چگونه PH فاضلاب را تفسیر کنیم؟

کار حفاظت از محیط زیست جدایی ناپذیر از شیمی است. معادلات واکنش شیمیایی و محاسبه دوز معرف در تصفیه فاضلاب رایج است. در زیر مفهوم pH و مثال های محاسباتی آورده شده است.

I. مفاهیم اساسی pH
pH مقیاسی برای اندازه گیری اسیدیته یا قلیایی بودن یک محلول آبی است. به عنوان لگاریتم منفی فعالیت یون هیدروژن تعریف می شود:

pH=-log₁0[H+]

جایی که [H+] نشان دهنده غلظت مولی یون های هیدروژن، برحسب mol/L است. محدوده pH معمولاً 0-14 است. pH=7 خنثی است، pH<7 is acidic, and pH>7 قلیایی است.

در آب خالص، [H+]=10-7 mol/L، بنابراین pH=7. هنگامی که pH=3، [H+]=10-3 mol/L. هنگامی که pH=10، [H+]=10-10 mol/L، و [OH-]=10-4 mol/L.

II. اهمیت شیمیایی pH

مقدار pH منعکس کننده تعادل اسیدی-ابی است و ارتباط نزدیکی با فرآیندهای شیمیایی زیر دارد:

1. اشکال ماده: بسیاری از مواد شیمیایی (مانند یون های فلزات سنگین و مواد آلی) حالت های یونیزاسیون و حلالیت های متفاوتی را در سطوح مختلف pH نشان می دهند.

2. سرعت واکنش: سرعت واکنش‌های کاتالیزوری اسید-باز اغلب مستقیماً با pH مرتبط است.

3. خوردگی: مقادیر pH بسیار زیاد (<4 or >10) باعث خوردگی شدید لوله ها و تجهیزات فلزی شود.

4. فعالیت بیولوژیکی: سیستم های آنزیمی میکروبی بسیار حساس به pH هستند، با pH رشد مطلوب معمولا بین 6.5 و 8.5.

III. نقش هدایت کننده pH در تصفیه فاضلاب

1. تنظیم قبل از درمان

قبل از ورود فاضلاب به سیستم تصفیه، pH باید در محدوده مناسب (معمولاً 9-6) تنظیم شود تا از تأثیرگذاری بر واحدهای تصفیه بعدی جلوگیری شود.

2. اطمینان از درمان بیوشیمیایی

فرآیند لجن فعال هوازی: pH مطلوب 6.5-8.5 است

هضم بی هوازی: pH مطلوب 6.8-7.4 است

انحراف pH می تواند منجر به کاهش فعالیت میکروبی و حتی فروپاشی سیستم شود.

3. کنترل بارش شیمیایی

هنگام حذف فلزات سنگین، pH باید به مقدار خاصی تنظیم شود تا باعث شود فلزات به صورت هیدروکسید رسوب کنند. به عنوان مثال، Cu2+ به طور کامل در pH≈8.0 رسوب می کند.

IV. محاسبه دوز NaOH برای خنثی کردن فاضلاب در pH 3

محاسبه خنثی سازی بر اساس واکنش خنثی سازی اسید-باز است: H+ OH- → H2O

شرایط داده شده:

· حجم فاضلاب V=1 m³=1000 L

· pH اولیه=3 → [H⁺]=10⁻3 mol/L

· pH هدف=7 → [H⁺]=10⁻7 mol/L

· وزن مولکولی NaOH=40 گرم در مول

مراحل محاسبه:

1. مقدار اولیه H⁺:

n(H⁺) اولیه=10⁻3 mol/L × 1000 L=1 mol

2. مقدار هدف H⁺ (ناچیز):

n(H⁺)هدف=10⁻7 mol/L × 1000 L=0.0001 mol

3. مقدار H+ که باید خنثی شود:

Δn(H+)=1 - 0.0001 ≈ 1 mol

4. مقدار NaOH مورد نیاز (واکنش 1:1):

n(NaOH)=1 مول

5. جرم NaOH مورد نیاز:

m(NaOH)=1 mol × 40 g/mol=40 g

نتیجه‌گیری: برای خنثی‌سازی 1 متر مکعب فاضلاب با pH تا خنثی، 40 گرم هیدروکسید سدیم (جامد) باید اضافه شود.

V. محاسبه دوز H2SO4 برای خنثی کردن فاضلاب در pH{1}}

شرایط داده شده:

· حجم فاضلاب V=1 m³=1000 L

· pH اولیه=10 → pOH=4 → [OH⁻]=10-4 mol/L

· pH هدف=7 → [OH-]=10-7 mol/L

· وزن مولکولی H2SO4=98 گرم در مول (H2SO4 2 یون H+ ارائه می‌کند)

مراحل محاسبه:

1. مقدار اولیه OH-:

n(OH-) اولیه=10⁻4 mol/L × 1000 L=0.1 mol

2. مقدار هدف OH- (ناچیز):

n(OH-)هدف=10⁻7 mol/L × 1000 L=0.0001 mol

3. مقدار OH- که باید خنثی شود:

Δn(OH-)=0.1 - 0.0001 ≈ 0.1 مول

4. مقدار H+ مورد نیاز: n(H+)=0.1 mol

5. مقدار H2SO4 مورد نیاز (هر مول H2SO4 2 مول H+ فراهم می کند):

n(H2SO4)=0.1 مول ÷ 2=0.05 مول

6. جرم H2SO4 مورد نیاز:

m(H2SO4)=0.05 مول × 98 گرم در مول=4.9 گرم

نتیجه‌گیری: خنثی‌سازی 1 متر مکعب فاضلاب با pH{1}} تا خنثی کردن نیاز به افزودن 9/4 گرم سولفوریک اسید خالص دارد.

در صورت استفاده از اسید سولفوریک غلیظ 98 درصد (چگالی 1.84 گرم در میلی لیتر)، حجم آن عبارت است از:

V=4.9 گرم ÷ 0.98 ÷ 1.84 گرم در میلی لیتر ≈ 2.72 میلی لیتر

VI. ملاحظات مهندسی عملی

1. سیستم بافر: فاضلاب ممکن است حاوی مواد بافر اسیدی-باز (مانند کربنات‌ها و فسفات‌ها) باشد. دوز واقعی باید از طریق آزمایش های تیتراسیون تعیین شود.

2. عملیات ایمن: هنگام افزودن اسید یا قلیایی باید اقدامات حفاظتی لازم برای جلوگیری از تمرکز بیش از حد موضعی منجر به آلودگی ثانویه انجام شود.

3. کارایی اقتصادی: برای درمان در مقیاس بزرگ، هزینه معرف‌های مختلف باید مقایسه شود. آهک (Ca(OH)2) به طور کلی مقرون به صرفه تر از NaOH است.

4. کنترل خودکار: تنظیم pH دارای ویژگی های غیر خطی است. برای دستیابی به دوز دقیق توصیه می شود از یک سیستم کنترل PID استفاده کنید.

5. مدیریت pH یک جنبه اساسی از تصفیه فاضلاب است که مستقیماً بر اثربخشی تصفیه و هزینه های عملیاتی تأثیر می گذارد و بنابراین مستحق توجه کافی است.