ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΣΤΟ ΝΕΡΟ

ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΣΤΟ ΝΕΡΟ

ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΣΕ ΝΕΡΟ ΓΕΝΙΚΑ Με το πείραμα αυτό μπορούμε να προσδιορίσουμε δύο βασικές παραμέτρους που χαρακτηρίζουν ένα σύστημα αερισμού δηλαδή: Την ικανότητα οξυγόνωσης του συστήματος που αντιπροσωπεύει την παρεχόμενη ποσότητα οξυγόνου στη μάζα του υγρού ανά μονάδα χρόνου, Το συντελεστή μεταφοράς οξυγόνου που εξαρτάται από διάφορες φυσικές παραμέτρους και χαρακτηρίζει ένα σύστημα αερισμού. Συγκέντρωση κορεσμού του οξυγόνου στο νερό, είναι η μέγιστη συγκέντρωση διαλελυμένου οξυγόνου ευρισκόμενη σε ισορροπία με την περιεκτικότητα του αέρα σε οξυγόνο. Η συγκέντρωση κορεσμού εξαρτάται κυρίως από τη θερμοκρασία, την αλατότητα του νερού και την ατμοσφαιρική πίεση. Η διαλυτότητα του οξυγόνου στο νερό είναι γενικά μικρή της τάξης των 9.2 mg/l για καθαρό νερό σε 20 C και πίεση 1 Atm. Έλλειμμα (διαλυμένου οξυγόνου ΔΟ) ορίζεται η διαφορά μεταξύ της συγκέντρωσης κορεσμού και της πραγματικής συγκέντρωσης δηλαδή: C Ο2 έλλειμμα = C Ο2 κορεσμού - C Ο2 πραγματική Ο ρυθμός με τον οποίο το οξυγόνο διαλύεται στο νερό είναι ανάλογος του ελλείμματος του διαλυμένου οξυγόνου, δηλαδή: d(co 2) = Ka(C L O2κορεσμού C O ) 2 dt όπου Kaο συντελεστής μεταφοράς οξυγόνου (h - ) L Ο συντελεστής μεταφοράς οξυγόνου εξαρτάται κυρίως από: (T 10) Τη θερμοκρασία: Ka L (T) = Ka L (10) 1.02 Τον όγκο του νερού (αντιστρόφως ανάλογα) Την επιφάνεια επαφής μεταξύ υγρού και φυσαλίδων αέρα (ανάλογα με την παρεχόμενη ποσότητα αέρα ή το βαθμό ανάδευσης) Η ικανότητα οξυγόνωσης ενός συστήματος αερισμού ορίζεται ως το ρυθμό απορρόφησης οξυγόνου κατά τον αερισμό ενός πλήρως αποοξυγονωμένου υγρού σε θερμοκρασία 10 C. R = KLa V CO κορεσμο ύ (mg/min) 2 Το πείραμα αυτό περιλαμβάνει τα επόμενα τρία στάδια: 1. Αποοξυγόνωση του υγρού με χρήση χημικών που δεσμεύουν το διαλελυμένο οξυγόνο του νερού. 2. Αναοξυγόνωση του υγρού θέτοντας σε λειτουργία το σύστημα αερισμού και ταυτόχρονη συλλογή μετρήσεων διαλυτού οξυγόνου σε τακτά διαστήματα. 3. Υπολογισμούς για τον προσδιορισμό του συντελεστή μεταφοράς οξυγόνου και της ικανότητας οξυγόνωσης του συστήματος. Εργαστηριακές Ασκήσεις Περιβάλλον Ι -2-

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ A. Αποοξυνόνωση του νερού Γεμίζουμε το δοχείο με πόσιμο νερό όγκου 10 λίτρων. Θέτουμε σε λειτουργία το σύστημα αερισμού και τον αναδευτήρα σε μέση ταχύτητα. Εγκατάσταση του ηλεκτροδίου του φορητού οξυγονόμετρου μέσα στη δεξαμενή αφού προηγουμένως γίνει καλιμπράρισμα του οργάνου. Μέτρηση της θερμοκρασίας του υγρού και υπολογισμός της συγκέντρωσης κορεσμού από πίνακα ή προσεγγιστικά από τη σχέση: (10 ) CO2 ύ( ) CO2 ύ(10) 1.024 Τ κορεσμο Τ = κορεσμο όπου CO2 κορεσμο ύ(10) = 11,3 mg/l Λειτουργία του συστήματος αερισμού μέχρι περίπου του σημείου κορεσμού. Προσθήκη διαλύματος περιεκτικότητας 1% σε χλωριούχο κοβάλτιο (CoCl 2 6H 2 O) σε ποσότητα που να αντιστοιχεί σε 0.5 mg/l Co 2+ που να παίζει ρόλο καταλύτη στην αντίδραση αποοξυγόνωσης. Υπολογισμός της απαιτούμενης δόσης θειώδους νατρίου (Na 2 SO 3 ) για την αποοξυγόνωση του νερού που γίνεται με βάση την αντίδραση: 2Na2SO3 + O2 2Na2SO4 δηλαδή απαιτούνται (2*126)/32 = 252/32 = 7,87 gr θειώδους νατρίου για 1 gr οξυγόνου Παρασκευή διαλύματος 10% (100 mg/ml) υποθειώδους νατρίου με διάλυση 10 gr της ουσίας σε αποσταγμένο νερό και αραίωση σε 100 ml διαλύματος. Προσθήκη περίπου 16 ml διαλύματος 10% υποθειώδους νατρίου που ισοδυναμεί σε συγκέντρωση (Na 2 SO 3 ) των 80 mg/l έτσι ώστε να υπάρχει περίσσεια χημικού περίπου 10%. V δ/ τοςna2so3 C O2 κορεσμού (mg Ο 2 / lt) 10(l) 7.87 (mgna 2SO 3/ mgo 2) = 100 mgna SO / ml 1.1( συντελεστής περί σσειας) 2 3 Παρατήρηση: Αν η συγκέντρωση του οξυγόνου δεν πέφτει μετά μερικά λεπτά κάτω από 1 mg/l προσθέτουμε ακόμα λίγο διάλυμα. Β. Αναοξυγόνωση του νερού Θέτουμε σε λειτουργία τον αερισμό και μειώνουμε την ανάδευση. Από τη στιγμή που αρχίζει η συγκέντρωση του διαλυτού Ο 2 να αυξάνει, λαμβάνουμε μετρήσεις της συγκέντρωσης του διαλελυμένου οξυγόνου σε τακτά χρονικά διαστήματα (π.χ. ανά 15 ή 30 sec αρχικά και ανά λεπτό αργότερα), μέχρι η συγκέντρωση να φθάσει το 80%- 90% της τιμής κορεσμού. Γ. Υπολογισμοί Τα αποτελέσματα τοποθετούνται σε πίνακες όπου αναγράφονται: Στην πρώτη στήλη οι χρόνοι που λαμβάνονται οι μετρήσεις σε λεπτά. Στη δεύτερη στήλη οι μετρούμενες συγκεντρώσεις διαλυτού οξυγόνου σε mg/l Εργαστηριακές Ασκήσεις Περιβάλλον Ι -3-

Στην τρίτη στήλη υπολογίζεται το έλλειμμα διαλυτού οξυγόνου δηλαδή C Ο2 κορεσμού-c Ο2 μετρούμενο. Στην τέταρτη στήλη υπολογίζεται ο φυσικός λογάριθμος του ελλείμματος, δηλαδή ln(c Ο2 κορεσμού-c Ο2 μετρούμενο) Οι τιμές της τέταρτης στήλης τοποθετούνται σε διάγραμμα συναρτήσει του χρόνου. Τα διάφορα σημεία πρέπει θεωρητικά να βρίσκονται σε ευθεία γραμμή. Ο συντελεστής οξυγόνωσης δίνεται από την κλίση της παραγόμενης ευθείας ως εξής. Λαμβάνουμε μόνο τα σημεία που βρίσκονται επί ευθείας, αποκόπτοντας τυχόν τμήμα από την αρχή ή το τέλος που καμπυλώνει αισθητά και εκτελούμε τον υπολογισμό ως ακολούθως: CO 2κορ. C O 2αρχ. ln C O 2κορ. C O 2τελ. Ka L = (min -1 ) t t τελ. αρχ. όπου t αρχ, t τελ είναι ο αρχικός και τελικός χρόνος της ευθείας που επιλέχθηκε. Σημείωση: Αν χρησιμοποιηθεί ο δεκαδικός λογάριθμος αντί του φυσικού τότε η παραπάνω σχέση πολλαπλασιάζεται επί 2,303. Η ικανότητα οξυγόνωσης (R) δίνεται από τη σχέση: R = KLa V CO2 κορεσμο ύ (mgo 2 /min) όπου V ο όγκος του υγρού σε λίτρα. Εργαστηριακές Ασκήσεις Περιβάλλον Ι -4-

ΠΙΝΑΚΑΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Θερμοκρασία υγρού =... C Συγκέντρωση κορεσμού =.. mg/l Χρόνος (min) Διαλελυμένο Ο 2 (mg/l) C Ο2 κορ-c Ο2 (mg/l) ln (C Ο2 κορ-c Ο2 ) Εργαστηριακές Ασκήσεις Περιβάλλον Ι -5-

ΠΙΝΑΚΑΣ ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑΣ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΣΕ ΝΕΡΟ Θερμοκρασία ( C) Διαλελυμένο οξυγόνο (mg/l) 0 14,60 1 14,19 2 13,81 3 13,44 4 13,09 5 12,75 6 12,43 7 12,12 8 11,83 9 11,55 10 11,27 11 11,01 12 10,76 13 10,52 14 10,29 15 10,07 16 9,85 17 9,65 18 9,45 19 9,26 20 9,07 21 8,90 22 8,72 23 8,56 24 8,40 25 8,24 26 8,09 27 7,95 28 7,81 29 7,67 30 7,54 31 7,41 32 7,28 33 7,16 34 7,05 35 6,93 Εργαστηριακές Ασκήσεις Περιβάλλον Ι -6-

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗΣ 1. Αν η ποσότητα του διαλελυμένου οξυγόνου σε ένα δείγμα νερού είναι 9,07 mg/l, τότε ποιο από τα παρακάτω είναι σωστά; (α) Η θερμοκρασία του νερού είναι 20 C με βάση τον πίνακα διαλυτότητας του οξυγόνου. (β) Το νερό είναι κορεσμένο σε διαλελυμένο οξυγόνο. (γ) Αν η θερμοκρασία του νερού είναι 15 C (συγκέντρωση κορεσμού οξυγόνου 10,07 mg/l), τότε το διάλυμα μας είναι: i) κατά 90 % κορεσμένο ii) κατά 60 % κορεσμένο iii) κατά 40 % κορεσμένο iv) κατά 1% κορεσμένο v) κατά 1 mg/l ελλειμματικό σε οξυγόνο σε σχέση με την τιμή κορεσμού 2. Αν ένα δείγμα νερού έχει θερμοκρασία 25 C τότε αυτό σημαίνει ότι το διαλυμένο οξυγόνο είναι: (i) 8,24 mg/l (τιμή κορεσμού στους 25 C) (ii) το 60% της αντίστοιχης τιμής κορεσμού (iii) μικρότερο ή οριακά ίσο από 8,24 mg/l (iv) μηδέν (v) περίπου μηδέν (vi) δεν γνωρίζουμε 3. Ποιο από τα παρακάτω δείγματα νερού έχει μεγαλύτερη συγκέντρωση διαλελυμένου οξυγόνου; (i) Νερό 60% κορεσμένο σε οξυγόνο σε θερμοκρασία 25 C (ii) Νερό 80% κορεσμένο σε οξυγόνο σε θερμοκρασία 25 C (iii) Νερό 60% κορεσμένο σε οξυγόνο σε θερμοκρασία 20 C (iv) Νερό κορεσμένο σε οξυγόνο σε θερμοκρασία 25 C (v) Νερό στους 25 C στο οποίο έχει γίνει αποοξυγόνωση. Εργαστηριακές Ασκήσεις Περιβάλλον Ι -7-

