Υπολογιστής ΧΟΖ - Υπολογισμός Χημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου από Δεδομένα Τιτλοδότησης

Τι είναι το χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD);

Το χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD) είναι μέτρο της ποσότητας οξυγόνου που χρειάζεται για τη χημική διάσπαση της οργανικής ύλης σε ένα δείγμα νερού. Εκφράζεται σε χιλιοστόγραμμα οξυγόνου ανά λίτρο νερού (mg/L). Μεγαλύτερη τιμή COD σημαίνει ότι το νερό περιέχει περισσότερη ύλη που μπορεί να οξειδωθεί, γεγονός που συνήθως υποδηλώνει μεγαλύτερη οργανική ρύπανση. Στα εργαστήρια, το COD προσδιορίζεται με δοκιμή τιτλοδότησης και αυτή η αριθμομηχανή μετατρέπει τις τιμές της τιτλοδότησης σε αποτέλεσμα COD.

Το COD είναι μία από τις συνηθέστερες δοκιμές για την αξιολόγηση της ποιότητας του νερού. Οι μονάδες επεξεργασίας λυμάτων το εκτελούν για να ελέγχουν το εισερχόμενο και το εξερχόμενο νερό. Οι περιβαλλοντικοί επιστήμονες το χρησιμοποιούν για τον έλεγχο ποταμών και λιμνών. Τα εργοστάσια το χρησιμοποιούν για να αποδεικνύουν ότι τα απόβλητά τους τηρούν τα νόμιμα όρια.

Πώς λειτουργεί η δοκιμή τιτλοδότησης με διχρωμικό

Η πρότυπη δοκιμή COD χρησιμοποιεί το χημικό αντιδραστήριο διχρωμικό κάλιο για την οξείδωση της οργανικής ύλης σε ένα δείγμα νερού. Ένας τεχνικός εργαστηρίου θερμαίνει το δείγμα με διχρωμικό και ισχυρό οξύ για δύο ώρες στους 150 °C (302°F). Στη συνέχεια, η ποσότητα διχρωμικού που δεν αντέδρασε με το δείγμα μετράται με τιτλοδότηση, δηλαδή με αργή προσθήκη μιας δεύτερης χημικής ουσίας (θειικός σίδηρος(II)-αμμώνιο) μέχρι μια αλλαγή χρώματος να σηματοδοτήσει την ολοκλήρωση της αντίδρασης.

Η δοκιμή εκτελείται δύο φορές: μία φορά χρησιμοποιώντας το πραγματικό δείγμα νερού και μία φορά χρησιμοποιώντας ένα «τυφλό», το οποίο είναι το ίδιο μείγμα χημικών ουσιών, αλλά χωρίς προσθήκη δείγματος νερού. Το τυφλό δείχνει τη μέγιστη δυνατή ποσότητα τιτλοδοτικού διαλύματος. Η σύγκριση μεταξύ της τιτλοδότησης του τυφλού και εκείνης του δείγματος δείχνει πόσο διχρωμικό καταναλώθηκε στην πραγματικότητα από την οργανική ύλη του δείγματος.

Τύπος υπολογισμού του COD

Ο τύπος υπολογισμού του COD είναι:

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

Όπου:

• C = το χημικά απαιτούμενο οξυγόνο, σε mg/L
• B = ο όγκος του τιτλοδοτικού διαλύματος που χρησιμοποιήθηκε για τη δοκιμή του τυφλού δείγματος, σε mL
• S = ο όγκος του τιτλοδοτικού διαλύματος που χρησιμοποιήθηκε για το δείγμα νερού, σε mL
• N = η κανονικότητα του τιτλοδοτικού διαλύματος, σε ισοδύναμα ανά λίτρο (eq/L)
• V = ο όγκος του δείγματος νερού που υποβλήθηκε σε χώνευση, σε mL
• 8000 = ένας σταθερός αριθμός μετατροπής (εξηγείται παρακάτω)

Το αποτέλεσμα δεν μπορεί ποτέ να είναι αρνητικό, επειδή αρνητική απαίτηση οξυγόνου δεν είναι φυσικά δυνατή. Η αριθμομηχανή ελέγχει τις εισόδους πριν εφαρμόσει τον τύπο. Ο όγκος του τυφλού, η κανονικότητα και ο όγκος του δείγματος πρέπει να είναι μεγαλύτεροι από μηδέν. Ο όγκος του τιτλοδοτικού διαλύματος για το δείγμα πρέπει να είναι μηδενικός ή μεγαλύτερος και δεν πρέπει να υπερβαίνει τον όγκο του τυφλού.

Γιατί ο τύπος χρησιμοποιεί το 8000

Το οξυγόνο έχει μοριακή μάζα 32 γραμμάρια ανά mol. Κάθε mol μορίων οξυγόνου προσλαμβάνει 4 ηλεκτρόνια όταν ανάγεται σε νερό, επομένως ένα ισοδύναμο οξυγόνου έχει μάζα 32 ÷ 4 = 8 γραμμάρια. Αυτό αντιστοιχεί σε 8 χιλιοστόγραμμα ανά χιλιοϊσοδύναμο. Οι όγκοι του τιτλοδοτικού διαλύματος εκφράζονται σε χιλιοστόλιτρα, επομένως το αποτέλεσμα πρέπει επίσης να μετατραπεί από χιλιοστόλιτρα σε λίτρα, με έναν επιπλέον συντελεστή 1000. Ο πολλαπλασιασμός των δύο δίνει 8 × 1000 = 8000.

Λυμένο παράδειγμα

Ας υποθέσουμε ότι ένας τεχνικός εργαστηρίου εκτελεί μια δοκιμή COD με τα εξής αποτελέσματα:

• Όγκος τιτλοδοτικού διαλύματος για το τυφλό δείγμα: 10,0 mL
• Όγκος τιτλοδοτικού διαλύματος για το δείγμα: 7,5 mL
• Κανονικότητα του τιτλοδοτικού διαλύματος: 0,1 N
• Όγκος δείγματος: 20 mL

Εφαρμόζοντας τον τύπο:

COD = ((10,0 − 7,5) × 0,1 × 8000) / 20 COD = (2,5 × 0,1 × 8000) / 20 COD = 2000 / 20 = 100 mg/L

Αποτέλεσμα 100 mg/L εμπίπτει στο μέτριο εύρος, χαρακτηριστικό των επεξεργασμένων λυμάτων.

Πώς ερμηνεύεται ένα αποτέλεσμα COD

Η αριθμομηχανή κατατάσσει το αποτέλεσμα σε τρεις κατηγορίες:

• Κάτω από 50 mg/L: χαμηλό COD. Χαρακτηριστικό καθαρού νερού, όπως το πόσιμο νερό ή οι καλά επεξεργασμένες εκροές.
• Από 50 mg/L έως, αλλά όχι συμπεριλαμβανομένων, 200 mg/L: μέτριο COD. Χαρακτηριστικό επεξεργασμένων λυμάτων που εξέρχονται από μονάδα επεξεργασίας.
• 200 mg/L και άνω: υψηλό COD. Υποδηλώνει έντονη οργανική ρύπανση, όπως ακατέργαστα λύματα ή ανεπεξέργαστα βιομηχανικά λύματα.

Τα ανεπεξέργαστα οικιακά λύματα συνήθως κυμαίνονται περίπου μεταξύ 250 και 1.000 mg/L. Τα βιομηχανικά λύματα, όπως εκείνα από ζυθοποιεία ή μονάδες παραγωγής τροφίμων, μπορεί να φτάσουν αρκετές χιλιάδες mg/L πριν από την επεξεργασία.

Συνήθη προβλήματα σε μια δοκιμή COD

Ο όγκος του τιτλοδοτικού διαλύματος για το δείγμα είναι μεγαλύτερος από εκείνον του τυφλού δείγματος. Αυτό δεν θα πρέπει να συμβαίνει, επειδή το δείγμα καταναλώνει πάντα μέρος του διχρωμικού. Συνήθως σημαίνει ότι οι δύο μετρήσεις αντιστράφηκαν ή ότι το τυφλό δείγμα μολύνθηκε. Η αριθμομηχανή απορρίπτει αυτή την είσοδο και εμφανίζει σφάλμα αντί για αποτέλεσμα.

Παρεμβολή χλωριόντων. Το θαλασσινό νερό και οι άλμες περιέχουν ιόντα χλωριδίου, τα οποία το διχρωμικό οξειδώνει με τον ίδιο τρόπο όπως την οργανική ύλη. Αυτό κάνει το αποτέλεσμα COD να εμφανίζεται υπερβολικά υψηλό. Η Μέθοδος 5220 των Standard Methods προσθέτει θειικό υδράργυρο στο μείγμα πέψης για να δεσμεύσει τα χλωριόντα. Η μέθοδος εξακολουθεί να μην καλύπτει δείγματα με περιεκτικότητα χλωριόντων άνω των περίπου 2.000 mg/L, για τα οποία απαιτείται διαφορετική διαδικασία.

