Schéma rovnovážného modelu Environmental Compartments

Prezentace na téma: "Schéma rovnovážného modelu Environmental Compartments"— Transkript prezentace:

1 Schéma rovnovážného modelu Environmental Compartments

2 Schéma životního cyklu plynných kontaminantů

3 Procesy vedoucí k atmosférické depozici

4 Schéma rozdělení atmosférické depozice

5 Procesy, které ovlivňují složení vodních kapek

6 Depoziční cesty hlavních kyselinotvorných plynů a amoniaku

7 Rozpouštění plynů v kapalinách
Rozpouštění plynů je rovnovážný proces, který závisí na tlaku rozpouštěného plynu. Při konstantní teplotě je počet molekul, které přecházejí z plynné fáze do roztoku stejný jako počet molekul, které přecházejí opačným směrem. Zvýšení tlaku vede ke zvýšení rozpustnosti:

8 Henryho zákon Distribuci plynných látek mezi plynnou fázi a rozpouštědlo (zpravidla vodu) popisuje distribuční koeficient Kaw = C(air)/C(aq) kde C(air) je koncentrace příslušné látky ve vzduchu a C(aq) ve vodě. C(air) lze vypočítat ze stavové rovnice C(air) = ni/V = pi/RT ni je látkové množství příslušné látky v objemu V vzduchu a pi její (parciální) tlak, pro který platí pi = xip kde p je (celkový) tlak vzduchu a xi molární zlomek příslušné látky ve vzduchu. Pokud je látka pod svým kritickým bodem a pokud je vodný roztok látkou nasycen, tedy C(aq) = CS, je tento tlak roven tlaku nasycené páry příslušné látky - pS Běžnější vyjádření Henryho konstanty H se používá ve tvaru H = pS / CS = ( pi/C(aq) ) = Kaw RT

9 Rozpouštění plynů v kapalinách – příklad
Vypočítejte rozpustnost kyslíku ve vodě při 25°C (H = Pa m3 mol-1) O2 ve vzduchu = 20,95 % (objemová, resp. molární procenta) PO2 = 0,2095 patm C[O2 aq] = pO2 / H normální tlak = 105 Pa = 1 bar = 1 atm = 760 mm Hg (torr) (přepočty na atm nejsou zcela přesné) pO2 = 0, = ·104 Pa C[O2 aq] = pO2 /H = 2,7 10–4 mol/l

10 Tlak nasycené páry Tlak, který změříme nad čistou kapalnou látkou v uzavřeném systému, kde je v rovnováze se svojí párou. Pro závislost tlaku nasycených par (tenze) par na teplotě se používá řada empirických vztahů, jde o často experimentálně určovanou veličinu. Antoineova rovnice kde A, B, C jsou konstanty určené na základě experimentálních dat a platí jen v teplotním intervalu ze kterého byly určeny. Používá se v rozmezí tlaků kPa.

11 Tlak nasycené páry – měření statickou metodou
Tlak nasycené páry (tenze) je tlak páry v rovnovážném systému ve kterém látka existuje v kapalné i plynné fázi. H2O (l) H2O (g) počátek rovnováha

12 Fázový diagram jednosložkového systému (vody)

13 Závislost rozpustnosti plynů na vnějších podmínkách
Vliv tlaku Plyne z Henryho zákona: koncentrace rozpuštěného plynu je přímo úměrná parciálnímu tlaku plynu v atmosféře. Protože atmosférický tlak je v podstatě konstantní, záleží jednoduše na množství – čím více je plynu v atmosféře, tím více se ho také rozpustí ve vodě Vliv teploty Souvisí s teplotní roztažností plynů tj. se stavovou rovnicí: čím vyšší teplota, tím více dochází k rozpínání plynů, sníží se jejich koncentrace ve vzduchu a tedy i rozpustnost ve vodě. Zároveň s teplotou roste hodnota Henryho konstanty a tudíž klesá rozpustnost Přítomnost solí ve vodě Plyny jsou z roztoku „vysolovány“: čím je vyšší salinita vody, tím méně se v ní budou plyny rozpouštět Chemické reakce ve vodě Pokud rozpuštěný plyn reaguje s vodou, množství rozpuštěného plynu se zvýší

14 Kyslík ve vodě Kyslíková rovnováha je dána na jedné straně deoxygenací (aerobní procesy při biochemickém rozkladu organických látek) a na druhé straně reaerací (rozpouštění kyslíku ze vzduchu, pokud je ho ve vodě méně než rovnovážné množství). Rovnovážné množství závisí na teplotě a aktuální koncentrace kyslíku také na rychlosti, jakou se kyslík rozpouští. Rovnovážné množství rozpuštěného kyslíku v závislosti na teplotě (mg/l) t(°C) O2(mg/l) při koncentraci pod 4 mg/l hynou ryby a vodní organismy

15 Nerovnovážná dynamika rozpouštění plynů: kyslíková křivka

16 Reareační procesy Rychlost rozpouštění kyslíku závisí na vodní ploše: Klidná hladina přijímá 1.4 mg O2 na m2 / den Zčeřená hladina přijímá 5.5 mg O2 na m2 / den Prudce zčeřená hladina přijímá 50 mg O2 na m2 / den Rychlost reareace exponenciálně závisí na kyslíkovém deficitu – výše uvedené údaje odpovídají ustálenému stavu. Kyslíkový deficit zvyšuje náhlé zvýšení kontaminace a zvýšená teplota.

17 Kontrolní otázky a cvičení
Očekáváte že rozpustnost metanu ve vodě bude při 40°C vyšší, nižší nebo téměř stejná jako při 20°C? Zdůvodněte. Pro analýzu kontaminované vody metodou head-space bylo umístěno 20 mL vzorku vody do vzorkovnice o objemu 42 mL a vzorek se nechal temperovat na teplotu 25 °C po dobu 24 hodin. Koncentrace benzenu ve vzorku byla stanovena pomocí metody SPME a GC. Určete rovnovážnou koncentraci benzenu v plynné fázi, jestliže naměřená koncentrace benzenu ve vzorku vody byla 60 µg/L. Data: molární hmotnost benzenu je 78,1 g/mol, H = 557 Pa·m3/mol CCl4 má molární hmotnost 154 g/mol, tlak nasycených par 0,12 bar a rozpustnost 800 mg/dm3 (vše při 20°C). Vypočítejte Henryho konstantu (Pa·m3/mol)

18 Expoziční limit pro CCl4 je 30 mg/m3, Henryho konstanta 29,4 atm·dm3/mol. Odpadní voda obsahující CCl4 je v nádržích uvnitř uzavřené haly (teplota 20°C). Za předpokladu rovnováhy mezi odpadní vodou a vzduchem v hale vypočítejte, jaká je nejvyšší přípustná koncentrace CCl4 v odpadní vodě (aby nebyl překročen expoziční limit ve vzduchu). K předchozí úloze: Získali jste informaci o koncentraci CCl4 v odpadní vodě: 125 mg/dm3. Objem odpadní vody je 500 m3, objem vzduchu 750 m3. Vypočítejte rovnovážnou koncentraci CCl4 ve vzduchu.