WODA JAKO CHEMICZNY ELEMENT ŚRODOWISKA:

75 % planety jest pokryte wodą

Ż

ycie wyszło z wody to ona rozpoczęła ewolucję

W organizmie człowieka woda (osocze) to praocean

Jest niezbędnym składnikiem w funkcjonowaniu gospodarki i w życiu każdego organizmu

Tzw. Biały węgiel -> energia pobierana z wody

65% organizmu ludzkiego to woda ( ubytek 10% prowadzi do poważnych zaburzeń)

REKORDY:

20% masy wody w organizmie- pewny zgon

Bez jedzenia można wytrzymać 7 dni, zagrożenie dla życia -30 dni /rekord 72 dni

Bez wody 7 dni /rekord 14

CECHY FIZYCZNE WODY

- wzorzec masy 1g = 1 cm

3

wody w temperaturze 4

o

C

- w skali Celsjusza 0

o

C -> zamarzanie

100

o

C -> wrzenie

- ze wzrostem temperatury spada gęstość wszystkich substancji, bo objętość rośnie. Wszystkie substancje mają też
charakterystyczne punkty nieciągłości, czyli punkty przejścia z jednej do drugiej fazy (np. ze stanu ciekłego w stały)

Dla wody jest inaczej… Jej gęstość spada, gdy temperatura spada. Dzięki temu mamy do czynienia z pokrywą lodową
zimą – występuje od powierzchni (woda nie zamarza od dna) Lód nie typowo, jako ciało stałe, ma niższą gęstość niż
ciecz.

WODA:

najlepszy rozpuszczalnik

pozostaje kwestia skali rozpuszczalności, bo w wodzie rozpuszcza się wszystko tylko w różnym stopniu. ( są
trudności w zbadaniu rozpuszczalności platyny i irydu ze względu na niedokładność mierników ); rozpuszczalności
szkła nie mierzymy bo jest to materiał do przechowywania płynów. Ścieków nie przechowujemy w szkle, bo na dnie
znajdują się metale ciężkie

woda czysta to słaby przewodnik prądu

idealnie czysta woda to świetny izolator

Przewodnictwo cieplne: dla metali wręcz izolator, dla izolatorów dobry przewodnik.

Cząsteczka wody to tetraedr (czworościan foremny).

Reakcję uwadniania nazywamy hydratacją; np.: CaO+ H

2

O= Ca(OH)

2

.

Reakcję podwójnej wymiany nazywamy hydrolizą; np.: PCl

3

+ 3H

2

O= 3HCl+ H

3

PO

4

.

Wody naturalna to woda, która bierze udział w kołowym obiegu w przyrodzie. Wody związane chemicznie to np.: gips
(CaSO

4

•2H

2

O).

PODZIAŁ WÓD NATURALNYCH:

OPADOWE

POWIERZCHNIOWE

PODZIEMNE

•

Znajdują się w atmosferze dopóki

nie opadną na powierzchnię.

•

Bardzo czyste, nisko

zmineralizowane

•

Lekki odczyn kwaśny (pH=6,5)

•

W postaci opadów, do momentu

zetknięcia z powierzchnią Ziemi

•

Zasolenie rzędu 10-20 mg/dm

3

•

Ś

nieg zawiera zanieczyszczenia z

powietrza.

•

Wody stojące, płynące,

ś

ródlądowe (słodkie), morskie

(słone)

•

Odbiorniki ścieków

•

Znacząca zawartość

mikroorganizmów

•

Zasolenie rzędu 100-300

mg/dm

3

•

Znaczna mętność,

zanieczyszczone

•

Duża ilośc bakterii

•

Mają zabarwienie, ale ludzkie

oko tego nie dostrzega

•

Wyróżnia się wody podziemne:

o

Podskórne (0,5-1m)

o

Gruntowe (kilkanaście m)

o

Wgłębne (100-200m)

o

Głębinowe (powyżej 1km)\

•

Czystość i zasolenie wzrastają

wraz z głębokością

•

Wody gruntowe można

spożywać, bo zostały oczyszczone
przez warstwę zaskórną i
pozbawione bakterii

•

Wody wgłębne są oddzielone

przynajmniej 2 warstwami
nieprzepuszczalnymi.

•

Wody głębinowe są mocno

zasolone

Zanieczyszczenia – składniki znajdujące się w wodzie poprzez działalnoś ć człowieka
Domieszki - składniki znajdujące się w wodzie poprzez warunki naturalne
Wody niezanieczyszczone – czysta woda bez domieszek i zanieczyszczeń

•

Jak mało Cl

-

to małe prawdopodobieństwo, że woda zanieczyszczona.

