знание химического спроса на кислород

знание химического спроса на кислород

1. Определение COD.

ХПК (Химический потребность в кислороде) - это количество окислителя, потребляемого при обработке проб воды определённым сильным окислителем при определённых условиях. Это показатель количества восстанавливающих веществ в воде. Восстанавливающие вещества в воде включают различные органические вещества, нитриты, сульфиды, железистые соли и т.д., но основными являются органические вещества. Поэтому химическая потребность в кислороде (ХПК) часто используется как показатель для измерения количества органических веществ в воде. Чем выше химическая потребность в кислороде, тем серьёзнее загрязнение воды органическими веществами. Определение химической потребности в кислороде (ХПК) зависит от определения восстанавливающих веществ в пробах воды и метода определения. Наиболее распространёнными методами являются метод окисления азотной кислотой перманганата калия (KMnO4) и метод окисления дихроматом калия (K2Cr2O7). Метод окисления перманганатом калия имеет низкую степень окисления, но относительно прост и может использоваться при определении сравнительного значения содержания органических веществ в пробах воды. Метод окисления дихроматом калия имеет высокую степень окисления и хорошую воспроизводимость, и подходит для определения общего количества органических веществ в пробах воды. Органические вещества очень вредны для промышленных систем водоснабжения. Строго говоря, химическая потребность в кислороде также включает неорганические восстанавливающие вещества в воде. Обычно, так как количество органических веществ в сточных водах намного больше, чем неорганических, химическая потребность в кислороде обычно используется для представления общего количества органических веществ в сточных водах. При измерительных условиях органические вещества без азота в воде легко окисляются перманганатом калия, тогда как органические вещества, содержащие азот, более трудно разлагаются. Поэтому спрос на кислород подходит для определения природной воды или обычных сточных вод, содержащих органические вещества, которые легко окисляются, тогда как для промышленных сточных вод с более сложным составом часто измеряется химическая потребность в кислороде.

Вода, содержащая большое количество органических веществ, будет загрязнять ионообменные смолы при прохождении через систему дезминерализации, особенно аннионообменные смолы, что снизит обменную емкость смолы. После предварительной обработки (коагуляции, осветления и фильтрации) содержание органических веществ может уменьшиться примерно на 50%, но оно не удаляется в системе дезминерализации, поэтому часто попадает в котел через питательную воду, снижая pH котловой воды. Иногда органические вещества также могут попасть в паровую систему и конденсат, вызывая снижение pH и коррозию системы. Высокое содержание органических веществ в циркулирующей водной системе будет способствовать размножению микроорганизмов. Поэтому, будь то для дезминерализации, котловой воды или циркулирующей водной системы, чем ниже COD, тем лучше, но единого нормативного индекса нет. Когда COD (метод КМnO4) превышает 5 мг/л в системе циркулирующего охлаждающего водоснабжения, качество воды начинает ухудшаться.

В стандартном показателе питьевой воды, химический потребность в кислороде (ХПК) для воды класса I и II составляет ≤15 мг/л, ХПК для воды класса III составляет ≤20 мг/л, ХПК для воды класса IV составляет ≤30 мг/л, а ХПК для воды класса V составляет ≤40 мг/л. Чем больше значение ХПК, тем серьезнее загрязнение водного тела.

2. Как образуется ХПК?

ХПК (химическая потребность в кислороде) главным образом происходит от веществ в пробе воды, которые могут быть окислены сильными окислителями, особенно органическими веществами. Эти органические вещества широко распространены в сточных водах и загрязненной воде, включая, но не ограничиваясь сахарами, маслами и жирами, аммиачным азотом и т.д. Окисление этих веществ потребляет растворенный кислород в воде, что увеличивает химическую потребность в кислороде. Конкретно:

1. Сахаросодержащие вещества: такие как глюкоза, фруктоза и т.д., часто встречаются в сточных водах пищевой промышленности и биофармацевтической отрасли, и они увеличивают содержание ХПК.

2. Масла и жиры: Сточные воды, содержащие масла и жиры, сбрасываемые во время промышленного производства, также приводят к увеличению концентрации ХПК.

3. Аммиачный азот: Несмотря на то, что он напрямую не влияет на определение ХПК, окисление аммиачного азота также потребляет кислород во время очистки сточных вод, косвенно влияя на значение ХПК.

