Влияние аэрации на углекислотное равновесие в воде. Часть 2 | C.O.K. archive

Углекислый газ Составная часть атмосферы, основное сырье для процесса фотосинтеза зеленых растений, продукт жизнедеятельности живых организмов.

По систематической международной номенклатуре (IUPAC) вещество с формулой СО2 получило название – Оксид углерода(IV). Тривиальные (общепринятые названия) – двуокись или диоксид углерода, угольный ангидрид (солеобразующий оксид, обладающий кислотными свойствами).

Формула углекислого газа

СО2

Молекула углекислого газа образована двумя атомами кислорода и атомом углерода. Структурная формула – О=С=О. Валентность углерода равна 4. Степень окисления – (+4). Тип связи – ковалентная полярная.

Получение углекислого газа

Природные источники углекислого газа

Углекислый газ образуется при медленном окислении в процессах дыхания, брожения, гниения органических веществ. Выделяется при разложении природных карбонатов, сгорании топлива, образовании дымовых газов. Содержится в воздухе, минеральных источниках.

В сутки организм человека выделяет 1 кг СО2. В воздухе содержится 0,03% углекислого газа.

Лабораторные способы получения

В лаборатории газ можно получить взаимодействием соляной кислоты с мелом, мрамором, содой. Собирается газ методом вытеснения воздуха.

CaCO3 + 2HCl → CaCl2+ H2O + CO2,

NaHCO3+ HCl → NaCl + H2O + CO2.

Промышленные способы получения

Обжиг известняка: CaCO3 → CaO + CO2.
Как побочный продут разделения воздуха при получении кислорода, азота, аргона.

Свойства углекислого газа

Физические свойства

Вещество нетоксичное, негорючее.

Свойство	Описание
Агрегатное состояние при н.у.	Газ
Цвет	Бесцветный
Запах	Без запаха
Температура плавления	-750оC
Температура кипения	-56,50оC
Растворимость в воде	Растворяется частично. При t +150оC в 1 литре воды может раствориться 1,7 л углекислого газа
Плотность	1,977 г/л
Молярная масса	44г/моль

Вещество в твердом агрегатном состоянии называется «сухим льдом».

Высокую концентрацию диоксида углерода можно определить органолептически – во рту, на языке появляется кисловатый привкус. Повышенное содержание опасно для организма – вызывает удушье.

Химические свойства

Качественная реакция: при взаимодействии углекислого газа с известковым молочком (гидроксидом кальция) образуется карбонат кальция – осадок белого цвета.

CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3↓ + H2O.

CO2, как кислотный оксид, реагирует с водой с образованием угольной кислоты. Эта кислота – соединение нестойкое, легко распадается на углекислый газ и воду. Тип реакции – реакция соединения, обратимая.

CO2 + H2O ↔ H2CO3.

При нагревании распадается на оксид углерода(II) и воду: 2CO2 = 2CO + O2.
Взаимодействует с основными оксидами, с образованием солей:

CaO + CO2 = CaCO3; Al2O3 + 3CO2 = Al2(CO3)3.

Тип реакции – реакция соединения.

Взаимодействует со щелочами, с образованием кислых и средних солей:

CO2 + NaOH = NaHCO3;

CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O.

Средняя соль образуется при избытке щелочи. Кислая соль образуется при отношении количеств вещества оксида и щелочи – 1:1.

При температуре реагирует с активными металлами:

CO2 + 2Mg = C + 2MgO

Углекислый газ в основном проявляет восстановительные свойства, но при взаимодействии с активными металлами является окислителем.

Вступает в реакции взаимодействия с простыми веществами:

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O (условия протекания реакции – высокая температура, катализатор Cu2O).

Экология СПРАВОЧНИК

В интервале pH 5,6—11 растворимость кальцитов является функцией растворенного количества углекислого газа, поэтому наблюдается пропорциональность разрушения поверхности с годовым количеством осадков и содержанием в них растворенного диоксида углерода. При pH менее 5,5 скорость разрушения пропорциональна концентрации катионов Н+ в осадках. Перевод карбоната с поверхности в раствор сопровождается последующей перекристаллизацией и образованием гипса по реакции с диоксидом серы. Вода достаточно хорошо проникает в известняк — при давлении 0,3 МПа она проникает в образец со скоростью 0,01 см/с; очень быстро (всего за 13 с) вода, проникшая в поры известняка, насыщается кальцием.[ …]

