СТАТЬИ
АЭРАЦИЯ ВОДЫ.
(автор: Ген.директор компании "МИРОВЫЕ ВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ" - С.В.Черкасов)
Аэрацией воды называется процесс насыщения воды кислородом воздуха. Аэрация воды производится:
Аэрация обычно характеризуется следующими параметрами:
По принципу действия аэрационные установки подразделяют на:
Более подробно работу установок безнапорной и напорной аэрации воды мы рассмотрим ниже. А для того, чтобы понять, какие факторы могут повлиять на процесс аэрации воды, нам необходим анализ, как самого процесса, так и процесса растворения кислорода воздуха в воде.
Растворенный в воде кислород находится в виде гидратированных молекул О2. Содержание растворенного кислорода (в дальнейшем по тексту РК) зависит от температуры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, количества осадков, минерализации воды др.
На содержание РК в воде влияют две группы противоположно направленных процессов: одни увеличивают концентрацию кислорода, другие уменьшают ее.
К числу первых относят:
Абсорбция кислорода из атмосферы происходит на поверхности водного объекта. Скорость этого процесса повышается с понижением температуры, с повышением давления и понижением минерализации. Аэрация - обогащение глубинных слоев воды кислородом - происходит в результате перемешивания водных масс, в том числе ветрового, вертикальной температурной циркуляции и т.д.
Фотосинтетическое выделение кислорода происходит при ассимиляции диоксида углерода водной растительностью (прикрепленными, плавающими растениями и фитопланктоном). Процесс фотосинтеза протекает тем сильнее, чем выше температура воды, интенсивность солнечного освещения и больше биогенных (питательных) веществ (P, N и др.) в воде. Продуцирование кислорода происходит в поверхностном слое водоема, глубина которого зависит от прозрачности воды (для каждого водоема и сезона может быть различной, от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров).
Снижение содержания кислорода в воде меньше теоретически возможного происходит в силу протекания химических и биохимических процессов: потребления кислорода различными организмами, брожения, гниения органических остатков, реакций окисления и пр. Примерами причин снижения содержания РК, это могут быть: биологическое (дыхание организмов), биохимическое (дыхание бактерий, расход кислорода при разложении органических веществ) и химическое (окисление Fe2+, Mn2+, NO2–, NH4+, CH4, H2S). Скорость потребления кислорода увеличивается с повышением температуры, количества бактерий и других водных организмов и веществ, подвергающихся химическому и биохимическому окислению. Кроме того, уменьшение содержания кислорода в воде может происходить вследствие выделения его в атмосферу из поверхностных слоев и только в том случае, если вода при данных температуре и давлении окажется пересыщенной кислородом.
Все эти рассуждения справедливы для поверхностных вод. В артезианских же водах все эти факторы практически не действуют и поэтому кислород в таких водах, как правило, отсутствует.
Концентрация кислорода в воде определяет величину окислительно-восстановительного потенциала (RedOx потенциала) и в значительной мере направление и скорость процессов химического и биохимического окисления органических и неорганических соединений. Поэтому контроль содержания кислорода в воде – чрезвычайно важная проблема, в решении которой заинтересованы практически все отрасли народного хозяйства, включая черную и цветную металлургию, химическую промышленность, сельское хозяйство, медицину, биологию, рыбную и пищевую промышленность, службы охраны окружающей среды. Содержание РК определяют как в незагрязненных природных водах, так и в сточных водах после очистки. Процессы очистки сточных вод всегда сопровождаются контролем содержания кислорода. Определение РК является частью анализа при определении другого важнейшего показателя качества воды – биохимического потребления кислорода (БПК).
При каждом значении температуры воды существует равновесная концентрация кислорода, которую можно определить по специальным справочным таблицам, составленным для нормального атмосферного давления. Растворимость кислорода в воде возрастает с уменьшением температуры и минерализации и с увеличением атмосферного давления. Зависимость растворимости кислорода в большинстве жидкостей, включая воду, в первом приближении описывается законом растворения идеального газа – законом Генри. Закон пригоден лишь для идеальных растворов и невысоких давлений. При постоянной температуре растворимость газа в данной жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над раствором:
С = k×Р
где С – массовая концентрация газа в насыщенном растворе (моль/л); Р – парциальное давление; k – коэффициент пропорциональности, называемый константой Генри (или коэффициентом Генри).
