أكثر

11.2: خواص المياه - علوم الأرض


إن الخواص الفيزيائية والكيميائية للماء تجعله ضروريًا للحياة ومفيدًا للحضارة. الماء عبارة عن جزيء مكون من أيون أكسجين سالب الشحنة (-2) واثنين من أيونات هيدروجين موجبة الشحنة (+1) ، مما يمنحه الصيغة الكيميائية H2O ، مع روابط تساهمية قوية بين الأكسجين واثنين من أيونات الهيدروجين. يسمح شكل جزيء الماء بتوزيع غير متساوٍ للشحنة ، حيث يكون أحد الجانبين موجبًا قليلاً والجانب الآخر سلبيًا قليلاً. و لهذا قطبية، جزيئات الماء تشكل روابط هيدروجينية مع بعضها البعض. الروابط الهيدروجينية هي روابط كهروستاتيكية بين الجزيئات أضعف من الروابط الأيونية والتساهمية (انظر المناقشة في فصل المعادن). الماء مذبذب ، أي يمكنه أن يتأين ذاتيًا ، ويتحلل إلى أيون هيدروجين حمضي (H+) وأيون الهيدروكسيل (OH) ، كيميائيا قاعدة. بسبب قطبيتها وقدرتها على أن تكون مذبذب، الماء هو مذيب شامل- مادة كيميائية يمكنها إذابة مجموعة كبيرة من المواد الكيميائية الأخرى.

الآثار الجانبية الأخرى لقطبية الماء هي تماسك (الماء يحب أن يلتصق بنفسه) و التصاق (الماء يحب التمسك بأشياء أخرى). يحتوي الماء على أعلى تماسك بين جميع السوائل غير المعدنية. يعطي التماسك توترًا على سطح الماء ، مما يسمح لحشرات الماء الشراعي بالطفو على سطح الماء. التوتر السطحي هو ما يعطي قطرات المطر شكلاً كرويًا. يحدث التأثير الشعري عندما تتسبب مجموعة من القوى اللاصقة والمتماسكة في تحريك الماء لأعلى في الممرات والأنابيب الضيقة ، بحيث يرتفع أعلى من السائل المحيط. يحدث العمل الشعري عندما يكون التصاق الماء بالأنبوب أكبر من قوى التماسك الداخلية للماء. تحتوي المناشف الورقية على مسام صغيرة تستخدم قوى الشعيرات الدموية لتنظيف انسكابات المياه. تستخدم النباتات قوى الشعيرات الدموية لضخ الماء في أنسجتها.

يتمتع الماء بسعة حرارية عالية. الحرارة النوعية هي كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة مادة ما. مقارنة بالعديد من المواد الأخرى ، يتطلب الماء كمية كبيرة من الحرارة لرفع درجة حرارته. تسمح الحرارة النوعية العالية للماء بالعمل كمخزن للطاقة للتغيرات الشديدة في درجة حرارة الهواء. كما أنه يسمح للمحيطات بامتصاص الحرارة الشمسية دون تغيير درجة الحرارة كثيرًا وتوزيع هذه الحرارة على الأرض بواسطة التيارات مما يجعل الأرض صالحة للسكن.

يوضح منحنى كثافة الماء أنه عندما يتم تبريد الماء ، يصبح أكثر كثافة ، كما هو الحال مع معظم المواد الأخرى ، ولكن تحدث كثافته القصوى عند حوالي 4 درجات مئوية بينما تستمر معظم المواد الأخرى في الزيادة في كثافتها حتى تتجمد. يعني منحنى الكثافة الفريد هذا أن الماء يكون أكثر كثافة فوق نقطة التجمد ويغرق. وهكذا تظل المحيطات سائلة. إذا تصرف الماء مثل المواد الأخرى ، فإن المحيطات ستتجمد.

عندما يتجمد الماء ، ترتب الجزيئات نفسها في بنية بلورية جيدة الترتيب ، مما يخلق تباعدًا بين الجزيئات أكبر مما لو كان الماء في صورة سائلة. يؤدي الاختلاف في التباعد الجزيئي إلى أن يكون الجليد أقل كثافة من الماء ، مما يجعله أكثر قدرة على الطفو من الماء السائل ، مما يتسبب في طفوه على الماء. بسبب قدرتها الحرارية العالية ، فإن الجليد الطافي على سطح البحيرة يعزل الماء السائل تحته ويمنعه من التجمد.

بسبب روابطه الهيدروجينية ، يتمتع الماء أيضًا بحرارة عالية من التبخر. مطلوب كمية كبيرة من الطاقة لتبخير الماء. عندما يتبخر الماء ، يتم امتصاص الطاقة عن طريق تكسير الروابط الهيدروجينية ويتم تبريد الهواء المحيط بمياه التبخر. يتم تخزين هذه الطاقة في بخار الماء.


11.1 عملية الحل

قدم فصل سابق من هذا النص حلول، تُعرف بأنها مخاليط متجانسة من مادتين أو أكثر. في كثير من الأحيان ، يوجد أحد مكونات المحلول بتركيز أكبر بشكل ملحوظ ، وفي هذه الحالة يطلق عليه مذيب. تسمى المكونات الأخرى للمحلول الموجود بتركيزات أقل نسبيًا المذاب. السكر مادة صلبة تساهمية تتكون من جزيئات السكروز ، ج12ح22ا11. عندما يذوب هذا المركب في الماء ، تتوزع جزيئاته بشكل موحد بين جزيئات الماء:

الرمز "عبد القدير"في المعادلة يشير إلى أن جزيئات السكروز مذابة وبالتالي فهي كذلك فرقت بشكل فردي خلال ال محلول مائي (الماء هو المذيب). على الرغم من أن جزيئات السكروز أثقل من جزيئات الماء ، إلا أنها تظل مشتتة في جميع أنحاء جاذبية المحلول لا تجعلها "تستقر" بمرور الوقت.

كما هو الحال مع خليط السكر والماء ، فإن هذا الخليط هو أيضًا محلول مائي. تبقى أيونات البوتاسيوم وثنائي كرومات المواد المذابة مشتتة بشكل فردي بين جزيئات المذيبات (الماء).

ارتباط بالتعلم

قم بزيارة هذا المعمل الافتراضي لمشاهدة محاكاة لانحلال المواد التساهمية والأيونية الشائعة (السكر والملح) في الماء.

يستخدم الماء في كثير من الأحيان كمذيب لدرجة أن كلمة محلول أصبحت تعني حلًا مائيًا لكثير من الناس. ومع ذلك ، يمكن لأي غاز أو سائل أو صلب أن يعمل كمذيب. العديد من السبائك عبارة عن حلول صلبة لمعدن مذاب في معدن آخر ، على سبيل المثال ، تحتوي العملات المعدنية من فئة الخمس سنتات الأمريكية على نيكل مذاب في النحاس. الهواء عبارة عن محلول غازي ، وهو خليط متجانس من النيتروجين والأكسجين والعديد من الغازات الأخرى. يذوب الأكسجين (غاز) والكحول (سائل) والسكر (مادة صلبة) في الماء (سائل) لتكوين محاليل سائلة. يعطي الجدول 11.1 أمثلة على العديد من الحلول المختلفة ومراحل المواد المذابة والمذيبات.

