ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.06.2024
Просмотров: 151
Скачиваний: 1
Т. А. Карюхина, И. Н. Чурбанова,
кандидаты техн. наук
ХИМИЯ ВОДЫ И МИКРОБИОЛОГИЯ
Допущено Министерством жилищно-коммунального хозяйства РСФСР
в качестве учебника для учащихся техникумов по специаль ности № 1211 «Водоснабжение, канализация и очистка про мышленных и сточных вод»
М О С К В А
С Т Р О Й И З Д А Т
1 9 7 4
6С9.3 К 27
У Д К [628.1.03 (54 + 576.8)1(075.3)
Ч И Т А Л Ь Н О ГО З А Л А Jj
Научный редактор — канд. техн. наук Н. М. Попова
Карюхина Т. А., Чурбанова И. Н.
К27 Химия воды и микробиология. Учебник для техникумов. М., Стройиздат, 1974.
215с. с ил.
Вучебнике изложены основы химической, санитарно-бакте- риологической и технологической оценки . качества природных, питьевых к сточных вод, даны теоретические обоснования про цессов очистки природных и сточных вод и описаны методы тех нологического и эксплуатационного контроля этих процессов.
Учебник предназначен для учащихся средних специальных учебных заведений, обучающихся по специальности «Водоснаб жение, канализация и очистка промышленных и сточных вод» .
К |
30210—317 |
188—74 |
6С9.3 |
047(01)—74 |
|||
© |
Стройиздат, |
1974 |
|
П Р Е Д И С Л О В И Е
• Для удовлетворения бытовых и промышлен ных нужд, нужд сельского хозяйства, производства элек троэнергии требуются огромные количества воды. На пример, для производства 1 т бумаги расходуется 250 т воды, для производства 1 т азотных удобрений — 600 т воды, для получения урожая, дающего 1 т сахара,— 1000 г воды.
Использование воды почти всегда сопровождается ее загрязнением, а неизбежный возврат этой воды в источ ники приводит, в свою очередь, к загрязнению природ ных вод.
В нашей стране партия и правительство уделяют очень большое внимание рациональному решению проб лем охраны и использования водных ресурсов. На осно ве важнейших партийно-правительственных директив ных решений, изложенных в постановлении Совета Ми нистров СССР «О мерах по упорядочению использова
ния |
и усиления |
охраны |
водных ресурсов |
СССР» |
(1960 |
г.), «Законе |
об охране |
природы» (1961 |
г.), «Ос |
новах водного законодательства Союза ССР и союзных
республик» |
(1970 |
г.), решениях XX, X X I I |
и XXIV |
съез |
||
дов КПСС |
и IV |
сессии |
Верховного Совета |
СССР |
||
(1972 |
г.), а также в ряде постановлений, принятых в раз |
|||||
витие |
указанных |
директив, |
осуществляется |
грандиозная |
система социально-экономических и технических меро приятий для сохранения здоровья трудящихся и реши тельной борьбы с загрязнениями воды, воздуха и почвы.
Одним из важнейших элементов этой системы явля ются мероприятия по обеспечению населения и народно го хозяйства чистой водой и по обезвреживанию и очист ке всех сточных вод. С этой целью в СССР построено и строится большое количество водопроводных и каиализа-
I * |
3 |
ционных очистных станций. При их проектировании и строительстве предусматривается использование совре менных сложных и разнообразных физико-химических, химических и биохимических методов обработки и очист ки природных и сточных вод.
Для эффективной эксплуатации очистных станций требуется квалифицированный персонал. В числе дис циплин в средних технических учебных заведениях для учащихся по специальности «Водоснабжение, канали зация и очистка промышленных и сточных вод» преду смотрены курсы «Химия воды и микробиология» и «Кон троль качества воды», по программам которых и состав лен настоящий учебник.
В учебнике изложены основы химии воды, микробио логии, гидробиологии и биохимии, необходимые для по нимания общих закономерностей применяемых процес
сов обработки воды, |
освоения |
методами |
управления |
|
ими и контроля результатов на |
основе |
лабораторных |
||
анализов. Поскольку |
контроль |
качества воды |
и оценка |
|
производительности |
и эффективности работы |
очистных |
сооружений неразрывно связаны с применяемыми тех нологическими процессами, в учебнике даны краткие описания этих процессов и приведены принципиальные схемы основных сооружений.
