เคมีของน้ําและน้ําเสีย (Chemistry of Water and Wastewater)

สาขาวิชาวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดลอม ดร.ศมณพร สุทธิบาก

41

บทที่ 4 ความเปนดาง (Alkalinity)

4.1 สภาพความเปนดาง สภาพดาง คือ ความสามารถของน้ําในการสะเทินกรด หรือ ตานทานไมใหพีเอชลดต่ําลง โดยสภาพดางเกิดจากอิออน 3 ชนิดไดแก ไบคารบอเนต (HCO3

-) คารบอเนต (CO32-) และ ไฮดรอกไซด

(OH-) ซ่ึงถาน้ํามีสภาพดางสูง แสดงวามีอํานาจมากในการทําใหกรดเปนกลาง ในแหลงน้ําและการใชประโยชนตางๆ ควรตองมีสภาพดางไมนอยเกินไป เชน บอเล้ียงปลาไมควรมีสภาพดางนอยกวา 20 mg/l as CaCO3 หรือ ถังหมักไรอากาศไมควรมีสภาพดางนอยกวา 1,500-2,000 mg/l as CaCO3

เปนตน (มั่นสินและมั่นรักษ, 2545) สภาพดางในน้ําธรรมชาติ มักเกิดจากอิออนไบคารบอเนต (HCO3

-) มากกวาอยางอื่น ดังนั้นน้ําธรรมชาติที่มีพีเอชอยูในชวง 6-8 คาสภาพดางที่วัดไดจึงถือไดวาเปนคาไบคารบอเนตนั่นเอง รูปที่ 4.1 แสดงปริมาณ ไบคารบอเนต (HCO3

-) คารบอเนต (CO32-) และ ไฮดรอกไซด (OH-) ที่ระดับพี

เอชตางๆ จะเห็นไดวา ในชวงพีเอชสูงถึง 11 หรือมากกวา จะมี คารบอเนต (CO32-) และ ไฮดรอก

ไซด (OH-) มากที่สุด ซ่ึงพีเอชยิ่งสูงก็ยิ่งมี ไฮดรอกไซด (OH-) มาก น้ําที่มีพีเอชอยูในชวงกลางๆ จะมี ไบคารบอเนต (HCO3

-) มากที่สุด สวนน้ําที่มีพีเอชอยูในชวงประมาร 9.5-10.5 จะมี คารบอเนต (CO3

2- มากที่สุด

ที่มา: มั่นสินและมั่นรักษ, 2545

รูปที่ 4.1 แสดงปริมาณ HCO3- CO3

2- และ OH- ที่ระดับพีเอชตางๆ

เคมีของน้ําและน้ําเสีย (Chemistry of Water and Wastewater)

สาขาวิชาวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดลอม ดร.ศมณพร สุทธิบาก

42

สภาพดางไบคารบอเนตที่ละลายในน้ําธรรมชาติเกิดจากปฏิกิ ริยาเคมี 2 อยางของคารบอนไดออกไซด ดังนี้

1) ไบคารบอนเนตจากการแตกตัวของกรดคารบอนิกในน้ําที่อ่ิมตัวดวยคารบอนไดออกไซด H2O + CO2 H2CO3 H2CO3 H

++HCO3-

2) ไบคารบอนเนตจากการละลายของชั้นหินปูนดวยคารบอนไดออกไซดในน้ําบาดาล

2CaCO3+CO2+H2O Ca2++ 2H2CO3 4.2 ความสําคัญของสภาพดาง 4.2.1 บทบาทในทางสาธารณสุข สภาพดางมีความสําคัญในทางสาธารณสุขนอย ซ่ึงมาตรฐานน้ําดื่มไมไดกําหนดระดับของสภาพดาง แตจะกําหนดชวงพีเอชที่เหมาะสมไวที่ระดับ 6.8-8.2 แตทั้งนี้น้ําที่มีสภาพดางสูงมากจะมีรสไมชวนดื่มและยอมไมเปนที่ยอมรับของผูบริโภค 4.2.2 บทบาทที่มีตอกระบวนการบําบัดน้ําตางๆ

