Práce na ochraně životního prostředí jsou neoddělitelné od chemie; rovnice chemických reakcí a výpočty dávkování činidla jsou při čištění odpadních vod samozřejmostí. Následuje koncept pH a příklady výpočtu.
I. Základní pojmy pH
pH je stupnice pro měření kyselosti nebo zásaditosti vodného roztoku. Je definován jako záporný logaritmus aktivity vodíkových iontů:
pH=-log₁₀[H⁺]
Kde [H⁺] představuje molární koncentraci vodíkových iontů v mol/l. Rozsah pH je obvykle 0-14. pH=7 je neutrální, pH<7 is acidic, and pH>7 je alkalický.
V čisté vodě [H⁺]=10⁻⁷ mol/L, tedy pH=7. Když pH=3, [H⁺]=10⁻³ mol/L; když pH=10, [H⁺]=10⁻¹⁰ mol/l a [OH⁻]=10⁻⁴ mol/l.
II. Chemický význam pH
Hodnota pH odráží kyselou-zásaditou rovnováhu vodních útvarů a úzce souvisí s následujícími chemickými procesy:
1. Formy hmoty: Mnoho chemických látek (jako jsou ionty těžkých kovů a organická hmota) vykazuje různé ionizační stavy a rozpustnosti při různých úrovních pH.
2. Rychlost reakce: Rychlost acid-bazických katalytických reakcí často přímo souvisí s pH.
3. Žíravost: Extrémní hodnoty pH (<4 or >10) způsobit silnou korozi kovových trubek a zařízení.
4. Biologická aktivita: Mikrobiální enzymové systémy jsou extrémně citlivé na pH, s optimálním růstovým pH typicky mezi 6,5 a 8,5.
III. Hlavní role pH při čištění odpadních vod
1. Úprava předúpravy
Než odpadní voda vstoupí do čistícího systému, je třeba upravit pH na vhodný rozsah (obecně 6-9), aby se zabránilo dopadu na následné čistící jednotky.
2. Zajištění biochemické léčby
Proces aerobního aktivovaného kalu: Optimální pH je 6,5-8,5
Anaerobní digesce: Optimální pH je 6,8-7,4
Odchylky pH mohou vést ke snížení mikrobiální aktivity a dokonce ke kolapsu systému.
3. Kontrola chemického srážení
Při odstraňování těžkých kovů je třeba upravit pH na určitou hodnotu, aby se kovy vysrážely jako hydroxidy. Například Cu2⁺ se zcela vysráží při pH≈8,0.
IV. Výpočet dávkování NaOH pro neutralizaci odpadní vody při pH 3
Výpočet neutralizace je založen na acid{0}}zásadité neutralizační reakci: H⁺ + OH⁻ → H₂O
Dané podmínky:
· Objem odpadní vody V=1 m³=1000 L
· Počáteční pH=3 → [H⁺]=10⁻³ mol/L
· Cílové pH=7 → [H⁺]=10⁻⁷ mol/L
· Molekulová hmotnost NaOH=40 g/mol
Kroky výpočtu:
1. Počáteční množství H⁺:
n(H⁺)počáteční=10⁻³ mol/L × 1000 L=1 mol
2. Cílové množství H⁺ (zanedbatelné):
n(H⁺)cíl=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Množství H⁺, které má být neutralizováno:
Δn(H⁺)=1 - 0.0001 ≈ 1 mol
4. Požadované množství NaOH (reakce 1:1):
n(NaOH)=1 mol
5. Hmotnost požadovaného NaOH:
m(NaOH)=1 mol × 40 g/mol=40 g
Závěr: K neutralizaci 1 kubického metru odpadní vody s pH=3 na neutrální je potřeba přidat 40 gramů hydroxidu sodného (pevného).
V. Výpočet dávkování H₂SO₄ pro neutralizaci odpadní vody při pH=10
Dané podmínky:
· Objem odpadní vody V=1 m³=1000 L
· Počáteční pH=10 → pOH=4 → [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L
· Cílové pH=7 → [OH⁻]=10⁻⁷ mol/L
· Molekulová hmotnost H₂SO₄=98 g/mol (H₂SO₄ poskytuje 2 H⁺ ionty)
Kroky výpočtu:
1. Počáteční množství OH⁻:
n(OH⁻)počáteční=10⁻⁴ mol/L × 1000 l=0.1 mol
2. Cílové množství OH⁻ (zanedbatelné):
n(OH⁻)cíl=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Množství OH⁻, které má být neutralizováno:
Δn(OH⁻)=0.1 - 0.0001 ≈ 0,1 mol
4. Potřebné množství H⁺: n(H⁺)=0.1 mol
5. Potřebné množství H2SO4 (každý mol H2SO4 poskytuje 2 mol H⁺):
n(H₂SO₄)=0.1 mol ÷ 2=0.05 mol
6. Požadovaná hmotnost H2SO4:
m(H₂SO₄)=0.05 mol × 98 g/mol=4.9 g
Závěr: Neutralizace 1 krychlového metru odpadní vody s pH=10 na neutrální vyžaduje přidání 4,9 gramů čisté kyseliny sírové.
Při použití 98% koncentrované kyseliny sírové (hustota 1,84 g/ml) je objem:
V=4.9 g ÷ 0,98 ÷ 1,84 g/ml ≈ 2,72 ml
VI. Praktické technické úvahy
1. Systém pufrů: Odpadní voda může obsahovat kyselé-zásadité pufrovací látky (jako jsou uhličitany a fosforečnany). Skutečná dávka musí být stanovena titračními testy.
2. Bezpečný provoz: Při přidávání kyseliny nebo zásady musí být zavedena nezbytná ochranná opatření, aby se zabránilo místní nadměrné koncentraci vedoucí k sekundárnímu znečištění.
3. Ekonomická efektivita: U velkého-ošetření je třeba porovnat náklady na různá činidla. Vápno (Ca(OH)₂) je obecně ekonomičtější než NaOH.
4. Automatic Control: Úprava pH má nelineární charakteristiky; pro dosažení přesného dávkování se doporučuje použít PID řídicí systém.
5. Řízení pH je základním aspektem čištění odpadních vod, který přímo ovlivňuje účinnost čištění a provozní náklady, a proto si zaslouží dostatečnou pozornost.