Диоксид углерода, растворяясь в воде, частично вступает с ней во взаимодействие с образованием угольной кислоты. Отдельно определить содержание диоксида углерода и угольной кислоты в воде трудно, поэтому суммарную концентрацию этих компонентов принимают за концентрацию свободной угольной кислоты. Так как только около 1 % растворенного диоксида углерода образует угольную кислоту, расчет содержания свободной угольной кислоты ведется на диоксид углерода С02своб. Концентрация свободной угольной кислоты в поверхностных водах определяется парциальным давлением диоксида углерода в атмосфере. Растворимость диоксида углерода в воде, отвечающая равновесному состоянию при атмосферном давлении, приведена ниже.[ …]

Диоксид углерода (С02) повсеместно присутствует в природных водах. Растворимость С02 в воде зависит от давления и температуры При нормальном давлении 1 объем воды при 20°С растворяет 0,88 объема С02, а при 0°С -1,7 объёма. Если при 20°С давление увеличить до 2,5 МПа, то растворимость С02 составит 16,3 объёма газа в одном объёме воды. Вода поверхностных источников содержит незначительные концентрации растворённого С02. Однако в воде глубинных скважин его содержание может быть значительным.[ …]

В океанических экосистемах во внутренней, водной, окружающей среде лимитирующим максимально возможную метаболическую мощность оказывается (из компонентов атмосферы) кислород, плохо растворяющийся в воде. При 15 °С и атмосферном давлении в 1 см3 воды растворяется 0,036 смэ кислорода. Растворенный в воде кислород находится в физическом равновесии с концентрацией кислорода в атмосфере. Равновесная массовая концентрация растворенного в воде кислорода при 15 °С в 47 раз меньше, чем в атмосфере. Диоксид углерода существенно лучше растворяется в воде, чем кислород. Массовая растворимость диоксида углерода в воде при тех же условиях приблизительно в 50 раз превосходит растворимость кислорода.[ …]

В течение этой стадии рост температуры (до 80 °С) и присутствие антимикробных соединений абиотического происхождения приводят к гибели или инактивации патогенных микроорганизмов, таких как Salmonella spp. и вирусы, личинок насекомых и семян растений. Температура используется как индикатор работы свалки [246]. Хотя возрастание ее оказывает положительное влияние, увеличивая активность и скорость роста микроорганизмов, оно отрицательно влияет на растворимость кислорода, который является лимитирующим субстратом. Диоксид углерода в свою очередь может влиять на скорость метаболизма, снижая значение pH, хотя это снижение ускоряет гидролиз полимеров. И наконец, значительное образование воды в ходе микробного метаболизма [247] существенно изменяет ее баланс в системе.[ …]

Растворимость в воде диоксида углерода зависит от температуры, поэтому в холодных областях происходит его поглощение, а в тропиках — выделение.[ …]

Десорбция диоксида углерода. Растворимость диокси-а углерода в воде значительна и составляет 169 мг в 100 г воды ри 20 °С и 283 мг в 100 г воды при 5 °С.[ …]

Абсорбция водой является одним из распространенных методов улавливания диоксида углерода из газов. Основными преимуществами воды как абсорбента для удаления примесей из газа является ее доступность и дешевизна. Применение любого абсорбента, кроме воды, связано с необходимостью создания герметической системы и рекуперации, так как в процессе очистки он «летит» и отходящие газы загрязняют атмосферу. Воду можно применять в простых скрубберах с меньшей опасностью утечки газа. Часто, чтобы увеличить растворимость примеси (например, СО2) в воде, процесс проводят при повышенном давлении. Принципиальная схема процесса приведена на рис. 1-33.[ …]

Миграция кальция в значительной мере определяется режимом диоксида углерода и низкой растворимостью карбонатов кальция; накопление натрия в почвенных и грунтовых водах существенно не ограничивается, поэтому почвенно-грунтовые воды степной зоны обогащены водорастворимыми соединениями натрия. На территории европейской части России содержание натрия в поверхностных водах степной зоны в десятки раз больше содержания этого элемента в поверхностных водах таежной зоны.[ …]

Для очистки сточных вод может быть использован известковый шлам с добавлением карбоната магния [184]. Прк этом происходит осаждение Mg(OH)2 и СаС03. Преимущества этого метода: вода в процессе очистки практически не загрязняется минеральными солями, имеется возможность регенерации Mg из осадка путем обработки его диоксидом углерода с образованием растворимого в воде бикарбоната магния, который может быть повторно использован.[ …]

