10028

1

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

А.Л. Васильев, Л.А. Васильев, Е.В. Воробьева

Применение мембранных процессов в технологиях водоподготовки и водоочистки

Учебно-методическое пособие

по выполнению курсового проекта для обучающихся по дисциплине «Мембранные методы в технологиях водоподготовки и водоочистки»

направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Водоснабжение и водоотведение

Нижний Новгород

2016

2

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

А.Л. Васильев, Л.А. Васильев, Е.В. Воробьева

Применение мембранных процессов в технологиях водоподготовки и водоочистки

Учебно-методическое пособие

по выполнению курсового проекта для обучающихся по дисциплине «Мембранные методы в технологиях водоподготовки и водоочистки»

направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Водоснабжение и водоотведение

Нижний Новгород ННГАСУ

2016

3

УДК 628.16

Васильев А.Л. / Применение мембранных процессов в технологиях водоподготовки и водоочистки [Электронный ресурс]: учеб.-метод. пос. / А.Л. Васильев, Л.А. Васильев, Е.В. Воробьева; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 106 с.– 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

В учебно-методическом пособии излагаются сведения об использовании мембранных процессов в технологиях водоподготовки и водоочистки. Рассмотрены мембранные процессы: обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация, нанофильтрация. Приведены примеры мембранной техники.

Предназначено для обучающихся в ННГАСУ для выполнения курсового проекта по дисциплине «Применение мембранных процессов в технологиях водоподготовки и водоочистки» направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Водоснабжение и водоотведение.

© А.Л. Васильев, Л.А. Васильев, Е.В. Воробьева, 2016

© ННГАСУ, 2016

3.4.Влияние поляризационных явлений на удельную

5

1. ВОДА И ЕЕ СВОЙСТВА

Вода в нашей жизни – самое распространенное и самое обычное вещество. Человеческий организм состоит из воды на 70%, и окружающая нас природная среда тоже содержит 70% воды.

Из школьных учебников мы знаем, что молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода, т.е. одна из самых маленьких и самых легких молекул. При всей обыденности и очевидности для нас тех свойств воды, которые мы постоянно используем, существуют парадоксы жидкой воды, определяющие даже формы жизни на Земле.

1.Жидкая вода имеет плотность большую, чем плотность льда. Поэтому при замерзании объем льда увеличивается, лед плавает на поверхности воды.

2.Плотность воды максимальна при 4оС, а не в точке плавления, уменьшается и справа, и слева от этой температуры.

3.Вязкость воды уменьшается с повышением давления.

4.Температура кипения воды находится вне общей зависимости

температуры кипения от молекулярной массы веществ (рис.1.1). Иначе она должна быть не выше 60оС.

5.Теплоемкость воды как минимум вдвое выше, чем у любой другой жидкости.

6.Теплота парообразования (~ 2250 кдж/кг) как минимум втрое выше, чем у любой другой жидкости, в 8 раз больше, чем у этанола.

Рассмотрим это последнее свойство воды. Теплота испарения – это энергия, необходимая для разрыва связей между молекулами при переходе их из конденсированной фазы в газообразную. Значит, причина всех парадоксальных свойств – в природе межмолекулярных связей воды, а это, в свою очередь, определяется структурой молекулы воды.

6

1.1.Какая же она – молекула воды?

В1780г. Лавуазье экспериментально установил, что вода состоит из кислорода и водорода, что два объема водорода взаимодействуют с одним объемом кислорода и что отношение масс водорода и кислорода в воде

составляет 2:16. К 1840 году стало ясно, что молекулярная формула воды Н2О. Три ядра в молекуле образуют равнобедренный треугольник с двумя протонами в основании (рис.1.2). Электронная формула молекулы воды [( 1S2)]

[(1S2)(2S2)(2P4)].

Рис.1.2. Образование системы связывающих м.о. из 2р-орбиталей атома кислорода и 1s-орбиталей атома кислорода и 1s-орбитали атомов водорода.

За счет участия двух электронов водорода 1s в связи с двумя электронами 2р кислорода возникает sp гибридизация и образуются гибридные sp3 орбитали с характерным углом между ними в 104,5о, а также два полюса противоположных зарядов. Длина связи О-Н равна 0,95Å (0,095 нм), расстояние между протонами – 1,54Å (0,154 нм). На рис.1.3 представлена электронная модель молекулы воды.

Рис.1.3. Электронная модель молекулы Н2О.

Восемь электронов попарно вращаются по четырем орбиталям, расположенным в трех плоскостях (углы 90о), вписывающихся в куб. 1, 2 – неподеленные пары электронов.

Самое главное следствие из этого рассмотрения: несимметричность распределения зарядов превращает молекулу Н2О в диполь: на двух

7

положительных концах размещены протоны, на двух отрицательных – неподеленные пары р-электронов кислорода.

Таким образом, молекулу воды можно рассматривать как треугольную пирамиду – тетраэдр, по углам которого размещены четыре заряда – два положительных и два отрицательных.

Эти заряды формируют свое ближайшее окружение, разворачивая соседние молекулы воды строго определенным образом – так, что между двумя атомами кислорода всегда находится только один атом водорода. Проще всего такую межмолекулярную структуру представить и изучать на воде в твердом состоянии. На рис.1.4 представлена структура льда.

