Ova knjiga predstavlja uvodni tekst u problematiku hemije vode sa posebnim naglaskom na hemiju prirodnih voda i hemiju koja se primenjuje u procesima za pripremu vode za piće i prečišćavanje otpadnih voda. Knjiga je prvenstveno namenjena onima koji se bave problemima zaštite životne sredine i sanitarnim inžinjerstvom, ali bi mogla biti od koristi i hemičarima, biolozima, ekolozima i geohemičarima. Jedina pretpostavka u pisanju ove knjige je da korisnici imaju predznanja iz srednje škole, iz hemije, jer je u sadržaj uključeno iskustvo autora koji je poslednjih desetak godina držao slične predmete studentima viših godina redovnih studija na građevinskom i tehnološkom odseku BU i prvoj godini poslediplomskih studija na smeru inžinjerstva zaštite životne sredine na Univerzitetu u Pitsburgu.

U knjizi su obrađeni osnovni principi hemijske ravnoteže i kinetike hemijskih procesa koji se primenjuju oa razblažene vodene rastvore i reakcije koje se u vodenim rastvorima odigravaju: kiselo-bazne reakcije, reakcije formiranja kompleksa, reakcije taloženja i rastvaranja i oksido- redukcione reakcije. Za svaku oblast su prvo prikazani osnovni principi koji su neophodni da bi se razumelo ponašanje specifičnih sistema a potom i bazični pristupi koji se koriste za rešavanje problema iz ovih oblasti. Svaki od ovih pristupa je ilustrovan primerima koji imaju za cilj da probleme iz prakse približe budućim inženjerima. U knjizi su obrađeni i grafički pristupi za rešavanje ovih problema jer omogućavaju da se pravilno i slikovito sagleda ponašanje ovih složenih sistema.

Autor je zahvalan studentima Građevinskog i Tehnološko-metalurškog Fakulteta Univerziteta u Beogradu koji su ga inspirisali da napiše ovu knjigu, Fulbrajtovoj Komisiji koja je pružila finansijsku podršku za autorov jednogodišnji boravak u Beogradu u toku školske 2003/04 godine, recenzentima Prof. dr. Ljubinki Rajaković i Prof. dr. Dejanu Ljubisavljeviću čije dugogodišnje stručno i nastavno iskustvo je pomoglo da ova knjiga dobije svoju finalnu formu, koleginicama Miijani Kmezić i Vladani Rajaković bez čije ogromne pomoći oko tehničke i lektorske pripreme ova knjiga sigurno ne bi bila završena u predviđenom roku i Institutu za Vodoprivredu „Jaroslav Cerni“ i Gradskom Zavodu za Zaštitu Zdravlja – Beograd koji su omogućili štampanje ove knjige.

Autor je neizmerno zahvalan porodici koja mu je uvek neiscrpan izvor inspiracije i podrške i koja je pokazala neograničeno razumevanje i strpljenje tokom pisanja ove knjige. Ova knjiga je posvećena Nataši, Nikoli, Sofiji i Dani.

Dr Radisav Vidić
Beograd, 2005

Sadržaj

PREDGOVOR

1.0 UVOD

1.1 Karakteristike prirodnih voda
1.2 Voda kao životna sredina
1.3 Izražavanje koncentracija

2.0 HEMIJSKA RAVNOTEŽA

2.1 Termodinamičke osnove hemijskih reakcija
2.1.1 Entalpija
2.1.2 Entropija
2.1.3 Slobodna energija
2.2 Uticaj temperature na ravnotežu hemijskih reakcija
2.3 Aktivnost supstanci u rastvoru

3.0 KINETIKA HEMIJSKIH PROCESA

3.1 Mehanizam, molekularnost i brzina hemijske reakcije
3.2 Elementarne reakcije
3.3 Izrazi za brzinu hemijskih reakcija
3.4 Uticaj temperature na brzinu hemijskih reakcija

4.0 KISELO/BAZNI SISTEMI

4.1 Uvod
4.2 Proračun ravnoteže kiselo/baznih sistema
4.3 Protonski uslov i uslov elektroneutralnosti rastvora
4.4 Ekvivalentni sistemi
4.5 Grafički pristup određivanju ravnoteže u kiselo/baznim sistemima
4.6 Multiprotonske kiseline
4.7 Udeli jonskih i molekulskih vrsta u zavisnosti od
pH vrednosti rastvora
4.8 Puferski rastvori

