जल गुणता, झीलें व नदियाँ, रिएक्टर बलगतिकी, तथा जल उपचार
1. जल व अपशिष्ट जल गुणता प्राचल, तथा BOD बलगतिकी
गुणता प्राचल भौतिक (NTU में आविलता, रंग, स्वाद व गंध, ताप, और ठोस — कुल ठोस निस्यंदन से निलंबित व घुलित में, और 550 °C पर प्रज्वलन से वाष्पशील व स्थिर में विभक्त), रासायनिक (pH, क्षारीयता, कठोरता, क्लोराइड, फ़्लोराइड, कार्बनिक, अमोनिया, नाइट्राइट व नाइट्रेट रूप में नाइट्रोजन, फ़ॉस्फ़ोरस, धातुएँ, घुलित ऑक्सीजन, तथा ऑक्सीजन माँगें BOD, COD व TOC) और जैविक (कोलिफ़ॉर्म व रोगजनक, खंड 3 में) हैं। कठोरता द्विसंयोजी धनायनों, मुख्यतः Ca²⁺ व Mg²⁺, का योग है, CaCO₃ के रूप में व्यक्त: प्रत्येक आयन का mg/L 50/(उसका तुल्यांकी भार) से गुणा होता है, अतः 40 mg/L Ca²⁺ (तुल्यांकी भार 20) 100 और 24 mg/L Mg²⁺ (तुल्यांकी भार 12) 100 mg/L (CaCO₃ के रूप में) है। कठोरता का वह भाग जिसका मिलान क्षारीयता से हो कार्बोनेट (अस्थायी) कठोरता है, जो उबालने से हटती है; शेष अकार्बोनेट (स्थायी) है। पेय जल हेतु IS 10500:2012 उदाहरणतः pH 6.5–8.5, TDS 500 mg/L (अन्य स्रोत न होने पर 2000), कुल कठोरता 200 mg/L (CaCO₃ के रूप में) (600), फ़्लोराइड 1.0 mg/L (1.5), नाइट्रेट 45 mg/L और आर्सेनिक 0.01 mg/L तय करता है।
जैवरासायनिक ऑक्सीजन माँग वह ऑक्सीजन है जो सूक्ष्मजीव जैवनिम्नीकरणीय कार्बनिक पदार्थ ऑक्सीकृत करने में प्रयोग करते हैं, 20 °C पर 5 दिनों में मापी गई (BOD₅)। उसका प्रयोग प्रथम कोटि का प्रतिरूपित होता है: शेष BOD L_t = L₀e^(−kt), अतः प्रयुक्त BOD BOD_t = L₀(1 − e^(−kt)) है, जहाँ L₀ चरम कार्बनमय BOD व k दर स्थिरांक (आधार e, सामान्यतः 0.1–0.3 d⁻¹; आधार 10 में k₁₀ = k/2.303)। दर ताप के साथ वान्ट हॉफ़–आरेनियस रूप k_T = k₂₀θ^(T−20) से बढ़ती है, BOD हेतु θ ≈ 1.047; चरम BOD स्वयं नहीं बदलता। तनुकरण परीक्षण में BOD = (D₁ − D₂)/P, जहाँ D₁ व D₂ तनु नमूने के प्रारंभिक व अंतिम DO और P बोतल में नमूने का अंश है। लगभग 8–10 दिनों बाद नाइट्रीकारी नाइट्रोजनी BOD डालने लगते हैं, इसीलिए कार्बनमय परीक्षण 5 दिन पर पढ़ा जाता है या नाइट्रीकरण अवरोधक के साथ चलाया जाता है। COD गर्म अम्ल में डाइक्रोमेट से लगभग सभी कार्बनिकों को ऑक्सीकृत करता है, अतः COD ≥ BOD, और लगभग 0.5 से ऊपर BOD₅/COD अनुपात शीघ्र जैवनिम्नीकरणीय अपशिष्ट दर्शाता है।
2. सुपोषण, तापीय स्तरीकरण, व नदियों में ऑक्सीजन अवनमन वक्र
