Εργαστηριακές μέθοδοι αποτίμησης ποιότητας νερού & λυμάτων

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ & ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Εργαστήριο Τεχνικής και Σχεδιασμού Περιβάλλοντος Εργαστηριακές μέθοδοι αποτίμησης ποιότητας νερού & λυμάτων Ευθύμιος Νταρακάς Αν. Καθηγητής Ιούνιος 2013

2 Εργαστηριακές μέθοδοι αποτίμησης ποιότητας νερού & λυμάτων Ευχαριστώ τα μέλη της διδακτικής ομάδας του μαθήματος, συναδέλφους Αναστασία Μπέλου, Χημ. Μηχ., Δομνίκη Ιωαννίδου, Πολ. Μηχ., Μαρία Πεταλά, Δρ. Χημ. Μηχ. και Βασίλειο Τσιρίδη, Δρ. Χημ. Μηχ. για την υποστήριξή τους στη συγγραφή και την εκπόνηση των εργαστηριακών ασκήσεων. Ευθύμιος Νταρακάς Ιούνιος 2013

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 3 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 1 Γνωριμία και εξοικείωση με τον εργαστηριακό εξοπλισμό Παρασκευή διαλυμάτων... 4 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 2 Οξύτητα Αλκαλικότητα ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 3 Αγωγιμότητα - Αλατότητα ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 4 Διαλυμένο οξυγόνο ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 5 Βιοχημικά απαιτούμενο οξυγόνο (Biochemical Oxygen Demand, BOD) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 6 Ολικός οργανικός άνθρακας (Total Organic Carbon, TOC) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (Chemical Oxygen Demand, COD) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 8 Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD) Χρήση φορητού φασματοφωτομέτρου ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 9 Στερεές ουσίες στο νερό και στα απόβλητα ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 10 Δοκιμή καθίζησης στον κώνο του Imhoff Υπολογισμός του Δείκτη Όγκου Ιλύος ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 11 Μετρήσεις θολότητας Χρήση νεφελομέτρου ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 12 Κροκίδωση Συσσωμάτωση (Jar Test) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 13 Μέτρηση της απορρόφησης UV 254 nm Εκτίμηση των χουμικών ενώσεων που περιέχονται στα επιφανειακά νερά και στα υγρά απόβλητα (Χρήση φασματοφωτομέτρου) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 14 Μετρήσεις θρεπτικών αλάτων (Χρήση φασματοφωτομέτρου) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 15 Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 1

4 Μετρήσεις θρεπτικών αλάτων (Χρήση φορητού φασματοφωτομέτρου) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 16 Προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα Αποχρωματισμός δειγμάτων ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 17 Μέτρηση ολικού και ελεύθερου χλωρίου στο νερό ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 18 Μικροβιολογικές αναλύσεις νερού και λυμάτων ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 19 Μικροσκοπική παρατήρηση αναγνώριση μικροοργανισμών σε δείγματα ενεργού ιλύος.. 54 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 20 Προσδιορισμός ολικής σκληρότητας νερού ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 21 Φασματοφωτομετρία Ατομικής Απορρόφησης (Επίδειξη) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 22 Προσδιορισμός οικοτοξικότητας νερού και υγρών αποβλήτων ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 23 Προσδιορισμός φυτοτοξικότητας ΕΠΙΛΟΓΟΣ Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 2

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Το εργαστηριακό αυτό μάθημα επιλογής στοχεύει στην εξοικείωση φοιτητών του ΤΟΜΕΑ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ & ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ του ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ του Α.Π.Θ. με ένα Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας παρέχοντας τη δυνατότητα αυτενέργειας στη χρήση μικροσυσκευών και βασικών οργάνων τα οποία χρησιμοποιούνται σε μετρήσεις αποτίμησης ποιότητας νερού και λυμάτων. Οι φοιτητές εκτελούν συγκεκριμένες εργαστηριακές ασκήσεις σύμφωνα με γραπτές και προφορικές οδηγίες. Επιτηρούνται, υποστηρίζονται και καθοδηγούνται από τους υπεύθυνους του μαθήματος. Κάθε εργαστήριο αρχίζει με μικρή εισήγηση για το σκοπό, τους στόχους και την πρακτική εφαρμογή της συγκεκριμένης άσκησης μέτρησης και ολοκληρώνεται με συζήτηση για τα αποτελέσματα της μέτρησης, τυχόν αστοχίες του πειράματος, αλλά κυρίως για την πρακτική εφαρμογή του αποτελέσματος της μέτρησης (ποιότητα νερού, επεξεργασία λυμάτων κ.λ.π.). Κατά την υποδοχή των φοιτητών στο χώρο του εργαστηρίου γίνεται ενημέρωση από τους υπεύθυνους του μαθήματος για το αντικείμενο και το περιεχόμενό του. Μετά την δημιουργία ομάδων (2-3 φοιτητές) και αφού καθοριστούν οι θέσεις εργασίας, παραδίδονται στους φοιτητές τα απαραίτητα όργανα, σκεύη, υαλικά, αντιδραστήρια κ.λ.π. Με ευθύνη των φοιτητών, αυτά διατηρούνται καθαρά και λειτουργικά μέχρι την ολοκλήρωση όλων των εργαστηριακών ασκήσεων και την στιγμή της παράδοσής τους. Τονίζεται η ανάγκη της μεθοδικότητας στην εργασία καθώς επίσης και της σχολαστικής καθαριότητας των χώρων και των γυάλινων σκευών που χρησιμοποιούνται. Κανόνες ασφάλειας και υγιεινής Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη τήρηση των κανόνων ασφάλειας και υγιεινής στον εργαστηριακό χώρο. Οι κανόνες αυτοί βρίσκονται ανηρτημένοι σε διάφορα σημεία του εργαστηρίου. Στο χώρο του εργαστηρίου απαγορεύεται αυστηρά το φαγητό και ο καφές. Αξιολόγηση των φοιτητών Οι φοιτητές προσέρχονται στον εργαστηριακό χώρο την προκαθορισμένη ημέρα και ώρα και αποχωρούν μετά την ολοκλήρωση των εργαστηριακών πειραμάτων τους και τη συζήτηση που ακολουθεί σχετικά με την πρακτική εφαρμογή των αποτελεσμάτων. Καθυστέρηση κατά την προσέλευση και απουσίες δεν δικαιολογούνται. Η αξιολόγησή τους βασίζεται στη δεξιοτεχνία τους, τη μεθοδικότητα στην εργασία και την αντίληψή τους για τη χρησιμότητα και την πρακτική εφαρμογή των αποτελεσμάτων των μετρήσεων. Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 3