1) กระบวนการ Coagulation - - - การเติม สารสมหรือเฟริกคลอไรด เปนการเพิ่ม H+ ใหกับน้ําจําเปนตองมีสภาพดางเพียงพอสําหรับสะเทิน H+

2) กระบวนการปูน-โซดา (Lime-Soda Process)

Ca2++2HCO3-+Ca(OH)2→ 2CaCO3+2H2O

3) กระบวนการหมักแบบไมใชอากาศ

• เกิดกรดไขมันระเหย (Volatile Fatty Acid)

• ปองกันมิ่ใหพิเอชลดต่ําลงจนแบคทีเรียสรางมีเทนเติบโตไมได 4) กระบวนการ Nitrification

2NH4++3O2→ 2NO2

-+2H2O+4H+ 4.2.3 บทบาทของสภาพดางในบอเล้ียงปลาหรือสัตวน้ําอื่นๆ ในบอเล้ียงปลาจะเกิดการสะสมของคารบอนไดออกไซดในชวงเวลากลางคืน ทําใหพีเอชของบอปลาต่ําสุดในชวงเชาตรู และมีคาสูงสุดในชวงกลางวัน หากสภาพดางในบอปลาไมเพียงพอ ดังนั้นน้ําที่ใชเล้ียงปลาควรมีสภาพดางมากกวา 20-40 มก./ล. (วัดในเทอมหินปูน) จึงจะสามารถเลี้ยงปลา

เคมีของน้ําและน้ําเสีย (Chemistry of Water and Wastewater)

สาขาวิชาวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดลอม ดร.ศมณพร สุทธิบาก

43

ใหไดผลผลิตสูง น้ําที่มีไบคารบอนเนตพอเพียงจะมีการแปรปรวนประจําวันของพีเอชเกิดขึ้นนอย เนื่องจากไบคารบอนเนตเปนบัฟเฟอรและแหลงสะสมคารบอนไดออกไซดนั่นเอง 4.3 วิธีวิเคราะหสภาพดาง สภาพดาง ของน้ําสามารถตรวจวัดไดโดยการไตเตรทน้ําตัวอยางดวยกรดแกที่แตกตัวให H+ สูง โดยกรดแกดังกลาวตองทราบความเขมขนที่แนนอน เชน 0.02 N H2SO4 จนกระทั่งถึงจุดสมมูล (Equivalent Point) โดยจะสังเกตไดจากสีของอินดิเคเตอรที่จะเปลี่ยนแปลงไป ซ่ึงแสดงวาความเปนดางในน้ํานั้นทําปฏิกิริยาไดหมดพอดีกับกรดที่ใชไตเตรท ทั้งนี้พบวา น้ําที่มีพีเอชสูงกวา 8.3 ตองไทเทรต 2 คร้ัง

• จุดยุติคร้ังแรก (พีเอช 8.3) จากการเปลี่ยนฟนอลฟทาลีนจากสีชมพูเปนไมมีสี

• จุดยุติคร้ังที่สอง (พีเอช 4.3) จากการเปลี่ยนแปลงของเมธิลออเรนจจากสีเหลืองเปนสีสม 4.3.1 วิธีการวิเคราะหหาสภาพดางของน้ํา

1) โดยใชวิธีอินดิเคเตอร (Indicator Method) ซ่ึงเปนการวิเคราะหสภาพดางโดยการไตเตรทน้ําตัวอยางกับกรด โดยเมื่อถึงจุดสมมูล (Equivalent Point) จะสังเกตไดจากสีของอินดิเคเตอรที่เปลี่ยนแปลงไป ซ่ึงแสดงวาความเปนดางในน้ํานั้นทําปฏิกิริยาไดหมดพอดีกับกรดที่ใชไตเตรท วิธีนี้เหมาะสําหรับน้ําทิ้งที่ไมมีสีและความขุนไปรบกวนสีของอินดิเคเตอรในการไทเทรต

