شناخت مواد شیمیاییمقالات آموزشی

مواد تنظیم کننده PH

انواع مواد تنظیم‌ کننده PH

متداول‌ترین مواد شیمیایی خنثی‌سازی برای خنثی‌سازی اسید یا باز، اسید سولفوریک ۹۸٪ و  هیدروکسید سدیم ۵۰٪ است. در بسیاری از موارد، این گزینه‌های بسیار خوبی هستند، با این حال، هنگام انتخاب مواد شیمیایی، ملاحظات زیادی وجود دارد و ممکن است همیشه بهترین انتخاب نباشد. انتخاب مواد شیمیایی مورد استفاده برای خنثی‌سازی یک اسید یا باز تقریباً به اندازه طراحی سیستم خنثی‌سازی مهم است. بسیاری از ملاحظات از بهداشت و ایمنی گرفته تا هزینه و راحتی کار وجود دارد. برخی از نکات عمده‌ای که در انتخاب مواد شیمیایی باید در نظر گرفت در زیر ذکر شده است:

  • سلامت و امنیت
  • هزینه و راحتی
  • محل ذخیره‌سازی و مکان

برای خنثی‌سازی یک اسید یا باز، به ترتیب منبع یون‌های هیدروکسید (OH) یا یون‌های هیدروژن (+H) مورد نیاز است. یک اسید باید با یک باز خنثی شود، که طبق تعریف، یون‌های OH بیش از حد مشخص می‌شود. به همین ترتیب، یک باز باید با یک اسید خنثی شود، که طبق تعریف، یون +H بیش از حد مشخص می‌شود.

به عنوان مثال: در یک فرآیند خنثی‌سازی ساده می‌توان اسید کلریدریک (HCl) را با استفاده از هیدروکسید سدیم (NaOH) خنثی کرد.

معیارهای انتخاب مواد تنظیم‌ کننده PH

بهداشت و ایمنی مواد تنظیم‌ کننده PH:

هر زمان که مواد شیمیایی را با هم مخلوط می‌کنیم باید احتیاط زیادی داشته باشیم. واکنش های خطرناک یا مضر ممکن است رخ دهد. به عنوان مثال: افزودن هر اسید به محلول حاوی سیانور منجر به آزاد شدن گاز کشنده HCN می‌شود.

به دلیل پیچیدگی‌های بیشمار فرآیندهایی که در صنعت اجرا می‌شوند، بیشتر آن‌ها اختصاصی یا تعریف نشده هستند، دیجیتال آنالیز معمولاً نمی‌تواند در مورد مناسب بودن یک انتخاب اسید یا باز برای خنثی‌سازی جریان فاضلاب اظهار نظر کند. اگرچه واکنش‌های جانبی بسیار نادر است، اما این احتمال وجود دارد و باید مورد توجه قرار گیرد.

هزینه و راحتی مواد تنظیم‌ کننده PH:

اکثر اسیدها و بازها در اکثر موارد کاربرد دارند. بنابراین معیارهای تعیین‌کننده معمولاً هزینه و راحتی هستند. به عنوان مثال اسید سولفوریک (H۲SO۴) نسبت به اسید نیتریک هزینه کمتری دارد و از قدرت بیشتری برخوردار است، با این حال، اگر در حال حاضر سولفوریک موجود نیست، نیتریک ممکن است مطلوب تر به نظر برسد زیرا ممکن است از قبل در دسترس باشد.

غلظت‌ها نیز در ارزیابی هزینه مهم هستند. به عنوان مثال، اسید سولفوریک را می‌توان با غلظت‌هایی از نزدیک ۰ تا ۹۸ درصد خریداری کرد. اگر یک درام ۵۵ گالنی ۵۰٪ سولفوریک خریداری شود، بدیهی است که نیمی از هزینه خرید برای آب می‌باشد. غلظت‌های بالاتر معمولاً هزینه کمتری دارند.

محل ذخیره‌سازی / محیط مواد تنظیم‌ کننده PH:

خصوصیات فیزیکی معرف انتخاب شده باید با دقت مورد بررسی قرار گیرد. به عنوان مثال ۵۰٪ هیدروکسید سدیم (NaOH) در دمای زیر ۶۰۰ درجه فارنهایت شروع به یخ زدن می‌کند.

