Сорбционные процессы

ИСПАРЕНИЕ ВЕЩЕСТВ НА ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА ВОДА-ВОЗДУХ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ

ВИДЫ ЗАГРЯЗНЕНИЙ И КАНАЛЫ САМООЧИЩЕНИЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ

ПРОЦЕССЫ САМООЧИЩЕНИЯ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ

ПОД САМООЧИЩЕНИЕМ ВОДНОЙ СРЕДЫ понимают совокупность физических, биологических и химических внутриводоемных процессов, направленных на снижение содержания ЗВ.

Вклад отдельных процессов в способность природной водной среды к самоочищению зависит от природы ЗВ. В соответствии с этим ЗВ условно делят на три группы.

1). Консервативные вещества - неразлагающиеся или разлагающиеся в природной среде очень медленно. Это минеральные соли, гидрофобные соединения типа хлорорганических пестицидов, нефть и нефтепродукты. Снижение концентрации консервативных веществ в водной вреде происходит лишь за счет разбавления, физических процессов массопереноса, физико-химических процессов комплексооборазования, сорбции и биоаккумуляции. Самоочищение имеет кажущийся характер, поскольку происходит лишь перераспределение и рассеяние ЗВ в ОС, загрязнение им сопредельных объектов.

2). Биогенные вещества – вещества, участвующие в биологическом круговороте. Это минеральные формы азота и фосфора, легкоусвояемые органические соединения.

В этом случае самоочищение водной среды происходит за счет биохимических процессов.

3 ).Водорастворимые вещества, не вовлекаемые в биологический круговорот, поступающие в водоемы и водотоки из антропогенных источников, зачастую токсичные. Самоочищение водной среды от этих веществ осуществляется в основном за счет их химической и микробиологической трансформации.

Наиболее значимыми для самоочищения водной среды являются следующие процессы:

– физические процессы переноса: разбавление (перемешивание), вынос ЗВ в соседние водоемы (вниз по течению), седиментация взвешенных частиц, испарение, сорбция (взвешенными частицами и донными отложениями), биоаккумуляция;

– микробиологическая трансформация;

– химическая трансформация: осадкообразование, гидролиз, фотолиз, окислительно-восстановительные реакции и др.

Сорбционные процессы занимают важное место в перераспределении в водных объектах нейтральных, как правило, гидрофобных молекул. Равновесие сорбционного процесса можно записать в виде:

К_{а с-в}

А_В ↔ Ас, где

А_В – вещество в водной фазе;

А_С – вещество в сорбированном состоянии;

К_{а с-в}– константа распределения вещества А в системе органическое вещество-вода.

К_{а с-в} = а_с /а_в = = · К_с-в, где (171)

а_с, а_в – активности вещества А в сорбционном слое и в водной фазе;

γ_с, γ_в – коэффициенты активности вещества А в сорбционном слое и в водной фазе;

С_с,С_в – концентрации вещества А в сорбционном слое и в водной фазе;

К_с-в – коэффициент распределения вещества А(константа равновесия А_В ↔ Ас, выраженная через концентрации).

Тогда при относительно постоянном коэффициенте активности вещества А в сорбционном слое (органической фазе):

К_с-в = К_{а с-в}·= f(γ_в).

Этим, в частности, обусловлено существование корреляции между коэффициентами распределения веществ в системе октанол-вода и твердое органическое вещество-вода:

К_с-в ≈ 0,4 К_о-в, где (172)

К_о-в - коэффициент распределения вещества в системе октанол-вода.

Величина К_о-в связана с растворимостью вещества в воде простым эмпирическим соотношением:

lg К_о-в = (4,5) lg S, где (173)

S – растворимость вещества, выраженная в мг/дм³.

Это соотношение выполняется для многих классов оргнических соединений, включая углеводороды, галогенированные углеводороды, ароматические кислоты. хлорорганические пестициды, хлорированные бифенилы.

В природных сорбентах органическое вещество составляет лишь некоторую долю от массы сорбента. Поэтому коэффициент распределения в системе сорбент-вода К_с-в нормируют на содержание органического углерода в сорбенте К_с-в^*:

К_с-в^* = К_с-в· ω(С), где

ω(С) – массовая доля органического вещества в сорбенте.

При этом доля вещества, сорбированного из водной среды ω_сорб , равна_.:

ω_сорб = ,где (174)

С_сорб – концентрация суспензированного в воде сорбента.

В донных отложениях величина С_сорб значительна, поэтому для многих ЗВ

К_с-в^*· С_сорб >> 1, и единицей в знаменателе (174) можно пренебречь. Величина ω_сорб стремится к единице, т.е. все вещество А будет находится в сорбированном состоянии.

В открытых водоемах ситуация иная – концентрация суспензированного сорбента крайне мала. Поэтому сорбционные процессы вносят существенный вклад в самоочищение водоема только для соединений с К_с-в ≥ 10⁵.

Предположение об установлении равновесия сорбционных процессов может не выполняться, если вещество претерпевает химические превращения. В этом случае сорбция (десорбция) может быть одной из стадий сложного гетерогенного процесса химической трансформации вещества, в том числе и лимитирующей.

Изучение кинетики процессов сорбции показало наличие двух стадий:

К₁ К₂

А_в ↔ А_с* ↔ А_с

На первой стадии сорбция вещества протекает быстро и обратимо. Это поверхностная сорбция. Дальнейшее проникновение вещества внутрь макромолекулярного клубка твердого органического сорбента – процесс медленный и может протекать в течение нескольких суток. Доля поверхностно сорбированного вещества обычно составляет 0,35 – 0,6.

Сорбция многих ЗВ с растворимостью в воде 10^-3 моль/л является одним из основных процессов удаления химического вещества из водной фазы. К таким веществам относятся хлорорганические пестициды, полихлорированные бифенилы, ПАУ. Эти соединения мало растворимы в воде и имеют большие значения К_о-в (10⁴ – 10⁷). Сорбция - наиболее эффективный путь самоочищения водной среды от подобных веществ.