Загрязнение воды

Рис. 5.11. Фазовая диаграмма <#"817732.files/image003.gif">

Чтобы вычислить  и , достаточно составить систему двух уравнений с двумя значениями давления пара воды при двух температурах.

При давлениях ниже давления, отвечающего тройной точке О, лед сразу переходит в пар, не превращаясь в жидкость. Этот процесс называется возгонкой, или сублимацией. Обратный процесс называется конденсацией.

На диаграмме состояния воды есть еще одна особая точка , которой заканчивается кривая зависимости давления пара над жидкостью от температуры. При перемещении по этой кривой в область более высоких температур и давлений свойства газа и жидкости сближаются и наступает критическое состояние, при котором различия между жидкостью и газом исчезают. Этому состоянию отвечают строго определенные критическое давление и критическая температура. Выше критической точки К ни при каких давлении и температуре не происходит разделения на две фазы - жидкость и газ. Критическое состояние вещества открыл Д.И.Менделеев.

В физической химии одним из важнейших и очень сложных с точки зрения вывода является закон равновесия фаз, который также называется правилом фаз Гиббса.

Число степеней свободы С - это число условий, которые можно изменять в определенных пределах без изменения числа и вида фаз.

Число степеней свободы С равновесной термодинамической системы подсчитывается по правилу фаз Гиббса и равно числу компонентов системы К минус число фаз Ф плюс число факторов n, влияющих на равновесие:

С =  К -Ф + n.

Компоненты системы - это те ее составные части, которые могут быть выделены из системы и могут существовать в индивидуальном виде. Вода - компонент системы, но ионы воды или другие ионы в водном растворе не считаются компонентами, т. к. не могут быть выделены и не существуют индивидуально. Чистая вода - однокомпонентная система.

Факторы, влияющие на равновесие, - это то, что мы называли раньше условиями существования системы. Для рассмотренной диаграммы состояния воды два фактора влияют на образование и существование фаз - температура и давление, n = 2. Формула правила фаз в этом случае имеет вид:

С = К - Ф + 2.

В большинстве случаев в лабораторной работе проводят эксперименты при постоянном (атмосферном) давлении, поэтому только температура будет играть роль фактора, влияющего на равновесие, т. е. n = 1. Формула правила фаз в этом случае такова:

С = К - Ф + 1.

В последнее время обнаружено влияние электромагнитного и гравитационного полей и многих других факторов на равновесие. Но в обычной научной работе эти факторы не учитываются.

На графике «время - температура» (см. рис. 5.12) плавление льда представлено горизонтальной прямой б, т. к. система не имеет степеней свободы.

В научной литературе такая горизонтальная линия называется площадкой, она указывает на постоянство температуры в системе и отсутствие степеней свободы.
 

3. Загрязнение воды

.1 Прямое и косвенное загрязнение

Природной воде присущи различные загрязнения. Это естественно. Но неестественны и вызывают тревогу объем и состав загрязнений, которые сейчас поступают в реки, озера, моря. Их называют собирательным термином «антропогенные» (от греческого слова «антропос» - человек). Такие загрязнения, от которых ощутимо страдают природные воды, в той или иной мере вызваны деятельностью человека.

Анализируя характер загрязнений и те последствия, которые сказываются на состоянии водных ресурсов, можно выделить два основных типа загрязнений. Назовем их условно прямым и косвенным.

Прямое загрязнение возникает при непосредственном поступлении в реки и водоемы сточных вод. Это могут быть поступления, обусловленные природными процессами, например, талые воды, дождевые стоки. Могут быть специально собранные и сброшенные сточные воды городов и поселков, отдельных предприятий, животноводческих комплексов. Прямые загрязнения наносят значительный ущерб, но источники их поступления обнаруживаются не сразу. Сливные трубы «организованных» стоков нередко находятся далеко от городов, погружены в водоем, рассредоточены на значительной территории.

