เครื่องคำนวณ COD - คำนวณค่าความต้องการออกซิเจนทางเคมีจากข้อมูลการไทเทรต

ความต้องการออกซิเจนทางเคมี (COD) คืออะไร?

ความต้องการออกซิเจนทางเคมี (COD) เป็นค่าที่ใช้วัดว่าต้องใช้ออกซิเจนมากเพียงใดในการสลายสารอินทรีย์ในตัวอย่างน้ำด้วยกระบวนการทางเคมี โดยรายงานเป็นมิลลิกรัมออกซิเจนต่อลิตรน้ำ (mg/L) ค่า COD ที่สูงขึ้นหมายความว่าน้ำมีสารที่สามารถถูกออกซิไดซ์ได้มากขึ้น ซึ่งโดยทั่วไปบ่งชี้ว่ามีมลพิษอินทรีย์มากขึ้น ห้องปฏิบัติการวัดค่า COD ด้วยการทดสอบไทเทรต และเครื่องคำนวณนี้จะแปลงค่าจากการไทเทรตเป็นผลค่า COD

COD เป็นหนึ่งในการทดสอบที่ใช้กันมากที่สุดในงานตรวจสอบคุณภาพน้ำ โรงบำบัดน้ำเสียใช้การทดสอบนี้เพื่อตรวจสอบน้ำขาเข้าและขาออก นักวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมใช้ตรวจสอบแม่น้ำและทะเลสาบ ส่วนโรงงานใช้เพื่อยืนยันว่าน้ำทิ้งของตนเป็นไปตามค่าขีดจำกัดที่กฎหมายกำหนด

การทำงานของการทดสอบไทเทรตด้วยไดโครเมต

การทดสอบ COD มาตรฐานใช้สารเคมีที่เรียกว่าโพแทสเซียมไดโครเมตเพื่อออกซิไดซ์สารอินทรีย์ในตัวอย่างน้ำ นักเทคนิคห้องปฏิบัติการให้ความร้อนตัวอย่างร่วมกับไดโครเมตและกรดแก่เป็นเวลาสองชั่วโมงที่ 150 °C (302°F) จากนั้นวัดปริมาณไดโครเมตที่ไม่ทำปฏิกิริยากับตัวอย่างด้วยการไทเทรต ซึ่งเป็นกระบวนการเติมสารเคมีชนิดที่สอง (แอมโมเนียมเฟอร์รัสซัลเฟต) ทีละน้อยจนการเปลี่ยนสีแสดงว่าปฏิกิริยาเสร็จสมบูรณ์

การทดสอบทำสองครั้ง ได้แก่ ครั้งหนึ่งกับตัวอย่างน้ำจริง และอีกครั้งกับ “แบลงก์” ซึ่งเป็นส่วนผสมของสารเคมีชนิดเดียวกันแต่ไม่มีการเติมตัวอย่างน้ำ แบลงก์แสดงปริมาณไทแทรนต์สูงสุดที่เป็นไปได้ การเปรียบเทียบการไทเทรตของแบลงก์กับการไทเทรตของตัวอย่างจะแสดงว่าปริมาณสารอินทรีย์ในตัวอย่างใช้ไดโครเมตไปจริงเท่าใด

สูตรคำนวณ COD

สูตรคำนวณ COD คือ

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

โดยที่:

• C = ความต้องการออกซิเจนทางเคมี หน่วยเป็น มก./ลิตร
• B = ปริมาตรสารละลายไทเทรตที่ใช้ในการทดสอบแบลงก์ หน่วยเป็น มล.
• S = ปริมาตรสารละลายไทเทรตที่ใช้กับตัวอย่างน้ำ หน่วยเป็น มล.
• N = ความเข้มข้นสมมูลของไทแทรนต์ มีหน่วยเป็นสมมูลต่อลิตร (eq/L)
• V = ปริมาตรตัวอย่างน้ำที่ย่อย หน่วยเป็น มล.
• 8000 = ค่าคงที่สำหรับการแปลงหน่วย (อธิบายด้านล่าง)

ผลลัพธ์ไม่สามารถเป็นค่าลบได้ เนื่องจากในทางกายภาพไม่มีความต้องการออกซิเจนติดลบ เครื่องคำนวณจะตรวจสอบข้อมูลนำเข้าก่อนใช้สูตร ปริมาตรแบลงก์ นอร์มัลิตี และปริมาตรตัวอย่างต้องมากกว่าศูนย์ทั้งหมด ปริมาตรสารละลายไทเทรตของตัวอย่างต้องเป็นศูนย์หรือมากกว่า และต้องไม่มากกว่าปริมาตรแบลงก์

เหตุผลที่สูตรใช้ 8000

ออกซิเจนมีมวลโมเลกุลเท่ากับ 32 กรัมต่อโมล โมเลกุลออกซิเจนหนึ่งโมลรับอิเล็กตรอนได้ 4 อิเล็กตรอนเมื่อถูกรีดิวซ์เป็นน้ำ ดังนั้นออกซิเจนหนึ่งสมมูลจึงมีมวล 32 ÷ 4 = 8 กรัม หรือเท่ากับ 8 มิลลิกรัมต่อมิลลิสมมูล ปริมาตรไทแทรนต์มีหน่วยเป็นมิลลิลิตร ดังนั้นผลลัพธ์จึงต้องปรับสเกลจากมิลลิลิตรเป็นลิตรด้วยตัวคูณอีก 1000 เมื่อนำค่าทั้งสองมาคูณกันจะได้ 8 × 1000 = 8000

ตัวอย่างพร้อมวิธีทำ

สมมติว่านักเทคนิคห้องปฏิบัติการทำการทดสอบ COD และได้ผลดังนี้

• ปริมาตรไทแทรนต์ของแบลงก์: 10.0 มล.
• ปริมาตรไทแทรนต์ของตัวอย่าง: 7.5 มล.
• นอร์มัลิตีของไทแทรนต์: 0.1 N
• ปริมาตรตัวอย่าง: 20 มล.

เมื่อนำไปแทนค่าในสูตร

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

ผลลัพธ์ 100 mg/L อยู่ในช่วงปานกลาง ซึ่งเป็นค่าที่พบได้ทั่วไปในน้ำเสียที่ผ่านการบำบัด

วิธีอ่านผลค่า COD

เครื่องคำนวณแบ่งผลลัพธ์ออกเป็นสามช่วง

• ต่ำกว่า 50 mg/L: COD ต่ำ โดยทั่วไปพบในน้ำสะอาด เช่น น้ำดื่มหรือน้ำทิ้งที่ผ่านการบำบัดอย่างดี
• ตั้งแต่ 50 mg/L จนถึงแต่ไม่รวม 200 mg/L: COD ปานกลาง โดยทั่วไปพบในน้ำเสียที่ผ่านการบำบัดและปล่อยออกจากโรงบำบัด
• 200 mg/L ขึ้นไป: COD สูง บ่งชี้มลพิษอินทรีย์ในระดับมาก เช่น น้ำโสโครกดิบหรือน้ำเสียอุตสาหกรรมที่ยังไม่ผ่านการบำบัด

น้ำเสียจากครัวเรือนที่ไม่ผ่านการบำบัดมักมีค่าอยู่ระหว่างประมาณ 250 ถึง 1,000 mg/L น้ำเสียอุตสาหกรรม เช่น จากโรงเบียร์หรือโรงงานอาหาร อาจมีค่าสูงถึงหลายพัน mg/L ก่อนการบำบัด

ปัญหาที่พบบ่อยในการทดสอบ COD

ปริมาตรไทแทรนต์ของตัวอย่างสูงกว่าของแบลงก์ สิ่งนี้ไม่ควรเกิดขึ้น เนื่องจากตัวอย่างจะใช้ไดโครเมตไปบางส่วนเสมอ โดยทั่วไปหมายถึงมีการสลับค่าที่อ่านได้ทั้งสองค่า หรือแบลงก์ปนเปื้อน เครื่องคำนวณจะปฏิเสธข้อมูลนี้และแสดงข้อผิดพลาดแทนผลลัพธ์

การรบกวนจากคลอไรด์ น้ำเค็มและน้ำเกลือมีไอออนคลอไรด์ ซึ่งไดโครเมตจะออกซิไดซ์ไอออนเหล่านี้เช่นเดียวกับที่ออกซิไดซ์สารอินทรีย์ ทำให้ผลค่า COD สูงเกินจริง Standard Methods 5220 กำหนดให้เติมเมอร์คิวริกซัลเฟตลงในส่วนผสมสำหรับการย่อยเพื่อจับคลอไรด์ไว้ วิธีนี้ยังไม่ครอบคลุมตัวอย่างที่มีคลอไรด์สูงกว่าประมาณ 2,000 mg/L ซึ่งต้องใช้ขั้นตอนอื่น