6 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 1 Γνωριμία και εξοικείωση με τον εργαστηριακό εξοπλισμό Παρασκευή διαλυμάτων Στόχος της άσκησης είναι η εξοικείωση των φοιτητών με τα γυαλικά, τα σκεύη και τις μικροσυσκευές που θα χρησιμοποιηθούν για τις μετρήσεις των φυσικοχημικών παραμέτρων που θα ακολουθήσουν. Οι εικόνες που παρατίθενται είναι ενδεικτικές και πρέπει να μελετηθούν προσεκτικά. Με τη βοήθειά τους και με τις προφορικές οδηγίες από τους υπεύθυνους του εργαστηρίου, ζητείται η παρασκευή διαφόρων διαλυμάτων. Ογκομετρικοί κύλινδροι Κωνικές φιάλες Ποτήρια ζέσεως Ογκομετρικές φιάλες Σιφώνια (πιπέτες) Αυτόματες πιπέτες Πουάρ Υδροβολέας Φιάλη διήθησης Χωνιά Κώνοι Imhoff Σπάτουλες & Κουταλάκια Ζυγός Αναλυτικός ζυγός Μαγνητικός αναδευτήρας Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 4

7 Γυάλινες φιάλες Τρυβλία Φιάλες BOD Προχοΐδα Χημικά αντιδραστήρια Οδηγίες για τη παρασκευή και την αραίωση των διαλυμάτων ΠΡΟΣΟΧΗ: Όλα τα γυάλινα σκεύη πρέπει να είναι καθαρά. Πλένονται με άφθονο νερό δικτύου, εάν είναι απαραίτητο και με απορρυπαντικό και με αραιό διάλυμα υδροχλωρικού ή μυρμηκικού οξέος. Ξεπλένονται με αποσταγμένο νερό. Τα σημάδια από το μαρκαδόρο αφαιρούνται με ακετόνη ή οινόπνευμα. 1. Αποφασίστε για το δοχείο (κοινή γυάλινη φιάλη, κωνική φιάλη, ποτήρι ζέσεως, ογκομετρική φιάλη) μέσα στο οποίο θα παρασκευαστεί το διάλυμα, ανάλογα με την ακρίβεια της ζύγισης και τον τελικό όγκο του διαλύματος που πρέπει να παρασκευαστεί. 2. Μεταφέρετε με προσοχή τη ζυγισμένη ουσία στο αντίστοιχο δοχείο. 3. Προσθέστε αποσταγμένο νερό με ογκομετρικό κύλινδρο ή υδροβολέα. 4. Για πλήρη διάλυση της ουσίας τοποθετήστε έναν μαγνήτη στο αντίστοιχο δοχείο (κωνική, ή κοινή γυάλινη φιάλη) και αναδεύστε σε μαγνητικό αναδευτήρα. 5. Για τις αραιώσεις χρησιμοποιήστε ογκομετρικούς κυλίνδρους ή σιφώνια των 5, 10, ή 20 ml και οπωσδήποτε πουάρ ή αυτόματη πιπέτα (σύμφωνα με τις προφορικές οδηγίες). 6. Χρησιμοποιήστε μαρκαδόρο ή αυτοκόλλητη ετικέτα για τη σήμανση όλων των διαλυμάτων σας. 7. Τα διαλύματα να διατηρηθούν γιατί θα χρησιμοποιηθούν για τις μετρήσεις που θα ακολουθήσουν. Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 5