حل المذاب مذيب
هواء ا2(ز) ن2(ز)
المشروبات الغازية 1 كو2(ز) ح2يا (ل)
الهيدروجين في البلاديوم ح2(ز) PD (س)
مسح بالكحول ح2يا (ل) ج3ح8يا (ل) (2-بروبانول)
ماء مالح كلوريد الصوديوم (س) ح2يا (ل)
نحاس Zn (س) النحاس (س)

تعرض الحلول هذه السمات المحددة:

  • تكون متجانسة بعد خلط المحلول ، ولها نفس التركيب في جميع النقاط (تكوينها موحد).
  • الحالة الفيزيائية للمحلول - صلب أو سائل أو غاز - هي عادةً نفس حالة المذيب ، كما هو موضح في الأمثلة في الجدول 11.1.
  • تتشتت مكونات المحلول على نطاق جزيئي وتتكون من خليط من جزيئات مذابة منفصلة (جزيئات و / أو ذرات و / أو أيونات) كل منها محاطة بشكل وثيق بأنواع مذيبات.
  • لن يترسب المذاب المذاب في المحلول أو ينفصل عن المذيب.
  • يمكن أن يتغير تكوين المحلول ، أو تركيزات مكوناته ، بشكل مستمر (ضمن الحدود التي يحددها الذوبان من المكونات التي ستتم مناقشتها بالتفصيل لاحقًا في هذا الفصل)

تشكيل الحلول

يعد تكوين الحل مثالاً على عملية عفوية ، وهي عملية تحدث في ظل ظروف محددة دون الحاجة إلى الطاقة من مصدر خارجي. في بعض الأحيان يتم تقليب الخليط لتسريع عملية الذوبان ، ولكن هذا ليس ضروريًا ، سيتشكل محلول متجانس في النهاية. يعد موضوع العفوية مهمًا للغاية لدراسة الديناميكا الحرارية الكيميائية ويتم التعامل معه بشكل أكثر شمولاً في فصل لاحق من هذا النص. لأغراض مناقشة هذا الفصل ، يكفي النظر في معيارين محاباة، ولكن لا تضمن ، التكوين التلقائي للحل:

  1. انخفاض في الطاقة الداخلية للنظام (تغيير طارد للحرارة ، كما نوقش في الفصل السابق حول الكيمياء الحرارية)
  2. زيادة تشتت المادة في النظام (مما يشير إلى زيادة في غير قادر علي للنظام ، كما ستتعرف عليه في الفصل التالي عن الديناميكا الحرارية)

في عملية الذوبان ، غالبًا ما يحدث تغير في الطاقة الداخلية ، ولكن ليس دائمًا ، عندما يتم امتصاص الحرارة أو تطورها. تنتج الزيادة في تشتت المادة دائمًا عندما يتكون المحلول من التوزيع المنتظم للجزيئات الذائبة في جميع أنحاء المذيب.

عندما لا تختلف قوى قوى التجاذب بين الجزيئات بين الأنواع المذابة والمذيبة في محلول عن تلك الموجودة في المكونات المنفصلة ، فإن المحلول يتشكل بدون أي تغير مصاحب في الطاقة. يسمى هذا الحل حلاً مثاليًا. مزيج من الغازات المثالية (أو غازات مثل الهيليوم والأرجون ، والتي تقترب عن كثب من السلوك المثالي) هو مثال على الحل المثالي ، حيث أن الكيانات التي تتكون منها هذه الغازات لا تعاني من عوامل جذب مهمة بين الجزيئات.

عندما يتم توصيل حاويات الهليوم والأرجون ، تختلط الغازات تلقائيًا بسبب الانتشار وتشكل محلولًا (الشكل 11.3). من الواضح أن تكوين هذا المحلول ينطوي على زيادة في تشتت المادة ، حيث تحتل ذرات الهيليوم والأرجون حجمًا أكبر بمرتين من الحجم الذي كانت تشغله كل منهما قبل الخلط.

قد تتشكل الحلول المثالية أيضًا عند خلط سوائل متشابهة من الناحية الهيكلية. على سبيل المثال ، مخاليط كحول الميثانول (CH3OH) والإيثانول (C2ح5OH) تشكل الحلول المثالية ، مثلها مثل مخاليط الهيدروكربونات البنتان ، C5ح12، والهكسان ، سي6ح14. سيؤدي وضع الميثانول والإيثانول ، أو البنتان والهكسان ، في المصابيح الموضحة في الشكل 11.3 إلى نفس الانتشار والخلط اللاحق لهذه السوائل كما هو ملاحظ بالنسبة لغازات He و Ar (وإن كان بمعدل أبطأ بكثير) ، مما ينتج عنه حلول مع لا يوجد تغيير كبير في الطاقة. على عكس خليط الغازات ، فإن مكونات هذه المحاليل السائلة والسائلة تواجه بالفعل قوى جذب بين الجزيئات. ولكن نظرًا لأن جزيئات المادتين اللتين يتم خلطهما متشابهة جدًا من الناحية الهيكلية ، فإن قوى الجذب بين الجزيئات بين الجزيئات المتشابهة وغير المتشابهة هي نفسها بشكل أساسي ، وبالتالي لا تستلزم عملية الذوبان أي زيادة ملحوظة أو نقصان في الطاقة. توضح هذه الأمثلة كيف يمكن أن يوفر تشتت المادة المتزايد وحده القوة الدافعة المطلوبة للتسبب في التكوين التلقائي للحل. ومع ذلك ، في بعض الحالات ، قد تمنع المقادير النسبية لقوى التجاذب بين الجزيئات بين الأنواع المذابة والمذيبة الانحلال.

هناك ثلاثة أنواع من القوى الجذابة بين الجزيئات ذات صلة بعملية الذوبان: المذاب-المذاب ، المذيب المذيب ، المذيب المذاب. كما هو موضح في الشكل 11.4 ، يمكن النظر إلى تكوين المحلول كعملية متدرجة يتم فيها استهلاك الطاقة للتغلب على عوامل الجذب المذاب والمذيبات (العمليات الماصة للحرارة) ويتم إطلاقها عند إنشاء عوامل جذب المذيب (عملية طاردة للحرارة) يشار إليها باسم الحل). تحدد المقادير النسبية لتغيرات الطاقة المرتبطة بهذه العمليات المتدرجة ما إذا كانت عملية الذوبان بشكل عام ستطلق أو تمتص الطاقة. في بعض الحالات ، لا تتشكل المحاليل لأن الطاقة المطلوبة لفصل الأنواع المذابة عن المذيبات أكبر بكثير من الطاقة المنبعثة من المحلول.

ضع في اعتبارك مثال مركب أيوني يذوب في الماء. يتطلب تكوين المحلول أن يتم التغلب على القوى الكهروستاتيكية بين الكاتيونات وأنيونات المركب (المذاب - المذاب) تمامًا حيث يتم إنشاء قوى جذب بين هذه الأيونات وجزيئات الماء (المذاب - المذيب). يجب أيضًا التغلب على الروابط الهيدروجينية بين جزء صغير نسبيًا من جزيئات الماء لاستيعاب أي مادة مذابة. إذا كانت القوى الكهروستاتيكية للمذاب أكبر بكثير من قوى الإذابة ، فإن عملية الذوبان تكون ماصة للحرارة بشكل كبير وقد لا يذوب المركب بدرجة ملحوظة. تعتبر كربونات الكالسيوم ، المكون الرئيسي للشعاب المرجانية ، أحد الأمثلة على مثل هذا المركب الأيوني "غير القابل للذوبان" (انظر الشكل 11.1). من ناحية أخرى ، إذا كانت قوى الإذابة أقوى بكثير من القوى الكهروستاتيكية للمركب ، فإن الانحلال يكون طاردًا للحرارة بشكل كبير وقد يكون المركب شديد الذوبان. من الأمثلة الشائعة لهذا النوع من المركبات الأيونية كلوريد الصوديوم ، المعروف باسم ملح الطعام.