5.0 KARBONATNI SISTEM

5.1 Uvod
5.2 Zatvoreni karbonatni sistem
5.3 Otvoreni karbonatni sistem
5.4 Alkalnost i kiselost

6.0 KOMPLEKSIRANJE

6.1 Uvod
6.2 Defmicije
6.3 Hemijska ravnoteža
6.4 Reakcije kompleksiranja u određivanju kvaliteta vode

7.0 RASTVARANIE I TALOŽENJE

7.1 Uvod
7.2 Taloženje
7.3 Rastvaranje
7.3.1 Rastvorljivost u vodi
7.3.2 Rastvorljivost u prisustvu istoimenih jona
7.3.3 Uslovna rastvorljivost
7.4 Fazni dijagram
7.5 Rastvorljivost kalcijum-karbonata i stabilnost vode
7.6 Rastvaranje gasova

8.0 KOLOIDNI SISTEMI

8.1 Uvod
8.2 Stabilnost koloidnih čestica
8.3 Destabilizacija koloidnog sistema

9.0 REDOKS REAKCIJE

9.1 Uvod
9.2 Defmicije kod redoks reakcija
9.3 Ravnoteža oksido-redukcionih reakcija
9.4 Oksidacioni potencija
9.5 Ravnoteža elektrona
9.6 Aktivnost elektrona i pe
9.7 Grafički prikaz ravnoteže redoks reakcija
9.8 Dijagram dominantnih jedinjenja
9.9 Hemija hlora
9.10 Uticaj mikroorganizama na redoks reakcije
9.11 SPISAK LITERATURE

1.0 UVOD

Voda je jedna od osnovnih materija neophodnih za održanje života ali i jedan od glavnih medija za odigravanje hemijskih i biohemijskih reakcija. Neophodnost. vode za održanje ljudskih naseobina i za razvoj industrijske aktivnosti je potencirala potrebu da se obezbede dovoljne količine vode uz potpuno zanemarivanje pitanja kvaliteta te vode. Na žalost, izvorišta postaju sve više zagađena usled povećane industrijske i poljoprivredne aktivnosti pa je problem obezbeđivanja vode neophodnog kvaliteta sve izraženiji. Sa druge strane, sve je bolja obaveštenost o problemima vezanim za fizičko- hemijski i higijenski kvalitet vode i svi relevantni segmenti društva se sve aktivnije uključuju u rešavanje strateških pitanja vezanih za snabdevanje naselja i industrije vodom kao i za adekvatno upravljanje otpadnim vodama.

Zahteva se voda odgovarajućeg kvaliteta pa se stručnjacima koji se bave ovom problematikom postavljaju zahtevi da obezbede kvalitetnu vodu. Pod kvalitetnom vodom se podrazumeva ona koja nema boju, mutnoću, neprijatan ukus, miris, nitrate, štetne metale i veliki broj organskih materija kao što su pesticidi ili hlorovani rastvarači. Jedan od zahteva za vodu za piće je da ima malu tvrdoću i nizak sadržaj ukupnih rastvorenih materija; voda ne sme da bude korozivna i ne sme da bude izvor neželjenih naslaga. Složenost ovih problema postavlja zahteve da različiti profili stručnjaka koji se bave ovom problematikom, uključujući inženjere, hemičare, biologe i tehnologe, moraju da udruže svoja znanja i talente kako bi pronašli odgovarajuća rešenja i obezbedili kvalitetnu vodu za piće.

Povećanje populacije dovodi i do povećanja potreba za vodom koja je sve izraženija ukoliko se u isto vreme želi postići i porast životnog standarda. Ovi faktori dovode do sve složenijih problema vezanih za iznalaženje adekvatnih izvorišta sirove vode. Shodno tome je i sve izraženija potreba da se koriste izvorišta sirove vode lošeg kvaliteta koja su često izložena različitim oblicima zagađenja dok se u krajevima koji nisu bogati vodom sve više javlja potreba za prečišćavanjem i recirkulacijom otpadnih voda kako bi se zadovoljile potrebe u vodosnabdevanju. Za očekivati je da će usled daljeg porasta popuiacije i industrijske aktivnosti uslovi za obezbeđivanje vode za piće ubuduće biti još složeniji, kao i da će stručnjaci koji se bave ovom problematikom biti suočeni sa dodataim problemima.