Косвенные загрязнения более заметны. Примером может послужить вырубка леса по берегам рек, в результате чего берега уже не могут играть роль естественных фильтров и водорегуляторов. При этом нарушается режим многих речных притоков, зачастую имевших родниковое питание. Пересыхают родники, сокращается поступление чистых вод, в итоге ветры беспрепятственно несут в водоемы и реки пыль, сор, а дожди порождают бурные грязевые потоки.

Отрицательно влияет также активное освоение берегов рек и водохранилищ. Беспорядочная застройка берегов, вытаптывание растительности разрушают почвенный покров, что приводит к нарушению всего природного комплекса, истощению и загрязнению водоисточников.

Происходит загрязнение воды и бытовыми отходами, даже если они накапливаются на берегах: с дождями они поступают в реки.

Традиционным источником загрязнения природных вод были и продолжают оставаться хозяйственно-бытовые стоки. Это воды канализации, отходы жизнедеятельности человека.

Объем их не сокращается, а нарастает. И это закономерно. Например, на Украине, по данным 1975 года, в 94% городов и поселков городского типа имелся водопровод. Неизбежно растет и объем сточных вод. Необходимо увеличивать мощность канализации. Поэтому, как правило, наряду с расширением водопроводной сети сооружают и больше канализационных линий: водопровод резко увеличивает возможности потребления, и без канализации соответствующее возрастание объема стоков создало бы затруднительное положение.

Изменяется и состав хозяйственно-бытовых стоков. В них в значительных количествах появляются вещества, которые отличаются от биологических отходов жизнедеятельности человека и от легко усваивающихся природной средой.

3.2 Очистные сооружения не всесильны

Во всех крупных городах существуют очистные сооружения канализационных вод перед выпуском их в реки и водоемы. Однако, зачастую это старые и маломощные сооружения, которые не справляются с возрастающим объемом стоков.

В тех же городах и поселках, где еще нет очистки бытовых стоков, загрязнение водных артерий прогрессирует. А главное, принцип работы очистных сооружений таков, что очистка происходит лишь частичная - механическая (от крупных примесей, взвешенных частиц) и биологическая (это как бы ускоренная природная очистка). В специальных сооружениях - аэротенках сточные воды обрабатывают активным илом, насыщенным микроорганизмами. Они разрушают органические примеси - продукты нашей жизнедеятельности (но не моющую синтетику) и болезнетворные микроорганизмы.

Органические вещества разлагаются до простых соединений, в частности, содержащих азот и фосфор. Эти соединения, поступая с очищенными стоками в природные водоемы, практически безвредны для человека, а для растительности, в том числе водной, являются прекрасной питательной средой. Их так и называют - биогенные вещества. Они способствуют интенсивному развитию водорослей, прежде всего сине-зеленых - своего рода сорняков. Цикл их жизни краток, они быстро и массово отмирают, на смену им вырастают новые. Процессы разложения нарастают лавинообразно, ухудшая свойства воды и губя высшую растительность и животных, обитателей водоемов.

3.3 Главная опасность

Мы рассмотрели три категории стоков, загрязняющих водоемы в современном мире, - хозяйственно-бытовые, сельскохозяйственные и городские. Но, пожалуй, первоочередную опасность для рек и водоемов представляют промышленные стоки.

Разнообразие загрязнений здесь почти неограниченное. Наиболее распространены и опасны нефтепродукты, соли тяжелых металлов, цианиды, сернистые соединения, фенолы. Они не только отравляют воду и все живое в ней, но и требуют очень большого разбавления для прохождения процессов самоочищения природных вод.

Многие из этих веществ не чужды природе, они существуют в ней и встречаются в природных водах. Например, нефтяные соединения поступают из природных разломов земной коры, а также являются продуктами жизнедеятельности некоторых микроорганизмов. В водной среде существуют микроорганизмы, которые питаются нефтепродуктами. Но для процессов естественной ассимиляции нефтяных загрязнений требуются достаточные количества воды, чтобы были нужная концентрация микроорганизмов и достаточное содержание кислорода для поддержания их жизнедеятельности.

