ВОДОПОДГОТОВКА

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВОЙСТВАХ ВОДЫ И ВОДОПОДГОТОВКЕ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ СИСТЕМ И ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ВОДЫ

В природных водах обнаружены почти все элементы периодической системы Д.И. Менделеева, причем главным элементом, как известно, является кислород, поскольку он преобладает по массе в формуле воды, а водорода значительно меньше (всего лишь 11,2%). Атомы водорода и кислорода в молекуле воды расположены в углах равнобедренного треугольника с длиной связи О—Н 0,0957 нм, при этом валентный угол Н—О—Н составляет 104,5°. Физические свойства воды аномальны. Плавление льда при атмосферном давлении сопровождается уменьшением объема примерно на 9%. Температурный коэффициент объемного расширения льда и воды отрицателен при температурах соответственно ниже —210 и 3,98°С. Кроме того, близость валентного утла Н—О—Н к тетраэдрическому (109°28') обусловливает достаточно рыхлую структуру льда и воды и вследствие этого аномальность ряда физических свойств, в частности зависимости плотности от температуры.

Молекулы воды, обладая достаточно большим дипольным моментом (6,17-Ю-30 Кл м), весьма сильно взаимодействуют друг с другом и вообще с полярными молекулами других веществ. При этом атомы водорода могут образовывать водородные связи с атомами О, N, С1 и др. Трехмерная сетка водородных связей, построенная из тетраэдров, существует в интервале от температуры плавления до критической. Увеличение плотности при плавлении, как и в случае плотных модификаций льда, объясняется искривлением водородных связей и отклонением углов между ними от тетраэдрических. Искривление связей увеличивается с повышением температуры и давления, что приводит к возрастанию плотности. Причем при нагревании средняя длина водородных связей становится больше, в результате чего плотность уменьшается. Совместное действие двух факторов объясняет наличие максимума плотности воды при 4°С.

Химические свойства воды также, как и физические, отличаются определенными особенностями. Известно, что лишь незначительная доля молекул подвергается электролитической диссоциации по схеме Н20 = Н+ + ОН . Протон Н+ в водной среде, взаимодействуя с молекулами воды, образует Н30+, объединяющийся с одной молекулой Н20 в Н502+. Расстояние О...О в таких комплексах заметно короче длины нормальной водородной связи между нейтральными молекулами. Но при этом протон находится не точно посередине этой укороченной связи, а ближе к одному из атомов О, поэтому можно считать, что в воде существует гидратированный ион оксония НэО+. Это явление играет весьма большую роль в протекании химических процессов.

Вода достаточно реакционноспособное соединение. Она окисляется атомарным кислородом: Н20 + О —» Н202. При взаимодействии воды с F2 образуются HF, а также О, 02, 03, Н202 и другие соединения. С остальными галогенами вода реагирует с образованием смеси кислот. При обычных условиях с водой взаимодействует до половины растворенного в ней хлора, в значительно меньших количествах — бром и йод. При повышенных температурах хлор и бром разлагают воду с образованием кислот и 02. При пропускании паров воды, например, через раскаленный уголь, она разлагается и образуется водяной газ:

При повышенной температуре в присутствии катализатора вода реагирует с СО, СН4 и другими углеводородами. В качестве примера приведем реакции, представляющие практический интерес, в частности:

  • • в присутствии катализатора Fe: Н20 + СО = С02 + Н2
  • • в присутствии Ni или Со: Н20 + СН4 = СО + ЗН2

Приведенные реакции используют в технологических процессах

промышленного получения водорода, они представляют определенный интерес и для обезвреживания газовых выбросов, содержащих СО и углеводороды.

