「中和剤(酸化・アルカリ剤)とその選択方法」


水質の状態を表す基本的指標のひとつにpHがあります。
そのため実験で、はたまた処理場でpHを自分の目的に合わせて
調整することがよくあります。
そんなわけで先日私は ある疑問がわきました。
「調整するのには何を使えばいいんだ?」
「どのような考えで薬品を選べばいいんだ?」
「硫 酸?硝酸?それとも石灰?苛性ソーダ?」
実にわからねえ・・・

というわけで今回はpHを調 整するための薬品の選択法を
いろいろ調べてみました。

ではまず、水を酸性にしたいとき。
も しくはアルカリの水を酸性化・中和したいときの話です。

「酸性化の時」
@硫酸
   硫酸はもっとも使用されている中和剤です。
  特徴は・・・・
  ・価格が安い
  ・液 体である
  ・反応速度が速い
  ・揮発性が小さい
  などである。
   しかし、この硫酸には欠点が一つあり。
  カルシウムが620mg/L以上含まれている水に投与すると
  石 こう(CaSO4)が生成され、装置に塊が硬く付着し弊害を起こす。

A 塩酸
  塩酸はあまり使われない中和剤です。
  特徴は・・・・
  ・価格が高い
   ・揮発性が大きい
  しかし、塩酸はカルシウムが多量に含まれていても
  生成される塩化カルシウムは溶解度 が大きいため
  硫酸の時のように石こうが沈殿するといった
  弊害を起こさないという利点がある。

B 硝酸・リン酸
  この二つは中和剤として好ましくないものです。
  特徴は・・・・
  ・ 価格が高い
  ・窒素・リンといった栄養成分を持つ

C酢酸
  酢酸も 好ましくない中和剤です。
  特徴は・・・・
  ・価格が高い
  ・BOD成分を持つ

以 上が酸性の中和剤です。
カルシウムが多量に含まれていないときを除いては
硫酸を使うのが無難でしょう。

次 にアルカリ性の中和剤を考えます。
水 をアルカリ性にしたいとき。
もしくは酸性の水をアルカリ化・中和したいときの話です。


「ア ルカリ化の時」
@苛性ソーダ(カセイソーダ:NaOH)
  最も利用されているのが苛性ソーダです。
   特徴は・・・・
  ・反応が早い
  しかし、高価であることと
  固体状で購入した場合 は水に溶解しなくてはいけない
  という欠点がある。

A生石灰(CaO)
   特徴は・・・・
  ・反応が早い
  しかし、反応時に高熱を発生させるので
  使用時は 水を加えて消石灰(Ca(OH)2)にする必要がある。
  化学式 → CaO + H2O = Ca(OH)2
   
B消石灰(水酸化カルシウム:
Ca (OH)2

   特徴は・・・・
  ・価格が安い
  ・反応が遅い
  ・硫酸があると難溶性の石こうが生 成する
  また、溶解度(0.126g/100g(20℃))が低いので
  通常はスラリー状(※説明は下)にし て使用する。

C石灰石
  強い廃酸処理に利用することが多い。
  特 徴は・・・・
  ・反応が遅い(消石灰より遅い)
  ちなみに溶解度は0.072g/100g(30℃)であ る。

D水酸化マグネシウム
  通常、排ガスの脱硫に使用される。
   特徴は・・・・
  ・苛性ソーダより安い
  ・反応が極めて遅い
  ちなみに溶解度は 0.00019g/100g(18℃)である。
  溶解度が低いためスラリー状で硫酸の中和に使用される。
   また、硫酸との中和反応で発生した硫酸マグネシウムは
  溶解度(26.9g/100g(0℃))が高いので
   沈殿したりといった弊害を起こさない。

以上がアルカリ性の中和剤です。
こちらは反応時間 と生成物、そして溶液中の成分を
参考に選択すべきでしょう。

ここまで、ざっと説明してきま したが、
私は英語が苦手なので途中で
スラリー状という状態がわかりませんでした。
というわ けで、「スラリー」を辞書(大辞林)で調べました。

「スラリー(slurry)」
泥状、または、かゆ状の混合物。
固体粒子が液体の中に懸濁している流動体。

これで、すっきりしました。

さて、実際に中和したいというときに困るのが
やはり投与量です。
実はこの投与量が一番厄介です。
その理由は不純物の入っていない水であればよいのですが
排水の場合はいろいろなものが入っています。
たとえば、硝酸、アンモニア、亜硝酸・・・・
さらには、金属関係・・・・
その為に計算値をだして目標のpHにすることは困難です。
ではどうするのか?
答えは・・・
少量採水して実際に試してみて
その数値を元に投与するのするのです。
アナログですがこれが一番正確でしょう。

最後に、あくまで計算にこだわる方のために
参考になる例題を載せます。

EXP)5%硫酸溶液20Lを水1m3に投与したときpHはいくらか?

ANS)5%の硫酸溶液20L(比重が1.02だから20.4kg)の質量は
    
          5/100 × 20.4kg = 1.02kg
    
    となる。
    硫酸の分子量(H2SO4 = 98)で割りモル数を出すと

    1.02kg ÷ 98g/mol =   1020g ÷ 98g/mol = 10.4mol
    
    となる。
    硫酸は水中では次のように
    1分子あたり、2分子の水素イオンが解離する。

           H2O → 2H+ + SO42−

    したがって、硫酸1molにたいして、H+は2molでありH+

           10.4 × 2mol = 20.8mol
    
    である。
    これが、1m3 + 20L = 1020L 中にあるから、1L中には

         20.8mol ÷ 1020L ≒ 0.02mol/L

    となる。
    そしてpHの定義より次のようになる。

    pH = −log[H+] = −log[0.02] = −log[2×10−2] ≒ 2 − 0.3 = 1.7

    よって、

    pH=1.7


理解できましたか?
どうしても理解できないときは化学の教科書を参考にしてください。

また、めんどくさい!どうにかしてくれ!!
っていうひとはこれはいかがでしょうか?

中和滴定シュミレーションプログラム(Vector)

では、今回は以上です。
今後分かり次第追加していきます。


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