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΗΝ ΑΣΚΗΣΗ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΣΤΟ ΝΕΡΟ 1. Να συλλέξετε κινητικά δεδομένα αποοξυγόνωσης του νερού και να κάνετε το διάγραμμα [συγκέντρωση οξυγόνου καθώς αυτό μειώνεται χρόνος]. 2. Να συλλέξετε κινητικά δεδομένα οξυγόνωσης του νερού σύμφωνα με τις οδηγίες της άσκησης σε δυο διαφορετικές παροχές αέρα (10 λίτρα νερού με μέτρια παροχή αέρα 5 λίτρα νερού με υψηλή παροχή αέρα). 3. Να γίνουν τα διαγράμματα [συγκέντρωση οξυγόνου χρόνος]. 4. Να γίνουν τα διαγράμματα [ln (C Ο2 κορεσμού-c Ο2 ) χρόνος]. 5. Αποδείξτε τη σχέση από την οποία προκύπτει ότι η τιμή του συντελεστή μεταφοράς οξυγόνου δίνεται από την κλίση της ευθείας του διαγράμματος [ln (C Ο2 κορεσμού-c Ο2 ) χρόνος]. 6. Να υπολογίσετε την τιμή του συντελεστή μεταφοράς οξυγόνου K La για τους δυο ρυθμούς οξυγόνωσης που χρησιμοποιήθηκαν. 7. Να υπολογίσετε την τιμή του συντελεστή μεταφοράς οξυγόνου K La σε μονάδες sec -1, min -1 και h -1. 8. Να υπολογίσετε την ικανότητα οξυγόνωσης R του συστήματος αερισμού σε mg/min και mg/h. 9. Πώς εξηγείται η μορφή του διαγράμματος συγκέντρωσης οξυγόνου χρόνου ως προς τη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος (δυναμική συμπεριφορά αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης, δυναμικά συστήματα πρώτης τάξης κλπ) 10. Εκτιμήστε το ποσοστό του οξυγόνου που δεσμεύθηκε από το νερό κατά τη διαδικασία της αναοξυγόνωσης σε σχέση με τη συνολική ποσότητα του οξυγόνου που διοχετεύθηκε σε αυτό (απαιτείται η μέτρηση της ροής του αέρα που διοχετεύεται στο σύστημα / ποσοστό οξυγόνου στο ν αέρα 21% κ.ό.). Σχολιάστε σχετικά. 11. Να απαντήσετε τις ερωτήσεις κατανόησης της εργαστηριακής άσκησης. Εργαστηριακές Ασκήσεις Περιβάλλον Ι -8-

ΥΠΟΔΕΙΓΜΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Θερμοκρασία 22 C Χρόνος % Κορεσμού CO 2 ΔC ln(δc) min sec sec (mg/l) 0 0 0 18 1,57 7,15 1,967112 0 27 27 22 1,92 6,8 1,916923 1 19 79 25 2,18 6,54 1,877937 1 37 97 27 2,35 6,37 1,851599 2 53 173 30 2,62 6,1 1,808289 4 4 244 33 2,88 5,84 1,764731 5 5 305 35 3,05 5,67 1,735189 6 10 370 37 3,23 5,49 1,702928 7 16 436 40 3,49 5,23 1,654411 8 44 524 42 3,66 5,06 1,621366 9 59 599 45 3,92 4,8 1,568616 12 7 727 48 4,19 4,53 1,510722 13 49 829 50 4,36 4,36 1,472472 15 10 910 52 4,53 4,19 1,432701 17 26 1046 55 4,8 3,92 1,366092 19 54 1194 57 4,97 3,75 1,321756 21 47 1307 59 5,14 3,58 1,275363 22 18 1338 60 5,23 3,49 1,249902 24 10 1450 62 5,41 3,31 1,196948 30 45 1845 67 5,84 2,88 1,05779 33 52 2032 70 6,1 2,62 0,963174 41 46 2506 72 6,28 2,44 0,891998 42 47 2567 75 6,54 2,18 0,779325 58 57 3537 84 7,32 1,4 0,336472 Εργαστηριακές Ασκήσεις Περιβάλλον Ι -9-

9 Συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου (mg/l) 8 7 6 5 4 3 2 Συγκέντρωση κορεσμού Θερμοκρασία 22 C Συγκέντρωση κορεσμού διαλυμένου οξυγόνου 8.72 mg/l Όγκος διαλύματος 10 L Πειραματικά σημεία 1 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Χρόνος (δευτερόλεπτα) 2,2 ln ΔC=ln(CO 2 κορεσμού -CΟ 2 ) 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 Κλίση ευθείας - 4.358 10-4 sec -1 r ²=0.9885 K L a=1.57 h -1 Ικανότητα οξυγόνωσης R=K L a*v*c O2 =1.57 h -1 *10 L*8.72 mg/l=137 mg/h Πειραματικά σημεία Ευθεία ελαχίστων τετραγώνων 0,2 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Χρόνος (δευτερόλεπτα) Εργαστηριακές Ασκήσεις Περιβάλλον Ι -10-