2) โดยวิธีโพเทนซิออเมตริก (Potentiometric Method) มีลักษณะเชนเดียวกับวิธีการใชอินดิเคเตอร แตใชการวัดคาความเปนกรดและดางของน้ําเปนตัวบอกจุดยุติ วิธีนี้เหมาะสําหรับน้ําทิ้งที่มีสีและความขุนมากจนไมสามารถจะสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงสีของอินดิเคเตอรได

4.3.2 วัตถุประสงค

1) เพื่อสามารถวิเคราะหสภาพดางได 2) เพื่อหาความสําคัญของสภาพดางที่มีตอส่ิงแวดลอม

4.3.3 เคร่ืองมือและอุปกรณ

1) Erlenmayer Flask ขนาด 250 ml. 2) Volumetric Pipette 50,100 ml. 3) Volumetric Flask 250 ml.

เคมีของน้ําและน้ําเสีย (Chemistry of Water and Wastewater)

สาขาวิชาวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดลอม ดร.ศมณพร สุทธิบาก

44

4) Burette 50 ml. 5) pH meter

4.3.4 สารเคมี

1) น้ํากลั่น 2) Methyl orange indicator 3) Phenolphthalein indicator 4) Standard Solution H2SO4 0.02 N

4.4 วิธีการวิเคราะห

4.4.1 วิธีใชอินดิเคเตอร

1) กรณีท่ี pH >4.3-8.3 ปเปตน้ําตัวอยางลงในขวดรูปชมพู

50 มล.หรือ ปริมาตร 100 มล. โดยใหปลายปเปตอยูใกลขวดรูปกรวยมากที่สุด

วัดพีเอชของน้ําตัวอยาง

ในกรณีที่ pH> 4.3 หยด Methyl orange indicator 1-3 หยดลงในน้ําตัวอยาง

ไตเตรทดวยสารละลายมาตรฐาน Standard Solution H2SO4 0.02N

เปลี่ยนจากสีเหลืองเปนสีสม

บันทึกปริมาณสารละลายมาตรฐาน H2SO4 0.02N ที่ถูกใชไปในการไตเตรท

2) กรณีท่ี pH >8.3 ปเปตน้ําตัวอยางลงในขวดรูปชมพู

50 มล.หรือ ปริมาตร 100 มล. โดยใหปลายปเปตอยูใกลขวดรูปกรวยมากที่สุด

เคมีของน้ําและน้ําเสีย (Chemistry of Water and Wastewater)

สาขาวิชาวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดลอม ดร.ศมณพร สุทธิบาก

45

วัดพีเอชของน้ําตัวอยาง

ในกรณีที่ pH>8.3 หยด Phenolphthalein indicator 1-3 หยดลงในน้ําตัวอยาง

ไตเตรทดวยสารละลายมาตรฐาน Standard Solution H2SO4 0.02N

เปลี่ยนจากสีชมพูเปนไมมีสี

บันทึกปริมาณสารละลายมาตรฐาน

H2SO4 0.02N ที่ถูกใชไปในการไตเตรท

4.4.2 วิธีโพเท็นทิโอเมตริก

1) กรณีท่ี pH 4.3-8.3 ปเปตน้ําตัวอยางลงในขวดรูปชมพู

50 มล.หรือ ปริมาตร 100 มล. โดยใหปลายปเปตอยูใกลขวดรูปกรวยมากที่สุด

วัดพีเอชของน้ําตัวอยาง

จุมอิเลคโทรดลงในน้ําตัวอยาง

ไตเตรทดวยสารละลายมาตรฐาน Standard Solution H2SO4 0.02 N

สภาพดาง M.O มีจุดยุติที่พีเอช 4.3

บันทึกปริมาณสารละลายมาตรฐาน H2SO4 0.02 N ที่ถูกใชไปในการไตเตรท

เคมีของน้ําและน้ําเสีย (Chemistry of Water and Wastewater)

สาขาวิชาวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดลอม ดร.ศมณพร สุทธิบาก

