Химическая потребность в кислороде

В химии окружающей среды химическая потребность в кислороде ( ХПК ) является показательной мерой количества кислорода , которое может быть потреблена реакциями в измеренном растворе . Он обычно экспрессируется в массе кислорода, потребляемого по объему раствора, который в единицах Si составляет миллиграммы на литр ( мг / л ). Тест трески может быть использован для быстрого количественного определения количества органических веществ в воде . Наиболее распространенным применением ХПК является количественная оценка количества окисляемых загрязняющих веществ, обнаруженных в поверхностных водах (например, озерах и реках ) или сточных водах . ХПК полезна с точки зрения качества воды , предоставляя метрику для определения эффекта, который будет оказывать стоки на принимающее тело, так же, как биохимический потребность в кислороде (BOD) .

Обзор

Основа для теста ХПК заключается в том, что почти все органические соединения могут быть полностью окислены до углекислого газа с сильным окислительным агентом в кислых условиях. Количество кислорода , необходимого для окисления органического соединения до углекислого газа, аммиака и воды, дается:

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

Эта экспрессия не включает потребность в кислороде, вызванную нитрификацией , окисление аммиака в нитрат :

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

Дихромат , окислительный агент для определения ХПК, не окисляет аммиак в нитрат, поэтому нитрификация не включается в стандартный тест ХПК.

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

Используя дихромат калия

Дихромат калия является сильным окислительным агентом в кислых условиях. Кислотность обычно достигается путем добавления серной кислоты . Реакция дихромата калия с органическими соединениями определяется:

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

где $d=2n/3+a/6-b/3-c/2$Полем Чаще всего для определения ХПК используется 0,25 Н дихромата калия, хотя для образцов с ХПК ниже 50 мг/л, предпочтительнее более низкой концентрации дихромата калия.

В процессе окисления органических веществ, обнаруженных в образце воды, дихромат калия снижается (поскольку во всех окислительно -восстановительных реакциях один реагент окисляется, а другой снижается), образуя CR ³⁺ Полем Количество Cr ³⁺ определяется после завершения окисления и используется в качестве косвенной меры органического содержимого образца воды.

Измерение избытка

Избыточное количество дихромата калия (или любого окислительного агента) должно присутствовать для того, чтобы все органические вещества были полностью окислены. После завершения окисления необходимо измерить количество избыточного дихромата калия, чтобы гарантировать, что количество CR ³⁺ может быть точно определен. Для этого избыточный дихромат калия титруют железом сульфатом аммония (FAS) до тех пор, пока весь избыток окислительного агента не будет уменьшен до CR ³⁺ Полем Как правило, индикатор уменьшения окисления флороин добавляется на этом этапе титрования. После того, как весь избыток дихромата был уменьшен, индикатор ферроина меняется от синего зеленого на красновато-коричневый. Количество добавленного сульфата аммония эквивалентно избыточному дихромату калия, добавленного в исходный образец. Примечание. Индикатор ферроина - ярко -красный из коммерчески приготовленных источников, но он демонстрирует зеленый оттенок при добавлении в перевариваемый образце, содержащий дихромат калия. Во время титрования цвет индикатора меняется от зеленого оттенка на ярко -синий оттенок, а затем на красновато -коричневый цвет при достижении конечной точки. Индикатор ферроина меняется от красного на бледно -синий при окисленном.

Подготовка реагента индикатора ферроина

Раствор 1,485 г 1,10- моногидрат фенантролина добавляется в раствор 695 мг FESO ₄ · 7H ₂ O в дистиллированной воде, и полученный красный раствор разбавляется до 100 мл.

Расчеты

Следующая формула используется для расчета COD:

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

где b - объем FA, используемые в пустого образца, S - объем FA в исходном образце, а n - нормальность FA. Если миллилитры используются последовательно для измерений объема, результат расчета ХПК приведен в мг/л.

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

COD = ( C /FW) · (RMO) · 32

Где

C = концентрация окисляемого соединения в образце,

FW = вес формулы окисляемого соединения в образце,

RMO = соотношение # молей кислорода к # молей окисляемого соединения в их реакции на CO ₂ , воды и аммиака

Например, если образец имеет 500 чат на час (весовые части на миллион) фенола:

C ₆ H ₅ OH + 7O ₂ → 6CO ₂ + 3H ₂ O

COD = (500/94) · 7 · 16*2 = 1192 WPPM

Неорганическое вмешательство

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

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

Чтобы устранить помехи хлорида, в образец можно добавить сульфат ртути до добавления других реагентов.

В следующей таблице перечислены несколько других неорганических веществ, которые могут вызвать помехи. В нем также перечислены химические вещества, которые могут использоваться для устранения таких помех, и соединений, образующихся при удалении неорганической молекулы.

Неорганическая молекула	Устраняется	Формы устранения
Хлористый	Ртутный сульфат	хлорида ртути Комплекс
Нитрит	Сульфаминовая кислота	N 2 газ
Железо железа	-	-
Сульфиды	-	-

Государственное регулирование

Многие правительства навязывают строгие правила, касающиеся максимальной химической потребности в кислороде, разрешенном 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 до того, как сточные воды или промышленная вода могут быть возвращены в окружающую среду [2] .

История

В течение многих лет сильный окислительный агент калия перманганата ( K MN O ₄ ) использовался для измерения химической потребности в кислороде. Измерения называли кислородом, потребляемым из перманганата, а не кислородом потребности органических веществ. Эффективность перманганата калия при окислении органических соединений сильно варьировалась, и во многих случаях измерения биохимической потребности в кислороде (BOD) часто были намного больше, чем результаты измерений ХПК. Это указывало на то, что перманганат калия не может эффективно окислить все органические соединения в воде, что делает его относительно плохим окислительным агентом для определения COD.

другие окислительные агенты, такие как Ceric Sulphate , Iodate калия и дихромат калия С тех пор для определения COD использовались . Из них дихромат калия ( K ₂ Cr ₂ O ₇ ) является наиболее эффективным: он относительно дешевый, легко очищать и может почти полностью окислить почти все органические соединения.

В этих методах фиксированный объем с известным избыточным количеством окислителя добавляется в образец анализируемого раствора. После стадии рефлюкса расщепления начальная концентрация органических веществ в образце рассчитывается по титриметрическому или спектрофотометрическому определению окислителя, оставшегося в образце. Как и во всех колориметрических методах, бланки используются для управления загрязнением внешним материалом.

Смотрите также

• Биохимический потребность в кислороде - кислород, необходимый для удаления органики из воды
• Углеродный биохимический потребность в кислороде - кислород, необходимый для удаления органики со страниц воды, демонстрируя короткие описания перенаправления мишеней
• Теоретическая потребность в кислороде - рассчитанное количество кислорода, необходимого для окисления соединения до его конечных страниц продуктов окисления, отображающих описания wikidata в качестве запасного
• Индикаторы качества сточных вод - способы проверки пригодности сточных вод обсуждают как BOD , так и COD как меры 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. Кессерл; Арнольд Э. Гринберг; Эндрю Д. Итон (1998). Стандартные методы изучения 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 потребности в химическом кислороде