•

So

4

2-

+ Cl

-

to wody na 97% niezanieczyszczone.

•

Ph w okolicach 0 to wody niezanieczyszczone

•

Ph większe od zera to im większe tym większe prawdopodobieństwo, że wody są zanieczyszczone.

Ścieki to wszelkie płynne produkty nieprzydatne w czasie i miejscu gdzie powstały. Ścieki dzielimy na:

•

Bytowe- zużyte przez człowieka wody potrzebne dla zaspokojenia potrzeb bytowych;

•

Przemysłowe- wynik funkcjonowania przemysłu;

•

Komunalne- mieszanina bytowych i przemysłowych;

•

Opadowe- wody powierzchniowe ujmowane do sieci kanalizacyjnych.

TLEN W WODZIE:

Rozpuszczalność gazów w wodzie spada wraz ze wzrostem temperatury (wyższa temperatura oznacza mniej tlenu w wodzie).
Ś

ciekami więc nazywamy także ciecze niosące ze sobą ładunek cieplny (zaburzają one równowagę biologiczną).

Ś

cieki bytowe zawierają ogromne ilości związków organicznych, taka ilość wpływa na środowisko (doprowadza do deficytu

tlenu). Umownie możemy przyjąć poniższe reakcje zużycia tlenu podczas rozkładu:

C

org

= CO

2;

C

org

= CO

3

2-

;

C

org

= HCO

3

2-

;

Tlen trafia do wody dwutorowo:

•

dyfuzja z powietrza

•

rośliny zielone w wodzie

Stężenie tlenu:

•

10 mg O

2

/dm

3

to maksymalne stężenie

•

6 mg O

2

/dm

3

oznacza śnięcie narybku ryb łososiowatych

•

4 mg O

2

/dm

3

bez ingerencji z zewnątrz woda przekształca się w ściek (wartość krytyczna)

W warunkach beztlenowych powstają związki toksyczne, oznacza to całkowitą zagładę życia.


WSKAŹNIKI JAKOŚCI WODY:

•

Biologiczne: zawartość bakterii w wodzie. Przy badaniu biologicznym wykorzystuje się bakterie grupy Coli, a

konkretnie najbardziej prawdopodobną liczbę bakterii w 100cm

3

wody. Podstawowe oznaczenia:

Liczba bakterii wyhodowanych z 1cm

3

wody na obszarze odżywczym w temperaturze 20 C w ciągu 72

godzin

Liczba bakterii wyhodowanych z 1cm

3

wody na obszarze odżywczym w temperaturze 37 C w 24 godziny

Miano Coli- ilość cm

3

wody przypadająca na 1 bakterię; E. Coli- NPL/100cm

3

(Najbardziej

Prawdopodobna Liczba)

•

Fizyczne:

Temperatura

Mętność:

jednostką jest mg SiO

2

/dm

3

- czynnikiem mętnienia wody może być cokolwiek innego, co daje

taki sam efekt co dana objętość krzemionki.

Przezroczystość:

bada się np.: poprzez układanie pręta z białym krążkiem o średnicy 25cm w badaną wodę

i ustalenie, na jakiej głębokości staje się on niewidoczny.

Barwa:

nadają ją wodzie związki humusowe lub rozpuszczone związki mineralne; istnieje barwa pozorna

(wystarczy filtracja zawiesiny) oraz rzeczywista (nieusuwalna fizycznie). Umowną jednostką barwy jest
mg Pt/dm

3

.

Zapach:

określony w warunkach (z-zimne, g-gorące), przydzielając do jednej z grup zapachowych (R-

roślinne, G- gnilne, S- specyficzne pochodzenia nienaturalnego) i określa jego intensywność (5-cio
stopniowa skala).

Smak:

ze względu na niebezpieczeństwo z tym związane sprawdza się rzadko; wyróżniamy słony, kwaśny,

alkaliczny i gorzki.

Przewodnictwo elektryczne:

czym większa przewodność wody tym wyższe zasolenie.

