El trabajo de protección del medio ambiente es inseparable de la química; Las ecuaciones de reacciones químicas y los cálculos de dosis de reactivos son comunes en el tratamiento de aguas residuales. A continuación se presenta el concepto de pH y ejemplos de cálculo.
I. Conceptos básicos de pH
El pH es una escala para medir la acidez o alcalinidad de una solución acuosa. Se define como el logaritmo negativo de la actividad del ion hidrógeno:
pH=-log₁₀[H⁺]
Donde [H⁺] representa la concentración molar de iones de hidrógeno, en mol/L. El rango de pH suele ser de 0 a 14. pH=7 es neutro, pH<7 is acidic, and pH>7 es alcalino.
En agua pura, [H⁺]=10⁻⁷ mol/L, por lo tanto pH=7. Cuando pH=3, [H⁺]=10⁻³ mol/L; cuando pH=10, [H⁺]=10⁻¹⁰ mol/L y [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L.
II. Importancia química del pH
El valor del pH refleja el equilibrio ácido-base de los cuerpos de agua y está estrechamente relacionado con los siguientes procesos químicos:
1. Formas de materia: muchas sustancias químicas (como iones de metales pesados y materia orgánica) exhiben diferentes estados de ionización y solubilidades en diferentes niveles de pH.
2. Velocidad de reacción: la velocidad de las reacciones catalíticas ácido-base a menudo está directamente relacionada con el pH.
3. Corrosividad: Valores extremos de pH (<4 or >10) causan corrosión severa en tuberías y equipos metálicos.
4. Actividad biológica: Los sistemas de enzimas microbianas son extremadamente sensibles al pH, con un pH de crecimiento óptimo típicamente entre 6,5 y 8,5.
III. El papel rector del pH en el tratamiento de aguas residuales
1. Ajuste previo al tratamiento
Antes de que las aguas residuales ingresen al sistema de tratamiento, es necesario ajustar el pH a un rango adecuado (generalmente 6-9) para evitar afectar las unidades de tratamiento posteriores.
2. Garantizar el tratamiento bioquímico
Proceso de lodos activados aeróbicos: el pH óptimo es 6,5-8,5
Digestión anaeróbica: el pH óptimo es 6,8-7,4
Las desviaciones del pH pueden provocar una disminución de la actividad microbiana e incluso el colapso del sistema.
3. Control de la precipitación química
Al eliminar metales pesados, es necesario ajustar el pH a un valor específico para que los metales precipiten en forma de hidróxidos. Por ejemplo, Cu²⁺ precipita completamente a pH≈8,0.
IV. Cálculo de la dosis de NaOH para neutralizar aguas residuales a pH 3
El cálculo de neutralización se basa en la reacción de neutralización ácida-base: H⁺ + OH⁻ → H₂O
Condiciones dadas:
· Volumen de aguas residuales V=1 m³=1000 L
· pH inicial=3 → [H⁺]=10⁻³ mol/L
· pH objetivo=7 → [H⁺]=10⁻⁷ mol/L
· Peso molecular del NaOH=40 g/mol
Pasos de cálculo:
1. Cantidad inicial de H⁺:
n(H⁺)inicial=10⁻³ mol/L × 1000 L=1 mol
2. Cantidad objetivo de H⁺ (insignificante):
n(H⁺)objetivo=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Cantidad de H⁺ a neutralizar:
Δn(H⁺)=1 - 0.0001 ≈ 1 mol
4. Cantidad de NaOH requerida (reacción 1:1):
norte(NaOH)=1 mol
5. Masa de NaOH requerida:
m(NaOH)=1 mol × 40 g/mol=40 g
Conclusión: Para neutralizar 1 metro cúbico de aguas residuales con pH=3 a neutro, se deben agregar 40 gramos de hidróxido de sodio (sólido).
V. Cálculo de la dosis de H₂SO₄ para neutralizar aguas residuales a pH=10
Condiciones dadas:
· Volumen de aguas residuales V=1 m³=1000 L
· pH inicial=10 → pOH=4 → [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L
· pH objetivo=7 → [OH⁻]=10⁻⁷ mol/L
· Peso molecular del H₂SO₄=98 g/mol (el H₂SO₄ proporciona 2 iones H⁺)
Pasos de cálculo:
1. Cantidad inicial de OH⁻:
n(OH⁻)inicial=10⁻⁴ mol/L × 1000 L=0.1 mol
2. Cantidad objetivo de OH⁻ (insignificante):
n(OH⁻)objetivo=10⁻⁷ mol/L × 1000 L=0.0001 mol
3. Cantidad de OH⁻ a neutralizar:
Δn(OH⁻)=0.1 - 0.0001 ≈ 0,1 mol
4. Cantidad de H⁺ requerida: n(H⁺)=0.1 mol
5. Cantidad de H₂SO₄ requerida (cada mol de H₂SO₄ proporciona 2 moles de H⁺):
norte(H₂SO₄)=0.1 mol ÷ 2=0.05 mol
6. Masa de H₂SO₄ requerida:
m(H₂SO₄)=0.05 mol × 98 g/mol=4.9 g
Conclusión: Neutralizar 1 metro cúbico de aguas residuales con pH=10 a neutro requiere la adición de 4,9 gramos de ácido sulfúrico puro.
Si se utiliza ácido sulfúrico concentrado al 98% (densidad 1,84 g/ml), el volumen es:
V=4.9 g ÷ 0,98 ÷ 1,84 g/ml ≈ 2,72 ml
VI. Consideraciones prácticas de ingeniería
1. Sistema amortiguador: las aguas residuales pueden contener sustancias amortiguadoras ácidas-base (como carbonatos y fosfatos). La dosis real debe determinarse mediante pruebas de titulación.
2. Operación segura: Se deben implementar las medidas de protección necesarias al agregar ácido o álcali para evitar una concentración excesiva localizada que provoque una contaminación secundaria.
3. Eficiencia económica: para tratamientos a gran-escala, es necesario comparar el costo de diferentes reactivos. La cal (Ca(OH)₂) es generalmente más económica que el NaOH.
4. Control automático: el ajuste del pH tiene características no-lineales; Se recomienda utilizar un sistema de control PID para lograr una dosificación precisa.
5. La gestión del pH es un aspecto fundamental del tratamiento de aguas residuales, que afecta directamente la eficacia del tratamiento y los costos operativos y, por lo tanto, merece suficiente atención.