Химическое потребление кислорода, также называемое ХПК, определяется с помощью химических окислителей (таких как перманганат калия) для окисления и разложения окисляемых веществ в воде (таких как органические вещества, нитриты, соли железа, сульфиды и т. д.), а затем рассчитывается потребление кислорода на основе количества остаточного окислителя. Как и биохимическое потребление кислорода (БПК), это важный показатель загрязнения воды. Единица измерения ХПК — ppm или мг/л. Чем меньше значение, тем слабее загрязнение воды.
Восстанавливающие вещества в воде включают различные органические вещества, нитриты, сульфиды, соли железа и т. д. Но основным из них являются органические вещества. Поэтому химическое потребление кислорода (ХПК) часто используется в качестве индикатора для измерения количества органических веществ в воде. Чем выше химическое потребление кислорода, тем серьезнее загрязнение воды органическими веществами. Определение химического потребления кислорода (ХПК) зависит от определения восстанавливающих веществ в пробах воды и метода определения. В настоящее время наиболее распространенными методами являются метод окисления перманганатом калия и метод окисления дихроматом калия. Метод с использованием перманганата калия (KMnO4) имеет низкую скорость окисления, но относительно прост. Он может использоваться для определения относительного сравнительного значения содержания органических веществ в пробах воды и чистых пробах поверхностных и подземных вод. Метод с использованием дихромата калия (K2Cr2O7) имеет высокую скорость окисления и хорошую воспроизводимость. Он подходит для определения общего количества органических веществ в пробах воды при мониторинге сточных вод.
Органические вещества очень вредны для промышленных систем водоснабжения. Вода с большим содержанием органических веществ загрязняет ионообменные смолы при прохождении через систему опреснения, особенно анионообменные смолы, что снижает их обменную способность. Содержание органических веществ можно уменьшить примерно на 50% после предварительной обработки (коагуляции, осветления и фильтрации), но в системе опреснения их удалить невозможно, поэтому они часто попадают в котел через питательную воду, что снижает значение pH котловой воды. Иногда органические вещества также могут попадать в паровую систему и конденсат, что снижает pH и вызывает коррозию системы. Высокое содержание органических веществ в циркуляционной воде способствует размножению микроорганизмов. Поэтому, как для опреснения, так и для котловой воды или циркуляционной воды, чем ниже ХПК, тем лучше, но единого предельного показателя не существует. Когда ХПК (метод KMnO4) > 5 мг/л в циркуляционной системе охлаждения воды, качество воды начинает ухудшаться.
Химическое потребление кислорода (ХПК) — это показатель степени обогащения воды органическими веществами, а также один из важных индикаторов степени загрязнения воды. С развитием индустриализации и ростом населения водоемы все больше загрязняются, и методы определения ХПК постепенно совершенствуются.
Истоки определения ХПК восходят к 1850-м годам, когда проблемы загрязнения воды привлекли внимание общественности. Первоначально ХПК использовался в качестве индикатора кислотности напитков для измерения концентрации органических веществ в напитках. Однако, поскольку в то время не был разработан полный метод измерения, результаты определения ХПК часто оказывались неточными.
В начале XX века, с развитием современных методов химического анализа, метод определения ХПК постепенно совершенствовался. В 1918 году немецкий химик Хассе определил ХПК как общее количество органического вещества, потребленного в результате окисления в кислом растворе. Впоследствии он предложил новый метод определения ХПК, который заключается в использовании высококонцентрированного раствора диоксида хрома в качестве окислителя. Этот метод позволяет эффективно окислять органическое вещество до диоксида углерода и воды, а также измерять потребление окислителей в растворе до и после окисления для определения значения ХПК.
Однако постепенно выявились недостатки этого метода. Во-первых, приготовление и использование реагентов относительно сложны, что увеличивает трудоемкость и длительность эксперимента. Во-вторых, растворы диоксида хрома высокой концентрации вредны для окружающей среды и не подходят для практического применения. Поэтому в последующих исследованиях постепенно искался более простой и точный метод определения ХПК.
В 1950-х годах голландский химик Фриис изобрел новый метод определения ХПК, в котором в качестве окислителя используется высококонцентрированная персульфатная кислота. Этот метод прост в применении и обладает высокой точностью, что значительно повышает эффективность определения ХПК. Однако использование персульфатной кислоты также сопряжено с определенными опасностями для безопасности, поэтому необходимо уделять внимание безопасности эксплуатации.