46

2) กรณีท่ี pH >8.3 ปเปตน้ําตัวอยางลงในขวดรูปชมพู

50 มล.หรือ ปริมาตร 100 มล. โดยใหปลายปเปตอยูใกลขวดรูปกรวยมากที่สุด

วัดพีเอชของน้ําตัวอยาง

จุมอิเลคโทรดลงในน้ําตัวอยาง

ไตเตรทดวยสารละลายมาตรฐาน Standard Solution H2SO4 0.02 N

สภาพดางฟนอลฟทาลีนมีจุดยุติที่พีเอช 8.3

บันทึกปริมาณสารละลายมาตรฐาน H2SO4 0.02 N ที่ถูกใชไปในการไตเตรท

4.5 การควบคุมคุณภาพการวิเคราะห

1) น้ําทิ้งที่มีสภาพดางจะมีพีเอชสูงกวา 4 การเก็บตัวอยางควรใชขวดโพลีเอทิลีน หรือขวดแกวไพเร็กซในการเก็บตัวอยางน้ําเพื่อกันการกัดกรอน

2) ควรทําการวิเคราะหโดยทันทีหรืออยางชาภายใน 24 ช่ัวโมง โดยเก็บไวในตูเย็นที่ 4 0C

3) ในกรณีที่ตัวอยางมี residual chlorine ใหกําจัดโดยเติม Na2S2O3 0.1 N 1 หยด 4.6 การคํานวณ

sample

acidacid

VxVN

Alkalinity000,50

=

เมื่อ Vacid = ปริมาตรของ H2SO4 ที่ใชในการไตเตรทจนถึงจุดยุติ (ml.)

Nacid = ความเขมขนของ H2SO4 (N)

Vsample = ปริมาตรของน้ําตัวอยางที่ใช (ml.)

เคมีของน้ําและน้ําเสีย (Chemistry of Water and Wastewater)

สาขาวิชาวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดลอม ดร.ศมณพร สุทธิบาก

47

4.7 การรายงานผล

วันที่ ……………………………………….. เวลา ……………………………………………….

จุดเก็บตัวอยาง ……………………………………………………………………………………

ลักษณะตัวอยาง ………………………………………………………………………………….

ตัวอยาง pH Vsample

(ml.)

Nacid

(N)

Vacid

(ml.)

สภาพดาง (mg/l as CaCO3)

P-Alk. T-Alk. หมายเหตุ

4.8 คําถามทบทวน

1) การกําเนิดสภาพดางในน้ําธรรมชาติเกิดไดอยางไร 2) ทําไมสภาพดางจึงมีบทบาทและความสําคัญในขบวนการโคแอกกูเลชันและกระบวนการ

หมักแบบไมใชอากาศ 3) สภาพดางเกิดขึ้นไดอยางไร จงแสดงปฏิกิริยา 4) จงบอกขอจํากัดของการวิเคราะหสภาพดางดวยวิธีอินดิเคเตอร 5) คาสภาพดางที่ไดจากการไตเตรทดวย H2SO4 กับน้ําเสียที่มี pH 8.3 ถึง 4.3 เรียกสภาพดาง

คานี้อยางไร? 6) สภาพดางมีความสําคัญตอระบบบําบัดน้ําเสียแบบหมักไรอากาศอยางไร อธิบาย

เคมีของน้ําและน้ําเสีย (Chemistry of Water and Wastewater)

สาขาวิชาวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดลอม ดร.ศมณพร สุทธิบาก

48

4.9 เอกสารอางอิง 1) กรรณิการ สิริสิงห. (2522). เคมีของน้ํา น้ําโสโครกและการวิเคราะห (พิมพคร้ังที่ 3).

กรุงเทพมหานคร: คณะวิทยาศาสตรและเทคโนโลยี สถาบันราชภัฎจันทรเกษม

2) มั่นสิน ตัณฑุลเวศม และมั่นรักษ ตัณฑุลเวศม. (2545). เคมีวิทยาของน้ําและน้ําเสีย, (พิมพครั้งที่ 1). กรุงเทพมหานคร: จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย