[scheikunde] pH corrigeren

[Sander264_CF]

Beste

Voor mijn geïntegreerde proef is mij gevraagd om de pH van het afvalwater van een brouwerij te corrigeren. Het grootste probleem is dat de pH verhoogd wordt, maar moeilijk terug naar beneden gaat.

Het gaat om een kleine afvalput met een capaciteit van zo'n 750 l.

Ik zal even de situatie schetsen.

Tijdens het brouwen verlaagd de pH in de afvalput aangezien bier zuur is door het toevoegen van melkzuur. Men brouwt de eerste 3 dagen van de week waardoor de pH op woensdagavond zeer laag is. Op donderdag spoelt men dan de brouwketels uit met een NaOH-oplossing, waardoor de pH van het afvalwater in de put stijgt tot +/- 12. De NaOH-oplossing is een oplossing van 25 kg in 1000 l(2.5%) en ze is 80°C warm.

Het waterzuiveringsstation heeft 2 maal geklaagd over de te hoge pH. De brouwer heeft bijgevolg elke keer 5l azijnzuur(80%) toegevoegd om het afvalwater terug op de juiste pH te brengen. Hierna zijn er geen klachten meer geweest.

Toch is het probleem hiermee niet opgelost. Het was mijn taak om de pH tijdens het hele brouwproces(brouwen, spoelen, gisten) te controleren en eventueel te corrigeren.

Gedurende 1.5 maand heb ik er de pH gecontroleerd. Het bleek dat de pH na de toevoeging van azijnzuur niet zakte. 2 dagen later zakte de temperatuur echter wel.

Mijn resultaten:

pH op woensdag(na 3 brouwdagen): 5.85

pH op donderdag(na spoelen): 13.38

Direct na de toevoeging van azijnzuur: 13.35

pH op vrijdag(na naspoeling met leidingwater): 10.87

pH op zaterdag(niets meer gebeurd): 4.16

De tweede keer heb ik niet meer gemeten direct na de toevoeging van azijnzuur.

pH op donderdag(na 4 brouwdagen): 2.93

pH op vrijdag(na spoelen): 13.21

pH op zaterdag(na naspoeling met leidingwater): 12.45

pH op zondag(niets meer gebeurd): 6.01

Na deze waarnemingen hebben we eenmaal geprobeerd om het azijnzuur een dag voor het spoelen toe te voegen. Toen kwamen we deze resultaten uit:

pH op donderdag(na 4 brouwdagen): 3.51

pH op vrijdag(na spoelen): 12.72

pH op zaterdag(na naspoeling met leidingwater): 5.18

Met deze gegevens ben ik naar mijn chemieleerkracht op school geweest. Hij vertelde mij dat het zou kunnen liggen aan de hoge temperatuur van het water en de hoge reactiviteit van de NaOH die ermee gepaard gaat. Daardoor zou de volledige hoeveelheid H+ afgesplitst door het azijnzuur zijn opgebruikt.

Daarom heb ik een aantal proeven uitgevoerd om de invloed van de temperatuur te bekijken.

Ik heb 7 stalen genomen van 100ml afvalwater. Deze heb ik opgewarmd tot 80°C en dan heb ik aan elk een verschillend zuur toegevoegd.

Volgende resultaten kwam ik uit:

De pH van het afvalwater bij 80°C was 12.

50 ml Azijnzuur(100%, had misschien beter 80% genomen?)

Direct na het toevoegen: 2.8

Na 1u: 3.17

Latere metingen stabiliseerden zich rond 3.25

50 ml Mierenzuur(98%)

Direct: 0.83

Stabiliseerde rond 1.50

25 ml Wijnsteenzuur gaf een direct resultaat van 2.50 en ging naar 2.80.

25 ml zwavelzuur ging direct zelfs tot -1.2 en stabiliseerde rond 0.

Bij fosforzuur(13 ml) zakte de pH direct naar -0.4 en stabiliseerde het rond 0.70.

En citroenzuur(13 ml) tenslotte zakte direct tot 5.70 en steeg daarna nog tot 5.80.

