Pojemność buforowa opisuje zdolność układu wodnego do wytrzymania wahań wartości pH spowodowanych dodaniem kwasów lub zasad. Jest to kluczowa właściwość w przemysłowym uzdatnianiu wody i oczyszczaniu ścieków, ponieważ wiele procesów chemicznych i biologicznych przebiega optymalnie w wąskich zakresach pH. Niewystarczająca zdolność buforowania może prowadzić do niestabilnych procesów, korozji materiałów i nieefektywnego wykorzystania chemikaliów.

Podstawy pojemności buforowej

Definicja

Pojemność buforowa to ilość mocnych kwasów lub mocnych zasad wymagana do zmiany wartości pH układu o jedną jednostkę. Jest ona często określana w mmol/L/pH lub mg/L CaCO₃.

Podstawa chemiczna

Zdolność buforowania opiera się na interakcji między słabymi kwasami i ich sprzężonymi zasadami (lub odwrotnie). Następujące równowagi chemiczne odgrywają kluczową rolę w procesach uzdatniania wody:

1. System wodorowęglanu kwasu węglowego:

   • Główny system buforowy w wodach naturalnych i uzdatnionych.
   • Optymalny zakres buforów: pH 6,3-10,3.

2. System fosforanowy:

   • Istotne w ściekach i procesach biologicznych.
   • Optymalny zakres buforów: pH 2,1-12,3.

3. Układ amoniak-amon:

   • Ważny bufor w ściekach biologicznych.
   • Optymalny zakres buforów: pH 8,3-9,3.

Znaczenie pojemności buforowej w technologii wody i ścieków

1. stabilizacja procesów

Wiele procesów chemicznych i biologicznych zależy od pH:

• Biologiczne oczyszczanie ścieków:

  • Mikroorganizmy w procesach osadu czynnego lub reaktorach beztlenowych wymagają stabilnych wartości pH (6,5-8,5) do wydajnej pracy.
  • Wahania pojemności buforowej mogą hamować aktywność mikroorganizmów.

• Wytrącanie chemiczne i flokulacja:

  • Procesy takie jak wytrącanie fosforanów za pomocą soli żelaza lub glinu są silnie zależne od pH.
  • Wystarczająca pojemność buforowa zapobiega odchyleniom pH podczas reakcji.

2. unikanie korozji i osadów

• Niska pojemność buforowa zwiększa podatność na wahania pH, co może sprzyjać korozji rurociągów, zbiorników i pomp.
• Zbyt wysokie wartości pH sprzyjają tworzeniu się osadów wapiennych (kamienia), szczególnie w systemach z twardą wodą.

3. optymalizacja wykorzystania chemikaliów

• W systemach recyrkulacji wody (np. obiegach wody chłodzącej) stabilna pojemność buforowa ma kluczowe znaczenie dla uniknięcia przedawkowania lub nieefektywności podczas dodawania biocydów, inhibitorów lub regulatorów pH.

4. zgodność z wymogami prawnymi

• Ścieki o niestabilnej pojemności buforowej mogą mieć wartości pH poza dopuszczalnymi limitami (np. pH 6-9), co może prowadzić do kar lub przerwania procesu.

Pomiar pojemności buforowej

Pojemność buforu jest mierzona przez miareczkowanie:

1. Bezpośrednie miareczkowanie kwasowo-zasadowe:
   • Dodać 0 ,1 N HCl (kwas) lub 0,1 N NaOH (zasada) do próbki.
   • Określenie ilości kwasu/zasady wymaganej do zmiany wartości pH o jedną jednostkę.
2. Test zasadowości:
   • Mierzy całkowite stężenie wodorowęglanu, węglanu i wodorotlenku.
   • Zazwyczaj wyrażane w mg/l CaCO₃.

Optymalizacja pojemności buforowej w praktyce

1. stosowanie chemikaliów

• Wodorowęglany lub węglany:
  • Dodać wodorowęglan sodu lub węglan wapnia, aby zwiększyć zdolność buforowania.
  • Zastosowanie: Stabilizacja reaktorów biologicznych.
• Fosforany:
  • Dodatek fosforanu sodu w celu poprawy buforowania w obszarach kwaśnych.
• Wodorotlenki:
  • Dodanie roztworu wodorotlenku sodu w celu buforowania w zakresie zasadowym.

2. monitorowanie i kontrola

• Automatyczna kontrola pH:
  • Zastosowanie czujników i systemów kontroli do monitorowania wartości pH w czasie rzeczywistym.
• Regularny pomiar zasadowości:
  • Określenie długoterminowej stabilności systemu.

3. projekt systemu

• Recyrkulacja wody procesowej:
  • Recykling uzdatnionej wody o wysokiej zasadowości w celu zwiększenia pojemności buforowej systemu.
• Zbiornik buforowy:
  • Zastosowanie zbiorników wyrównawczych w celu złagodzenia silnych wahań pH.