•

Chemiczne:

Nieorganiczne

(wykazują prawdopodobne zanieczyszczenie, twardosc wody, zasadowosc wody)

PH, Cl

-

, SO

4

2

- oddziaływanie korozyjne wody

PH>7 – kwas, który będzie atakował konstrukcje metalowe, betonowe itp.
Cl

-

- korozja stali

SO

4

2

- korozja

Organiczne

(oddziałują trochę toksycznie – ropopochodne, ich nadmiar jest szkodliwy, bo mogą rozwijac

się bakterie)

Biogenne:

dosłownie ‘rodzące życie’- (N, P)

Normą pH jest zakres 6,7-7,5. Latem zwiększone zużycie CO

2

oznacza większą liczbę roślinności w zbiornikach wodnych, a

także większe uwalnianie z powodu wzrostu temperatury; może to doprowadzić do znacznego wzrostu pH, co wcale nie musi
ś

wiadczyć o zanieczyszczeniu.

WSKAŹNIKI JAKOŚCI WODY OGÓLNIE:

Siarczany i chlorki (Podwyższona zawartość daje prawdopodobieństwa zanieczyszczenia ściekami)

Odczyn PH (mówi o agresywności wody)

Poziom tlenu

Im większe stężenie tlenu tym woda jest czystsza. Teoretycznie stężenie tlenu wynosi 10mgO

2

/dm

3

(dla wody

bardzo czystej)

Stężenie tlenu:

•

10 mg O

2

/dm

3

to maksymalne stężenie

•

6 mg O

2

/dm

3

oznacza śnięcie narybku ryb łososiowatych

•

4 mg O

2

/dm

3

bez ingerencji z zewnątrz woda przekształca się w ściek (wartość krytyczna)

Związek tlenu i związków organicznych: Bakterie odżywiają się węglem ze związków organicznych, powodują
ich rozkład przez enzymy, które wydzielają otoczkę bakterii. Bakterie potrzebują tlen do przerobienia związków
organicznych. Dostarczania tlenu z atmosfery jest powolne. Gdy tlenu zabraknie giną bakterie tlenowe. Są jeszcze
bakterie beztlenowe, które powodują korozję betonu.

Potencjał redoks E

n

– mówi o zdolności utleniającej danego ośrodka

Twardość wody

•

Przez wiele lat miernikiem twardości wody była zdolność do zmydlania wody (było to bardzo niewygodne)

•

Obecnośc wapnia i magnezu jest przyczyną twardości, bądź miękkości wody.

•

Definicja wg inżynierii sanitarnej: metale ciężkie- metale szkodliwe (o masie atomowej > 56) oddziałujące na
organizmy żywe. Od lat 70 XXw twardość określamy na podstawie zawartości wapnia i magnezu:

Tw

ogólna

= Tw

Ca

+ Tw

Mg

Tw

węglanowa

wynika z obecności HCO

3

-

oraz CO

3

2-

.

Tw

niewęglanowa

wynika z obecności SO

4

2-

, Cl

-

oraz NO

3

-

.

Twardość węglanowa i niewęglanowa to związki Ca i Mg z wymienionymi substancjami.

Jednostki twardości:

•

Stopie

ń

niemiecki- 1 n= 10 mg CaO/dm

3

•

Miligramorównowa

ż

nik- 1 mval/dm

3

= 2,8 n

•

Obecnie jednostk

ą

w wi

ę

kszo

ś

ci krajów jest miligram

- mg CaCo

3

/dm

3

.

Twardość wód naturalnych waha się od 50 do 100mg CaCo

3

/dm

3

.

Twarda woda oznacza większe zużycie mydła, proszków do prania, szybsze zyżycie tkanin, spada wartość
odżywcza mięsa gotowanego w twardej wodzie, tworzenie się tzw. kamienia. Węglan wapnia jest głównym
przedstawicielem kamienia kotłowego. Aby zmniejszyć twardość należy usunąć CO

2

, np.:

CO

2

+ Ca(OH)

2

= CaCO

3

+ H

2

O

Nie można go usunąć całkowicie, musi pozostać stan równowagi, tzw.: dwutlenek węgla równowagi; nadmiar
nazywa się dwutlenkiem węgla agresywnym.

Zasadowość (zdolność wody do neutralizacji kwasów)

MIERNIKI ZAWARTOŚCI ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH:

•

BzT

5

:

5-dobowe biochemiczne zapotrzebowanie tlenu, jednostka:

mg O

2

/dm

3

.

Obecnie technika pozwala zbadać BzT w ciągu 2-3h. Można również badać ilość związków chemicznych (ilość tlenu zużytego
na natlenienie związków organicznych) KMnO

4

, K

2

Cr

2

O

7

. Często występuje zawyżenie wyniku, bo utleniają one nie tylko

związki organiczne ale i chemiczne.

