Kerja perlindungan alam sekitar tidak dapat dipisahkan daripada kimia; persamaan tindak balas kimia dan pengiraan dos reagen adalah perkara biasa dalam rawatan air sisa. Berikut ialah konsep pH dan contoh pengiraan.
I. Konsep Asas pH
pH ialah skala untuk mengukur keasidan atau kealkalian larutan akueus. Ia ditakrifkan sebagai logaritma negatif aktiviti ion hidrogen:
pH=-log₁₀[H⁺]
Di mana [H⁺] mewakili kepekatan molar ion hidrogen, dalam mol/L. Julat pH biasanya 0-14. pH=7 ialah neutral, pH<7 is acidic, and pH>7 adalah beralkali.
Dalam air tulen, [H⁺]=10⁻⁷ mol/L, oleh itu pH=7. Apabila pH=3, [H⁺]=10⁻³ mol/L; apabila pH=10, [H⁺]=10⁻¹⁰ mol/L dan [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L.
II. Kepentingan kimia pH
Nilai pH mencerminkan keseimbangan asid-asas badan air dan berkait rapat dengan proses kimia berikut:
1. Bentuk jirim: Banyak bahan kimia (seperti ion logam berat dan bahan organik) mempamerkan keadaan pengionan dan keterlarutan yang berbeza pada tahap pH yang berbeza.
2. Kadar tindak balas: Kadar tindak balas pemangkin-asas selalunya berkaitan secara langsung dengan pH.
3. Kehakisan: Nilai pH yang melampau (<4 or >10) menyebabkan kakisan teruk pada paip dan peralatan logam.
4. Aktiviti biologi: Sistem enzim mikrob sangat sensitif terhadap pH, dengan pH pertumbuhan optimum biasanya antara 6.5 dan 8.5.
III. Peranan Panduan pH dalam Rawatan Air Sisa
1. Pelarasan Prarawatan
Sebelum air sisa memasuki sistem rawatan, pH perlu diselaraskan kepada julat yang sesuai (biasanya 6-9) untuk mengelakkan kesan kepada unit rawatan berikutnya.
2. Memastikan Rawatan Biokimia
Proses enapcemar teraktif aerobik: pH optimum ialah 6.5-8.5
Pencernaan anaerobik: pH optimum ialah 6.8-7.4
Penyimpangan pH boleh menyebabkan penurunan aktiviti mikrob dan juga keruntuhan sistem.
3. Kawalan Kerpasan Kimia
Apabila mengeluarkan logam berat, pH perlu diselaraskan kepada nilai tertentu untuk menyebabkan logam memendakan sebagai hidroksida. Contohnya, Cu²⁺ memendakan sepenuhnya pada pH≈8.0.
IV. Pengiraan Dos NaOH untuk Meneutralkan Air Sisa pada pH 3
Pengiraan peneutralan adalah berdasarkan tindak balas peneutralan asid-bes: H⁺ + OH⁻ → H₂O
Syarat Diberi:
· Isipadu air sisa V=1 m³=1000 L
· pH awal=3 → [H⁺]=10⁻³ mol/L
· Sasaran pH=7 → [H⁺]=10⁻⁷ mol/L
· Berat molekul NaOH=40 g/mol
Langkah Pengiraan:
1. Jumlah Permulaan H⁺:
n(H⁺)awal=10⁻³ mol/L × 1000 L=1 mol
2. Jumlah Sasaran H⁺ (boleh diabaikan):
n(H⁺)sasaran=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Jumlah H⁺ yang perlu dineutralkan:
Δn(H⁺)=1 - 0.0001 ≈ 1 mol
4. Jumlah NaOH yang diperlukan (tindak balas 1:1):
n(NaOH)=1 mol
5. Jisim NaOH yang diperlukan:
m(NaOH)=1 mol × 40 g/mol=40 g
Kesimpulan: Untuk meneutralkan 1 meter padu air sisa dengan pH=3 kepada neutral, 40 gram natrium hidroksida (pepejal) perlu ditambah.
V. Pengiraan dos H₂SO₄ untuk meneutralkan air sisa pada pH=10
Syarat yang diberikan:
· Isipadu air sisa V=1 m³=1000 L
· pH awal=10 → pOH=4 → [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L
· pH sasaran=7 → [OH⁻]=10⁻⁷ mol/L
· H₂SO₄ berat molekul=98 g/mol (H₂SO₄ membekalkan 2 ion H⁺)
Langkah pengiraan:
1. Jumlah awal OH⁻:
n(OH⁻)awal=10⁻⁴ mol/L × 1000 L=0.1 mol
2. Jumlah sasaran OH⁻ (boleh diabaikan):
n(OH⁻)sasaran=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Jumlah OH⁻ yang perlu dineutralkan:
Δn(OH⁻)=0.1 - 0.0001 ≈ 0.1 mol
4. Jumlah H⁺ diperlukan: n(H⁺)=0.1 mol
5. Jumlah H₂SO₄ yang diperlukan (setiap mol H₂SO₄ menyediakan 2 mol H⁺):
n(H₂SO₄)=0.1 mol ÷ 2=0.05 mol
6. Jisim H₂SO₄ diperlukan:
m(H₂SO₄)=0.05 mol × 98 g/mol=4.9 g
Kesimpulan: Meneutralkan 1 meter padu air sisa dengan pH=10 kepada neutral memerlukan penambahan 4.9 gram asid sulfurik tulen.
Jika menggunakan 98% asid sulfurik pekat (ketumpatan 1.84 g/mL), isipadu ialah:
V=4.9 g ÷ 0.98 ÷ 1.84 g/mL ≈ 2.72 mL
VI. Pertimbangan Kejuruteraan Praktikal
1. Sistem Penampan: Air sisa mungkin mengandungi{1}}bahan penimbal bes asid (seperti karbonat dan fosfat). Dos sebenar perlu ditentukan melalui ujian pentitratan.
2. Operasi Selamat: Langkah perlindungan yang perlu mesti dilaksanakan apabila menambah asid atau alkali untuk mengelakkan penumpuan berlebihan setempat yang membawa kepada pencemaran sekunder.
3. Kecekapan Ekonomi: Untuk rawatan berskala besar-, kos reagen yang berbeza perlu dibandingkan. Kapur (Ca(OH)₂) secara amnya lebih menjimatkan daripada NaOH.
4. Kawalan Automatik: pelarasan pH mempunyai-ciri bukan linear; adalah disyorkan untuk menggunakan sistem kawalan PID untuk mencapai dos yang tepat.
5. Pengurusan pH ialah aspek asas dalam rawatan air sisa, yang secara langsung menjejaskan keberkesanan rawatan dan kos operasi, dan oleh itu patut diberi perhatian yang secukupnya.