Впоследствии, благодаря быстрому развитию приборостроения, метод определения ХПК постепенно достиг автоматизации и интеллектуализации. В 1970-х годах появился первый автоматический анализатор ХПК, способный осуществлять полностью автоматическую обработку и анализ проб воды. Этот прибор не только повышает точность и стабильность определения ХПК, но и значительно повышает эффективность работы.
В связи с повышением осведомленности об экологических проблемах и ужесточением нормативных требований, методы определения ХПК также постоянно оптимизируются. В последние годы развитие фотоэлектрических технологий, электрохимических методов и биосенсорных технологий способствовало инновациям в технологиях определения ХПК. Например, фотоэлектрические технологии позволяют определять содержание ХПК в пробах воды по изменению фотоэлектрических сигналов, что обеспечивает более короткое время обнаружения и более простое управление. Электрохимический метод использует электрохимические датчики для измерения значений ХПК, что обладает преимуществами высокой чувствительности, быстрого отклика и отсутствия необходимости в реагентах. Биосенсорные технологии используют биологические материалы для специфического обнаружения органических веществ, что повышает точность и специфичность определения ХПК.
За последние несколько десятилетий методы определения ХПК прошли путь развития от традиционного химического анализа до современных приборов, фотоэлектрических технологий, электрохимических методов и биосенсорных технологий. С развитием науки и техники и ростом спроса технологии определения ХПК продолжают совершенствоваться и внедрять инновации. В будущем можно прогнозировать, что по мере того, как люди будут уделять больше внимания проблемам загрязнения окружающей среды, технологии определения ХПК будут развиваться дальше и станут более быстрым, точным и надежным методом определения качества воды.
В настоящее время лаборатории в основном используют следующие два метода для определения ХПК.
1. Метод определения ХПК
Стандартный метод с использованием дихромата калия, также известный как метод рефлюкса (Национальный стандарт Китайской Народной Республики).
(I) Принцип
К образцу воды добавляют определенное количество дихромата калия и катализатора — сульфата серебра, нагревают и кипятят с обратным холодильником в течение определенного времени в сильнокислой среде; часть дихромата калия восстанавливается окисляемыми веществами в образце воды, а оставшийся дихромат калия титруют сульфатом железа(II) аммония. Значение ХПК рассчитывают на основе количества израсходованного дихромата калия.
Поскольку этот стандарт был разработан в 1989 году, измерение с использованием действующего стандарта сопряжено со многими недостатками:
1. Это занимает слишком много времени, и каждый образец необходимо подвергать рефлюксной обработке в течение 2 часов;
2. Оборудование для рефлюксной обработки занимает много места, что затрудняет определение состава партии;
3. Стоимость анализа высока, особенно для сульфата серебра;
4. В процессе определения объем отходов рефлюксной воды поражает воображение;
5. Токсичные соли ртути склонны к вторичному загрязнению;
6. Количество используемых реагентов велико, а стоимость расходных материалов высока;
7. Процесс тестирования сложен и не подходит для продвижения по службе.
(II) Оборудование
1. Стеклянный рефлюксный аппарат объемом 250 мл
2. Нагревательное устройство (электрическая печь)
3. Кислотная бюретка объемом 25 мл или 50 мл, коническая колба, пипетка, мерная колба и т. д.
(III) Реагенты
1. Стандартный раствор дихромата калия (c1/6K2Cr2O7 = 0,2500 моль/л)
2. Раствор индикатора ферроцианата
3. Стандартный раствор сульфата железа(II) аммония [c(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O≈0,1 моль/л] (калибровать перед использованием)
4. Раствор серной кислоты и сульфата серебра
Стандартный метод с использованием дихромата калия
(IV) Этапы определения
Калибровка с использованием сульфата железа(II) аммония: Точно отмерьте пипеткой 10,00 мл стандартного раствора дихромата калия в коническую колбу объемом 500 мл, разбавьте водой примерно до 110 мл, медленно добавьте 30 мл концентрированной серной кислоты и тщательно встряхните. После охлаждения добавьте 3 капли раствора индикатора ферроцианата (примерно 0,15 мл) и титруйте раствором сульфата железа(II) аммония. Конечная точка титрования — изменение цвета раствора с желтого на сине-зеленый и затем на красновато-коричневый.
