Práca na ochrane životného prostredia je neoddeliteľná od chémie; rovnice chemických reakcií a výpočty dávkovania činidiel sú bežné pri čistení odpadových vôd. Nasleduje koncept pH a príklady výpočtu.
I. Základné pojmy pH
pH je stupnica na meranie kyslosti alebo zásaditosti vodného roztoku. Je definovaný ako záporný logaritmus aktivity vodíkových iónov:
pH=-log₁₀[H⁺]
Kde [H⁺] predstavuje molárnu koncentráciu vodíkových iónov v mol/l. Rozsah pH je zvyčajne 0-14. pH=7 je neutrálne, pH<7 is acidic, and pH>7 je alkalický.
V čistej vode [H⁺]=10⁻⁷ mol/L, teda pH=7. Keď pH=3, [H⁺]=10⁻³ mol/L; keď pH=10, [H⁺]=10⁻¹⁰ mol/l a [OH⁻]=10⁻⁴ mol/l.
II. Chemický význam pH
Hodnota pH odráža acid{0}}zásaditú rovnováhu vodných útvarov a úzko súvisí s nasledujúcimi chemickými procesmi:
1. Formy hmoty: Mnohé chemické látky (ako sú ióny ťažkých kovov a organické látky) vykazujú rôzne ionizačné stavy a rozpustnosti pri rôznych úrovniach pH.
2. Rýchlosť reakcie: Rýchlosť kyslých-zásaditých katalytických reakcií často priamo súvisí s pH.
3. Žieravosť: Extrémne hodnoty pH (<4 or >10) spôsobiť silnú koróziu kovových rúrok a zariadení.
4. Biologická aktivita: Mikrobiálne enzýmové systémy sú extrémne citlivé na pH, s optimálnym rastovým pH typicky medzi 6,5 a 8,5.
III. Vedúca úloha pH pri čistení odpadových vôd
1. Úprava predúpravy
Predtým, ako odpadová voda vstúpi do čistiaceho systému, je potrebné upraviť pH na vhodný rozsah (všeobecne 6-9), aby sa predišlo vplyvu na následné čistiace jednotky.
2. Zabezpečenie biochemickej liečby
Aeróbny proces aktivovaného kalu: Optimálne pH je 6,5-8,5
Anaeróbna digescia: Optimálne pH je 6,8-7,4
Odchýlky pH môžu viesť k zníženiu mikrobiálnej aktivity a dokonca kolapsu systému.
3. Kontrola chemického zrážania
Pri odstraňovaní ťažkých kovov je potrebné upraviť pH na určitú hodnotu, aby sa kovy vyzrážali ako hydroxidy. Napríklad Cu2⁺ sa úplne vyzráža pri pH≈8,0.
IV. Výpočet dávky NaOH na neutralizáciu odpadovej vody pri pH 3
Neutralizačný výpočet je založený na acid-zásaditej neutralizačnej reakcii: H⁺ + OH⁻ → H₂O
Dané podmienky:
· Objem odpadovej vody V=1 m³=1000 L
· Počiatočné pH=3 → [H⁺]=10⁻³ mol/l
· Cieľové pH=7 → [H⁺]=10⁻⁷ mol/l
· Molekulová hmotnosť NaOH=40 g/mol
Kroky výpočtu:
1. Počiatočné množstvo H⁺:
n(H⁺)počiatočné=10⁻³ mol/l × 1000 l=1 mol
2. Cieľové množstvo H⁺ (zanedbateľné):
n(H⁺)cieľ=10⁻⁷ mol/l × 1000 l=0.0001 mol
3. Množstvo H⁺, ktoré sa má neutralizovať:
Δn(H⁺)=1 - 0.0001 ≈ 1 mol
4. Požadované množstvo NaOH (reakcia 1:1):
n(NaOH)=1 mol
5. Požadovaná hmotnosť NaOH:
m(NaOH)=1 mol × 40 g/mol=40 g
Záver: Na neutralizáciu 1 kubického metra odpadovej vody s pH=3 na neutrálnu hodnotu je potrebné pridať 40 gramov hydroxidu sodného (tuhého).
V. Výpočet dávky H₂SO₄ na neutralizáciu odpadovej vody pri pH=10
Dané podmienky:
· Objem odpadovej vody V=1 m³=1000 L
· Počiatočné pH=10 → pOH=4 → [OH⁻]=10⁻⁴ mol/l
· Cieľové pH=7 → [OH⁻]=10⁻⁷ mol/l
· Molekulová hmotnosť H₂SO₄=98 g/mol (H₂SO₄ poskytuje 2 ióny H⁺)
Kroky výpočtu:
1. Počiatočné množstvo OH⁻:
n(OH⁻)počiatočné=10⁻⁴ mol/l × 1000 l=0.1 mol
2. Cieľové množstvo OH⁻ (zanedbateľné):
n(OH⁻)cieľ=10⁻⁷ mol/l × 1000 l=0.0001 mol
3. Množstvo OH⁻, ktoré sa má neutralizovať:
Δn(OH⁻)=0.1 - 0.0001 ≈ 0,1 mol
4. Požadované množstvo H⁺: n(H⁺)=0.1 mol
5. Potrebné množstvo H2SO4 (každý mol H2SO4 poskytuje 2 mol H⁺):
n(H₂SO₄)=0.1 mol ÷ 2=0.05 mol
6. Požadovaná hmotnosť H2SO4:
m(H₂SO₄)=0.05 mol × 98 g/mol=4.9 g
Záver: Neutralizácia 1 kubického metra odpadovej vody s pH=10 na neutrálnu vyžaduje pridanie 4,9 gramu čistej kyseliny sírovej.
Ak sa použije 98% koncentrovaná kyselina sírová (hustota 1,84 g/ml), objem je:
V=4.9 g ÷ 0,98 ÷ 1,84 g/ml ≈ 2,72 ml
VI. Praktické technické úvahy
1. Pufrovací systém: Odpadová voda môže obsahovať kyslé-zásadité pufrovacie látky (ako sú uhličitany a fosforečnany). Skutočné dávkovanie je potrebné určiť pomocou titračných testov.
2. Bezpečná prevádzka: Pri pridávaní kyseliny alebo zásady sa musia zaviesť potrebné ochranné opatrenia, aby sa zabránilo lokálnej nadmernej koncentrácii vedúcej k sekundárnemu znečisteniu.
3. Ekonomická efektívnosť: Pri liečbe vo veľkom-rozsahu je potrebné porovnať náklady na rôzne činidlá. Vápno (Ca(OH)₂) je vo všeobecnosti ekonomickejšie ako NaOH.
4. Automatické ovládanie: úprava pH má nelineárne charakteristiky; na dosiahnutie presného dávkovania sa odporúča použiť PID riadiaci systém.
5. Manažment pH je základným aspektom čistenia odpadových vôd, ktorý priamo ovplyvňuje účinnosť čistenia a prevádzkové náklady, a preto si zaslúži dostatočnú pozornosť.