Знання хімічної потреби в кисні

Знання хімічної потреби в кисні

1. Визначення ХСК.

COD (Chemical Oxygen Demand) – це кількість окислювача, що споживається при обробці зразка води певним сильним окислювачем за певних умов. Він є показником кількості редукуючих речовин у воді. До редукуючих речовин у воді відносяться різні органічні речовини, нітрити, сульфіди, солі заліза та ін., Але основними з них є органічні речовини. Тому хімічна потреба в кисні (ХСК) часто використовується як показник для вимірювання кількості органічних речовин у воді. Чим більша хімічна потреба в кисні, тим серйозніше забруднення води органічними речовинами. Визначення хімічної потреби в кисні (ХСК) залежить від визначення редукуючих речовин у пробах води та методу визначення. Найбільш часто використовуваними методами є метод окислення перманганату калію (KMnO4) і метод окислення дихроматом калію (K2Cr2O7). Метод окислення перманганату калію має низьку швидкість окислення, але є відносно простим і може бути використаний при визначенні відносного порівняльного значення вмісту органіки в пробах води. Метод окислення дихромату калію має високу швидкість окислення та хорошу відтворюваність, а також підходить для визначення загальної кількості органічної речовини у зразках води. Органічні речовини дуже шкідливі для промислових систем водопостачання. Строго кажучи, хімічна потреба в кисні включає і неорганічні відновні речовини у воді. Зазвичай, оскільки кількість органічної речовини в стічних водах набагато більша, ніж кількість неорганічної речовини, хімічна потреба в кисні зазвичай використовується для представлення загальної кількості органічної речовини в стічних водах. В умовах вимірювання органічна речовина без азоту у воді легко окислюється марганцівкою, в той час як органічна речовина, що містить азот, важче піддається розкладанню. Таким чином, потреба в кисні підходить для визначення природної води або загальних стічних вод, що містять органічну речовину, яка легко окислюється, тоді як органічні промислові стічні води з більш складними компонентами часто вимірюються для хімічної потреби в кисні.

Вода, що містить велику кількість органічної речовини, при проходженні через систему опріснення забруднює іонообмінні смоли, особливо аніонообмінні смоли, що зменшить обмінну ємність смоли. Органічна речовина може бути зменшена приблизно на 50% після попередньої обробки (коагуляція, освітлення та фільтрація), але вона не може бути видалена в системі опріснення, тому її часто вводять у котел через живильну воду для зниження значення рН води в котлі. Іноді органічні речовини також можуть потрапляти в парову систему та конденсуватися, що спричиняє зниження рН і спричиняє корозію системи. Високий вміст органічної речовини в системі циркулюючої води сприятиме розмноженню мікробів. Тому, будь то опріснення, вода в котлах або система циркуляційного водопостачання, чим нижчий COD, тим краще, але єдиного граничного індексу не існує. Коли ХСК (метод KMnO4) перевищує 5 мг/л у системі циркуляційної охолоджувальної води, якість води починає погіршуватися.

У стандарті питної води хімічна потреба в кисні (COD) води класу I та II становить ≤15 мг/л, хімічна потреба в кисні (COD) води класу III становить ≤20 мг/л, хімічна потреба в кисні (COD) води класу IV становить ≤30 мг/л, а хімічна потреба в кисні (COD) води класу V становить ≤40 мг/л. Чим більше значення ХСК, тим серйозніше забруднення водойми.

2. Як виробляють ХСК?

ХСК (хімічна потреба в кисні) в основному отримують з речовин у зразку води, які можуть окислюватися сильними окислювачами, особливо органічною речовиною. Ці органічні речовини широко присутні в стічних водах і забруднених водах, включаючи, але не обмежуючись, цукри, масла і жири, аміачний азот і т.д. Окислення цих речовин споживає розчинений у воді кисень, тим самим збільшуючи хімічну потребу в кисні. Специфічно:

1. Цукрові речовини: такі як глюкоза, фруктоза тощо, зазвичай містяться в стічних водах харчової промисловості та біофармацевтичної промисловості, і вони збільшують вміст ХСК.

2. Олії та жири: стічні води, що містять олії та жири, що скидаються під час промислового виробництва, також призведуть до збільшення концентрації ХСК.

3. Аміачний азот: хоча він безпосередньо не впливає на визначення ХСК, окислення аміачного азоту також споживатиме кисень під час очищення стічних вод, опосередковано впливаючи на значення ХСК.

