Зависимость вязкости и начального напряжения сдвига осадка сточных вод от влажности

Параметры	Влажность, %
	97	95	92	90	85	80	75
0, Н/м	2	2,5	5	10	34	-	-
*, Па.с	0,02	0,023	0,035	0,045	0,20	5,8	12,6

1.4.4. Воздухо- и газосодержание

В воде обычно содержатся растворённые газы: кислород, азот, углекислый газ, сероводород, метан и т.д. Количество газа, растворённого в воде, зависит от её температуры парциального давления газов р_* и концентрации в ней солей. Под парциальным давлением принято понимать часть общего давления в газовой смеси, обусловленную данным газом.

Растворимость газа в жидкости подчиняется закону Генри, по которому количество газа, способного растворяться, пропорционально коэффициенту растворимости  каждого газа, концентрации S_r газа в газовой фазе и общему давлению р газовой фазы над водой. Объём растворяющегося газа будет равен

V=S_rp.

Растворимость газа обычно выражают коэффициентом Бунзена , т.е. объёмом газа в мг (при 0⁰С и 101323 Па), растворённого в 1 мл растворителя при данном давлении газа над жидкостью и данной температуре. Умножая коэффициент Бунзена  на плотность газа при 0⁰С, получим количество растворённого газа в единицах массы при данном давлении.

Масса растворённого газа изменяется пропорционально давлению жидкости, а объём этого газа практически не изменяется.

Ангидриды (CO₂, SO₂) и различные кислоты (HCl), растворяясь в воде, вступают в реакцию с ней. Поэтому коэффициент растворимости этих соединений намного выше, чем у других газов. Например, коэффициенты растворимости при 10⁰С для N₂=0,018; O₂=0,038; CO₂=0,194; H₂S=3,39.

Растворимость газов в растворах солей уменьшается с увеличением концентрации соли согласно уравнению Сеченова

N=N10^-кSэ,

где N и N - содержание газа в минирализованной и чистой воде;

Sэ - концентрация соли в растворе, выраженная в эквивалентной форме (мгэкв/л);

к - коэффициент Сеченова (высаливания), зависящий от природы газа и соли, температуры и давления.

1.4.5. Поверхностное натяжение

Любая поверхность раздела обладает свободной энергией, являющейся мерой работы, затрачиваемой на перемещение молекул из глубины жидкости на ее поверхность. Поверхностная энергия, приходящаяся на единицу площади, равна энергии, необходимой для растяжения поверхности. При этом работа будет совершаться против внутренних сил притяжения молекул. О наличии свободной энергии свидетельствует стремление жидкости самопроизвольно сокращаться. Такое же внутреннее притяжение действует на молекулы, составляющие поверхность твердого тела, которая остается неподвижной. Стремление поверхности к сокращению позволяет ввести понятие “поверхностного натяжения”. Оно представляет собой силу, действующую по касательной к поверхности. При этом поверхностное натяжение, отнесенное к единице длины, равно поверхностной энергии, отнесенной к единице площади.

Чтобы отделить одну жидкость от другой жидкости, газа или твердого тела, необходимо преодолеть силу притяжения, действующую через поверхность раздела фаз на соприкасающуюся с жидкостью фазу. Для этого требуется совершить работу, равную сумме отдельно взятых поверхностных энергий за вычетом энергии, которой обладает поверхность раздела фаз.

Рассмотрим две не смачивающиеся соприкасающиеся жидкости (рис. 1.4).

А Поверхность

раздела

_В

Рис. 1.4. Поверхность раздела двух несмешивающихся жидкостей

В данном случае работа разделения будет определяться

W_lalb=_lag+_lbg+_lalb,

где _lag - поверхностная энергия жидкости А в присутствии газа;

_lbg - поверхностная энергия жидкости В в присутствии газа;

_lalb - поверхностная энергия жидкости А в присутствии жидкости В.

Если обе жидкости совершенно не смачиваются, то натяжение поверхности раздела между ними равно нулю или отрицательно. При этом молекулярные силы не облегчают разделения жидкостей. Наоборот, каждая жидкость притягивает молекулы другой жидкости с силой равной (или даже большей) силе притяжения собственных молекул. Следовательно, работа разделения равна или больше суммы двух отдельно взятых поверхностных энергий, и молекулы обеих жидкостей могут свободно перемешиваться. В этом случае

W_lalb≥σ_lag+_lbg.