در اکثر نقاط کشور، اگر نه همه، احتمال یخ‌زدگی سوزاننده در مخازن یا خطوط لوله یک نگرانی واقعی است. کاهش غلظت به ۲۵٪ این نگرانی را به کلی از بین می‌برد. به عنوان مثال اسید کلریدریک (HCl) به شدت گازها را آزاد می‌کند. این گاز بسیار خورنده است و به تمام اشیاء فلزی از جمله سازه‌های ساختمان، سر آب‌پاش‌ها، سیم‌کشی مس، فولاد ضد زنگ و غیره حمله خواهد کرد. بنابراین، اگر از HCl استفاده می‌شود باید به درستی تخلیه شود یا در فضای باز که گازها به راحتی پراکنده می‌شوند استفاده شود.

متداول‌ترین مواد تنظیم کننده PH

اسیدها:

اسید سولفوریک H۲SO۴

بیشترین ماده شیمیایی مورد استفاده و تولید در جهان است. در غلظت‌های ۰ تا ۹۸ درصد سولفوریک موجود نیز کم‌هزینه‌ترین اسید برای استفاده است. اسید سولفوریک تقریباً به طور جهانی برای واکنش‌های خنثی‌سازی استفاده می‌شود. استفاده از آن از HCl یا HNO۳ راحت‌تر و ایمن‌تر است و از سایر اسیدها به جز فسفر، قدرت بیشتری دارد.

اگرچه واکنش‌های جانبی همیشه یک احتمال هستند، اما نادر هستند. اگر کلسیم وجود داشته باشد، سولفات کلسیم (CaSO۴) که به آن گچ نیز گفته می‌شود، رسوب می‌کند. تا زمانی که کلسیم به وفور وجود نداشته باشد، این مسئله مهم نیست. اسید سولفوریک معمولاً در غلظت‌های ۲۵ تا ۹۶ درصد استفاده می‌شود. اسید سولفوریک یک محلول دو نرمال است که به این معنی است که برای هر مول سولفوریک دو مول +H  یا اسید آزاد می‌شود.

یک مول اسید سولفوریک دو مول هیدروکسید سدیم را به شرح زیر خنثی می‌کند:

۲NaOH + H۲SO۴ → Na۲ (SO) ۴ + ۲H۲۰

همانند سایر اسیدهای غلیظ هنگام کار در ناحیه اسید سولفوریک باید بسیار احتیاط کرد. اسید سولفوریک به سرعت مواد آلی از جمله گوشت انسان را تجزیه می‌کند. علاوه بر این، خنثی‌سازی اسید سولفوریک یا واکنش‌های خنثی‌سازی pH شامل سولفوریک، گرما را آزاد می‌کند، به ویژه هنگامی که مواد شیمیایی غلیظ خنثی شود. به طور کلی این یک اسید بی‌خطر و ارزان برای استفاده در خنثی‌سازی مواد قلیایی است.

اسید کلریدریک (HCl):

اسید کلریدریک همچنین به عنوان اسید موریاتیک شناخته می‌شود، دومین اسید مورد استفاده در صنعت است (سولفوریک اسید شماره یک است). HCl یک اسید بسیار مؤثر و نسبتاً ارزان است. در حداکثر غلظت موجود ۳۷٪ HCl حدود ۳/۱ به اندازه اسید سولفوریک قوی است و این امر به این واقعیت کمک می‌کند که استفاده از HCl گرانتر از سولفوریک است.

بسته به دما و هم زدن، HCl در غلظت‌های بالاتر از ۱۰٪ باعث ایجاد بخار کلرید هیدروژن می‌شود که در صورت ترکیب با بخار آب موجود در هوا (رطوبت) بخارهای بسیار خورنده‌ای تشکیل می‌دهد. این گاز بسیار خورنده است و به تمام اشیاء فلزی از جمله سازه‌های ساختمان، سر آب‌پاش‌ها، سیم‌های مسی، فولاد ضد زنگ و غیره حمله خواهد کرد. بنابراین، در صورت استفاده از HCl باید به درستی تخلیه شود یا در فضای باز که گازها به راحتی پراکنده می‌شوند استفاده شود. فقط به همین دلیل ما به طور کلی استفاده از HCl را توصیه نمی‌کنیم.

