งานปกป้องสิ่งแวดล้อมแยกออกจากงานเคมีไม่ได้ สมการปฏิกิริยาเคมีและการคำนวณปริมาณรีเอเจนต์เป็นเรื่องธรรมดาในการบำบัดน้ำเสีย ต่อไปนี้เป็นแนวคิดเกี่ยวกับ pH และตัวอย่างการคำนวณ
I. แนวคิดพื้นฐานของ pH
pH คือมาตราส่วนสำหรับวัดความเป็นกรดหรือความเป็นด่างของสารละลายที่เป็นน้ำ มันถูกกำหนดให้เป็นลอการิทึมลบของกิจกรรมไฮโดรเจนไอออน:
ค่า pH=-log₁₀[H⁺]
โดยที่ [H⁺] แสดงถึงความเข้มข้นโมลของไฮโดรเจนไอออน มีหน่วยเป็น mol/L โดยปกติช่วง pH จะเป็น 0-14 pH=7 เป็นกลาง pH<7 is acidic, and pH>7 เป็นด่าง
ในน้ำบริสุทธิ์ [H⁺]=10⁻⁷ mol/L ดังนั้น pH=7. เมื่อ pH=3, [H⁺]=10⁻³ mol/L; เมื่อ pH=10, [H⁺]=10⁻¹⁰ โมล/ลิตร และ [OH⁻]=10⁻⁴ โมล/ลิตร
ครั้งที่สอง ความสำคัญทางเคมีของ pH
ค่า pH สะท้อนถึงความสมดุลของกรด-เบสของแหล่งน้ำ และเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับกระบวนการทางเคมีต่อไปนี้:
1. รูปแบบของสสาร: สารเคมีหลายชนิด (เช่น ไอออนของโลหะหนักและอินทรียวัตถุ) มีสถานะไอออไนเซชันและความสามารถในการละลายที่แตกต่างกันในระดับ pH ที่แตกต่างกัน
2. อัตราการเกิดปฏิกิริยา: อัตราของกรด-ปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาเบสมักจะเกี่ยวข้องโดยตรงกับ pH
3. การกัดกร่อน: ค่า pH ที่รุนแรง (<4 or >10) ทำให้เกิดการกัดกร่อนอย่างรุนแรงต่อท่อและอุปกรณ์โลหะ
4. กิจกรรมทางชีวภาพ: ระบบเอนไซม์ของจุลินทรีย์มีความไวต่อ pH อย่างมาก โดยค่า pH การเจริญเติบโตที่เหมาะสมที่สุดโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 6.5 ถึง 8.5
ที่สาม บทบาทชี้นำของ pH ในการบำบัดน้ำเสีย
1. การปรับสภาพเบื้องต้น
ก่อนที่น้ำเสียจะเข้าสู่ระบบบำบัด จำเป็นต้องปรับ pH ให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสม (โดยทั่วไปคือ 6-9) เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบต่อหน่วยบำบัดที่ตามมา
2. รับรองการบำบัดทางชีวเคมี
กระบวนการตะกอนเร่งแบบแอโรบิก: pH ที่เหมาะสมคือ 6.5-8.5
การย่อยแบบไม่ใช้ออกซิเจน: pH ที่เหมาะสมคือ 6.8-7.4
ค่า pH เบี่ยงเบนอาจทำให้กิจกรรมของจุลินทรีย์ลดลงและแม้กระทั่งระบบล่มสลาย
3. การควบคุมการตกตะกอนของสารเคมี
เมื่อกำจัดโลหะหนัก จะต้องปรับ pH ให้เป็นค่าเฉพาะเพื่อทำให้โลหะตกตะกอนเป็นไฮดรอกไซด์ ตัวอย่างเช่น Cu²⁺ ตกตะกอนโดยสมบูรณ์ที่ pHµ.8.0
IV. การคำนวณปริมาณ NaOH สำหรับการทำให้น้ำเสียเป็นกลางที่ pH 3
การคำนวณการทำให้เป็นกลางจะขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาการทำให้เป็นกลางของกรด-ฐาน: H⁺ + OH⁻ → H₂O
เงื่อนไขที่กำหนด:
· ปริมาตรน้ำเสีย V=1 ลบ.ม.=1000 ลิตร
· pH เริ่มต้น=3 → [H⁺]=10⁻³ โมล/ลิตร