Als laatste staal heb ik gewoon een staal afvalwater van 80°C laten afkoelen tot kamertemperatuur. De pH steeg van 12 tot 13.

Zoals jullie zien heb ik zuren genomen met verschillende waardigheid en van elk een sterk en een zwak zuur.

De concentratie was wel wat hoog, maar ik denk niet dat mij dat belet om de conclusie te trekken dat de hoge temperatuur van de NaOH niet de oorzaak is.

Om deze conclusie te bevestigen heb ik een titratie gedaan met azijnzuur 100% op het afvalwater bij 80°C, 40 °C en 20°C.

Voor 80°C had ik 2.8 ml nodig om te neutraliseren.

Voor 40°C 3 ml en voor 20°C 3.7 ml.

Ik heb echter wel maar 1 maal getitreerd bij elke temperatuur waardoor het niet volledig betrouwbaar is.

Ik ben nu wel nog steeds op zoek naar de echte oorzaak.

Misschien komt het omdat azijnzuur bij lage temperatuur heldere kleurloze kristallen vormt. Zuivere azijnzuur vormt reeds kristallen bij 17°C, een 80%-oplossing bij 15°C(dacht ik). Maar, waarom slaat de pH dan niet om bij 80°C?

Kan er een andere oorzaak zijn waarom het zuur niet direct werkt?

Misschien is azijnzuur gewoon te zwak?

Ter informatie: zowel het spoelmiddel en het zuur worden onder in de put geloosd en spoelen dus niet over het oppervlak weg.

Ik hoop dat ik mijn gegevens een beetje duidelijk heb geformuleerd en ik hoop dat jullie mij een beetje op weg kunnen helpen.

Bij voorbaat dank,

Sander

[sam698]

Beste,

Is er voor het afvalwater in de tank terechtkomt een filtratie doorgevoerd? Indien er zich eventueel nog biomassa van de fermentatie bevindt in de afvaltank, is deze in staat om het azijnzuur te gebruiken als koolstofbron voor groei of eventuele metabolietproductie. Dit zou kunnen verklaren dat de pH niet zakt aangezien het toegevoegde azijnzuur gewoon weggefermenteerd wordt. Wordt de afvaltank ook voldoende geroerd zodat er snel genoeg een goede verdeling is van het toegevoegde zuur in de tank?

Met vriendelijke groet,

Sam

[Sander264_CF]

Er wordt geen filtratie doorgevoerd.

In de afvalput wordt niet geroerd. Voor ik stalen neem roer ik wel zelf even de afvalput op.

[Echtepino]

Wat je zou kunnen doen is de lucht van de brouwerij door de afvalput laten borrelen, de heoeveelheid CO₂ van het brouwproces en uit de lucht wordt zo gebonden aan de loog en de pH zal langzaam zakken.

Als je een geurprobleem zou hebben zou dit wellicht ook een oplossing zijn.

Echter de beste manier is gewoon zoutzuur doseren in de put. Een zwak zuur als azijnzuur is vragen om moeilijkheden.

Daarnaast is zoutzuur ook verreweg het goedkoopste en het eindproduct is gewoon NaCl en dat is heel stabiel.

[DeeVee]

Je probleemstelling is uitermate duidelijk. Toch missen er nog wat gegevens. Hoe heb je die pH metingen uitgevoerd? Na staalname in 't lab of continu met een online pH meter?

Ik heb jarenlange ervaring met online pH metingen, ook in afvalwater. Mijn eerste reactie bij je verhaal is: waarschijnlijk is er iets mis met de menging van het water met het toegevoegde zuur en/of is de plaats van monstername niet representatief. Als het water in de put niet heel goed gemixed wordt, mengt het zuur en het afvalwater niet of nauwelijks. Goed mengen is 'levensnoodzakelijk' om een goeie pH regeling te krijgen! Een roerwerk in de put is dus geen luxe.