सुपोषण जलाशय का पोषकों, मुख्यतः फ़ॉस्फ़ोरस व नाइट्रोजन, से समृद्धीकरण है, जो शैवाल वृद्धि को ईंधन देता है। झीलें अल्पपोषी (स्वच्छ, पोषक-अल्प, तल तक ऑक्सीजनयुक्त) से मध्यपोषी होकर सुपोषी (आविल, शैवाल प्रस्फुटन, अनॉक्सी तल जल) बनती हैं। अधिकांश मीठे जल में फ़ॉस्फ़ोरस सीमाकारी पोषक है — लीबिग का न्यूनतम नियम — अतः नियंत्रण मल-जल, अपमार्जकों व उर्वरक अपवाह के P पर केंद्रित होता है। क्षति प्रस्फुटन के बाद आती है: मृत शैवाल डूबकर विघटित होते हैं, गहरे जल की ऑक्सीजन खपाते हैं, अमोनिया, लोहा, मैंगनीज़ व H₂S मुक्त करते हैं, और कुछ साइनोबैक्टीरिया विष छोड़ते हैं। तापीय स्तरीकरण मंच तैयार करता है। ग्रीष्म में गर्म, हल्का अधिजलीय स्तर (एपिलिम्नियन) ठंडे, घने अधोजलीय स्तर (हाइपोलिम्नियन) पर तैरता है, और बीच में मध्यजलीय स्तर (मेटालिम्नियन) है जिसमें ताप तेज़ी से गिरता है (ताप-प्रवणता स्तर, थर्मोक्लाइन)। अधोजलीय स्तर वायु से कटा रहता है और उसकी ऑक्सीजन प्रतिस्थापित नहीं होती। शरद में पृष्ठ ठंडा होकर गहरे जल के घनत्व तक पहुँचता है और झील पलटती (टर्नओवर) है, ऑक्सीजन नीचे व पोषक ऊपर मिलाती है; शीतोष्ण झीलों में बर्फ़ पिघलने के बाद वसंत में दूसरा पलटाव होता है।
कार्बनिक भार पाने वाली नदी BOD द्वारा विऑक्सीजनीकरण से ऑक्सीजन खोती है और घाटे के अनुपात में वायु से पुनर्वायुमिश्रण द्वारा पाती है। घाटा D = DO_sat − DO के साथ स्ट्रीटर–फ़ेल्प्स समीकरण dD/dt = k₁L − k₂D है, जिसका हल D_t = [k₁L₀/(k₂ − k₁)](e^(−k₁t) − e^(−k₂t)) + D₀e^(−k₂t) है। घाटा एक उच्चिष्ठ — क्रांतिक घाटा — तक क्रांतिक समय t_c = [1/(k₂ − k₁)] ln{(k₂/k₁)[1 − D₀(k₂ − k₁)/(k₁L₀)]} पर पहुँचता है, जहाँ D_c = (k₁/k₂)L₀e^(−k₁t_c), और फिर सुधरता है। अनुपात f = k₂/k₁ स्व-शोधन गुणांक है। दूरी समय से x = ut द्वारा मिलती है। प्रारंभिक दशाएँ बहिर्गम पर मिश्रण से आती हैं: L₀ = (Q_wL_w + Q_rL_r)/(Q_w + Q_r), और यही DO व ताप हेतु। अवनमन के अनुदिश नदी निम्नीकरण, सक्रिय विघटन व पुनर्प्राप्ति से स्वच्छ जल तक के क्षेत्रों से गुज़रती है।
3. बलगतिकी व रिएक्टर अभिकल्प: द्रव्यमान संतुलन, कोटि, बैच, CMFR व PFR
प्रत्येक इकाई का विश्लेषण नियंत्रण आयतन पर द्रव्यमान संतुलन से होता है: संचय = अंतर्वाह − बहिर्वाह + उत्पादन (अभिक्रिया)। ऊर्जा संतुलन ऊष्मा हेतु इसी प्रकार लिखा जाता है, जैसे पाचक या भस्मक में। अभिक्रिया की दर r = −kCⁿ की कोटि n है: शून्य कोटि (C रैखिक घटता है, t½ = C₀/2k), प्रथम कोटि (C = C₀e^(−kt), t½ = ln 2/k, C₀ से स्वतंत्र) और द्वितीय कोटि (1/C = 1/C₀ + kt)। कोटि आँकड़ों के आलेख से मिलती है: t के विरुद्ध C, ln C या 1/C, जो भी सीधा हो। बैच रिएक्टर में कुछ न प्रवेश करता है न निकलता है, और सांद्रता बस समय में दर नियम का अनुसरण करती है।