Иначе говоря, нужно большое количество свежей воды для обезвреживания нефтесодержащих стоков природным путем. Это же требуется и для многих других веществ, попадающих в водоемы. Таких веществ становится все больше по сравнению с природными соединениями, находящимися в водах. Сейчас в окружающую среду выбрасывается до 400 тыс. наименований химикатов, а природных загрязнений воды насчитывается лишь около двух тысяч.

На 1 т продукции приходится в среднем 999 т отходов, увеличивается и поступление примесей в природные воды и их разнообразие. Разбавление же (для природной самоочистки) требуется значительное. Так, стоки нефтяной промышленности для естественной очистки требуют разбавления в 30 тыс. раз, а газогенераторных станций - в 3 млн. раз. Между тем, даже крупнейшая река Европы Волга может разбавить объем сбрасываемых в районе Волгограда сточных вод лишь в 350 раз. Следовательно, требуемого избытка чистой воды для разбавления стоков просто негде взять.

Еще один источник промышленных загрязнений - поступление растворимых солей в пресные водоемы. Это преимущественно хлориды и сульфаты щелочных и щелочноземельных металлов. Основная причина их поступления - неуклонное нарастание объемов вод шахтного и рудничного отмыва, то есть грунтовых и подземных вод из горизонтов, вскрытых при добыче, а также тех вод, которые использовались при разработке пластов.

. Особенности загрязненных вод

На современном уровне развития науки и техники уже разрабатывается ряд действенных мер, призванных воспрепятствовать дальнейшему загрязнению водных ресурсов планеты. Это и утилизация отходов промышленного и сельскохозяйственного производства, и переход на безотходные технологические процессы, и борьба с загрязнениями, связанными с развитием водного транспорта, и многое другое.

Однако, уже теперь, не дожидаясь полного осуществления этих преобразований, необходимо надежно обеспечить высокие качественные показатели воды для питья, а также для ряда новых отраслей техники.

Следует отметить, что в настоящее время технология обработки воды как научно-техническое направление все еще значительно отстает от запросов практики. Она рассматривает лишь отдельные аспекты проблемы очистки воды и до сих пор не является универсальной.

В технике водоочистки еще недавно считали необходимым вести борьбу главным образом с мутностью, цветностью, солями жесткости и в особых случаях с примесями, придающими воде привкус и запах, а также с болезнетворными микроорганизмами. Развитие промышленности, сельского хозяйства и создание водохранилищ вызывает попадание в воду рек, озер и морей веществ, которые подчас трудно определить при помощи анализа.

Все новые аналитические методы разрабатываются для контроля за содержанием загрязненной воды, изыскиваются все более совершенные и разнообразные методы удаления их, однако в то время, когда все усилия специалистов направлены на борьбу с известными загрязнениями, появляется все больше новых примесей, степень ядовитости которых не установлена. В результате вода очищается не всегда полноценно.

Поэтому первоочередной задачей является создание научно обоснованной системы, которая раскрыла бы зависимость процессов и методов удаления примесей от их состояния и физико-химических свойств. Другими словами, необходимо опираться на обобщающие, закономерные связи между физико-химической характеристикой примесей воды и технологическими приемами ее обработки.

Однако в существующих гидрохимических системах классификации природных вод до сих пор учитывался только химический состав примесей. Поэтому при прогрессирующем загрязнении водоемов промышленными стоками и при увеличении числа примесей с различными свойствами эти классификации не отражали действительного состояния вопроса и не содействовали изысканию приемлемых практических решений.

Итогом многих научных поисков явилось создание нового теоретического направления. Оно обосновывает процессы удаления целых классов органических и неорганических соединений, которые составляют основную массу загрязнений природных и сточных вод. Новая теория вооружила исследователей и практиков падежными методами борьбы не только с различными загрязнениями водоемов, но и с развивающимися в водной среде опасными для человека микроорганизмами, с сине-зелеными водорослями и продуктами их жизнедеятельности. Она дала простой и качественно новый подход к технологическим решениям и разработке методов очистки воды. В основу этой теории была положена связь между физико-химическим состоянием примесей, находящихся в воде, и технологическими процессами их удаления.

