Химическая потребность в кислороде

редактировать

Мера количества кислорода, которое может быть потреблено реакциями в растворе

В окружающей среде химия, химическая потребность в кислороде (COD ) является ориентировочной мерой количества кислорода, которое может быть потреблено реакциями в измеряемом растворе. Обычно он выражается в массе кислорода, потребляемой на объем раствора, которая в единицах СИ представляет собой миллиграммы на литр (mg /L ). Тест на ХПК можно использовать для простого количественного определения количества органических веществ в воде. Чаще всего ХПК используется для количественной оценки количества окисляемых загрязнителей, обнаруженных в поверхностных водах (например, озера и реки ) или сточные воды. ХПК полезен с точки зрения качества воды, поскольку он предоставляет метрику для определения воздействия сточных вод на принимающий организм, во многом аналогично биохимической потребности в кислороде (БПК).

Содержание

1 Обзор
2 Использование дихромата калия
- 2.1 Измерение избытка
3 Приготовление индикаторного реагента ферроина
- 3.1 Расчеты
4 Неорганическое вмешательство
5 Постановление правительства
6 История
7 См. Также
8 Ссылки
- 8.1 Цитаты
- 8.2 Источники
9 Внешние ссылки

Обзор

Основой для теста COD является то, что почти все органические соединения могут быть полностью окислены до диоксида углерода с помощью сильного окислителя в кислых условиях. Количество кислорода, необходимое для окисления органического соединения до диоксида углерода, аммиака и воды, определяется как:

C n H a O b N c + (n + a 4 - b 2 - 3 4 c) O 2 → n CO 2 + (a 2 - 3 2 c) H 2 O + c NH 3 {\ displaystyle {\ t_dv {C}} _ ​​{n} {\ t_dv {H }} _ {a} {\ t_dv {O}} _ {b} {\ t_dv {N}} _ {c} + \ left (n + {\ frac {a} {4}} - {\ frac {b} {2}} - {\ frac {3} {4}} c \ right) {\ t_dv {O}} _ {2} \ rightarrow n {\ t_dv {CO}} _ {2} + \ left ({\ frac {a} {2}} - {\ frac {3} {2}} c \ right) {\ t_dv {H}} _ {2} {\ t_dv {O}} + c {\ t_dv {NH}} _ {3}}

{\ t_dv {C}} _ ​​{n} {\ t_dv {H}} _ {a} {\ t_dv {O}} _ {b} {\ t_dv {N}} _ {c} + \ left (n + {\ frac {a} {4}} - {\ frac {b} {2}) } - {\ frac {3} {4}} c \ right) {\ t_dv {O}} _ {2} \ rightarrow n {\ t_dv {CO}} _ {2} + \ left ({\ frac {a } {2}} - {\ frac {3} {2}} c \ right) {\ t_dv {H}} _ {2} {\ t_dv {O}} + c {\ t_dv {NH}} _ {3 }

Это выражение не включает потребность в кислороде, вызванную нитрификацией, окислением аммиака до нитрата :

NH 3 + 2 O 2 → NO 3 - + H 3 О + {\ displaystyle {\ t_dv {N}} {\ t_dv {H}} _ {3} +2 {\ t_dv {O}} _ {2} \ rightarrow {\ t_dv {N}} {\ t_dv { O}} _ {3} ^ {-} + {\ t_dv {H}} _ {3} {\ t_dv {O}} ^ {+}}

{\ t_dv {N}} {\ t_dv {H}} _ {3} +2 {\ t_dv {O}} _ {2} \ rightarrow {\ t_dv {N}} {\ t_dv {O}} _ {3} ^ {-} + {\ t_dv {H}} _ {3} {\ t_dv {O}} ^ {+}

Дихромат, окислитель для определения ХПК, не окисляет аммиак в нитрат, поэтому нитрификация не входит в стандартный тест на ХПК.

Международная организация по стандартизации описывает стандартный метод измерения химической потребности в кислороде в ISO 6060 [1].