8 Οδηγίες για τη ζύγιση 1. Όλοι οι ζυγοί ενός εργαστηρίου δεν παρέχουν την ίδια ακρίβεια στη ζύγιση. 2. Ο απλός ζυγός δεν είναι τόσο ακριβής όσο ο αναλυτικός ζυγός. Ωστόσο η ακρίβεια στη ζύγιση των ουσιών που απαιτούνται για την παρασκευή των περισσότερων διαλυμάτων που θα ακολουθήσουν είναι ικανοποιητική. 3. Ο αναλυτικός ζυγός παρέχει πολύ μεγάλη ακρίβεια (τεσσάρων δεκαδικών ψηφίων) στη ζύγιση μιας συγκεκριμένης μάζας, είναι όμως ευαίσθητος και απαιτεί λεπτούς χειρισμούς. Ακολουθείστε τις προφορικές οδηγίες των υπευθύνων και ζυγίστε τη μάζα της ουσίας που σας ζητείται. 4. Χρησιμοποιήστε σπάτουλα ή κουταλάκι και ένα μικρό ποτηράκι ζέσεως ή αλουμινόχαρτο ή χαρτί, για να ζυγίσετε τη συγκεκριμένη μάζα της ουσίας. 5. Μεταφέρετε με προσοχή τη ζυγισμένη μάζα της ουσίας στο κατάλληλο δοχείο μέσα στο οποίο θα παρασκευαστεί το διάλυμα. Διαδικασία παρασκευής διαλύματος σε ογκομετρική φιάλη 1. Μεταφέρετε με προσοχή τη ζυγισμένη ουσία στην ογκομετρική φιάλη. 2. Προσθέστε λίγο αποσταγμένο νερό (περίπου 60 ml αν πρόκειται για φιάλη των 100,0 ml) και ανακινείστε τη φιάλη. 3. Μην τοποθετείτε ποτέ μαγνήτη σε ογκομετρική φιάλη, η διάλυση της ουσίας επιτυγχάνεται με ανακίνηση της φιάλης. 4. Προσθέστε σιγά - σιγά αποσταγμένο νερό με τον υδροβολέα μέχρι τη χαραγή. 5. Προσθέστε το πώμα. 6. Ανακινείστε ξανά τη φιάλη για πλήρη διάλυση της ουσίας και το διάλυμα είναι έτοιμο. Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 6

9 Ακρίβεια στη μέτρηση συγκεκριμένου όγκου Σιφώνιο ή αυτόματη πιπέτα Ογκομετρική φιάλη Ογκομετρικός κύλινδρος Κωνική φιάλη - Ποτήρι ζέσεως (Η σειρά είναι φθίνουσα). Να παρασκευαστούν τα παρακάτω διαλύματα Α Διαλύματα 5,0 g Χλωριούχου Νατρίου (NaCl) σε 500 ml αποσταγμένο νερό Αραιώσεις Α1 Αραιώστε το διάλυμα Α 50%. (50 ml από το Α και 50 ml H 2 O) Α2 Αραιώστε το διάλυμα Α 10%. (10 ml από το Α και 90 ml H 2 O) Α3 Αραιώστε το διάλυμα Α 5%. (5 ml από το Α και 95 ml H 2 O) Β 1,3525 g Χλωριούχου Νατρίου (NaCl) σε 100,0 ml αποσταγμένο νερό Β1 Αραιώστε το διάλυμα Β 2%. (2 ml από το Β και 98 ml H 2 O) Γ 5,5 g Όξινου Ανθρακικού Νατρίου (NaHCO 3 ) σε 250 ml αποσταγμένο νερό Δ 2,0 g Διχρωμικού Καλίου (K 2 Cr 2 O 7 ) σε 100 ml αποσταγμένο νερό Γ1 Δ1 Αραιώστε το διάλυμα Γ 40%. (40 ml από το Γ και 60 ml H 2 O) Αραιώστε το διάλυμα Δ 20%. (20 ml από το Δ και 80 ml H 2 O) Ε 10,0 g Υδροξειδίου του Νατρίου (NaOH) σε 250 ml αποσταγμένο νερό (Προσοχή εξώθερμη αντίδραση) Ε1 Αραιώστε το διάλυμα Ε 10%. (25 ml από το Ε και 225 ml H 2 O) Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 7

