Процессы закисления поверхностных водоемов

. .

Н : О : Н

. .

Восемь электронов внешнего электронного слоя атома кислорода образуют четыре электронные пары, две из которых создают ковалентные связи О-Н, а две другие представляют собой неподеленные электронные пары. Вследствие смещения электронов, образующих связи О-Н, к атому кислорода атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды. Неподеленные электронные пары также смещены относительно ядра атома кислорода и создают два отрицательных полюса.

Измерения молекулярной массы жидкой воды (18,016) показали, что она выше молекулярной массы воды в парообразном состоянии; это свидетельствует об ассоциации молекул – объединении их в сложные агрегаты. Это явление подтверждается и аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды. Ассоциация молекул воды обусловлена образованием водородных связей. В твердом состоянии атом кислорода каждой молекулы воды образуют две водородные связи с соседними молекулами.

Чистая природная вода - жидкость без запаха, вкуса и цвета. По сравнению с другими химическими соединениями вода обнаруживает необычные отклонения по ряду физических свойств – плотности, удельной теплоемкости, вязкости и др.

При нагревании воды происходит разрыв водородных связей и уменьшается степень ассоциации молекул воды. Большое значение имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью – 4,18 ДЖ/(г*К). Высокая теплоемкость воды есть следствие расхода части теплоты на разрыв водородных связей. В природных условиях вода медленно остывает и медленно нагревается, являясь регулятором температуры на Земле.

Температура кипения воды находится в прямой зависимости от давления – чем оно выше, тем выше температура кипения.

Вязкость (способность жидкости оказывать сопротивление различным формам движения) воды закономерно изменяется в зависимости от температуры : уменьшается с ее возрастанием. С повышением концентрации растворенных в воде солей вязкость воды увеличивается. В тоже время действие давления на вязкость воды довольно специфично: с понижением температуры при умеренном давлении вязкость снижается.

Поверхностное натяжение воды с увеличением температуры уменьшается. Такое поверхностное натяжение обеспечивает подъем уровня воды в капиллярной трубке диаметром 0,1 мм на 15 см при t=18 ^оС. При добавлении солей поверхностное натяжение воды возрастает, но незначительно.

Вследствие асимметрического строения молекула воды обладает резко выраженным дипольным характером, т.е. в молекуле не совпадают центры тяжести положительных и отрицательных зарядов. Дипольный характер молекул воды способствует образованию так называемых продуктов присоединения: к молекулам воды присоединяются молекулы веществ ионного строения или же не ионного, но с выраженным дипольным характером.

Относительная диэлектрическая постоянная воды равна 80 – это очень высокая величина, чем и объясняется такая большая ионизирующая сила воды.

Оптические свойства воды оцениваются по ее прозрачности, которая в свою очередь зависит от длины волны луча, проходящего через воду.

Вода - термически устойчивое вещество. Она выдерживает нагревание до температуры 1000^оС и лишь при температуре выше 1000^оС частично разлагается на водород и кислород. Термическое разложение (диссоциация) воды протекает с поглощением теплоты, а согласно принципу Ле Шателье, чем выше температура, тем больше степень диссоциации.

Вода – весьма реакционно способное вещество. Она реагирует с оксидами многих металлов ( Na₂O, CaO и др.) и неметаллов ( Cl₂O, CO₂ и др.), образуя кристаллогидраты с некоторыми солями [Al₂(SO₄)₃*18H₂O], вступает во взаимодействие с активными металлами (Na,K и др).

Вода - катализатор многих химических реакций, и иногда для прохождения реакции необходимо хотя бы ее следы.

Обладая дипольным характером, вода является растворителем. Раствором называется твердая или жидкая гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов. Наиболее распространенными являются жидкие растворы, когда одним из компонентов системы является жидкость, а из всех жидких растворов первостепенное значение имеют водные растворы. Энергия образования молекул воды высока, она составляет 242кДж/моль. Этим объясняется устойчивость воды в природных условиях. Устойчивость в сочетании с электрическими характеристиками и молекулярным строением делают воду практически универсальным растворителем для многих веществ.

