Kemijska potreba po kisiku se imenuje tudi kemijska potreba po kisiku (kemijska potreba po kisiku), znana tudi kot KPK. Gre za uporabo kemičnih oksidantov (kot je kalijev permanganat) za oksidacijo in razgradnjo oksidirajočih snovi v vodi (kot so organske snovi, nitriti, železove soli, sulfidi itd.), nato pa se na podlagi količine preostalega oksidanta izračuna poraba kisika. Tako kot biokemijska potreba po kisiku (BPK) je pomemben kazalnik onesnaženosti vode. Enota za KPK je ppm ali mg/L. Manjša kot je vrednost, manjše je onesnaženje vode.
Reducirajoče snovi v vodi vključujejo različne organske snovi, nitrite, sulfide, železove soli itd. Vendar je glavna organska snov. Zato se kemijska potreba po kisiku (KPK) pogosto uporablja kot indikator za merjenje količine organskih snovi v vodi. Večja kot je kemijska potreba po kisiku, resnejše je onesnaženje vode z organskimi snovmi. Določanje kemijske potrebe po kisiku (KPK) se razlikuje glede na določanje reducirajočih snovi v vzorcih vode in metodo določanja. Trenutno najpogosteje uporabljeni metodi sta metoda oksidacije s kislim kalijevim permanganatom in metoda oksidacije s kalijevim dikromatom. Metoda s kalijevim permanganatom (KMnO4) ima nizko stopnjo oksidacije, vendar je relativno preprosta. Uporablja se lahko za določanje relativne primerjalne vrednosti organske vsebnosti v vzorcih vode ter vzorcih čiste površinske in podtalnice. Metoda s kalijevim dikromatom (K2Cr2O7) ima visoko stopnjo oksidacije in dobro ponovljivost. Primerna je za določanje skupne količine organskih snovi v vzorcih vode pri spremljanju odpadne vode.
Organske snovi so zelo škodljive za industrijske vodne sisteme. Voda, ki vsebuje veliko organskih snovi, bo pri prehodu skozi sistem za razsoljevanje onesnažila ionske izmenjevalne smole, zlasti anionske izmenjevalne smole, kar bo zmanjšalo izmenjalno kapaciteto smole. Vsebnost organskih snovi se lahko po predobdelavi (koagulacija, bistrenje in filtracija) zmanjša za približno 50 %, vendar jih v sistemu za razsoljevanje ni mogoče odstraniti, zato se pogosto vnesejo v kotel skozi napajalno vodo, kar zniža pH vrednost kotlovne vode. Včasih se lahko organske snovi vnesejo tudi v parni sistem in kondenzacijsko vodo, kar zniža pH in povzroči korozijo sistema. Visoka vsebnost organskih snovi v sistemu krožne vode spodbuja razmnoževanje mikrobov. Zato je pri razsoljevanju, kotlovni vodi ali sistemu krožne vode nižja vrednost KPK, tem bolje, vendar ni enotnega mejnega indeksa. Ko je KPK (metoda KMnO4) > 5 mg/L v sistemu krožne hladilne vode, se je kakovost vode začela slabšati.
Kemijska potreba po kisiku (KPK) je merilni kazalnik stopnje bogatosti vode z organskimi snovmi in je tudi eden od pomembnih kazalnikov za merjenje stopnje onesnaženosti vode. Z razvojem industrializacije in naraščanjem prebivalstva postajajo vodna telesa vse bolj onesnažena, razvoj zaznavanja KPK pa se postopoma izboljšuje.
Izvor zaznavanja KPK segajo v petdeseta leta 19. stoletja, ko so težave z onesnaževanjem vode pritegnile pozornost ljudi. Sprva se je KPK uporabljal kot indikator kislih pijač za merjenje koncentracije organskih snovi v pijačah. Ker pa takrat še ni bila vzpostavljena popolna merilna metoda, je prišlo do velike napake v rezultatih določanja KPK.
V začetku 20. stoletja se je z napredkom sodobnih metod kemijske analize metoda za odkrivanje KPK postopoma izboljševala. Leta 1918 je nemški kemik Hasse definiral KPK kot skupno količino organske snovi, porabljene z oksidacijo v kisli raztopini. Nato je predlagal novo metodo za določanje KPK, ki temelji na uporabi visoko koncentrirane raztopine kromovega dioksida kot oksidanta. Ta metoda lahko učinkovito oksidira organsko snov v ogljikov dioksid in vodo ter izmeri porabo oksidantov v raztopini pred in po oksidaciji za določitev vrednosti KPK.
Vendar so se postopoma pokazale pomanjkljivosti te metode. Prvič, priprava in delovanje reagentov sta relativno zapletena, kar povečuje težavnost in dolgotrajnost poskusa. Drugič, raztopine kromovega dioksida z visoko koncentracijo so škodljive za okolje in niso primerne za praktično uporabo. Zato so nadaljnje študije postopoma iskale enostavnejšo in natančnejšo metodo za določanje KPK.
