حاسبة الطلب الكيميائي للأكسجين - حساب الطلب الكيميائي للأكسجين من بيانات المعايرة

ما هو الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD)؟

الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD) هو مقياس لكمية الأكسجين اللازمة لتحليل المواد العضوية كيميائيًا في عينة ماء. ويُعبَّر عنه بالملليغرام من الأكسجين لكل لتر من الماء (mg/L). ويعني ارتفاع قيمة COD أن الماء يحتوي على كمية أكبر من المواد القابلة للأكسدة، ما يشير عادةً إلى تلوث عضوي أكبر. تقيس المختبرات COD باختبار معايرة، وتحول هذه الحاسبة أرقام المعايرة إلى نتيجة COD.

يُعد COD أحد أكثر الاختبارات شيوعًا في تقييم جودة المياه. وتجريه محطات معالجة مياه الصرف لفحص المياه الداخلة والخارجة. ويستخدمه علماء البيئة لفحص الأنهار والبحيرات. كما تستخدمه المصانع لإثبات أن تصريفها يستوفي الحدود القانونية.

كيفية عمل اختبار المعايرة بالديكرومات

يستخدم اختبار COD القياسي مادة كيميائية تُسمى ديكرومات البوتاسيوم لأكسدة المواد العضوية في عينة ماء. ويسخّن فني المختبر العينة مع الديكرومات وحمض قوي لمدة ساعتين عند 150 °م (302°F،). ثم تُقاس كمية الديكرومات التي لم تتفاعل مع العينة بالمعايرة، وهي عملية تُضاف فيها ببطء مادة كيميائية ثانية، أي كبريتات الحديدوز الأمونيومية، إلى أن يشير تغير اللون إلى اكتمال التفاعل.

يُجرى الاختبار مرتين: مرة على عينة الماء الفعلية، ومرة على شاهد فارغ، وهو المزيج الكيميائي نفسه، لكن من دون إضافة عينة ماء. وتُبيّن معايرة الشاهد الفارغ أكبر كمية ممكنة من محلول المعايرة. وتُظهر مقارنة معايرة الشاهد الفارغ بمعايرة العينة مقدار الديكرومات الذي استهلكته فعليًا المواد العضوية في العينة.

معادلة COD

معادلة COD هي:

$C = \frac{(B - S) \times N \times 8000}{V}$

حيث:

• C = الطلب الكيميائي على الأكسجين، بوحدة mg/L
• B = حجم محلول المعايرة المستخدم في اختبار الشاهد الفارغ، بوحدة mL
• S = حجم محلول المعايرة المستخدم لعينة الماء، بوحدة mL
• N = عيارية محلول المعايرة، بالمكافئات لكل لتر (eq/L)
• V = حجم عينة الماء التي خضعت للهضم، بوحدة mL
• 8000 = رقم تحويل ثابت (موضح أدناه)

لا يمكن أن تكون النتيجة سالبة، لأن الطلب السالب على الأكسجين غير ممكن فيزيائيًا. تتحقق الحاسبة من المدخلات قبل تطبيق المعادلة. ويجب أن يكون كل من حجم الشاهد الفارغ والعيارية وحجم العينة أكبر من الصفر. ويجب أن يكون حجم محلول معايرة العينة صفرًا أو أكثر، وألا يكون أكبر من حجم الشاهد الفارغ.

لماذا تستخدم المعادلة 8000

تبلغ الكتلة المولية للأكسجين 32 غرامًا لكل مول. ويستقبل كل مول من جزيئات الأكسجين 4 إلكترونات عند اختزاله إلى ماء، ولذلك يزن مكافئ واحد من الأكسجين 32 ÷ 4 = 8 غرامات. وهذا يساوي 8 ميليغرام لكل ميلي مكافئ. وتُقاس أحجام محلول المعايرة بالملليلتر، لذا يجب أيضًا تحويل النتيجة من الملليلترات إلى اللترات، وهو ما يضيف عاملًا قدره 1000. وبضرب العاملين نحصل على 8 × 1000 = 8000.

مثال محلول

لنفترض أن فني مختبر أجرى اختبار COD وكانت النتائج كما يلي:

• حجم محلول معايرة الشاهد الفارغ: 10.0 ملتر
• حجم محلول معايرة العينة: 7.5 ملتر
• عيارية محلول المعايرة: 0.1 N
• حجم العينة: 20 ملتر

بتطبيق المعادلة:

COD = ((10.0 − 7.5) × 0.1 × 8000) / 20 COD = (2.5 × 0.1 × 8000) / 20 COD = 2000 / 20 = 100 mg/L

تقع نتيجة قدرها 100 mg/L ضمن النطاق المتوسط، وهو نطاق نموذجي لمياه الصرف المعالجة.

كيفية قراءة نتيجة COD

تصنف الحاسبة النتيجة ضمن ثلاث فئات:

• أقل من 50 mg/L: COD منخفض. وهو نموذجي للمياه النظيفة، مثل مياه الشرب أو المياه الخارجة المعالجة جيدًا.
• من 50 mg/L إلى أقل من 200 mg/L: COD متوسط. وهو نموذجي لمياه الصرف المعالجة الخارجة من محطة المعالجة.
• 200 mg/L فأكثر: COD مرتفع. ويشير إلى تلوث عضوي شديد، مثل مياه الصرف الخام أو مياه الصرف الصناعي غير المعالجة.

