Рад на заштити животне средине је неодвојив од хемије; једначине хемијских реакција и прорачуни дозирања реагенса уобичајени су у третману отпадних вода. Следи концепт пХ и примери прорачуна.
И. Основни концепти пХ
пХ је скала за мерење киселости или алкалности воденог раствора. Дефинише се као негативни логаритам активности водоничних јона:
пХ=-лог₁₀[Х⁺]
Где [Х⁺] представља моларну концентрацију водоничних јона, у мол/Л. Опсег пХ је обично 0-14. пХ=7 је неутралан, пХ<7 is acidic, and pH>7 је алкално.
У чистој води, [Х⁺]=10⁻⁷ мол/Л, дакле пХ=7. Када је пХ=3, [Х⁺]=10⁻³ мол/Л; када је пХ=10, [Х⁺]=10⁻¹⁰ мол/Л и [ОХ⁻]=10⁻⁴ мол/Л.
ИИ. Хемијски значај пХ
пХ вредност одражава кисело{0}}базни биланс водених тела и уско је повезана са следећим хемијским процесима:
1. Облици материје: Многе хемијске супстанце (као што су јони тешких метала и органске материје) показују различита стања јонизације и растворљивости на различитим пХ нивоима.
2. Брзина реакције: Брзина кисело{1}}базних каталитичких реакција је често директно повезана са пХ.
3. Корозивност: Екстремне пХ вредности (<4 or >10) изазивају јаку корозију металних цеви и опреме.
4. Биолошка активност: Микробни ензимски системи су изузетно осетљиви на пХ, са оптималним пХ раста обично између 6,5 и 8,5.
ИИИ. Водећа улога пХ вредности у третману отпадних вода
1. Подешавање претходног третмана
Пре него што отпадна вода уђе у систем за пречишћавање, пХ треба да се подеси на одговарајући опсег (обично 6-9) како би се избегло утицај на следеће јединице за третман.
2. Обезбеђивање биохемијског третмана
Процес аеробног активног муља: Оптимални пХ је 6,5-8,5
Анаеробна дигестија: Оптимални пХ је 6,8-7,4
Одступања пХ могу довести до смањене микробне активности, па чак и до колапса система.
3. Контрола хемијских преципитација
Приликом уклањања тешких метала, пХ треба да се подеси на одређену вредност како би се метали таложили као хидроксиди. На пример, Цу²⁺ се потпуно таложи при пХ≈8,0.
ИВ. Израчунавање дозе НаОХ за неутрализацију отпадних вода при пХ 3
Прорачун неутрализације је заснован на кисело{0}}базној реакцији неутрализације: Х⁺ + ОХ⁻ → Х₂О
Дати услови:
· Запремина отпадне воде В=1 м³=1000 Л
· Почетни пХ=3 → [Х⁺]=10⁻³ мол/Л
· Циљни пХ=7 → [Х⁺]=10⁻⁷ мол/Л
· Молекулска тежина НаОХ=40 г/мол
Кораци израчунавања:
1. Почетна количина Х⁺:
н(Х⁺)почетно=10⁻³ мол/Л × 1000 Л=1 мол
2. Циљна количина Х⁺ (занемарљиво):
н(Х⁺)циљ=10⁻⁷ мол/Л × 1000 Л=0.0001 мол
3. Количина Х⁺ која се неутралише:
Δн(Х⁺)=1 - 0.0001 ≈ 1 мол
4. Потребна количина НаОХ (реакција 1:1):
н(НаОХ)=1 мол
5. Потребна маса НаОХ:
м(НаОХ)=1 мол × 40 г/мол=40 г
Закључак: За неутрализацију 1 кубног метра отпадне воде са пХ=3 на неутрално, потребно је додати 40 грама натријум хидроксида (чврстог).
В. Прорачун дозе Х₂СО₄ за неутрализацију отпадне воде при пХ=10
Дати услови:
· Запремина отпадне воде В=1 м³=1000 Л
· Почетни пХ=10 → пОХ=4 → [ОХ⁻]=10⁻⁴ мол/Л
· Циљни пХ=7 → [ОХ⁻]=10⁻⁷ мол/Л
· Х₂СО₄ молекулска тежина=98 г/мол (Х₂СО₄ обезбеђује 2 Х⁺ јона)
Кораци израчунавања:
1. Почетна количина ОХ⁻:
н(ОХ⁻) почетни=10⁻⁴ мол/Л × 1000 Л=0.1 мол
2. Циљна количина ОХ⁻ (занемарљива):
н(ОХ⁻)циљ=10⁻⁷ мол/Л × 1000 Л=0.0001 мол
3. Количина ОХ⁻ коју треба неутралисати:
Δн(ОХ⁻)=0.1 - 0.0001 ≈ 0,1 мол
4. Потребна количина Х⁺: н(Х⁺)=0.1 мол
5. Потребна количина Х₂СО₄ (сваки мол Х₂СО₄ даје 2 мола Х⁺):
н(Х₂СО₄)=0.1 мол ÷ 2=0.05 мол
6. Потребна маса Х₂СО₄:
м(Х₂СО₄)=0.05 мол × 98 г/мол=4.9 г
Закључак: Неутралисање 1 кубног метра отпадне воде са пХ=10 на неутрално захтева додавање 4,9 грама чисте сумпорне киселине.
Ако користите 98% концентровану сумпорну киселину (густина 1,84 г/мЛ), запремина је:
В=4.9 г ÷ 0,98 ÷ 1,84 г/мЛ ≈ 2,72 мЛ
ВИ. Практична инжењерска разматрања
1. Пуферски систем: Отпадне воде могу да садрже кисело{1}}базне пуферске супстанце (као што су карбонати и фосфати). Стварну дозу треба одредити тестовима титрације.
2. Безбедан рад: Морају се применити неопходне заштитне мере приликом додавања киселине или алкалија да би се избегла локализована прекомерна концентрација која доводи до секундарног загађења.
3. Економска ефикасност: За третман великих размера-треба упоредити цену различитих реагенса. Креч (Ца(ОХ)₂) је генерално економичнији од НаОХ.
4. Аутоматска контрола: пХ подешавање има не-линеарне карактеристике; препоручљиво је користити ПИД контролни систем за постизање прецизног дозирања.
5. Управљање пХ је фундаментални аспект третмана отпадних вода, који директно утиче на ефикасност третмана и оперативне трошкове, и стога заслужује довољну пажњу.