ผลลัพธ์สูงมาก หากค่า COD ของตัวอย่างสูงเกินกว่าที่การทดสอบจะวัดได้อย่างแม่นยำ ห้องปฏิบัติการจะเจือจางตัวอย่างด้วยน้ำสะอาด ทำการทดสอบซ้ำ แล้วคูณผลลัพธ์ด้วยตัวคูณการเจือจาง

คำถามที่พบบ่อย

COD และ BOD แตกต่างกันอย่างไร COD วัดสารทั้งหมดในตัวอย่างที่สามารถสลายได้ด้วยสารออกซิไดซ์ทางเคมีชนิดแรง ส่วนความต้องการออกซิเจนทางชีวเคมี (BOD) วัดเฉพาะสารที่แบคทีเรียสามารถย่อยได้ภายใน 5 วัน การทดสอบ COD ใช้เวลาประมาณ 2 ชั่วโมง และให้ผลที่สม่ำเสมอกว่าระหว่างห้องปฏิบัติการ ส่วน BOD คาดการณ์ผลกระทบต่อแม่น้ำหรือทะเลสาบตามธรรมชาติได้ดีกว่า เนื่องจากแม่น้ำย่อยสลายของเสียด้วยกระบวนการทางชีวภาพ ไม่ใช่ทางเคมี

เหตุใด COD จึงเป็นค่าลบไม่ได้ ความต้องการออกซิเจนไม่สามารถต่ำกว่าศูนย์ได้ ผลลัพธ์ที่เป็นลบในสูตรหมายความว่าการไทเทรตตัวอย่างใช้ไทแทรนต์มากกว่าแบลงก์ ซึ่งชี้ถึงข้อผิดพลาดในการวัดหรือการปนเปื้อน ไม่ใช่ความต้องการออกซิเจนติดลบจริง เครื่องคำนวณจะปฏิเสธข้อมูลดังกล่าวและขอให้แก้ไขค่าที่อ่านได้ หากการไทเทรตทั้งสองครั้งให้ค่าเท่ากันพอดี ความต้องการออกซิเจนจะเท่ากับ 0 mg/L

ควรใช้ปริมาตรตัวอย่างเท่าใด ขึ้นอยู่กับวิธีการ วิธีรีฟลักซ์แบบเปิดของ Standard Methods 5220 ใช้ตัวอย่าง 50 มล. ในการย่อย วิธีรีฟลักซ์แบบปิดใช้ภาชนะที่มีขนาดเล็กกว่ามากและย่อยตัวอย่างเพียงไม่กี่มิลลิลิตร เครื่องคำนวณรับปริมาตรใดก็ได้ที่มากกว่าศูนย์ ดังนั้นให้ป้อนปริมาตรที่ห้องปฏิบัติการย่อยจริง

เครื่องคำนวณนี้แม่นยำหรือไม่ เครื่องคำนวณใช้สูตรโดยตรง ดังนั้นการคำนวณทางเลขคณิตจึงถูกต้อง ความแม่นยำของค่า COD สุดท้ายขึ้นอยู่กับความแม่นยำของการวัดในห้องปฏิบัติการที่ป้อนเข้าไป รวมถึงปริมาตรไทเทรตและนอร์มัลิตีของไทแทรนต์

สามารถใช้ COD กับน้ำเสียอุตสาหกรรมได้หรือไม่ ได้ สูตรเดียวกันนี้ใช้ได้กับตัวอย่างน้ำทุกชนิด ตัวอย่างจากอุตสาหกรรมมักมีค่า COD สูงกว่าน้ำเสียจากครัวเรือนมาก และอาจต้องเจือจางก่อนการไทเทรต เพื่อให้ผลลัพธ์อยู่ในช่วงที่การทดสอบสามารถวัดได้

เอกสารอ้างอิง

1. American Public Health Association, American Water Works Association และ Water Environment Federation (2017). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (ฉบับที่ 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. คุณภาพน้ำ — การหาค่าความต้องการออกซิเจนทางเคมี องค์การระหว่างประเทศว่าด้วยการมาตรฐาน
4. Tchobanoglous, G., Burton, F. L. และ Stensel, H. D. (2014). Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery (ฉบับที่ 5). McGraw-Hill Education