Praca na rzecz ochrony środowiska jest nierozerwalnie związana z chemią; równania reakcji chemicznych i obliczenia dawek odczynników są powszechne w oczyszczaniu ścieków. Poniżej przedstawiono koncepcję pH i przykłady obliczeń.
I. Podstawowe pojęcia dotyczące pH
pH to skala służąca do pomiaru kwasowości lub zasadowości roztworu wodnego. Definiuje się go jako logarytm ujemny aktywności jonów wodorowych:
pH=-log₁₀[H⁺]
Gdzie [H⁺] oznacza stężenie molowe jonów wodorowych w mol/l. Zakres pH wynosi zwykle 0-14. pH=7 jest neutralne, pH<7 is acidic, and pH>7 jest alkaliczny.
W czystej wodzie [H⁺]=10⁻⁷ mol/L, zatem pH=7. Gdy pH=3, [H⁺]=10⁻³ mol/L; gdy pH=10, [H⁺]=10⁻¹⁰ mol/L i [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L.
II. Chemiczne znaczenie pH
Wartość pH odzwierciedla równowagę kwasowo-zbiorników wodnych i jest ściśle powiązana z następującymi procesami chemicznymi:
1. Formy materii: Wiele substancji chemicznych (takich jak jony metali ciężkich i materia organiczna) wykazuje różne stany jonizacji i rozpuszczalność przy różnych poziomach pH.
2. Szybkość reakcji: szybkość reakcji katalitycznych kwasowo-zasadowych jest często bezpośrednio powiązana z pH.
3. Korozyjność: Ekstremalne wartości pH (<4 or >10) powodować silną korozję metalowych rur i sprzętu.
4. Aktywność biologiczna: Mikrobiologiczne układy enzymatyczne są niezwykle wrażliwe na pH, przy optymalnym pH wzrostu zazwyczaj pomiędzy 6,5 a 8,5.
III. Wiodąca rola pH w oczyszczaniu ścieków
1. Regulacja obróbki wstępnej
Zanim ścieki dostaną się do systemu oczyszczania, należy dostosować pH do odpowiedniego zakresu (zwykle 6-9), aby uniknąć wpływu na kolejne oczyszczalnie.
2. Zapewnienie leczenia biochemicznego
Proces tlenowego osadu czynnego: Optymalne pH wynosi 6,5-8,5
Fermentacja beztlenowa: Optymalne pH wynosi 6,8-7,4
Odchylenia pH mogą prowadzić do zmniejszenia aktywności drobnoustrojów, a nawet do załamania się systemu.
3. Kontrola opadów chemicznych
Podczas usuwania metali ciężkich należy dostosować pH do określonej wartości, aby metale wytrąciły się w postaci wodorotlenków. Na przykład Cu²⁺ wytrąca się całkowicie przy pH ≈8,0.
IV. Obliczanie dawki NaOH do neutralizacji ścieków przy pH 3
Obliczenia neutralizacji opierają się na reakcji neutralizacji kwasu-zasady: H⁺ + OH⁻ → H₂O
Dane warunki:
· Objętość ścieków V=1 m3=1000 L
· Początkowe pH=3 → [H⁺]=10⁻³ mol/L
· Docelowe pH=7 → [H⁺]=10⁻⁷ mol/L
· Masa cząsteczkowa NaOH=40 g/mol
Kroki obliczeń:
1. Początkowa ilość H⁺:
n(H⁺)początkowe=10⁻³ mol/L × 1000 L=1 mol
2. Docelowa ilość H⁺ (nieistotna):
n(H⁺)cel=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Ilość H⁺ do zobojętnienia:
Δn(H⁺)=1 - 0.0001 ≈ 1 mol
4. Wymagana ilość NaOH (reakcja 1:1):
n(NaOH)=1 mol
5. Wymagana masa NaOH:
m(NaOH)=1 mol × 40 g/mol=40 g
Wniosek: Aby zneutralizować 1 metr sześcienny ścieków o pH=3 do obojętnego, należy dodać 40 gramów wodorotlenku sodu (w postaci stałej).
V. Obliczanie dawki H₂SO₄ do neutralizacji ścieków przy pH=10
Dane warunki:
· Objętość ścieków V=1 m3=1000 L
· Początkowe pH=10 → pOH=4 → [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L
· Docelowe pH=7 → [OH⁻]=10⁻⁷ mol/L
· Masa cząsteczkowa H₂SO₄=98 g/mol (H₂SO₄ dostarcza 2 jony H⁺)
Kroki obliczeniowe:
1. Początkowa ilość OH⁻:
n(OH⁻)początkowe=10⁻⁴ mol/L × 1000 L=0.1 mol
2. Docelowa ilość OH⁻ (nieistotna):
n(OH⁻)cel=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Ilość OH⁻ do zobojętnienia:
Δn(OH⁻)=0.1 - 0.0001 ≈ 0,1 mol
4. Wymagana ilość H⁺: n(H⁺)=0.1 mol
5. Wymagana ilość H₂SO₄ (z każdego mola H₂SO₄ powstają 2 mole H⁺):
n(H₂SO₄)=0.1 mol ÷ 2=0.05 mol
6. Wymagana masa H₂SO₄:
m(H₂SO₄)=0.05 mol × 98 g/mol=4.9 g
Wniosek: Neutralizacja 1 metra sześciennego ścieków o pH=10 do obojętnego wymaga dodania 4,9 grama czystego kwasu siarkowego.
W przypadku użycia 98% stężonego kwasu siarkowego (gęstość 1,84 g/ml) objętość wynosi:
V=4.9 g ÷ 0,98 ÷ 1,84 g/ml ≈ 2,72 ml
VI. Praktyczne rozważania inżynierskie
1. Układ buforowy: ścieki mogą zawierać kwas-zasadowe substancje buforujące (takie jak węglany i fosforany). Rzeczywistą dawkę należy określić w drodze testów miareczkowania.
2. Bezpieczna eksploatacja: Podczas dodawania kwasu lub zasady należy zastosować niezbędne środki ochronne, aby uniknąć miejscowego nadmiernego stężenia prowadzącego do wtórnego zanieczyszczenia.
3. Efektywność ekonomiczna: w przypadku leczenia-na dużą skalę należy porównać koszt różnych odczynników. Wapno (Ca(OH)₂) jest na ogół bardziej ekonomiczne niż NaOH.
4. Kontrola automatyczna: regulacja pH ma charakter nieliniowy-; w celu uzyskania precyzyjnego dozowania zaleca się stosowanie układu regulacji PID.
5. Zarządzanie pH jest podstawowym aspektem oczyszczania ścieków, bezpośrednio wpływającym na skuteczność oczyszczania i koszty eksploatacji, dlatego zasługuje na odpowiednią uwagę.
