Контрольные вопросы

1. Какие основные методы очистки сточных вод применяются в настоящее время?

2. Какие типы процессов можно выделить при описании процесса нейтрализации сточных вод?

3. Как и где применяется процесс нейтрализации смешиванием?

4. Как и где применяется процесс нейтрализации с добавлением реагентов?

5. Как и где применяется процесс нейтрализации кислых вод через нейтрализующие материалы?

6. Как и где применяется процесс нейтрализации кислыми газами?

7. Как и где применяются процессы окисления и восстановления при очистке сточных вод?

8. В чем заключается особенность окисления сточных вод пероксидом водорода?

9. В чем заключается особенность окисления сточных вод кислородом воздуха?

10. В чем заключается особенность очистки сточных вод методом озонирования?

Глава 2. Явление осмоса и его использование при очистке сточных вод

2.1. Осмотическое давление

Ряд животных и растительных тканей (например, кожа, свиной пузырь, пергамент) обладает свойством свободно пропускать воду и задерживать растворенные в ней вещества. Такие полупроницаемые перегородки можно изготавливать и искусственным путем, например, из коллоидных пленок, целлофана.

Если раствор отделен от чистого растворителя полупроницаемой перегородкой, то растворитель просачивается через нее в раствор. Это явление называется осмосом.

Гидростатическое давление, которое нужно приложить к раствору, чтобы задержать осмос, называется осмотическим давлением раствора. Оно наблюдается также на границе двух растворов разной концентрации, разделенных полупроницаемой перегородкой. В этом случае растворитель течет от более разбавленного раствора к более концентрированному, т.е. в направлении уравнивания их концентраций.

Можно непосредственно наблюдать осмос и измерять осмотическое давление в осмометре, простейшая форма которого изображена на рис.2.1.

Принцип работы осмометра следующий. Сосуд А наполнен раствором и закрыт внизу полупроницаемой перегородкой, например свиным пузырем. Если его опустить в сосуд В с чистым растворителем (или с менее концентрированным раствором), то растворитель проникает вследствие осмоса в сосуд А и уровень жидкости в нем поднимается до тех пор, пока избыточный столб жидкости высотой h не уравновесит осмотического давления.

Рис.2.1. Принципиальная схема осмометра

Пленки из некоторых нерастворимых солей образуют отличные полупроницаемые перегородки, особенно для водных растворов веществ с высоким молекулярным весом, как тростниковый сахар, с которым было сделано очень много измерений. Наилучшими являются пленки из железистоцианистой меди, примененные в исследованиях Пфефера.

Следует подчеркнуть, что осмотическое давление возникает лишь на границе между раствором и растворителем (или раствором другой концентрации), если эта граница образована полупроницаемой перегородкой. Раствор, налитый в обыкновенный сосуд, не оказывает на его стенки никакого иного давления, кроме обычного гидростатического. Поэтому правильнее рассматривать осмотическое давление не как свойство растворенного вещества, или растворителя, или даже самого раствора, а как свойство системы из растворителя и раствора с полупроницаемой перегородкой между ними. Величина осмотического давления раствора изменяется в зависимости от концентрации второго граничащего с ним раствора. Наибольшее значение ее, получаемое на границе с чистым растворителем, и есть то, что обычно называют осмотическим давлением данного раствора.

В известной степени аналогом осмометра является прибор Рамзая, примененный им в ряде исследований для измерения парциального давления водорода в газовой смеси. Изготовленный из палладиевой жести и наполненный смесью водорода и азота под атмосферным давлением, прибор Рамзая работает на следующем принципе. Палладиевая жесть, нагретая выше 300 °С, служит отличной полупроницаемой перегородкой, свободно пропускающей водород и задерживающей остальные газы. Парциальное давление водорода в нем меньше 1 атм. на величину парциального давления азота. Если прибор опустить в чистый водород с давлением 1 атм., то последний будет диффундировать в сосуд до тех пор, пока парциальное давление водорода внутри сосуда также не станет равным 1 атм. Манометр, очевидно, покажет приращение давления, равное парциальному давлению азота. Если рассматривать водород как растворитель, а азот как растворенное вещество, то будет наблюдаться довольно большое сходство с тем, что происходит в осмометре, наполненном раствором и погруженном в растворитель.

Руководствуясь подобными аналогиями, Вант-Гофф и Нернст природу осмотического давления объяснили односторонними ударами растворенных частиц о полупроницаемую перегородку, вызывающими ее перемещение в сторону растворителя, если она способна двигаться, и, наоборот, течение растворителя в раствор, если она закреплена неподвижно. Такое объяснение сути осмотического давления было до недавнего времени очень распространенным. В действительности это неверно. В опыте Рамзая ничего не изменится от удаления азота из сосуда, и азот не играет никакой роли в перемещении водорода. Последнее объясняется тем, что число ударов молекул водорода о полупроницаемую стенку больше с той стороны, где его парциальное давление выше, и поэтому больше водорода переходит через эту стенку в направлении от большего давления к меньшему, чем обратно. Сходным образом осмос можно приписать тому, что концентрация молекул растворителя и число их встреч с полупроницаемой перегородкой больше в чистом растворителе, чем в растворе, и это вызывает течение первого в последний.

До сих пор нет вполне достоверной и общепризнанной кинетической теории осмотического давления, что связано с отсутствием такой же теории для растворов вообще. Это не мешает тому, что осмотическое давление может быть связано точными термодинамическими зависимостями с другими измеримыми свойствами растворов, так как выводы термодинамики вообще не зависят от внутренних механизмов явлений.