Химически чистая вода очень плохо проводит электрический ток, но все же обладает некоторой электропроводностью, так как она способна в очень незначительной степени диссоциировать на ионы водорода и гидоксил-ионы: Н₂О Û Н⁺ + ОН^-

Так как скорость химической реакции прямо пропорциональна действующим массам, т.е. концентрациям реагирующих веществ, поэтому можно написать:

V₁ = k₁[H₂O] и v₂ = k₂[H+]*[OH-]

Для воды и разбавленных растворов при неизменной температуре произведение концентраций ионов водорода и гидроксил-ионов есть величина постоянная. Растворы, в которых концентрация ионов водорода и гидоксил-ионов одинаковы, называются нейтральными растворами. Если в растворе [H+] > [OH-] и, следовательно , [H+] > [10 –7] моль/л, то такой раствор называется кислым, а если [H+] < [10-7] моль/л, то раствор называется щелочным. Большинство химических элементов образует более растворимые соединения в кислых средах и менее растворимые в нейтральных. Некоторые элементы образуют легкорастворимые соединения в щелочных растворах. Так, двухвалентное железо может находиться в растворе в менее кислых водах, чем трехвалентное. Гидроксиды магния выпадают из раствора только в сильнощелочных водах. Важной характеристикой миграционной способности элементов является «рН начала выпадения гидроксида». То есть та величина рН раствора, при которой из раствора начинается выпадение гидроксида данного элемента. Эта величина зависит как от свойств самого элемента, так и от условий внешней среды. Например, для большинства элементов с повышением температуры рН осаждения гидроксида повышается. Поэтому в ландшафтах жаркого климата миграционная способность элементов в водной среде может быть более высокой, чем в условиях низких температур.

Среди аномальных свойств воды, играющих важную роль в поддержании жизни на нашей планете, следует отметить:

1. Аномальный вид температурной зависимости плотности воды. Максимум плотности воды наблюдается при температуре около 4^оС. Благодаря этому с наступлением морозов поверхностный слой воды охлаждается до 4^оС и как более тяжелый опускается на дно водоема, вытесняя более теплые и легкие слои на поверхность. В дальнейшем, когда весь водоем охладится до 4^оС, будет охлаждаться только поверхностный слой , который, как более легкий, будет оставаться на поверхности водоема. Лед и покрывающие его снег являются хорошей защитой водоема от промерзания, так как обладают малой теплопроводностью (теплопроводность снега при плотности 0,1 г/см³ соответствует теплопроводности шерсти, а при плотности 0,2 г/см³ – теплопроводности бумаги). Все это в целом способствует сохранению жизни в водоемах в зимнее время.

2. Теплоемкость воды. Величина теплоемкости воды выше, чем у всех твердых и жидких веществ, за исключением жидкого аммиака и водорода. Благодаря огромной теплоемкости, океаны сглаживают колебания температуры, и перепад температур от экватора до полюса составляет всего 30^оС.

3. Теплота плавления. Значение теплоты плавления воды, равное 6,012 кДж/моль, является наиболее высоким среди твердых и жидких тел, за исключением аммиака и водорода. Благодаря высокой теплоте плавления, на Земле сглаживаются сезонные переходы: весну и осень можно рассматривать как фазовый переход воды. Сравнительно легко нагреваясь или охлаждаясь до 0^оС, вода, снег и лед для перехода в другое фазовое состояние требуют значительных расходов энергии. Поэтому эти переходы обычно растягиваются во времени. Следует отметить, например, что при замерзании 1 м³ воды выделяется столько же тепла, сколько при сжигании примерно 10 кг угля.

4. Теплота испарения. Наибольшее значение теплоты испарения приводит к тому, что большая часть солнечной энергии, достигающей Земли, расходуется на испарение воды, препятствуя перегреву ее поверхности. При конденсации паров воды в атмосфере происходит выделение этой энергии, которая может переходить в кинетическую энергию воздуха, вызывая ураганные ветры.

5. Поверхностное натяжение. Максимальное, за исключением ртути, поверхностное натяжение воды приводит к появлению ряби и волн на водной поверхности уже при слабом ветре. В результате этого резко возрастает площадь водной поверхности и интенсифицируются процессы теплопередачи между атмосферой и гидросферой. С высоким поверхностным натяжение воды связаны и капиллярные силы, благодаря действию которых вода способна подниматься на высоту до 10-12 метров от уровня грунтовых вод.

6. Диэлектрическая постоянная. Диэлектрическая постоянная имеет аномально высокое значение. Это определяет самую большую растворяющую способность воды по отношению к веществам с полярной и ионной структурой. Поэтому в природе нет химически чистой воды. Мы всегда имеем дело с ее растворами.