•

ChzT:

chemiczne zapotrzebowanie tlenu -

mg O

2

/dm

3

(oznacza ze mamy wodę o takiej zawartości chemicznej w

1dm

3

, która zużywa x mg substancji)

Prawie zawsze ChzT>BzT

5

.

•

OWO: ogólny węgiel organiczny- polega na katalitycznym spaleniu związków organicznych, policzeniu pozostałego

węgla i przeliczeniu go na związki organiczne [mg C/dm

3

].

•

EE: ekstrakt eterowy- nie rozpuszcza się w wodzie, natomiast wiele związków w nim się rozpuszcza (większość

związków ropopochodnych z wody).

RÓWNOWAGA WĘGLANOWO WAPNIOWA WODY:

….czyli kiedy woda jest agresywna, a kiedy mogą się z niej wytrącać węglany

Tematyka równowagi węglanowo - wapniowej jest zapomnianym elementem technologii uzdatniania wody zarówno
podziemnej jak i powierzchniowej.

Tymczasem niestabilna woda może być albo agresywna, mając własności korozyjne, sprzyjając niszczeniu urządzeń
technologicznych (zwłaszcza filtrów studziennych, rurociągów tłoczących wodę surową, urządzeń napowietrzających, filtrów -
albo z drugiej strony mogą się z niej intensywnie wytrącać węglany wapnia czy magnezu i to nie tylko po przegotowaniu, czy
podgrzaniu (popularny "kamień"), co również jest przyczyną poważnych komplikacji technologicznych - zwłaszcza przy
filtracji.

CaCO

3

+ CO

2

Ca(HCO

3

)

2

[wodorowęglan wapnia]

- przy wzroście CO

2

rozpuszcza się więcej CaCO

3

- przy ogrzewaniu CO

2

uwalnia się do atmosfery, powstaje osad CaCO

3

i kamień (tylko gdy T>57

o

)

MAGNEZ I WAPŃ:

Mg – metal dość twardy, niekowalny, najlżejszy z użytkowych metali, otrzymujemy go z elektrolizy: MgCl

2

Mg + Cl

2

.

Ca – jeden z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków na ziemi, występuje w e wszystkich skałach osadowych, metal
srebrzysto-biały

Węglan wapniowy: praktycznie nie rozpuszczalny w wodzie, rozpuszczalność zaledwie 14 mg/dm

3

, rozpuszczalność jednak

wzrasta w wodach ze zwiększoną obecnością CO

2

. Następuje wtedy przemiana na Ca(HCO

3

)

2

bardzo dobre rozpuszczalny w

wodzie.

Wapno – materiał stosowany w budownictwie.

CaCO

3

CaO + CO

2

– Q (reakcja endotermiczna pod wpływem 100-1000

o

C)

Reakcja realizowana w piecach „wapiennikach”, wypala się wapień i powstaje wapno palone. Gdy zostawi się je na
powietrzu do wapna palonego zacznie się przyłączac CO2 i powoli będzie przebiegała reakcja odwrotna.

Przy reakcji wapna palonego zachodzi bardzo szybko reakcja

CaO + H

2

O

Ca(OH)

2

+ Q

Ca(OH)

2

+ CO

2

CaCO

3

+ H

2

O

W wyniku tych procesów powstaje spoiwo.

SPOIWA:

Spoiwa budowlane – materiały otrzymywane z surowców mineralnych na drodze wypału i rozdrobnienia, które po
zmieszaniu z wodą tworzą plastyczne masy, które po dalszych procesach tracą właściwości plastyczne, wiążą i twardnieją.

Fazy wiązania spoiw:

•

I faza – hydroliza i hydratacja (składniki spoiwa częściowo rozpuszczają się w wodzie)

•

II faza – wydzielanie się substancji koloidalnych (masa zaczyna tracic własności plastyczne)

•

III faza – przejście ze stanu koloidalnego w postac krystaliczną

Rodzaje spoiw:

•

Powietrzne – tylko wiążą w powietrzu

•

Hydrauliczne – wiążą na powietrzu i pod wodą

Służą do wyrobów budowlanych i cementu.

SPOIWA POWIETRZNE:

Zaprawa murarska – mieszanina wapna, piasku i wody

Proces wypalania wapienia:

CaCO

3

CaO (wapno palone) + CO

2

CaO + H

2

O

Ca(OH)

2

+ Q (silny efekt cieplny, woda się zagotuje, ryzyka dla robotników)

Ca(OH)

2

+ CO

2

CaCO

3

(węglan wapniowy) + H

2

O

Zatem wapno palone „gasi się” wodą. Wapno to dodajemy z piaskiem i wodą dla uplastycznienia. Wiązanie
przyspiesza się zwiększając stężenie CO

2

w powietrzu, ale wpływa to na zmniejszenie wytrzymałości.