10 Θεμελιώδεις έννοιες για τα διαλύματα Έκφραση της συγκέντρωσης Μοριακότητα διαλύματος (Molarity) είναι ο αριθμός των γραμμομορίων (moles) της διαλυμένης ουσίας ανά λίτρο διαλύματος και συμβολίζεται με το γράμμα Μ. Σύνδεση γραμμομορίων Μάζας Μοριακού βάρους : Πως μπορεί να παρασκευαστεί διάλυμα NaCl 1,0 Μ; Τα ατομικά βάρη του Na είναι 22,9 και του Cl 35,5. Διαλύονται 58,4 g NaCl σε τελικό όγκο 1000 ml νερού. Τα 58,4 g προκύπτουν από την άθροιση των ατομικών βαρών του Na (22,9) & του Cl (35,5). Ποια είναι η Μοριακότητα του διαλύματος που προκύπτει όταν 11,09 g CaCl 2 διαλύονται στο νερό και ο τελικός όγκος του διαλύματος είναι 100,0 ml; Τα ατομικά βάρη του Ca είναι 40,0 και του Cl 35,5. Διαιρώντας τη μάζα του CaCl 2 με το μοριακό του βάρος (MW) προκύπτουν: 0,1 moles. Τα 0,1 moles υπάρχουν στα 100,0 ml νερού. Μοριακότητα σε moles/l. Δηλαδή είναι: 1,0 Μ. Η συγκέντρωση (C) ορίζεται ως η μάζα μιας διαλυμένης ουσίας στο μοναδιαίο όγκο του διαλύματος [n = τα moles της διαλυμένης ουσίας (gr/mw), V = ο όγκος του διαλύματος (L)]. Εκφράζεται ως Μοριακότητα (Μ), Κανονικότητα (Ν), %w/v, %v/v, και συνήθως ως: [mg/l, mg/kg (ppm) μg/l, μg/kg (ppb)] Στατιστική ανάλυση μετρήσεων Εισαγωγή: Ο ρόλος ενός εργαστηρίου αναλύσεων είναι να παράγει έγκυρα αποτελέσματα. Για το σκοπό αυτό έχουν αναπτυχθεί τεχνικές ελέγχου και εξασφάλισης της ποιότητας των αποτελεσμάτων. Όλες οι μετρήσεις περιέχουν λάθος, το οποίο είναι είτε συστηματικό (μικρής μεταβλητότητας), είτε τυχαίο (η μεταβλητότητά του μπορεί να διαφέρει σημαντικά). Συχνά, οι διαδικασίες ελέγχου της ποιότητας (Quality Control, QC) ακολουθούνται, ώστε τα λάθη αυτά να εξακριβώνονται και να περιορίζονται. Στο πλαίσιο αυτό, καλή πρακτική θεωρείται ότι το αποτέλεσμα μιας μέτρησης θα πρέπει να συνοδεύεται και από την αβεβαιότητα αυτού του αποτελέσματος. Τέλος, διαδικασίες εξασφάλισης της ποιότητας (Quality Assurance, QA) χρησιμοποιούνται, ώστε τα αποτελέσματα των αναλύσεων να είναι έγκυρα. Στατιστική επεξεργασία: Εάν μία ανάλυση επαναληφθεί πολλές φορές στις ίδιες συνθήκες, τότε το αποτέλεσμα κάθε ανάλυσης, x i, κατανέμεται τυχαία γύρω από τον αριθμητικό μέσο όρο, λόγω τυχαίου ή πειραματικού σφάλματος. Ο μέσος όρος,, ορίζεται ως:, όπου n, είναι ο αριθμός των επαναληπτικών μετρήσεων. Η τυπική απόκλιση, s, αποτελεί παράμετρο υπολογισμού της διασποράς των αποτελεσμάτων γύρω από τη μέση τιμή τους και ορίζεται ως:, όπου ο όρος (n-1) είναι γνωστός και ως βαθμός ελευθερίας, ο οποίος υποδηλώνει ότι με την αφαίρεση της μονάδας από το πλήθος των μετρήσεων, η διακύμανση προέρχεται από το δείγμα και όχι από τον πληθυσμό και θεωρείται ότι αποτελεί αμερόληπτη εκτίμηση αυτού (χρησιμοποιείται όταν το πλήθος είναι μικρότερο από 30 περίπου, όπως και στην περίπτωση των χημικών αναλύσεων). Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 8

11 Πολλές φορές ο μέσος όρος εκφράζεται με ± τυπική απόκλιση για να δηλωθεί έτσι το διάστημα διασποράς των τιμών γύρω από το μέσο όρο. Η αξιοπιστία του διαστήματος αυτού αυξάνει σημαντικά, όταν επιπλέον θέλουμε να ορίσουμε τα όρια του διαστήματος των τιμών, στα οποία θα βρίσκεται πραγματικά ο μέσος όρος, αν οριζόταν η συγκεκριμένη πιθανότητα ακρίβειας, π.χ. 95 % ή 99 % (αλλιώς η πιθανότητα λάθους 5% ή 1%). Το διάστημα των τιμών μέσα στο οποίο περιέχεται ο μέσος όρος λέγεται % διάστημα εμπιστοσύνης (συνήθως επιλέγεται το 95 % ή το 99 %). Πάντως είναι αρκετά ακριβές να θεωρηθεί ότι το 95% των μετρήσεων βρίσκεται στο διάστημα, ενώ το 99% των μετρήσεων βρίσκεται στο διάστημα. Η τυπική απόκλιση επηρεάζεται έντονα από το πλήθος των μετρήσεων, γι αυτό και ως μέτρο της επίδρασης των μετρήσεων στην ακρίβεια του μέσου όρου χρησιμοποιείται το τυπικό σφάλμα, SE, το οποίο ορίζεται ως: Ένα άλλο στοιχείο της στατιστικής επεξεργασίας των μετρήσεων είναι ο συντελεστής σχετικής μεταβλητότητας ή συντελεστής διασποράς (Coefficient of Variation, CV). Ο συντελεστής αυτός μετρά τη μεταβλητότητα του αποτελέσματος ως προς το μέσο όρο και ορίζεται ως εξής:, και εκφράζεται ως ποσοστό. Το στατιστικό αυτό στοιχείο κανονικοποιεί την τυπική απόκλιση και επιτρέπει απευθείας συγκρίσεις μεταξύ των αναλύσεων που περιλαμβάνουν μεγάλο εύρος τιμών. Για παράδειγμα, εάν οι αναλύσεις πραγματοποιούνται σε χαμηλή κλίμακα και προκύπτουν αποτελέσματα, π.χ. 10 ± 1,5 mg/l, και σε υψηλή κλίμακα με αποτελέσματα π.χ. 100 ± 8 mg/l, οι τυπικές αποκλίσεις δε φαίνονται συγκρίσιμες. Ωστόσο, οι ποσοστιαίες σχετικές αποκλίσεις, οι οποίες υπολογίζονται 100 (1,5/10) = 15 % και 100 (8/100) = 8 %, υποδεικνύουν ότι οι διακυμάνσεις είναι χαμηλές. Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 9

