Rola wody w środowisku (otoczeniu):
-składnik organizmu człowieka
-składnik roślin, zwierząt i mikroorganizmów
-przedmiot konsumpcji w tym warunek higieny
-drogi wodne, komunikacja, transport
-źródło energii mechanicznej i elektrycznej
-czynnik stabilizacji klimatu
-czynnik życia
-środowisko bytowania różnych istot żywych
woda ma wysokie ciepło właściwe, zmiany temperatury są powolniejsze niż powietrza
Woda w gospodarce przemysłowej:
-cenny surowiec chemiczny do otrzymywania wodoru i tlenu
-środowisko wielu reakcji chemicznych
-rozpuszczalnik substancji organicznej i nieorganicznej o różnych stanach skupienia
-nośnik ciepła w procesach ogrzewania i chłodzenia (odchodzimy od nośników Na)
-środek pomocniczy w procesach technologicznych, tj. rozdzielanie, flotacja, krystalizacja
-czynnik myjący, czyszczący, odprowadzający odpady w postaci ścieków przemysłowych i komunalnych
zajmuje ok. 70 % pow. Ziemi - 1 400 000km
najwięcej wody jest w morzach i oceanach 97 % lodowce 2 % wody głębinowe jeziora 0,02 % atmosfera 0,001 % rzeki 0,0001 %
WODY NATURALNE:
1.wody opadowe (podziemne, powierzchniowe, gruntowe) skropliny atmosferycznej pary wodnej, uważane za najczystsze, powstają w wyniku kondensacji pary wodnej,
2.powierzchniowe(strumienie, jeziora, zbiorniki retencyjne, morza i oceany) zasilane przez wody opadowe i wody podziemne, skład zależy od: ilości wody zasilającej zbiornik, od zagospodarowania zlewni, poza wodami górskimi nie nadają się do spożycia( zasolenie), stanowią one główne źródło zaopatrzenia w wodę użytkową,
3.podziemne
-przesiąkają wgłąb ziemi,
-rozpuszczają gazy, substancje organiczne i nieorganiczne (jeśli te wody znajduja się na powierzchni),
-przechodząc przez glebę pozbywają się (filtrują) zanieczyszczeń metalami ciężkimi (zatrzymują się one na przegrodzie filtracyjnej),
Wody, które znalazły się pod ziemią dzielimy na:
-zaskórne (podskórne) znajdują się na niewielkich głębokościach- kilku metrów, nie nadają się do spożycia
-wgłębne, są izolowane od odpływu zewnętrznego, znajdują się pod warstwą nieprzepuszczalną (np. glina), o takich wodach mówimy gdy znajdują się na głębokościach ok. 30 m, często SA bardzo zimne, w ciagu roku temperatura tych wód jest stała,
Zasolenie Bałtyku: 11g/l (morze średnio zasolone)
Woda - wodny roztwór substancji nieorganicznych i organicznych występujących na ziemi (mogą być zawarte koloidy i zawiesiny), substancje te mogą znaleźć się tam w sposób naturalny lub być wprowadzone w wyniku działalności człowieka.
