Калькулятор ХСК - Розрахунок хімічного споживання кисню за даними титрування

Що таке хімічне споживання кисню (ХСК)?

Хімічне споживання кисню (ХСК) — це показник кількості кисню, потрібної для хімічного розкладання органічних речовин у пробі води. Його виражають у міліграмах кисню на літр води (мг/л). Вище значення ХСК означає, що вода містить більше речовин, здатних до окиснення, що зазвичай свідчить про сильніше органічне забруднення. У лабораторіях ХСК визначають титруванням, а цей калькулятор перетворює результати титрування на значення ХСК.

ХСК — один із найпоширеніших показників у дослідженнях якості води. Очисні споруди визначають його у вхідній і вихідній воді. Фахівці з охорони довкілля використовують його для перевірки річок і озер. Підприємства застосовують цей показник, щоб підтвердити відповідність скидів установленим законодавством нормам.

Як працює дихроматний метод титрування

Стандартний тест на ХСК передбачає використання хімічної речовини дихромату калію для окиснення органічних речовин у пробі води. Лаборант нагріває пробу з дихроматом і сильною кислотою протягом двох годин за температури 150 °C (302°F). Далі кількість дихромату, що не вступив у реакцію з пробою, визначають титруванням: сульфат заліза(II) та амонію повільно додають, доки зміна кольору не засвідчить завершення реакції.

Тест проводять двічі: один раз із фактичною пробою води, а другий — із «холостою пробою», тобто тією самою сумішшю хімічних речовин, але без додавання проби води. Холоста проба показує максимально можливу кількість титранту. Порівняння результатів титрування холостої проби та проби води показує, скільки дихромату фактично витратили органічні речовини у пробі.

Формула ХСК

Формула ХСК має вигляд:

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

де:

• C = хімічне споживання кисню, у мг/л
• B = об’єм титранту, використаного для холостого досліду, у мл
• S = об’єм титранту, використаного для проби води, у мл
• N = нормальність титранту, в еквівалентах на літр (екв/л)
• V = об’єм проби води, яку піддали розкладанню, у мл
• 8000 = фіксований коефіцієнт перерахунку (пояснення наведено нижче)

Результат не може бути від’ємним, оскільки від’ємне споживання кисню фізично неможливе. Перед застосуванням формули калькулятор перевіряє введені дані. Об’єм холостої проби, нормальність і об’єм проби мають бути більшими за нуль. Об’єм титранту для проби має бути не меншим за нуль і не може перевищувати об’єм титранту для холостої проби.

Чому у формулі використовується 8000

Молекулярна маса кисню становить 32 грами на моль. Кожен моль молекул кисню приймає 4 електрони під час відновлення до води, тому один еквівалент кисню має масу 32 ÷ 4 = 8 грамів. Це 8 міліграмів на міліеквівалент. Об’єми титранту задано в мілілітрах, тому результат також потрібно перерахувати з мілілітрів у літри, що дає ще один множник 1000. Перемноження двох множників дає 8 × 1000 = 8000.

Приклад обчислення

Припустімо, що лаборант провів тест на ХСК і отримав такі результати:

• Об’єм титранту для холостої проби: 10,0 мл
• Об’єм титранту для проби: 7,5 мл
• Нормальність титранту: 0,1 Н
• Об’єм проби: 20 мл

Підставимо дані у формулу:

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

Результат 100 мг/л належить до помірного діапазону, типового для очищених стічних вод.

Як інтерпретувати результат ХСК

Калькулятор розподіляє результат на три діапазони:

• Менше ніж 50 мг/л: низьке ХСК. Типове для чистої води, наприклад питної води або добре очищених стоків.
• Від 50 мг/л до 200 мг/л, не включно: помірне ХСК. Типове для очищених стічних вод, що виходять з очисної споруди.
• 200 мг/л і більше: високе ХСК. Свідчить про значне органічне забруднення, наприклад неочищеними побутовими стоками або неочищеними промисловими стічними водами.

Неочищені побутові стічні води зазвичай мають показник від приблизно 250 до 1 000 мг/л. Промислові стічні води, наприклад від пивоварних або харчових підприємств, до очищення можуть мати показник у кілька тисяч мг/л.

Поширені проблеми під час тесту на ХСК

Об’єм титранту для проби перевищує об’єм для холостої проби. Такого не повинно бути, оскільки проба завжди витрачає частину дихромату. Зазвичай це означає, що два показники переплутали місцями або холосту пробу було забруднено. Калькулятор відхиляє такі дані й показує помилку замість результату.

Вплив хлоридів. Морська вода та розсоли містять іони хлориду, які дихромат окиснює так само, як органічні речовини. Через це результат ХСК виявляється завищеним. У Standard Methods 5220 у суміш для мінералізації додають сульфат ртуті(II), щоб зв’язати хлорид. Однак цей метод не охоплює проби, що містять понад приблизно 2 000 мг/л хлориду; для них потрібна інша процедура.

Дуже високі результати. Якщо значення ХСК проби надто високе для точного вимірювання цим тестом, у лабораторії пробу розбавляють чистою водою, повторюють тест і множать результат на коефіцієнт розведення.

Поширені запитання

Чим відрізняються ХСК і БСК? ХСК вимірює все у пробі, що може бути розкладене сильним хімічним окисником. Біохімічне споживання кисню (БСК) вимірює лише те, що бактерії можуть перетравити протягом 5 днів. Визначення ХСК займає близько 2 годин і дає узгодженіші результати в різних лабораторіях; БСК краще прогнозує вплив на природну річку чи озеро, оскільки в річках відходи розкладаються біологічно, а не хімічно.

Чому ХСК не може бути від’ємним? Споживання кисню не може бути меншим за нуль. Від’ємний результат у формулі означає, що під час титрування проби було використано більше титранту, ніж для холостої проби, що вказує на помилку вимірювання або забруднення, а не на реальне від’ємне споживання. Калькулятор відхиляє такі дані й запитує виправлені показники. Якщо результати двох титрувань повністю збігаються, споживання становить 0 мг/л.

Який об’єм проби слід використовувати? Це залежить від методу. У варіанті Standard Methods 5220 з відкритим зворотним холодильником мінералізують 50 мл. У варіанті із закритим зворотним холодильником використовують значно менші реакційні посудини й мінералізують лише кілька мілілітрів. Калькулятор приймає будь-який об’єм, більший за нуль, тому введіть об’єм, який фактично було піддано мінералізації в лабораторії.

Чи точний цей калькулятор? Калькулятор точно застосовує формулу, тому його арифметичні обчислення правильні. Точність кінцевого значення ХСК залежить від точності введених лабораторних вимірювань, зокрема об’ємів титрування та нормальності титранту.

Чи можна використовувати ХСК для промислових стічних вод? Так. Та сама формула застосовується до будь-якої проби води. Промислові проби часто мають значно вищий показник ХСК, ніж побутові стічні води, і перед титруванням їх може знадобитися розбавити, щоб результат потрапив у вимірюваний діапазон тесту.

Джерела

1. Американська асоціація громадського здоров’я, Американська асоціація водопровідних підприємств і Федерація водного довкілля. (2017). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (23-тє видання).
2. Агентство з охорони навколишнього середовища США. (1993). Метод 410,4: Визначення хімічного споживання кисню методом напівавтоматичної колориметрії.
3. ISO 6060:1989. Якість води — визначення хімічного споживання кисню. Міжнародна організація зі стандартизації.
4. Тчобаноглоус, Г., Бертон, Ф. Л. і Стенсел, Г. Д. (2014). Очищення стічних вод і відновлення ресурсів (5-те видання). McGraw-Hill Education.