· ค่า pH เป้าหมาย=7 → [H⁺]=10⁻⁷ โมล/ลิตร
· น้ำหนักโมเลกุล NaOH=40 กรัม/โมล
ขั้นตอนการคำนวณ:
1. จำนวนเงินเริ่มต้นของ H⁺:
n(H⁺)เริ่มต้น=10⁻³ โมล/L × 1000 ลิตร=1 โมล
2. จำนวนเป้าหมายของ H⁺ (เล็กน้อย):
n(H⁺)เป้าหมาย=10⁻⁷ โมล/L × 1,000 ลิตร=0.0001 โมล
3. จำนวน H⁺ ที่จะปรับให้เป็นกลาง:
Δn(H⁺)=1 - 0.0001 µ 1 โมล
4. ปริมาณ NaOH ที่ต้องการ (ปฏิกิริยา 1:1):
n(NaOH)=1 โมล
5. มวลของ NaOH ที่ต้องการ:
m(NaOH)=1 โมล × 40 กรัม/โมล=40 กรัม
สรุป: หากต้องการทำให้น้ำเสีย 1 ลูกบาศก์เมตรมีค่า pH=3 เป็นกลาง ต้องเติมโซเดียมไฮดรอกไซด์ (ของแข็ง) 40 กรัม
V. การคำนวณปริมาณ H₂SO₄ สำหรับการทำให้น้ำเสียเป็นกลางที่ pH=10
เงื่อนไขที่กำหนด:
· ปริมาตรน้ำเสีย V=1 ลบ.ม.=1000 ลิตร
· pH เริ่มต้น=10 → pOH=4 → [OH⁻]=10⁻⁴ โมล/ลิตร
· ค่า pH เป้าหมาย=7 → [OH⁻]=10⁻⁷ โมล/ลิตร
· H₂SO₄ น้ำหนักโมเลกุล=98 กรัม/โมล (H₂SO₄ มี 2 H⁺ ไอออน)
ขั้นตอนการคำนวณ:
1. จำนวนเงินเริ่มต้นของ OH⁻:
n(OH⁻)เริ่มต้น=10⁻⁴ โมล/L × 1000 L=0.1 โมล
2. จำนวนเป้าหมายของ OH⁻ (เล็กน้อย):
n(OH⁻)เป้าหมาย=10⁻⁷ โมล/L × 1,000 ลิตร=0.0001 โมล
3. จำนวน OH⁻ ที่จะทำให้เป็นกลาง:
Δn(OH⁻)=0.1 - 0.0001 µ 0.1 โมล
4. จำนวน H⁺ ที่ต้องการ: n(H⁺)=0.1 โมล
5. จำนวนH₂SO₄ ที่ต้องการ (H₂SO₄ แต่ละโมลให้ H⁺ 2 โมล):
n(H₂SO₄)=0.1 โมล ۞ 2=0.05 โมล
6. มวลของ H₂SO₄ ที่ต้องการ:
ม.(H₂SO₄)=0.05 โมล × 98 กรัม/โมล=4.9 กรัม
สรุป: การทำให้น้ำเสีย 1 ลูกบาศก์เมตรเป็นกลางด้วย pH=10 ให้เป็นกลางต้องเติมกรดซัลฟิวริกบริสุทธิ์ 4.9 กรัม
หากใช้กรดซัลฟิวริกเข้มข้น 98% (ความหนาแน่น 1.84 กรัม/มิลลิลิตร) ปริมาตรจะเป็น:
V=4.9 ก. ۞ 0.98 ۞ 1.84 ก./มล. ۞ 2.72 มล.
วี. ข้อควรพิจารณาทางวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ
1. ระบบบัฟเฟอร์: น้ำเสียอาจมีสารบัฟเฟอร์ที่เป็นกรด-เบส (เช่น คาร์บอเนตและฟอสเฟต) ต้องกำหนดปริมาณจริงโดยผ่านการทดสอบการไตเตรท
2. การทำงานที่ปลอดภัย: ต้องใช้มาตรการป้องกันที่จำเป็นเมื่อเติมกรดหรือด่างเพื่อหลีกเลี่ยงความเข้มข้นมากเกินไปเฉพาะจุดซึ่งนำไปสู่มลภาวะทุติยภูมิ
3. ประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจ: สำหรับการบำบัดขนาดใหญ่- จำเป็นต้องเปรียบเทียบต้นทุนของรีเอเจนต์ต่างๆ โดยทั่วไปมะนาว (Ca(OH)₂) จะประหยัดกว่า NaOH
4. การควบคุมอัตโนมัติ: การปรับ pH ไม่มี-คุณลักษณะเชิงเส้น ขอแนะนำให้ใช้ระบบควบคุม PID เพื่อให้ได้ปริมาณที่แม่นยำ
5. การจัดการ pH เป็นลักษณะพื้นฐานของการบำบัดน้ำเสีย ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการบำบัดและต้นทุนการดำเนินงาน ดังนั้นจึงสมควรได้รับความสนใจอย่างเพียงพอ