ЩЕЛОЧНОСТЬ ПРИРОДНЫХ ВОД

Одной из важнейших особенностей большинства природных вод является способность нейтрализовать ионы водорода. Эта способность называется щелочностью воды и определяется экспериментально при титровании пробы воды сильной кислотой в присутствии фенолфталеина и затем метилоранжа.

Основными компонентами, ответственными за процессы связывание водорода, в большинстве природных вод являются ионы НСО₃-, СО₃^2- и ОН^- . Другие ионы (органические кислоты, фосфаты, и т.д.) вносят незначительный вклад в процессы нейтрализации ионов водорода и начинают играть определенную роль лишь после связывания бикарбонат-ионов.

С учетом всех составляющих водных систем , схематически выражение общей щелочности имеет следующий вид:

Alk _общ = [HCO₃^-] + 2[CO₃^2-] + [H₂BO₃^-] + [HSiO₃^-] + [H₂PO₄^-] + 2[HPO₄^2-] + [HS^-] + [OH^-] – [H⁺]

Гидросульфидную щелочность необходимо учитывать при наличии анаэробных условиях. При максимальном содержании фосфатов в воде океанов 3,2 мкмоль/л и рН =8 фосфатная щелочность не может превысить 0,003, т.е ее значение перекрывается погрешностью определения общей щелочности. Максимально возможная силикатная щелочность составляет 0,011 мкмоль/л. Т.о. обобщенная формула щелочности для аэробных условий приобретает вид

Alk _общ = Alk _карб. + Alk _бор. + Alk _общ + Alk _х

Главный вклад в общую щелочность вносят карбонатная и боратная составляющие. Сумма других компонентов, как правило, близка к погрешности.

Боратная щелочность рассчитывается на основе закона действия масс, исходя из связи суммы растворенных соединений бора (H₃BO₃ + H₂BO₃^-) с хлорностью морской воды. Борная кислота диссоциирует по двум ступеням:

H₃BO₃ Û H₂BO₃^-+ Н⁺ Û H⁺ + HBO₃^2-

Но в условиях океана диссоциация по второй ступени пренебреима мала.

Пределы изменчивости общей щелочности в океане сравнительно узки (2,20 – 2,50). Alk _общ зависит от солености воды, поскольку гидрокарбонатные и боратные ионы относятся к компонентам основного солевого состава, но она отражает также и процессы , меняющие состав воды: биологическое удаление или растворение карбоната кальция, поступление материковых вод с иным, чем в океане, соотношением главнейших ионов, образование и таяние льдов.

Изменения щелочности в океанах зависят от следующих факторов:.

1. поступление карбонатов с речным стоком, отчего в приустьевых участках Alk/Cl резко возрастает;

2. извлечение планктонов карбонатов из воды поверхностных слоев низких и средних широт с частичным переходом карбонатсодержащего детрита в донных осадках (уменьшение Alk/Cl);

3. растворение карбонатного детрита в промежуточных слоях океана и карбонатных донных осадках в области недонасыщенных СаСО₃ придонных вод (увеличение Alk/Cl);

4. хемогенное осаждение СаСО₃ и частично MgCO₃ на прогретых мелководьях (уменьшение Alk/Cl);

5. в анаэробных условиях восстановление SO₄^2- до H₂S при одновременном образовании НСО₃^-;

6. образование и таяние льдов, когда по мере нарастания льда хлориды из него вымываются, а карбонаты в нем накапливаются, выпадая из рассола в ячейках льда

Величина щелочности природных вод имеет большое значение и с точки зрения фотосинтеза, протекающего в водоемах. При связывании углерода и синтезе органических соединений, в случае отсутствия дополнительного поступления углекислого газа, в растворе неизбежно поднимется рН, а количество синтезируемых органических соединений зависит от содержания СО₂ и НСО₃^- в растворе или от его щелочности. Поэтому часто щелочность природных водоемов используют в качестве сравнительной характеристики при оценке продуктивности водоемов.