पूर्ण-मिश्रित प्रवाह रिएक्टर (CMFR, CSTR) में सर्वत्र वही सांद्रता है जो बहिर्वाह में। प्रथम-कोटि क्षय सहित स्थिर अवस्था में QC₀ = QC + kCV, अतः τ = V/Q के साथ C/C₀ = 1/(1 + kτ)। प्लग-प्रवाह रिएक्टर (PFR) तरल को अपनी लंबाई के अनुदिश मिश्रण के बिना क्रम से आगे बढ़ाता है; प्रत्येक तत्व ठीक τ अंदर बिताता है, पारगमन में बैच रिएक्टर की भाँति, अतः C/C₀ = e^(−kτ)। किसी भी धनात्मक कोटि हेतु PFR को समान निष्कासन हेतु छोटा आयतन चाहिए, क्योंकि CMFR पूरे समय निम्न निर्गम सांद्रता पर कार्य करता है। श्रेणी में CMFR प्लग प्रवाह के निकट आते हैं: n समान टंकियाँ C/C₀ = 1/(1 + kτ/n)ⁿ देती हैं, जो n बढ़ने पर e^(−kτ) की ओर जाता है। CMFR का गुण यह है कि वह आघात भार या विषैली उछाल को तुरंत तनु कर देता है, इसीलिए वातन टंकियाँ प्रायः पूर्ण-मिश्रित होती हैं। वास्तविक टंकियाँ दोनों आदर्शों के बीच होती हैं, मृत क्षेत्रों व लघु-परिपथन सहित, जिसे अनुरेखक परीक्षण प्रकट करता है।
| रिएक्टर | C/C₀ | 90% निष्कासन हेतु τ, k = 0.2 h⁻¹ | kτ = 2 पर निष्कासन |
|---|---|---|---|
| बैच या PFR | e^(−kτ) | ln 10/0.2 = 11.5 h | 1 − e^(−2) = 86.5% |
| एक CMFR | 1/(1 + kτ) | 9/0.2 = 45 h | 1 − 1/3 = 66.7% |
| श्रेणी में n CMFR | 1/(1 + kτ/n)ⁿ | दोनों के बीच | दो टंकियाँ: 1 − 1/4 = 75% |
4. जल उपचार: छनाई, अवसादन, स्कंदन, निस्यंदन, विलवणीकरण व विसंक्रमण
प्रवेश पर छनाई मोटी छड़ों व महीन चल-छलनियों से तैरता मलबा व मछलियाँ हटाती है। साधारण अवसादन उन विविक्त कणों को हटाता है जो अपने अंतिम वेग पर बैठते हैं; छोटे गोलों हेतु स्टोक्स नियम v_s = g(ρ_s − ρ)d²/(18μ) देता है। आदर्श अवसादन टंकी (हेज़न–कैम्प सिद्धांत) में कण पूर्णतः हटता है यदि v_s ≥ पृष्ठ अतिप्रवाह दर v₀ = Q/A_s, और धीमा कण v_s/v₀ अंश में — अतः निष्कासन योजना-क्षेत्र पर निर्भर है, गहराई पर नहीं। गहराई निरोध काल t = V/Q तय करती है (साधारण अवसादन हेतु सामान्यतः 2–4 h)। स्कंदन एक स्कंदक — फिटकरी, Al₂(SO₄)₃·14H₂O, या फ़ेरिक लवण — डालकर उन ऋणावेशित कोलॉइडों को अस्थिर करता है जो बैठते नहीं, द्वि-परत संपीडन, आवेश उदासीनीकरण व झाड़ू-ऊर्ण (स्वीप-फ़्लॉक) फँसाव द्वारा; इष्टतम मात्रा व pH जार परीक्षण से मिलते हैं। फिटकरी क्षारीयता खपाती है: प्रत्येक 594 mg फिटकरी 300 mg CaCO₃ तुल्य क्षारीयता से अभिक्रिया करती है। ऊर्णन फिर मंद मिश्रण से ऊर्ण बढ़ाता है, वेग प्रवणता G = √(P/(μV)), सामान्यतः 20–80 s⁻¹, और गुणनफल Gt पर अभिकल्पित।