كما لوحظ في بداية هذه الوحدة النمطية ، يفضل تكوين المحلول العفوي ، ولكن ليس مضمونًا ، من خلال عمليات الذوبان الطاردة للحرارة. في حين أن العديد من المركبات القابلة للذوبان تذوب بالفعل مع إطلاق الحرارة ، فإن بعضها يذوب بالحرارة. نترات الأمونيوم (NH4لا3) هو أحد الأمثلة ويستخدم لصنع عبوات باردة فورية لعلاج الإصابات مثل تلك الموضحة في الشكل 11.5. يتم وضع كيس ماء بلاستيكي رقيق الجدران داخل كيس أكبر به NH4 صلب4لا3. عندما يتم كسر الكيس الأصغر ، يكون محلول NH4لا3 تتشكل ، وتمتص الحرارة من المناطق المحيطة (المنطقة المصابة التي توضع عليها العبوة) وتوفر ضغطًا باردًا يقلل من التورم. تتطلب الذوبان الماص للحرارة مثل هذا مدخلات طاقة أكبر لفصل الأنواع الذائبة مما يتم استعادته عند إذابة المواد المذابة ، ولكنها مع ذلك تكون تلقائية بسبب الزيادة في الفوضى المصاحبة لتكوين المحلول.

ارتباط بالتعلم

شاهد هذا الفيديو الموجز الذي يوضح عمليات الذوبان الماص للحرارة والطاردة للحرارة.


تفاعلات ثنائي القطب و ndash ثنائي القطب

تتصرف الروابط التساهمية القطبية كما لو أن الذرات المترابطة لها شحنة جزئية موضعية متساوية ولكنها معاكسة (أي أن الذرتين المترابطتين تولدان ثنائي القطب). إذا كان هيكل الجزيء بحيث أن ثنائيات أقطاب الرابطة الفردية لا تلغي بعضها البعض ، فإن الجزيء له عزم صافٍ ثنائي القطب. تميل الجزيئات ذات اللحظات الصافية ثنائية الأقطاب إلى محاذاة نفسها بحيث تكون النهاية الإيجابية لثنائي القطب قريبة من الطرف السلبي للآخر والعكس صحيح ، كما هو موضح في الشكل ( PageIndex <1a> ).

الشكل ( PageIndex <1> ): ثنائي القطب جذاب ومثير للاشمئزاز وتفاعلات ثنائي القطب. (أ و ب) التوجهات الجزيئية التي تكون فيها النهاية الإيجابية لثنائي القطب (& دلتا +) قريبة من الطرف السلبي للآخر (& دلتا & ناقص) (والعكس بالعكس) تنتج تفاعلات جذابة. (ج و د) التوجهات الجزيئية التي تقارن النهايات الإيجابية أو السلبية للأقطاب الثنائية على الجزيئات المجاورة تنتج تفاعلات مثيرة للاشمئزاز.

هذه الترتيبات أكثر ثباتًا من الترتيبات التي يكون فيها طرفان موجبان أو نهايتان سلبيتان متجاورتان (الشكل ( فهرس الصفحة <1c> )). ومن ثم فإن التفاعلات ثنائية القطب و n dashdipole ، مثل تلك الموجودة في الشكل ( PageIndex <1b> ) ، هي تفاعلات جذابة بين الجزيئات، في حين أن تلك الموجودة في الشكل ( PageIndex <1d> ) هي التفاعلات الجزيئية البغيضة. نظرًا لأن الجزيئات في السائل تتحرك بحرية وباستمرار ، فإن الجزيئات دائمًا ما تواجه تفاعلات ثنائية القطب جذابة ومثيرة للاشمئزاز في آن واحد ، كما هو موضح في الشكل ( فهرس الصفحة <2> ). في المتوسط ​​، ومع ذلك ، تهيمن التفاعلات الجذابة.

الشكل ( PageIndex <2> ): تحدث تفاعلات ثنائي القطب الجذاب والمثير للاشمئزاز في عينة سائلة تحتوي على العديد من الجزيئات.

نظرًا لأن كل نهاية من ثنائي القطب تمتلك جزءًا صغيرًا فقط من شحنة الإلكترون ، فإن تفاعلات ثنائي القطب و ndashdipole أضعف بكثير من التفاعلات بين أيونين ، كل منها له شحنة على الأقل & plusmn1 ، أو بين ثنائي القطب وأيون ، حيث يحتوي أحد الأنواع على شحنة كاملة موجبة أو سالبة على الأقل. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التفاعل الجذاب بين ثنائيات الأقطاب ينخفض ​​بسرعة أكبر بكثير مع زيادة المسافة مقارنةً بالتفاعلات الأيونية والأزياء. تذكر أن الطاقة الجذابة بين أيونيين تتناسب مع 1 /ص، أين ص هي المسافة بين الأيونات. مضاعفة المسافة (ص & rarr 2ص) يقلل من الطاقة الجذابة بمقدار النصف. في المقابل ، تتناسب طاقة تفاعل ثنائي القطب مع 1 /ص 3 ، لذا فإن مضاعفة المسافة بين ثنائيات الأقطاب تقلل من قوة التفاعل بمقدار 2 3 أو 8 أضعاف. وهكذا فإن مادة مثل ( م) ، التي ترتبط جزئيًا ببعضها البعض عن طريق تفاعلات ثنائية القطب وندشديبول ، هي غاز عند درجة حرارة الغرفة وضغط 1 ضغط جوي. على العكس من ذلك ، ( م) ، التي يتم تجميعها معًا بواسطة التفاعلات البينية ، هي مادة صلبة عالية نقطة الانصهار. ضمن سلسلة من المركبات ذات الكتلة المولية المتشابهة ، تزداد قوة التفاعلات بين الجزيئات مع زيادة عزم ثنائي القطب للجزيئات ، كما هو موضح في الجدول ( فهرس الصفحة <1> ).

الجدول ( فهرس الصفحة <1> ): العلاقات بين العزم ثنائي القطب ونقطة الغليان للمركبات العضوية ذات الكتلة المولية المماثلة
مجمع الكتلة المولية (جم / مول) لحظة ثنائية القطب (D) نقطة الغليان (ك)
ج3ح6 (سيكلوبروبان) 42 0 240
CH3OCH3 (الأثير ثنائي ميثيل) 46 1.30 248
CH3CN (أسيتونتريل) 41 3.9 355

الطاقة الجذابة بين اثنين من الأيونات تتناسب مع 1 / ص ، في حين أن الطاقة الجذابة بين ثنائيات القطب تتناسب مع 1 / r6.

رتب إيثيل ميثيل إيثر (CH3OCH2CH3) ، 2-ميثيل بروبان [أيزوبيوتان ، (CH3)2CHCH3] ، والأسيتون (CH3كوتش3) من أجل زيادة نقاط الغليان. هياكلهم هي كما يلي:

معطى: مجمعات سكنية.

يطلب: ترتيب زيادة نقاط الغليان.

قارن الكتل المولية وأقطاب المركبات. المركبات ذات الكتل المولية الأعلى والتي تكون قطبية سيكون لها أعلى نقاط الغليان.

تحتوي المركبات الثلاثة بشكل أساسي على نفس الكتلة المولية (58 & ndash60 جم ​​/ مول) ، لذلك يجب أن ننظر إلى الاختلافات في القطبية للتنبؤ بقوة تفاعلات ثنائي القطب و ndashdipole وبالتالي نقاط غليان المركبات.

يحتوي المركب الأول ، 2-methylpropane ، على روابط C و ndashH فقط ، وهي ليست قطبية للغاية لأن C و H لهما نفس السالب الكهربية. لذلك يجب أن يكون لها عزم ثنائي القطب صغير جدًا (ولكن ليس صفريًا) ونقطة غليان منخفضة جدًا.

إيثيل ميثيل إيثر له هيكل مشابه لـ H2O يحتوي على اثنين من الروابط القطبية C & ndashO أحادية الاتجاه بزاوية 109 درجة تقريبًا لبعضهما البعض ، بالإضافة إلى روابط C و ndashH غير القطبية نسبيًا. نتيجة لذلك ، فإن ثنائيات أقطاب الرابطة C & ndashO تعزز بعضها البعض جزئيًا وتولد عزمًا ثنائي القطب مهمًا يجب أن يعطي نقطة غليان عالية إلى حد ما.

