Rad na zaštiti životne sredine je neodvojiv od hemije; jednačine hemijskih reakcija i proračuni doze reagensa uobičajeni su u tretmanu otpadnih voda. Slijedi koncept pH i primjeri izračuna.
I. Osnovni koncepti pH
pH je skala za mjerenje kiselosti ili alkalnosti vodene otopine. Definira se kao negativni logaritam aktivnosti vodikovih jona:
pH=-log₁₀[H⁺]
Gdje [H⁺] predstavlja molarnu koncentraciju vodikovih jona, u mol/L. Opseg pH je obično 0-14. pH=7 je neutralan, pH<7 is acidic, and pH>7 je alkalan.
U čistoj vodi, [H⁺]=10⁻⁷ mol/L, dakle pH=7. Kada je pH=3, [H⁺]=10⁻³ mol/L; kada je pH=10, [H⁺]=10⁻¹⁰ mol/L i [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L.
II. Hemijski značaj pH
pH vrijednost odražava kiselo{0}}baznu ravnotežu vodenih tijela i usko je povezana sa sljedećim hemijskim procesima:
1. Oblici materije: Mnoge hemijske supstance (kao što su joni teških metala i organske materije) pokazuju različita stanja jonizacije i rastvorljivosti na različitim pH nivoima.
2. Brzina reakcije: Brzina kiselo{1}}baznih katalitičkih reakcija je često direktno povezana sa pH.
3. Korozivnost: Ekstremne pH vrijednosti (<4 or >10) izazvati jaku koroziju metalnih cijevi i opreme.
4. Biološka aktivnost: Mikrobni enzimski sistemi su izuzetno osjetljivi na pH, sa optimalnim pH rasta obično između 6,5 i 8,5.
III. Vodeća uloga pH vrijednosti u tretmanu otpadnih voda
1. Podešavanje prethodnog tretmana
Pre nego što otpadna voda uđe u sistem za prečišćavanje, pH treba da se podesi na odgovarajući opseg (obično 6-9) kako bi se izbegao uticaj na sledeće jedinice za tretman.
2. Osiguravanje biohemijskog tretmana
Aerobni proces aktivnog mulja: Optimalni pH je 6,5-8,5
Anaerobna digestija: Optimalni pH je 6,8-7,4
Odstupanja pH mogu dovesti do smanjene mikrobne aktivnosti, pa čak i do kolapsa sistema.
3. Kontrola hemijskih precipitacija
Prilikom uklanjanja teških metala, pH treba podesiti na određenu vrijednost kako bi se metali taložili kao hidroksidi. Na primjer, Cu²⁺ se potpuno taloži pri pH≈8,0.
IV. Izračunavanje doze NaOH za neutralizaciju otpadnih voda pri pH 3
Proračun neutralizacije zasniva se na kiselo{0}}baznoj reakciji neutralizacije: H⁺ + OH⁻ → H₂O
Dati uslovi:
· Zapremina otpadne vode V=1 m³=1000 L
· Početni pH=3 → [H⁺]=10⁻³ mol/L
· Ciljni pH=7 → [H⁺]=10⁻⁷ mol/L
· Molekularna težina NaOH=40 g/mol
Koraci izračunavanja:
1. Početna količina H⁺:
n(H⁺) početni=10⁻³ mol/L × 1000 L=1 mol
2. Ciljana količina H⁺ (zanemarljivo):
n(H⁺)cilj=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Količina H⁺ koju treba neutralizirati:
Δn(H⁺)=1 - 0.0001 ≈ 1 mol
4. Potrebna količina NaOH (reakcija 1:1):
n(NaOH)=1 mol
5. Potrebna masa NaOH:
m(NaOH)=1 mol × 40 g/mol=40 g
Zaključak: Za neutralizaciju 1 kubnog metra otpadne vode sa pH=3 na neutralno, potrebno je dodati 40 grama natrijum hidroksida (čvrstog).
V. Proračun doze H₂SO₄ za neutralizaciju otpadne vode pri pH=10
Dati uslovi:
· Zapremina otpadne vode V=1 m³=1000 L
· Početni pH=10 → pOH=4 → [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L
· Ciljni pH=7 → [OH⁻]=10⁻⁷ mol/L
· H₂SO₄ molekulska težina=98 g/mol (H₂SO₄ daje 2 H⁺ jona)
Koraci izračunavanja:
1. Početna količina OH⁻:
n(OH⁻)početno=10⁻⁴ mol/L × 1000 L=0.1 mol
2. Ciljana količina OH⁻ (zanemarljivo):
n(OH⁻)cilj=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Količina OH⁻ koju treba neutralizirati:
Δn(OH⁻)=0.1 - 0.0001 ≈ 0,1 mol
4. Potrebna količina H⁺: n(H⁺)=0.1 mol
5. Potrebna količina H₂SO₄ (svaki mol H₂SO₄ daje 2 mola H⁺):
n(H₂SO₄)=0.1 mol ÷ 2=0.05 mol
6. Potrebna masa H₂SO₄:
m(H₂SO₄)=0.05 mol × 98 g/mol=4.9 g
Zaključak: Za neutralizaciju 1 kubnog metra otpadne vode sa pH=10 na neutralno potrebno je dodati 4,9 grama čiste sumporne kiseline.
Ako koristite 98% koncentriranu sumpornu kiselinu (gustina 1,84 g/mL), volumen je:
V=4.9 g ÷ 0,98 ÷ 1,84 g/mL ≈ 2,72 mL
VI. Praktična inženjerska razmatranja
1. Puferski sistem: Otpadne vode mogu sadržavati kiselo{1}}bazne puferske supstance (kao što su karbonati i fosfati). Stvarnu dozu treba odrediti titracijskim testovima.
2. Bezbedan rad: Moraju se primeniti neophodne zaštitne mere prilikom dodavanja kiseline ili lužine kako bi se izbegla lokalizovana prekomerna koncentracija koja dovodi do sekundarnog zagađenja.
3. Ekonomska efikasnost: Za tretman velikih-razmjera potrebno je uporediti cijenu različitih reagensa. Kreč (Ca(OH)₂) je općenito ekonomičniji od NaOH.
4. Automatska kontrola: pH podešavanje ima ne-linearne karakteristike; preporučljivo je koristiti PID kontrolni sistem za postizanje preciznog doziranja.
5. Upravljanje pH je osnovni aspekt tretmana otpadnih voda, koji direktno utiče na efikasnost tretmana i operativne troškove, i stoga zaslužuje dovoljnu pažnju.