निस्यंदन स्पष्टक से बचे ऊर्ण को हटाता है। मंद बालू निस्यंदक (लगभग 0.1–0.4 m/h) मुख्यतः अपने पृष्ठ पर श्मुट्ज़डेके में जैविक रूप से कार्य करता है और खुरचकर साफ़ होता है; द्रुत बालू निस्यंदक (लगभग 5–15 m/h) स्कंदन के बाद गहराई छनन व आसंजन से कार्य करता है और पश्च-प्रक्षालन (बैकवॉश) से साफ़ होता है, जो तल को तरलीकृत करता है। निस्यंदक क्षेत्र Q ÷ निस्यंदन दर है। विलवणीकरण घुलित लवण हटाता है: व्युत्क्रम परासरण जल को परासरण दाब π = iCRT (0.5 M NaCl हेतु लगभग 24 atm, समुद्री जल के निकट) के विरुद्ध अर्धपारगम्य झिल्ली से धकेलता है, अतः लगाया दाब उससे अधिक होना चाहिए; विद्युत-अपोहन विद्युत क्षेत्र में आयन-विनिमय झिल्लियों से आयनों को चलाता है और खारे जल हेतु उपयुक्त है; तापीय आसवन (बहु-चरण फ़्लैश, बहु-प्रभाव) उबालता व संघनित करता है। सभी सांद्र लवण-जल (ब्राइन) उत्पन्न करते हैं जिसका निपटान आवश्यक है। विसंक्रमण प्रायः क्लोरीन से होता है: Cl₂ + H₂O → HOCl + HCl, और pK_a ≈ 7.5 के साथ HOCl ⇌ H⁺ + OCl⁻, अतः HOCl रूप में अंश 1/(1 + 10^(pH − 7.5)) है। HOCl, OCl⁻ से लगभग अस्सी गुना प्रभावी है, अतः क्लोरीन निम्न pH पर बेहतर कार्य करती है। क्लोरीन पहले अपचायकों व अमोनिया से अभिक्रिया कर क्लोरामीन बनाती है, और भंजन बिंदु (ब्रेकपॉइंट) के बाद प्रत्येक अतिरिक्त मात्रा मुक्त अवशिष्ट के रूप में दिखती है; उपभोक्ता के नल पर कम-से-कम 0.2 mg/L अवशिष्ट रखा जाता है। ओज़ोन व UV (लगभग 254 nm) स्थायी अवशिष्ट के बिना विसंक्रमित करते हैं; कार्बनिक-समृद्ध जल का क्लोरीनीकरण ट्राइहैलोमीथेन बनाता है।
5. जल वितरण व भंडारण
उपचारित जल उपभोक्ताओं तक गुरुत्व, पंपन, या भंडारण सहित पंपन से पहुँचता है — सामान्य व्यवस्था, जिसमें पंप स्थिर दर पर चलते हैं और उच्च जलाशय उस दर व प्रति-घंटा माँग के अंतर को सोखते हैं, मुख्यों में अवशिष्ट दाब बनाए रखते हुए। जाल मृत-छोर (वृक्ष) तंत्र के रूप में बिछाया जाता है, सरल पर स्थिर पुच्छों व मरम्मत के समय वैकल्पिक मार्ग न होने सहित; परस्पर जुड़े पाशों का ग्रिड-आयरन तंत्र, हार्डी क्रॉस से विश्लेषित; किसी क्षेत्र के चारों ओर वलय तंत्र; या क्षेत्रीय जलाशयों से पोषित अरीय तंत्र। भंडारण तीन घटकों हेतु आकारित