Процессы закисления поверхностных водоемов

Выпадение атмосферных осадков с повышенным по отношению к равновесному содержанием ионов водорода может привести к серьезным изменениям в состоянии поверхностных водных системах озера и пруда. В водоеме можно выделить несколько этапов процесса их закисления. На первом, несмотря на поступление кислых осадков, рН практически не меняется. Ионы бикарбоната. Присутствующие во всех поверхностных водоемах, успевают полностью нейтрализовать поступающие ионы Н⁺: НСО₃^- + Н⁺ → Н₂О + СО₂

Так продолжается до тех пор , пока общая щелочность воды в водоеме не упадет примерно в 10 раз до величины менее 0,1 моль/л. В этом случае в период наиболее интенсивного поступления кислых вод в водоем (осень – обильные дожди и , особенно, весна – таяние снега) возможны значительные отклонения в величине рН поверхностных водоемов. Эти отклонения носят пока выраженный характер и с прекращением интенсивного поступления кислых осадков водоем переходит в обычное состояние, рН поднимается до первоначальных значений. Но даже эти кратковременные изменения чрезвычайно опасны для водных экосистем, поскольку их сроки совпадают с периодами размножения отдельных видов водных организмов. В этом случае изменение рН может привести к нарушению репродукционных функций отдельных организмов или нарушить процесс воспроизводства для определенных популяций. На первом этапе закисления могут погибнуть все земноводные организмы, которые особенно чувствительны к рН.

На второй стадии закисления водоема рН воды обычно не поднимается выше 5,5 в течение всего года; о таких водоемах обычно говорят как об умеренно кислых. На этом этапе закисления происходят значительные изменения в видовом составе живых организмов.

На третьем этапе закисления рН водоемов стабилизируется на значениях рН< 5 ( обычно рН= 4,5), даже если атмосферные осадки имеют более высокие значения рН. Это связано с присутствием гумусовых веществи соединений алюминия в водоемах и почвенном слое. Гумусовые соединения в основном представлены в водоемах растворами слабых органических кислот. Связывая или выделяя ионы Н⁺, эти кислоты стабилизируют значение рН в водоеме. Этому способствуют и соединения алюминия, практически всегда присутствующие в почве. При растворении или осаждении соединений алюминия также происходит связывание или выделение ионов водорода.

Системы природных вод

Карбонатная системаНеорганические соединения углерода находятся в гидросфере в виде угольной кислоты и ее производных. К ним относятся СО₂, угольная кислота – Н₂СО₃ и карбонат- ионы – СО₃^2-. Эти соединения между собой взаимозависимы и все вместе образуют карбонатную систему.

Карбонатная система представляет собой один из самых сложных комплексов природных равновесий и определяет характер целого ряда процессов и явлений. Растворение и гидролиз карбонатов обусловливают появление в растворе всех производных угольной кислоты, связанных последовательной системой равновесий:

Диссоциация

----------------------à

СО₂ (атм)

↓↑

СО₂ (раств) + Н₂О ↔ Н₂СО₃

↓↑

↓↑ Н⁺ + НСО₃^-

ОН^- + { ↓↑

Н⁺ + СО₃ ^2- + Са²⁺ ↔ СаСО₃ (раств)

↓↑

СаСО₃ (тв.)

Гидролиз

ß-----------------------

Природная карбонатная система водных масс гидросферы стабилизируется, с одной стороны, содержанием СО₂ в атмосфере, с другой - малой растворимостью СаСО₃ – наименее растворимой соли во взвесях или в донных осадках. При добавлении в раствор или удалении из него СО₂ и СаСО₃ будут меняться сумма производных угольной кислоты и соотношения между ними.

Все формы производных угольной кислоты одновременно существуют в растворе, причем соотношения между ними меняются в зависимости от условий. Исходя из двухступенчатой схемы диссоциации угольной кислоты: СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^- ↔ Н⁺ + СО₃^2-

Общее содержание компонентов карбонатной системы :

Σ _СО2 = [СО₂ + Н₂СО₃] + [НСО₃^-] + [СО₃^2-]

Основным фактором, от которого зависит состояние карбонатных равновесий, является СО₂.

С удалением СО₂ из воды (фотосинтез) растет рН, увеличивается концентрация СО₃^2- и уменьшается концентрация НСО₃^-. Добавление СО₂ приводит к снижению рН, уменьшению концентрации СО₃^2- и повышению концентрации НСО₃^-. Нагревание воды приводит к сдвигу карбонатных равновесий в сторону увеличения концентрации СО₃^2- и снижению концентрации НСО₃^- и молекулярной СО₂.