Однако коэффициент Генри зависит от давления, хотя и в небольшой степени. Зависимость растворимости кислорода от температуры или зависимость k (Р°,Т) проявляется в уменьшении растворимости с повышением температуры.
Растворение кислорода и других газов в воде вызывает нарушение ближнего порядка, поскольку требует затраты энергии. Процесс растворения является самопроизвольным. Растворение кислорода в воде следует рассматривать как совокупность физических и химических явлений, выделяя при этом три его основных стадии:
Суммарный тепловой эффект процесса растворения (∆Н = ∆H1 + ∆Н2 + ∆Н3) может быть положительным (эндотермическое растворение) и отрицательным (экзотермическое растворение). Растворение кислорода в воде идет с выделением теплоты (∆Н< 0) и с убылью энтропии (∆S< 0).
В результате всего перечисленного выше растворимость в воде оказывается на порядок меньше, чем в неполярных жидкостях. Следует заметить, что учет особенностей молекулярного строения воды оказался достаточно сложным, и до сих пор нет хороших теоретических подходов для его оценки. Поэтому чаще всего приходится пользоваться эмпирическими данными.
Относительное содержание кислорода в воде, выраженное в процентах его нормального содержания и называется степенью насыщения воды кислородом. Вычисляется по формуле:
M = (a×101308×100)/С×P,
где М – степень насыщения воды кислородом, %; а – концентрация кислорода, мг/л; Р – атмосферное давление в данной местности, МПа; С – нормальная (равновесная) концентрация кислорода (мг/л) при данной температуре и общем давлении 0,101308 МПа, приведенная в таблице 1.
Степень насыщения воды кислородом, соответствующая равновесной концентрации, принимается равной 100%. Этот параметр зависит от температуры воды, атмосферного давления и уровня минерализации.
Для определения кислорода предложено множество методов, основанных на различных принципах. К ним относятся объемные (главным образом, йодометрические, колориметрические и фотометрические), электрохимические (амперо- и вольтметрические, полярографические, кулонометрические, кондуктометрические и прочие методы (радиометрические, хроматографические, масспектрометрические и т. д.).
Растворенный кислород является весьма неустойчивым компонентом химического состава вод. При его определении особо тщательно следует проводить отбор проб: необходимо избегать контакта воды с воздухом до фиксации кислорода (связывания его в нерастворимое соединение).
Наиболее широкое распространение в анализе поверхностных вод получили йодометрический (по Винклеру) и электрохимический методы.
Известно, что скорость насыщения воды кислородом зависит от площади границы раздела двух сред (вода/воздух), коэффициента переноса и градиента концентрации кислорода и описывается следующей формулой
dC/dT=KL (A/V)(Cs – C), (Ф. Уитон, 1985)
где dC/dT – скорость изменения концентрации кислорода со временем, мг/(л×ч); KL - коэффициент переноса кислорода, см/ч; А – площадь контакта газа и жидкости, см2; V – объем воды, см3; Cs – концентрация насыщения кислорода жидкостью, мг/л; С – концентрация кислорода в жидкости в любой момент времени, мг/л.
Как видно из приведенной формулы, скорость насыщения воды кислородом зависит от градиента концентрации между фактическим содержанием кислорода в воде (С) и максимально возможным насыщением (Cs), которое достижимо при данных условиях (температура воды, давление и соленость). Иными словами, чем ближе фактическое насыщение воды к максимально возможному, тем ниже скорость насыщения воды кислородом.
Различные системы обычно сравнивают при стандартных условиях, а именно:
Поправка для перехода от стандартных условий к реальным условиям.
Чтобы перейти от стандартных условий к реальным, применяют поправочный фактор Т:
реальные условия = стандартные условия * Т
где Т – произведение трех коэффициентов: Тр, Тd, Тt.
Коэффициент Тр оценивает перенос кислорода к реальной воде по отношению к чистой (дистиллированной) воде; он зависит от состава воды (в частности от содержания ПАВ, жиров, нефтепродуктов, взвешенных веществ и пр.)
ПОСЛЕДНИЕ НОВОСТИ:
08.02.2018 Компания «Мировые Водные Технологии» создала новый раздел Реагентная обработка воды, процессы которой осуществляют путем внесения того или иного химического вещества (реагента) в обрабатываемую воду с целью изменения того или иного показателя качества воды до требуемой величины.ФОТОГАЛЕРЕЯ РАБОТ:
Мировые Водные Технологии
Тел.: +7(495)944-57-11, +7(495)944-71-90, +7(495)944-66-89