12 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 2 Οξύτητα Αλκαλικότητα Ο βαθμός οξύτητας (ph) ή αλκαλικότητας (poh) είναι από τα πλέον σημαντικά χημικά χαρακτηριστικά του νερού. Σαν δείκτης των χαρακτηριστικών αυτών χρησιμοποιείται η συγκέντρωση των κατιόντων υδρογόνου (Η + ) του διαλύματος. Είναι γνωστό ότι το καθαρό νερό είναι ιονισμένο σε κατιόντα υδρογόνου (Η + ) και ανιόντα υδροξυλίου (ΟΗ - ) σύμφωνα με την εξίσωση: Η 2 Ο Η + + ΟΗ -. Ως ph ορίζεται «ο αρνητικός δεκαδικός λογάριθμος της συγκέντρωσης των κατιόντων υδρογόνου» ph = - log[h + ]. Η κλίμακα μέτρησης του ph εκτείνεται από 0 ως 14. Η τιμή 7 αντιστοιχεί σε ουδέτερα δείγματα. Τιμές μικρότερες του 7 υποδεικνύουν υπεροχή υδρογονιόντων (οξύτητα) στο δείγμα, ενώ τιμές μεγαλύτερες από 7 αντιστοιχούν σε αλκαλικά δείγματα (υπεροχή υδροξυλιόντων). Δηλαδή: ph 7 σημαίνει ουδέτερο διάλυμα, (συγκέντρωση κατιόντων Η + : C Η + = 10-7 mole/lit). ph 7 σημαίνει όξινο διάλυμα, (συγκέντρωση κατιόντων Η + : C Η + > 10-7 mole/lit). ph 7 σημαίνει αλκαλικό διάλυμα, (συγκέντρωση κατιόντων Η + : C + Η < 10-7 mole/lit). Η ενεργός οξύτητα (ph) του νερού εξαρτάται από τη θερμοκρασία, την αλατότητα (παρουσία ανιόντων θείου, χλωρίου κ.ά., κατιόντων ασβεστίου, μαγνησίου κ.ά.), τις συγκεντρώσεις του διοξειδίου του άνθρακα και του οξυγόνου, καθώς και από τη μεταβολική δραστηριότητα των υδρόβιων οργανισμών (φωτοσύνθεση, αναπνοή) και την αποσύνθεση των οργανικών ουσιών. Η ενεργός οξύτητα επηρεάζει πολλές βιολογικές και χημικές αντιδράσεις και πολλές φορές χρησιμεύει σαν δείκτης ρύπανσης. Το σύνολο των βιοχημικών αντιδράσεων στο εσωτερικό των κυττάρων πραγματοποιείται σε ουδέτερο ph. Όξινα ή αλκαλικά περιβάλλοντα δυσχεραίνουν την πορεία των αντιδράσεων ή αναστέλλουν την πραγματοποίησή τους. Τα φυσικά νερά έχουν τιμές ph που κυμαίνονται μεταξύ 4 και 9, ενώ τιμές 6,5-8,5 είναι στις περισσότερες περιπτώσεις οι καταλληλότερες για τους υδρόβιους οργανισμούς. Η μέτρηση του ph είναι μία από τις σημαντικότερες μετρήσεις κατά την αξιολόγηση της ποιότητας του νερού. Παλαιότερα οι μετρήσεις γίνονταν χρωματομετρικά, δηλαδή με τη βοήθεια των δεικτών, (ουσίες που αλλάζουν χρώμα σε διαφορετικές τιμές του ph), σήμερα όμως με την εμφάνιση και ανάπτυξη των ηλεκτροδίων υάλου και διαφόρων ρητινών, το ph μετράται πολύ εύκολα με σύγχρονα αναλογικά ή ψηφιακά πεχάμετρα (εικόνα 2.1). Αλκαλικότητα είναι η ικανότητά του νερού να εξουδετερώνει οξέα. Συνήθως οι κύριες συνιστώσες της είναι τα όξινα ανθρακικά (HCO 3 - ) και ανθρακικά (CO 3 2- ) ιόντα που προκύπτουν από τον ιονισμό του διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) και από τα υδροξύλια (ΟΗ - ). Το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) διαλύεται εύκολα στο νερό συμβάλλοντας στη διαμόρφωση ενός περιβάλλοντος κατάλληλου για τη ζωή, δεδομένου ότι συμμετέχει στις διαδικασίες της φωτοσύνθεσης και της αναπνοής και αποτελεί ουσιαστική πηγή άνθρακα, άμεσα ή έμμεσα, για τις ενεργειακές απαιτήσεις των οργανισμών. Αύξηση της συγκέντρωσης του CO 2 στα φυσικά νερά προκαλεί μείωση του ph και αντίστροφα. Τα φυσικά νερά παρουσιάζουν μεγάλη ρυθμιστική ικανότητα, ανθίστανται δηλαδή, μέσω μιας σειράς χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν στο εσωτερικό τους, σε απότομες μεταβολές του ph. Σημαντικές και σχετικά μόνιμες μεταβολές στο ph παρατηρούνται συνήθως κάτω από την επίδραση εξωγενών παραγόντων. Χαμηλές τιμές του ph οφείλονται συχνά στην εισαγωγή οξέων στα φυσικά νερά (όξινη βροχή, αστικά και βιομηχανικά απόβλητα κ.ά.). Εμπλουτισμός των νερών με θειικά οξέα συμβαίνει με τη βροχή (το νερό της βροχής περιέχει, μεταξύ άλλων ανιόντων και θειικά SO 4 2- ) ή μπορεί να οφείλεται στη σύσταση του υπεδάφους της λεκάνης απορροής. Αλκαλικές τιμές ph συναντώνται σε περιπτώσεις έντονης φωτοσυνθετικής δραστηριότητας - ευτροφισμός (κατά τη φωτοσύνθεση το φυτοπλαγκτόν μειώνει τη συγκέντρωση του CO 2 του νερού), σε περιπτώσεις ρύπανσης των υδάτινων αποδεκτών με αλκαλικές ουσίες (απορρυπαντικά κ.ά. από αστικά και βιομηχανικά απόβλητα) και σε αυξημένες συγκεντρώσεις ασβεστίου, νατρίου και μαγνησίου. Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 10

