環境保護活動は化学と切り離すことができません。廃水処理では、化学反応式と試薬投与量の計算が一般的です。以下にpHの概念と計算例を示します。
I. pH の基本概念
pHは、水溶液の酸性またはアルカリ性を測定するためのスケールです。これは、水素イオン活性の負の対数として定義されます。
pH=-log₁₀[H⁺]
ここで、[H+] は水素イオンのモル濃度を mol/L で表します。通常、pH 範囲は 0 ～ 14 です。 pH=7 は中性、pH<7 is acidic, and pH>7はアルカリ性です。
純水では、[H⁺]=10⁻⁷ mol/L、したがって pH=7. pH=3 の場合、[H⁺]=10⁻³ mol/L; pH=10、[H⁺]=10⁻¹⁰ mol/L、および [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L の場合。
II. pH の化学的意味
pH 値は水域の酸塩基バランスを反映しており、次の化学プロセスと密接に関連しています。{0}
1. 物質の形態: 多くの化学物質 (重金属イオンや有機物など) は、異なる pH レベルで異なるイオン化状態と溶解度を示します。
2. 反応速度: 酸-塩基触媒反応の速度は、多くの場合 pH に直接関係します。
3. 腐食性: 極端な pH 値 (<4 or >10) 金属パイプや機器に深刻な腐食を引き起こす。
4. 生物活性: 微生物の酵素系は pH に非常に敏感で、最適な増殖 pH は通常 6.5 ～ 8.5 です。
Ⅲ．廃水処理における pH の役割
1. 治療前調整
廃水が処理システムに入る前に、後続の処理ユニットへの影響を避けるために、pH を適切な範囲 (通常 6 ～ 9) に調整する必要があります。
2. 生化学的処理の確保
好気性活性汚泥法：至適pHは6.5～8.5
嫌気性消化: 最適な pH は 6.8 ～ 7.4 です。
pH の逸脱は、微生物の活動の低下、さらにはシステムの崩壊につながる可能性があります。
3. 化学物質の沈殿制御
重金属を除去する場合、金属を水酸化物として沈殿させるために、pH を特定の値に調整する必要があります。たとえば、Cu2+ は pH ≈8.0 で完全に沈殿します。
IV. pH 3 で廃水を中和するための NaOH 投与量の計算
中和の計算は、酸-塩基の中和反応に基づいています: H⁺ + OH⁻ → H₂O
与えられた条件:
· 排水量 V=1 m³=1000 L
· 初期 pH=3 → [H⁺]=10⁻³ mol/L
· 目標 pH=7 → [H⁺]=10⁻⁷ mol/L
· NaOH 分子量=40 g/mol
計算手順:
1. H⁺の初期量:
n(H⁺)初期=10⁻³ mol/L × 1000 L=1 mol
2. H⁺ の目標量 (無視できる):
n(H⁺)ターゲット=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3.中和するH⁺の量：
Δn(H⁺)=1 - 0.0001 ≈ 1 モル
4. 必要な NaOH の量 (1:1 反応):
n(NaOH)=1 モル
5. 必要な NaOH の質量:
m(NaOH)=1 mol × 40 g/mol=40 g
結論: pH=3 の 1 立方メートルの廃水を中性まで中和するには、40 グラムの水酸化ナトリウム (固体) を添加する必要があります。
V. pH=10 の廃水を中和するための H₂SO₄ 投与量の計算
与えられた条件:
· 排水量 V=1 m³=1000 L
· 初期 pH=10 → pOH=4 → [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L
· 目標 pH=7 → [OH⁻]=10⁻⁷ mol/L
· H₂SO4 分子量=98 g/mol (H₂SO4 は 2 つの H⁺ イオンを提供します)
計算手順:
1. OH の初期量⁻:
n(OH⁻)初期=10⁻⁴ mol/L × 1000 L=0.1 mol
2. OH⁻の目標量（無視できる程度）：
n(OH⁻)ターゲット=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. 中和されるOH⁻の量:
Δn(OH⁻)=0.1 - 0.0001 ≈ 0.1 モル
4. 必要な H⁺ の量: n(H⁺)=0.1 mol
5. 必要な H2SO4 の量 (各モルの H2SO4 は 2 モルの H⁺ を提供します):
n(H₂SO₄)=0.1 モル ÷ 2=0.05 モル
6. 必要な H₂SO₄ の質量:
m(H₂SO₄)=0.05 mol × 98 g/mol=4.9 g
結論: pH=10 の廃水を 1 立方メートル中和して中性にするには、4.9 グラムの純粋な硫酸を添加する必要があります。
98% 濃硫酸 (密度 1.84 g/mL) を使用する場合、体積は次のようになります。
V= 4.9 g ÷ 0.98 ÷ 1.84 g/mL ≈ 2.72 mL
VI.実用的なエンジニアリングに関する考慮事項
1. 緩衝システム: 廃水には酸-塩基の緩衝物質（炭酸塩やリン酸塩など）が含まれる場合があります。実際の投与量は滴定試験を通じて決定する必要があります。
2. 安全な操作: 二次汚染につながる局所的な過濃度を避けるために、酸またはアルカリを添加するときは、必要な保護措置を講じる必要があります。
3. 経済効率: 大規模な処理の場合、さまざまな試薬のコストを比較する必要があります。-石灰 (Ca(OH)₂) は一般に NaOH よりも経済的です。
4. 自動制御: pH 調整には非線形特性があります。-正確な投与を実現するには、PID 制御システムを使用することをお勧めします。
5. pH 管理は廃水処理の基本的な側面であり、処理効果と運転コストに直接影響を与えるため、十分な注意が必要です。