V petdesetih letih prejšnjega stoletja je nizozemski kemik Friis izumil novo metodo za določanje KPK, ki kot oksidant uporablja visoko koncentrirano peržveplovo kislino. Ta metoda je preprosta za uporabo in ima visoko natančnost, kar močno izboljša učinkovitost zaznavanja KPK. Vendar pa uporaba peržveplove kisline prinaša tudi določena varnostna tveganja, zato je še vedno treba biti pozoren na varnost delovanja.
Posledično je s hitrim razvojem instrumentalne tehnologije metoda določanja KPK postopoma dosegla avtomatizacijo in inteligenco. V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja se je pojavil prvi avtomatski analizator KPK, ki je lahko izvajal popolnoma avtomatsko obdelavo in zaznavanje vzorcev vode. Ta instrument ne le izboljša natančnost in stabilnost določanja KPK, temveč tudi močno izboljša delovno učinkovitost.
Z izboljšanjem okoljske ozaveščenosti in regulativnih zahtev se nenehno optimizira tudi metoda zaznavanja KPK. V zadnjih letih je razvoj fotoelektrične tehnologije, elektrokemijskih metod in biosenzorske tehnologije spodbudil inovacije tehnologije zaznavanja KPK. Fotoelektrična tehnologija lahko na primer določi vsebnost KPK v vzorcih vode s spremembo fotoelektričnih signalov, s krajšim časom zaznavanja in enostavnejšim delovanjem. Elektrokemična metoda uporablja elektrokemične senzorje za merjenje vrednosti KPK, kar ima prednosti visoke občutljivosti, hitrega odziva in odsotnost potrebe po reagentih. Biosenzorska tehnologija uporablja biološke materiale za specifično zaznavanje organskih snovi, kar izboljša natančnost in specifičnost določanja KPK.
Metode za odkrivanje KPK so se v zadnjih nekaj desetletjih razvile od tradicionalne kemijske analize do sodobne instrumentacije, fotoelektrične tehnologije, elektrokemijskih metod in biosenzorske tehnologije. Z napredkom znanosti in tehnologije ter naraščajočim povpraševanjem se tehnologija za odkrivanje KPK še naprej izboljšuje in uvaja inovacije. V prihodnosti je mogoče predvideti, da se bo tehnologija za odkrivanje KPK, ko bodo ljudje posvečali več pozornosti vprašanjem onesnaževanja okolja, še bolj razvijala in postala hitrejša, natančnejša in zanesljivejša metoda za odkrivanje kakovosti vode.
Trenutno laboratoriji za odkrivanje KPK uporabljajo predvsem naslednji dve metodi.
1. Metoda določanja KPK
Standardna metoda s kalijevim dikromatom, znana tudi kot metoda refluksa (nacionalni standard Ljudske republike Kitajske)
(I) Načelo
V vzorec vode dodamo določeno količino kalijevega dikromata in katalizatorja srebrovega sulfata, segrevamo in refluksiramo določen čas v močno kislem mediju, del kalijevega dikromata reduciramo z oksidativnimi snovmi v vzorcu vode, preostali kalijev dikromat pa titriramo z amonijevim železovim sulfatom. Vrednost KPK se izračuna na podlagi porabljene količine kalijevega dikromata.
Ker je bil ta standard oblikovan leta 1989, obstaja veliko pomanjkljivosti pri merjenju s trenutnim standardom:
1. Traja preveč časa in vsak vzorec je treba refluksirati 2 uri;
2. Oprema za refluks zavzema veliko prostora, zaradi česar je določanje serije težko;
3. Stroški analize so visoki, zlasti za srebrov sulfat;
4. Med postopkom določanja je poraba refluksne vode neverjetna;
5. Strupene živosrebrne soli so nagnjene k sekundarnemu onesnaženju;
6. Količina uporabljenih reagentov je velika, stroški potrošnega materiala pa visoki;
7. Postopek testiranja je zapleten in ni primeren za promocijo.
(II) Oprema
1. 250 ml steklena refluksna naprava
2. Grelna naprava (električna peč)
3. 25 ml ali 50 ml bireta za kislino, erlenmajerica, pipeta, merilna bučka itd.