Фосфатная система. Растворение и гидролиз солей фосфорной кислоты формирует в гидросфере весьма сложную фосфатную систему, которая описывается ступенями диссоциации фосфорной кислоты:

Н₃РО₄ ↔ Н⁺ + Н₂РО₄^- ↔ Н⁺ + НРО₄^2- ↔ Н⁺ + РО₄^3-

В растворе одновременно присутствуют все производные фосфорной кислоты, но при малых концентрациях неорганического фосфора в аэробных условиях гидросферы соотношения между производными фосфорной кислоты диктуется значениями рН, создаваемыми в первую очередь карбонатной системой.

При сравнении констант диссоциации фосфорной кислоты, преобладающей формой является анион НРО₄^2-, некоторое значение имеют анионы Н₂РО₄^- и РО₄^3-, а концентрация Н₃РО₄ пренебрежима мала.

Сероводородная система. Сероводородная система возникает как следствие прямой диссоциации Н₂S на гидросульфидные и сульфидные ионы: Н₂S ↔ H⁺ + HS^- ↔ H⁺ + S^2-

Химическому анализу поддается только сумма всех производных сероводорода :

Σ _Н2S ↔ [Н₂S] +[HS^- ] + [ S^2-]

а концентрации отдельных производных рассчитываются по закону действия масс.

До настоящего времени еще отсутствую точные сведения о зависимости констант диссоциации сероводородной кислоты от разных температур и соленостей гидросферы.

Расчеты для глубин Черного моря показали : от общей суммы (Σ _Н2S) на HS^- приходится 83-89%, на Н₂S – 8-18%, на долю S^2- - около 0,01%.

Константы диссоциации Н₂S меньше констант диссоциации Н₂СО₃. Это приводит к тому, что появление сероводорода в воде вызывает некоторое понижение концентрации водородных ионов и соответствующее повышение рН.

ХИМИЗМ ВОДЕЙСТВИЯ ВОДЫ НА МАТЕРИАЛЫ

В процессе водоподготовки и очистки самые различные материалы постоянно контактируют с водой. Это – материалы, применяемые для строительства гидротехнических сооружений и сооружений водопровода и канализации. Материалы трубопроводов, транспортирующих воду различного состава, материалы машин и механизмов, охлаждаемых водой и т.д. В практике водоснабжения и канализации широко применяются чугун, сталь и железобетон. Активное воздействие воды на эти материалы проявляется в коррозии металлов.

Коррозией называется процесс разрушения поверхности металла в результате химического или электрохимического воздействия на нее окружающей среды.

Химически чистая вода – очень слабый электролит. Электропроводность природных и сточных вод значительно выше, т.к. они содержат достаточно много разнообразных солей, диссоциирующих в воде на ионы.

Электропроводность металлов объясняется наличием в кристаллической структуре свободных или очень подвижных электронов. При контакте металлической поверхности с водой заряженные частицы металла (катионы) могут переходить в раствор, а электроны остаются в металле. В результате водный слой, контактирующий с металлом, приобретает положительный заря, а оставшиеся в металле некомпенсированными электроны сообщают ему отрицательный заряд.

Поскольку и металл и электролит являются сложными системами, содержащими электрические заряды, на границе (металл –раствор) возникает скачок электрического потенциала, который называют электродным потенциалом. Электрохимическая неоднородность границы (металл –электролит) приводит к тому, что электродный потенциал, возникающий на отдельных участках, оказывается различным. Это различие в электродных потенциалах на некоторых участках границы (металл –электролит) приводит к возникновению электрохимических пар (анодных и катодных участков), между которыми протекает коррозионный ток.

Электрохимическая коррозия протекает как два достаточно самостоятельных процесса:

1) анодный процесс, состоящий в переходе ионов металла в раствор; для железа он может быть представлен след. образом: [Fe²⁺ + 2e^-] → Fe²⁺ + [ 2e^- ]

металл раствор металл

2) катодный процесс, заключающийся во взаимодействии избыточных электронов металла с каким-либо атомом или ионом, способным восстанавливаться; основными реакциями на катоде являются восстановление протона до газообразного водорода:

2Н⁺ + 2е^- → Н + Н → Н

и восстановление кислорода с образованием гидроксил-ионов

½ О₂ + Н₂О + 2е^- → 2ОН^-

Ток между анодом и катодом протекает в результате движения электронов в металле и ионов в растворе в соответствии со знаком заряда. При электрохимической коррозии разрушение металла происходит только на анодных участках. Тогда как на катоде потерь металла не обнаруживается.