Фенолы, растворенные в сточных водах, относительно легко окисляются кислородом воздуха. Дальнейшее окисление может привести к образованию диоксида углерода и воды. Глубина превращения фенолов зависит от параметров окисления. Многоатомные фенолы окисляются интенсивнее одноатомных, особенно при pH == 7. Например, степень разложения метилрезорциновой и диметилрезорциновой фракций [368] при температуре сточной воды 40 °С и pH = 9,5 13,0 составляет 30—50%, причем наблюдается образование продуктов уплотнения и конденсации фенолов, плохо растворимых в воде.[ …]

При термической дегазации воды от растворенного диоксида углерода или кислорода пропускают пар через воду и нагревают ее до температуры кипения при внешнем давлении. В этом случае парциальное давление газа над водой снижается до нуля и растворимость его также падает до нуля. Вследствие нарушения равновесия в системе происходит выделение избыточных тазов из воды (физическая десорбция).[ …]

Показателем содержания органических примесей в сточных водах является величина ХПК. Окисление органических примесей осуществляется дихроматом калия в присутствии концентрированной серной кислоты. В качестве катализатора окисления для труд-ноокисляющихся веществ применяется сульфат серебра. При действии дихромата калия в сильнокислой среде происходит практически полное окисление растворимых, коллоидных и нерастворимых органических примесей. Конечные продукты окисления — диоксид углерода, вода, аммиак, фосфаты и сульфаты. Но и в этих условиях небольшая часть органических веществ остается полностью или частично неокисленной. Степень окисления органических веществ обычно составляет 95—98%. По данным определения ХПК можно рассчитать, зная состав органического соединения, его содержание в воде. И наоборот, величину ХПК можно вычислить для определенного соединения, используя уравнение реакции его окисления. Теоретическое ХПК обычно выше установленного анализом. Практически при определении ХПК не окисляются пиридин и некоторые другие азотсодержащие органические соединения, а также труднорастворимые углеводороды (бензол, нафталин, парафины). Максимально определяемая данным методом величина окисляемости составляет 104 мг 02/л.[ …]

Использование для нейтрализации щелочных сточных вод диоксида углерода имеет ряд преимуществ по сравнению с серной или соляной кислотами. Применение СЮ2 дымовых газов позволяет резко снизить стоимость процесса нейтрализации. Вследствие плохой растворимости С02 уменьшается опасность перекислвдия нейтрализованных растворов. Образующиеся карбонаты находят большее применение л о сравнению с сульфатами или хлоридами, кроме того, коррозионные и токсичные действия COI- -ионов в воде меньше, чем для ионов SO » и С1з.[ …]

Растворенный почвенный воздух —газы, растворенные в почвенной воде. Растворимость газов в почвенной воде возрастает с повышением их концентрации в свободном почвенном воздухе, а также с понижением температуры почвы. Наиболее хорошо растворяются в воде аммиак, сероводород, диоксид углерода.[ …]

Очистка растворами карбонатов. Основана на взаимодействии диоксида углерода с водными растворами карбонатов натрия и калия (обычно поташа) с активирующими добавками оксидов поливалентных металлов. Скорость абсорбции практически полностью лимитируется скоростью реакции п жидкой фазе СОг + ОН- —> НСО-3.[ …]

Очистка гликолями (ДЭГ, ТЭГ) применяется обычно на промыслах в тех случаях, когда газ содержит большое количество H2S и С02 и нет необходимости в его очистке от этих примесей до требований отраслевого стандарта (ОСТ 51.40—83), а используют его для нужд самого промысла (закачка в пласт для поддержания пластового давления, использование в качестве топливного газа). Применение гликолей упрощает технологию очистки, поскольку для очистки и осушки газа от паров воды используется один абсорбент. Кроме того, основное количество абсорбированных компонентов выделяется из насыщенного абсорбента простой дегазацией, без затрат тепла. Наибольшее распространение в таких процессах очистки получил ДЭГ, растворяющая способность которого по сероводороду и диоксиду углерода характеризуется зависимостями, показанными на рис. 1.24. Видно, что при атмосферном давлении растворимости H2S и С02 близки и очень низки (3—8 мг/м3), а с повышением давления они резко растут — до 80—100 мг/м3 по H2S (при 1,2 МПа) и 10—15 мг/м3 по С02 (при 2,0 МПа). Это свидетельствует о том, что степени очистки сырого газа от H2S и С02 гликолями будут существенно различаться.[ …]