Występują także reakcje, które zachodzą powoli ( po miesiącach i latach)

wiązania pucalonowe (krzemianowe)

np. SiO

2

(piasek) + CaO

CaO * SiO2. Dzięki tym wiązaniom konstrukcje mają dodatkowe umocnienie.

„Wapno hydrauliczne”: spoiwo budowlane wiążące na powierzchni i pod wodą, podstawowym składnikiem jest
wapno gaszone, ale do jego gaszenia stosuje się wapno margliste + od 6% do10% materiałów ilastych.

Spoiwo gipsowe

CaSO

4

– anhydryt (forma bez wodna)

CaSO

4

+ ½ H

2

O – gips półwodny

CaSO

4

+ 2H

2

O – gips dwuwodny

Wiązanie gipsu następuje bardzo szybko. Już po godzinie otrzymujemy maksymalną wytrzymałoś w stanie
wilgotnym.

T

1

– po tym czasie powstają zarodniki siarczanu wapnia dwuwodnego,

kryształy zaczynają rosnac i stykac się między sobą
T

2

– wartość maxymalna – krysztaly tworzą pewną strukturę całościową

T

3

– następuje dalszy rozrost kryształów przy dużej obecności wody

Po czasie T

3

następuje odparowanie wody (suszenie), jest to wzrost

wytrzymałości, ale to etap odwracalny
Gdy zwiększymy wilgotnośc zaledwie o 1-3% następuje spadek
wytrzymałości. Przy dalszej wilgotności rzędu 20-30% spadek
wytrzymałości nie występuje, lecz związek (słabo rozpuszczalny w wodzie)
przy dużej wilgotności może zostać wypłukany.

Współczynnik rozmiękczenia:

W = Wytrzymałość w stanie nasycenia wody (Rnas) / Wytrzymałość w stanie suchym (Rsuch)

Dla gipsu W= 0,3-0,4.

Metody przeciwdziałania:

•

powlekanie powierzchni gipsowych powierzchniami malarskimi (uniemożliwa wnikanie wody)

•

ż

ywice syntetyczne powodują, że gips staje się substancją mniej nasiąkliwą

•

płyty gipsowe (wodoodporne)

SPOIWA HYDRAULICZNE:

Cement – duża grupa różnych substancji; posiadają zdolność do twardnienia po rozrobieniu z wodą i posiadają

odporność na działanie wody i atmosfery

Cement powstaje z glino-krzemianu

Warunek by otrzymać cement: Stosunek tlenków zasadowych [CaO] do sumy tlenków kwasowych
[SiO

2

]+[Al

2

O

3

]+[Fe

2

O

3

] może wahac się w granicach 2-3.

Cement podajemy prażeniu w temperaturach od 1400 do 1600

o

C w piecach cementowych

Przy produkcji trzeba uważac na MgO i SO

3

!!! Ich zawartość nie może przekraczac podanej ilości procent:

[MgO]< 5%, [SO

3

]< 3%, ponieważ, zbyt duża ilość siarczanów i magnezu powoduje pęcznienie.

Odmiany cementu:

o

Cement portlandzki (naturalnie szary)

Ze względu na barwę cement portlandzki dzielimy na: biały (bezbarwny), kolorowy (odpowiednie dodatki metali),
ekspansywny (cement, który pęcznieje w trakcie wiązania)

Cement biały i kolorowy używany jest do wykończeń np. fug

o

Cement glinowy (podwyższona zawartość gliny)

Większa odporność na korozję, korzystny w warunkach zimowych, korzystny do napraw, szybko schnie i szybko
zyskuje wytrzymałość, drogi.

o

Cementy żużlowe (na bazie żużlu)

•

Cement hutniczy (na bazie żwiru wielkopiecowego, czyli takiego, który powstaje w wielkich piecach

hutniczych; wysoka odporność na korozję, korzystny w wodach morskich)

•

Cement gipsowo-żużlowy (na bazie żużlu i gipsu, brak zmian objętości, bez pęcznienia i kurczenia,

korzystny przy wielkich blokach betonowych, w wielkich konstrukcjach)

•

Cement wapienno-żużlowy (słaba wytrzymałość, wapno palone + żużel, nie potrzebuje powietrza do

wiązania, zastępuje zaprawę murarską, stosunkowo tani)