Использование дихромата калия

Дихромат калия является сильный окислитель в кислых условиях. Кислотность обычно достигается добавлением серной кислоты. Реакция дихромата калия с органическими соединениями описывается следующим образом:

C n H a O b N c + d Cr 2 O 7 2 - + (8 d + c) H + ⟶ n CO 2 + a + 8 d - 3 c 2 H 2 O + c NH 4 + + 2 d Cr 3 + {\ displaystyle {\ ce {C}} _ ​​{n} {\ ce {H}} _ {a} {\ ce {O}} _ {b} {\ ce {N}} _ {c} \ + \ d {\ ce {Cr2O7 ^ 2 -}} \ + \ (8d \ + \ c) {\ ce {H + ->}} n {\ ce {CO2}} \ + \ {\ frac {a + 8d-3c} {2}} {\ ce {H2O}} \ + \ c {\ ce {NH4 +}} \ + 2d {\ ce {Cr ^ 3 +}}}

{\ce {C}}_{n}{\ce {H}}_{a}{\ce {O}}_{b}{\ce {N}}_{c}\ +\ d{\ce {Cr2O7^2-}}\ +\ (8d\ +\ c){\ce {H+ ->}} n {\ ce {CO2}} \ + \ {\ frac {a + 8d-3c} {2}} {\ ce {H2O}} \ + \ c {\ ce {NH4 +}} \ + 2d {\ ce {Cr ^ 3 +}}

где $d = 2 n / 3 + a / 6 - b / 3 - c / 2 {\ displaystyle d = 2n / 3 + a / 6-b / 3-c / 2}$ ${\ displaystyle d = 2n / 3 + a / 6-b / 3-c / 2}$ . Чаще всего для определения ХПК используется 0,25 N раствор дихромата калия, хотя для образцов с ХПК ниже 50 мг / л более низкая концентрация дихромат калия является предпочтительным.

В процессе окисления органических веществ, содержащихся в В образце дихромат калия восстанавливается (поскольку во всех окислительно-восстановительных реакциях один реагент окисляется, а другой восстанавливается), образуя Cr. Количество Cr определяется после завершения окисления и используется как косвенная мера содержания органических веществ в пробе воды.

Измерение избытка

Для полного окисления всего органического вещества необходимо наличие избыточного количества дихромата калия (или любого окислителя). По окончании окисления необходимо измерить количество избыточного дихромата калия, чтобы гарантировать точное определение количества Cr. Для этого избыток дихромата калия титруют с помощью сульфата двухвалентного аммония (FAS) до тех пор, пока весь избыток окислителя не восстановится до Cr. Обычно на этой стадии титрования также добавляют индикатор окисления-восстановления ферроин. Как только весь избыток дихромата будет восстановлен, индикатор ферроина изменится с сине-зеленого на красновато-коричневый. Количество добавленного сульфата двухвалентного аммония эквивалентно количеству избыточного дихромата калия, добавленного к исходному образцу. Примечание. Индикатор ферроина имеет ярко-красный цвет из коммерческих источников, но при добавлении к расщепленному образцу, содержащему дихромат калия, он приобретает зеленый оттенок. Во время титрования цвет индикатора меняется с зеленого на ярко-синий, на красновато-коричневый по достижении конечной точки. Индикатор ферроина при окислении меняет цвет с красного на бледно-голубой.

Приготовление индикаторного реагента ферроина

К раствору добавляют раствор 1,485 г 1,10- фенантролина моногидрата. 695 мг FeSO 4 · 7H 2 O в дистиллированной воде, и полученный красный раствор разбавляют до 100 мл.

Расчеты

Для расчета COD используется следующая формула:

COD = 8000 (b - s) n объем образца {\ displaystyle \ mathrm {COD} = {\ frac {8000 (bs) n} {\ text {sample volume}}}}

{\ displaystyle \ mathrm {COD} = {\ frac {8000 (bs) n} {\ text {sample volume}}}}

где b - объем FAS, использованный в холостом образце, s - объем FAS в исходной выборке, а n - нормальность FAS. Если для измерения объема последовательно используются миллилитры, результат расчета ХПК будет выражен в мг / л.