Факторы, влияющие на интенсивность процесса коррозии На скорость и интенсивность коррозии оказывает влияние как характер обработки поверхности металла, так и состав и условия воздействия внешней среды. Грубо обработанная поверхность активно корродирует, тогда как шлифовка и полировка металла повышают устойчивость его против коррозии. Поверхность металла может стать пассивной в результате образования на ней защитной оксидной пленки. Пассивация наблюдается при контакте металла с сильными окислителями, в том числе с кислородом. Основными определяющими факторами коррозии в водной среде являются:

1. углекислое равновесие и концентрация растворенного кислорода;

2. концентрация солей в воде;

3. присутствие в воде микроорганизмов.

Углекислое равновесие Различные соединения углекислоты в воде находятся в состоянии динамического равновесия. Практическое значение имеет карбонатно-кальциевая система равновесий, которая обусловливает такие свойства воды, как стабильность и агрессивность:

Са(НСО₃)₂ ↔ СаСО₃ + СО₂ + Н₂О

↓ ↓ ↓

полусвязанная связанная свободная

углекислота углекислота ↓ ↓

равновесная агрессивная

углекислота углекислота

В условиях равновения концентрация свободной углекислоты в воде точно соответствует тому ее количеству, которое необходимо для поддержания в растворе определенной концентрации гидрокарбоната кальция. Это равновесная углекислота. Если количество СО2 в точности отвечает равновесной концентрации, вода называется стабильной , в ней не происходит ни растворения, ни выпадения карбонатов.

Если концентрация СО₂ меньше равновесной, реакция происходит слева направо, в результате чего карбонат кальция – соединение малорастворимое – выделяется на поверхности металла, образуя пленку с выраженными защитными свойствами.

Избыток СО₂ сверх равновесной концентрации называется агрессивной углекислотой. Углекислотная агрессивность воды по отношению к металлам обусловлена понижением рН воды. Кроме того, защитная пленка карбоната кальция при контакте с агрессивной водой растворяется, что способствует развитию коррозии.

Стабильность воды оценивается рядом способов, один из которых – определени6е разности величин рН исследуемой воды (рН₀) и воды с равновесными концентрациями соединений углекислоты (рН_s). Разность между этими величинами называется индексом насыщения:

I = pH₀ – pH_s.

Если I= 0, вода считается стабильной ; при I> 0 вода способна выделять карбонат кальция; при I<0 вода обладает коррозионными свойствами.

Концентрация солей в воде. Увеличение общего солесодержания повышает электропроводность воды и таким образом приводит к ускорению коррозионных процессов. Однако значительное повышение концентрации солей может привести к снижению скорости коррозии в результате уменьшения растворимости кислорода.

Некоторые катионы и анионы, присутствующие в воде, играют роль стимуляторов коррозии. Например, хлорид-ионы могут замещать кислород в защитной оксидной пленке, что приводит к образованию в ней пор и облегчает начало коррозии. Сульфаты ускоряют коррозию непосредственно увеличивая электропроводность и косвенно способствуя развитию биологической коррозии. К числу стимуляторов коррозии относятся также ионы металлов с переменной степенью окисления., например Сu²⁺ → Cu⁺, Fe³⁺ → Fe²⁺. Они ускоряют реакцию на катоде, выполняя роль деполятора: Fe³⁺ + е^- → Fe²⁺

Хроматы, силикаты, гидроксил-иоы, напротив, снижают интенсивность коррозионных процессов, способствуя образованию защитных пленок на металле.

Роль микроорганизмов в коррозии металлов Многие виды бактерий являются активными коррозионными агентами. Наибольшее значение имеют группы бактерий, участвующих в превращениях железа и серы.

Роль микроорганизмов в процессах сводится к ускорению деполяризации катода путем ферментативного переноса электронов, выделению коррозионных продуктов обмена, образованию пар дифференциальной аэрации.