(V) Определение
Возьмите 20 мл образца воды (при необходимости возьмите меньше и долейте воды до 20 мл или разбавьте перед взятием), добавьте 10 мл дихромата калия, подключите устройство для обратного кипячения, затем добавьте 30 мл серной кислоты и сульфата серебра, нагревайте и кипятите с обратным холодильником в течение 2 часов. После охлаждения промойте стенку трубки конденсатора 90 мл воды и извлеките коническую колбу. После повторного охлаждения раствора добавьте 3 капли раствора индикатора железа(II) и титруйте стандартным раствором сульфата аммония(II). Изменение цвета раствора от желтого к сине-зеленому и затем к красновато-коричневому является конечной точкой. Запишите количество стандартного раствора сульфата аммония(II). При измерении образца воды возьмите 20 мл перегнанной воды и проведите контрольный эксперимент, используя те же этапы. Запишите количество стандартного раствора сульфата аммония(II), использованного в контрольном титровании.
Стандартный метод с использованием дихромата калия
(VI) Расчет
CODCr(O2, мг/л)=[8×1000(V0-V1)·C]/В
(VII) Меры предосторожности
1. Максимальное количество хлорид-ионов, связанных с 0,4 г сульфата ртути, может достигать 40 мг. Если взять 20 мл образца воды, максимальная концентрация хлорид-ионов, которые могут быть связаны с сульфатом ртути, составит 2000 мг/л. Если концентрация хлорид-ионов низкая, можно добавить небольшое количество сульфата ртути, чтобы соотношение сульфат ртути:хлорид-ионы оставалось равным 10:1 (по массе). Если выпадает небольшое количество осадка хлорида ртути, это не влияет на определение.
2. Диапазон определяемого этим методом ХПК составляет 50–500 мг/л. Для проб воды с химическим потреблением кислорода менее 50 мг/л следует использовать стандартный раствор дихромата калия концентрацией 0,0250 моль/л. Для обратного титрования следует использовать стандартный раствор сульфата железа(II) аммония концентрацией 0,01 моль/л. Для проб воды с ХПК более 500 мг/л следует разбавить их перед определением.
3. После нагревания и кипячения образца воды оставшееся количество дихромата калия в растворе должно составлять от 1/5 до 4/5 от добавленного количества.
4. При использовании стандартного раствора гидрофталата калия для проверки качества и технологии работы реагента, поскольку теоретическое значение ХПК на каждый грамм гидрофталата калия составляет 1,176 г, 0,4251 г гидрофталата калия (HOOCC6H4COOK) растворяют в перегнанной воде, переносят в мерную колбу объемом 1000 мл и разбавляют перегнанной водой до метки, получая стандартный раствор ХПК с концентрацией 500 мг/л. Готовить непосредственно перед использованием.
5. Результат определения CODCr должен сохранять четыре значащие цифры.
6. В ходе каждого эксперимента необходимо калибровать стандартный титрационный раствор сульфата железа(II) аммония, уделяя особое внимание изменению концентрации при высокой комнатной температуре. (После титрования можно также добавить 10,0 мл стандартного раствора дихромата калия к контрольному раствору и титровать сульфатом железа(II) аммония до конечной точки.)
7. Пробу воды следует хранить в свежем виде и измерять как можно скорее.
Преимущества:
Высокая точность: Рефлюксное титрование — это классический метод определения ХПК. После длительного периода разработок и проверки его точность получила широкое признание. Он позволяет более точно отражать фактическое содержание органических веществ в воде.
Широкое применение: Этот метод подходит для различных типов проб воды, включая органические сточные воды с высокой и низкой концентрацией.
Технические характеристики: Существуют подробные стандарты и процессы эксплуатации, которые удобны для освоения и внедрения операторами.
Недостатки:
Трудоемкий процесс: титрование с обратным холодильником обычно занимает несколько часов для определения состава образца, что, очевидно, не подходит для ситуаций, когда результаты необходимо получить быстро.