13 Η ανθρακική αλκαλικότητα εκφράζεται ως εξής: Αλκαλικότητα = [ΗCΟ 3 - ] + 2[CO 3 2- ] + [OH - ] [H + ] meq/l. Για μεγαλύτερη ακρίβεια θα έπρεπε να συμπεριλαμβάνονται περισσότερα ιόντα όπως για παράδειγμα στον προσδιορισμό της ολικής αλκαλικότητας (ΤΑ) του θαλασσινού νερού: TA (Total Alkalinity) = [HCΟ 3 - ] + 2[CΟ 3 2- ] + [B(OH) 4 - ] + [OH-] + [HPΟ 4 2- ] + 2[PΟ 4 3- ] + [SiO(ΟΗ) 3 - ] + [HS-] + [NH 3 ] - [Η + ] - [HSΟ 4 - ] - [HF] - [Η 3 PΟ 4 ]. Εντός των παρενθέσεων δίνονται τα γραμμοϊόντα ανά λίτρο. Συνήθως η αλκαλικότητα μετριέται σε ισοδύναμη συγκέντρωση ανθρακικού ασβεστίου (CaCO 3 ) του οποίου το γραμμομόριο είναι 100 gr και το γραμμοϊσοδύναμο 50 gr, δεδομένου ότι ιονίζεται στα δισθενή ιόντα ασβεστίου (Ca 2+ ) και ανθρακικά ιόντα (CO 3 2- ). 100mg / mmole ύ ά CaCO3 50mg / meq 2meq / mmole Παράδειγμα: Αλκαλικότητα 3 meq/l μπορεί να εκφραστεί ως 150 mg/l CaCO 3. Οδηγίες για τη μέτρηση του ph Μελετήστε προσεκτικά της οδηγίες χρήσης του ph-μετρου Όξινο Ουδέτερο Αλκαλικό Εικόνα 2.1. ph-μετρα 1. Ρυθμίστε το όργανο σύμφωνα με τις γραπτές και τις προφορικές οδηγίες. 2. Το ηλεκτρόδιο πλένεται με άφθονο νερό δικτύου και στη συνέχεια με αποσταγμένο νερό πριν και μετά από κάθε μέτρηση. 3. Χειριστείτε το γυάλινο ηλεκτρόδιο του ph-μέτρου με προσοχή, είναι ιδιαίτερα εύθραυστο! 4. Τοποθετείστε το δείγμα σας στο μαγνητικό αναδευτήρα και μετρήστε τη θερμοκρασία και το ph των διαλυμάτων που παρασκευάστηκαν στην Εργαστηριακή Άσκηση Συμπληρώστε τα αποτελέσματα των μετρήσεών σας στον πίνακα 2.1. Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 11

14 Πίνακας 2.1. Αποτελέσματα μετρήσεων Δείγμα ph Θερμοκρασία Αγωγιμότητα Αλατότητα Αποσταγμένο νερό Νερό δικτύου Νερό δικτύου + 3 σταγόνες 1Ν HNO 3 Νερό δικτύου + 2 σταγόνες από το διάλυμα Ε Α Α1 Α1 + 2 σταγόνες 1Ν HNO 3 Α2 + 4 σταγόνες 1Ν HNO 3 Α3 + 3 σταγόνες από το διάλυμα Ε Γ Γ + 2,0 ml από το διάλυμα Ε1 Ε1 Εμφιαλωμένο νερό Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 12