(III) Reagenti
1. Standardna raztopina kalijevega dikromata (c1/6K2Cr2O7 = 0,2500 mol/L)
2. Raztopina indikatorja ferocianata
3. Standardna raztopina amonijevega železovega sulfata [c(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O≈0,1 mol/L] (pred uporabo kalibrirajte)
4. Raztopina žveplove kisline in srebrovega sulfata
Standardna metoda s kalijevim dikromatom
(IV) Koraki določanja
Kalibracija amonijevega železovega sulfata: V 500 ml erlenmajerico natančno odpipetirajte 10,00 ml standardne raztopine kalijevega dikromata, razredčite z vodo na približno 110 ml, počasi dodajte 30 ml koncentrirane žveplove kisline in dobro pretresite. Po ohladitvi dodajte 3 kapljice raztopine indikatorja ferocianata (približno 0,15 ml) in titrirajte z raztopino amonijevega železovega sulfata. Končna točka je, ko se barva raztopine spremeni iz rumene v modro-zeleno do rdečkasto rjave.
(V) Določitev
Vzemite 20 ml vzorca vode (po potrebi vzemite manj in dodajte vodo do 20 ali pred odvzemom razredčite), dodajte 10 ml kalijevega dikromata, priključite refluksno napravo in nato dodajte 30 ml žveplove kisline in srebrovega sulfata, segrevajte in refluksirajte 2 uri. Po ohladitvi steno kondenzacijske cevi sperite z 90,00 ml vode in odstranite erlenmajerico. Ko se raztopina ponovno ohladi, dodajte 3 kapljice indikatorske raztopine železove kisline in titrirajte s standardno raztopino amonijevega železovega sulfata. Barva raztopine se spremeni iz rumene v modro-zeleno do rdečkasto rjave, kar je končna točka. Zapišite količino standardne raztopine amonijevega železovega sulfata. Med merjenjem vzorca vode vzemite 20,00 ml redestilirane vode in izvedite slepi poskus po enakih korakih. Zapišite količino standardne raztopine amonijevega železovega sulfata, uporabljene pri slepi titraciji.
Standardna metoda s kalijevim dikromatom
(VI) Izračun
CODCr(O2, mg/L)=[8×1000(V0-V1)·C]/V
(VII) Previdnostni ukrepi
1. Največja količina kloridnih ionov, kompleksiranih z 0,4 g živosrebrovega sulfata, lahko doseže 40 mg. Če vzamemo 20,00 ml vzorca vode, lahko dosežemo največjo koncentracijo kloridnih ionov 2000 mg/L. Če je koncentracija kloridnih ionov nizka, lahko dodamo majhno količino živosrebrovega sulfata, da ohranimo razmerje živosrebrovega sulfata in kloridnih ionov = 10:1 (m/m). Če se izloči majhna količina živosrebrovega klorida, to ne vpliva na določitev.
2. Območje KPK, določeno s to metodo, je 50–500 mg/L. Za vzorce vode s kemijsko potrebo po kisiku manjšo od 50 mg/L je treba namesto tega uporabiti 0,0250 mol/L standardno raztopino kalijevega dikromata. Za povratno titracijo je treba uporabiti 0,01 mol/L standardno raztopino amonijevega železovega sulfata. Vzorce vode s KPK, večjim od 500 mg/L, je treba pred določanjem razredčiti.
3. Po segrevanju in refluksiranju vzorca vode mora preostala količina kalijevega dikromata v raztopini znašati 1/5–4/5 dodane količine.
4. Pri uporabi standardne raztopine kalijevega hidrogenftalata za preverjanje kakovosti in tehnologije delovanja reagenta, ker je teoretični KPKCr na gram kalijevega hidrogenftalata 1,176 g, se 0,4251 g kalijevega hidrogenftalata (HOOCC6H4COOK) raztopi v redestilirani vodi, prenese v 1000 ml merilno bučko in razredči do oznake z redestilirano vodo, da dobimo standardno raztopino KPKCr 500 mg/L. Pred uporabo jo pripravimo svežo.
5. Rezultat določanja CODCr mora ohraniti štiri pomembne števke.
6. Med vsakim poskusom je treba kalibrirati standardno titracijsko raztopino amonijevega železovega sulfata in posebno pozornost nameniti spremembi koncentracije, ko je sobna temperatura visoka. (Po titraciji lahko slepemu vzorcu dodate tudi 10,0 ml standardne raztopine kalijevega dikromata in titrirate z amonijevim železovim sulfatom do končne točke.)
7. Vzorec vode je treba hraniti svež in ga izmeriti čim prej.
Prednosti:
Visoka natančnost: Refluksna titracija je klasična metoda za določanje KPK. Po dolgem obdobju razvoja in preverjanja je bila njena natančnost splošno priznana. Natančneje lahko odraža dejansko vsebnost organskih snovi v vodi.
Široka uporaba: Ta metoda je primerna za različne vrste vzorcev vode, vključno z visokokoncentrirano in nizkokoncentrirano organsko odpadno vodo.
Specifikacije delovanja: Obstajajo podrobni standardi delovanja in postopki, ki jih operaterji lahko obvladajo in izvajajo.
