Hemijska potreba kiseonika

U hemiji životne sredine, hemijska potreba kiseonika (HPK) je indikativna mera količine kiseonika koja se potroši pri reakcijama u datom rastvoru. Obično se izražava kao masa potrošenog kiseonika u zapremini rastvora koja u jedinicama SI iznosi miligram po litru (mg/l). HPK test se može koristiti za lako utvrđivanje količine organskih sastojaka u vodi. Najčešća primena HPK je u određivanju količine oksidirajućih zagađivača koji se nalaze u površinskim vodama (npr. jezerima i rekama) ili u otpadnim vodama. HPK je koristan u smislu kvaliteta vode jer obezbeđuje meru za određivanje efekta koji će efluent imati na telo vodoprijemnika, slično kao i biohemijska potreba za kiseonikom (BOD).

Pregled

Osnova za HPK test je da gotovo sva organska jedinjenja mogu u celini da se oksidišu u ugljen-dioksid jakim oksidantom u kiselim uslovima. Količina kiseonika koja je potrebna za oksidaciju organskog jedinjenja do ugljen-dioksida, amonijaka i vode data je na sledeći način:

${\mbox{C}}_{n}{\mbox{H}}_{a}{\mbox{O}}_{b}{\mbox{N}}_{c}+\left(n+{\frac {a}{4}}-{\frac {b}{2}}-{\frac {3}{4}}c\right){\mbox{O}}_{2}\rightarrow n{\mbox{CO}}_{2}+\left({\frac {a}{2}}-{\frac {3}{2}}c\right){\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}+c{\mbox{NH}}_{3}$

Ovaj izraz ne uključuje potrebu za kiseonikom izazvanom nitrifikacijom, oksidacijom amonijaka u nitrat:

${\mbox{N}}{\mbox{H}}_{3}+2{\mbox{O}}_{2}\rightarrow {\mbox{N}}{\mbox{O}}_{3}^{-}+{\mbox{H}}_{3}{\mbox{O}}^{+}$

Dihromat, oksidant za određivanje HPK, ne oksidiše amonijak u nitrat, tako da nitrifikacija nije uključena u standardni HPK test .

Međunarodna organizacija za standardizaciju opisuje standardnu metodu za merenje potreba hemijskog kiseonika u ISO 6060 [1] .

Korišćenje kalijum-dihromata

Kalijum dihromat je jak oksidant u kiselim uslovima. Kiselost se obično postiže dodatkom sumporne kiseline. Reakcija kalijum dihromata sa organskim jedinjenjima je data pomoću sledeće jednačine:

Kalijum dihromat

${\ce {C}}_{n}{\ce {H}}_{a}{\ce {O}}_{b}{\ce {N}}_{c}\ +\ d{\ce {Cr2O7^2-}}\ +\ (8d\ +\ c){\ce {H+ ->}}n{\ce {CO2}}\ +\ {\frac {a+8d-3c}{2}}{\ce {H2O}}\ +\ c{\ce {NH4+}}\ +2d{\ce {Cr^3+}}$

gde je $d=2n/3+a/6-b/3-c/2$. Najčešće se koristi 0,25N rastvor kalijum dihromata za određivanje HPK, mada je za uzorke sa HPK ispod 50 mg/L poželjna niža koncentracija kalijum dihromata.

U procesu oksidacije organskih materija koje se nalaze u uzorku vode, kalijum dihromat se smanjuje (pošto se u svim redoks reakcijama jedan reagens oksidiše, a drugi redukuje), formirajući Cr ³⁺. Količina Cr ³⁺ se određuje nakon završene oksidacije i koristi se kao indirektna mera organskog sadržaja u uzorku vode.

Merenje viška

Da bi se sve organske materije u potpunosti oksidovale, mora biti prisutan višak kalijum dihromata (ili bilo kog oksidirajućeg agensa). Kada je oksidacija završena, mora se izmeriti količina viška kalijum dihromata da bi se obezbedila tačnost određivanja količine Cr³⁺. Da bi se to postiglo, višak kalijum dihromata se titrira sa fero amonijum sulfatom (FAS) sve dok se sav višak oksidacionog sredstva ne redukuje do Cr³⁺. Obično se indikator oksido-redukcije feroin dodaje tokom ovog koraka titracije. Kada se sav višak dihromata redukuje, indikator feroin menja boju iz plavo-zelene u crvenkastosmeđu. Količina dodatog fero amonijum sulfata je ekvivalentna količini viška kalijum dihromata koji je dodat originalnom uzorku. Napomena: Indikator feroin je jarko crvene boje iz komercijalno pripremljenih izvora, ali kada se doda tretiranom uzorku koji sadrži kalijum dihromat pokazuje zelenu nijansu. Tokom titracije, boja indikatora se menja iz zelene u jarko plavu nijansu do crvenkastosmeđe kada dostigne krajnju tačku. Feroin indikator se menja iz crvene u bledo plavu kada se oksiduje.

Priprema feroin indikatora

Rastvor 1.485 g 1,10- fenantrolin monohidrata se dodaje u rastvor 695 mg FeSO₄·7H₂O u destilovanoj vodi, i dobijeni crveni rastvor se razblaži do 100 ml.