Рис. 1.4. Гексагональная структура льда

Структура скреплена с помощью связей О-Н… О. Такое соединение двух атомов кислорода соседних молекул воды при посредничестве одного водородного атома называется водородной связью.

Водородная связь возникает по следующим причинам:

1 – у протона всего один электрон, поэтому электронное отталкивание двух атомов минимально. Протон просто погружается в электронную оболочку соседнего атома, сокращая расстояние между атомами на 20-30% (до 1 Å);

2 – соседний атом должен иметь большую величину электроотрицательности. В условных величинах (по Полингу)

электроотрицательность F – 4,0; О – 3,5; N – 3,0; Cl – 3,0; C – 2,5; S – 2,5.

Молекула воды может иметь четыре водородные связи, в двух она выступает как донор электрона, в двух – как акцептор электрона. И связи эти могут возникать как с соседними молекулами воды, так и с другими веществами.

Итак, дипольный момент, угол Н-О-Н и водородная связь О-Н… О определяют уникальные свойства воды и играют главную роль в формировании окружающего нас мира.

8

1.2. Структура жидкой воды

Под структурой воды понимается конкретное расположение в пространстве составляющих структуру частиц – молекул воды.

Представим себе ситуацию, что мы имеем идеально чистую воду, из которой образовался лед с идеальной кристаллической, т.е. плотнейшей структурой. Диаметр молекулы воды во льду, определенный методами кристаллографии, равен 2,76 Å (0,276 нм). Если бы жидкая вода обладала идеальной, т.е. плотнейшей упаковкой молекул, напоминающей размещение бильярдных шаров в ящике, то в 1 см3 объема поместилось бы 1/√16d частиц, плотность воды была бы 1,74 г/см3, а координационное число, т.е. количество контактирующих соседей, равнялось бы 12. В действительности же структура воды ажурная, т.е. в ней имеется множество пустот, координационное число 4- 5, а плотность близка к 1 г/см3 (см.рис.1.5)

Рис.1.5. Кристаллическая структура воды

В жидкой воды молекулы не реализуют полностью свои водородные связи, существуют свободные молекулы, способные проникать в пустоты ажурного каркаса. Все это называется дефектами кристаллической решетки, причина возникновения которых до сих пор выясняется. Одной из причин называют наличие тяжелой воды D2О, искажающей кристаллическую решетку.

Таким образом, в жидкой воде существует ближний порядок, т.е. сохранение кристаллической структуры на некотором небольшом расстоянии. За счет теплового движения молекул часть их отрывается от ассоциата и становится свободной, другая их часть, оставаясь в структуре ассоциата, искажает кристаллический порядок. Схематично это показано на рис.1.6.

Сохранившие структуру ассоциаты получили название «кластеры».

9

Рис.1.6. Схематическое изображение структуры жидкой воды (кластерная модель)

Если для наглядности каждую молекулу воды представить в виде шара, а связи между ними – в виде пружинок, то каждый шар окажется связанным с четырьмя соседними, образуя элементарную ячейку-тетраэдр. Множество тетраэдров объединяются в некую колеблющуюся, но упорядоченную систему. Часть шаров отрываются, свободно перемещаются среди кластеров, могут проникать внутрь ажурной структуры.

Пока вода существует в форме льда, шары колеблются и перемещаются в пределах тех степеней свободы, которые дают им упругие связи – пружинки, т.е. они могут колебаться и поворачиваться вокруг своей оси. В объеме существует дальний порядок.

При повышении температуры движение шаров усиливается, плавление льда сопровождается разрывом связей. После завершения процесса плавления устанавливается равновесие для данной температуры, когда разорванными сохраняется определенная доля связей. При нормальной температуре разрываются 9-10% всех водородных связей.

Плотность воды в твердом состоянии 0,9168, а в жидком – 0,9998 г/см3, т.е. вода при плавлении сжимается на 8,3%. Это близко и к доле разорванных водородных связей.

Посмотрим, что происходит внутри кластера. Элементарная ячейка – тетраэдр – имеет возможность присоединить еще двенадцать молекул воды (рисунок 1.7).

Рис. 1.7. Пятимолекулярный ассоциат рисунка 2 с полностью реализованными двенадцатью центрами образования водородных связей

10

Можно дальше представить следующую сферу структуры, но вероятность существования семнадцатимолекулярного ассоциата очень мала из-за нарушений дальнего порядка. Вместе с тем появляется возможность зацикливания концевых кислородов в пятичленные циклы, что понижает общую энергию ассоциата и стабилизирует его (рисунок 1.8).

Рис.1.8. Семнадцатимолекулярный ассоциат рисунка 7 с шестью образовавшимися циклами

На следующем этапе рассматриваются ассоциаты воды, составленные из таких стабильных комплексов (рисунок 1.9).

Рис.1.9. Модель ассоциата воды из 57-и молекул.

Тетраэдр из четырех додекаэдров («квант»). Каждый из додекаэдров имеет 12 пятиугольных граней, 30 ребер, 20 вершин (в каждой соединяются три ребра, вершинами

являются атомы кислорода, ребром служит водородная связь О-Н… О).

Естественно, что у таких ассоциатов-кластеров существует некоторый порог стабильности и при любом энергетическом воздействии на воду будут происходить некие перестройки во взаимном расположении структурных единиц. Виды и способы таких воздействий разнообразны – электрические и