Таблица 1.1.

5. Основные методы очистки

Исходя из анализа закономерностей, которым подчиняются процессы очистки воды, все примеси и загрязнения были сгруппированы по признаку их физико-химического состояния в воде, которое в значительной степени определяется дисперсностью. Указанное положение дало возможность объединить самые разнообразные по химической и физической характеристикам примеси природных и сточных вод в группы и создать классификацию загрязнений, позволяющую отказаться от поисков специальных методов удаления каждого вещества в отдельности (см. табл. 1.1).

При всем многообразии примесей за основу принимается, прежде всего, отношение их к дисперсионной среде, то есть к воде. По этому признаку все вещества делятся на четыре группы: две гетерогенные, в которых частицы примесей не полностью смешиваются с водой, и две гомогенные, дающие с водой так называемые истинные растворы. К первым относятся вещества, присутствующие в воде в виде взвесей, коллоидов и высокомолекулярных соединений, ко вторым - вещества, находящиеся в воде в виде молекулярных и ионных растворов.

Средний размер частиц примесей, начиная от наиболее низкодисперсных взвесей, относящихся к первой группе, при переходе к каждой последующей группе (то есть к более высокодисперсным) уменьшается примерно в 10 раз.

Такая система расположения групп по принципу повышающейся дисперсности примесей целесообразна с точки зрения технологии, так как очистка воды обычно начинается с удаления грубодисперсных примесей и коллоидно-дисперсных веществ. Методы удаления этих загрязнений являются общепринятыми: они широко применяются на очистных сооружениях промышленных и коммунальных водопроводов и цехов очистки промышленных стоков. Способы извлечения из воды молекулярных и ионных примесей относятся к специальным методам ее очистки и используются как дополнительные к основному технологическому комплексу водообработки.

Дисперсность - характеристика размеров частиц в физико-химических системах, состоящих из измельченных частиц (дисперсная фаза), распределенных в окружающей среде (дисперсионная среда).

Примеси каждой группы обладают специфическими особенностями, и потому для их удаления требуются определенные технологические приемы водоочистки и контроля, независимо от их количеств и степени изученности.

В первую группу входят нерастворимые в воде примеси, величина частиц которых 10'4 см и больше, образующие в воде так называемые взвеси. Взвеси обусловливают мутность воды, а в некоторых случаях и ее цветность. Сюда относятся глинистые вещества, карбонатные породы (мел, гипс), ил, мелкий песок, малорастворимые гидроксиды металлов, некоторые органические вещества, планктон и т. д.

Среди взвешенных частиц могут присутствовать бактерии (в том числе болезнетворные) и вирусы. На поверхности частиц могут находиться радиоактивные вещества, и сами взвеси иногда являются токсическими соединениями. Полнота удаления этих примесей из воды зависит от степени ее осветления.

Системы, образованные примесями первой группы, кинетически неустойчивы: нерастворимые вещества удерживаются во взвешенном состоянии динамическими силами потока воды. Они попадают в водоемы в результате размывания окружающих пород и смыва почв. Интенсивность оседания примесей зависит от свойств системы.

В состоянии покоя они оседают, образуя осадки различной плотности.

Для удаления примесей этой группы используют физико-химические процессы, рассчитанные на выведение из воды веществ, начиная от тонких взвесей и кончая крупными частицами. Это процессы адгезии (прилипание примесей к поверхности сорбентов и зернистых инертных материалов), агрегации и седиментации (укрупнение частиц при помощи специальных реагентов с последующим осаждением), флотации (всплывание на поверхность воды в результате образования насыщенных газами сгустков). С этой целью применяют механические способы - отстаивание, микропроцеживание, фильтрование и др.