به طور کلی این یک اسید بی‌خطر و ارزان برای استفاده در خنثی‌سازی مواد قلیایی است، به شرطی که اقدامات احتیاطی برای کنترل گازهای خورنده تکامل یافته انجام شود. علاوه بر این، خنثی‌سازی اسید کلریدریک یا واکنش خنثی‌سازی pH با HCl باعث آزاد شدن گرما می‌شود، به ویژه هنگامی که مواد شیمیایی غلیظ خنثی شود.

فروش اسید نیتریک
مواد تنظیم‌ کننده PH
اسید نیتریک (HNO۳):

اینن ترکیب ماده شیمیایی پرکاربرد در بسیاری از صنایع است. اسید نیتریک از محبوبیت هیدروکلریک یا سولفوریک برخوردار نیست، زیرا استفاده از چنین ترکیبی از اسید سولفوریک یا اسید کلریدریک گرانتر است. همانند اسید کلریدریک، نیتریک یک گاز مضر ایجاد می‌کند که با بخار آب موجود در هوا (رطوبت) ترکیب می‌شود و یک گاز خورنده تشکیل می‌دهد.

این گاز بسیار خورنده است و به تمام اشیاء فلزی از جمله سازه‌های ساختمان، سر آب‌پاش‌ها، سیم‌کشی مسی، فولاد ضد زنگ و غیره حمله خواهد کرد. بنابراین، اگر از HNO۳ استفاده می‌شود باید به درستی تخلیه شود یا در فضای باز که گازها به راحتی پراکنده می‌شوند استفاده شود. فقط به همین دلیل ما به طور کلی استفاده از HNO۳ را توصیه نمی‌کنیم.

یک اقدام احتیاطی در مورد اسید نیتریک این است که می‌تواند یک ماده اکسید کننده قوی باشد و در صورت وجود مواد آلی یا بازهای آلی نباید از آن استفاده شود. بعلاوه خنثی‌سازی اسید نیتریک یا واکنش‌های خنثی‌سازی pH شامل نیتریک اسید باعث آزاد شدن گرما می‌شود، به ویژه هنگامی که مواد شیمیایی غلیظ خنثی شوند.

اسید فسفریک (H۳PO۴):

این اسید به طور گسترده‌ای در تولید کودهای کشاورزی و محصولات شوینده استفاده می‌شود. نسبتاً ارزان، اما هنوز هم به خوبی با اسید سولفوریک و کلریدریک رقابت نمی‌کند. فسفر به دلیل ثابت تفکیک، اسید ضعیفی است. بر خلاف سولفوریک یا هیدروکلریک، در غلظت‌های طبیعی در آب جدا نخواهد شد.

این امر استفاده از فسفر را نسبت به سولفوریک یا هیدروکلریک ایمن‌تر می‌کند و تکامل گازها هرگز و یا به ندرت، مشکلی ایجاد می‌کنند. اسید فسفریک به دلیل ثابت تفکیک ضعیف، با پاسخ طبیعی لگاریتمی به عنوان یک اسید قوی واکنش نشان نمی‌دهد و تمایل به واکنش‌های خنثی‌سازی بافر دارد. این امر باعث ایجاد کندی واکنش می‌شود که کنترل آن آسان‌تر است. اسید فسفریک به دلیل هزینه (در مقایسه با سولفوریک) و در دسترس بودن، معمولاً در سیستم‌های خنثی‌سازی استفاده نمی‌شود.

دی اکسید کربن – CO۲

دی اکسید کربن (CO۲): CO۲ سومین گاز متمرکز موجود در جو زمین (قبل از آن نیتروژن و اکسیژن) است که خود یک اسید نیست.