होता है: संतुलन (समकारी) आयतन, पंपन अनुसूची के विरुद्ध माँग के द्रव्यमान वक्र से; अग्नि आरक्षित; और खराबी हेतु आपातकालीन आरक्षित। माँग घंटे व ऋतु के साथ बदलती है, अतः मुख्य औसत दैनिक माँग पर शिखर गुणकों हेतु अभिकल्पित होते हैं, और नलिका पदार्थ, वाल्व (स्लूस, वायु, निकास व दाब-मुक्ति), हाइड्रेंट व मीटर तंत्र पूरा करते हैं। किसी विद्यमान जाल में रिसाव नियंत्रण व दाब प्रबंधन जल संरक्षण के सबसे बड़े साधन हैं।
- मृत-छोर: सरल व सस्ता; पुच्छों पर स्थिर जल और मरम्मत के समय आपूर्ति नहीं।
- ग्रिड-आयरन: प्रत्येक बिंदु एक से अधिक दिशा से पोषित; अधिक वाल्व व नलिका, और जाल विश्लेषण आवश्यक।
- वलय व अरीय: वलय सुनियोजित नगरों हेतु उपयुक्त; स्थानीय जलाशयों से पोषित अरीय क्षेत्र दाब समान रखते हैं।
मुख्य बिंदु
- CaCO₃ के रूप में कठोरता = Σ mg/L × 50/तुल्यांकी भार; कार्बोनेट कठोरता क्षारीयता से मिलान वाला भाग है। BOD_t = L₀(1 − e^(−kt)), और θ ≈ 1.047 के साथ k_T = k₂₀θ^(T−20) दर बदलता है, L₀ नहीं।
- मीठे जल में प्रायः फ़ॉस्फ़ोरस शैवाल को सीमित करता है; ग्रीष्म स्तरीकरण अधोजलीय स्तर को अलग करता है, जो प्रस्फुटन के नीचे अनॉक्सी हो जाता है, जब तक शरद पलटाव झील न मिलाए।
- स्ट्रीटर–फ़ेल्प्स: t_c = [1/(k₂ − k₁)] ln{(k₂/k₁)[1 − D₀(k₂ − k₁)/(k₁L₀)]}, D_c = (k₁/k₂)L₀e^(−k₁t_c); प्रारंभिक L₀ व D₀ बहिर्गम पर मिश्रण से आते हैं।
- प्रथम कोटि: बैच व PFR e^(−kτ), एक CMFR 1/(1 + kτ), n CMFR 1/(1 + kτ/n)ⁿ देते हैं; समान निष्कासन हेतु PFR छोटा है, CMFR आघात शमित करता है।
- अवसादन निष्कासन v_s/(Q/A); निरोध काल V/Q; G = √(P/μV); RO दाब को π = iCRT से अधिक होना है; HOCl अंश 1/(1 + 10^(pH − 7.5)); मुक्त अवशिष्ट केवल भंजन बिंदु के बाद दिखता है।
अभ्यास प्रश्न (20)
उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।
किसी जल में 40 mg/L Ca²⁺ व 24 mg/L Mg²⁺ है। उसकी कुल कठोरता, mg/L (CaCO₃ के रूप में) में, क्या है? (Ca = 40, Mg = 24)
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उत्तर: 200
Ca²⁺: 40 × 50/20 = 100; Mg²⁺: 24 × 50/12 = 100; कुल कठोरता = 200 mg/L (CaCO₃ के रूप में)। mg/L सीधे जोड़ना (64) इसकी उपेक्षा करता है कि प्रत्येक आयन अपने तुल्यांकी भार से बदलना होता है।पिछले प्रश्न का जल — कुल कठोरता 200 mg/L (CaCO₃ के रूप में) — 150 mg/L (CaCO₃ के रूप में) क्षारीयता रखता है। उसकी अकार्बोनेट कठोरता, mg/L (CaCO₃ के रूप में) में, क्या है?
