حلاليت گازها در آب و فاضلاب

درحال مشاهده: حلاليت گازها در آب و فاضلاب

ادعونی اهدای خون

حلاليت گازها در آب و فاضلاب

۱۳۹۰/۰۵/۱۶

1:31

امیرحسین ستوده بیدختی

حلاليت گازها در آب

حلاليت گازها در آب تابع قانون هنري است . طبق اين قانون مقدار هر گازي كه در حجم معيني از آب يا سيال ديگري حل مي شود , در دماي ثابت مستقيما" متناسب با فشاري است كه آن گاز بر آب اعمال مي كند .

V = α Ć P

V : حجم گاز حل شده در محلول

α : ضريب حلاليت گاز

Ć : غلظت گاز در فاز گازي

P : فشار كل گازهاي در تماس با محلول يا آب

البته گازهايي كه با آب تركيب مي شوند (مثل HCL , CO₂ , SO₂ و ...) از قانون فوق تبعيت نخواهند كرد . قانون هنري را مي توان به صورت زير هم نوشت .

C = αP تعادل

P فشار جزئي گاز

در اينجا α را ثابت قانون هنري مي گويند . قانون هنري حالت تعادلي يك سيستم گاز- مايع را بيان مي كند و نه سرعت رسيدن به حالت تعادل را . ثابت هنري براي اكسيژن در آب ^˚C20 , mg/lit-atm 8/43 مي باشد . در مهندسي محيط زيست , حلاليت گازها و يا به طور كلي انتقال گاز به داخل آب كاربردهاي مهمي مثل هوادهي دارد .

حلاليت گاز CO₂ در آب :

بيشتر گازها يا تا حدودي در آب حل مي شوند و يا با آب واكنش مي دهند . مثلا" O₂ و N₂ در آب حل مي شوند ولي با آب تركيب نمي گردند . حلاليت آن قبيل گازها تابع فشار آن گاز (در اتمسفر در تماس با آب) , دما و مقدار ناخالصيهاي موجود در آب مي باشد . از جمله گازهايي كه با آب تركيب مي شوند مي توان آمونياك و سولفيد هيدروژن را نام برد . آمونياك از تجزيه مواد آلي نيتروژن دار در آبها يا فاضلابها بوجود مي آيد . دي اكسيد كربن گر چه حدود 04/0% هوا را تشكيل مي دهد نقش مهمي در شيمي آب ايفا مي كند , زيرا به سادگي با آب تركيب مي گردد و باعث تشكيل راديكالهاي كربنات و بيكربنات مي شود . CO₂ ممكن است از هوا به داخل آب جذب گردد و يا ممكن است از تجزيه مواد آلي توسط ميكروبها در آب بوجود آيد . وقتي كه به صورت محلول در آمد با آب تشكيل اسيد كربنيك مي دهد كه واكنش آن بسته به مقدار PH آب چنين است .

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ← PH= 4/5→ H⁺ + HCO₃^- ← PH = 8/3→ H⁺ + CO₃^2-

اگر PH آب بزرگتر از 5/4 باشد و اسيد كربنيك يونيزه مي شود تا بيكربنات تشكيل گردد و اگر PH بزرگتر از 3/8 باشد به كربنات تبديل مي شود .

CO₂ گازي خورنده است لذا اگر PH آب پايين باشد اغلب بايد آن را با مواد قليايي خنثي كرد تا خورندگي پيش نيايد . از طرفي آبهاي قليايي حاوي يون هاي CO₃^2- تشكيل رسوب CaCO₃ مي دهند. در اين صورت تصفيه آب جهت كاهش PH يا نرم سازي آن ممكن است مناسب باشد . ماهيت كربنات - بيكربنات آب را مي توان با افزايش تدريجي محلول اسيدي قوي به يك نمونه آب و بررسي نحوه تغييرات PH مطالعه كرد . اين عمل كه تيتراسيون ناميده مي شود براي اندازه گيري قليائيت آب به كار مي رود (اسيديته با تيتر كردن توسط يك محلول باز قوي اندازه گيري مي شود) . هر گاه دو نمونه آب خالص (7 = PH) با محولها اسيد سولفوريك و هيدروكسيد سديم (NaOH) تيتر شود , افزايش مقادير بسيار كمي از هر كدام از دو محلول اسيد يا باز به نمونه آب باعث تغيير ناگهاني در PH مي گردد زيرا افزايش يا جذب يون هيدروژن بلافاصله در مقدار PH اثر مي گذارد . اگر در آب خالصي كه به دليل حل كردن كربنات سديم داراي غلظت زياد يون كربنات شده است اسيد اضافه شود اكثريت يونهاي هيدروژن حاصل از افزايش اسيد با يونهاي كربنات تركيب شده و يون بيكربنات تشكيل مي دهند يعني :

CO₃^2- + H⁺ ↔ HCO₃^–

افزايش بيشتر يون هيدروژن (اسيد) باعث تبديل بيكربنات به اسيد كربنيك در PH كمتر از 5/4 خواهد شد . يعني :

CO₃H^- + H⁺ ↔ H₂CO₃

در چنين حالتي با بهم زدن محلول , گازهاي حاصل از كربنات اوليه متصاعد مي گردد .

همانطور كه ذكر شد محلولهايي كه در صورت افزايش اسيد يا باز در مقابل تغيير PH مقاومت از خود نشان مي دهند , محلولهاي بافر يا تامپون هستند مثل فرمهاي مختلف گاز CO₂. اگر نمونه يك آب چاه كه سختي نسبتا" بالايي داشته و PH آن 8/7 بوده تيتر كنيم , عامل اصلي محلول تامپون براي اين آب در PH 5/4 و 3/8 سيستم كربنات بيكربنات است .

اگر چه مقدار CO₂ در جو بسيار كم است لكن براي حيات در روي زمين اهميت ويژه اي دارد . حلاليت CO₂ در آب در دماي معمولي و فشار اتمسفر و در يك فضاي اشباع از CO₂ كمتر از mg/lit 2000است . با توجه به مقدار ناچيز CO₂ در هوا , آب باران حداكثر مي تواند داراي mg/lit 1, CO₂باشد . البته آب هنگام عبور از لايه هاي زمين به علت توليد CO₂ ناشي از فعاليت ميكروبهاي خاك صدها برابر اين مقدار هم ممكن است به خود بگيرد . لذا آبهاي زير زميني ممكن است حاوي 10 تا بيش از mg/lit 100 از گاز CO₂محلول باشند . اگر آب مقطر كاملا" از CO₂اشباع شود , غلظت CO₂ در آن به 1600 ميلي گرم در ليتر مي رسد و PH آن تقريبا" 4 مي گردد . اگر معادل اين مقدار CO₂ اسيد سولفوريك در آب حل شود PH به 5/2 خواهد رسيد و اين مبين اين است كه اسيد كربنيك يك اسيد ضعيف است.

حلاليت اكسيژن در آب :

تمام موجودات زنده به نحوي متكي به اكسيژن هستند تا بتوانند انرژي لازم براي رشد و سنتز را تامين نمايند . فرايندهاي تصفيه بيولوژيك به علت نيازشان به اكسيژن محلول بيشتر حساسيت نشان مي دهند. همانطور كه ذكر شد تمام گازهاي اتمسفر تا حدودي در آب محلولند . نيتروژن و اكسيژن به مقدار كمي در آب حل مي شوند و چون با آب واكنش شيميايي نمي دهند حلاليت آنها مستقيما" متناسب با فشار جزئي آن در هوا است (قانون هنري) و با دما نيز تغيير مي كند . همچنين حلاليت گازها در آبهاي شور كمتر است .

با افزايش دما حلاليت اكسيژن در آبها كاهش مي يابد و از طرفي سرعت فعاليتهاي بيولوژيكي و نياز به اكسيژن افزايش خواهد يافت . همچنين مقدار حلاليت اكسيژن در آبهاي آلوده كمتر از آب تميز است . نسبت مقدار حلاليت در آبهاي آلوده به مقدار آن در آبهاي تميز را مقدار β مي گويند .

حلاليت در آبهاي آلوده

Β =

حلاليت در آبهاي تميز

سرعت انحلال اكسيژن نيز در آبهاي آلوده معمولا" نسبت به آبهاي تميز كمتر است كه به نسبت آن αمي گويند .

سرعت انحلال اكسيژن در آبهاي آلوده

= α

سرعت انحلال اكسيژن در آبهاي تميز

نمونه ارقام براي α و β به ترتيب 4/0 و 8/0 در بعضي از فاضلابها مي رسد و هر دو اين پارامترها فاكتورهاي طراحي مهمي در انتخاب وسايل هوادهي هستند .