Химическая потребность в кислороде

В химии окружающей среды химическая потребность в кислороде ( ХПК ) является ориентировочной мерой количества кислорода , который может потребляться в ходе реакций в измеряемом растворе . Обычно это выражается в массе кислорода, потребляемого по объему раствора, которая в единицах СИ равна миллиграммам на литр ( мг / л ). Тест ХПК можно использовать для легкого количественного определения количества органических веществ в воде . Наиболее распространенным применением ХПК является количественная оценка количества окисляемых загрязнителей, содержащихся в поверхностных водах (например, озерах и реках ) или сточных водах . ХПК полезен с точки зрения качества воды , предоставляя показатель для определения воздействия, которое сточные воды окажут на принимающий организм, во многом аналогично биохимической потребности в кислороде (БПК) .

Обзор

В основе теста ХПК лежит то, что почти все органические соединения могут быть полностью окислены до диоксида углерода сильным окислителем в кислых условиях. Количество кислорода, необходимое для окисления органического соединения до углекислого газа, аммиака и воды, определяется по формуле:

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

В это выражение не входит потребность в кислороде, вызванная нитрификацией — окислением аммиака в нитрат :

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

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

Международная организация по стандартизации описывает стандартный метод измерения химической потребности в кислороде в стандарте ISO 6060 [1] . Однако этот стандарт ISO был отменен в 2024 году.

Использование дихромата калия

Бихромат калия является сильным окислителем в кислых условиях. Кислотность обычно достигается добавлением серной кислоты . Реакция дихромата калия с органическими соединениями определяется по формуле:

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

где $d=2n/3+a/6-b/3-c/2$. Чаще всего для определения ХПК используют 0,25 N раствор дихромата калия, хотя для проб с ХПК ниже 50 мг/л предпочтительна более низкая концентрация дихромата калия.

В процессе окисления органических веществ, обнаруженных в пробе воды, дихромат калия восстанавливается (поскольку во всех окислительно-восстановительных реакциях один реагент окисляется, а другой восстанавливается), образуя Cr ³⁺ . Количество Кр ³⁺ определяется после завершения окисления и используется в качестве косвенного показателя содержания органических веществ в пробе воды.

Измерение превышения

Для полного окисления всех органических веществ необходимо присутствие избыточного количества дихромата калия (или любого окислителя). После завершения окисления необходимо измерить количество избытка дихромата калия, чтобы убедиться в том, что количество Cr ³⁺ можно определить с точностью. Для этого избыток дихромата калия титруют сульфатом железа-аммония (FAS) до тех пор, пока весь избыток окислителя не восстановится до Cr. ³⁺ . окислительно-восстановительный индикатор ферроин Обычно на этом этапе титрования также добавляют . После восстановления всего избытка дихромата индикатор ферроина меняет цвет с сине-зеленого на красновато-коричневый. Количество добавленного сульфата железа-аммония эквивалентно количеству избытка дихромата калия, добавленного к исходной пробе. Примечание. Индикатор ферроина имеет ярко-красный цвет из коммерческих источников, но при добавлении к расщепленному образцу, содержащему дихромат калия, он приобретает зеленый оттенок. В процессе титрования цвет индикатора меняется от зеленого оттенка к ярко-синему, а при достижении конечной точки — к красновато-коричневому. Индикатор ферроина при окислении меняет цвет с красного на бледно-синий.

Приготовление индикаторного реагента на ферроин

раствор 1,485 г моногидрата 1,10- фенантролина O в дистиллированной воде добавляют _{К раствору 695 мг FeSO 4} ·7H ₂ и полученный раствор красного цвета доводят до 100 мл.

Расчеты

Для расчета COD используется следующая формула:

$\mathrm {COD} ={\frac {8000(b-s)n}{\text{sample volume}}}$

где b — объем ФАС, использованный в холостом образце, s — объем ФАС в исходном образце, а n — нормальность ФАС. Если для измерения объема постоянно используются миллилитры, результат расчета ХПК дается 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 превращается 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:

ХПК = ( C /FW)·(RMO)·32

Где

C = концентрация окисляемого соединения в образце,

FW = формульная масса окисляемого соединения в пробе,

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

Например, если в образце содержится 500 Wppm (весовых частей на миллион) фенола:

C6H5OH H₅ + _7O2 → _6CO2 + ₂3H2O

ХПК = (500/94)·7·16 = 596 Вт/мин

Неорганическое вмешательство

Некоторые образцы 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:

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

Перед добавлением других реагентов сульфат ртути, к образцу можно добавить чтобы исключить влияние хлоридов.

В следующей таблице перечислен ряд других неорганических веществ, которые могут вызывать помехи. В таблице также перечислены химические вещества, которые можно использовать для устранения таких помех, а также соединения, образующиеся при удалении неорганической молекулы.

Неорганическая молекула	Устранено	Формы ликвидации
Хлористый	Сульфат ртути	хлорида ртути Комплекс
Нитрит	Сульфаминовая кислота	Н 2 газ
Двухвалентное железо	-	-
Сульфиды	-	-

Государственное регулирование

Многие правительства вводят строгие правила в отношении максимального химического потребления кислорода, допустимого в сточных водах, прежде чем они могут быть возвращены в окружающую среду. Например, в Швейцарии максимальная потребность в кислороде от 200 до 1000 мг/л должна быть достигнута, прежде чем сточные воды или техническая вода смогут 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. Измерениями назвали потребление кислорода из перманганата, а не потребность органических веществ в кислороде. Эффективность перманганата калия в окислении органических соединений широко варьируется, и во многих случаях измерения биохимической потребности в кислороде (БПК) часто были намного выше, чем результаты измерений ХПК. Это указывало на то, что перманганат калия не способен эффективно окислять все органические соединения в воде, что делает его относительно плохим окислителем для определения ХПК.

другие окислители, такие как сульфат церия , йодат калия и дихромат калия С тех пор для определения ХПК стали использовать . Из них дихромат калия ( K ₂ Cr ₂ O ₇ наиболее эффективным оказался ): он сравнительно дешев, легко очищается и способен практически полностью окислить практически все органические соединения.

В этих методах к образцу анализируемого раствора добавляется фиксированный объем с известным избыточным количеством окислителя. После стадии кипячения с обратным холодильником первоначальная концентрация органических веществ в пробе рассчитывается на основе титриметрического или спектрофотометрического определения окислителя, все еще остающегося в пробе. Как и во всех колориметрических методах, бланки используются для контроля загрязнения посторонними материалами.

См. также

• Биохимическая потребность в кислороде . Кислород необходим для удаления органических веществ из воды.
• Углеродистая биохимическая потребность в кислороде — кислород необходим для удаления органических веществ из воды. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Теоретическая потребность в кислороде — расчетное количество кислорода, необходимое для окисления соединения до конечных продуктов окисления. Страницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта.
• Показатели качества сточных вод . В разделе «Способы проверки пригодности сточных вод» рассматриваются как БПК, так и ХПК как показатели качества воды.

Ссылки

Источники

• Клер Н. Сойер; Перри Л. Маккарти; Джин Ф. Паркин (2003). Химия для экологической инженерии и науки (5-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN  0-07-248066-1 .
• Ленор С. Клесерл; Арнольд Э. Гринберг; Эндрю Д. Итон (1998). Стандартные методы исследования воды и сточных вод (20-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: Американская ассоциация общественного здравоохранения. ISBN  0-87553-235-7 .

«Общая химия онлайн» .

Внешние ссылки

• ISO 6060: Качество воды. Определение химической потребности в кислороде.