Помимо этого, существует множество типов веществ, которые могут вызывать ЗПК в сточных водах, включая биоразлагаемые органические вещества, промышленные органические загрязнители, восстанавливающие неорганические вещества, некоторые труднобиоразлагаемые органические вещества и метаболиты микроорганизмов. Окисление этих веществ потребляет растворённый кислород в воде, что приводит к образованию ЗПК. Следовательно, химическая потребность в кислороде является важным показателем для измерения степени загрязнения органическими веществами и восстанавливающими неорганическими веществами в воде. Она отражает общее количество веществ в воде, которые могут быть окислены и разложены окислителями (обычно хромовым ангидридом или марганцовкой) при определённых условиях, то есть степень, в которой эти вещества потребляют кислород.

1. Органические вещества: Органические вещества являются одним из основных источников ХПК в сточных водах, включая биоразлагаемые органические вещества, такие как белки, углеводы и жиры. Эти органические вещества могут разлагаться до углекислого газа и воды под действием микроорганизмов.

2. Фенольные соединения: Фенольные соединения часто используются как загрязнители в сточных водах в некоторых промышленных процессах. Они могут серьезно влиять на водную среду и увеличивать содержание ХПК.

3. Спиртовые вещества: Спиртовые соединения, такие как этанол и метанол, также являются распространенными источниками ХПК в некоторых промышленных сточных водах.

4. Сахаристые вещества: Сахаристые соединения, такие как глюкоза, фруктоза и другие, являются распространенными компонентами в сточных водах некоторых пищевых производств и биофармацевтических отраслей, и они также увеличивают содержание ХПК.

5. Жиры и масла: Сточные воды, содержащие жиры и масла, сбрасываемые во время промышленного производства, также приводят к увеличению концентрации ХПК.

6. Азот аммиака: хотя азот аммиака не直接影响 химическое потребление кислорода (ХПК) напрямую, его окисление также потребляет кислород в процессе очистки сточных вод, косвенно влияя на значение ХПК.

Кроме того, стоит отметить, что ХПК реагирует не только на органические вещества в воде, но также представляет собой неорганические вещества с восстанавливающими свойствами, такие как сульфиды, железо(II) ионов, натрия сульфит и т.д. Поэтому при очистке сточных вод необходимо всесторонне учитывать вклад различных загрязнителей в ХПК и принимать соответствующие меры для снижения значения ХПК.

Органическое вещество является основным источником ХПК. К ним относятся различные органические вещества, взвешенные частицы и трудноразлагаемые вещества в сточных водах. Высокое содержание ХПК в сточных водах представляет большую угрозу для водной среды. Обработка и мониторинг ХПК являются одними из важных мер по предотвращению и контролю загрязнения. Следовательно, определение ХПК является одним из часто используемых методов анализа в очистке сточных вод и экологическом мониторинге.

Определение ХПК является процессом, простым в исполнении, с высокой аналитической чувствительностью. Определение ХПК можно выполнить путем непосредтельного наблюдения за изменением цвета образца или тока или других сигналов после титрования химическими реагентами для образования окислительных продуктов. Когда значение ХПК превышает норму, необходимо провести соответствующую обработку для предотвращения загрязнения окружающей среды. Короче говоря, понимание значения ХПК играет ключевую роль в защите водной среды и осуществлении контроля загрязнения.

3. Влияние высокого ПХО.

‌ПХО (показатель химического потребления кислорода) является важным индикатором для измерения степени органического загрязнения водных объектов. Избыточное содержание может оказать серьезное влияние на качество воды в реках.‌

Измерение ПХ основано на количестве окислителя, потребляемого при окислении и разложении reduцирующих веществ (главным образом органических соединений) в 1 литре воды при определенных условиях. Эти reduцирующие вещества потребляют большое количество растворенного кислорода во время процесса разложения, что приводит к недостатку кислорода для водных организмов, влияя на их нормальный рост и выживание, и может вызвать массовые гибели в тяжелых случаях. Кроме того, снижение содержания растворенного кислорода ускорит ухудшение качества воды, способствует腐败ению и разложению органических веществ, и образует больше токсичных и вредных веществ, таких как аммонийный азот, что наносит еще больший вред водным организмам и качеству воды. Длительное воздействие сточных вод, содержащих высокую концентрацию органических веществ, также может нанести серьезный вред здоровью человека, например, вызывать желудочно-кишечные заболевания, кожные болезни и т.д. Поэтому избыточное ПХ представляет не только угрозу для водных организмов, но и потенциальный риск для здоровья человека.