Echtepino heeft gelijk door te zeggen dat je best zoutzuur (HCl) gebruikt. Ten minste, als je geen betonnen put hebt (het beton reageert met zoutzuur ). In dat geval gebruik je best salpeterzuur (HNO3). Liefst geen zwavelzuur want in combinatie met Ca (uit het beton) krijg je een niet oplosbaar neerslag dat bovendien de pH elektrode aanlaadt. Het grote nadeel van werken met sterke zuren is dat je een heel sterke pH sprong krijgt. Vooral als je mikt naar een min of meer neutrale pH. Je afvalwater is een oplossing van een sterke base (NaOH) en je voegt er een sterk uur aan toe. Daardoor krijg je een duidelijke sprong rond het equivalentiepunt, dat vaak rond pH 7 ligt, afhankelijk van de gebruikte concentraties. Een klein beetje te veel zuur geeft onmiddellijk een sprong van pH 11 (bvb.) naar pH 2 (ook bvb). Je krijgt maw. de regeling moeilijk onder controle. Een mogelijke oplossing is inderdaad te werken met CO2, wat in brouwerijen overvloedig aanwezig is. Bijkomend voordeel is dat je met CO2 de pH niet lager dan ongeveer 6 krijgt.

Nog een tip: zorg ervoor dat je pH meting of monstername niet te dicht in de buurt van de zuurdosering zit. Dit om representatieve metingen te bekomen. Als je dat niet doe meet je het nog niet weggereageerd zuur. Ideaal meet je enkele meter voorbij de put (in geval van continue doorstroming). In het geval je hier spreekt over een batch proces (put vullen, neutraliseren, lozen) moet je het zuur met kleine hoeveelheden doseren en pas opnieuw doseren als de pH stabiel is (een beetje zoals bij een titratie).

[Sander264_CF]

Ik heb telkens 3 stalen genomen van de afvalput en heb geroerd voor elk staal dat ik nam. De volgende dag heb ik de pH van het water in de school gemeten.

Een sterk zuur is een oplossing, maar zoals je zegt mag de pH van water ook niet te laag zijn. Ik zou dus heel precies moeten toevoegen. Het probleem is dat het een kleine brouwerij is waar alles handmatig gedaan wordt, er is dus steeds een kleine schommeling in de hoeveelheid spoelwater.

Kan iemand mij ook uitleggen hoe je die CO2 methode toepast? Misschien is dat wel de oplossing.

[DeeVee]

Voor dosering van CO2 ga je best te raden bij gasleveranciers zoals l'Air liquide, Air Products, AGA-gas, .... Zij hebben de kennis en de technologie in huis. Je kan dit niet zelf wat gaan toevoegen vanuit een gasfles of zo.

tip: pH meten van een monster doe je onmiddellijk! Als je de pH 's anderendaags op school meet, zijn je metingen waardeloos (excuus voor de uitdrukking). Ik mag hopen dat je ook sterk geroerd hebt. De volledig put (750l) moet na zuurdosering helemaal omgeroerd worden. Het best is de pH rechtstreeks in de put te meten met een draagbare pH meter (op verschillende plaatsen en dieptes in de put). De brouwerij zal dit wel hebben in hun eigen lab, vermoed ik.

Ik weet niet wat de bedoeling is van je opdracht maar als de brouwerij hun afvalwaterprobleem willen oplossen zal een investering toch noodzakelijk zijn. Ik denk dat je moet denken in de richting van € 10.000,- - € 15.000,-. Dan heb je een industriële pH meetopstelling met PID regelaar (voor de dosrering van het zuur), een roerwerk, een multibox met zuur (als je geen CO2 gebruikt) en een zuurdoseerpomp. Die gasjongens verhuren meestal hun installatie. ze leven van de verkoop van gas (CO2 in dit geval).

[Sander264_CF]

De brouwerij heeft sinds kort een eigen pH-meter. Een eigen lab hebben ze niet. Het gaat om een kleine trappistenbrouwerij. Ze brouwen zo'n 300 hl per jaar en zullen niet het geld hebben om deze dure maatregelen te nemen.