Крім того, існує багато типів речовин, які можуть виробляти ХСК у стічних водах, включаючи біорозкладані органічні речовини, промислові органічні забруднювачі, відновлюючі неорганічні речовини, деякі органічні речовини, які важко піддаються біологічному розкладанню, і мікробні метаболіти. При окисленні цих речовин витрачається розчинений у воді кисень, в результаті чого утворюється ХСК. Тому хімічна потреба в кисні є важливим показником для вимірювання ступеня забруднення органічної речовини та відновлення неорганічної речовини у воді. Він відображає загальну кількість речовин у воді, які можуть окислюватися і розкладатися окислювачами (зазвичай дихроматом калію або перманганатом калію) при певних умовах, тобто ступінь споживання цими речовинами кисню.

1. Органічна речовина: органічна речовина є одним з основних джерел ХСК у стічних водах, включаючи біорозкладані органічні речовини, такі як білки, вуглеводи та жири. Ці органічні речовини можуть розкладатися на вуглекислий газ і воду під дією мікроорганізмів.

2. Фенольні речовини: фенольні сполуки часто використовуються як забруднювачі стічних вод у деяких промислових процесах. Вони можуть мати серйозний вплив на водне середовище і підвищувати вміст ХСК.

3. Алкогольні речовини: спиртові сполуки, такі як етанол і метанол, також є поширеними джерелами ХСК у деяких промислових стічних водах.

4. Цукрові речовини: цукрові сполуки, такі як глюкоза, фруктоза тощо, є звичайними компонентами стічних вод деяких підприємств харчової промисловості та біофармацевтичної промисловості, і вони також збільшують вміст ХСК.

5. Жир і жир: Жир і жировмісні стічні води, що скидаються під час промислового виробництва, також призведуть до збільшення концентрації ХСК.

6. Аміачний азот: хоча аміачний азот безпосередньо не впливає на визначення ХСК, окислення аміачного азоту також споживатиме кисень під час процесу очищення стічних вод, опосередковано впливаючи на значення ХСК.

Крім того, варто відзначити, що ХСК не тільки реагує на органічні речовини води, але і являє собою неорганічні речовини з відновними властивостями у воді, такі як сульфід, іони заліза, сульфіт натрію та ін. Тому при очищенні стічних вод необхідно комплексно враховувати внесок різних забруднюючих речовин у ХСК і вживати відповідних очисних заходів для зниження значення ХСК.

Органічна речовина є основним джерелом ХСК. До них відносяться різні органічні речовини, суспензії, речовини, що важко розкладаються в стічних водах. Високий вміст ХСК в стічних водах буде представляти велику загрозу водному середовищу. Лікування та моніторинг ХСК є одним із важливих заходів щодо запобігання та контролю забруднення. Таким чином, визначення ХСК є одним із часто використовуваних методів випробувань при очищенні стічних вод та моніторингу навколишнього середовища.

Визначення ХСК є простим в управлінні процесом з високою аналітичною чутливістю. Визначення ХСК може бути завершено безпосереднім спостереженням за зміною кольору зразка або струмом або іншими сигналами після титрування хімічного реагенту з утворенням продуктів окислення. Коли значення ХСК перевищує норму, необхідно провести відповідну обробку, щоб уникнути забруднення навколишнього середовища. Коротше кажучи, розуміння того, що означає ХСК, відіграє життєво важливу роль у захисті водного середовища та проведенні контролю забруднення.

 

3. Вплив високого ХСК.

‌ХСК (хімічна потреба в кисні) є важливим показником для вимірювання ступеня органічного забруднення водних об'єктів. Надмірний вміст серйозно вплине на якість річкової води.‌

Вимірювання ХСК засноване на кількості окислювача, витраченого при окисленні і розкладанні відновних речовин (в основному органічної речовини) в 1 л води при певних умовах. Ці редукуючі речовини будуть споживати велику кількість розчиненого кисню в процесі розкладання, викликаючи нестачу кисню у водних організмів, що в свою чергу впливає на їх нормальний ріст і виживання, а у важких випадках може стати причиною великої кількості смертей. Крім того, зменшення кількості розчиненого кисню прискорить погіршення якості води, сприятиме псуванню та розкладанню органічної речовини, а також вироблятиме більше токсичних та шкідливих речовин, таких як аміачний азот, що завдасть більшої шкоди водним організмам та якості води. Тривалий вплив стічних вод, що містять високі концентрації органічної речовини, також може завдати серйозної шкоди здоров'ю людини, наприклад, викликати захворювання шлунково-кишкового тракту, шкірні захворювання тощо. Тому надлишок ХСК не тільки становить загрозу для водних організмів, а й становить потенційну небезпеку для здоров'я людини.