Problemi vodosnabdevanja u razvijenim zemljama se razlikuje od onih koji dominiraju u zemljama u razvoju. U razvijenim zemljama je izražena želja da se umanji rizik od pojave kancerogenih oboljenja usled konzumiranja vode za piće. Nivo prihvatijivog rizika se uglavnom kreće od jedan-u-deset hiljada do jedan-u-milion. To znači da su standardi za vodu za piće uspostavljeni tako da je rizik od dobijanja kancerogenog oboljena usled konzumiranja normalnih količina vode za piće koja ispunjava standarde u periodu od 70 godina povećan za 10 4 do 106. Postizanje ovakvih standarda predstavlja veliki inženjerski izazov. Sa druge strane, korišćenje higijenski neispravne vode u nerazvijenim zemljama dovodi do velikog broja hidričnih oboljenja, što utiče na rešavanje potpuno drugačijih zahteva koji se postavljaju pred stručnjake koji se bave problematikom vodosnabdevanja u ovim uslovima.

Upravljanje otpadnim vodama je oduvek predstavljalo ozbiljan problem koji se još više naglašava urbanizacijom i razvojem industrije. Zaštita zdravlja i estetski kriterijumi su zahtevi da se obezbedi adekvatno odvođenje otpadnih voda iz urbanih sredina. Vodotoci su uvek predstavljali logične recipijente otpadnih voda. Međutim oni poseduju ograničen kapacitet jer prijem otpadnih materija ima negativne posledice za ekosistem vodoprijemnika. Ovo saznanje je dovelo do razvoja tehnologija i postupaka za prečišćavanje otpadnih voda u kome su učestvovali različiti profili stručnjaka, uključujući inženjere, hemičare, biologe i tehnologe. Razvoj u ovoj oblasti je posebno značajan u poslednjih nekoliko decenija jer su saznanja o kvalitetu prirodnih voda i uticaju organskih i neorganskih materija na ekosistem dovela do širokih zahteva za kvalitet otpadnih voda i unapređenje metoda za prečišćavanje otpadnih voda.

Prirodni vodotoci imaju sposobnost oksidacije organskih materija pod uslovom da je količina organskih i neorganskih materija koje se ispuštaju u vodotok u granicama samoprečišćavajućeg kapaciteta tog vodotoka. U površinskim vodama je potrebno održati minimalne koncentracije rastvorenog kiseonika kako bi bioorganizmi opstali u vodi. Veliki napori na određivanju ovih vrednosti su u mnogome doprineli poboljšanju kvaliteta vode u površinskim vodotocima. lako su u početku standardi za ispuštanje otpadnih voda u vodotoke bili zasnovani na kriterijumima za održavanje neophodnog kvaliteta vodotoka, danas se sve više insistira na standardima za kvalitet otpadnih voda kao vodećeg kriterijuma za donošenje odluke da li je ispuštanje otpadnih voda u prirodu dozvoljeno ili nije. Novi standardi se sve više vezuju za stepen prečišćavanja koji je moguće postići u modernim postrojenjima za tretman otpadnih voda uz uvažavanje ekonomskih kriterijuma za rad ovih postrojenja.

Pored pitanja vezanih za kvalitet voda, velika pažnja se posvećuje zagađenju površinskih i podzemnih voda usled industrijske i poljoprivredne aktivnosti. Organska i neorganska jedinjenja koja se svakim danom pojavljuju u industriji pronalaze put do površinskih i podzemnih voda i prouzrokuje zagađenja sa dalekosežnim i štetnim posledicama po ekosistem. U cilju povećanja produktivnosti u poljoprivredi primenjuju se novi herbicidi, a povećana je i upotreba veštačkih đubriva. Ovakva praksa dovela je do toga da se velike količine ovih jedinjenja u kišnom periodu spiranjem prenose u površinske i podzemne vode i na taj način dodatno utiču na kvalitet vode. Analiza uticaja ovih materija na životnu sredinu su doveli do toga da su neke supstance zabranjene za dalju upotrebu. Utvrđeno je da veliki broj organskih i neorganskih jedinjenja koja se koriste u industrijskoj praksi zagađuje podzemne i površinske vode. Mnoge od ovih supstanci su ozbiljna pretnja za životnu sredinu i zdravlje ljudi. Zbog toga je neophodno da se pravilno sagleda uticaj svih materija na kvalitet voda i interakcije u životnoj sredini kako bi se razvile efikasne i ekonomične metode za uklanjanje zagađivača.