CO۲ هنگام حل شدن در آب، اسید کربنیک (H۲CO۳) را تشکیل می‌دهد. این اسید کربنیک است که منجر به خنثی‌سازی قلیائیت در محلول می‌شود. استفاده از دی اکسید کربن آسان نیست و استفاده از آن محدود است. با این حال، برای برخی از برنامه‌های کاربردی CO۲ می‌تواند یک انتخاب بسیار مؤثر باشد. جذاب ترین ویژگی CO۲ این است که PH آب را به زیر ۷.۰ نمی‌رساند (برای اهداف عملی).

علاوه بر این CO۲ به عنوان گاز خورنده نیست، از آنجا که CO۲ سنگین تر از هوا است همیشه یک خطر خفگی وجود دارد. استفاده از دی اکسیدکربن ممکن است دشوار باشد زیرا گاز برای استفاده باید در محلول حل شود. این امر مستلزم استفاده از کربناتور یا روش دیگری برای حل گاز در محلول است. به طور کلی باید از یک مخزن بلند استفاده شود تا اطمینان حاصل شود که فشار مایع کافی برای تقویت انحلال CO۲ در آب وجود دارد. گازگرفتگی قابل توجهی اتفاق می‌افتد، که مشکلی ایجاد نمی‌کند مگر اینکه فرآیند به ته‌نشینی مواد جامد نیز نیاز داشته باشد.

CO۲ + H۲O ↔ H۲CO۳

H۲CO۳ + ۲NaOH ↔ Na۲CO۳ + ۲H۲O

طراح سیستمی که از یک ماده شیمیایی خنثی‌کننده گاز استفاده می‌کند با آنچه در آن از ماده شیمیایی مایع استفاده می‌شود بسیار متفاوت است. بنابراین استفاده از CO۲ باید فقط به سیستم‌های یک جهته محدود شود (یعنی فقط مواد قلیایی خنثی‌کننده). سیستم‌های دو طرفه با استفاده از CO۲ نیاز به استفاده از یک ماده شیمیایی مایع برای مواد شیمیایی قلیایی و یک گاز برای مواد شیمیایی اسیدی دارند.

بازها:

هیدروکسید سدیم (NaOH):

همچنین به عنوان سوزاننده شناخته می‌شود، پرکاربردترین ماده شیمیایی خنثی کننده قلیایی است که امروزه در صنعت استفاده می‌شود. کنترل هیدروکسید سدیم آسان، ارزان و برای خنثی‌سازی اسیدهای قوی یا ضعیف بسیار مؤثر است. NaOH در غلظت‌های ۵۰٪ موجود است که بیشترین غلظت مورد استفاده است.

مواد تنظیم‌ کننده PH
مواد تنظیم‌ کننده PH

بر خلاف مواد شیمیایی مانند آهک NaOH بسیار محلول است و اداره آن نسبتاً آسان است. NaOH یک محلول طبیعی است به این معنی که یک مول هیدروکسید سدیم یک مولکول OH- برای خنثی‌سازی آزاد می‌کند. به عنوان مثال خنثی‌سازی اسید کلریدریک به شرح زیر است:

HCl + NaOH → NaCl + H۲۰

در حالی که خنثی‌سازی اسید سولفوریک برای هر مول اسید سولفوریک به دو مول NaOH نیاز دارد:

H۲SO۴ + ۲NaOH → Na۲ (SO) ۴ + ۲H۲۰

هنگام استفاده از ۵۰٪ NaOH به دلیل نقطه انجماد باید مراقب بود. NaOH در غلظت ۵۰٪ در دمای زیر ۶۰۰ درجه فارنهایت شروع به یخ زدن می‌کند. این اتفاق یک مشکل بسیار رایج است و می‌تواند یک سیستم را بی‌فایده کند. بهترین راه برای دور زدن این مشکل استفاده از غلظت‌های کمتر است. ما معمولاً استفاده از NaOH 25٪ را توصیه می‌کنیم زیرا نقطه انجماد در این غلظت ۲۰۰- درجه فارنهایت است.