15 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 3 Αγωγιμότητα - Αλατότητα Η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι εξ ορισμού η ικανότητα ενός υλικού να διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα και είναι αντιστρόφως ανάλογη της ηλεκτρικής αντίστασης. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του νερού αναφέρεται στην ικανότητά του να μεταφέρει - άγει ηλεκτρικά φορτία. Η ικανότητα αυτή εξαρτάται από: την παρουσία ιόντων (κατ επέκταση αλάτων), τη συγκέντρωση των ιόντων, την ευκινησία των ιόντων, το σθένος των ιόντων και τη θερμοκρασία του διαλύματος. Η μονάδα μέτρησης της αγωγιμότητας είναι το mho/cm, δηλαδή το αντίστροφο της αντίστασης (ohm) ή το Siemens/cm (S/cm), με υποδιαιρέσεις: το microsiemens/cm (μs/cm) ίσο με 10-6 S/cm και το millisiemens/cm (ms/cm) ίσο με 10-3 S/cm. Το όργανο μέτρησης της σπουδαίας αυτής παραμέτρου είναι το αγωγιμόμετρο (εικόνα 3.1). Οι τιμές της αγωγιμότητας είναι ενδεικτικές για την ποιότητα των φυσικών νερών. Απόβλητα και ρύποι που εισέρχονται στους υδάτινους αποδέκτες τροποποιούν την αγωγιμότητα, ειδικότερα αν οι ρύποι περιλαμβάνουν ιόντα όπως ανθρακικά, θειικά, χλωρίου, μαγνησίου, νατρίου, καλίου και φωσφόρου. Απότομη αύξηση της αγωγιμότητας του νερού ενός φυσικού αποδέκτη αποτελεί ένδειξη ρύπανσης. Η αύξηση της αγωγιμότητας συνδέεται με την ενηλικίωση (παλαίωση) μιας υδάτινης μάζας εξαιτίας της αύξησης των θρεπτικών συστατικών της (ευτροφισμός). Όσο μεγαλύτερη είναι η αγωγιμότητα στα γλυκά νερά τόσο μεγαλύτερη είναι η βιολογική παραγωγικότητα. Συνήθως στα φυσικά γλυκά νερά η ηλεκτρική αγωγιμότητα κυμαίνεται από μs/cm. Το νερό του δικτύου ύδρευσης της Θεσσαλονίκης έχει αγωγιμότητα περίπου 650 μs/cm. Σε μερικά βιομηχανικά απόβλητα η τιμή της αγωγιμότητας υπερβαίνει τα μs/cm. Όσο υψηλότερη είναι η συγκέντρωση των αλάτων σε ένα υδατικό διάλυμα τόσο μεγαλύτερη είναι η αγωγιμότητα. Σε νερά με χαμηλή περιεκτικότητα αλάτων έχει βρεθεί ότι το σύνολο των ολικών διαλυμένων στερεών (Total Dissolved Solids, TDS) ισούται με το ήμισυ της αγωγιμότητας. Καθώς η συγκέντρωση των αλάτων αυξάνεται (TDS > 1000 mg/l και αγωγιμότητα μεγαλύτερη από 2000 μs/cm) ελαττώνεται η ενεργότητα των ιόντων και κατά συνέπεια ελαττώνεται η ικανότητά τους να άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα, οπότε το σύνολο των ολικών διαλυμένων στερεών (TDS) ισούται κατά προσέγγιση με την αγωγιμότητα. Η αγωγιμότητα διευκολύνει την εκτίμηση της επίδρασης των διαφόρων ιόντων στις χημικές ισορροπίες, στο ρυθμό διάβρωσης στα μέταλλα, στην ανάπτυξη των φυτών και ζώων κ.λ.π. Με την αγωγιμότητα ελέγχεται η καθαρότητα του αποσταγμένου ή απιονισμένου νερού (το φρέσκο έχει ειδική αγωγιμότητα μs/cm ενώ μετά από μερικές εβδομάδες παραμονής έχει 2-5 μs/cm εξαιτίας της προσρόφησης CO 2 από την ατμόσφαιρα). Με την αγωγιμότητα μπορούν να εκτιμηθούν οι ημερήσιες διακυμάνσεις της συγκέντρωσης των διαλυμένων μεταλλοϊόντων στα απόβλητα και να προσδιοριστεί προσεγγιστικά η ποσότητα των απαιτούμενων χημικών ουσιών για την εξουδετέρωση ή την κροκίδωση ορισμένων αποβλήτων. Με την αγωγιμότητα συνδέεται και η αλατότητα, η οποία ορίζεται ως η «συνολική ποσότητα των στερεών ουσιών σε γραμμάρια που περιέχονται σε 1 Kg θαλασσινό νερό, όταν όλα τα ανθρακικά (CO 3 2- ) έχουν μετατραπεί σε οξείδια, τα βρωμιούχα (Br - ) και ιωδιούχα (I - ) έχουν αντικατασταθεί από χλωριούχα (Cl - ) ιόντα και έχει οξειδωθεί όλη η οργανική ύλη» Η αλατότητα εκφράζεται ως ποσοστό επί τοις χιλίοις (S ) και μπορεί να υπολογιστεί χημικά με τη βοήθεια της «χλωριότητας» ως εξής: S = 1,80655 x Cl. Η αλατότητα των θαλασσών κυμαίνεται μεταξύ 32,0 37,5 με χαμηλές τιμές στους πόλους της γης και πολύ υψηλές στις τροπικές ζώνες. Αυτό οφείλεται μεταξύ άλλων στις βροχοπτώσεις και στα ποσοστά εξάτμισης. Στη Νεκρά θάλασσα, όπου έχουμε υψηλά ποσοστά εξάτμισης και χαμηλά ποσοστά βροχόπτωσης, η αλατότητα προσεγγίζει τιμές 43. Η αλατότητα μετριέται επίσης απ ευθείας με σύγχρονα όργανα, τα γνωστά «αγωγιμόμετρα σαλινόμετρα». Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 13

16 Οδηγίες για τη μέτρηση της αγωγιμότητας και της αλατότητας Μελετήστε προσεκτικά της οδηγίες χρήσης του αγωγιμομέτρου. Εικόνα 3.1. Αγωγιμόμετρα σαλινόμετρα 1. Ρυθμίστε το όργανο σύμφωνα με τις γραπτές και τις προφορικές οδηγίες. 2. Το ηλεκτρόδιο χρειάζεται πολύ καλό ξέπλυμα με άφθονο αποσταγμένο νερό πριν και μετά από κάθε μέτρηση. Προσοχή στο γυάλινο ηλεκτρόδιο, είναι εύθραυστο! 3. Μετρήστε: α) τη θερμοκρασία, β) την αγωγιμότητα και γ) την αλατότητα των διαλυμάτων σας. 4. Συμπληρώστε τα αποτελέσματα των μετρήσεών σας στον πίνακα 2.1. Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 14

