Кинетика биохимической очистки, как и кинетика любых других реакций основывается на общих законах химической кинетики.

Химическая кинетика изучает скорость процессов и зависимость ее от различных факторов. Все процессы в экосистемах протекают во времени. Поэтому важнейшей задачей является установление взаимосвязи (математическая модель) скорости процесса и таких параметров, как концентрация реагирующих веществ, парциальные давления компонентов (при реакциях с участием газовой фазы), температура, свойства растворителя, наличие катализаторов и др.[4]

Основной величиной является скорость реакции (w), которую определяют как изменение массы реагирующих веществ в единицу времени, в частности, при постоянном объеме системы вместо массы обычно используют интенсивный параметр - концентрацию, тогда

, (4.1)

где С и С' - концентрации исходного вещества и продукта реакции соответственно; так как скорость процесса - параметр сугубо положительный, то знак минус придается изменению концентраций исходных веществ, которые всегда убывают. При взаимодействии нескольких веществ, например,

аА + bВ à rR, (4.2)

скорость реакции можно выразить через изменение концентраций любого компонента (Сi) так как количества реагирующих веществ и продуктов реакции жестко связаны стехиометрическим уравнением (4.2). При этом легко показать, что

Таким образом, при изучении сложной реакции для определения скорости процесса необходимо выбрать такой компонент системы, концентрацию которого легко экспериментально определить.

Скорость реакции по закону действующих масс пропорциональна концентрациям реагирующих веществ, например, для реакции (4.2)

где К - константа скорости реакции, равная скорости реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ Сi = 1. Величины показателей степени (пa и пв) зависят от механизма реакции, которая может протекать через ряд промежуточных стадий (элементарных реакций). При этом одна из них (или несколько) имеет скорость существенно более низкую, чем остальные (лимитирующая стадия), и соответственно определяет скорость всей реакции и вид уравнения (4.4). Уравнение связи w =ѓ(Сi) есть кинетическое уравнение реакции.

Для элементарных гомогенных реакций, которые протекают в одну стадию, пi равны стехиометрическим коэффициентам уравнения элементарной реакции. Элементарные реакции наблюдаются между атомами, атомами и молекулами с радикалами, газообразными ионами и в других случаях. Из кинетической теории газов следует, что одновременные столкновения более, чем трех частиц практически невероятны. Поэтому число частиц, участвующих в элементарной реакции, может быть только целым и не превышать трех. Это число характеризует молекулярность реакции.

Большинство реакций протекает через ряд последовательных стадий, причем скорость всей реакции определяется скоростью самой медленной стадии (или нескольких стадий). В этих случаях nA≠a и пB≠b, а данные показатели степени в уравнении (4.4) носят название частных порядков реакции по компоненту A (nA) и компоненту В (пB), а их сумма (nA + пB) есть общий порядок реакции. Частные и общие порядки реакции могут быть целыми и дробными числами (несколько лимитирующих стадий с разной молекулярностью).

Для решения кинетических уравнений разных порядков рассмотрим решение уравнения (4.4) в предположении CA= CB= C. Тогда из уравнений (4.1) и (4.4) следует

Разделяем переменные и интегрируем уравнение (4.5) при начальных и граничных условиях: при τ=0; C=С0 и при τ= τ, С=С

После интегрирования получаем:

при n≠1:

при n=1:

Определить порядок реакции можно различными методами, такими как графический метод, метод подстановок, метод времени полупревращения, метод начальных скоростей реакций (метод Вант-Гоффа) и дифференциальный метод.

Еще статьи по теме

Мониторинг окружающей среды
Проблема сохранения окружающей природной среды и переход современного человечества к устойчивому развитию является сегодня одной из самых важных. Охрана окружающей среды - это очень сложная и многогранная задача, которая требует для своего ...

Стратегия устойчивого развития
Современное состояние общества характеризуется многими кризисными явлениями, связанными, прежде всего, с технизацией всех сфер человеческой деятельности. Важными следствиями этих явлений является возникновение противоречий в отношениях чел ...