Фосфор при нагревании с водой под давлением в присутствии катализатора окисляется в метафосфорную кислоту:

Вода взаимодействует со многими металлами с образованием водорода и соответствующего гидроксида. При этом со щелочными и щелочноземельными металлами, за исключением магния, эта реакция протекает при комнатной температуре. Менее активные в химическом отношении металлы разлагают воду при повышенной температуре, например, железо при температуре выше 600°С:

При взаимодействии с водой оксидов образуются кислоты или основания. Вода может выполнять роль катализатора, например, водород и щелочные металлы реагируют с хлором только в присутствии следов воды.

Вода достаточно хорошо растворяет вещества с выраженными полярными свойствами, при этом растворимость малополярных веществ в ней достаточно низка и имеет сложную зависимость от температуры. Известно, что многие вещества, растворяясь в воде, взаимодействуют с ней, и между растворенными в воде ионами, не вступающими с ней в химические реакции, устанавливаются ион- дипольные взаимодействия. Кроме того, взаимодействие наблюдается между молекулами и атомами растворенных в воде веществ и молекулами воды. Это явление называют гидратацией. Следует отметить, что гидратация может происходить как с разрушением молекул воды, так и без него. Гидратация обусловлена электростатическим и ван-дер-ваальсовым взаимодействиями, координационными и водородными связями.

В водных растворах многозарядные ионы (например, А13+) и однозарядные (например, Li+) прочно связывают расположенные рядом молекулы воды. При этом образуются аквакатионы, например (А1(Н20)6)3+. Кристаллогидраты солей обычно образуются, когда катионы в их кристаллической решетке с молекулами воды образуют более прочные связи, чем с анионами в решетке безводной соли.

При низких температурах вода в кристаллогидратах может быть связана и с катионом, и с анионом соли. Воду, входящую в состав кристаллогидратов, называют кристаллизационной. Известно также существование псевдогидратов, в которых все молекулы воды или их часть превращаются в гидроксид-ионы или ионы гидроксония, например, НС104Н20 или (Н30)СЮ4. Воду, входящую в состав таких псевдогидратов, обычно называют конституционной. При этом в каждом кристаллогидрате молекулы воды располагаются в достаточно строгом порядке. Вода может связывать аквакатион с анионом водородными связями. Существуют кристаллогидраты, в которых вода образует слои, объединяемые ионами солей. Известны текто- гидраты, в которых молекулы воды имеют структуру, подобную структуре льда.

Представляет научный и практический интерес своеобразная классификация состояний воды в различных соединениях. Вода в зависимости от распределения среди других веществ разделяется на пять групп:

  • 1) конституционная вода. Ее молекулы входят в состав аниона или катиона некоторых комплексов кобальта, железа, платины; выделение такой воды под действием нагревания обычно вызывает разрушение кристаллической структуры металла;
  • 2) кристаллизационная вода. Она соответствует определенному числу молекул Н20, входящих в состав некоторых веществ; может выделяться при нагревании, но вновь присоединяться к безводному веществу, если его снова приблизить к воде; при этом образуются подлинные гидраты, кристаллическая структура которых отличается от кристаллической структуры безводного вещества;
  • 3) пропитывающая вода, которая находится в цеолитах, опалах, глинах;
  • 4) смачивающая вода, называемая иногда адсорбционной водой и встречающаяся на поверхности стекла, кварца, ртути, в «полостях» железа;
  • 5) физиологически связанная вода. Она находится в тканях живых существ и очень отличается от кристаллизационной воды.

Таким образом, вода является одним из достаточно сложных веществ как по физическим, так и по химическим показателям.

Химический состав природных вод по преобладающему ионному составу делится на три класса: хлоридный, сульфатный и гидрокарбонатный. Каждый класс, в свою очередь, подразделяется на три группы: кальциевую, магниевую и натриевую, т.е. классификация проводится по катионам.

Многие природные воды содержат значительные количества кальция, магния, натрия, хлора, серы и других элементов, называемых в этом случае макроэлементами. Число их, как правило, не превышает 10. Зато число микроэлементов, содержание которых в воде не превышает 0,01%, составляет в большинстве случаев десятки наименований.