يحتوي الأسيتون على رابطة قطبية C = O مزدوجة موجهة عند حوالي 120 درجة إلى مجموعتين من الميثيل مع روابط C و ndashH غير القطبية. وبالتالي ، فإن ثنائي أقطاب الرابطة C & ndashO يتوافق مع ثنائي القطب الجزيئي ، والذي يجب أن ينتج عنه عزم ثنائي القطب كبير نسبيًا ونقطة غليان عالية.

وهكذا نتوقع الترتيب التالي لنقاط الغليان:

2-ميثيل بروبان & lt ethyl methyl ether & lt acetone

تتوافق هذه النتيجة جيدًا مع البيانات الفعلية: 2-ميثيل بروبان ، نقطة الغليان = & ناقص 11.7 & درجة مئوية ، والعزم ثنائي القطب (& mu) = 0.13 D ميثيل إيثيل إيثر ، نقطة الغليان = 7.4 درجة مئوية و & مو = 1.17 د أسيتون ، نقطة الغليان = 56.1 درجة مئوية و & مو = 2.88 دي.

رتب رباعي فلوريد الكربون (CF4) ، كبريتيد إيثيل الميثيل (CH3SC2ح5) ، ثنائي ميثيل سلفوكسيد [(CH3)2S = O] ، و 2-ميثيل بوتان [أيزوبنتان ، (CH3)2CHCH2CH3] بترتيب تناقص نقاط الغليان.

ثنائي ميثيل سلفوكسيد (نقطة الغليان = 189.9 درجة مئوية) وكبريتيد إيثيل الميثيل (نقطة الغليان = 67 درجة مئوية) & gt 2-ميثيل بوتان (نقطة الغليان = 27.8 درجة مئوية) ورباعي فلوريد الكربون (نقطة الغليان = & ناقص 128 & درجة مئوية)


الانكسار هو انحناء الضوء أثناء مروره من وسط شفاف إلى آخر.

يمكنك القيام ببعض الحيل السحرية الجيدة باستخدام خاصية انكسار الماء.


عكس السهم


ثني القش


ضاعف المال


11.2: خواص المياه - علوم الأرض

يتم توفير جميع المقالات المنشورة بواسطة MDPI على الفور في جميع أنحاء العالم بموجب ترخيص وصول مفتوح. لا يلزم الحصول على إذن خاص لإعادة استخدام كل أو جزء من المقالة المنشورة بواسطة MDPI ، بما في ذلك الأشكال والجداول. بالنسبة للمقالات المنشورة بموجب ترخيص Creative Common CC BY ذي الوصول المفتوح ، يمكن إعادة استخدام أي جزء من المقالة دون إذن بشرط الاستشهاد بالمقال الأصلي بوضوح.

تمثل الأوراق الرئيسية أكثر الأبحاث تقدمًا مع إمكانات كبيرة للتأثير الكبير في هذا المجال. يتم تقديم الأوراق الرئيسية بناءً على دعوة فردية أو توصية من قبل المحررين العلميين وتخضع لمراجعة الأقران قبل النشر.

يمكن أن تكون ورقة الميزات إما مقالة بحثية أصلية ، أو دراسة بحثية جديدة جوهرية غالبًا ما تتضمن العديد من التقنيات أو المناهج ، أو ورقة مراجعة شاملة مع تحديثات موجزة ودقيقة عن آخر التقدم في المجال الذي يراجع بشكل منهجي التطورات الأكثر إثارة في العلم. المؤلفات. يوفر هذا النوع من الأوراق نظرة عامة على الاتجاهات المستقبلية للبحث أو التطبيقات الممكنة.

تستند مقالات اختيار المحرر على توصيات المحررين العلميين لمجلات MDPI من جميع أنحاء العالم. يختار المحررون عددًا صغيرًا من المقالات المنشورة مؤخرًا في المجلة ويعتقدون أنها ستكون مثيرة للاهتمام بشكل خاص للمؤلفين أو مهمة في هذا المجال. الهدف هو تقديم لمحة سريعة عن بعض الأعمال الأكثر إثارة المنشورة في مجالات البحث المختلفة بالمجلة.


11.2: خواص المياه - علوم الأرض

يتم توفير جميع المقالات المنشورة بواسطة MDPI على الفور في جميع أنحاء العالم بموجب ترخيص وصول مفتوح. لا يلزم الحصول على إذن خاص لإعادة استخدام كل أو جزء من المقالة المنشورة بواسطة MDPI ، بما في ذلك الأشكال والجداول. بالنسبة للمقالات المنشورة بموجب ترخيص Creative Common CC BY ذي الوصول المفتوح ، يمكن إعادة استخدام أي جزء من المقالة دون إذن بشرط الاستشهاد بالمقال الأصلي بوضوح.

تمثل الأوراق الرئيسية أكثر الأبحاث تقدمًا مع إمكانات كبيرة للتأثير الكبير في هذا المجال. يتم تقديم الأوراق الرئيسية بناءً على دعوة فردية أو توصية من قبل المحررين العلميين وتخضع لمراجعة الأقران قبل النشر.

يمكن أن تكون ورقة الميزات إما مقالة بحثية أصلية ، أو دراسة بحثية جديدة جوهرية غالبًا ما تتضمن العديد من التقنيات أو المناهج ، أو ورقة مراجعة شاملة مع تحديثات موجزة ودقيقة عن آخر التقدم في المجال الذي يراجع بشكل منهجي التطورات الأكثر إثارة في العلم. المؤلفات. يوفر هذا النوع من الأوراق نظرة عامة على الاتجاهات المستقبلية للبحث أو التطبيقات الممكنة.

تستند مقالات اختيار المحرر على توصيات المحررين العلميين لمجلات MDPI من جميع أنحاء العالم. يختار المحررون عددًا صغيرًا من المقالات المنشورة مؤخرًا في المجلة ويعتقدون أنها ستكون مثيرة للاهتمام بشكل خاص للمؤلفين أو مهمة في هذا المجال. الهدف هو تقديم لمحة سريعة عن بعض الأعمال الأكثر إثارة المنشورة في مجالات البحث المختلفة بالمجلة.


خدمات مياه الشرب

يدعو الهدف 6.1 من أهداف التنمية المستدامة إلى حصول الجميع ومنصف على مياه الشرب المأمونة والميسورة التكلفة. يتم تتبع الهدف من خلال مؤشر خدمات مياه الشرب التي تتم إدارتها بشكل آمن و rdquo & ndash مياه الشرب من مصدر مياه محسن موجود في أماكن العمل ، ومتاح عند الحاجة ، وخالي من التلوث البرازي والأولوي الكيميائي.

في عام 2017 ، استخدم 5.3 مليار شخص خدمات مياه الشرب المُدارة بأمان - أي أنهم استخدموا مصادر مياه محسنة تقع في أماكن العمل ، ومتاحة عند الحاجة ، وخالية من التلوث. شمل 2.2 مليار شخص الباقين بدون خدمات مُدارة بأمان في عام 2017 ما يلي:

  • 1.4 مليار شخص أساسي الخدمات ، أي مصدر مياه محسن يقع في رحلة ذهابًا وإيابًا مدتها 30 دقيقة
  • 206 مليون شخص محدود أو مصدر مياه محسن يتطلب أكثر من 30 دقيقة لتجميع المياه
  • 435 مليون شخص يأخذون المياه من الآبار والينابيع غير المحمية
  • 144 مليون شخص يجمعون المياه السطحية غير المعالجة من البحيرات والبرك والأنهار والجداول.

