Сатурацией называется процесс искусственного насыщения воды углекислым газом. Основой данного процесса является способность углекислого газа при взаимодействии с водой образовывать водный раствор.
Растворение газа в жидкости - абсорбционный процесс, в котором жидкость является абсорбентом, а газ - абсорбтивом. О механизме абсорбции наиболее отчетливое представление дает так называемая пленочная теория. Согласно этой теории на поверхности раздела двух фаз, жидкой и газообразной, имеется пограничный слой, который состоит из двух прилегающих друг к другу пленок. Одна из них состоит из молекул газа, другая пленка - из молекул жидкости. Газо-жидкостные пленки оказывают основное сопротивление прохождению газа из одной фазы в другую. В основной массе каждой фазы концентрация газа вследствие конвекции постоянна, в то время как в газо-жидкостных пленках, состоящих из молекул, весьма медленно перемещающихся, нет конвекционных токов и движение газа через них происходит путем диффузии вследствие разности концентраций абсорбтива в жидкой и газообразной фазах (рис. 1).
Рис. 1. Схема диффузии газа через газовую и жидкостную пленки: Рр- парциальное давление и Ср- концентрация газа на поверхности раздела фаз; Рr- парциальное давление газа в газовой фазе; Сж-концентрация газа в жидкой фазе.
Растворимость газа в жидкости характеризуется коэффициентом абсорбции. Он показывает, какой объем газа растворяется в единице объема растворителя. Следовательно, коэффициент абсорбции а - это число объемов газов, поглощаемых одним объемом жидкости при парциальном давлении газа 101,3 кн/м2 (760 мм рт. ст.) и температуре 0°С:
где v и V - объем газа и жидкости.
Растворимость газа в воде может характеризоваться также количеством газа (в г), растворяющимся в 100 г воды при общем давлении газа и паров воды 101,3 кн/м2 (760 мм рт.ст.). Углекислый газ частично химически взаимодействует с водой, образуя угольную кислоту, которая диссоциируется на карбонат- и бикарбонат-ионы:
Равновесие этой системы сильно смещено влево, так как углекислота соединение нестойкое и легко распадается на углекислый газ и воду.
В табл. 1 приводятся данные о растворимости некоторых газов в воде.
Таблица 1. Коэффициенты абсорбции газов при температуре 0°С.
Газ | Коэффициент абсорбции а в м3/м3 | Коэффициент абсорбции q в г/100 г |
Азот | 0,0235 | 0,00294 |
Водород | 0,0217 | 0 00192 |
Кислород | 0,0489 | 0,00695 |
Сероводород | 4,67 | 0,707 |
Углекислый газ | 1,71 | 0,335 |
Аммиак | 1176,0 | 89,5 |
Растворимость воздуха в воде при общем давлении 760 мм рт. ст. составляет 0,02918 (29,18 см3 в 1000 см3).