مواد سوزاننده تمایل زیادی به CO۲ موجود در جو دارد. جذب CO۲ منجر به تشکیل گونه‌های کربنات نامحلول می‌شود. این منجر به تشکیل جامداتی می‌شود که می‌توانند برای پمپ‌های کوچک مشکل‌ساز شوند. غلظت کمتری از مواد سوزاننده نه تنها مشکل یخ‌زدگی را کاهش می‌دهد بلکه باعث کاهش تشکیل مواد جامد در نتیجه جذب CO۲ می‌شود.

مواد سوزاننده گرانتر از آهک یا هیدروکسید منیزیم است، اما به دلیل حلالیت، کار با آن بسیار آسان‌تر است. واکنش‌های خنثی‌سازی با نزدیک شدن PH به نقطه پایان نمک‌ها را تشکیل می‌دهند. نمک‌های سدیم به طور معمول در آب کاملاً محلول هستند. بنابراین واکنش‌ها با استفاده از NaOH برخلاف محصولات کلسیم (آهک) یا محصولات منیزیم (هیدروکسید منیزیم) به طور معمول باعث تولید مواد جامد بالا نمی‌شوند. به طور کلی این یک باز ایمن و ارزان برای استفاده در خنثی‌سازی مواد اسیدی است.

هیدروکسید آمونیوم (NH۴OH):

یکی از مواد شیمیایی متداول در ایالات متحده، هیدروکسید آمونیوم گزینه ضعیفی برای یک ماده شیمیایی خنثی کننده است. نسبتاً گران است، کار با آن دشوار است، می‌تواند گازهای مضر و خورنده ایجاد کند و باز نسبتاً ضعیفی است.

با این وجود، ما هر از چند گاهی درباره استفاده از NH۴OH برای خنثی‌سازی اسیدها سوالی دریافت می‌کنیم. اگرچه می توانیم و می‌خواهیم از NH۴OH به عنوان ماده شیمیایی خنثی‌کننده استفاده کنیم و به طور کلی استفاده از آن را توصیه نمی‌کنیم. مخزن ذخیره و مخزن تصفیه باید از تهویه خوبی برخوردار باشند و نشتی می‌تواند خطرات زیادی را به همراه داشته باشد.

هیدروکسید آمونیوم به دلیل هزینه و دلایل ایمنی، معمولاً انتخاب خوبی برای عامل خنثی‌سازی اسیدها نیست.

مواد تنظیم‌ کننده PH
فروش منیزیم هیدروکساید
هیدروکسید منیزیم [Mg (OH) ۲].

این ماده شیمیایی در خنثی‌سازی اسیدها مؤثر است و توسط برخی از شرکت‌های شیمیایی تحت فشار قرار گرفته است. مانند آهک، استفاده از منیزیم هیدروکساید مقرون به صرفه‌تر از سوزاننده (NaOH) است، با این حال، تفاوت تا زمانی که حجم قابل توجهی استفاده نشود، قابل توجه نیست. مانند آهک، اداره هیدروکسید منیزیم نیز بسیار دشوارتر از NaOH است.

هیدروکسید منیزیم در مقادیر pH خنثی و بالاتر در آب قابل حل نیست. با توجه به این موضوع، هیدروکسید منیزیم تأثیر کمی بر قلیایی بودن آب که بیش از pH 7.0 باشد، دارد. این بدان معناست که حتی در سیستم ضعیف طراحی شده، pH بالاتر از pH 7.0 نخواهد بود و استفاده از این ماده شیمیایی را از نظر کنترل ایمن می‌کند. علاوه بر این، هیدروکسید منیزیم، همچنین به عنوان شیر منیزیم شناخته می‌شود، کنترل آن کاملاً ایمن است و به طور معمول سمی نیست.

مشخصه‌ای که توانایی هیدروکسید منیزیم را برای بالا بردن pH بالاتر از ۷.۰ (حلالیت) محدود می‌کند، به زمان واکنش بسیار طولانی نیز کمک می‌کند. زمان واکنش معمول برای خنثی‌سازی کامل به ترتیب ۹۰ دقیقه است.

همچنین در نتیجه حلالیت، کنترل هیدروکسید منیزیم دشوار است. هیدروکسید منیزیم دوغابی است که به سرعت از محلول جدا می‌شود. مخزن ذخیره باید دائماً تحریک شود و خطوط تحویل مواد شیمیایی باید در حرکت باشد.

