Il lavoro di tutela ambientale è inseparabile dalla chimica; le equazioni delle reazioni chimiche e i calcoli del dosaggio dei reagenti sono comuni nel trattamento delle acque reflue. Quello che segue è il concetto di pH ed esempi di calcolo.
I. Concetti base del pH
Il pH è una scala per misurare l'acidità o l'alcalinità di una soluzione acquosa. È definito come il logaritmo negativo dell'attività degli ioni idrogeno:
pH=-log₁₀[H⁺]
Dove [H⁺] rappresenta la concentrazione molare degli ioni idrogeno, in mol/L. L'intervallo di pH è solitamente 0-14. pH=7 è neutro, pH<7 is acidic, and pH>7 è alcalino.
In acqua pura, [H⁺]=10⁻⁷ mol/L, quindi pH=7. Quando pH=3, [H⁺]=10⁻³ mol/L; quando pH=10, [H⁺]=10⁻¹⁰ mol/L e [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L.
II. Significato chimico del pH
Il valore del pH riflette l'equilibrio acido-base dei corpi idrici ed è strettamente correlato ai seguenti processi chimici:
1. Forme della materia: molte sostanze chimiche (come gli ioni di metalli pesanti e la materia organica) presentano diversi stati di ionizzazione e solubilità a diversi livelli di pH.
2. Velocità di reazione: la velocità delle reazioni catalitiche acido-base è spesso direttamente correlata al pH.
3. Corrosività: valori di pH estremi (<4 or >10) provocano una grave corrosione dei tubi e delle apparecchiature metalliche.
4. Attività biologica: i sistemi enzimatici microbici sono estremamente sensibili al pH, con un pH di crescita ottimale tipicamente compreso tra 6,5 e 8,5.
III. Il ruolo guida del pH nel trattamento delle acque reflue
1. Regolazione del pretrattamento
Prima che le acque reflue entrino nel sistema di trattamento, il pH deve essere regolato su un intervallo adeguato (generalmente 6-9) per evitare di influenzare le successive unità di trattamento.
2. Garantire il trattamento biochimico
Processo aerobico a fanghi attivi: il pH ottimale è 6,5-8,5
Digestione anaerobica: il pH ottimale è 6,8-7,4
Le deviazioni del pH possono portare a una diminuzione dell’attività microbica e persino al collasso del sistema.
3. Controllo delle precipitazioni chimiche
Quando si rimuovono i metalli pesanti, il pH deve essere regolato su un valore specifico per far precipitare i metalli come idrossidi. Ad esempio, Cu²⁺ precipita completamente a pH≈8,0.
IV. Calcolo del dosaggio di NaOH per neutralizzare le acque reflue a pH 3
Il calcolo della neutralizzazione si basa sulla reazione di neutralizzazione acido-base: H⁺ + OH⁻ → H₂O
Condizioni date:
· Volume delle acque reflue V=1 m³=1000 L
· pH iniziale=3 → [H⁺]=10⁻³ mol/L
· pH target=7 → [H⁺]=10⁻⁷ mol/L
· Peso molecolare NaOH=40 g/mol
Passaggi di calcolo:
1. Importo iniziale di H⁺:
n(H⁺)iniziale=10⁻³ mol/L × 1000 L=1 mol
2. Importo target di H⁺ (trascurabile):
n(H⁺)obiettivo=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Quantità di H⁺ da neutralizzare:
Δn(H⁺)=1 - 0.0001 ≈ 1 mol
4. Quantità di NaOH richiesta (reazione 1:1):
n(NaOH)=1 mol
5. Massa di NaOH richiesta:
m(NaOH)=1 mol × 40 g/mol=40 g
Conclusione: per neutralizzare 1 metro cubo di acque reflue con pH da =3 a neutro, è necessario aggiungere 40 grammi di idrossido di sodio (solido).
V. Calcolo del dosaggio di H₂SO₄ per neutralizzare le acque reflue a pH=10
Date le condizioni:
· Volume delle acque reflue V=1 m³=1000 L
· pH iniziale=10 → pOH=4 → [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L
· pH target=7 → [OH⁻]=10⁻⁷ mol/L
· Peso molecolare di H₂SO₄=98 g/mol (H₂SO₄ fornisce 2 ioni H⁺)
Passaggi di calcolo:
1. Quantità iniziale di OH⁻:
n(OH⁻)iniziale=10⁻⁴ mol/L × 1000 L=0.1 mol
2. Quantità target di OH⁻ (trascurabile):
n(OH⁻)obiettivo=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Quantità di OH⁻ da neutralizzare:
Δn(OH⁻)=0.1 - 0.0001 ≈ 0,1 mol
4. Quantità di H⁺ richiesta: n(H⁺)=0.1 mol
5. Quantità di H₂SO₄ richiesta (ogni mole di H₂SO₄ fornisce 2 mol di H⁺):
n(H₂SO₄)=0.1 mol ÷ 2=0.05 mol
6. Massa di H₂SO₄ richiesta:
m(H₂SO₄)=0.05 mol × 98 g/mol=4.9 g
Conclusione: neutralizzare 1 metro cubo di acque reflue con pH da =10 a neutro richiede l'aggiunta di 4,9 grammi di acido solforico puro.
Se si utilizza acido solforico concentrato al 98% (densità 1,84 g/mL), il volume è:
V=4.9 g ÷ 0,98 ÷ 1,84 g/ml ≈ 2,72 ml
VI. Considerazioni pratiche di ingegneria
1. Sistema tampone: le acque reflue possono contenere sostanze tampone acide-base (come carbonati e fosfati). Il dosaggio effettivo deve essere determinato mediante test di titolazione.
2. Funzionamento sicuro: è necessario implementare le misure protettive necessarie quando si aggiungono acidi o alcali per evitare una concentrazione eccessiva localizzata che porta a un inquinamento secondario.
3. Efficienza economica: per trattamenti su larga-scala, è necessario confrontare il costo dei diversi reagenti. La calce (Ca(OH)₂) è generalmente più economica della NaOH.
4. Controllo automatico: la regolazione del pH ha caratteristiche non-lineari; si consiglia di utilizzare un sistema di controllo PID per ottenere un dosaggio preciso.
5. La gestione del pH è un aspetto fondamentale del trattamento delle acque reflue, che influisce direttamente sull'efficacia del trattamento e sui costi operativi, e pertanto merita sufficiente attenzione.