В частном случае, когда А и В представляют собой одну и ту же жидкость, т.е. _lag=_lbg= и работа разделения равна

W_lalb=2.

Рассмотрим поверхность раздела жидкости и газа, соприкасающихся с поверхностью твердого тела (рис. 1.5).

_lg

газ жидкость

_sg  _sl

Рис. 1.5. Граница раздела между жидкостью и газом

на поверхности твердого тела

Работа разделения в этом случае

W_sl=_sg+_lg-_sl, (1)

где _sg - поверхностная энергия твёрдого тела в присутствии газа;

_lg - поверхностная энергия жидкости в присутствии газа;

_sl - поверхностная энергия твёрдого тела в присутствии твёрдого тела.

Эта формула характеризует также притяжение жидкости к твёрдому телу.

Если поверхностной энергии соответствует поверхностное натяжение, действующее вдоль поверхности раздела, то условием равновесия будет уравнение

_sg-_sl-_lgcos=0. (2)

Это условие должно удовлетворять предыдущему уравнению. Из совместного рассмотрения уравнений (1) и (2) получим

W_sl=_lgcos+_lg.

Анализируя последнее выражение, легко заметить, что при нулевом значении угла смачивания работа разделения будет определяться следующим образом:

W_sl=2_lg.

В этом случае адгезия (прилипание), т.е взаимодействие между приведёнными в контакт поверхностями конденсированных тел разной природы равна когезии (сцеплению), т.е. взаимодействию молекул, атомов, ионов внутри фазы (гомогенной части системы).

Если притяжение жидкости к твёрдой поверхности (т.е. адгезия) превосходит её собственную когезию, то углы смачивания также будут нулевыми. При =180⁰ адгезия равна нулю. В реальных условиях адгезия всегда существует, и угол смачивания всегда меньше 180⁰. Таким образом, при =0 и =180⁰ наступает полное смачивание. Все промежуточные углы принадлежат неполному смачиванию. Согласно общепринятым определениям смачиваемости соответствуют углы смачивания находящиеся в интервале от 0⁰ до 90⁰, а несмачиваемости - от 90⁰ до 180⁰.

При этом собственное притяжение жидкости равно

_lg+_lg=2_lg.

С поверхностным натяжением связан ряд физических поверхностных явлений:

• смачивание;

• образование капель и мыльных пузырей;

• сцепление (когезия) и прилипание (адгезия);

• распыление жидкости и конденсация.

Поверхностное натяжение зависит от температуры. Эта зависимость имеет вид

=₀ -t,

где ₀ – поверхностное натяжение при соприкосновении с воздухом при t=0⁰С, Н/м.

При растворении какого-либо вещества в жидкости, её поверхностное натяжение изменяется. Добавление растворимых веществ обычно увеличивает поверхностное натяжение. Вещества, вызывающие резкое понижение поверхностного натяжения, называются поверхностно-активными (ПАВ). Органические вещества (жирные кислоты, спирты, мыла, протеины, кетоны) весьма значительно понижают поверхностное натяжение воды. Эти вещества адсорбируются поверхностным слоем, т.е. сосредотачиваются в нем в большей концентрации, чем в остальном объёме раствора, и тем самым ещё сильнее снижают поверхностное натяжение. Вещества, повышающие поверхностное натяжение обладают отрицательной адсорбцией, т.е. в поверхностном слое они концентрируются меньше, чем в объёме раствора. Поэтому их влияние на поверхностное натяжение незначительно.

_R



_А

Жидкость Жидкость Жидкость

а б в

Рис. 1.6. Условия смачиваемости твердой поверхности жидкостью (по Адаму):

а) устойчивый газовый пузырёк на гидрофильной поверхности,

идеальное смачивание, =0⁰;

б) газовый пузырёк на гидрофобной поверхности; неполное смачивание, 0;

в) газовый пузырёк на гидрофобной поверхности в начале движения (влево), _А_R.