органические вещества, находящиеся на различной стадии минерализации. При использовании микробов для уничтожения этих веществ в технике прибегают к созданию условий, благоприятствующих жизнедеятельности того комплекса организмов, который в данном случае является полезным. Воздействуя на направление биохимического процесса в желательную сторону, санитарная техника использует биологические особенности соответствующих групп организмов.
Сооружения эти по своему техническому оформлению и оборудованию различны, но все они рассчитаны на использование окислительного аэробного процеоса, который протекает за счет кислорода воздуха, поступающего «а активный субстрат.