Из уравнения основного карбонатного равновесия следует, что воды с одинаковым содержанием свободной угольной кислоты, но с различной концентрацией гидрокарбонатов будут проявлять неодинаковую активность по отношению к карбонату кальция. Поэтому маломинерализованные воды вследствие избытка свободной угольной кислоты могут проявлять агрессивные свойства по отношению к бетону. Если концентрация гидрокарбонатов больше, чем это необходимо для осуществления равновесия со свободной угольной кислотой, т. е. вода имеет повышенную щелочность, то карбонатное равновесие снова становится неустойчивым, но уже из-за избытка гидрокарбонат-ионов. Нарушением основного карбонатного равновесия объясняется и образование карбонатной накипи при нагревании воды. С повышением температуры растворимость диоксида углерода в воде уменьшается и поэтому наблюдается смещение карбонатного равновесия в направлении образования свободной угольной кислоты и карбонат-ионов при разложении гидрокарбонатов. С ионами Са2+ карбонат-ионы образуют карбонат кальция, растворимость которого понижается с повышением температуры.[ …]

Распределение С02 неравномерно и частично зависит от биологической активности в данном районе. Подобно кислороду, содержание С02 в поверхностных слоях воды является функцией его содержания в атмосфере и парциального давления. Однако схемы распределения диоксида углерода и кислорода сильно отличаются друг от друга. Так, поверхностные воды Тихого океана заметно ненасыщены, тогда как поверхностные воды Индийского океана вблизи экватора перенасыщены. Это указывает на аномалию равновесной растворимости С02, т. е. содержание растворенного диоксида углерода в водах Индийского океана повышается при увеличении температуры. Распределение же общего углерода в зависимости от глубины, по-видимому, более единообразно, так как наблюдается единая тенденция к повышению содержания углерода по мере увеличения глубины вследствие оседания продуктов распада погибших организмов из биологически более богатого поверхностного слоя воды.[ …]

Схема очистки газа от С02 этим методом достаточно проста. Газ промывают холодной водой в башнях с насадкой (скрубберах) под давлением 1,5—2,5 МПа, так как с повышением давления растворимость диоксида углерода в воде возрастает. При этом из газа частично удаляется и сероводород, растворимость которого также увеличивается. Затем давление снижают, и из воды выделяется (десорбируется) газ, содержащий до 85% диоксида углерода (остальное — водород, азот, сероводород), который используют для получения сухого льда, карбамида, соды и других продуктов.[ …]

Кинетику осаждения или всплывания следует определять сейчас Же после отбора проб сточных вод, так как только в этих случаях получаются результаты, которые могут быть использованы для расчетов аппаратуры. Объясняется это тем, что и содержание грубодисперсных примесей, и дисперсность нерастворимой в воде фазы изменяются при стоянии. Образуются смолы из веществ, растворимых в воде, могут образоваться осадки вследствие выделения водой диоксида углерода или, наоборот, вследствие поглощения ею СОг из воздуха, может произойти агломерация частиц взвешенного осадка, что отразится на кинетике их выпадения, и т. д. Плотность одной и той же смолы при разных ‘Температурах может быть больше или меньше единицы т. ё. при одной температуре смола окажется тонущей, при другой— всплывающей.[ …]

Аналогично температура океана играет роль положительной обратной связи. При росте температуры морской воды растворимость СО2 уменьшается, а парциальное давление СО2 на водной поверхности растет. Рост концентрации диоксида углерода приводит к дальнейшему росту температуры. Напротив, при уменьшении температуры воды растворимость СО2 возрастет, парциальное давление тоже уменьшится, что приведет к дальнейшему падению температуры. Мировой океан является резервуаром гигантского количества СО2. Огромные массы воды океана содержат количество СО2, в 50 раз превышающее его количество в атмосфере, в 20 раз — в биоте. Огромная емкость океана по СО2 обусловлена его стратификацией — температура поверхностных ёод много выше температуры нижележащих слоев, имеющих температуру около 4°С. Этим объясняется важная роль океана в глобальной климатической системе.[ …]