Ik neem aan dat de CO2 dosering ook een dure oplossing is?

[DeeVee]

Ik heb geen gegevens over de kostprijs van een CO2 neutralisatie. Gezien de kleinschaligheid van dit project kan het nog meevallen. De installatie kan meestal gehuurd worden wat een spreiding van de kosten inhoud. Het CO2 verbruik zal in deze dus ook wel meevallen.

Misschien is het goedkoopste alternatief nog het afvalwater opvangen en laten ophalen en afvoeren door een erkend afvalverwerker. Ook hier heb ik geen idee van de prijs per kubieke meter.

Een ander idee dat nu spontaan bij me opkomt is het hergebruik van het afvalwater. Het zal dan wel moeten gefiltreerd worden en wellicht gezuiverd via omgekeerde osmose of andere membraantechnieken. Uiteraard vraagt ook dit een investering ...

Leg ook je oor eens te luister bij de VITO (voor Vlaamse bedrijven) en hun milieu-afdeling PRODEM. Ze zijn gespecialiseerd in (afval)waterproblematiek voor kleinschalige projecten.

[Sander264_CF]

Bedankt DeeVee ik ga het zeker eens allemaal bekijken.

[Sander264_CF]

Nog een vraagje i.v.m. eindwerk. Ik moet weten wanneer een stof neutraal is.

Ik weet dat zwavelzuur in water splitst in 2H+ en SO4-2 en dat het water dan zuur wordt door de H+ ionen. Ik weet ook dat water basisch wordt door OH- ionen.

Maar ik weet niet hoe je kan weten of stoffen zonder H's of OH's basisch of zuur zijn.

CaCO3(willekeurig voorbeeld) is niet neutraal maar basisch heb ik mij laten vertellen. Het bevat echter geen H's of OH's. Hoe kan je weten dat dergelijke stoffen zuur of basisch zijn?

[vincent1986]

Nog een vraagje i.v.m. eindwerk. Ik moet weten wanneer een stof neutraal is.

Ik weet dat zwavelzuur in water splitst in 2H+ en SO4-2 en dat het water dan zuur wordt door de H+ ionen. Ik weet ook dat water basisch wordt door OH- ionen.

Maar ik weet niet hoe je kan weten of stoffen zonder H's of OH's basisch of zuur zijn.

CaCO3(willekeurig voorbeeld) is niet neutraal maar basisch heb ik mij laten vertellen. Het bevat echter geen H's of OH's. Hoe kan je weten dat dergelijke stoffen zuur of basisch zijn?

u moet kijken of er een reactie kan lopen tussen de stof en water (bedenk dat water zelf ook een mooie bron voor hydronium en hydroxide ionen is)

[Fuzzwood]

Nog een vraagje i.v.m. eindwerk. Ik moet weten wanneer een stof neutraal is.

Ik weet dat zwavelzuur in water splitst in 2H+ en SO4-2 en dat het water dan zuur wordt door de H+ ionen. Ik weet ook dat water basisch wordt door OH- ionen.

Maar ik weet niet hoe je kan weten of stoffen zonder H's of OH's basisch of zuur zijn.

CaCO3(willekeurig voorbeeld) is niet neutraal maar basisch heb ik mij laten vertellen. Het bevat echter geen H's of OH's. Hoe kan je weten dat dergelijke stoffen zuur of basisch zijn?

Bij dat soort stoffen dien je naar de pKa te kijken. Overigens is ketelsteen pas een base in zuur milieu. In neutraal en basisch milieu zinkt het als een baksteen.

[Sander264_CF]

Ik heb nog 2 kleine vraagjes.

Een dosering met CO₂ verlaagt dat de pH door CO₂ te binden aan OH^-?

Is de laagst mogelijke pH van een stof te bepalen met de zuurconstante ervan?

Ik heb gehoord dat de laagst mogelijke pH van bijvoorbeeld Azijnzuur niet lager kan zijn dan 4 doordat zijn zuurconstante 1.8*10^-4 is. Klopt dit?

[Sander264_CF]

Niemand?