لا تزال هناك تفاوتات جغرافية واجتماعية وثقافية واقتصادية حادة ، ليس فقط بين المناطق الريفية والحضرية ولكن أيضًا في البلدات والمدن حيث عادة ما يكون لدى الأشخاص الذين يعيشون في مستوطنات منخفضة الدخل أو غير رسمية أو غير قانونية فرص أقل للوصول إلى مصادر مياه الشرب المحسنة من السكان الآخرين.


أضف المكونات المعيارية القياسية والمخصصة - مثل عوارض الفلنجات والخشب والأنابيب والسلالم والمزيد - إلى نموذج Sketchup الخاص بك باستخدام Engineering ToolBox - SketchUp Extension - المُمكّن للاستخدام مع SketchUp Make and SketchUp Pro المذهل والممتع والمجاني. امتداد ToolBox إلى SketchUp الخاص بك من SketchUp Pro Sketchup Extension Warehouse!


طلب إذن لإعادة استخدام المحتوى من هذا الموقع

الاختصارات والمختصرات المستخدمة في النص الخامس والعشرون

حول موقع Companion XXXIII

القسم الأول: الكيمياء 1

1.2 التعبير عن التركيز 4

1.3 الأيونات والجزيئات في الماء 5

1.5 الأكسدة - تفاعلات الاختزال 10

1.7 الموصلية والقوة الأيونية 13

1.8.1 تركيبات أخرى 16

1.8.2 تأثير درجة الحرارة على معدل التفاعل 19

1.10 قابلية الذوبان في الغاز: قانون هنري ورسكووس 20

1.11 منتج الذوبان 23

1.13.1 وحدات النشاط الإشعاعي 27

أسئلة ومشاكل 30

2 أساس الديناميكا الحرارية للتوازن 35

2.1 العلاقات الديناميكية الحرارية 35

التعبير عن التركيز في تعبيرات التوازن 39

2-1-2 تأثيرات المحتوى الحراري ودرجة الحرارة على ثابت التوازن 42

2.2.1 الخلية أو الزوجان المحتملان 46

2.2.2 الأكسدة - إمكانية الاختزال وإمكانيات النظام 48

2.3.1 التآكل الجرثومي 51

2.3.2 منع التآكل من العوامل البيئية الخارجية 52

الحماية الكاثودية الجلفانية 52

الحماية الكاثودية الالكتروليتية (أو التيار القسري) 53

أسئلة ومشاكل 53

3 كيمياء الأحماض و ndashBase 57

3.2.1 الأحماض والقواعد المترافقة 61

3.3 المعادلات والطبيعية

3.4 حل أنظمة Multiequilibria 62

3.5.1 تخفيف محلول مخزّن 65

3.5.2 الأس الهيدروجيني الأكثر فعالية للمخزن المؤقت 65

3.6 معايرة الأحماض و ndashBase 66

3.6.1 معايرة الأحماض والقواعد القوية 66

3.6.2 معايرة الأحماض والقواعد الضعيفة 68

3.6.3 الإشارة إلى نقطة نهاية حمض و ndashBase المعايرة 71

3.7 التخزين المؤقت الطبيعي للمياه من ثاني أكسيد الكربون والمركبات ذات الصلة 73

3.7.1 الحموضة والقلوية 74

أسئلة ومشاكل 76

4 العضوية والكيمياء الحيوية 81

4.2 خصائص المركبات العضوية 81

4.4 أنواع المركبات العضوية 83

4.4.1 المركبات الأليفاتية 83

الكحوليات والإسترات والإيثرات 83

4.4.2 المركبات المحتوية على النيتروجين 83

4.5.1 مركبات الكبريت 85

4.6 المركبات العضوية التي تحدث بشكل طبيعي 85

4.9 دورة حمض الكربوكسيل 88

أسئلة ومشكلات 91

5 التحليلات والمكونات في الماء 95

5.1.1 معايرة التكوين المعقد والمترسب 95

5.1.2 معايرة الأكسدة والاختزال وتحليلات قياس الجهد 96

5.1.3 مؤشرات لتحليل الجهد 98

5.2 التحليلات اللونية 99

5.2.1 قوانين Beer & ndashLambert لنفاذية الضوء 99

5.3.2 العكارة واللون 101

5.4 تحديد المادة العضوية 102

5.4.1 الطلب على الأكسجين الكيميائي 103

رد فعل عام ل COD 104

التداخلات مع اختبار COD 105

5.4.2 طلب الأكسجين الكيميائي الحيوي 105

آثار درجة الحرارة على إجهاد الطلب الأوكسجيني البيولوجي 108

109- الأوكسجين الحيوي الكربوني والنيتروجين

الطرق المعملية لتحديد الطلب الأوكسجيني البيولوجي 110

حدود اختبار BOD لتصميم عملية معالجة المياه العادمة البيولوجية 110

تحليل تقدم BOD 111

5.4.3 إجمالي الكربون العضوي 113

أسئلة ومشاكل 113

القسم الثاني: الكائنات الحية الدقيقة في نوعية المياه والمياه 119

6.1 مجموعات الكائنات الحية الدقيقة وشجرة النشوء والتطور 121

6.2 البكتيريا والعتائق 121

6.2.1 تصنيف البكتيريا 124

متطلبات التمثيل الغذائي 125

تركيز الملح والسكر 127

6.4 الكائنات الحية الدقيقة الأخرى 130

1.4.6 الفيروسات والعاقمات 130

6.5 تحديد نمو الكائنات الدقيقة 132

6.5.1 نمو الثقافات النقية 132

6.5.2 نمو الثقافات المختلطة 135

6.5.3 الجدوى والكتلة في زراعة الثقافات 136

6.5.4 تعداد الكائنات الدقيقة 136

اعتبارات عملية في تحديد القيم المتوسطة 140

6.5.5 علم الجينوم الميكروبي وأدوات علم الأحياء الدقيقة الجزيئية 141

تحليل تكوين المجتمع الميكروبي للتطور الوراثي 141

أسئلة ومشاكل 143

7 المياه والنفايات والأمراض 147

