מחשבון COD - חישוב דרישת חמצן כימית מנתוני טיטרציה

מהי צריכת חמצן כימית (COD)?

צריכת חמצן כימית (COD) היא מדד לכמות החמצן הנדרשת לפירוק כימי של החומר האורגני בדגימת מים. היא מדווחת במיליגרמים של חמצן לליטר מים (mg/L). ערך COD גבוה יותר פירושו שהמים מכילים יותר חומר שניתן לחמצן, דבר המצביע בדרך כלל על זיהום אורגני רב יותר. מעבדות מודדות COD באמצעות בדיקת טיטרציה, ומחשבון זה הופך את נתוני הטיטרציה לערך COD.

COD היא אחת הבדיקות הנפוצות ביותר בתחום איכות המים. מתקני טיהור שפכים מבצעים אותה כדי לבדוק את המים הנכנסים והיוצאים. מדעני סביבה משתמשים בה לבדיקת נהרות ואגמים. מפעלים משתמשים בה כדי להוכיח שההזרמה שלהם עומדת במגבלות החוק.

כיצד פועלת בדיקת הטיטרציה בדיכרומט

בבדיקת COD הסטנדרטית נעזרים בחומר כימי בשם דיכרומט אשלגן כדי לחמצן את החומר האורגני בדגימת מים. טכנאי מעבדה מחמם את הדגימה עם דיכרומט וחומצה חזקה במשך שעתיים בטמפרטורה של 150 °C (302°F). לאחר מכן מודדים בטיטרציה את הדיכרומט שלא הגיב עם הדגימה. זהו תהליך שבו מוסיפים באיטיות חומר כימי נוסף (אמוניום ברזל(II) סולפט), עד ששינוי צבע מסמן שהתגובה הושלמה.

הבדיקה מתבצעת פעמיים: פעם אחת על דגימת המים האמיתית, ופעם אחת על "בלנק", שהוא אותה תערובת של חומרים כימיים, אך ללא הוספת דגימת מים. הבלנק מראה את הכמות המרבית האפשרית של תמיסת הטיטרציה. השוואת הטיטרציה של הבלנק לטיטרציה של הדגימה מראה כמה דיכרומט החומר האורגני בדגימה צרך בפועל.

נוסחת COD

נוסחת COD היא:

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

כאשר:

• C = צריכת החמצן הכימית, במ"ג/ליטר
• B = נפח הטיטרן ששימש לבדיקת הבלנק, במ"ל
• S = נפח הטיטרן ששימש לדגימת המים, במ"ל
• N = הנורמליות של הטיטרנט, באקוויוולנטים לליטר (eq/L)
• V = נפח דגימת המים שעוכלה, במ"ל
• 8000 = מספר המרה קבוע (מוסבר להלן)

התוצאה לעולם אינה יכולה להיות שלילית, משום שדרישת חמצן שלילית אינה אפשרית מבחינה פיזיקלית. המחשבון בודק את הנתונים לפני החלת הנוסחה. נפח הבלנק, הנורמליות ונפח הדגימה חייבים להיות גדולים מאפס. נפח תמיסת הטיטרציה של הדגימה חייב להיות אפס או יותר, ואסור שיהיה גדול מנפח הבלנק.

מדוע הנוסחה משתמשת ב־8000

המשקל המולקולרי של חמצן הוא 32 גרם למול. כל מול של מולקולות חמצן קולט 4 אלקטרונים כאשר הוא מחוזר למים, ולכן אקוויוולנט אחד של חמצן שוקל 32 ÷ 4 = 8 גרם. זהו 8 מיליגרם למיליאקוויוולנט. נפחי תמיסת הטיטרציה נתונים במיליליטרים, ולכן יש להמיר את התוצאה גם ממיליליטרים לליטרים, באמצעות גורם נוסף של 1000. הכפלת שני הגורמים נותנת 8 × 1000 = 8000.

דוגמה פתורה

נניח שטכנאי מעבדה ביצע בדיקת COD עם התוצאות הבאות:

• נפח תמיסת הטיטרציה של הבלנק: 10.0 mL
• נפח תמיסת הטיטרציה של הדגימה: 7.5 mL
• הנורמליות של תמיסת הטיטרציה: 0.1 N
• נפח הדגימה: 20 mL

הצבה בנוסחה:

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

תוצאה של 100 mg/L נמצאת בטווח הבינוני, האופייני לשפכים מטופלים.

כיצד לקרוא תוצאת COD

המחשבון ממיין את התוצאה לשלושה טווחים:

• מתחת ל־50 mg/L: COD נמוך. אופייני למים נקיים, כגון מי שתייה או קולחים שטופלו היטב.
• מ־50 mg/L ועד פחות מ־200 mg/L: COD בינוני. אופייני לשפכים מטופלים היוצאים ממתקן טיהור.
• 200 mg/L ומעלה: COD גבוה. מעיד על זיהום אורגני כבד, כגון ביוב גולמי או שפכים תעשייתיים שלא טופלו.