Właściwości wody czystej:
-cząsteczka wody składa się z atomu tlenu i dwóch atomów wodoru,
-cząsteczka wody jest polarna, miara polarności jest moment dipolowy,
-dzięki temu, że woda ma charakter polarny istnieją w wodzie oddziaływania między cząsteczkami,
-woda tworzy asocjaty - układy od 100 cząsteczek wody połączonych ze sobą,
-wodór ma 3 izotopy,
-tlen ma 3 izotopy,
-wykazuje pewne podobieństwo z amoniakiem,
-gdyby skraplała się w temp. 100 st. C, a wrzała w temp. 80 st. C to woda na Ziemi występowałaby w postaci pary wodnej,
Względna częstość występowania cząstek wody:
H2 16O - 100000
H2 18O - 204
H2 17O - 37
D2 15O - 3
Podstawowe właściwości fizyczne wody:
-masa cząsteczkowa - 18,01
-gęstość- 998,2 kg/ m3 (20 st. C)
-temp. topnienia- 0 st. C
-temp. wrzenia- 100 st. C
-ciepło topnienia- 333,75 J/ g*K
-ciepło parowania- 2260 J/ g*K (0 st. C)
-ciepło właściwe- 4,19 J/ g*K (15 st. C)
-napięcie powierzchniowe- 72,75 mN/m (20 st. C)
-lepkość dynamiczna- 1,00 mNs/ m2 ( 20 st. C)
-przewodność elektrolityczna- 5*10-6 S/m (25 st. C)
-ma taką gęstość jak lód ma w temp. 30 st. C dzięki temu lód jest na powierzchni wody, największą gęstość ma w temp. 4 st. C
(3,98 st. C)
-lepkość wody zależy od temp., zmiana lepkości wpływa na sedymentacje - im większa lepkość tym mniejsza sedymentacja,
-ciepło właściwe wody jest największe ze wszystkich cieczy naturalnych, jeśli ciepło właściwe jest duże to woda się wolno nagrzewa,
-woda stanowi akumulator ciepła,
-obniżenie napięcia powierzchniowego przez substancje czynne jest niekorzystne dla mikroorganizmów,
szczególne właściwości wody:
-największa gęstość w temperaturze 3,98 st. C, a nie w punkcie zamarzania 0 st. C,
-b. dobry rozpuszczalnik wielu substancji,
-największe napięcie4 powierzchniowe ze wszystkich cieczy,
Stężenie substancji rozpuszczalnych w wodzie zależy od:
-powszechności jej występowania,
-rozpuszczalności,
-od procesów fizyko-chemicznych,
Substancje występujące w wodzie:
I:pochodzenia naturalnego, wprowadzone na skutek działalności gosp. człowieka,
II:organiczne, nieorganiczne,
III: składniki podstawowe od kilkunastu do kilkuset mg/ dm3, mikroskładniki od kilkuset μg/dm3 do kilkunastu mg/dm3, mikroskładniki (śladowa) poniżej μg/ dm3
Substancje występujące w przeciętnej wodzie rzecznej % / s.s:
Na+ - 6,Ca2+ - 20, Cl- - 6, SO2-4 - 12, CO2-3 (HCO3-) - 35, SiO2 - 12, Pozostałe - 9
Substancje zanieczyszczające wodę mogą występować w formie:
Rozpuszczonej, Koloidalnej ( 1-500nm), Zawiesiny (powyżej 500nm)
W wodach naturalnych znajdują się rozpuszczone gazy - woda pozostaje w kontakcie z atmosfera więc te gazy się rozpuszczają w wodzie, rozpuszczalność zależy od temperatury - im wyższa temp. tym rozp. niższa.
Przeciętny skład opadów atmosferycznych (mg/dm3):
SiO2 - 0,3-1,2; Al. - 0,01; Ca - 0,65-3,3; Mg - 0,2-1,2; Na - 0,6-9,4; K - 0,11-0,6; NH4 - 0,42; HCO3 - 3,7; SO4 - 0,7-2,2; Cl - 0,2-0,17; NO2 - 0,02; NO3 - 0,1-2,2
Toksyczność pierwiastków występujących wodzie:
-Nieszkodliwe: Na, K, Mg, Ca, N ,C, P, Fe, S, Cl, Br, F, Li, Sr, Al., S
-Toksyczne mało rozpuszczalne, rzadko występujące: Ti, Hf, Zr, W, Nb, Ta, Re, La, Os, Rh, Ir, Ru, Ba
-Toksyczne, często występujące: Be, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, As, Se, Ag, Cd, Hg, Tl, Pb, Sb
Istotne jest to w jakiej formie te pierwiastki występują. Jeśli jest związany w kompleks to jest mniej toksyczny.
Skład wód powierzchniowych uwarunkowany jest:
1.procesami chemicznymi - duży wpływ mają:
-Kwas-zasada
-Procesy wymiany powietrza atm- woda
-Wytrącania i rozpuszczania ciał stałych (musi być iloczyn rozpuszczalności)
-Reakcje tworzenia kompleksów
-Reakcje redox
-Procesy adsorpcji i desporcji
Wody mogą zawierać różne substancje kompleksujące: EDTA, ENTA
Wpływ temp na rozpuszczalność: Rozpuszczalność - określa ilość substancji, którą możemy rozpuścić w określonej ilości rozpuszczalnika [w g,ml,itd.]
Temp. wpływa na rozpuszczalność:
- im wyższa temp tym lepiej się rozpuszcza ale nie zawsze
- im niższa temperatura tym lepiej się gaz rozpuszcza (np. tlen w wodzie)
- są substancje w których wraz ze wzrostem temperatury ich rozpuszczalność maleje
- kiedy ciepło rozpuszczania jest ujemne to w wyższej temperaturze rozpuści się więcej
Jeśli ciepło rozp jest dodatnie to przy wzroście temp rozpuszczalność będzie malała
- na rozpuszczalność wywierają wpływ inne substancje zawarte w rozpuszczalniku (np. woda bierze udzial w wietrzeniu skał i erozji; cząsteczki wody wypełniają przestrzeń pomiędzy jonami i w efekcie z dalszej substancji jony substancji zostają wymyte)
- niewolno mylić rozpuszczalności z iloczynem rozpuszczalności
Odczyn wód zalezy od: zaw węglanów i CO2, Rodzaju podłoża na którym wody się znajdują, Rodzaju gleby za zlewni z której pochodzi woda, Zanieczyszczeń odprowadzanych od wód (ścieki, odpady).
Wody powierzchniowe maja pH= 6,5-8,5, rzadko jest przekroczony zakres pH=4-9. -Wody nizinne są na ogół alkaliczne, a wody górskie są z reguły kwaśne. Mocne kwasy -> wysoka stała dysocjacji
Kwasy zawarte w wodach mogą być pochodzenia:
- naturalnego: kw. Węglowy, kw. wodorowęglowy
- z zewnątrz: z zanieczyszczeń, głownie kwasy mocne
Kwaśne deszcze:
SO2 + 1/2O2 -> SO3
SO2 + H2O -> H2SO3 + O2 ->H2SO4
tlenki azotu - przy spalaniu, wyładowaniu atm.
NO2 +O2 -> 2NO2
2NO2 = H2O -> HNO2 + HNO3
Te związki + opady atm. > kwaśne deszcze
Jeśli woda jest niezbuforowana to niewielkie ilości tych związków powoduje zmianę ich składu i pH.
60-70% tych kwasów to kwasy siarkowe, ok. 30% kwasy azotowe
pH ma wpływ na: Zycie biologiczne w wodzie, różne cele gospodarcze
Układ węglanowy:
CO2 gazowy, CO2aq - rozpuszczalne w wodzie,
H2CO3(CO32-) - kwas węglowy,
HCO3- - wodorowęglan. Węglany nierozpuszczalne w wodzie.
Węgiel nieorganiczny - obejmuje wszystkie formy układu węglanowego występującego w przyrodzie. Oznaczanie węgla nieorganicznego - zakwaszenie próbki w wysokiej temp. np. 150 st. C i oznaczenie wydzielonego CO2 (miareczkowo, podczerwień).
Wzrost pH=4-8 powoduje wzrost stężenia jonów HCO3-, od pH= 8-13 wzrasta udział CO32-
Stężenie CO2 w wodzie zależy od tego czy woda ma odczyn alkaliczny czy kwaśny.
Wysoka temp. to większa szybkość reakcji. W wysokich temp. wzrasta szybkość zużycia O2 i CO2 ale spada ich rozpuszczalność w wodzie.
Wyróżniamy wody:
1.alkaliczne. Zasadowość- dotyczy właściwości wody polegającej na tym, że ma ona zdolność do zobojętnienia silnego kwasu. Zasadowość nadają wodzie:HCO3-, CO2, CO32-, krzemiany.
Oznaczanie zasadowości: miareczkowanie silnym kwasem
A.zasadowość wodorotlenowa( trudna do oznaczenia): miareczkujemy do pH=10-11,
H++OH-=H2O pH=10-11
B.zasadowość węglanowa (fenoloftaleinowa) pH=8,3
C.zasadowość ogólna (oranży metylowego) pH=4,3
2. Kwasne. Kwasowość - zdolność wody do zobojętnienia silnej zasady:
A.kwasowość mineralna, miareczkowanie do pH=4,3
B.kwasowość węglanowa, miareczkowanie do pH=8,3
C.Kwasowość ogólna, miareczkowanie do pH= 10-11
Temperatura wód powierzchniowych zależy od: Strefy klimatycznej, Pory roku, Wysokości zbiornika nad poziomem morza, Ruchu wody w zbiorniku -większa amplituda w wodach stojących.
Temperatura wód powierzchniowych waha się od 0 do 30 st. C. Lepiej jest gdy woda jest chłodniejsza, wówczas związki chemiczne wolniej się rozpuszczają.
Mętność wody- spowodowana przez obecność w niej cząsteczek zawieszonych absorbujących promienie słoneczne.
Substancje powodujące mętność:
-Cząstki stałe i gleby, które się znalazły się w wodze w wyniku erozji,
-Osady denne,
-Zawiesiny w ściekach bytowo- gospodarczych,
-Zawiesiny przenoszone z wodami burzowymi,
-Koloidy,
Oznaczanie mętności wody:
a. określenie zawartości zawiesiny, zważenie,
b. obserwowanie warstwy roztworu,
Barwa wody- spowodowania przez: Kontakt wody z odpadami organicznymi (liście, drewno), W wyniku rozkładu ligniny, Ścieki przemysłowe, Obecność żelaza, Obecność planktonu
Oznaczenie barwy wody:
porównuje się ją do wzorca platynowego (chloroplatynian potasu w stężeniu 1mg/dm3).
Przewodność elektrolityczna. Przewodność właściwa [mS/cm] = konduktywność
Twardość wody- pojęcie umowne, określające zawartość w wodzie kationów dwuwartościowych, głownie wapnia i magnezu. Wyróżniamy twardość:
1.Ogólna-całkowita zawartość jonów wapnia i magnezu, a także żelaza, manganu, baru, strontu. W większości wód dominują kationy wapnia i magnezu.
2.Węglanowa (przemijająca)- odpowiada zawartości węglanów i wodorowęglanów wapnia i magnezu w wodzie. „Przemijająca” dlatego gdyż tego typu twardość jest łatwo niwelowana w wyniku ogrzewania, podgrzewania wody,
3.Niewęglanowa- różnica między twardością ogólna i węglanową, określa ona zawartość jonów dwuwartościowych odpowiadających anionom tj, siarczany, azotany.
Sole wapnia i magnezy nie ulegają wypadaniu w czasie gotowania.
Stopnie twardości wody: I.niemiecki, odpowiada 10 mg CaO/ dm3, II.francuski, 1 g węglanu wapnia CaCO3/ 100 dm3, III>brytyjski, 1 g CaCO3/ 70 dm3, IV.amerykański CaCO3/ 1000 dm3
Twardość wód naturalnych: 0,5- 10 mmol/ dm3, zależy od warunków geologicznych zlewni. Twardość niewęglanowa w wielu wodach naturalnych nie występuje, dominująca w wodach nat. jest twardość węglanowa. Wisła 12-17 mmol/ dm3
Znaczenie twardości wody:
Wady: negatywne przy praniu i gotowaniu, względy ekonomiczne- większe zużycie mydła przy twardej wodzie, walory smakowe potraw ulegają pogorszeniu, łatwo powstaje kamień kotłowy na skutek rozkładu wodorowęglanów wapnia i magnezu czy też krzemianów wapnia i magnezu
Zalety: gdybyśmy stosowali wodę destylowana zamiast zwykłej, to byśmy wypłukiwali z organizmu ważne substancje, 3-5 mval/dm3 wody do picia powinny mieć taką twardość.
Woda do picia i celów gospodarczych powinna:
-Nie zawierać substancji toksycznych lub szkodliwych dla zdrowia, ani takich które wywierają wpływ na jej smak,
-Być przezroczysta, bezbarwna, bez zapachu
-Mieć orzeźwiający smak,
-Nie zawierać dużych ilości Fe, Ca, Mg, Cl, azotanów i siarczanów,
-Pozostałość po odparowaniu nie powinna przekraczać 500 mg/l,
-Zawierać w odpowiednich ilościach te substancje, które są potrzebne do normalnego funkcjonowania.
Najlepszymi wodami są wody głębinowe, ale jest ich mało więc korzysta się z wód powierzchniowych, które muszą być uprzednio uzdatniane.Uzdatnianie obejmuje: Klarowanie i filtracja, Usuwanie związków żelaza i manganu- napowietrza się wodę aby wytrącić te pierwiastki, Zmiękczanie, Poprawianie smaku i odkażanie,
Wymagania stawiane wodzie do celów przemysłowych:
Przemysł spożywczy wymaga wody takiej, która się nadaje do picia.
Do robienia sztucznego lodu woda: musi być pozbawiona bakterii termofilnych, nie może być zbyt twarda, nie może być zbyt dużych ilości soli wapnia i magnezu- powodują one zmianę barwy na brązową, żelazo na żółtą, nie może być bakterii chorobotwórczych, zw. trujących- soli bary, rtęci, sodu, cyny,
Cukrownictwo: wody miękkie, mało zw. mineralnych
Przemysł ziemniaczany: wody o niskiej zawartości węglanowej ( do 3 -4 stopni niemieckich) - duża wartość kleikową, sole magnezu pow. wzrost higroskopowości, żelazo powoduje ciemnienie krochmalu
Przemysł browarski: woda do produkcji słodu powinna mieć większą twardość, szkodliwa jest zbyt duża ilość żelaza, powyżej 5 powodują kamienie słodu, żelazo+ garbniki= cierpki smak, zaburzenia w procesie fermentacji
Przemysł gorzelniczy: woda powinna zawierać pierwiastki Ca, K, Mg, Mn, które sprzyjają rozwojowi drożdży, miękka woda negatywnie wpływa na fermentacje, 16 stopni niemieckich- twardość, Siarczan miedzi utrudnia scukrzanie skrobi
Przemysł mleczarski: Woda nie powinna zawierać znacznych ilości soli, Zbyt dużo magnezu nadaje masłu gorzki smak, Żelazo działa katalitycznie- przyspiesza utlenianie tłuszczu
Woda w przemyśle spożywczym używana jest do chłodzenia, ważna jest tu korozyjność, wywołuje ją: Woda, Rozp. w wodzie wolne kwasy nieorganiczne, Tlen, Azotany, Chlorki magnezu i potasu, Substancje organiczne
Jakie warunki powinna spełniać woda do zasilania kotłów parowych wysokoprężnych: Musi być klarowna, pozbawiona zawiesin, Musi być bardzo miękka, Musi być odgazowana- nie zawierać węglanów, Nie powinna mieć odczynu kwaśnego
Sposoby zmiękczania wody:
1.Destylowanie wody (destylarka posiada grzejnik elektryczny, 2 elekrtrody, woda jest grzana,paruje, para się kondensuje), metoda ta jest energochłonna, nie stosowana w przemyśle ze względu na wysokie koszty energi cieplenej
2.Termiczna (już poniżej 40 stopni C), następuje termiczny rozpad wodorowęglanów wapnia i magnezu,
3.Dekarbonizacja Ca(OH)2, HCl:
- wytrącanie skł. Twardości węglanowej:
4.Zmękczanie sodą, stosowane do wód o przeważającej twardość niewęglanowej
5.Metoda „ wapno -soda”, Ca(OH)2 usuwa twardość węglanową, wszystkie sole magnezowe,
NA2CO3 usuwa twardość niewęglanową
6.Zmiękczanie ługiem sodowym, usuwa twardość wapniową niewęglanową magnezową i CO2 rozpuszcza się w wodzie, wtórnie powstająca soda likwiduje twardość wapniową niewęglanową,
7.Zmiękczanie fosforem, nie wymaga ścisłego dozowanie fosforu, 2 krotnie silniejsze reakcje, polega na strącaniu praktycznie nierozp. fosforanów wapnia i magnezu, twardość szczątkowa po procesie jest niewielka, fosforan może reagować z kamieniem kotłowym- zmiękcza wodę i usuwa kamień, w trakcie zmiękczania tworzą się kompleksy, wapń się nie wytrąca, nie powstaje osad, tylko jest on związany w kompleks.
Jonity- substancje praktycznie nie rozpuszczalne w wodzie które wymieniają z roztworem dodatnią lub ujemnie naładowane jony na równoważnej ilości jednoimiennych jonów wchodzących w skład jonitu. Rodzaje: kationy (Kt- wymieniają kationy, np. Na, P- mają charakter kwasów lub ich soli), aniony( A- wymieniają aniony- mają charakter zasad lub ich soli)
Jjonity ze względu na pochodzenie dzielimy na: naturalne (torf, węgiel brunatny, węgle sulfonowane), syntetyczne (wielkocząsteczkowe związki organiczne, otrzymywane syntetycznie, zawierają grupy jonowymienne - żywice)
Ze względu na rodzaj cząsteczki:
I.organiczne: 1.ze względu na kwasowość (stopnie dysocjacji): obojętne lub słabo kwaśne, silnie kwaśne. 2.ze względu na zasadowość: słabo zasadowe, średnio zasadowe, silnie zasadowe
II.nieorganiczne: uwodnione glinokrzemiany, krzemiany metali ciężkich, glaukonity, syliko-żel, fluorofosforany wapniowe, nie są powszechnie stosowane
Właściwości jonitów:
- pęcznienie - zależne od stopnia uwodnienia, rodzaju i gęstości grup funkcyjnych oraz postaci jonowej
- selektywność - potrafią wychwytywać jeden jon
- zdolność jonowymienna - ile masa/ objętość jonitu zdoła zatrzymać jonów [mmol/cm3]
Skala przebicia kolumny - proces wymiany zostaje przerwany po przekroczeniu dopuszczalnego stężenia wycieku
Jonit obsadzony sodem:
2KtNa + Ca(HCO3)2 Kt2Ca + 2NaHCO3
2KtNa + Mg(HCO3)2 Kt2Mg + 2NaHCO3
2KtNa + CaSO4 Kt2 Ca + Na2SO4
2KtNa + MgSO4 Kt2 Mg + Na2SO4
2KtNa + CaCl2 Kt2Ca + 2NaCl
2KtNa + MgCl2 Kt2Mg + 2NaCl
Kt2Ca + 2NaCl 2KtNa + CaCl2
Kt2Mg + 2NaCl 2KtNa + Mg
Uzdatnianie wód:
-mechaniczne- usuwanie zawiesin przez kraty (gałęzie), sita, osadniki, ultrafiltracja
-chemiczne- odżelazianie, octowanie, stabilizacja wody, koagulacja
Koagulacja:
Koloidy:
-liofilowe- ulegają solwatacji (adsorpcji i rozpuszczeniu)
-liofobowe- nie ma solwatacji
Koloidy:
-hydrofilowe- adsorbują na powierzchni cząsteczki wody
-hydrofobowe- nie adsorbują wody
Koloidy posiadają ładunek elektryczny, który jest wynikiem selektywnej adsorpcji. Najlepiej adsorbują się jony wchodzące w skald rozpuszczalnika
Koloidy nadają wodzie mętność i zabarwienie
Do koagulacji wód używa się: wodorotlenki żelaza, wodorotlenki glinu, siarczan glinu, -siarczan glinu 18- wodny, 7-wodny siarczan żelaza (II), 6-wodny siarczan żelaza (III), -glinian
W wodzie naturalnej spotykane koloidy to: cząstki gliny, cząstki iłów, związki humusowe, krzemionka
Koagulacja Al2(SO4)3 * 18H2O
I hydroliza
Al2(SO4)3 + 6H2O ↔ 2Al (OH)3 + 3 H2SO4
II r. wtórna
3H2SO4 + 3Ca(HCO3)2 3CaSO4 + 6CO2 + 6H2O
Sum. Al2(SO4)3 + Ca (HCO3)2 2Al(OH)3 + 3CaSO4+6CO2
Substancje neutralizujące:
Al2(SO4)3 + 6NaOH 2Al(OH)3+ Na2CO3
Al2(SO4)3 +3Na2CO3 2Al(OH)3+3Na2SO4+3CO2
Al2(SO4)3 +3Ca(OH)2 2Al(OH)3 + 3CaSO4
*Koagulacja Na2Al2O4
Na2Al2O4+4H2O↔2Al(OH)3+2NaOH
Na2Al2O4 +Ca(HCO3)2+2H2O CaCO3+Na2CO3+2Al(OH)3
Na2Al2O4 +MgSO4+4H2O Mg(OH)2+ 2Al(OH)3+Na2SO4
Na2Al2O4+CO2+3H2O 2Al(OH)3+Na2CO3
Na2Al2O4+4SiO22NaAl(SiO3)2
2Na2Al2O4+MgSO4MgAl2(SiO3)2+Na2SO4