Количество растворенных в природных водах веществ колеблется в широких пределах: например, в морских водах их содержание составляет 3,5%, в речных — в отдельных случаях лишь 0,005%, а в подземных рассолах — более 50%. От количества растворенных веществ зависит возможность использования вод для питья, орошения полей и т.д.

Русский геохимик А. М. Овчинников предложил следующую классификацию вод:

Общая минерализация, г/л

Наименование вод

Менее 0,2

Ультрапресные

0,2-0,5

Пресные

0,5-1,0

С повышенной минерализацией

1,0-3,0

Солоноватые

3,0-10,0

Соленые

10,0-35,0

С повышенной соленостью

35,0-50,0

Воды, переходные к рассолам

50,0-400,0

Рассолы

В гидросфере преобладают соленые воды, к которым относятся и воды Мирового океана. Среди подземных вод преобладают соленые воды и рассолы, а среди поверхностных вод материков — чаще всего пресные и ультрапресные воды. Питьевая вода хорошего качества, по Овчинникову, содержит <500 мг солей в 1 л, при этом широко используются воды с минерализацией до 1 г/л, а в некоторых районах даже до 3 г/л.

Следует отметить, что верхнюю границу ультрапресных вод многие ученые понижают до 0,1 г/л. Воды с таким содержанием солей распространены в районах с преимущественным расположением силикатных пород. Самая подробная классификация природных вод по наличию солей разработана известным гидрогеологом Н.И. Толстихиным. Он выделяет, например, сверхпресные воды с минерализацией 0,01—0,03 г/л, к которым относятся льды и снега центра Антарктиды. Деление вод по общей минерализации не позволило отразить многие их существенные свойства, в том числе важные в практическом отношении. Поэтому стали основное внимание обращать на состав минеральных солей, прежде всего на содержание в воде ионов. При этом следует отметить, что, когда говорят о содержании ионов в воде, имеют в виду прежде всего способ выражения результатов исследований, так как в природных водах, как правило, нет элементов в свободном состоянии, только инертные газы — гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон, также в воде в свободной форме частично находятся кислород и азот.

Ионный состав природных вод определяет особенности их использования как в народном хозяйстве, так и в медицине. При этом особенности ионного состава природных вод имеют огромное значение и при использовании воды для питьевых целей. Так, содержание в воде ионов таких элементов, как фтор, калий, кальций и т.д., имеет огромное значение для здоровья людей. При этом в зависимости от климатических условий районов содержание ионов указанных элементов в водах может меняться, что и должно быть отражено в СанПиНе на питьевую воду.

Следует отметить, что ионный состав природных вод при всем его большом научном и практическом значении не определяет всего многообразия вод. Во многих случаях его роль явно отступает на задний план. Это связано с тем, что в природных водах некоторые элементы присутствуют как в ионной, так и не в ионной форме. В этой связи не удается по ионному составу провести универсальную классификацию природных вод.

Огромное влияние на геохимические особенности большинства вод оказывают растворенные органические вещества (РОВ) и газы. В биосфере главный источник образования РОВ — микробиологическое разложение растительных и животных остатков, при этом также происходит синтез новых специфических высокомолекулярных соединений темного цвета — гумусовых веществ. По составу и свойствам они резко отличаются от органических соединений живых организмов, например белков.

Помимо гумусовых соединений многие природные воды содержат РОВ нефтяного ряда — различные углеводороды, фенолы и т.д. Обнаружены в водах и органические соединения, характерные для живых организмов, — белки, аминокислоты, углеводы, уксусная, масляная и другие кислоты, жиры, эфиры, альдегиды и т.д.

В глубоких горячих подземных водах, где деятельность микроорганизмов невозможна, образование РОВ связано с термическим разложением органических соединений горных пород и другими сопутствующими процессами.

Органические вещества растворены и в термальных водах. Например, в горячих хлоридно-сульфатных водах медь, цинк, золото и другие металлы мигрируют в составе органических комплексов. В гидротермальных растворах эта форма переноса элементов имеет весьма важное значение.