تتراوح مياه الصرف المنزلية غير المعالجة عادةً بين نحو 250 و1,000 mg/L. وقد تصل مياه الصرف الصناعي، مثل مياه مصانع الجعة أو مصانع الأغذية، إلى عدة آلاف من mg/L قبل المعالجة.

المشكلات الشائعة في اختبار COD

حجم محلول معايرة العينة أكبر من حجم الشاهد الفارغ. لا ينبغي أن يحدث ذلك، لأن العينة تستهلك دائمًا جزءًا من الديكرومات. ويعني هذا عادةً تبديل القراءتين أو تلوث الشاهد الفارغ. ترفض الحاسبة هذه المدخلة وتعرض رسالة خطأ بدلًا من النتيجة.

تداخل الكلوريد. تحتوي المياه المالحة والمحاليل الملحية على أيونات الكلوريد، التي يؤكسدها الديكرومات بالطريقة نفسها التي يؤكسد بها المواد العضوية. ويؤدي ذلك إلى قراءة نتيجة COD أعلى من قيمتها. وتضيف الطرق القياسية 5220 كبريتات الزئبق إلى مزيج الهضم لربط الكلوريد. ومع ذلك، لا تغطي الطريقة العينات التي تحتوي على أكثر من نحو 2,000 mg/L من الكلوريد، إذ تحتاج هذه العينات إلى إجراء مختلف.

النتائج المرتفعة جدًا. إذا كانت قيمة COD في العينة مرتفعة جدًا بحيث يتعذر قياسها بدقة بالاختبار، تخفف المختبرات العينة بماء نظيف، وتعيد الاختبار، ثم تضرب النتيجة في عامل التخفيف.

الأسئلة الشائعة

ما الفرق بين COD وBOD؟ يقيس COD كل ما في العينة ويمكن تفكيكه بواسطة مؤكسد كيميائي قوي. أما الطلب الحيوي على الأكسجين (BOD) فلا يقيس إلا ما تستطيع البكتيريا هضمه خلال 5 أيام. ويستغرق اختبار COD نحو 2 ساعة، ويعطي نتائج أكثر اتساقًا بين المختبرات؛ بينما يتنبأ BOD بصورة أفضل بالتأثير في نهر أو بحيرة طبيعيين، لأن الأنهار تفكك الفضلات حيويًا لا كيميائيًا.

لماذا لا يمكن أن تكون قيمة COD سالبة؟ لا يمكن أن ينخفض الطلب على الأكسجين عن الصفر. وتشير النتيجة السالبة في المعادلة إلى أن معايرة العينة استهلكت محلول معايرة أكثر من الشاهد الفارغ، ما يدل على خطأ في القياس أو تلوث، وليس على طلب سالب حقيقي. ترفض الحاسبة هذه المدخلة وتطلب قراءات مصححة. وعندما تتطابق المعايرتان تمامًا، يكون الطلب 0 mg/L.

ما حجم العينة الذي ينبغي استخدامه؟ يعتمد ذلك على الطريقة. تهضم طريقة الارتجاع المفتوح الواردة في الطرق القياسية 5220 مقدار 50 ملتر. أما طريقة الارتجاع المغلق فتستخدم أوعية تفاعل أصغر بكثير ولا تهضم سوى بضعة ملليلترات. تقبل الحاسبة أي حجم أكبر من الصفر، لذا يجب إدخال الحجم الذي هضمه المختبر فعليًا.

هل هذه الحاسبة دقيقة؟ تطبق الحاسبة المعادلة بدقة، ولذلك تكون حساباتها صحيحة. وتعتمد دقة قيمة COD النهائية على دقة قياسات المختبر المُدخلة، بما في ذلك أحجام المعايرة وعيارية محلول المعايرة.

هل يمكن استخدام COD لمياه الصرف الصناعي؟ نعم. تنطبق المعادلة نفسها على أي عينة ماء. وغالبًا ما تكون قيمة COD في العينات الصناعية أعلى بكثير منها في مياه الصرف المنزلية، وقد تحتاج العينات إلى التخفيف قبل المعايرة حتى تقع النتيجة ضمن النطاق القابل للقياس بالاختبار.

المراجع

1. جمعية الصحة العامة الأمريكية، والجمعية الأمريكية لأعمال المياه، واتحاد البيئة المائية. (2017). الطرق القياسية لفحص المياه ومياه الصرف (الطبعة رقم 23).
2. وكالة حماية البيئة الأمريكية. (1993). الطريقة 410.4: تحديد الطلب الكيميائي على الأكسجين بالقياس اللوني شبه الآلي.
3. ISO 6060:1989. جودة المياه — تحديد الطلب الكيميائي على الأكسجين. المنظمة الدولية للتوحيد القياسي.
4. تشوبانوغلو، ج.، وبورتون، ف. ل.، وستنسل، هـ. د. (2014). هندسة مياه الصرف: المعالجة واسترداد الموارد (الطبعة رقم 5). ماكغرو-هيل للتعليم.