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उत्तर: 50
जब क्षारीयता कुल कठोरता से कम हो, कार्बोनेट कठोरता क्षारीयता, 150, के बराबर है और अकार्बोनेट कठोरता शेष है: 200 − 150 = 50 mg/L (CaCO₃ के रूप में)। यदि क्षारीयता कठोरता से अधिक होती, तो समस्त कठोरता कार्बोनेट होती और अकार्बोनेट शून्य।किसी अपशिष्ट जल का चरम कार्बनमय BOD 250 mg/L और 20 °C पर BOD दर स्थिरांक (आधार e) 0.23 d⁻¹ है। उसका 5-दिवसीय BOD, mg/L में, क्या है? उत्तर निकटतम पूर्ण संख्या तक दें।
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उत्तर: 171
BOD₅ = L₀(1 − e^(−kt)) = 250(1 − e^(−1.15)) = 250 × 0.6834 = 170.8 ≈ 171 mg/L। शेष BOD का सूत्र, 250e^(−1.15) = 79 mg/L, वह देता है जो प्रयुक्त होना शेष है, न कि जो प्रयुक्त हो चुका।किसी अपशिष्ट का 20 °C पर BOD₅ 200 mg/L है, k₂₀ = 0.23 d⁻¹ (आधार e)। θ = 1.047 लेकर 30 °C पर ऊष्मायित करने पर उसका 3-दिवसीय BOD, mg/L में, क्या है? उत्तर एक दशमलव स्थान तक दें।
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उत्तर: 194.5
L₀ = 200/(1 − e^(−0.23 × 5)) = 200/0.6834 = 292.7 mg/L, ताप से अपरिवर्तित। k₃₀ = 0.23 × 1.047¹⁰ = 0.23 × 1.583 = 0.364 d⁻¹। 30 °C पर BOD₃ = 292.7(1 − e^(−0.364 × 3)) = 292.7 × 0.6645 = 194.49 ≈ 194.5 mg/L। BOD₅ को 1.047¹⁰ से संशोधित करना 317 देता है, चरम BOD से अधिक, जो असंभव है।झीलों के विषय में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — ग्रीष्म स्तरीकरण में अधोजलीय स्तर पुनर्वायुमिश्रण से कटा रहता है; B — मीठे जल में शैवाल हेतु प्रायः फ़ॉस्फ़ोरस सीमाकारी पोषक है; D — शरद पलटाव तब होता है जब पृष्ठ जल ठंडा होकर गहरे जल के घनत्व तक पहुँचे
(a), (b) व (d) सही हैं। (c) असत्य है: अल्पपोषी झील इतना कम कार्बनिक पदार्थ बनाती है कि गहरे जल की ऑक्सीजन समाप्त नहीं होती; अनॉक्सी अधोजलीय स्तर सुपोषी झील का चिह्न है, जहाँ सड़ते शैवाल उसे खपाते हैं।एक मल-जल बहिर्गम 100 mg/L BOD के साथ 1 m³/s को 2 mg/L BOD वाली, 10 m³/s पर बहती नदी में छोड़ता है। पूर्ण मिश्रण के बाद बहिर्गम के ठीक नीचे नदी का BOD, mg/L में, क्या है? उत्तर दो दशमलव स्थानों तक दें।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 10.91
C = (Q_rC_r + Q_wC_w)/(Q_r + Q_w) = (10 × 2 + 1 × 100)/11 = 120/11 = 10.91 mg/L। दोनों सांद्रताओं का औसत, 51 mg/L, इसकी उपेक्षा करता है कि नदी दस गुना प्रवाह ले जाती है।बहिर्गम के नीचे नदी का प्रारंभिक चरम BOD 10 mg/L व प्रारंभिक DO घाटा 1 mg/L है। विऑक्सीजनीकरण व पुनर्वायुमिश्रण दर स्थिरांक (आधार e) 0.2 d⁻¹ व 0.4 d⁻¹ हैं। स्ट्रीटर–फ़ेल्प्स प्रतिरूप से क्रांतिक DO घाटा, mg/L में, क्या है? उत्तर दो दशमलव स्थानों तक दें।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 2.78
t_c = [1/(k₂ − k₁)] ln{(k₂/k₁)[1 − D₀(k₂ − k₁)/(k₁L₀)]} = 5 ln{2 × [1 − 1 × 0.2/(0.2 × 10)]} = 5 ln 1.8 = 2.94 d। D_c = (k₁/k₂)L₀e^(−k₁t_c) = 0.5 × 10 × e^(−0.588) = 5 × 0.5556 = 2.78 mg/L। पूर्ण अवनमन समीकरण में t = 2.94 d रखने पर वही 2.78 मिलता है, यह जाँच करने योग्य है।पिछले प्रश्न की नदी (L₀ = 10 mg/L, D₀ = 1 mg/L, k₁ = 0.2 d⁻¹, k₂ = 0.4 d⁻¹) हेतु बहिर्गम के कितने समय बाद क्रांतिक घाटा होता है, दिनों में? उत्तर दो दशमलव स्थानों तक दें।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 2.94
t_c = [1/(0.4 − 0.2)] ln{(0.4/0.2)[1 − 1 × (0.4 − 0.2)/(0.2 × 10)]} = 5 ln(2 × 0.9) = 5 × 0.5878 = 2.94 d। प्रारंभिक घाटा पद छोड़ने से 5 ln 2 = 3.47 d मिलता है, जो केवल D₀ = 0 पर सही है।एक प्रथम-कोटि संदूषक (k = 0.2 h⁻¹) को 90% घटाना है। एकल पूर्ण-मिश्रित प्रवाह रिएक्टर को कितना जलीय धारण काल, घंटों में, चाहिए?