З метою захисту водного середовища та здоров'я людей необхідно вжити ефективних заходів щодо запобігання та контролю надмірного ХСК. Це включає зменшення скидання органічної речовини в промисловій та сільськогосподарській діяльності, а також посилення очищення стічних вод та моніторинг для забезпечення того, щоб якість скидної води відповідала стандартам, тим самим підтримуючи хороше водне екологічне середовище.

ХСК є показником вмісту органічної речовини у воді. Чим вище ХСК, тим серйозніше водойма забруднюється органічними речовинами. Коли токсична органічна речовина потрапляє у водойму, вона не тільки завдає шкоди організмам у водоймі, таким як риба, але також може збагатитися харчовим ланцюгом і потрапити в організм людини, викликаючи хронічне отруєння. .

ХСК має великий вплив на якість води та екологічне середовище. Після потрапляння органічних забруднювачів з підвищеним вмістом ХСК в річки, озера і водосховища, якщо їх вчасно не очистити, багато органічної речовини може адсорбуватися грунтом на дні води і накопичуватися протягом багатьох років. Ці організми можуть завдати шкоди різним організмам у воді та продовжувати залишатися токсичними протягом кількох років. Цей токсичний ефект має два ефекти:

З одного боку, це спричинить загибель великої кількості водних організмів, зруйнує екологічний баланс водного об'єкта і навіть безпосередньо знищить всю річкову екосистему.

З іншого боку, токсини будуть повільно накопичуватися у водних організмах, таких як риба і креветки. Як тільки люди споживають ці токсичні водні організми, токсини потрапляють в організм людини і накопичуються протягом багатьох років, що призводить до непередбачуваних серйозних наслідків, таких як рак, каліцтва та генні мутації. Точно так же, якщо люди використовують забруднену воду для поливу, це постраждає і на посіви, а також люди будуть вдихати велику кількість шкідливих речовин в процесі вживання в їжу.

Коли ХСК дуже високий, це призведе до погіршення природної якості води. Причина в тому, що для самоочищення води потрібне розкладання цих органічних речовин. Деградація ХСК обов'язково вимагає споживання кисню, а здатність до реоксигенації у воді не відповідає вимогам. DO впаде прямо до 0 і стане анаеробним. В анаеробному стані вона продовжить розкладатися (анаеробна обробка мікроорганізмів), а вода стане чорною і смердючої (анаеробні мікроорганізми виглядають дуже чорними і містять сірководневий газ).

 

4. Методи лікування ХСК

Перший пункт

Фізичний метод: він використовує фізичну дію для відділення зважених речовин або каламуті в стічних водах, що може видалити ХСК у стічних водах. Поширені методи включають попереднє очищення стічних вод через відстійники, фільтрувальні решітки, фільтри, жировловлювачі, масловодяні сепаратори тощо, щоб просто видалити ХСК твердих частинок у стічних водах.

Другий момент

Хімічний метод: він використовує хімічні реакції для видалення розчинених речовин або колоїдних речовин у стічних водах і може видаляти ХСК у стічних водах. Поширені методи включають нейтралізацію, осадження, окислення-відновлення, каталітичне окислення, фотокаталітичне окислення, мікроелектроліз, електролітичну флокуляцію, спалювання тощо.

Третій момент

Фізико-хімічний метод: використовує фізичні та хімічні реакції для видалення розчинених речовин або колоїдних речовин у стічних водах. Він може видаляти ХСК у стічних водах. Поширені методи включають сітку, фільтрацію, центрифугування, освітлення, фільтрацію, відділення масла тощо.

Четвертий момент

Біологічний метод очищення: використовує мікробний метаболізм для перетворення органічних забруднювачів і неорганічних мікробних поживних речовин у стічних водах у стабільні та нешкідливі речовини. Поширені методи включають метод активного мулу, метод біоплівки, метод анаеробного біологічного зброджування, стабілізаційний ставок та обробку водно-болотних угідь тощо.

5. Метод аналізу ХСК.

Дихроматний метод

Стандартний метод визначення хімічної потреби в кисні представлений китайським стандартом GB 11914 «Визначення хімічної потреби води в кисні за допомогою дихроматного методу» та міжнародним стандартом ISO6060 «Визначення хімічної потреби води в кисні». Цей метод має високу швидкість окислення, хорошу відтворюваність, точність і надійність, і став класичним стандартним методом, загальновизнаним міжнародною спільнотою.