7.1.1 مسببات الأمراض البكتيرية 147

7.1.3 مسببات الأمراض الأولية 150

7.1.5 نواقل الأمراض الحشرية والحيوانية 153

7.2 الكائنات الحية الدقيقة المؤشر والاختبار والنموذج 153

7.3 مؤشرات التلوث البرازي 155

7.4 الكائنات الحية الدقيقة المؤشر 156

7.4.1 القولونيات: المجموع ، والمتحمل للحرارة ، والإشريكية القولونية 156

7.6 بقاء الكائنات الدقيقة في البيئة المائية 159

7.7 الجرعة المعدية الدنيا 162

أسئلة ومشاكل 163

8 مكونات المياه ومعايير الجودة 167

8.1 سمية العناصر والمركبات 167

8.2 الملوثات في الماء 170

8.2.1 الملوثات الناشئة 171

8.2.2 الملوثات الشائعة

8.2.4 المكونات المشعة 175

8.4 أسس المعايير 178

1.4.8 تقييم مخاطر العدوى الميكروبية 179

8.4.2 تحديد السرطنة 180

8.4.3 تحديد السمية 182

8.4.4 معايير جودة المياه البيئية 184

8.5 معايير مياه الشرب 184

8.5.1 المعايير الدولية لمياه الشرب 185

8.5.2 قانون المياه الصالحة للشرب بالولايات المتحدة 185

8.5.3 إرشادات جودة المياه الكندية 186

8.6 مقارنة معايير مياه الشرب 187

8.6.1 المعلمات الميكروبيولوجية 187

إرشادات منظمة الصحة العالمية للجودة الميكروبيولوجية 187

معايير الولايات المتحدة للجودة الميكروبيولوجية 187

المبادئ التوجيهية الكندية للجودة الميكروبيولوجية 188

8.6.2 الصفات الكيميائية والفيزيائية 188

8.6.3 الجودة الجمالية 188

8.6.4 المكونات الإشعاعية 188

8.6.5 معايير المياه الأخرى 192

8.8 الإرشادات الفيدرالية الكندية لجودة مياه الصرف الصحي 195

8.9 خصائص مياه الصرف الصحي 195

8.10 إنتاج مياه الصرف الصحي 197

أسئلة ومشاكل 198

القسم الثالث: معالجة المياه والصرف الصحي 205

9 عمليات معالجة المياه والصرف الصحي 207

9.1 عمليات معالجة المياه 207

الملوثات الميكروبية 212

9.1.1 وحدات معالجة المياه المنزلية 216

9.2 عمليات وحدة معالجة مياه الصرف الصحي 216

9.3 التصميم الهيدروليكي لمحطات معالجة المياه ومياه الصرف الصحي 225

التدفق في الأنابيب المضغوطة 225

التدفق في القنوات المفتوحة 226

أسئلة ومشاكل 230

10 موازين الكتلة وأنظمة التدفق الهيدروليكي 235

10.1 إعداد موازين الكتلة 235

10.1.1 خصائص الخلط للأحواض 236

10.1.2 موازين الكتلة لمفاعلات PF 237

10.1.3 موازين الكتلة ورد الفعل لأحواض CM 242

10.2 تحليل التدفق لمفاعلات CM و PF 245

10.2.1 تحليل التتبع للمفاعلات المختلطة الكاملة 245

10.2.2 تحليل التتبع لتدفق السدادة 247

10.2.3 مفاعلات مختلطة كاملة في سلسلة 247

10.2.4 مخالفات أخرى في التدفق: الحجم الميت وقصر الدائرة 248

10.2.5 خصائص التدفق النموذجية للأحواض 249

10.2.6 قياس التشتت 250

10.3 مدة الحجز في السفن 250

10.3.1 متوسط ​​وقت الاحتجاز 251

10.3.2 آثار تدوير التدفق على وقت الاحتجاز 251

10.3.3 آثار إعادة التدوير على الخلط 253

10.4 معادلة التدفق والجودة 253

10.5 موازين مواد النظام 256

أسئلة ومشاكل 266

القسم الرابع: عمليات المعالجة الفيزيائية والكيميائية 273

11 الفرز والترسيب 275

11.1 شاشات وأرفف البار 275

11.1.1 شاشات لمحطات معالجة المياه 276

11.1.2 شاشات في محطات معالجة مياه الصرف الصحي 277

11.2.1 سرعة تسوية الجسيمات 279

11.3.1 غرف حبيبات التدفق الأفقي 282

قناة ذات مقطع عرضي متنوع 283

ملاحظات تصميم غرفة حصى مكافئ 284

11.3.2 غرف الحصى الهوائية 290

11.3.3 آلة تفريغ الخزانات المربعة 292

11.3.4 أجهزة إزالة الحصى الدوامة 293

11.4 النوع الأول الترسيب 294

11.5 النوع الثاني الترسيب 297

11.5.1 التحديد المعملي لتوزيع سرعة الاستقرار 298

11.5.2 تحليل بيانات الترسيب من النوع الثاني 298

11.5.3 طريقة بديلة لحساب الإزالة الكلية 302

11.5.4 تحجيم الحوض 303

11.6 أنبوب و Lamella Clarifiers 303

11.7 Weir & ndashLaunder تصميم 309

11.8 تصميم المنقي للمياه ومعالجة مياه الصرف الصحي الأولية 313

11.8.1 نطاقات التصميم لأجهزة التصفية النموذجية لمعالجة المياه ومياه الصرف 313

11.8.2 المعالجة الأولية المحسنة كيميائياً 315

11.8.3 العمق في أحواض الترسيب 318

11.9 مدخلات الهيدروليك لأحواض الترسيب 319

11.9.1 توزيعات التدفق 319

أسئلة ومشاكل 323

12 النقل الجماعي والتهوية 331

12.2.1 حساب معامل انتقال الكتلة 335

12.2.2 تأثيرات الأس الهيدروجيني على نقل الكتلة 336

12.3 التهوية في معالجة المياه ومياه الصرف الصحي 336

12.3.1 المخاطر المرتبطة بالأكسجين وأول أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين 338

