Munca de protecție a mediului este inseparabilă de chimie; ecuațiile reacțiilor chimice și calculele dozei de reactiv sunt obișnuite în tratarea apelor uzate. Mai jos este conceptul de pH și exemple de calcul.
I. Concepte de bază ale pH-ului
pH-ul este o scară pentru măsurarea acidității sau alcalinității unei soluții apoase. Este definit ca logaritmul negativ al activității ionilor de hidrogen:
pH=-log₁₀[H⁺]
Unde [H⁺] reprezintă concentrația molară a ionilor de hidrogen, în mol/L. Intervalul de pH este de obicei 0-14. pH=7 este neutru, pH<7 is acidic, and pH>7 este alcalin.
În apă pură, [H⁺]=10⁻⁷ mol/L, deci pH=7. Când pH=3, [H⁺]{=10⁻³ mol/L; când pH=10, [H⁺]=10⁻¹⁰ mol/L și [OH⁻]{=10⁻⁴ mol/L.
II. Semnificația chimică a pH-ului
Valoarea pH-ului reflectă echilibrul acido-bazic al corpurilor de apă și este strâns legată de următoarele procese chimice:
1. Forme de materie: Multe substanțe chimice (cum ar fi ionii de metale grele și materia organică) prezintă diferite stări de ionizare și solubilități la diferite niveluri de pH.
2. Viteza de reacție: viteza reacțiilor catalitice acido-bazice este adesea direct legată de pH.
3. Corozivitate: Valori extreme ale pH-ului (<4 or >10) provoacă coroziune severă țevilor și echipamentelor metalice.
4. Activitate biologică: Sistemele de enzime microbiene sunt extrem de sensibile la pH, cu pH-ul optim de creștere de obicei între 6,5 și 8,5.
III. Rolul de ghidare al pH-ului în tratarea apelor uzate
1. Ajustarea pretratării
Înainte ca apa uzată să intre în sistemul de tratare, pH-ul trebuie ajustat la un interval adecvat (în general 6-9) pentru a evita impactul unităților de tratare ulterioare.
2. Asigurarea Tratamentului Biochimic
Proces cu nămol activ aerob: pH-ul optim este de 6,5-8,5
Digestia anaerobă: pH-ul optim este 6,8-7,4
Abaterile de pH pot duce la scăderea activității microbiene și chiar la prăbușirea sistemului.
3. Controlul precipitațiilor chimice
La îndepărtarea metalelor grele, pH-ul trebuie ajustat la o valoare specifică pentru a determina precipitarea metalelor sub formă de hidroxizi. De exemplu, Cu²⁺ precipită complet la pH≈8,0.
IV. Calculul dozei de NaOH pentru neutralizarea apelor uzate la pH 3
Calculul neutralizării se bazează pe reacția de neutralizare acid-bazică: H⁺ + OH⁻ → H₂O
Conditii date:
· Volumul apei uzate V=1 m³=1000 L
· pH inițial=3 → [H⁺]=10⁻³ mol/L
· pH țintă=7 → [H⁺]=10⁻⁷ mol/L
· Greutate moleculară NaOH=40 g/mol
Etape de calcul:
1. Cantitatea inițială de H⁺:
n(H⁺)inițial=10⁻³ mol/L × 1000 L=1 mol
2. Cantitatea țintă de H⁺ (neglijabilă):
n(H⁺)țintă=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Cantitatea de H⁺ de neutralizat:
Δn(H⁺)=1 - 0.0001 ≈ 1 mol
4. Cantitatea de NaOH necesară (reacție 1:1):
n(NaOH)=1 mol
5. Masa de NaOH necesară:
m(NaOH)=1 mol × 40 g/mol=40 g
Concluzie: pentru a neutraliza 1 metru cub de apă uzată cu pH=3 la neutru, trebuie adăugate 40 de grame de hidroxid de sodiu (solid).
V. Calculul dozei de H₂SO₄ pentru neutralizarea apelor uzate la pH=10
Conditii date:
· Volumul apei uzate V=1 m³=1000 L
· pH inițial=10 → pOH=4 → [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L
· pH țintă=7 → [OH⁻]=10⁻⁷ mol/L
· Greutate moleculară H₂SO₄=98 g/mol (H₂SO₄ furnizează 2 ioni H⁺)
Etape de calcul:
1. Cantitatea inițială de OH⁻:
n(OH⁻)inițial=10⁻⁴ mol/L × 1000 L=0.1 mol
2. Cantitatea țintă de OH⁻ (neglijabilă):
n(OH⁻)țintă=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Cantitatea de OH⁻ care trebuie neutralizată:
Δn(OH⁻)=0.1 - 0.0001 ≈ 0,1 mol
4. Cantitatea de H⁺ necesară: n(H⁺)=0.1 mol
5. Cantitatea de H₂SO₄ necesară (fiecare mol de H₂SO₄ furnizează 2 moli de H⁺):
n(H₂SO₄)=0.1 mol ÷ 2=0.05 mol
6. Masa de H₂SO₄ necesară:
m(H₂SO₄)=0.05 mol × 98 g/mol=4.9 g
Concluzie: neutralizarea a 1 metru cub de apă uzată cu pH=10 la neutru necesită adăugarea a 4,9 grame de acid sulfuric pur.
Dacă se utilizează acid sulfuric concentrat 98% (densitate 1,84 g/mL), volumul este:
V=4.9 g ÷ 0,98 ÷ 1,84 g/mL ≈ 2,72 mL
VI. Considerații practice de inginerie
1. Sistem tampon: apele uzate pot conține substanțe tampon acido-bazice (cum ar fi carbonați și fosfați). Doza reală trebuie determinată prin teste de titrare.
2. Funcționare în siguranță: Măsurile de protecție necesare trebuie implementate atunci când adăugați acid sau alcali pentru a evita supraconcentrarea localizată care duce la poluare secundară.
3. Eficiență economică: pentru tratamentul pe scară largă-, costul diferiților reactivi trebuie comparat. Varul (Ca(OH)₂) este în general mai economic decât NaOH.
4. Control automat: ajustarea pH-ului are caracteristici ne-liniare; se recomandă utilizarea unui sistem de control PID pentru a realiza o dozare precisă.
5. Managementul pH-ului este un aspect fundamental al epurării apelor uzate, afectând direct eficacitatea epurării și costurile de operare și, prin urmare, merită suficientă atenție.