Поселяясь в трубах, бактерии образуют на них стенках слизистые скопления, обладающие высокой механической прочностью и поэтому не смываемые током воды. Прочность этих образований обусловлена волокнистой структурой оболочек железобактерий. Коррозия начинается с образования на внутренней поверхности трубы желтых или темно-коричневых налетов или каверн, состоящих из гидроксида трехвалентного железа. Участки труб под кавернами оказываются изолированными от воды, и доступ кислорода к ним затруднен. Т.о., развитие железобактерий приводит к образованию на поверхности трубы зон с различной степенью аэрации, что приводит к возникновению коррозионного тока. Участки под кавернами функционируют как аноды. Деятельность железобактерий на анодных участках приводит к окислению Fe²⁺ в Fe³⁺ и его гидролизу. Образование гидроксида трехвалентного железа сопровождается снижением рН до 5-6, т.е. созданием коррозионной среды.

Сульфатредуцирующие бактерии- строгие анаэробы. Микробиологическая коррозия такого типа является вторичным процессом и развивается вслед за обычной электрохимической коррозией. При этом под слоем ржавчины – продукта коррозии – создаются благоприятных анаэробные условия для развития сульфатредуцирующих бактерий. Необходимым условием для начала процесса является наличие сульфатов. В природных и сточных водах они всегда есть. Сульфатредуцирующие бактерии часто развиваются под массой железобактерий, обеспечивающих им строго анаэробные условия. В этом случае выделяющийся при восстановлении сульфатов серрводород вступает во взаимодействие с гидроксидом трехвалентного железа – продуктом жизнедеятельности железобактерий:

3Н₂S + 2Fe(OH)₃ → 2FeS + S + 6H₂O

Защита металлических трубопроводов и конструкций от коррозии Основными способами защиты поверхности металла от коррозии являются нанесение на металлическую поверхность защитного слоя и электрохимическая защита.

Для защиты трубопроводов обычно применяют первый способ. Наружную поверхность труб защищают от коррозии нанесением слоя каменноугольной смолы. Для внутренней поверхности чугунных труб применяют битумные или полимерные покрытия, которые наносятся при изготовлении труб на заводе.

Предотвратить или замедлить коррозию можно путем предварительной обработки транспортируемой по ним воды. В этом случае к воде добавляют соответствующие реагенты, которые обеспечивают осаждение на внутренней поверхности труб нерастворимых соединений, образующих защитную пленку. Так называемая стабилизационная обработка воды - один из самых эффективных способов борьбы с коррозией водопроводных труб.

При положительном индексе насыщения воду обрабатывают соляной или серной кислотой. При этом содержание в воде ионов НСО₃^- снижается, а концентрация СО₂ возрастает согласно реакции НСО₃^- + Н⁺ → СО₂ + Н₂О вследствие чего выпадение из воды карбоната кальция прекращается.

При I<0 воду подщелачивают известью или содой. В результате агрессивная углекислота связывается в ионы НСО₃^- по реакции СО₂ + ОН^- → НСО₃^- , в результате такой обработки вода перестает быть коррозионной. К числу веществ, добавление которых к воде приводит к образованию защитных пленок и торможению процесса коррозии, относятся гексаметафосфат натрия и жидкое стекло. При обработке воды гексаметафосфатом натрия образуются малорастворимые соединения, которые цементируют коррозионные отложения, делают их плотными и малопроницаемыми для воды и кислорода. Применение жидкого стекла для защиты от коррозии основано на его способности взаимодействовать с ионами кальция и магния, присутствующими в воде, и образовывать защитную пленку, состоящую из силикатов указанных металлов.

Сущность электрохимической защиты состоит в предотвращении растворения железа на анодных участках путем присоединения к системе анодов (протекторов), изготовленных из металлов с более отрицательным электродным потенциалом, чем защищаемый металл. Для защиты стальных конструкций могут быть использованы аноды из цинка, алюминия и их сплавов. Защищаемое сооружение выполняет роль катода.

Универсальных средств защиты от микробиологической коррозии не существует. Описанные методы создания защитных покрытий обеспечивают изоляцию металлической поверхности от воды, а следовательно, и от микробиологического воздействия. В некоторых случаях могут использоваться бактерицидные или бактериостатические вещества.