Для защиты водной среды и здоровья человека необходимо принять эффективные меры по предотвращению и контролю чрезмерного содержания ХПК. Это включает сокращение выбросов органических веществ в промышленной и сельскохозяйственной деятельности, а также укрепление очистки сточных вод и мониторинга, чтобы обеспечить соответствие качества сбрасываемых вод стандартам, тем самым поддерживая благоприятную водную экосистему.

ХПК является показателем содержания органических веществ в воде. Чем выше ХПК, тем серьезнее загрязнен водоем органическими веществами. Когда токсичные органические вещества попадают в водоем, они не только вредят организмам, обитающим в воде, таким как рыбы, но также могут накапливаться в пищевой цепи и попадать в человеческий организм, вызывая хроническое отравление. .

ПДК оказывает большое влияние на качество воды и экологическую среду. Если органические загрязнители с высоким содержанием ПДК попадают в реки, озера и водохранилища и не подвергаются своевременной обработке, много органических веществ может быть поглощено почвой на дне водоемов и накапливаться в течение многих лет. Эти вещества могут причинить вред различным организмам в воде и сохранять свою токсичность в течение нескольких лет. Этот токсический эффект имеет два аспекта:

С одной стороны, он приведет к гибели большого количества водных организмов, разрушит экологическое равновесие водоема и даже может напрямую уничтожить всю экосистему реки.

С другой стороны, токсины будут медленно накапливаться в водных организмах, таких как рыба и креветки. Как только человек потребляет эти токсичные водные организмы, токсины попадают в человеческий организм и накапливаются в течение многих лет, что приводит к непредсказуемым серьезным последствиям, таким как рак, деформации и мутации генов. Точно так же, если люди используют загрязненную воду для орошения, урожай также будет затронут, и люди будут вдыхать большое количество вредных веществ во время еды.

Когда показатель ХПК очень высокий, это может привести к ухудшению качества природной воды. Причина в том, что самочищение воды требует разложения этих органических веществ. Разложение ХПК обязательно сопровождается потреблением кислорода, а способность воды к насыщению кислородом не удовлетворяет этим требованиям. ДО напрямую упадёт до 0 и станет анаэробным. В анаэробном состоянии процесс продолжит расщепление (анаэробная обработка микроорганизмами), и вода станет чёрной и зловонной (анаэробные микроорганизмы выглядят очень тёмными и содержат сероводород).

4. Методы обработки ХПК

Первый пункт

Физический метод: Он использует физическое воздействие для разделения взвешенных частиц или мутности в сточных водах, что позволяет удалить ХПК из сточных вод. Распространённые методы включают предварительную очистку сточных вод через отстойники, фильтрующие решетки, фильтры, жироуловители, маслеотделители и т.д., чтобы просто удалить ХПК частиц в сточных водах.

Второй пункт

Химический метод: Он использует химические реакции для удаления растворенных веществ или коллоидных веществ в сточных водах и может удалять ХПК из сточных вод. Обычные методы включают нейтрализацию, осаждение, окисление-восстановление, каталитическое окисление, фотокаталитическое окисление, микроэлектролиз, электролитическую коагуляцию, сжигание и т.д.

Третья точка

Физико-химический метод: Он использует физико-химические реакции для удаления растворенных веществ или коллоидных веществ в сточных водах. Может удалять ХПК из сточных вод. Обычные методы включают решетки, фильтрацию, центрифугирование, отстаивание, фильтрацию, отделение масла и т.д.

Четвертая точка

Биологический метод обработки: Он использует метаболизм микробов для преобразования органических загрязнителей и неорганических питательных веществ для микробов в сточных водах в стабильные и безвредные вещества. Обычные методы включают активный ил, биологическую пленку, анаэробное биологическое переваривание, стабилизационные пруды и очистку на заболоченных территориях и т.д.

5. Метод анализа ХПК.

Дихроматный метод

Стандартный метод определения химической потребности в кислороде представлен китайским стандартом GB 11914 «Определение химической потребности в кислороде качества воды методом дихромата» и международным стандартом ISO6060 «Определение химической потребности в кислороде качества воды». Этот метод имеет высокую степень окисления, хорошую воспроизводимость, точность и надежность, и стал классическим стандартным методом, признанным международным сообществом.