12.4 تصميم أنظمة التهوية 339

12.4.1 مهويات الجاذبية 339

12.4.3 مهويات منتشرة 344

أسئلة ومشاكل 346

13 التخثر والتلبد 351

355- معالجة مخثرات الشب والحديد

13.2 الخلط وتبديد الطاقة 356

13.3.1 الخلاطات الميكانيكية 359

13.3.2 الخلاطات الهوائية 362

13.3.3 الخلاطات الهيدروليكية 363

المقاطع الفنتورية والقفزات الهيدروليكية 363

13.4.1 مجداف Flocculators 369

13.4.2 التوربينات التوربينية ذات العمود الرأسي 375

13.4.4 القنوات المحيرة 376

13.4.5 منقي تلامس الجوامد الصاعد 377

13.4.6 ألاباما فلوكولاتور 377

13.4.7 خزانات التدفق الحلزوني 378

13.4.8 Flocculators سرير الحصى 379

13.4.9 التلبد المثقل 380

أسئلة ومشاكل 382

14.1 مرشحات الرمال البطيئة والمرشحات السريعة 388

14.2 ترشيح المواد 389

14.2.1 حجم الحبوب وتوزيعها 389

14.3 فقدان الرأس في المرشحات 394

14.3.1 توزيع حجم الحبوب وخسارة الرأس 397

14.4 مرشحات الغسيل العكسي 398

14.4.1 إجمالي متطلبات الرأس للغسيل العكسي 400

الخسائر في الوسائط الموسعة 400

14.4.2 سرعة الغسيل العكسي 401

405- زراعة الشعر

14.5 دعم الوسائط والبنود التحتية في Rapid Filters 409

ميزات التصميم الأخرى للفلاتر 411

الغسل الإضافي وأنظمة التنظيف بالهواء 411

14.6 أسرة الترشيح الخاصة بمعالجة المياه والصرف الصحي 412

14.7 تجليد الهواء للفلاتر 415

14.8 بدائل الترشيح السريع 417

14.8.1 مرشحات متوسطة ومتعددة الوسائط 417

14.8.2 الترشيح بمعدل ثابت ومنخفض 417

14.8.3 الترشيح المباشر 418

14.10 مرشحات الرمال البطيئة 419

14.10.1 مرشحات الرمل البطيئة لمعالجة مياه الصرف الصحي الثالثة 421

14.11 الترشيح البيولوجي لمعالجة المياه 421

أسئلة ومشاكل 424

15 المعالجة الفيزيائية والكيميائية للمكونات الذائبة 431

15.2 تليين الجير و ndashSoda 433

15.2.1 طرق المعالجة لإزالة صلابة الجير والصودا 434

استعادة الجير والحد من الحمأة 441

15.3 منع التآكل في أنظمة إمداد المياه 441

15.3.1 المفهوم الخاطئ لمؤشر لانجيلير 443

15.4 إزالة الحديد والمنغنيز 447

15.4.3 عزل الحديد والمنغنيز 449

15.4.4 الإزالة البيولوجية للحديد والمنغنيز 449

15.5 إزالة الفوسفور من المياه العادمة بواسطة الترسيب الكيميائي 450

15.5.1 إزالة الفوسفور بواسطة الأنواع المتفاعلة كيميائياً 452

15.6 إزالة الزرنيخ والمعادن 453

15.7 عمليات الأكسدة المتقدمة 455

15.8.1 الألومينا المنشطة 457

15.8.2 إزالة الأمونيا والنترات بواسطة التبادل الأيوني 458

15.9 الفلورة وإزالة الفلورة 458

15.10 عمليات الغشاء 460

15.10.1 تقييم ملاءمة المياه لمعالجة الأغشية 466

15.10.2 التخلص من المركزات 468

15.10.3 أغشية معالجة المياه 468

أنظمة الترشيح الدقيق والترشيح الفائق 468

معالجة الترشيح النانوي والتناضح العكسي 469

15.11 امتصاص الكربون المنشط 472

15.11.1 تحضير وخصائص الكربون المنشط & ndash 473

15.11.2 متساوي حرارة الامتزاز 474

15.11.3 ممتزات الكربون المنشط الحبيبي 477

15.12 تصميم الممتزات ذات القاعدة الثابتة 478

15.12.1 صياغة معدل الامتزاز 479

15.12.2 نظرية أنظمة الامتزاز ذات السرير الثابت 480

السعة المستخدمة في منطقة الامتزاز 481

الامتزاز التنافسي 490

15.12.3 طريقة وقت الخدمة بعمق السرير 490

15.12.4 Rapid Small-Scale Column Tests 494

15.12.5 Granular Activated Carbon Reactors in Series 498

15.12.6 Design of a Suspended Media PAC or GAC Continuous Flow Reactor 498

Questions and Problems 499

16.1 Kinetics of Disinfection 510

16.2.1 Chemistry of Chlorine 512

16.2.2 Measurement of Free and Residual Chlorine 516

16.2.4 Drinking Water Disinfection by Chlorine 518

16.2.5 Wastewater Disinfection by Chlorine 519

16.2.6 Design of Contacting Systems for Chlorine 521

16.2.7 Disinfection as the Sole Treatment of Surface Water 521

16.2.8 Other Applications of Chlorine 522

16.4.1 Chlorine Dioxide Doses as a Primary Disinfectant 525

16.4.2 Chlorine Dioxide for Pre-disinfection or for Residual Disinfection 525

16.4.3 Generation of Chlorine Dioxide 526

16.5 Peracids: Peracetic Acid (PAA) and Performic Acid (PFA) 527

Kinetics of Disinfection Using PAA 528

Measuring PAA Residuals 529

Applications for Wastewater Disinfection 530

Chemical Disinfection Process Control 530

16.6.1 Determining the Appropriate Ozone Dose 532

16.6.2 Ozone Generation 533

16.6.3 Ozone Dissolution Systems 534

16.6.4 Ozone Contactor Basins 535

16.6.5 Ozone Chemistry: Mass Transfer Coefficients and Radicals Production 536

16.6.6 Ozone for Wastewater Disinfection 537

16.6.7 Ozone for Destruction of Micropollutants 538

16.7 Ultraviolet Radiation 538

16.7.1 Mechanism of UV Disinfection 538

16.7.2 Repair of UV Damage 539

16.7.4 Generation of Ultraviolet Light and Ultraviolet Reactors 541

16.7.5 Disinfection Kinetics 541

16.7.6 Disinfection Doses (or Fluences) 542

16.7.7 Determination of UV Fluence 542

16.7.8 Ultraviolet Reactors 545

16.8 Point-of-use Disinfectants: Solar Disinfection (SODIS), with or without Photoreactants such as TiO2 547

16.9 Disinfection Byproducts 548

16.9.3 Chlorine Dioxide 550

16.9.7 Comparative Risks 551

16.10 Disinfection to Combat Invasive Species 551

Questions and Problems 553

Section V: Biological Wastewater Treatment 565

17 Aerobic Biological Treatment: Biotreatment Processes 567

17.1 Microorganisms in Aerobic Biological Treatment 567

17.2 The Activated Sludge Process 568

17.3 Substrate Removal and Growth of Microorganisms 569

17.3.1 Substrate Removal 569

Temperature Dependence of Rate Coefficients 571

BOD, COD, and TOC Removal 571

17.3.2 Growth of Microorganisms and Biological Sludge Production 572

Sludge Composition and Nutrient Requirements 573

17.4 Activated Sludge Configurations 574

17.4.1 Definition of Symbols for the Activated Sludge Process Models 575

17.4.3 System Effluent and Waste Sludge Line 577

17.5.1 Physical Concentration of Solids in the Bioreactor 578

17.5.2 Solids Retention Time 580

17.5.3 Sludge Volume Index 580

17.5.4 CM Reactor Without Recycle 582

17.5.5 CM Reactor with Recycle 585

17.5.6 Application of the Basic Model in the Historical Context 586

Frailties of the Historical Models 590

17.5.7 Matrix Representation of the Basic (Soluble Substrate) Model 591

17.5.8 The Rate of Recycle 593

17.5.9 Food-to-Microorganism Ratio and SRT 594

17.6 Advanced Model for Carbon Removal 596

17.6.1 Total Effluent COD from the Process 599

17.6.2 Removal of Influent Particulate Organic Matter 599

17.6.3 Estimation of Parameters and Calibration of the Advanced Model 600

17.6.4 Calibration of Models to Existing Data 602

17.7 Sludge Production in Activated Sludge Systems 604

17.8 Plug Flow Activated Sludge Treatment 607

17.9 Variations of the Activated Sludge Process 609

17.9.1 Sequencing Batch Reactors 609

17.9.2 Extended Aeration 612

17.10 Other Activated Sludge Process Variations 613

17.10.1 Pure Oxygen Activated Sludge Process 615

17.10.2 Powdered Activated Carbon Activated Sludge Process 615

Design Parameters and Operating Conditions for Activated Sludge Processes 615

17.11 Design of Activated Sludge Processes for Nitrogen and Phosphorus Removal 616

17.11.1 Nitrogen Transformations 616

Nitrogen Removal&ndashDenitrification 621

17.11.2 Advanced Denitrification Processes 626

17.11.3 Enhanced Phosphorus Uptake 628

Fermentation of Primary or Activated Sludge 630

Phostrip and Bardenpho Bio-P Processes 632

17.12 Operating Characteristics of Activated Sludge Processes 632

17.12.1 SRT and Characteristics of Waste Activated Sludge 632

17.13 Granular Activated Sludge and Membrane Processes 634

17.13.1 Granular Activated Sludge Processes 634

17.13.2 Membrane Activated Sludge Processes 635

Design of Submerged Membrane Reactors 637

17.14 Fixed-Film Activated Sludge Processes 639

17.14.1 Integrated Fixed-Film Activated Sludge and Moving Bed Bioreactor Processes 639

17.14.2 Biologically Activated Filters 645

Design of Biological Active Filters 647

17.14.3 Rotating Biological Contact Units 648

17.15 Fixed-Film Trickling Filter Processes 650

17.15.1 Trickling Filters 650

Sludge Production from Trickling Filters 656

Air Supply in Trickling Filters 656

Operation of Trickling Filters 660

17.15.2 Hydraulic Design of Distributors for Trickling Filters 660

17.16 Oxygen Uptake in Activated Sludge Processes 663

17.17 Metals Removal in Activated Sludge Processes 664

17.18 Aerobic Sludge Digestion 664

17.18.1 Model for Aerobic Sludge Digestion 665