Принцип визначення такий: в середовищі сірчанокислої кислоти дихромат калію використовується як окислювач, сульфат срібла - як каталізатор, а сульфат ртуті - як маскуючий агент для іонів хлору. Кислотність сірчаної кислоти рідини реакції травлення становить 9 моль/л. Рідина для реакції травлення нагрівається до кипіння, а температура кипіння 148 ° C ± 2 ° C є температурою травлення. Реакція охолоджується водою і рефлюксується протягом 2 год. Після того, як рідина для травлення охолоджується природним шляхом, її розбавляють водою приблизно до 140 мл. В якості індикатора використовують феррохлор, а що залишився дихромат калію титрують розчином сульфату амонію. Значення ХСК проби води розраховується на основі витрати розчину амонію залізного купоросу. В якості окислювача використовується дихромат калію, а окислювачем - шестивалентний хром, тому його називають дихроматним методом.

Однак у цього класичного стандартного методу все ж є недоліки: рефлюксний апарат займає великий експериментальний простір, споживає багато води і електроенергії, використовує велику кількість реагентів, незручний в експлуатації, його складно швидко виміряти у великих кількостях.

Метод перманганату калію

ХСК вимірюється за допомогою перманганату калію як окислювача, а виміряний результат називається індексом перманганату калію.

Спектрофотометрія

Виходячи з класичного стандартного методу, дихромат калію окисляє органічну речовину, а шестивалентний хром утворює тривалентний хром. Значення ХСК проби води визначається шляхом встановлення залежності між величиною поглинання шестивалентного хрому або тривалентного хрому і значенням ХСК зразка води. Використовуючи вищевказаний принцип, найбільш представницькими методами за кордоном є ЕПК. Метод 0410.4 "Автоматична ручна колориметрія", ASTM: D1252-2000 "Метод B для визначення хімічної потреби в кисні за допомогою спектрофотометрії з герметичним травленням" та ISO15705-2002 "Метод малої герметичної трубки для визначення хімічної потреби в кисні (COD) якості води". Уніфікованим методом моєї країни є «Метод швидкого герметичного каталітичного зброджування (включаючи спектрофотометрію)» Державного управління охорони навколишнього природного середовища.

Метод швидкого травлення

Класичним стандартним методом є метод рефлюксу на 2 год. Для того, щоб збільшити швидкість аналізу, люди запропонували різні методи експрес-аналізу. Існує два основних методи: один полягає в збільшенні концентрації окислювача в системі реакції травлення, підвищенні кислотності сірчаної кислоти, підвищенні температури реакції і збільшенні каталізатора для збільшення швидкості реакції. Вітчизняний метод представлений GB/T14420-1993 «Аналіз хімічного визначення потреби в кисні котельної води та охолоджувальної води швидким методом дихромату калію» та уніфікованими методиками, рекомендованими Державним управлінням охорони навколишнього природного середовища «Кулонометричний метод» та «Метод швидкого закритого каталітичного зброджування (включаючи фотометричний метод)». Зарубіжний метод представлений німецьким стандартним методом DIN38049 Т.43 «Експрес-метод визначення хімічної потреби води в кисні».

У порівнянні з класичним стандартним методом, вищезазначений метод збільшує кислотність сірчаної кислоти в системі травлення з 9,0 мг/л до 10,2 мг/л, температуру реакції від 150 ° C до 165 ° C, а час травлення від 2 год до 10 хв ~ 15 хв. Другий – змінити традиційний спосіб травлення шляхом нагрівання тепловим випромінюванням, а також використовувати технологію мікрохвильового травлення для покращення швидкості реакції травлення. У зв'язку з широким розмаїттям мікрохвильових печей і різною потужністю складно перевірити єдину потужність і час, щоб досягти найкращого ефекту травлення. Ціна на мікрохвильові печі також дуже висока, і складно сформулювати єдиний стандартний метод.

У 1982 році компанія Lianhua Technology розробила спектрофотометричний метод швидкого травлення для хімічної потреби в кисні (COD), який дозволив швидко визначити ХСК у стічних водах за допомогою методу «10 хвилин травлення, 20 хвилин». У 1992 році цей результат досліджень і розробок був включений в американські «CHEMICAL ABSTRACTS» як новий внесок у світову хімічну галузь. Цей метод став стандартом випробувань природоохоронної промисловості Китайської Народної Республіки в 2007 році (HJ/T399-2007). Цей метод успішно досяг точного значення ХСК протягом 20 хвилин. Він простий в експлуатації, зручний і швидкий, вимагає невеликої кількості реагентів, значно знижує забруднення, що утворюються в експерименті, і знижує різні витрати. Принцип цього методу полягає в тому, щоб переварити зразок води, доданий реагентом COD від Lianhua Technology, при 165 градусах протягом 10 хвилин на довжині хвилі 420 або 610 нм, потім охолодити його протягом 2 хвилин, а потім додати 2,5 мл дистильованої води. Результат ХСК можна отримати за допомогою приладу швидкого визначення ХСК компанії Lianhua Technology.