De dynamische relatie tussen alkaliteit en pH bij nul-afvalwaterlozing.
De alkaliteit in afvalwater wordt voornamelijk bepaald door drie soorten: hydroxide (OH⁻), carbonaat (CO₃²⁻) en bicarbonaat (HCO₃⁻). Deze vormen een dynamisch gebalanceerd buffersysteem, waarbij de dominante soort verandert met de pH-waarde.
CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ ⇌ 2H⁺ + CO₃²⁻
Dit evenwicht bepaalt de primaire vorm van alkaliteit in verschillende pH-bereiken:
1. pH
2. pH 6,3-10,3: Bicarbonaat (HCO₃⁻) is de dominante stof, een gangbaar bereik voor de meeste afvalwaterstromen.
3. pH > 10,3: Carbonaten (CO₃²⁻) en hydroxiden (OH⁻) beginnen te domineren.
De verdelingsverhouding van de totale alkaliteit in water (voornamelijk HCO₃⁻ en CO₃²⁻) wordt nauwkeurig bepaald door de pH-waarde.
Belangrijkste invloeden en besturingslogica:
1. Kalkafzettingbeheersing (ontharding): Water met een hoge alkaliteit en hardheid is zeer gevoelig voor de vorming van calciumcarbonaat (CaCO₃)-kalk tijdens verhitting en concentratie, wat membranen en verdampers kan verstoppen.
Door zuur toe te voegen (zoals H₂SO₄) daalt de pH, waardoor HCO₃⁻ wordt omgezet in CO₂-gas (dat wordt verwijderd via een strippingstoren): 2HCO₃⁻ + H₂SO₄ → 2CO₂↑ + 2H₂O + SO₄²⁻
Dit is de omrekening tussen "alkaliteit" en "pH". De hoeveelheid toegevoegd zuur wordt direct bepaald door de alkaliteit van het ruwe water (verbruik van alkaliteit) en wordt geregeld door de streef-pH (meestal 6,5-7,0).
2. Corrosiebestrijding
Een te lage pH-waarde (
3. Optimalisatie van verdamping en kristallisatie
Voordat de vloeistof de verdamper ingaat, moet de pH worden aangepast tot het juiste bereik (meestal >9,5). Een hoge pH bevordert de neerslag van silicium en de vervluchtiging van ammoniakstikstof, maar een te hoge pH en alkaliteit kunnen leiden tot kalkaanslag van andere zouten (zoals Mg(OH)₂). Het nauwkeurig regelen van de hoeveelheid toegevoegde NaOH komt er in feite op neer dat je alkaliteit inruilt voor een precieze pH-waarde.
In de ingenieurswetenschappen verwijst "conversie" hoofdzakelijk naar twee soorten berekeningen:
1. Berekening van de alkaliteit gegeven de pH en de totale anorganische koolstof (CT) (theoretische berekening)
2. Het berekenen van de benodigde zuur-/base-dosering om de gewenste pH-waarde te bereiken, gegeven de alkaliteit (kernpraktijk in de elektrotechniek)
Kernformule en berekeningsstappen:
1. Theoretische relatie
De exacte formule voor de totale alkaliteit (Alk) is: Alk = [HCO₃⁻] + 2[CO₃²⁻] + [OH⁻] - [H⁺] (eq/L)
Met behulp van de primaire en secundaire ionisatieconstanten van koolzuur (K₁, K₂) en de totale anorganische koolstof (CT) kan elke term worden uitgedrukt als een functie van [H⁺]. Dit is een complexe berekening die doorgaans wordt uitgevoerd met behulp van software zoals PHREEQC.
2. Technische praktijk "conversie": zuur/base doseringsberekening
Dit is de meest gebruikte berekening bij het ontwerpen van ZLD-systemen. Het principe is om de hoeveelheid zuur/base te bepalen die nodig is om de alkaliteit (of zuurgraad) in water te neutraliseren tot de gewenste pH-waarde.
Voorbeeld: Bereken de hoeveelheid zwavelzuur (H₂SO₄) die nodig is om de huidige pH van het water te verlagen tot de gewenste pH.
Gegevens: De alkaliteit van het bronwater is Alk₁ = 300 mg/L (als CaCO₃), en de streef-pH moet worden verlaagd tot 6,8 (waarbij de resterende alkaliteit ongeveer Alk₂ ≈ 50 mg/L bedraagt).
Formule: Zuurdosering (mg/L) = (Alk₁ - Alk₂) × (equivalentgewicht van het zuur) / (equivalentgewicht van CaCO₃)
Berekening: CaCO₃-equivalent = 50 g/eq; H₂SO₄-equivalent = 98/2 = 49 g/eq (omdat 1 molecuul H₂SO₄ 2 H⁺-atomen levert); Benodigde hoeveelheid H₂SO₄ = (300 - 50) mg/L × (49/50) = 250 × 0,98 = 245 mg/L
Dit betekent dat voor elke ton behandeld water ongeveer 245 gram zuiver zwavelzuur nodig is. De kern van deze berekening is het "alkaliteitsverschil", niet de directe pH-waarde, wat perfect de logica van "berekenen met behulp van de capaciteitsfactor" illustreert.