Πολύ υψηλές τιμές. Αν το COD ενός δείγματος είναι πολύ υψηλό για να το μετρήσει η δοκιμή με ακρίβεια, τα εργαστήρια αραιώνουν το δείγμα με καθαρό νερό, επαναλαμβάνουν τη δοκιμή και πολλαπλασιάζουν το αποτέλεσμα με τον συντελεστή αραίωσης.

Συχνές ερωτήσεις

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ COD και BOD; Το COD μετρά όλα όσα περιέχονται σε ένα δείγμα και μπορούν να διασπαστούν από ένα ισχυρό χημικό οξειδωτικό. Το βιοχημικά απαιτούμενο οξυγόνο (BOD) μετρά μόνο ό,τι μπορούν να διασπάσουν τα βακτήρια σε διάστημα 5 ημερών. Η μέτρηση του COD διαρκεί περίπου 2 ώρες και δίνει πιο συνεπή αποτελέσματα μεταξύ εργαστηρίων· το BOD προβλέπει καλύτερα τις επιπτώσεις σε έναν φυσικό ποταμό ή λίμνη, επειδή οι ποταμοί διασπούν τα απόβλητα βιολογικά και όχι χημικά.

Γιατί δεν μπορεί το COD να είναι αρνητικό; Η απαίτηση οξυγόνου δεν μπορεί να είναι μικρότερη από μηδέν. Αρνητικό αποτέλεσμα στον τύπο σημαίνει ότι η τιτλοδότηση του δείγματος χρησιμοποίησε περισσότερο τιτλοδοτικό διάλυμα από το τυφλό δείγμα, γεγονός που υποδεικνύει σφάλμα μέτρησης ή μόλυνση και όχι πραγματική αρνητική απαίτηση. Η αριθμομηχανή απορρίπτει αυτή την είσοδο και ζητά διορθωμένες μετρήσεις. Όταν οι δύο τιτλοδοτήσεις συμπίπτουν ακριβώς, η απαίτηση είναι 0 mg/L.

Ποιος όγκος δείγματος πρέπει να χρησιμοποιείται; Εξαρτάται από τη μέθοδο. Η μέθοδος ανοικτής επαναρροής των Standard Methods 5220 υποβάλλει σε πέψη 50 mL. Η μέθοδος κλειστής επαναρροής χρησιμοποιεί πολύ μικρότερα δοχεία και υποβάλλει σε πέψη μόνο λίγα χιλιοστόλιτρα. Η αριθμομηχανή δέχεται οποιονδήποτε όγκο μεγαλύτερο από μηδέν, επομένως εισαγάγετε τον όγκο που υποβλήθηκε πράγματι σε πέψη στο εργαστήριο.

Είναι ακριβής αυτή η αριθμομηχανή; Η αριθμομηχανή εφαρμόζει ακριβώς τον τύπο, επομένως οι αριθμητικοί υπολογισμοί της είναι σωστοί. Η ακρίβεια της τελικής τιμής COD εξαρτάται από την ακρίβεια των εργαστηριακών μετρήσεων που εισάγονται, συμπεριλαμβανομένων των όγκων τιτλοδότησης και της κανονικότητας του τιτλοδοτικού διαλύματος.

Μπορεί να χρησιμοποιηθεί το COD για βιομηχανικά λύματα; Ναι. Ο ίδιος τύπος εφαρμόζεται σε οποιοδήποτε δείγμα νερού. Τα βιομηχανικά δείγματα έχουν συχνά πολύ υψηλότερες τιμές COD σε σχέση με τα οικιακά λύματα και μπορεί να χρειάζονται αραίωση πριν από την τιτλοδότηση, ώστε το αποτέλεσμα να εμπίπτει στο μετρήσιμο εύρος της δοκιμής.

Παραπομπές

1. American Public Health Association, American Water Works Association, & Water Environment Federation. (2017). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (23η έκδοση).
2. U.S. Environmental Protection Agency. (1993). Method 410,4: The Determination of Chemical Oxygen Demand by Semi-Automated Colorimetry.
3. ISO 6060:1989. Water quality — Determination of the chemical oxygen demand. International Organization for Standardization.
4. Tchobanoglous, G., Burton, F. L., & Stensel, H. D. (2014). Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery (5η έκδοση). McGraw-Hill Education.