עבודת הגנת הסביבה אינה ניתנת להפרדה מהכימיה; משוואות תגובה כימית וחישובי מינון מגיבים הם דבר שבשגרה בטיפול בשפכים. להלן הרעיון של pH ודוגמאות חישוב.
I. מושגים בסיסיים של pH
pH הוא סולם למדידת החומציות או הבסיסיות של תמיסה מימית. זה מוגדר כלוגריתם השלילי של פעילות יוני מימן:
pH=-log₁₀[H⁺]
כאשר [H⁺] מייצג את הריכוז המולרי של יוני מימן, במול/ליטר. טווח ה-pH הוא בדרך כלל 0-14. pH=7 הוא ניטרלי, pH<7 is acidic, and pH>7 הוא אלקליין.
במים טהורים, [H⁺]=10⁻⁷ מול/ליטר, לכן pH=7. כאשר pH=3, [H⁺]=10⁻³ מול/ליטר; כאשר pH=10, [H⁺]=10⁻¹⁰ מול/ליטר ו-[OH⁻]=10⁻⁴ מול/ליטר.
II. משמעות כימית של pH
ערך ה-pH משקף את מאזן החומצה-בסיסי של גופי מים וקשור הדוק לתהליכים הכימיים הבאים:
1. צורות של חומר: חומרים כימיים רבים (כגון יוני מתכות כבדות וחומר אורגני) מציגים מצבי יינון ומסיסות שונים ברמות pH שונות.
2. קצב תגובה: קצב התגובות הקטליטיות של חומצת-בסיס קשור לעתים קרובות ישירות ל-pH.
3. קורוזיביות: ערכי pH קיצוניים (<4 or >10) לגרום לקורוזיה חמורה לצינורות וציוד מתכת.
4. פעילות ביולוגית: מערכות אנזימים מיקרוביאליות רגישות ביותר ל-pH, כאשר ה-pH הצמיחה האופטימלי בדרך כלל בין 6.5 ל-8.5.
III. התפקיד המנחה של pH בטיפול בשפכים
1. התאמת טיפול מקדים
לפני כניסת שפכים למערכת הטיפול, יש להתאים את ה-pH לטווח מתאים (בדרך כלל 6-9) כדי למנוע פגיעה ביחידות הטיפול הבאות.
2. הבטחת טיפול ביוכימי
תהליך בוצה פעילה אירובית: pH אופטימלי הוא 6.5-8.5
עיכול אנאירובי: pH אופטימלי הוא 6.8-7.4
סטיות ב-pH יכולות להוביל לירידה בפעילות המיקרוביאלית ואפילו לקריסת המערכת.
3. בקרת משקעים כימיים
בעת הסרת מתכות כבדות, יש להתאים את ה-pH לערך מסוים כדי לגרום למתכות לזרז כמו הידרוקסידים. לדוגמה, Cu²⁺ משקע לחלוטין ב-pH≈8.0.
IV. חישוב מינון NaOH לנטרול מי שפכים ב-pH 3
חישוב הנטרול מבוסס על תגובת ניטרול הבסיס של חומצה-: H⁺ + OH⁻ → H₂O
תנאים נתונים:
· נפח מי שפכים V=1 m³=1000 L
· pH התחלתי=3 → [H⁺]=10⁻³ מול/ליטר
· pH יעד=7 → [H⁺]=10⁻⁷ מול/ליטר
· משקל מולקולרי של NaOH=40 גרם/מול
שלבי חישוב:
1. כמות ראשונית של H⁺:
n(H⁺) ראשוני=10⁻³ מול/L × 1000 L=1 מול
2. כמות יעד של H⁺ (זניח):
n(H⁺)יעד=10⁻⁷ מול/ליטר × 1000 ל'=0.0001 מול
3. כמות H⁺ שיש לנטרל:
Δn(H⁺)=1 - 0.0001 ≈ 1 מול
4. כמות NaOH הנדרשת (תגובה 1:1):
n(NaOH)=1 מול
5. נדרשת מסה של NaOH:
m(NaOH)=1 מול × 40 גרם/מול=40 גרם
מסקנה: כדי לנטרל 1 מטר מעוקב של שפכים עם pH=3 לנייטרלי, יש להוסיף 40 גרם של נתרן הידרוקסיד (מוצק).
V. חישוב מינון H₂SO₄ לנטרול מי שפכים ב-pH=10
תנאים נתונים:
· נפח מי שפכים V=1 m³=1000 L
· pH התחלתי=10 → pOH=4 → [OH⁻]=10⁻⁴ מול/ליטר
· pH יעד=7 → [OH⁻]=10⁻⁷ מול/ליטר
· H₂SO₄ משקל מולקולרי=98 גרם/מול (H₂SO₄ מספק 2 יוני H⁺)
שלבי חישוב:
1. כמות התחלתית של OH⁻:
n(OH⁻) ראשוני=10⁻⁴ מול/L × 1000 L=0.1 מול
2. כמות יעד של OH⁻ (זניח):
n(OH⁻)יעד=10⁻⁷ מול/L × 1000 L=0.0001 מול
3. כמות OH⁻ שיש לנטרל:
Δn(OH⁻)=0.1 - 0.0001 ≈ 0.1 מול
4. כמות H⁺ הנדרשת: n(H⁺)=0.1 מול
5. כמות H₂SO4 הנדרשת (כל מול של H₂SO4 מספקת 2 מול של H⁺):
n(H₂SO₄)=0.1 מול ÷ 2=0.05 מול
6. נדרשת מסה של H₂SO₄:
m(H₂SO₄)=0.05 מול × 98 גרם/מול=4.9 גרם
מסקנה: ניטרול 1 מטר מעוקב של שפכים עם pH=10 לנייטרלי מצריך תוספת של 4.9 גרם חומצה גופרתית טהורה.
אם משתמשים בחומצה גופרתית מרוכזת 98% (צפיפות 1.84 גרם/מ"ל), הנפח הוא:
V=4.9 גרם ÷ 0.98 ÷ 1.84 גרם/מ"ל ≈ 2.72 מ"ל
VI. שיקולי הנדסאים
1. מערכת חוצץ: מי שפכים עשויים להכיל חומרים חוסמי חומצה-בסיס (כגון קרבונטים ופוספטים). יש לקבוע את המינון בפועל באמצעות בדיקות טיטרציה.
2. הפעלה בטוחה: יש ליישם אמצעי הגנה הכרחיים בעת הוספת חומצה או אלקלי כדי למנוע ריכוז יתר מקומי המוביל לזיהום משני.
3. יעילות כלכלית: לטיפול בקנה מידה גדול-, יש להשוות את העלות של ריאגנטים שונים. סיד (Ca(OH)₂) הוא בדרך כלל חסכוני יותר מ-NaOH.
4. בקרה אוטומטית: להתאמת pH יש מאפיינים לא-לינארים; מומלץ להשתמש במערכת בקרת PID כדי להשיג מינון מדויק.
5. ניהול pH הוא היבט בסיסי של טיפול בשפכים, המשפיע ישירות על יעילות הטיפול ועלויות התפעול, ולכן ראוי לתשומת לב מספקת.