Разделы I , I I I и IV (кроме главы X I I I ) |
написаны |
|
доц., канд. техн. наук Т. А. Карюхиной, раздел |
I I и гла |
|
ва X I I I раздела IV — канд. техн. наук И. |
Н. |
Чурба- |
новой. |
|
|
Авторы выражают глубокую признательность канд. техн. наук Н. М. Поповой за ценные указания, сделан ные при подготовке рукописи.
Р а з д е л I
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИИ ВОДЫ
Г л а в а I
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ И РАСТВОРОВ
§ 1. Физико-химические константы воды
Вода (окись водорода Н 2 0 ) — простейшее ус тойчивое соединение водорода с кислородом. Молеку лярный вес воды 18,0160; на водород приходится 11,19% по весу, а на кислород — 88,81%. Истинный состав воды как сложного вещества был установлен в 1783 г. фран цузским физиком Лавуазье.
Поскольку существуют' три изотопа водорода (Н1 , дейтерий и тритий) и шесть изотопов кислорода, имеет ся 36 изотопных разновидностей воды, из которых в при родной воде могут встречаться лишь девять, включаю щих стабильные изотопы. В природной воде содержится
Щ О 1 6 в количестве 99,73% по весу. |
|
|
|
|||
Чистая |
природная вода — жидкость без запаха, вку |
|||||
са и цвета |
(лишь в слое |
толщиной |
более 2 м голубо |
|||
ватая). |
|
|
|
|
|
|
Основные |
физические |
свойства |
|
воды |
(при давлении- |
|
1 атм) приведены ниже: |
|
|
|
|
||
Температура: |
|
|
0°С |
|||
замерзания, плавления . |
|
|||||
кипения |
|
|
100° с |
|||
Плотность при температу |
|
|
|
|||
ре в °С: |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
0,99984 |
г/слг? |
|
3,98 |
|
|
0,99997 |
» |
||
* 20 |
|
|
|
0,9982 |
» |
|
100 |
|
|
|
0,95835 |
» |
|
Скрытая |
теплота: |
|
|
|
|
|
плавления льда . |
|
|
79,7 |
кал/г |
||
испарения при ? = 2 0 ° С . |
|
586 |
» |
|||
Удельная |
теплоемкость: |
|
|
|
|
|
льда |
|
|
около |
0,487 |
кал/г-град |
|
воды при /=20° С . |
|
|
0,999 |
» |
5
Удельная |
теплопровод |
|
|
кал'/смХ |
|||
ность |
при / = 15°С |
. . . . |
1,54-10-? |
||||
Вязкость |
при температуре |
X сек • град |
|||||
|
|
|
|||||
в °С: |
|
|
|
|
|
|
|
|
О |
|
|
|
1,7921 спз |
|
|
20 |
|
|
|
1,005 |
» |
|
|
Удельная |
электропровод |
4,41-10-8 |
О Л - 1 - С Л - 1 |
||||
ность |
при |
/=18° |
С |
. . . . |
|||
Диэлектрическая |
постоян |
|
|
|
|||
ная при ^=20° С |
|
81 |
|
|
|||
Поверхностное |
натяжение |
|
дин/см |
||||
при |
i = 2 0 ° C |
|
|
72,75 |
|||
Критические |
константы: |
|
|
|
|||
температура |
|
|
374,1 °С |
||||
давление |
|
|
218,5 arrut |
||||
плотность |
|
|
0,324 |
г/мл |
|||
По сравнению с другими химическими |
соединениями |
||||||
вода обнаруживает |
необычные отклонения (аномалии) |
по ряду физических свойств. Так, плотность воды увели чивается при плавлении льда и при повышении темпера туры воды от 0 до 3,98 °С. Вода имеет аномально высокие теплоту плавления и удельную теплоемкость; при плав лении льда теплоемкость воды увеличивается более чем вдвое. Аномальна также зависимость вязкости от дав ления, уменьшающейся с его повышением (в интервале температур 0—30 °С), и теплопроводности от температу ры, увеличивающейся с ее ростом от 0 до 150 °С.
Некоторые из аномалий объясняются структурой во ды и льда.
