Rad na zaštiti okoliša neodvojiv je od kemije; jednadžbe kemijske reakcije i izračuni doze reagensa uobičajeni su u pročišćavanju otpadnih voda. Slijedi pojam pH i primjeri izračuna.
I. Osnovni koncepti pH
pH je ljestvica za mjerenje kiselosti ili lužnatosti vodene otopine. Definira se kao negativni logaritam aktivnosti vodikovih iona:
pH=-log₁₀[H⁺]
Gdje [H⁺] predstavlja molarnu koncentraciju vodikovih iona, u mol/L. pH raspon je obično 0-14. pH=7 je neutralan, pH<7 is acidic, and pH>7 je alkalno.
U čistoj vodi, [H⁺]=10⁻⁷ mol/L, stoga 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. Kemijski značaj pH
pH vrijednost odražava acido{0}}baznu ravnotežu vodenih tijela i usko je povezana sa sljedećim kemijskim procesima:
1. Oblici tvari: Mnoge kemijske tvari (kao što su ioni teških metala i organske tvari) pokazuju različita ionizacijska stanja i topljivost na različitim pH razinama.
2. Brzina reakcije: Brzina kiselo{1}}bazičnih katalitičkih reakcija često je izravno povezana s pH.
3. Korozivnost: Ekstremne pH vrijednosti (<4 or >10) izazvati jaku koroziju metalnih cijevi i opreme.
4. Biološka aktivnost: Sustavi mikrobnih enzima izuzetno su osjetljivi na pH, s optimalnim pH za rast obično između 6,5 i 8,5.
III. Vodeća uloga pH u pročišćavanju otpadnih voda
1. Prilagodba prije tretmana
Prije nego što otpadna voda uđe u sustav za pročišćavanje, pH treba podesiti na odgovarajući raspon (obično 6-9) kako bi se izbjegao utjecaj na naknadne jedinice za pročišćavanje.
2. Osiguravanje biokemijske obrade
Aerobni postupak s aktivnim muljem: 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 kolapsa sustava.
3. Kemijska kontrola taloženja
Prilikom uklanjanja teških metala, pH treba podesiti na određenu vrijednost kako bi se metali taložili kao hidroksidi. Na primjer, Cu²⁺ potpuno se taloži pri pH≈8,0.
IV. Izračun doze NaOH za neutralizaciju otpadne vode na pH 3
Izračun neutralizacije temelji se na reakciji neutralizacije kiseline-baze: H⁺ + OH⁻ → H₂O
Zadani uvjeti:
· Volumen otpadne vode V=1 m³=1000 L
· Početni pH=3 → [H⁺]=10⁻³ mol/L
· Ciljani pH=7 → [H⁺]=10⁻⁷ mol/L
· Molekularna težina NaOH=40 g/mol
Koraci izračuna:
1. Početna količina H⁺:
n(H⁺)početno=10⁻³ mol/L × 1000 L=1 mol
2. Ciljana količina H⁺ (neznatna):
n(H⁺)ciljni=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. Masa potrebnog NaOH:
m(NaOH)=1 mol × 40 g/mol=40 g
Zaključak: Za neutralizaciju 1 kubnog metra otpadne vode s pH=3 do neutralnog, potrebno je dodati 40 grama natrijevog hidroksida (krutog).
V. Izračun doze H₂SO₄ za neutralizaciju otpadne vode na pH=10
Zadani uvjeti:
· Volumen otpadne vode V=1 m³=1000 L
· Početni pH=10 → pOH=4 → [OH⁻]=10⁻4 mol/L
· Ciljani pH=7 → [OH⁻]=10⁻⁷ mol/L
· Molekularna težina H₂SO₄=98 g/mol (H₂SO₄ daje 2 H⁺ iona)
Koraci izračuna:
1. Početna količina OH⁻:
n(OH⁻)početno=10⁻4 mol/L × 1000 L=0.1 mol
2. Ciljana količina OH⁻ (neznatna):
n(OH⁻)ciljni=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: Neutralizacija 1 kubnog metra otpadne vode s pH=10 do neutralne zahtijeva dodavanje 4,9 grama čiste sumporne kiseline.
Ako se koristi 98% koncentrirana sumporna kiselina (gustoća 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 sustav: otpadna voda može sadržavati kiselo-bazne puferske tvari (kao što su karbonati i fosfati). Stvarnu dozu potrebno je odrediti titracijskim testovima.
2. Siguran rad: Prilikom dodavanja kiseline ili lužine moraju se primijeniti potrebne zaštitne mjere kako bi se izbjegla lokalizirana prekomjerna koncentracija koja dovodi do sekundarnog onečišćenja.
3. Ekonomska učinkovitost: Za-tretman velikih razmjera potrebno je usporediti troškove različitih reagensa. Vapno (Ca(OH)₂) općenito je ekonomičnije od NaOH.
4. Automatska kontrola: pH podešavanje ima ne-linearne karakteristike; preporuča se korištenje PID sustava upravljanja za postizanje preciznog doziranja.
5. Upravljanje pH temeljni je aspekt pročišćavanja otpadnih voda, koji izravno utječe na učinkovitost pročišćavanja i operativne troškove, te stoga zaslužuje dovoljnu pozornost.