چند کاربرد وجود دارد که هیدروکسید منیزیم نتایج مطلوبی را ایجاد می‌کند، با این حال، به دلیل حلالیت و زمان واکنش طولانی، هیدروکسید منیزیم به طور معمول گزینه خوبی نیست.

هیدروکسید کلسیم [Ca (OH) ۲].

این ترکیب معمولاً به آهک ذوب شده یا آهک هیدراته شناخته می‌شود. هیدروکسید کلسیم در نتیجه آبرسانی (اکسید کلسیم، CaO) ایجاد می‌شود. آهک از نظر اقتصادی مطلوب‌ترین معرف قلیایی است که برای خنثی‌سازی اسید استفاده می‌شود. آهک به طور قابل توجهی ارزان‌تر از سوزاننده (NaOH) است، اما کنترل آن بسیار دشوارتر است.

آهک یک محلول دو نرمال در آب تشکیل می‌دهد به این صورت که هر مول Ca (OH) ۲ دو مول هیدروکسید تولید می کند OH۲– به شرح زیر در خنثی‌سازی ساده اسید کلریدریک نقش دارد.

۲HCl + Ca (OH) ۲ → CaCl۲ + ۲H۲۰

مانند هیدروکسید منیزیم ، آهک در آب بسیار محلول نیست. اگرچه زمان واکنش آهک به طور قابل توجهی کمتر از هیدروکسید منیزیم است ، اما کنترل آهک دشوار است زیرا به عنوان دوغاب کنترل می‌شود.

Ca (OH) ۲ دو ظرفیتی است، به ازای هر یک مول از Ca (OH) ۲ دو مول (OH) ۲ حاصل می‌شود. هنگامی که با (NaOH) مقایسه شود، که یک ظرفیتی است، دو برابر قدرت خنثی‌سازی برای حجم مولی خاص آهک در دسترس است، بنابراین به اقتصاد آهک کمک می‌کند. مانند هیدروکسید منیزیم، آهک نیز به صورت کریستالی خشک تحویل می‌شود. سپس این باید با آب مخلوط شود تا دوغابی ایجاد شود تا به فرآیند تحویل داده شود. سهولت استفاده از سدیم هیدروکسید باعث می‌شود که حداقل نسبت به کاربردهای کم حجم، مطلوب تر از آهک باشد.

آهک دوغابی است که به سرعت از محلول جدا شده و ایجاد توده لجن می کند که تعلیق آن ممکن است بسیار دشوار باشد. مخزن ذخیره باید دائماً تحریک شود و خطوط تحویل مواد شیمیایی باید در حرکت باشد. به طور معمول حلقه های چرخش با یک شیر اندازه گیری خطی برای تحویل مواد شیمیایی استفاده می‌شود. خطوط استاتیک (چرخش نشده) قابل قبول نیستند زیرا دوغاب جدا می‌شود و خطوط به سرعت سته می‌شوند.

هنگامی که هدف از رسوب فلزات یا فلوراید باشد، آهک مزایایی را به همراه دارد. نمک‌های کلسیم به طور معمول کاملاً نامحلول هستند و به دلیل دو ظرفیتی بودن آهک، تراکم لجن به طور معمول بسیار بیشتر از آنهایی است که با مواد سوزاننده تشکیل شده‌اند (NaOH). آهک یک انتخاب عالی برای خنثی‌سازی اسید است. اگر حجم نسبتاً کم باشد و رسوب یون‌های فلز یا فلوراید از اهمیت بالایی برخوردار نباشد، بنابراین NaOH ممکن است گزینه بهتری باشد زیرا کنترل آن آسان‌تر است.

جهت آشنایی بیشتر با مواد تنظیم‌ کننده PH در فرمولاسیون شما با کارشناسان فنی ما تماس بگیرید.

منبع:

دلشاد دست مرد

دکتری شیمی دانشگاه صنعتی شریف - فعال در حوزه خرید و فروش مواد شیمیایی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا
برای مشاوره تماس بگیرید