Obračun

Za izračunavanje HPK koristi se sledeća formula:

$\mathrm {COD} ={\frac {8000(b-s)n}{\text{запремина узорка}}}$

gde je b zapremina FAS-a korišćenog u praznom uzorku, s je zapremina FAS-a u originalnom uzorku, a n je normalnost rastvora FAS-a. Ako se za merenje zapremine konstantno koriste mililitri, rezultat obračuna HPK daje se u mg/L.

HPK se može proceniti na osnovu koncentracije jedinjenja koje se oksidiše u uzorku, na osnovu njegove stehiometrijske reakcije sa kiseonikom kojom se stvara CO₂ (pretpostavljajući da svi S prelaze u SO_2), N₂O (pretpostavljajući da svi N prelaze u N₂O) i NH₃ (pretpostavljajući da svi N prelaze u NH₃)_, korišćenjem sledeće formule:

COD = (C/FW)·(RMO)·32

Gde je:

C = koncentracija oksidirajućeg jedinjenja u uzorku,

FW = težina formule oksidirajućeg jedinjenja u uzorku,

RMO = Odnos broja molova kiseonika i broja molova oksidirajućeg jedinjenja u njihovoj reakciji do CO₂, vode i amonijaka

Na primer, ako uzorak sadrži 500 tppm (težinskih milionitih delova) fenola:

C₆H₅OH + 7O₂ → 6CO₂ + 3H₂O

HPK= (500/94)·7·32 = 1191 težinskih ppm

Uticaj neorganskih materija

Neki uzorci vode sadrže visoke nivoe neorganskih materija koji mogu ometati određivanje HPK. Zbog visoke koncentracije u većini otpadnih voda, hlorid je često najozbiljniji izvor smetnji. Njegova reakcija sa kalijum dihromatom odvija se prema jednačini:

$\mathrm {6Cl^{-}+Cr_{2}O_{7}^{2-}+14H^{+}\rightarrow 3Cl_{2}+2Cr^{3+}+7H_{2}O}$

Pre dodavanja drugih reagenasa, uzorku se može dodati živin sulfat u cilju uklanjanja uticaja hlorida.

Sledeća tabela prikazuje niz drugih neorganskih materija koje mogu izazvati smetnje. Tabela takođe navodi hemikalije koje se mogu koristiti za uklanjanje takvih smetnji i jedinjenja koja nastaju kada se eliminiše neorganski molekul.

Neorganski molekul	Eliminisano pomoću	Oblici eliminacije
Hlorid	Živa (II) sulfat	Živa (II) hlorid kompleks
Nitrit	Sulfaminska kiselina	Gas N2
Gvožđe (II)	-	-
Sulfidi	-	-

Zakonske odredbe

Mnoge vlade nameću stroge propise u vezi sa maksimalnom hemijskom potrebom kiseonika u otpadnim vodama pre nego što se one mogu vratiti u životnu sredinu. Na primer, u Švajcarskoj, maksimalna potreba kiseonika između 200 i 1000 mg/L mora se dostići pre nego što se otpadna voda ili industrijska voda mogu vratiti u životnu sredinu [2] .

Istorija

Dugi niz godina, jako oksidaciono sredstvo - kalijum permanganat (KMnO₄) je korišćen za merenje hemijske potrošnje kiseonika. Merenja su se zvala kiseonikom koji se troši iz permanganata, a ne potrebom kiseonika organskih supstanci. Efektivnost kalijum permanganata u oksidaciji organskih jedinjenja varirala je u širokoj meri, a u mnogim slučajevima su vrednosti biohemijske potrebe kiseonika (BPK) često bile mnogo veće od rezultata merenja HPK. Ovo ukazuje da kalijum permanganat nije u stanju da efikasno oksidiše sva organska jedinjenja u vodi, što ga čini relativno lošim oksidantom za utvrđivanje HPK.

Kalijum permanganat

Od tada, druga oksidaciona sredstva kao što je cerijum sulfat, kalijum jodat i kalijum dihromat koriste se za određivanje HPK. Od toga, kalijum dihromat ( K₂Cr₂O₇ ) se pokazao kao najefikasniji: relativno je jeftin, lako se prečišćava, i sposoban je da gotovo potpuno oksidiše skoro sva organska jedinjenja.

U ovim postupcima, uzorku rastvora koji se analizira dodaje se fiksna zapremina sa poznatim viškom količine oksidansa. Nakon postupka refluksne digestije, početna koncentracija organskih supstanci u uzorku izračunava se titrimetrijskim ili spektrofotometrijskim određivanjem oksidanta koji je preostao u uzorku. Kao i kod svih kolorimetrijskih metoda, prazni uzorci se koriste za kontrolu kontaminacije spoljašnjim materijalom.

Vidi još

• Biohemijska potreba kiseonika
• Ugljenična biohemijska potreba kiseonika
• Teoretska potreba kiseonika
• Pokazatelji kvaliteta otpadnih voda razmatraju i BPK i HPK kao mere kvaliteta vode.

Literatura

• Clair N. Sawyer; Perry L. McCarty; Gene F. Parkin (2003). Chemistry for Environmental Engineering and Science (5th izd.). New York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-248066-5. 
• Lenore S. Clescerl; Arnold E. Greenberg; Andrew D. Eaton. Standard Methods for Examination of Water & Wastewater (20th izd.). Washington, DC: American Public Health Association. ISBN 978-0-87553-235-6. 
• „General Chemistry Online”. 

Spoljašnje veze

• ISO 6060: Kvalitet vode - Određivanje potrebe hemijskog kiseonika