Вторая группа объединяет примеси, находящиеся в коллоидном состоянии и в виде высокомолекулярных соединений. Это кристаллические или аморфные вещества. Высокомолекулярные вещества представлены линейными, спиральными и разветвленными макромолекулами различной степени гибкости. Размер частиц таких примесей (степень дисперсности) составляет 10-5... 10-6 см. К примесям, образующим вторую группу, относятся минеральные и органо-минеральные частицы почв, различные формы гумусовых веществ, которые придают воде окраску. Гумус вымывается из лесных, болотистых и торфяных почв в природные водоемы или образуется в самих водоемах в результате жизнедеятельности водных растений.

В щелочной среде соли этих соединений, образованные щелочными металлами, хорошо растворяются в воде. Их можно рассматривать как электролиты, и для очистки от них воды используют те же процессы, что и для очистки от загрязнений четвертой группы (см. далее). В нейтральной и слабокислой средах отдельные молекулы гумусовых кислот укрупняются благодаря межмолекулярному координированию их полярных групп и образуют коллоидные системы.

К этой же группе могут быть отнесены вирусы и другие микроорганизмы, в том числе болезнетворные (патогенные) бактерии, которые по своим размерам приближаются к коллоидным частицам, удаление их из воды чрезвычайно важно.

Примеси, входящие во вторую группу, характеризуются особыми молекулярно-кинетическими свойствами, а вследствие более мелких размеров их самопроизвольное оседание крайне затруднено. Чтобы ускорить этот процесс, в воду добавляют специальные вещества - коагулянты. При содействии последних примеси теряют свою устойчивость в растворе, слипаются, укрупняются и выпадают в осадок в виде хлопьев. После этого их можно удалить из воды. Предварительное применение больших доз хлора, озона или других окислителей повышает качество обрабатываемой воды, так как при этом устраняются вещества, придающие ей цветность, гибнут микроорганизмы и, что особенно важно, улучшается протекание процессов укрупнения частиц и их оседания.

При исследовании процессов водоподготовки ученые установили, что существуют вещества, которые могут значительно повысить и ускорить действие коагулянтов. Такие вещества названы флокулянтами. Один из наиболее действенных флокулянтов, по составу родственный обыкновенному песку, - активная кремнекислота. Небольшие количества этого вещества (до 5% от дозы коагулянта) ускоряют образование хлопьев, способствуют более быстрому и полному оседанию их.

В третью группу входят растворенные в воде газы и органические соединения - как биологического происхождения (например, гуминовые кислоты и вульвокислоты), так и вносимые со стоками промышленных предприятий и населенных пунктов (различные продукты жизнедеятельности и отмирания плесневых грибов, бактерий, водорослей, а также фенолы и другие органические соединения). Вещества третьей группы придают воде самые разнообразные привкусы и запахи, а иногда и окраску. Размеры этих веществ - 10-6...10-7 см. В процессе очистки воды они ведут себя как молекулярнорастворимые, хотя многие из них при иных условиях легко образуют коллоидные системы и даже взвеси. Примеси, относящиеся к третьей группе, являются гомогенными системами. Некоторые из них, вносимые сточными водами, токсичны.

Молекулы растворенного соединения могут существенно изменять взаимодействие между молекулами воды и сами взаимодействовать между собой не так, как в чистом веществе. Кроме того, они могут связываться с водой химически, образуя прочные или легко диссоциирующие соединения, существующие лишь в растворе. Обычно основную роль в них играет водородная связь.

Нередко в воде растворены газы, не вступающие с ней в химические реакции, например кислород, азот, метан, благородные газы и др. Тогда их поведение подчиняется общим физическим закономерностям для таких систем, например, уменьшается растворимость с ростом температуры воды и т. д. Другие газы образуют с водой химические соединения. Аммиак (гидроксид аммония) - соединение щелочного характера. Сероводород и оксид углерода (IV) придают воде кислотные свойства. Таким образом, свойства каждой конкретной системы, относящейся к данной группе, зависят в известной мере и от химических особенностей входящих в нее компонентов.

Наиболее эффективными процессами удаления из воды веществ третьей группы являются аэрирование, окисление, адсорбция.

Растворенные в воде газы и летучие органические вещества (легкие бензины, некоторые органические сернистые соединения, низкомолекулярные эфиры, карбонильные соединения и др.) удаляются аэрированием воды - продуванием сквозь нее мелких пузырьков воздуха.