Slabosti:
Dolgotrajno: Refluksna titracija običajno traja več ur za dokončanje določitve vzorca, kar očitno ni ugodno v situacijah, ko je treba rezultate pridobiti hitro.
Visoka poraba reagentov: Ta metoda zahteva uporabo več kemičnih reagentov, kar ni le drago, ampak tudi do neke mere onesnažuje okolje.
Kompleksno delovanje: Operater mora imeti določeno kemijsko znanje in eksperimentalne spretnosti, sicer lahko to vpliva na natančnost rezultatov določanja.
2. Spektrofotometrija hitre prebave
(I) Načelo
Vzorcu se doda znana količina raztopine kalijevega dikromata v močnem žveplovokislinskem mediju s srebrovim sulfatom kot katalizatorjem, po visokotemperaturni razgradnji pa se vrednost KPK določi s fotometrično opremo. Ker ima ta metoda kratek čas določanja, majhno sekundarno onesnaženje, majhno količino reagenta in nizke stroške, jo trenutno uporablja večina laboratorijev. Vendar pa ima ta metoda visoke stroške instrumentov in nizke stroške uporabe, zaradi česar je primerna za dolgotrajno uporabo enot KPK.
(II) Oprema
Tuja oprema je bila razvita že prej, vendar je cena zelo visoka, čas določanja pa dolg. Cena reagenta je za uporabnike na splošno nedostopna, natančnost pa ni zelo visoka, ker se standardi spremljanja tujih instrumentov razlikujejo od standardov v moji državi, predvsem zato, ker se raven čiščenja vode in sistem upravljanja v tujih državah razlikujeta od tistih v moji državi; metoda hitre razgradnje s spektrofotometrijo temelji predvsem na običajnih metodah domačih instrumentov. Katalitična metoda hitrega določanja KPK je standard za formulacijo te metode. Izumljena je bila že v zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja. Po več kot 30 letih uporabe je postala standard v industriji varstva okolja. Domači instrument 5B se pogosto uporablja v znanstvenih raziskavah in uradnem spremljanju. Domači instrumenti se pogosto uporabljajo zaradi svojih cenovnih prednosti in pravočasne poprodajne storitve.
(III) Koraki določanja
Vzemite 2,5 ml vzorca – dodajte reagent – pustite stati 10 minut – ohladite 2 minuti – vlijte v kolorimetrično posodo – na zaslonu opreme se neposredno prikaže koncentracija KPK v vzorcu.
(IV) Previdnostni ukrepi
1. V vzorcih vode z visoko vsebnostjo klora je treba uporabiti reagent z visoko vsebnostjo klora.
2. Odpadna tekočina ima prostornino približno 10 ml, vendar je zelo kisla in jo je treba zbrati in predelati.
3. Prepričajte se, da je svetlobno prepustna površina kivete čista.
Prednosti:
Hitra hitrost: Hitra metoda običajno traja le nekaj minut do več kot deset minut za dokončanje določitve vzorca, kar je zelo primerno v primerih, ko je treba rezultate pridobiti hitro.
Manjša poraba reagentov: V primerjavi z metodo refluksne titracije hitra metoda uporablja manj kemičnih reagentov, ima nižje stroške in manjši vpliv na okolje.
Enostavno upravljanje: Koraki delovanja hitre metode so relativno preprosti in upravljavec ne potrebuje previsokega kemijskega znanja in eksperimentalnih veščin.
Slabosti:
Nekoliko nižja natančnost: Ker hitra metoda običajno uporablja nekatere poenostavljene kemijske reakcije in merilne metode, je njena natančnost lahko nekoliko nižja od metode refluksne titracije.
Omejeno področje uporabe: Hitra metoda je primerna predvsem za določanje organskih odpadnih voda z nizko koncentracijo. Pri odpadnih vodah z visoko koncentracijo so lahko rezultati določanja močno prizadeti.
Vpliv motečih dejavnikov: Hitra metoda lahko v nekaterih posebnih primerih, na primer kadar so v vzorcu vode prisotne določene moteče snovi, povzroči velike napake.
Skratka, metoda refluksne titracije in hitra metoda imata vsaka svoje prednosti in slabosti. Izbira metode je odvisna od specifičnega scenarija uporabe in potreb. Kadar sta potrebni visoka natančnost in široka uporabnost, se lahko izbere refluksna titracija; kadar so potrebni hitri rezultati ali se obdeluje veliko število vzorcev vode, je hitra metoda dobra izbira.
Lianhua, kot proizvajalec instrumentov za testiranje kakovosti vode že 42 let, je razvil 20-minutniSpektrofotometrija s hitro razgradnjo KPKmetoda. Po velikem številu eksperimentalnih primerjav je dosegla napako manjšo od 5 %, prednosti pa so preprosto delovanje, hitri rezultati, nizki stroški in kratek čas.
Čas objave: 7. junij 2024