ХПК также можно оценить по концентрации окисляемого соединения в образце на основе его стехиометрической реакции с кислородом с образованием CO 2 (предположим, что весь C переходит в CO 2), H 2 O (предположим, что весь H переходит в H 2 O) и NH 3 (предположим, что весь N переходит в NH 3), используя следующую формулу:

COD = (C / FW) · (RMO) · 32

, где

C = концентрация окисляемого соединения в образце,

FW = Формульная масса окисляемого соединения в образце,

RMO = Отношение количества молей кислорода к количеству молей окисляемого соединения в их реакции с CO 2, водой, и аммиак

Например, если образец содержит 500 весовых частей на миллион (весовых частей на миллион) фенола:

C6H5OH + 7O 2 → 6CO 2 + 3H 2O

ХПК = (500/94) · 7 · 32 = 1191 Вт / млн

Неорганические помехи

Некоторые пробы воды содержат высокие уровни окисляемых неорганических материалов, которые могут мешать определению ХПК. Из-за своей высокой концентрации в большинстве сточных вод, хлорид часто является наиболее серьезным источником помех. Его реакция с дихроматом калия протекает по уравнению:

6 C l - + C r 2 O 7 2 - + 14 H + → 3 C l 2 + 2 C r 3 + + 7 H 2 O {\ displaystyle \ mathrm { 6Cl ^ {-} + Cr_ {2} O_ {7} ^ {2 -} + 14H ^ {+} \ rightarrow 3Cl_ {2} + 2Cr ^ {3 +} + 7H_ {2} O}}

{\ mathrm {6Cl ^ {-} + Cr_ {2} O_ {7} ^ {{2 -}} + 14H ^ {+} \ rightarrow 3Cl_ {2} + 2Cr ^ {{3 +}} + 7H_ {2} O} }

До Помимо добавления других реагентов, в пробу можно добавить сульфат ртути, чтобы устранить влияние хлоридов.

В следующей таблице перечислены некоторые другие неорганические вещества, которые могут вызывать помехи. В таблице также перечислены химические вещества, которые можно использовать для устранения такого вмешательства, и соединения, образующиеся при удалении неорганической молекулы.

Неорганическая молекула	Элиминируется	Формы элиминирования
Хлорид	Сульфат ртути	Комплекс хлорида ртути
Нитрит	Сульфаминовая кислота	N2газ
Двухвалентное железо	-	-
Сульфиды	-	-

Постановление правительства

Многие правительства вводят строгие правила в отношении максимально допустимого химического потребления кислорода в сточных водах, прежде чем они могут быть возвращены в окружающую среду. Например, в Швейцарии должна быть достигнута максимальная потребность в кислороде от 200 до 1000 мг / л, прежде чем сточные воды или промышленные воды могут быть возвращены в окружающую среду [2].

История

В течение многих лет сильный окислитель перманганат калия (K Mn O 4) использовался для измерения химической потребности в кислороде. Измерения были вызваны потреблением кислорода из перманганата, а не потребностью в кислороде органических веществ. Эффективность перманганата калия в окислении органических соединений широко варьировалась, и во многих случаях измерения биохимической потребности в кислороде (БПК) часто были намного выше, чем результаты измерений ХПК. Это указывает на то, что перманганат калия не способен эффективно окислять все органические соединения в воде, что делает его относительно плохим окислителем для определения ХПК.

С тех пор другие окислители, такие как сульфат церия, йодат калия и дихромат калия, используются для определения ХПК. Из них дихромат калия (K2Cr2O7 ) оказался наиболее эффективным: он относительно дешев, легко очистить и способен почти полностью окислять почти все органические соединения.

В этих методах к пробе анализируемого раствора добавляют фиксированный объем с известным избыточным количеством окислителя. После стадии разложения при кипячении с обратным холодильником начальная концентрация органических веществ в образце рассчитывается на основе титриметрического или спектрофотометрического определения окислителя, все еще оставшегося в образце. Как и все колориметрические методы, бланки используются для контроля загрязнения посторонним материалом.

См. Также

Биохимическая потребность в кислороде - Количество растворенного кислорода, необходимое аэробным биологическим организмам для разложения органического материала
Углеродистая биохимическая потребность в кислороде
Теоретическая потребность в кислороде
Качество сточных вод В индикаторах рассматриваются как БПК, так и ХПК как показатели качества воды.

Ссылки

Цитаты

Источники

Внешние ссылки

ISO 6060: Качество воды - Определение химической потребности в кислороде