Delo varstva okolja je neločljivo povezano s kemijo; enačbe kemijske reakcije in izračuni doziranja reagenta so običajni pri čiščenju odpadne vode. Sledi koncept pH in primeri izračuna.
I. Osnovni koncepti pH
pH je lestvica za merjenje kislosti ali alkalnosti vodne raztopine. Definiran je kot negativni logaritem aktivnosti vodikovih ionov:
pH=-log₁₀[H⁺]
Kjer [H⁺] predstavlja molsko koncentracijo vodikovih ionov v mol/L. Razpon pH je običajno 0-14. pH=7 je nevtralen, pH<7 is acidic, and pH>7 je alkalen.
V čisti vodi [H⁺]=10⁻⁷ mol/L, torej pH=7. Ko je pH=3, [H⁺]=10⁻³ mol/L; pri pH=10, [H⁺]=10⁻¹⁰ mol/L in [OH⁻]=10⁻4 mol/L.
II. Kemijski pomen pH
Vrednost pH odraža kislinsko-bazično ravnovesje vodnih teles in je tesno povezana z naslednjimi kemičnimi procesi:
1. Oblike snovi: Številne kemične snovi (kot so ioni težkih kovin in organske snovi) kažejo različna stanja ionizacije in topnosti pri različnih ravneh pH.
2. Hitrost reakcije: Hitrost kislinsko-bazičnih katalitičnih reakcij je pogosto neposredno povezana s pH.
3. Jedkost: Ekstremne vrednosti pH (<4 or >10) povzroči močno korozijo kovinskih cevi in opreme.
4. Biološka aktivnost: Mikrobni encimski sistemi so izjemno občutljivi na pH, z optimalnim rastnim pH običajno med 6,5 in 8,5.
III. Vodilna vloga pH pri čiščenju odpadne vode
1. Prilagoditev pred obdelavo
Preden odpadna voda vstopi v čistilni sistem, je treba pH prilagoditi na ustrezno območje (običajno 6–9), da preprečimo vpliv na naslednje čistilne enote.
2. Zagotavljanje biokemične obdelave
Aerobni postopek z aktivnim blatom: Optimalni pH je 6,5-8,5
Anaerobna razgradnja: Optimalni pH je 6,8-7,4
Odstopanja pH lahko povzročijo zmanjšano mikrobno aktivnost in celo propad sistema.
3. Nadzor kemičnih padavin
Pri odstranjevanju težkih kovin je treba pH prilagoditi na določeno vrednost, da se kovine oborijo kot hidroksidi. Na primer, Cu²⁺ se popolnoma obori pri pH≈8,0.
IV. Izračun odmerka NaOH za nevtralizacijo odpadne vode pri pH 3
Izračun nevtralizacije temelji na reakciji kislinsko-bazične nevtralizacije: H⁺ + OH⁻ → H₂O
Podani pogoji:
· Prostornina odpadne vode V=1 m³=1000 L
· Začetni pH=3 → [H⁺]=10⁻³ mol/L
· Ciljni pH=7 → [H⁺]=10⁻⁷ mol/L
· Molekulska masa NaOH=40 g/mol
Koraki izračuna:
1. Začetna količina H⁺:
n(H⁺)začetno=10⁻³ mol/L × 1000 L=1 mol
2. Ciljna količina H⁺ (zanemarljiva):
n(H⁺)ciljni=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Količina H⁺, ki jo je treba nevtralizirati:
Δn(H⁺)=1 - 0.0001 ≈ 1 mol
4. Potrebna količina NaOH (reakcija 1:1):
n(NaOH)=1 mol
5. Masa zahtevanega NaOH:
m(NaOH)=1 mol × 40 g/mol=40 g
Zaključek: Za nevtralizacijo 1 kubičnega metra odpadne vode s pH=3 do nevtralnega je treba dodati 40 gramov natrijevega hidroksida (trdnega).
V. Izračun odmerka H₂SO₄ za nevtralizacijo odpadne vode pri pH=10
Podani pogoji:
· Prostornina odpadne vode V=1 m³=1000 L
· Začetni pH=10 → pOH=4 → [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L
· Ciljni pH=7 → [OH⁻]=10⁻⁷ mol/L
· Molekulska masa H₂SO₄=98 g/mol (H₂SO₄ zagotavlja 2 H⁺ iona)
Koraki izračuna:
1. Začetna količina OH⁻:
n(OH⁻)začetno=10⁻4 mol/L × 1000 L=0.1 mol
2. Ciljna količina OH⁻ (zanemarljiva):
n(OH⁻)ciljni=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Količina OH⁻, ki jo je treba nevtralizirati:
Δn(OH⁻)=0.1 - 0.0001 ≈ 0,1 mol
4. Potrebna količina H⁺: n(H⁺)=0.1 mol
5. Potrebna količina H₂SO₄ (vsak mol H₂SO₄ zagotavlja 2 mol H⁺):
n(H₂SO₄)=0.1 mol ÷ 2=0.05 mol
6. Zahtevana masa H₂SO₄:
m(H₂SO₄)=0.05 mol × 98 g/mol=4.9 g
Zaključek: Nevtralizacija 1 kubičnega metra odpadne vode s pH=10 na nevtralen zahteva dodatek 4,9 gramov čiste žveplove kisline.
Če uporabimo 98 % koncentrirano žveplovo kislino (gostota 1,84 g/mL), je volumen:
V=4.9 g ÷ 0,98 ÷ 1,84 g/mL ≈ 2,72 mL
VI. Praktični inženirski vidiki
1. Puferski sistem: odpadna voda lahko vsebuje kislinsko-bazične puferske snovi (kot so karbonati in fosfati). Dejanski odmerek je treba določiti s titracijskimi testi.
2. Varno delovanje: Pri dodajanju kisline ali alkalije je treba izvajati potrebne zaščitne ukrepe, da se izognemo lokalni prekomerni koncentraciji, ki povzroči sekundarno onesnaženje.
3. Ekonomska učinkovitost: za-obdelavo v velikem obsegu je treba primerjati stroške različnih reagentov. Apno (Ca(OH)₂) je na splošno bolj ekonomično kot NaOH.
4. Samodejni nadzor: prilagoditev pH nima-linearnih značilnosti; za doseganje natančnega odmerjanja je priporočljiva uporaba PID krmilnega sistema.
5. Upravljanje pH je temeljni vidik čiščenja odpadne vode, ki neposredno vpliva na učinkovitost čiščenja in obratovalne stroške, zato si zasluži dovolj pozornosti.