Принцип определения следующий: в серной кислотной среде используется хромат калия в качестве окислителя, серебряный сульфат служит катализатором, а мерcuric сульфат используется как маскирующее вещество для ионов хлора. Кислотность серной кислоты в реакционной жидкости для переваривания составляет 9 моль/л. Реакционная жидкость для переваривания нагревается до кипения, температура кипения 148℃±2℃ является температурой переваривания. Реакция охлаждается водой и рециркулируется в течение 2 часов. После естественного охлаждения раствора переваривания он разбавляется водой до примерно 140 мл. Ферроин используется в качестве индикатора, и оставшийся хромат калия титруется раствором сульфата железоаммония. Значение COD водной пробы рассчитывается на основе потребления раствора сульфата железоаммония. В качестве окислителя используется хромат калия, а окислителем является шестивалентный хром, поэтому этот метод называется дихроматным методом.

Однако, этот классический стандартный метод всё ещё имеет недостатки: устройство для обратной перегонки занимает много места в лаборатории, потребляет большое количество воды и электроэнергии, требует большого количества реактивов, неудобен в использовании, и сложно проводить быструю массовую измерительную оценку.

Метод перманганата калия

Значение COD измеряется с использованием перманганата калия как окислителя, и полученный результат называется индексом перманганата.

Фотометрический метод

На основе классического стандартного метода, перманганат калия окисляет органические вещества, и шестивалентный хром превращается в трехвалентный хром. Значение ХПК образца воды определяется путем установления связи между значением абсорбции шестивалентного хрома или трехвалентного хрома и значением ХПК образца воды. Используя вышеуказанный принцип, наиболее представительными методами за рубежом являются EPA.Method 0410.4 "Автоматическая ручная колориметрия", ASTM: D1252-2000 "Метод B для определения химической потребности кислорода воды - спектрофотометрия закрытого переваривания" и ISO15705-2002 "Метод малых запечатанных трубок для определения химической потребности кислорода (ХПК) качества воды". Единый метод нашей страны — это "Быстрый метод закрытого каталитического переваривания (включая спектрофотометрию)" Государственного управления охраны окружающей среды.

Быстрый метод переваривания

Классический стандартный метод — это метод обратного осаждения в течение 2 часов. Для увеличения скорости анализа были предложены различные быстрые методы анализа. Существует два основных подхода: один заключается в увеличении концентрации окислителя в системе реакции минерализации, повышении кислотности серной кислоты, увеличении температуры реакции и добавлении катализатора для ускорения реакции. Внутренние методы представлены ГОСТ/T14420-1993 «Анализ воды котлов и охлаждающей воды. Определение химической потребности кислорода. Быстрый метод с применением хромата калия» и едиными методами, рекомендованными Государственным управлением по охране окружающей среды, такими как «Кулонометрический метод» и «Быстрый закрытый каталитический метод минерализации (включая фотометрический метод)». Зарубежный метод представлен немецким стандартом DIN38049 T.43 «Быстрый метод определения химической потребности кислорода воды».

По сравнению с классическим стандартным методом, приведенный выше метод увеличивает кислотность серной кислоты в системе минерализации с 9,0 мг/л до 10,2 мг/л, температуру реакции с 150℃ до 165℃ и время минерализации с 2 часов до 10~15 минут. Второй способ заключается в изменении традиционного метода минерализации путем нагревания с помощью теплового излучения, применяя технологию микроволновой минерализации для повышения скорости реакции минерализации. Из-за широкого разнообразия микроволновых печей и различной мощности сложно протестировать единые параметры мощности и времени для достижения оптимального эффекта минерализации. Цена микроволновых печей также достаточно высока, что затрудняет разработку единого стандартного метода.

В 1982 году компания Lianhua Technology разработала метод быстрого спектрофотометрического анализа химической потребности в кислороде (ХПК), который позволил определять ХПК в сточных водах по методике «10 минут нагревания, значение через 20 минут». В 1992 году этот научно-исследовательский результат был включен в американский «CHEMICAL ABSTRACTS» как новое достижение в области химии мирового уровня. Этот метод стал стандартом тестирования экологической промышленности Китайской Народной Республики в 2007 году (HJ/T399-2007). Этот метод успешно обеспечивает точное значение ХПК за 20 минут. Он прост в использовании, удобен и быстр, требует небольшого количества реактивов, значительно снижает загрязнение, возникающее в процессе эксперимента, и уменьшает различные затраты. Принцип этого метода заключается в том, чтобы подвергать водную пробу с добавлением реагента ХПК от Lianhua Technology термическому воздействию при 165 градусах в течение 10 минут на длинах волн 420 или 610 нм, затем охлаждать её в течение 2 минут и добавлять 2,5 мл дистиллированной воды. Результат ХПК можно получить с помощью быстрого измерителя ХПК от Lianhua Technology.