שפכים ביתיים שלא טופלו נמצאים בדרך כלל בין כ־250 ל־1,000 mg/L. שפכים תעשייתיים, כגון ממבשלות או ממפעלי מזון, יכולים להגיע לכמה אלפי mg/L לפני הטיפול.

בעיות נפוצות בבדיקת COD

נפח תמיסת הטיטרציה של הדגימה גדול מנפח הבלנק. מצב כזה לא אמור להתרחש, משום שהדגימה תמיד צורכת חלק מהדיכרומט. בדרך כלל משמעות הדבר היא ששתי הקריאות הוחלפו, או שהבלנק זוהם. המחשבון דוחה נתון זה ומציג שגיאה במקום תוצאה.

הפרעת כלוריד. מי מלח ותמלחות מכילים יוני כלוריד, שהדיכרומט מחמצן באותו אופן שבו הוא מחמצן חומר אורגני. כתוצאה מכך מתקבלת תוצאת COD גבוהה מדי. שיטות תקניות 5220 מוסיפות כספית(II) סולפט לתערובת העיכול כדי לקשור את הכלוריד. השיטה עדיין אינה מתאימה לדגימות המכילות יותר מכ־2,000 mg/L של כלוריד, ולדגימות כאלה נדרש הליך אחר.

תוצאות גבוהות מאוד. אם ערך ה־COD של דגימה גבוה מדי למדידה מדויקת בבדיקה, המעבדה מדללת את הדגימה במים נקיים, מבצעת את הבדיקה מחדש ומכפילה את התוצאה במקדם הדילול.

שאלות נפוצות

מה ההבדל בין COD ל־BOD? COD מודד את כל מה שבדגימה שניתן לפרק באמצעות מחמצן כימי חזק. דרישת חמצן ביוכימית (BOD) מודדת רק את מה שחיידקים יכולים לפרק במשך 5 ימים. בדיקת COD נמשכת בערך 2 שעות ומספקת תוצאות עקביות יותר בין מעבדות; BOD מנבא טוב יותר את ההשפעה על נהר או אגם טבעיים, משום שבנהרות הפסולת מתפרקת ביולוגית ולא כימית.

מדוע COD אינו יכול להיות שלילי? דרישת חמצן אינה יכולה להיות נמוכה מאפס. תוצאה שלילית בנוסחה פירושה שהטיטרציה של הדגימה צרכה יותר תמיסת טיטרציה מהבלנק, דבר המצביע על שגיאת מדידה או זיהום, ולא על דרישה שלילית אמיתית. המחשבון דוחה את הנתון ומבקש קריאות מתוקנות. כאשר שתי הטיטרציות זהות לחלוטין, דרישת החמצן היא 0 mg/L.

באיזה נפח דגימה יש להשתמש? הדבר תלוי בשיטה. גרסת הרפלוקס הפתוח של Standard Methods 5220 מעכלת 50 mL. בגרסת הרפלוקס הסגור משתמשים בכלים קטנים בהרבה ומעכלים מיליליטרים אחדים בלבד. המחשבון מקבל כל נפח הגדול מאפס, ולכן יש להזין את הנפח שהמעבדה עיכלה בפועל.

האם המחשבון מדויק? המחשבון מיישם את הנוסחה בדיוק, ולכן החישוב האריתמטי שלו נכון. הדיוק של ערך ה־COD הסופי תלוי בדיוק של מדידות המעבדה שהוזנו, כולל נפחי הטיטרציה והנורמליות של תמיסת הטיטרציה.

האם אפשר להשתמש ב־COD עבור שפכים תעשייתיים? כן. אותה נוסחה חלה על כל דגימת מים. בדגימות תעשייתיות ערך ה־COD גבוה לעיתים קרובות בהרבה מזה של שפכים ביתיים, וייתכן שיהיה צורך לדלל אותן לפני הטיטרציה כדי שהתוצאה תימצא בטווח המדידה של הבדיקה.

מקורות

1. American Public Health Association, American Water Works Association, & Water Environment Federation. (2017). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (מהדורה 23).
2. U.S. Environmental Protection Agency. (1993). Method 410.4: The Determination of Chemical Oxygen Demand by Semi-Automated Colorimetry.
3. ISO 6060:1989. איכות המים — קביעת צריכת החמצן הכימית. הארגון הבין־לאומי לתקינה.
4. Tchobanoglous, G., Burton, F. L., & Stensel, H. D. (2014). Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery (מהדורה 5). McGraw-Hill Education.