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उत्तर: 45
C/C₀ = 1/(1 + kτ) = 0.1, अतः kτ = 9 व τ = 9/0.2 = 45 h। प्लग-प्रवाह रिएक्टर को केवल ln 10/0.2 = 11.5 h चाहिए: CMFR लगभग चार गुना बड़ा है क्योंकि वह पूर्णतः निर्गम सांद्रता पर कार्य करता है।श्रेणी में दो समान पूर्ण-मिश्रित रिएक्टरों में प्रत्येक का प्रथम-कोटि अभिक्रिया हेतु kτ = 1 है। कुल आंशिक निष्कासन है:
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उत्तर: A — 75%
प्रत्येक टंकी C/C₀ = 1/(1 + 1) = 0.5 पार करती है, अतः युग्म 0.5 × 0.5 = 0.25 पार करता है और 75% हटाता है। संयुक्त आयतन की एकल टंकी (kτ = 2) केवल 66.7% हटाती है, और उस आयतन का प्लग-प्रवाह रिएक्टर 1 − e^(−2) = 86.5% (विकल्प C): श्रेणी की टंकियाँ दोनों आदर्शों के बीच हैं।0.02 mm व्यास व 2.65 विशिष्ट गुरुत्व का एक विविक्त कण 20 °C पर जल में बैठता है (μ = 1.0 × 10⁻³ Pa·s, ρ = 1000 kg/m³)। उसका स्टोक्स अवसादन वेग, mm/s में, क्या है? उत्तर दो दशमलव स्थानों तक दें। (g = 9.81 m/s²)
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उत्तर: 0.36
v_s = g(ρ_s − ρ)d²/(18μ) = 9.81 × 1650 × (2 × 10⁻⁵)²/(18 × 10⁻³) = 6.474 × 10⁻³/18 = 3.60 × 10⁻⁴ m/s = 0.36 mm/s। घनत्व अंतर 1650 के स्थान पर 2650 लेने से 0.58 mm/s मिलता है।200 m² योजना-क्षेत्र व 600 m³ आयतन की अवसादन टंकी 10 000 m³/d उपचारित करती है। उसका निरोध काल, घंटों में, क्या है? उत्तर दो दशमलव स्थानों तक दें।
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उत्तर: 1.44
t = V/Q = 600/10 000 d = 0.06 d = 1.44 h। इसी टंकी की अतिप्रवाह दर Q/A = 10 000/200 = 50 m³/m²·d है; दोनों गहराई, 3 m, से जुड़े हैं, क्योंकि t = गहराई/अतिप्रवाह दर।पिछले प्रश्न की टंकी (अतिप्रवाह दर 50 m³/m²·d) में आदर्श-अवसादन सिद्धांत के अंतर्गत 0.4 mm/s अवसादन वेग वाले विविक्त कणों का कितना प्रतिशत हटता है? उत्तर एक दशमलव स्थान तक दें।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 69.1
v_s = 0.4 × 10⁻³ × 86 400 = 34.56 m/d, v₀ = 50 m/d से कम, अतः हटने वाला अंश v_s/v₀ = 34.56/50 = 0.691, अर्थात 69.1%। mm/s की m/d से बिना रूपांतरण तुलना या तो शून्य या पूर्ण निष्कासन सुझाएगी।20 ML/d उपचारित करने वाला संयंत्र फिटकरी, Al₂(SO₄)₃·14H₂O (मोलर द्रव्यमान 594), 30 mg/L पर डालता है। फिटकरी कितनी प्राकृतिक क्षारीयता खपाती है, mg/L (CaCO₃ के रूप में) में? उत्तर दो दशमलव स्थानों तक दें।
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उत्तर: 15.15
Al₂(SO₄)₃·14H₂O + 3Ca(HCO₃)₂ → 2Al(OH)₃ + 3CaSO₄ + 6CO₂ + 14H₂O: 594 mg फिटकरी 3 × 100 = 300 mg CaCO₃ तुल्य क्षारीयता प्रयोग करती है। अतः 30 × 300/594 = 15.15 mg/L (CaCO₃ के रूप में)। दैनिक फिटकरी माँग 30 mg/L × 20 ML/d = 600 kg/d है।1000 m³ आयतन की ऊर्णन द्रोणी को 500 W उपयोगी मिश्रण शक्ति मिलती है। μ = 1.0 × 10⁻³ Pa·s के साथ माध्य वेग प्रवणता, s⁻¹ में, क्या है? उत्तर एक दशमलव स्थान तक दें।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 22.4