Разрушение бетона и железобетона под воздействием воды. Бетон и железобетон являются основными материалами, используемыми в строительстве сооружений водопровода и канализации. Вода, активно воздействуя на эти материалы, вызывает их разрушение, что может привести к нарушению технологических процессов, снижению пропускной способности трубопровода, ухудшению качества воды. Возможность и скорость разрушения бетонных и железобетонных конструкций под воздействием воды зависят как от состава воды, контактирующей с ним, и от условий этого контакта. Считается, что арматура железобетона не корродирует до тех пор, пока слой плотного водонепроницаемого бетона, защищающего ее. По тем или иным причинам не нарушается. Появление трещин и постепенное разрушение бетона обеспечивает доступ агрессивной среде к арматуре и способствуют развитию коррозии. Коррозия арматуры железобетона имеет электрохимическую природу. С развитием коррозии объем образующейся ржавчины постепенно увеличивается, что приводит к разрыву слоя бетона вдоль арматуры.

Химическое разрушение бетона вызывается процессами трех типов:

1. растворение в водной среде компонентов бетона;

2. химическое взаимодействие компонентов бетона с присутствующими в воде веществами, сопровождающееся выносом продуктов реакции в воду и ослаблением механической прочности бетона;

3. образованием в теле бетона продуктов химических реакций, вызывающих разрыв и разрушение бетона.

Действие агрессивной углекислоты.При твердении бетона в нем образуется около 10% свободного гидроксида кальция. Это обеспечивает создание сильнощелочной среды с рН =14. Такой бетон обладает защитными свойствами по отношению к арматуре. Действие агрессивной углекислоты на бетон проявляется в выщелачивании из бетона извести. Этот процесс является одной из основных причин разрушения бетона. Выщелачивание извести, или процесс карбонизации бетона, описывается реакцией :

Са(ОН)₂ + СО₂ → СаСО₃ + Н₂О (1)

Карбонизация может быть поверхностной, и в этом случае стойкость бетона увеличивается, т.к. образующаяся корка СаСО₃ обладает защитными свойствами. Однако в условиях постоянного контакта с агрессивной углекислотой это слой легко растворяется в соответствии с реакцией:

СаСО3 + СО₂ + Н₂О → Са(НСО₃)₂ (2)

Совокупность реакций 1 и 2 приводит к выщелачиванию из бетона извести и переводу ее в растворимый гидрокарбонат кальция.

Процесс карбонизации может происходить не только на поверхности, но и в толще бетона, что приводит к уменьшению его механической прочности и снижению защитных свойств по отношению к арматуре. Карбонизация в толще бетона обычно происходит на отдельных участках бетона, в местах трещин, пустот и других дефектов.

Влияние рН. Значение рН среды, контактирующей с бетоном, не должно выходить за пределы 6-9. Разрушающее действие кислот на бетон возрастает с увеличением растворимости образующихся кальциевых солей в ряду серная кислота, азотная и соляная. Сильнощелочные соединения, присутствующие в сточных водах, приводят к растворению алюмосодержащих компонентов бетона и таким образом нарушают его структуру.

Влияние ионного состава воды. Скорость разрушения бетона зависит от ионного состава воды. Например, если вода содержит много аммонийных соединений, то при контакте ее с сильнощелочной средой в теле бетона может наблюдаться выделение аммиака, ускоряющего растворение извести и разрушение бетона. Аналогичное действие оказывают соли магния и любые более слабые, чем известь, основания. Особенно агрессивной по отношению к бетону является вода, содержащая одновременно повышенные концентрации соединений аммония и магния и сульфаты.

Влияние микроорганизмов. Разрушение бетона часто связано с деятельностью бактерий, осуществляющих превращения серы. При этом создаются оптимальные условия для жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий, восстанавливающих сульфаты при сопряженном окислении органических веществ с образованием Н2S. Разрушения бетона происходят, в основном, в верхней части трубопровода над уровнем воды, Условия в этой зоне (наличие кислорода, сероводорода, влаги) оказываются очень благоприятными для развития бактерий, осуществляющих реакции по разрушению бетона. Для предотвращения развития таких процессов прежде всего необходимо поддерживать такую скорость движения воды в трубопроводе, при которой невозможно образование осадков.

Химическое разрушение бетона в морской воде вызывается обрастанием, состоящим из живых организмов. В процессе дыхания они выделяют СО₂, в результате чего защитная корка СаСО3 на бетоне растворяется. Растительные организмы не разрушают бетон, т.к. поглощают СО2 в процессе фотосинтеза. Т.о. разрушение бетона в морской воде обусловлено совокупным действием химических, механических и биологических процессов.