Растворенные в воде одно- и многоатомные фенолы, большинство продуктов органического синтеза, гуминовые кислоты и вульвокислоты разрушают действием сильных окислителей.

Многие вещества, входящие в данную группу, выводятся из воды с помощью активированных углей. Применение последних основано на том, что молекулы растворимых в воде примесей вступают во взаимодействие с высокопористой поверхностью углей и более или менее прочно на ней закрепляются (сорбируются). Как известно, на активированном угле хорошо сорбируются гидрофобные соединения, к которым относятся углеводороды нефти, ароматические углеводороды и их производные (хлорфенол), хлорированные углеводороды и другие соединения, растворяющиеся в воде в небольших количествах.

Для адсорбционного извлечения из воды низкомолекулярных соединений можно применять мелкопористые угли, для удаления веществ с более крупными молекулами, например гуминовых кислот и вульвокислот, - крупнопористые угли либо специальные ионообменные материалы гранулированной или волокнистой структуры.

Четвертая группа объединяет вещества, диссоциирующие в воде на ионы. Это преимущественно соли неорганических кислот - очень распространенные, почти обязательные компоненты примесей всех природных вод. Степень их дисперсности составляет 10-7...10-8 см.

При выборе метода удаления нежелательных ионов следует учитывать, что реакции между ионами практически необратимы, если в результате их взаимодействия образуется вещество в виде газа, осадка или малодиссоциированного соединения.

Техника очистки воды от примесей, входящих в четвертую группу, сводится к связыванию ионов, подлежащих удалению, в малорастворимые или слабодиссоциированные соединения.

Применяют также ионообменные реакции, протекающие на поверхности твердой фазы (на ионообменных смолах). Такие процессы целесообразны в тех случаях, когда удаляемые ионы необходимо удержать на нерастворимом в воде материале, заменив их безвредными ионами. Освобождение воды от ионных примесей можно осуществлять также переводом ее в твердую фазу (вымораживание, образование газгидратов), добавлением не смешивающегося с водой вещества для образования двух слоев - воды и растворителя. В последнем и скапливаются эти примеси. В некоторых случаях целесообразно применять метод электродиализа, основанный на увеличении направленной подвижности ионов в электрическом поле, благодаря чему облегчается их удаление из воды.

Вывод

Вода - колыбель жизни, именно в ней и с ее участием зародились живые существа. В природе вода в составе гидросферы является необходимой составной частью биосферы. Она пронизывает ее всю, обеспечивая жизнь живых существ на Земле. Экологическое значение воды обеспечивается тем, что вода является универсальным растворителем многих веществ; в водной среде протекают физико-химические реакции, связанные с обменом веществ у живых существ, происходит транспорт пластических и энергетических материалов, в нее выводятся из организма вредные и использованные продукты обмена, испаряясь с поверхности почвы, кожи, органов дыхания, она участвует в температурной регуляции. В воде легко растворяются атмосферные газы.

Вода, несмотря на свою кажущуюся простоту, таит в себе еще много необычных свойств, которые человечеству только предстоит раскрыть.

Велико гигиеническое значение воды для человека в быту: для питья, приготовления пищи, поддержания чистоты тела, жилища, белья, предметов обихода, жилых и общественных зданий. Вода используется для централизованного отопления, канализации, полива улиц и зеленых насаждений. Большие потребности в воде у промышленности и сельского хозяйства. Вода незаменима для оздоровительных мероприятий: купания, закаливания. Чем больше цивилизовано государство, тем больше оно потребляет питьевой воды.

Однако, несмотря на колоссальные запасы воды на нашей планете уже сейчас перед человечеством встает вопрос нехватки водных ресурсов. Мероприятия, предпринимаемые сейчас для сохранения и восполнения водных ресурсов недостаточны.
 

Список литературы и источников

Кульский Л.А., Даль В.В., Ленчина Л.Г. Вода знакомая и загадочная - Киев: "Радянська школа" 1999. -54 с.