Молекула воды имеет форму тетраэдра, в вершинах которого расположены четыре полюса зарядов: два от-
++
\ч |
/ / |
Рис. 1 |
|
|
Строение молекулы воды |
рицательных и два положительных (рис. 1). Каждая молекула соединена с четырьмя ближайшими к ней дру гими молекулами, т. е. координационное число молекулы равно 4, что обусловлено четырьмя полюсами зарядов. Тетраэдрическая структура льда является весьма рых лой («ажурной»), т. е. характеризуется малой упаков-
6
кой частиц. Такая структура сохраняется в основном и в воде, однако межмолекулярное расстояние увеличива ется при плавлении льда. Это увеличение координаци онного числа молекул при повышении температуры и плавлении льда сопровождается уменьшением рыхлости
структуры за счет заполнения пустот, чем и |
объясняет |
ся аномалия в плотности. Начиная с 3,98 °С |
(температу |
ра максимальной плотности) преобладает влияние уве личения межмолекулярных расстояний, обусловленного движением молекул, что приводит к нормальному ходу изменения плотности, т. е. к ее уменьшению с ростом тем пературы.
Затрата энергии на изменение структуры и умень шение ее рыхлости обусловливает аномально высокие теплоту плавления и удельную теплоемкость.
Многие аномальные свойства воды играют важную роль в комплексе биохимических процессов на земле. Благодаря аномалии в плотности лед плавает на поверх ности воды, а при замерзании рек и озер на глубине сох раняется относительно теплая вода (не ниже 4°С); вследствие высоких теплоты плавления и теплоемкости таяние снегов происходит достаточно медленно и т. д.
§ 2. Понятие о системах, фазах
икомпонентах. Диаграмма состояния воды
Вфизической химии системой называется те
ло или группа тел, выделяемых из материального мира и имеющих определенные границы, которые отделяют их от окружающей среды. Системы могут быть гомогенны ми и гетерогенными.
Система является гомогенной, если каждый параметр имеет во всех ее частях одинаковое значение или непре рывно изменяется от точки к точке..Например, вода во допроводная (в каком-либо сосуде) —система гомоген ная, так как в любой точке все свойства этой воды либо одинаковы (плотность, удельные электро- и теплопро водность и т. п.), либо непрерывно изменяются от центра системы к ее границам (например, температура). Водаостается гомогенной системой, если в ней растворено не которое количество солей.
Система |
является |
гетерогенной, если она состоит из |
|
нескольких |
макроскопических частей, отделенных |
одна |
|
от другой |
видимыми |
поверхностями раздела. На |
этих |
7
поверхностях некоторые параметры изменяются скач ком. Если создать насыщенный раствор какой-либо со ли в воде, чему сопутствует наличие твердой соли на дне сосуда, то такая система «раствор+твердая соль» гетерогенна. В этом примере на границе раздела скачкооб разно изменяются химический состав и плотность.
Гомогенные части системы, отделенные от остальных частей видимыми поверхностями раздела, называются фазами. Например, совокупность кристаллов поваренной соли или совокупность взвешенных в воздухе капель во ды, составляющих туман, является одной фазой.
Состояние системы описывается совокупностью ее свойств (или свойств фаз) —температурой, давлением, массой, плотностью, химическим составом и некоторыми другими, а также связями между изменениями этих свойств.
Каждое' вещество, которое может быть выделено из системы и существовать вне ее, называется составляю щим веществом. В водном растворе хлористого натрия
составляющими веществами |
могут быть Н 2 0 |
и NaCl, но |
|
не ионы Na+ и С1~, так |
как |
они не могут существовать |
|
вне раствора. |
|
|
|
Если в системе не |
протекают химические |
реакции, |
количества составляющих' веществ не зависят друг от друга; если же протекают, то количества составляющих веществ зависят друг от друга и состав фаз равновес ной системы можно определить зная концентрацию лишь части составляющих веществ.
Число компонентов равно числу составляющих ве ществ системы минус число уравнений, связывающих концентрации этих веществ в равновесной системе, или число компонентов — наименьшее число составляющих веществ, достаточное для определения состава любой фа зы системы.
Приведем примеры подсчета числа компонентов.
1. В многокомпонентной однофазной системе из. газообразных гелия, водорода и аргона невозможны химические реакции, следо
вательно, |
число компонентов |
равно трем. |
|
|
2. В системе из водорода и газообразных йода и йодистого во |
||||
дорода |
происходит реакция |
образования HJ из Н 2 и |
J2, |
поэтому |
число компонентов равно двум. Заметим, что выбор компонентов со вершенно произволен (Н2 , J2, Н 2 и HJ или h и HJ), но их число обязательно постоянно.
Для описания диаграммы состояния вещества потре буется еще один параметр — число степеней свободы.
8