Все представленные данные существенно меняют теоретические представления о законах водной миграции. Входя в состав органического соединения, элемент как бы утрачивает свои индивидуальные химические свойства, причем самые различные элементы мигрируют с одинаковой скоростью, определяемой интенсивностью миграции органических соединений. Свойства ионов при этом теряют свое значение. Оперирование такими параметрами, как ионный радиус, валентность и т.п., не имеет смысла. Таким образом, становится понятно, почему ионный состав вод не может претендовать на роль их основного геохимического параметра. Например, свойства ультрапресных вод во многом определяются присутствующими в них растворенными органическими веществами.

Во всех природных водах растворены газы, содержание которых, как правило, невелико, однако их геохимическая роль не пропорциональна массе. Огромное значение имеют высокая химическая активность и миграционная способность газов.

В.И. Вернадский подчеркивал геохимическую роль газов. По газовому составу ученый выделял кислородные, углекислые, азотные, метановые, сероводородные и водородные воды. Идеи Вернадского в дальнейшем развил А.М. Овчинников, который все воды разделил на три типа:

  • 1) воды с газами окислительной обстановки (N2, 02, С02 и др.);
  • 2) воды с газами восстановительной обстановки (СН4, H2S, С02, N2 и др.);
  • 3) воды с газами метаморфической обстановки (С02 и др.).

Содержащийся в воде растворенный 02 поступает в нее из атмосферного воздуха, а также образуется в результате фотосинтеза водорослями органических веществ (углеводов) из неорганических. Содержание кислорода в воде уменьшается вследствие протекания процессов окисления органических веществ и потребления его живыми организмами при дыхании. Заметное уменьшение содержания кислорода в воде свидетельствует о ее загрязнении. Это приводит к замедлению микробиологических процессов самоочищения воды. Другой пример загрязнения: ранее считавшаяся чистой дождевая вода содержит повышенную концентрацию углекислого газа вследствие загрязнения продуктами жизнедеятельности человека. Это крайне нежелательно для микрофлоры воды. Известно, например, что рыбы могут существовать в воде в интервале pH от 5 до 9, а желательная величина pH должна быть в пределах 6—8.

В круговороте воды выделяют следующие основные звенья: атмосферные, океанические, материковые, почвенные, речные, озерные, ледниковые и биологические. Известно, что первоисточником воды на нашей планете является океан. При испарении под действием солнечных лучей с поверхности земного шара ежегодно переходит в атмосферу около 500 тыс. км3 воды. Около 2/3 из этого количества возвращаются в виде атмосферных осадков в океан. Это малый круговорот воды на нашей планете. Остальная 1/3 испарения уносится ветрами от поверхности океана к суше и присоединяется к водяным парам, поднимающимся в атмосферу с растительного покрова, из почвы и водоемов суши.

На суше ежегодно в виде осадков выпадает около 100 тыс. км3 воды. Часть этой воды испаряется и возвращается в атмосферу, а часть, выпавшая на землю, просачивается в грунт, образуя кладовые подземных вод. Иногда подземные воды находят себе выход на поверхность земли в виде источника (родника). Далее водный поток устремляется в ручей, который впадает в реку и в конечном итоге пополняет запасы морей и океанов. Так замыкается большой круговорот воды в природе: океан — облака — подземные воды — источники — река — море и океан.

Продолжительность полной смены массы воды в водных объектах, по оценкам ученых, весьма различна: например, воды Мирового океана обновляются каждые 2500 лет, озер — в среднем 17 лет, русел рек — 12 дней, живых организмов — несколько часов.

Повсюду на земле вода течет сверху вниз и только в газообразном состоянии в форме водяных паров поднимается снизу вверх. В общем круговороте воды на нашей планете именно эта часть ее пути обеспечивает водоснабжение суши, но в значительной степени неравномерно и нерегулярно.

