Известно также [1], что 70% всей воды на планете распределено в соленых океанских и морских водах. В каждом килограмме морской воды содержится в среднем 35 г различных солей. В литре воды больше всего обыкновенной поваренной соли (27.2 г). Отсюда понятно, почему вода в море такая соленая. Хлористый магний (3.8 г) и сернокислый магний (1.7 г) придают морской воде горький вкус. Довольно много в ней содержится сернокислого калия (1.3 г) и сернокислого кальция (несколько менее грамма). В своей совокупности эти соли составляют 99.5 процента растворенных в морской воде веществ. Таким образом, основными компонентами морской воды являются ионы Na+, K+, Mg2+, Са2+, Cl־, SO42-
Из 30% пресной воды примерно 70% заморожены в снежных покровах, ледниках и вечной мерзлоте, большая часть остальных запасов находится в водоносных слоях почвы, откуда мы ее выкачиваем гораздо быстрее, чем природа может восполнить потери.
Современная технология, называемая обратным осмосом, заключается в пропускании воды через мембрану, удерживающую соль. Хотя этот метод требует меньше энергии, чем дистилляция, он все еще достаточно дорог и энергоемок: изготовление и эксплуатация мембран сопряжены с большими энергетическими и экономическими затратами (для опреснения 1 куб.м. морской воды требуется не менее 400 квт электроэнергии и давление до 6,5 МПа - 65 атм). При этом не нужно забывать, что при любом виде опреснения неизбежно образуется концентрированный соляной раствор, который может быть опасен для окружающей среды и даже для природных запасов пресной воды. От соляного раствора трудно избавиться, так как повышается уровень солености морской или океанской воды: после очистки обратным осмосом концентрированные растворы будут возвращены обратно в море или океан, еще более углубляя методы их опреснения. В настоящее время не менее 6·1010 литров пресной воды ежедневно производят около 15 тысяч опреснительных станций всего мира [1].
Применяемые методы опреснения обратным осмосом осуществляются при радиусах мембран не более 0.10 ... 0.15 нм. Изготовление и эксплуатация мембран с радиусом не менее 0.20 нм привели бы к значительному сокращению энерго- и экономических затрат. Наши расчеты показывают (уравнение 2), что радиусы гидратированных ионов значительно (почти в 2 раза) превышают радиус молекулы воды (0.138 нм), пропускаемой через мембрану. Поэтому оценка размеров гидратированных ионов-компонентов морской воды (преимущественно: Na+, K+, Mg2+, Са2+, Cl־, SO42-) для изготовления мембран с значительно большими размерами представляет интерес в связи с понижением рабочего давления и сокращением издержек изготовления устройств для опреснительных станций.
Нами [2 - 6] разработаны неэмпирические способы расчета гидратных чисел (ns) и радиусов гидратированных ионов (rs) в растворах:
ns = zie Rs2/ rip -5kБТeRs2 /2 pe (1)
rs = (25zipensħ2/3MRskБ2Т2)1/ (2)
где Rs - радиус молекулы воды, нм,
ri - радиус иона, нм,
p - дипольный момент молекулы воды,
kБ - константа Больцмана,
Т - температура (Кельвин),
e - диэлектрическая постоянная воды,
ħ - постоянная Планка,
M - молярная масса воды.
Значения гидратных чисел и радиусов гидратированных ионов в воде, рассчитанные по уравнениям (1) и (2), приведены в табл. 1.
Как видно из табл. 1, оцененные гидратные числа и радиусы гидратированных ионов (размеры наночастиц) находятся в удовлетворительном соответствии с литературными данными.
Таблица 1. Характеристики наночастиц - гидратированных ионов
|
Ион |
Радиус иона, ri, нм |
Гидратное число, ns(ур. 1) |
Радиус гидратиро-ванного иона,rs , нм (ур. 2) |
Радиус гидратиро-ванного иона,rs , нм [7] |
|
Na+ |
0.098 |
4.03 |
0.360 |
0.330, 0.386 |
|
K+ |
0.133 |
2.69 |
0.315 |
0.301 |
|
Mg2+ |
0.078 |
5.33 |
0.395 |
־ |
|
Ca2+ |
0.106 |
3.64 |
0.348 |
־ |
|
Cl- |
0.181 |
1.70 |
0.270 |
0.291 |
|
SO42- |
0.147 |
2.34 |
0.300 |
־ |
Рассматриваемая модель оценки размеров гидратированных ионов морской воды и полученные величины rs могут быть рекомендованы при разработке более энерго- и ресурсосберегающих технологий опреснения морской воды за счет увеличения размеров мембран не только для регионов с острым дефицитом питьевой воды.
Список литературы
- National Geographic /www.national-geographic.ru (апрель 2010).
- Балданов М.М. К проблеме сольватных чисел и масс сольватированных ионов в спиртовых растворах / М.М. Балданов, Б.Б. Танганов // Журнал физической химии. - 1992. - Т. 66. - № 4. - С. 1084-1088.
- Балданов М.М. Расчет сольватных чисел ионов в неводных средах / М.М. Балданов, Б.Б. Танганов // Журнал общей химии. - 1992. - Т. 63. - № 8. - С. 1710-1712.
- Балданов М.М. Дисперсионное уравнение Власова и радиусы сольватированных ионов в метаноле /М.М. Балданов, Б.Б. Танганов // Журнал общей химии. - 1994. - Т. 64. - № 1. - С. 32-34.
- Балданов М.М., Балданова Д.М., Жигжитова С.Б., Танганов Б.Б. К проблеме радиусов гидратированных ионов // ДАН ВШ России. - 2006. - Вып. 2. - С. 32-34.
- Танганов Б.Б., Балданова Д.М., Балданов М.М. Характеристики гидратированных наночастиц (гидратные числа, массы и размеры) // Материалы Пятнадцатой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-15-2009).-Иркутск, 2009.-С.95-98.
- Э.Я.Мэлвин-Хьюз. Физическая химия (книга II).-М.: Издатинлит, 1962.-С.756.