Высокий расход реагентов: Этот метод требует использования большего количества химических реагентов, что не только дорого, но и в определенной степени загрязняет окружающую среду.
Сложная операция: оператор должен обладать определенными химическими знаниями и экспериментальными навыками, иначе это может повлиять на точность результатов определения.
2. Спектрофотометрия быстрого разложения
(I) Принцип
В образец добавляют известное количество раствора дихромата калия в концентрированной серной кислоте с сульфатом серебра в качестве катализатора, и после высокотемпературного разложения значение ХПК определяют с помощью фотометрического оборудования. Поскольку этот метод отличается коротким временем определения, низким уровнем вторичного загрязнения, малым объемом реагентов и низкой стоимостью, большинство лабораторий в настоящее время используют именно его. Однако этот метод имеет высокую стоимость оборудования и низкую себестоимость использования, что делает его подходящим для длительного применения в качестве метода определения ХПК.
(II) Оборудование
Зарубежное оборудование было разработано раньше, но его цена очень высока, а время определения велико. Стоимость реагентов, как правило, недоступна для пользователей, а точность невысока, поскольку стандарты мониторинга зарубежных приборов отличаются от стандартов нашей страны, главным образом из-за различий в уровнях очистки и системах водоподготовки за рубежом. Метод быстрой спектрофотометрии с растворением в основном основан на общепринятых методах отечественных приборов. Каталитический метод быстрого определения ХПК является эталонным методом для данного метода. Он был изобретен еще в начале 1980-х годов. После более чем 30 лет применения он стал стандартом в природоохранной отрасли. Отечественный прибор 5B широко используется в научных исследованиях и официальном мониторинге. Отечественные приборы получили широкое распространение благодаря своим ценовым преимуществам и своевременному послепродажному обслуживанию.
(III) Этапы определения
Возьмите 2,5 мл образца, добавьте реагент, проведите обработку в течение 10 минут, охладите в течение 2 минут, перелейте в колориметрическую чашку, на дисплее прибора непосредственно отобразится концентрация ХПК образца.
(IV) Меры предосторожности
1. Для анализа проб воды с высоким содержанием хлора следует использовать реагент с высоким содержанием хлора.
2. Объем отработанной жидкости составляет около 10 мл, но она обладает высокой кислотностью, поэтому ее следует собрать и переработать.
3. Убедитесь, что светопропускающая поверхность кюветы чистая.
Преимущества:
Высокая скорость: Экспресс-метод обычно занимает от нескольких минут до более чем десяти минут для определения образца, что очень удобно в ситуациях, когда результаты необходимо получить быстро.
Меньший расход реагентов: по сравнению с методом титрования с обратным холодильником, экспресс-метод использует меньше химических реагентов, имеет более низкую стоимость и оказывает меньшее воздействие на окружающую среду.
Простота в использовании: Этапы работы экспресс-метода относительно просты, и оператору не требуются глубокие знания в области химии и экспериментальные навыки.
Недостатки:
Несколько более низкая точность: Поскольку экспресс-метод обычно использует упрощенные химические реакции и методы измерения, его точность может быть несколько ниже, чем у метода титрования с обратным холодильником.
Ограниченная область применения: Экспресс-метод в основном подходит для определения органических веществ в сточных водах с низкой концентрацией. Для сточных вод с высокой концентрацией результаты определения могут быть значительно искажены.
Влияние мешающих факторов: Экспресс-метод может давать значительные ошибки в некоторых особых случаях, например, при наличии определенных мешающих веществ в образце воды.
В заключение, метод титрования с обратным холодильником и экспресс-метод имеют свои преимущества и недостатки. Выбор метода зависит от конкретного сценария применения и потребностей. Когда требуется высокая точность и широкая область применения, можно выбрать титрование с обратным холодильником; когда необходимы быстрые результаты или обрабатывается большое количество образцов воды, экспресс-метод является хорошим выбором.
Компания Lianhua, производитель приборов для анализа качества воды с 42-летним опытом, разработала 20-минутный прибор.Спектрофотометрия быстрого переваривания ХПКметод. После проведения большого количества экспериментальных сравнений удалось достичь погрешности менее 5%, и он обладает преимуществами простоты эксплуатации, быстрых результатов, низкой стоимости и короткого времени выполнения.
Дата публикации: 07.06.2024