Биологическое звено круговорота воды весьма сложно и многообразно. Важнейшее биологическое звено, обеспечивающее существование на земле всего органического мира, — фотосинтез, который происходит при участии воды; к нему же относится и транспирация растений. В процессе поглощения корнями почвенной влаги в растение поступают и растворенные в воде вещества. С помощью транспирации в атмосферу возвращаются значительные количества воды, потребляемой растениями (рис. 1.1).

При прохождении через гидрологический цикл вода загрязняется отходами двух видов: обычными — органическими остатками, в частности, экскрементами человека и животных, а также растительными волокнами, оставшимися после уборки урожая; промышленными отходами различных производств и вышедшей из употребления промышленной продукцией и техникой.

Хотя органические отходы подвергаются полной биологической деградации, они представляют значительную проблему и в некоторых местах скапливаются в больших количествах. Гниение и разложение органических остатков могут вызвать уменьшение содержания кислорода в озерах и реках. При этом экскременты человека содержат некоторые из самых опасных загрязнителей, включая патогенные микроорганизмы, которые могут явиться переносчиками таких заболеваний, как холера, дизентерия и т.п.

Промышленные отходы могут содержать тяжелые металлы и значительные количества синтетических химических веществ, таких, например, как пестициды. Эти вещества очень токсичны и устойчивы, они достаточно долго не разрушаются в естественных условиях. Отходы могут попадать в водоемы как из устройств неисправной канализации, так и другими путями, например, когда вода течет через загрязненную почву и затем попадает в реку или озеро. Опасными источниками загрязнения поверхностных и грунтовых вод являются стихийные свалки различных материалов и веществ.

Схема круговорота воды в природе

Рис. 1.1. Схема круговорота воды в природе

Особо следует отметить загрязнители, попадающие в воду из атмосферы, один из наиболее распространенных среди которых — кислота, образующаяся при выделении оксидов азота и диоксида серы промышленными предприятиями. Выпадающие кислотные дожди вымывают из почвы положительно заряженные ионы, которые затем, попадая в водоемы, могут вызвать гибель рыбы и микроорганизмов.

Органические вещества, попавшие в водоемы как с поверхностными водными потоками, так и за счет отмирания водной растительности, не остаются в неизменном виде и в результате происходящих биологических процессов разлагаются до более простых веществ. При этом органические вещества вовлекаются в процесс обмена веществ живых организмов, пищей которых они являются; в результате из крупных молекул белков и жиров образуются вещества биоразложений с меньшей молекулярной массой.

Известно, что все вещества биологического происхождения могут быть окислены в аэробных условиях, независимо от сложности состава исходного вещества. В природных условиях всегда находятся микроорганизмы, способные полностью или частично окислять органические вещества биологического происхождения. При этом вещества, образовавшиеся в процессе разложения исходного материала, могут быть использованы другими микроорганизмами в ходе продолжения цепочки разложения исходных веществ сложного состава до получения воды и углекислого газа.

Убедительным подтверждением сказанного является отсутствие «природной свалки» органических веществ биологического происхождения. В этой связи биологическое окисление загрязнителей бытовых сточных вод естественно включено в цепь общего биологического круговорота биосферы. Следовательно, главной задачей биологической очистки бытовых сточных вод является интенсификация окислительных процессов, которые происходят в природных условиях, хотя в действительности в процессе биологической очистки бытовых сточных вод приходится сталкиваться со множеством различных проблем, связанных с необходимостью приспособления тех или иных штаммов микроорганизмов для окисления различных химических веществ, синтезированных человеком в искусственных условиях. Следует отметить, что приспособительные (адаптационные) свойства микроорганизмов имеют естественно граничные возможности, поэтому определенные классы веществ не могут быть окислены биологическим путем как в природных, так и в искусственных условиях. В этой связи для обезвреживания таких веществ применяют другие способы, например, химические, физико-химические, физические и др.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >