Введение в экологическую химию - Скурлатов Ю.И.
NBSN 5-06-002593-4
Скачать (прямая ссылка):
226
В общем случае различные ЗВ участвуют в совокупности процессов массопереноса и трансформации.
Наиболее значимыми для самоочищения водной среды являются: а) физические процессы массопереноса: разбавление (перемешивание), вынос ЗВ в соседние водоемы (вниз по течению), испарение, сорбция (взвешенными частицами и донными отложениями), бионакопление; б) микробиологическая трансформация; в) химическая трансформация: гидролиз, фотолиз, окисление.
Рассмотрим некоторые из этих процессов подробнее.
§ 7.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ
Испарение и растворение газов на поверхности раздела воздух — вода имеет важное значение для массопереноса веществ с высокой летучестью. Поскольку процессы испарения — растворения зачастую неравновесны, для описания
Молекулярная дисртузия д газе
Молекулярная диффузия живности
Рд Конвективный перенос
Воздух Ъда
Конвективный перенос
Увеличение сир
кинетики используют различные физико-математические модели. Наиболее широко применяется так называемая двух-пленочная модель. Согласно этой модели, как в газовой, так и в жидкой фазах имеются две 3"шы: зона молекулярной диффузии с градиентом концентрации вблизи поверхности раздела фаз и зона конвективного транспорта вещества (при постоянной концентрации) вдали от поверхности (рис. 33).
В рамках модели можно рассчитать поток вещества через поверхность раздела в виде функции независимо измеряемых параметров водной системы и данного вещества. В частности, поток зависит от значения константы Генри (от отношения давления насыщенных паров к растворимости в воде) и от скорости молекулярной диффузии вблизи поверхности раздела фаз.
Скорость молекулярной диффузии может быть оценена, например, из данных по скорости поглощения кислорода предварительно дезаэ-рированной водой (скорости реаэрации) с учетом испарения воды и
227
Рис. 33. Двухпленочная модель газожидкостной поверхности:
с1—концентрация вещества в толще воды; р%— парциальное давление в толще воздуха; сз1—концентрация в воде на поверхности раздела;од — парциальное давление в воздухе на поверхности раздела
скорости ветра. При наличии турбулентности для потока вещества Р[ЛГр) моль/(см2«с)] из водной фазы в воздух применяется уравнение
*р = КАП (7.1)
где К — коэффициент массопереноса (испарения или растворения), см/с;' Д[Р] — градиент концентрации вещества Р в водной фазе. В случае испарения (или растворения) .коэффициент массопереноса ЗВ через границу раздела вода — воздух в выражении (7.1) может быть представлен в виде
1 - 1 I С1
К ~ К[ НКдСд '
где Кцд) — коэффициент массопереноса в жидкости (в газе); сцд) — молярная концентрация в воде (воздухе) при существующих температурах и давлении; Я — константа Генри, выраженная через молярные фракции Р в воздухе и в воде.
Величины Я*/, Кд зависят от скорости воздуха над поверхностью воды. Обычно предполагается, что приповерхностная скорость воды составляет 3,5% от скорости ветра над водой.
На коэффициент испарения ЗВ заметное влияние оказывает испарение воды. Это связано с тем, что в силу высокой концентрации вода переходит через границу раздела воздух — вода со скоростью, в несколько тысяч раз превышающей скорость испарения любого другого компонента.
Для приближенной оценки скорости испарения веществ на поверхности раздела вода — воздух может быть использовано уравнение Кнудсена
Яр = /?Рр[М/(2тгЛТ)К2) (7.2)
где /? = (2,0±0,2) * 10"5 — множитель, учитывающий испарение вещества в воздух (а не в вакуум); рр — давление царов вещества Р; М — молекулярная масса Р; Г — абсолютная температура.
Время, за которое концентрация вещества в жидкой фазе уменьшается вдвое за счет испарения, определяется соотношением
ч/2 = 0,б9й/(/?Я/), (7.3)
где й — глубина слоя воды, из которого происходит испарение; Н = = 1б,04ррЖ/(Г5р) — константа Генри; 5р — растворимость вещества Р
в воде, мг/л; /= [М/(2тгПТ)]1/2. 228
Из уравнений (7.2) — (7.3) следует, что чем выше давление паров вещества, тем быстрее при прочих равных условиях оно испаряется. Напротив, вещества с низким давлением паров и высокой растворимостью в воде меньше подвержены процессам испарения по сравнению с веществами, характеризующимися высокими значениями р и меньшей растворимостью. Из данных табл. 28 следует, что наиболее быстро испаряются низкомолекулярные алифатические и ароматические углеводороды, в особенности алканы, циклоалканы и бензолы.
Таблица 28. Физико-химические параметры газожидкостных процессов (25 0 С, рН = 7)
Вещество Давление Растворимость, А/2, ч
паров, Па мг/л
Бензол 12700 1780 0,065
л-Ксилол 1170 180 0,71
Фенантрен 0,2 1,2 4,2-104
Антрацен 0,001 0,04 6,3*10*
Пирен 0,001 0,14 8,3-105
Этилбензол 935 152 0,81
Гексахлорбензол 0,0015 0,11 5,7-10Б
ддт 2,2-10"5 0,003 3,1-107
м-Декан 175 0,05 4,7
Линдан 0,017 17 4,9-103
м-Пентан 68400 40 0,012
Циклогексан 10245 55 0,08
Сорбционные процессы занимают важное место в перераспределении в водных объектах нейтральных, как правило, гидрофобных молекул. Равновесие сорбционного процесса можно записать в виде