Для количественной характеристики степени гидролиза удобно пользоваться концентрацией водородных ионов в растворе или pH. Изменяя pH раствора, можно регулировать течение процесса в желаемом направлении и обеспечить полный гидролиз введенного в воду коагулянта. Для этого необходимо связать образующиеся при гидролизе ионы водорода в педиссо-циированные молекулы, а также удалить один из продуктов гидролиза из сферы реакции. Хотя гидроксиды алюминия и железа имеют малую растворимость (0,6—1,5 мг/л), все же эти величины при небольших дозах коагулянта (до 150 мг/л) достаточны для торможения процесса гидролиза. Поэтому pH среды играет большую роль в процессе коагуляции. В этом отношении положительное буферное действие оказывают растворенные в воде бикарбоиатные соли. В совокупности с растворенным в воде диоксидом углерода они образуют буферную систему с pH, близким к нейтральной точке. В тех случаях, когда емкости буферной смеси не хватает для нейтрализации образующейся кислоты, воду подщелачивают, вводя известь, соду и т. п.[ …]

Водяной пар для отгонки адсорбированных веществ может быть заменен нагретым выше температуры их кипения инертным газом (азотом, диоксидом углерода), а в случае отгонки веществ, не образующих взрывчатых смесей, и нагретым возду—хом [3, 20]. Эта замена целесообразна прежде всего для отгонки веществ, обладающих высокой растворимостью в воде (на- пример, при отгонке из угля уксусной кислоты).[ …]

Применение углекислого газа

В пищевой промышленности:

используется при производстве минеральной воды и газированных напитков;
как пищевая добавка (Е290), повышает сроки хранения продуктов;
в качестве разрыхлителя придает легкость и пышность кондитерским изделиям;
как хладогент;
для удаления из кофе кофеина.

В авиамоделировании используется как источник энергии для двигателей; применяется в пневматическом оружии; как заправка для углекислотных огнетушителей. Используется в качестве защитной среды при сварке.

Находит углекислый газ применение и в медицине – используется для криоабляции новообразований, служит стимулятором глубокого дыхания.

В химической промышленности газ используется в синтезе химических веществ, производстве солей угольной кислоты, процессах осушки и очистки полимеров, волокон растительного и животного происхождения. Применяется для очистки сточных вод, повышает проводимость сверхчистой воды.

Краш-тест

(более верное произношение — крэш-тест, англ. crash test) — испытание дорожных и гоночных автомобилей на безопасность. Представляет собой умышленное воспроизведение дорожно-транспортного происшествия с целью выяснения уровня повреждений, которые могут получить его участники.
С 1966 года
для краш-теста
в машину помещают манекен,
оборудованный датчиками для замера повреждений, до этого для этих же целей использовались человеческие трупы и животные.

Разгон автомобиля, как правило, осуществляют внешним мотором. Автомобиль раскрашивают специальным образом, чтобы было легче локализовать и измерить повреждения. Согласно современным европейским нормам за повреждения, полученные манекеном, снимаются баллы. По сумме баллов определяется степень безопасности.

В настоящее время термин краш-тест применяется не только к автомобилям, но и к ноутбукам, сотовым телефонам и прочим устройствам, к которым применяются повышенные требования надежности. На сегодняшний день существует несколько различных организаций, занимающихся проведением краш-тестов:

IIHS (США);
NHTSA (США);
ANCAP (Австралия);
EuroNCAP (Евросоюз);
JNCAP (Япония);
ADAC (Германия);
C-NCAP (Китайская Народная Республика).

Наиболее дешёвым и простым для проведения является лобовой краш-тест

. В нём разогнанный автомобиль направляется на бетонный блок. Столкновение автомобиля, движущегося, например, со скоростью
100 км/ч,
с бетонным блоком примерно эквивалентно столкновению автомобиля со скоростью 200 км/ч с неподвижным автомобилем такой же массы. В последнее время принято проводить не лобовой краш-тест, а лобовой удар со смещённым центром. Видоизменилось и препятствие: из бетонного блока оно превратилось в стандартизованное подобие встречного автомобиля.

Фронтальное столкновение со смещением

– это когда автомобиль сталкивается с препятствием частью переда.

Боковое столкновение

– это когда, препятствие весом около 500 кг. бьют в область двери со скоростью 50км/ч.
Придорожныйтест
– это имитация столкновения с барьерами и другими препятствиями на дороге.

Краш-тесты, имитирующие удар сбоку или сзади

, дороже и сложнее в осуществлении. Они требуют сразу два автомобиля либо специальное оборудование. Поэтому такие краш-тесты пока производятся реже.

Краш-тест — мероприятие дорогостоящее. Проводится испытание на собственные средства специальной организации — анонимно (чтобы исключить спецсборку) покупается автомобили в торговой сети и оплачиваются услуги полигонов. Автомобиль, попавший на краш-тест, должен быть не только быть доступным, но и массовым.

Источники информации: