Работата по опазване на околната среда е неделима от химията; уравненията на химичните реакции и изчисленията на дозата на реагентите са често срещани при пречистването на отпадъчни води. Следва концепцията за pH и примери за изчисление.
I. Основни понятия за pH
pH е скала за измерване на киселинността или алкалността на воден разтвор. Дефинира се като отрицателен логаритъм на активността на водородните йони:
pH=-log₁₀[H⁺]
Където [H⁺] представлява моларната концентрация на водородни йони, в mol/L. Диапазонът на pH обикновено е 0-14. pH=7 е неутрално, pH<7 is acidic, and pH>7 е алкална.
В чиста вода, [H⁺]=10⁻⁷ mol/L, следователно pH=7. Когато pH=3, [H⁺]=10⁻³ mol/L; когато pH=10, [H⁺]=10⁻¹⁰ mol/L и [OH⁻]=10⁻4 mol/L.
II. Химическо значение на pH
Стойността на рН отразява киселинно{0}}алкалния баланс на водните тела и е тясно свързана със следните химични процеси:
1. Форми на материята: Много химически вещества (като йони на тежки метали и органична материя) проявяват различни йонизационни състояния и разтворимост при различни нива на pH.
2. Скорост на реакцията: Скоростта на киселинно{1}}алкалитичните реакции често е пряко свързана с рН.
3. Корозивност: Екстремни стойности на pH (<4 or >10) причиняват силна корозия на метални тръби и оборудване.
4. Биологична активност: Микробните ензимни системи са изключително чувствителни към pH, като оптималното pH за растеж обикновено е между 6,5 и 8,5.
III. Водещата роля на pH при пречистването на отпадъчни води
1. Корекция преди третирането
Преди отпадъчните води да влязат в пречиствателната система, рН трябва да се настрои до подходящ диапазон (обикновено 6-9), за да се избегне въздействие върху следващите пречиствателни модули.
2. Осигуряване на биохимично третиране
Аеробен процес с активирана утайка: Оптималното pH е 6,5-8,5
Анаеробно смилане: Оптималното pH е 6,8-7,4
Отклоненията в рН могат да доведат до намалена микробна активност и дори колапс на системата.
3. Химически контрол на утаяването
Когато се отстраняват тежки метали, рН трябва да се коригира до определена стойност, за да предизвика утаяване на металите като хидроксиди. Например Cu²⁺ се утаява напълно при pH≈8,0.
IV. Изчисляване на дозата NaOH за неутрализиране на отпадъчни води при pH 3
Изчислението на неутрализацията се основава на реакцията на неутрализация на киселина-основа: H⁺ + OH⁻ → H₂O
Дадени условия:
· Обем на отпадъчните води V=1 m³=1000 L
· Първоначално pH=3 → [H⁺]=10⁻³ mol/L
· Целево pH=7 → [H⁺]=10⁻⁷ mol/L
· Молекулно тегло на NaOH=40 g/mol
Стъпки на изчисление:
1. Първоначално количество H⁺:
n(H⁺)начално=10⁻³ mol/L × 1000 L=1 mol
2. Целево количество H⁺ (незначително):
n(H⁺)цел=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Количество H⁺ за неутрализиране:
Δn(H⁺)=1 - 0.0001 ≈ 1 mol
4. Необходимо количество NaOH (реакция 1:1):
n(NaOH)=1 mol
5. Необходима маса на NaOH:
m(NaOH)=1 mol × 40 g/mol=40 g
Заключение: За да се неутрализира 1 кубичен метър отпадна вода с pH=3 до неутрално, трябва да се добавят 40 грама натриев хидроксид (твърд).
V. Изчисляване на дозата H₂SO₄ за неутрализиране на отпадъчни води при pH=10
Дадени условия:
· Обем на отпадъчните води V=1 m³=1000 L
· Първоначално pH=10 → pOH=4 → [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L
· Целево pH=7 → [OH⁻]=10⁻⁷ mol/L
· H₂SO₄ молекулно тегло=98 g/mol (H₂SO₄ осигурява 2 H⁺ йона)
Стъпки на изчисление:
1. Първоначално количество OH⁻:
n(OH⁻)начално=10⁻⁴ mol/L × 1000 L=0.1 mol
2. Целево количество OH⁻ (незначително):
n(OH⁻)цел=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Количество OH⁻ за неутрализиране:
Δn(OH⁻)=0.1 - 0.0001 ≈ 0,1 mol
4. Необходимо количество H⁺: n(H⁺)=0.1 mol
5. Необходимо количество H₂SO₄ (всеки mol H₂SO₄ осигурява 2 mol H⁺):
n(H₂SO₄)=0.1 mol ÷ 2=0.05 mol
6. Необходима маса на H₂SO₄:
m(H₂SO₄)=0.05 mol × 98 g/mol=4.9 g
Заключение: Неутрализирането на 1 кубичен метър отпадна вода с pH=10 до неутрално изисква добавяне на 4,9 грама чиста сярна киселина.
Ако се използва 98% концентрирана сярна киселина (плътност 1,84 g/mL), обемът е:
V=4.9 g ÷ 0,98 ÷ 1,84 g/mL ≈ 2,72 mL
VI. Практически инженерни съображения
1. Буферна система: Отпадъчните води може да съдържат киселинно-основни буферни вещества (като карбонати и фосфати). Действителната доза трябва да се определи чрез тестове за титриране.
2. Безопасна работа: Трябва да се прилагат необходимите защитни мерки при добавяне на киселина или основа, за да се избегне локализирана свръхконцентрация, водеща до вторично замърсяване.
3. Икономическа ефективност: За широко{1}}третиране цената на различните реагенти трябва да се сравнява. Вар (Ca(OH)₂) обикновено е по-икономичен от NaOH.
4. Автоматично управление: Регулирането на pH има не-линейни характеристики; за постигане на прецизно дозиране се препоръчва използването на PID система за управление.
5. Управлението на рН е основен аспект на пречистването на отпадъчни води, пряко засягащ ефективността на пречистването и оперативните разходи, и следователно заслужава достатъчно внимание.