Калькулятор ХПК - Расчет химического потребления кислорода по данным титрования

Что такое химическое потребление кислорода (ХПК)?

Химическое потребление кислорода (ХПК) — это показатель количества кислорода, необходимого для химического разложения органических веществ в пробе воды. Его выражают в миллиграммах кислорода на литр воды (мг/л). Более высокое значение ХПК означает, что в воде содержится больше веществ, способных окисляться, что обычно указывает на более сильное органическое загрязнение. В лабораториях ХПК измеряют титрованием, а этот калькулятор преобразует результаты титрования в значение ХПК.

ХПК — один из наиболее распространённых анализов при оценке качества воды. На очистных сооружениях его проводят для проверки поступающей и очищенной воды. Экологи используют его для проверки рек и озёр. На предприятиях его применяют, чтобы подтвердить соответствие сбрасываемых сточных вод установленным законом нормативам.

Как работает метод дихроматного титрования

В стандартном методе определения ХПК для окисления органических веществ в пробе воды используют дихромат калия. Лаборант нагревает пробу с дихроматом и сильной кислотой в течение двух часов при температуре 150 °C (302°F). Затем методом титрования измеряют количество дихромата, не вступившего в реакцию с пробой: постепенно добавляют второй реагент — сульфат железа(II)-аммония — до изменения окраски, свидетельствующего о завершении реакции.

Анализ проводят дважды: один раз с пробой воды, другой — с «холостым опытом», представляющим собой ту же смесь химических веществ, но без добавления пробы воды. Холостая проба показывает максимально возможное количество титранта. Сравнение результатов титрования холостой и настоящей проб позволяет определить, сколько дихромата фактически израсходовали органические вещества в пробе.

Формула ХПК

Формула ХПК имеет вид:

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

Где:

• C = химическое потребление кислорода, мг/л
• B = объём титранта, использованный при холостом опыте, в мл
• S = объём титранта, использованный для пробы воды, мл
• N = нормальность титранта, в эквивалентах на литр (экв/л)
• V = объём пробы воды, подвергнутой разложению, в мл
• 8000 = фиксированный коэффициент пересчёта (объясняется ниже)

Результат не может быть отрицательным, поскольку отрицательное потребление кислорода физически невозможно. Перед применением формулы калькулятор проверяет введённые данные. Объём холостой пробы, нормальность и объём пробы должны быть больше нуля. Объём титранта для пробы должен быть равен нулю или больше него и не должен превышать объём титранта для холостой пробы.

Почему в формуле используется 8000

Молекулярная масса кислорода составляет 32 грамма на моль. Каждый моль молекул кислорода принимает 4 электрона при восстановлении до воды, поэтому один эквивалент кислорода весит 32 ÷ 4 = 8 граммов. Это 8 миллиграммов на миллиэквивалент. Объёмы титранта указаны в миллилитрах, поэтому результат также необходимо пересчитать из миллилитров в литры, что даёт дополнительный множитель 1000. Перемножение этих двух величин даёт 8 × 1000 = 8000.

Пример расчёта

Предположим, что лаборант провёл анализ ХПК и получил следующие результаты:

• Объём титранта для холостой пробы: 10,0 мл
• Объём титранта для пробы: 7,5 мл
• Нормальность титранта: 0,1 Н
• Объём пробы: 20 мл

Подставим значения в формулу:

ХПК = ((10,0 − 7,5) × 0,1 × 8000) / 20 ХПК = (2,5 × 0,1 × 8000) / 20 ХПК = 2000 / 20 = 100 мг/л

Результат 100 мг/л соответствует умеренному уровню, типичному для очищенных сточных вод.

Как интерпретировать результат ХПК

Калькулятор распределяет результат по трём диапазонам:

• Менее 50 мг/л: низкое ХПК. Типично для чистой воды, например питьевой воды или хорошо очищенных сточных вод.
• От 50 мг/л до менее 200 мг/л: умеренное ХПК. Типично для очищенных сточных вод, отводимых с очистных сооружений.
• 200 мг/л и выше: высокое ХПК. Свидетельствует о сильном органическом загрязнении, например неочищенными бытовыми или промышленными сточными водами.

Неочищенные бытовые сточные воды обычно имеют значение от примерно 250 до 1 000 мг/л. До очистки ХПК промышленных сточных вод, например поступающих от пивоваренных и пищевых предприятий, может достигать нескольких тысяч мг/л.

Распространённые проблемы при анализе ХПК

Объём титранта для пробы больше объёма для холостой пробы. Такого быть не должно, поскольку проба всегда расходует часть дихромата. Обычно это означает, что два показания перепутаны местами или холостая проба загрязнена. Калькулятор отклоняет такие данные и вместо результата выводит сообщение об ошибке.

Помехи, создаваемые хлоридами. В солёной воде и рассолах содержатся ионы хлорида, которые дихромат окисляет так же, как органические вещества. Из-за этого значение ХПК получается завышенным. В методе 5220 сборника Standard Methods в смесь для разложения добавляют сульфат ртути(II), чтобы связать хлориды. Однако этот метод не распространяется на пробы с содержанием хлоридов выше примерно 2 000 мг/л; для них требуется другая методика.

Очень высокие результаты. Если значение ХПК пробы слишком велико для точного измерения этим методом, в лаборатории пробу разбавляют чистой водой, повторяют анализ и умножают результат на коэффициент разбавления.

Часто задаваемые вопросы

В чём разница между ХПК и БПК? ХПК учитывает всё в пробе, что может быть разложено сильным химическим окислителем. Биохимическое потребление кислорода (БПК) учитывает только то, что бактерии способны разложить за 5 суток. Анализ ХПК занимает около 2 часов и даёт более сопоставимые результаты в разных лабораториях; БПК лучше предсказывает воздействие на естественную реку или озеро, поскольку в водоёмах отходы разлагаются биологически, а не химически.

Почему ХПК не может быть отрицательным? Потребление кислорода не может быть меньше нуля. Отрицательный результат по формуле означает, что при титровании пробы было израсходовано больше титранта, чем при титровании холостой пробы; это указывает на ошибку измерения или загрязнение, а не на действительно отрицательное потребление кислорода. Калькулятор отклоняет такие данные и предлагает ввести исправленные показания. Если результаты двух титрований полностью совпадают, потребление составляет 0 мг/л.

Какой объём пробы следует использовать? Это зависит от методики. В открытом варианте метода Standard Methods 5220 разлагают 50 мл пробы. В закрытом варианте используют значительно меньшие сосуды и разлагают всего несколько миллилитров. Калькулятор принимает любой объём больше нуля, поэтому следует ввести объём, фактически подвергнутый разложению в лаборатории.

Насколько точен этот калькулятор? Калькулятор применяет формулу точно, поэтому его арифметические вычисления верны. Точность итогового значения ХПК зависит от точности введённых лабораторных измерений, включая объёмы титрования и нормальность титранта.

Можно ли использовать ХПК для промышленных сточных вод? Да. Та же формула применяется к любой пробе воды. В промышленных пробах значение ХПК часто значительно выше, чем в бытовых сточных водах, и перед титрованием их может потребоваться разбавить, чтобы результат попал в измеряемый диапазон метода.

Источники

1. Американская ассоциация общественного здравоохранения, Американская ассоциация водопроводных предприятий и Федерация водной среды. (2017). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (23rd ed.).
2. Агентство по охране окружающей среды США. (1993). Метод 410,4: Определение химического потребления кислорода методом полуавтоматической колориметрии.
3. ISO 6060:1989. Качество воды — Определение химического потребления кислорода. Международная организация по стандартизации.
4. Tchobanoglous, G., Burton, F. L. и Stensel, H. D. (2014). Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery (5th ed.). McGraw-Hill Education.