Oxygen Uptake in Aerobic Digestion 668

Rate Constants and Sludge Degradability 668

17.18.2 Thermophilic Aerobic Digestion 669

Pre-treatment for Aerobic Sludge Digestion 672

17.18.3 Indicator Microorganism Reduction in Aerobic Digestion 672

Questions and Problems 673

18 Aerobic Biological Treatment: Other Process Operations 689

18.1 Aeration in Biological Wastewater Treatment 689

18.1.1 Aeration Devices in Wastewater Treatment 692

Surface and Other Aerators 692

18.2 Post-aeration Systems for Wastewater Treatment 697

18.2.1 Diffused Aeration Systems 697

18.3 Type III Sedimentation: Zone Settling 700

18.3.1 Design of a Basin for Type III Sedimentation 703

18.3.2 Secondary Clarifier Design 708

18.3.3 Modeling for Secondary Clarifier and Operation 709

18.3.4 Membrane Separation of Solids 711

18.4 Sludge Settling Problems and Foaming 712

18.4.2 Selectors and Process Operating Conditions 713

Questions and Problems 715

19 Anaerobic Wastewater Treatment 721

19.1 Anaerobic Metabolism 722

19.1.2 Acid Formation: Acidogenesis and Acetogenesis 723

19.1.4 Other Metabolic Pathways 725

19.1.5 Environmental Variables 725

Oxidation&ndashReduction Potential 725

Ammonia and Sulfide Control 726

Nutrient Requirements 727

19.2 Process Fundamentals 727

19.2.1 Solids Yield and Retention Time 727

19.2.2 Biogas Potential 729

Biochemical Methane Potential and Anaerobic Toxicity Assay 729

Methane Production in Anaerobic Treatment 730

19.3.1 Definition of Symbols for the Anaerobic Models 733

19.3.2 General Model for an Anaerobic Process 734

Anaerobic Reactor Receiving Only Particulate Substrate 734

Anaerobic Reactor Receiving Only Soluble Substrate 737

The Traditional Digester Sizing Equation for Anaerobic Sludge Digesters 737

19.3.3 Advanced Model for an Anaerobic Process 740

Substrate Removal and Biomass Accumulation 741

Temperature Effects on Rate Coefficients 747

19.4 Misconceptions and Barriers about Anaerobic Treatment 747

19.5 Anaerobic Treatment Processes 750

19.5.1 Conventional Anaerobic Treatment 750

19.5.3 Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor 754

19.5.4 Fixed-Film Reactors 756

Upflow Fixed-Film Reactors 757

Downflow Fixed-Film Reactors 758

Fluidized Bed Reactors 759

19.5.5 Two-Phase Anaerobic Digestion 759

19.5.6 Thermophilic Digestion 760

19.5.7 Membrane Anaerobic Treatment 760

19.5.8 Pre-treatment of Sludge for Anaerobic Digestion of Biosolids 760

19.6 Anaerobic Digestion of Municipal Solid Waste 762

19.7 Process Stability and Monitoring 763

19.7.1 Chemical Precipitation Problems in Anaerobic Digesters 764

19.7.2 Recovery of Nutrients through Struvite Harvesting 764

19.7.3 Sludge Production 766

19.7.4 Anaerobic Treatment of Low-Strength Wastes 766

19.8 Comparison of Anaerobic and Aerobic Treatment Processes 767

19.8.1 Pollutant Removal Efficiency 768

19.8.2 Number and Size of Operations 768

19.8.3 Energy and Chemical Inputs 769

19.9 Energy Assessment of Anaerobic and Aerobic Treatment 774

Anaerobic Versus Aerobic Treatment 776

Calculation of the Energy Potential of a Waste 777

19.10 Pathogen Reduction in Anaerobic Processes 777

Questions and Problems 778

20 Treatment in Ponds and Land Systems 789

20.1 Overview of Stabilization Ponds 789

20.1.2 Pond Effluent Quality 791

20.3 Design of Pond Systems 795

20.3.1 Design of Ponds in the Far North 796

20.3.2 Models for Facultative Ponds 798

20.3.3 Nitrogen and Phosphorus Removal 798

20.3.4 Heat Balance for Ponds 799

20.4 Removal of Suspended Solids from Pond Effluents 800

20.5 Indicator Microorganism Die-off in Ponds 801

20.7 Treatment of Wastewater in Land Systems 804

20.7.1 Land Treatment of Wastewater 804

Measurement of Hydraulic Conductivity 805

Wastewater Constituents Influencing Land Treatment 807

20.7.2 Slow Rate Land Application Systems 807

20.7.3 Soil Aquifer Treatment 814

20.7.4 Overland Flow Systems 815

Questions and Problems 817

Section VI: Final Disposal and Impact Analysis 823

21 Sludge Processing and Land Application 825

21.1 Sludge Characteristics and Conditioning 825

21.2 Sludge Generation and Treatment Processes 828

21.3 Sludge Conditioning 833

21.4 Sludge Thickening 836

21.4.1 Gravity Thickening 836

21.4.2 Flotation Thickening 837

21.5 Mechanical Sludge Dewatering 839

21.5.2 Vacuum Dewatering 843

21.5.3 Plate Pressure Filters 846

21.6 Land Application of Sludge 847

Questions and Problems 854

22 Effluent Disposal in Natural Waters 859

22.1 Pollutants in Natural Waters 859

22.1.1 Water Quality Indices 859

Fish Survival and Temperature 862

Nutrient Loadings to Lakes 864

22.2 Loading Equations for Streams 865

22.2.1 Pollutant Decay in Streams 865

22.2.2 Conservative Substance 866

22.2.3 Substances That Are Transformed by One Reaction 866

22.3 Dissolved Oxygen Variation in a Stream 870

22.3.1 Nitrification in Natural Waters 873

22.3.2 Factors Affecting the Dissolved Oxygen Sag Curve 874

22.3.3 The Reaeration Rate Coefficient 877

22.3.4 Reaeration at Dams 878

22.4 Combined Sewer Overflows Abatement 878

Questions and Problems 881

23 Life Cycle Analysis 887

23.1 Historical Development of LCA 888

23.2 Why Use LCA What Are the Objectives What Are Its Benefits and What Does It Not Do? 888

23.3 ISO Standards 14040 and 14044 889

23.4 Definitions of Terms in ISO 14040 and 14044 889

23.5 Principles Established by ISO 14040 890

23.6 Key Components of the ISO Standards 891

23.6.2 System Boundaries 892

Life Cycle Inventory Analysis 893

23.6.3 Life Cycle Impact Assessment 894

Selection of Impact Categories, Category Indicators, and Characterization Models 894

Assignment of LCI Results to the Selected Impact Categories (Classification) 895

Calculation of Category Indicator Results (Characterization) 895

Characterization Factors, Midpoints and Endpoints 896

Optional Elements of the LCIA 897

23.6.4 Limitations of LCIA 898

23.7 Software and Databases 899

23.8 Examples of Case Studies of LCA in Water and Wastewater Treatment Projects 899


The hydrous properties of subcontinental lithospheric mantle: Constraints from water content and hydrogen isotope composition of phenocrysts from Cenozoic continental basalt in North China

To investigate the hydrous properties of subcontinental lithospheric mantle, phenocrysts from Cenozoic continental basalt in North China were analyzed by FTIR for structural hydroxyl content and by TC/EA-MS for total water content and hydrogen isotope composition. The concentration of structural hydroxyl, while not detectable in olivine, ranges from 62 to 913 ppm in clinopyroxene phenocrysts. Both olivine and clinopyroxene phenocrysts exhibit high total water contents, indicating the presence of molecular water as nanoscale inclusions. The majority of clinopyroxene phenocrysts contain less total water than olivine phenocrysts, and all the clinopyroxene phenocrysts exhibit higher δD values than olivine phenocrysts, suggesting that the molecular water in olivine is rather D-poor. The phenocryst minerals exhibit δD values of −145‰ to −94‰ that are negatively correlated with their total water contents.

The initial basaltic melt is inferred to contain 0.6 wt% total water, which increases to 3.5–6.7 wt% due to fractional crystallization, rendering the melt water-saturated in the late stage of its evolution. Also during this process, structural hydroxyl in the melt is partly converted to molecular water, leading to the depletion of D in the phenocrysts and the systematic variation of structural hydroxyl content with the Mg number of clinopyroxene. The mantle source of the basaltic melt is inferred to have a structural hydroxyl content of 290 ppm, which is slightly higher than that of MORB-type mantle but similar to that of OIB-type mantle. Thus, we suggest that the subcontinental lithospheric mantle of North China is rather hydrous and D-depleted, probably due to the entrainment of recycling subducted crustal material.


شاهد الفيديو: ضباط أردنيون يسكبون الماء على ولي العهد (شهر اكتوبر 2021).