G = √(P/(μV)) = √(500/(10⁻³ × 1000)) = √500 = 22.4 s⁻¹, ऊर्णन हेतु सामान्य 20–80 s⁻¹ के भीतर। वर्गमूल छोड़ने से 500 मिलता है, जो ऊर्ण को तोड़ देगा।निस्यंदन व विलवणीकरण के विषय में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — मंद बालू निस्यंदक अशुद्धियाँ मुख्यतः अपनी पृष्ठ परत में जैविक क्रिया से हटाता है; B — द्रुत बालू निस्यंदक पश्च-प्रक्षालन से साफ़ होता है; C — व्युत्क्रम परासरण में लगाया दाब पोषण के परासरण दाब से अधिक होना चाहिए
(a), (b) व (c) सही हैं। (d) असत्य है: प्रत्येक विलवणीकरण प्रक्रिया पोषण को उत्पाद जल व लवण ले जाने वाले लवण-जल में बाँटती है, और उसका निपटान स्वयं एक अभिकल्प समस्या है।हाइपोक्लोरस अम्ल हेतु pK_a = 7.5 लेकर pH 8.5 पर मुक्त क्लोरीन का कौन-सा अंश HOCl रूप में है? उत्तर तीन दशमलव स्थानों तक दें।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 0.091
[HOCl]/([HOCl] + [OCl⁻]) = 1/(1 + 10^(pH − pK_a)) = 1/(1 + 10¹) = 1/11 = 0.091। pK_a से एक pH इकाई ऊपर केवल लगभग 9% अधिक प्रबल विसंक्रामक HOCl के रूप में बचता है, इसीलिए क्षारीय जल में क्लोरीनीकरण कम प्रभावी है।भंजन-बिंदु क्लोरीनीकरण में मुक्त क्लोरीन अवशिष्ट पहले कब प्रकट होता है?
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उत्तर: A — भंजन बिंदु के बाद, जब क्लोरामीन ऑक्सीकृत हो चुके हों
पहली क्लोरीन अपचायकों द्वारा प्रयुक्त होती है; अगली क्लोरामीन बनाती है, अतः अवशिष्ट संयुक्त क्लोरीन के रूप में बढ़ता है (कूबड़); आगे की क्लोरीन क्लोरामीन को N₂ में ऑक्सीकृत करती है और अवशिष्ट भंजन बिंदु तक गिरता है। केवल उसके बाद डाली क्लोरीन मुक्त अवशिष्ट के रूप में टिकती है, मात्रा के साथ एक-एक बढ़ती।298 K पर 0.5 M NaCl विलयन का परासरण दाब, atm में, पूर्ण वियोजन मानकर क्या है? उत्तर एक दशमलव स्थान तक दें। (R = 0.08206 L·atm/(mol·K))
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 24.5
π = iCRT = 2 × 0.5 × 0.08206 × 298 = 24.45 ≈ 24.5 atm, क्योंकि NaCl दो आयन देता है। वान्ट हॉफ़ गुणांक भूलने से यह आधा, 12.2 atm, हो जाता है और व्युत्क्रम-परासरण संयंत्र के उच्च-दाब पंपों का अल्प-आकार करेगा।जल वितरण व भंडारण के विषय में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — मृत-छोर तंत्र अपने पुच्छों पर स्थिर जल छोड़ सकता है; B — ग्रिड-आयरन तंत्र मरम्मत के समय किसी बिंदु को एक से अधिक दिशा से आपूर्ति दे सकता है; C — संतुलन भंडारण पंपन अनुसूची के विरुद्ध माँग के द्रव्यमान वक्र से मिलता है
(a), (b) व (c) सही हैं। (d) असत्य है: उच्च जलाशय आंशिक रूप से मुख्यों में अवशिष्ट दाब बनाए रखने हेतु ही हैं, जो दूषित भूजल को रिसाव से प्रवेश करने से रोकता है और ऊपरी तलों तक जल पहुँचाता है।