17 ΕΡΩΤΗΣΗ ΑΠΑΝΤΗΣΗ Ποια είναι η αγωγιμότητα του αποσταγμένου νερού (Α) και ποια του όμβριου νερού (Β); Α Β Σε τι επίπεδα κυμαίνεται φυσικών νερών; η αγωγιμότητα των Σε τι επίπεδα κυμαίνεται θαλασσινού νερού; η αγωγιμότητα του Τι σημαίνει ο όρος «υφαλμύρωση» των υπόγειων νερών; Τι συμπέρασμα εξάγετε εάν μετρήσετε αγωγιμότητα νερού το οποίο υπερβαίνει την τιμή των μs/cm; Τι συμπέρασμα εξάγετε εάν μετρήσετε αγωγιμότητα νερού το οποίο υπερβαίνει την τιμή των ms/cm; Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 15

18 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 4 Διαλυμένο οξυγόνο Ο εμπλουτισμός των φυσικών νερών σε οξυγόνο γίνεται είτε μέσω διάχυσης του ατμοσφαιρικού οξυγόνου στο νερό είτε μέσω της φωτοσυνθετικής παραγωγής οξυγόνου (6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 ) από τα ανώτερα υδρόβια φυτά και το φυτοπλαγκτόν. Το νερό όπως όλοι οι διαλύτες έχει την ιδιότητα να διαλύει ατμοσφαιρικά αέρια όπως άζωτο (Ν 2 ), οξυγόνο (Ο 2 ), διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) και αδρανή αέρια. Ενώ το CO 2 αντιδρά μερικώς με το νερό και σχηματίζει ανθρακικό οξύ (H 2 CO 3 ), το οξυγόνο διαλύεται φυσικά στο νερό. Η διαλυτότητα του οξυγόνου στο νερό εξαρτάται κυρίως από τη θερμοκρασία, την αλατότητα και την ατμοσφαιρική πίεση. Ωστόσο υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν τη διαλυτότητά του σε μια υδάτινη μάζα όπως: κλίμα - μετεωρολογικές συνθήκες στην περιοχή, ρεύματα αέρα κυματισμός, αφθονία οργανισμών (φωτοσυνθετικών αερόβιων), αφθονία ανόργανου και οργανικού υλικού (που παράγεται ή εισέρχεται στην υδάτινη μάζα), περιεκτικότητα των εισερχόμενων στην υδάτινη μάζα νερών σε οξυγόνο, σχήμα και μέγεθος της λεκάνης απορροής. Στον πίνακα που 4.1 παρουσιάζεται η διαλυτότητα του οξυγόνου σε γλυκό και θαλασσινό νερό σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες και πιέσεις. Πίνακας 4.1. Διαλυτότητα του οξυγόνου στο νερό Θερμοκρασία o C Αλατότητα: 0, Πίεση: 760 mm Hg (1 bar) Αλατότητα: 35, Πίεση: 760 mm Hg (1 bar) mg/l ml/l mg/l ml/l Η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου (Dissolved Oxygen, D.O.) στο νερό αποτελεί αναμφισβήτητο δείκτη της κατάστασης και της βιωσιμότητας του υδάτινου οικοσυστήματος. Η ανάπτυξη των περισσότερων μορφών ζωής (ζωικών, φυτικών, μυκήτων, πρωτίστων και βακτηρίων) προϋποθέτει την παρουσία οξυγόνου. Οι καύσεις των οργανικών ουσιών (κυρίως σακχάρων και λιπαρών οξέων), εξασφαλίζουν την απαραίτητη για την επιβίωση, ανάπτυξη και αναπαραγωγή ενέργεια στην πλειονότητα του έμβιου κόσμου και απαιτούν οξυγόνο. Οι υδρόβιοι Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 16

19 οργανισμοί χρειάζονται διαφορετικά ποσά διαλυμένου οξυγόνου. Όταν τα επίπεδα του διαλυμένου οξυγόνου βρίσκονται κάτω από 3 mg/l, προκαλούν στρες στους περισσότερους υδρόβιους οργανισμούς, ενώ επίπεδα κάτω από 2 ή 1 mg/l δεν ευνοούν τη ζωή των ψαριών. Επίπεδα 5 ή 6 mg/l είναι συνήθως τα χαμηλότερα όρια για την ανάπτυξη και τις δραστηριότητες των υδρόβιων οργανισμών. Αύξηση της θερμοκρασίας του νερού συνεπάγεται μείωση της συγκέντρωσης του διαλυμένου οξυγόνου. Καθώς η θερμοκρασία ενός διαλύματος αυξάνεται, το περιεχόμενο αέριο εκδιώκεται μέχρι να συμβεί πλήρης εξαέρωση του διαλύτη στο σημείο βρασμού. Σε σταθερή θερμοκρασία, η πίεση που ασκεί το ατμοσφαιρικό οξυγόνο στην επιφάνεια του νερού ενός υδάτινου οικοσυστήματος είναι ανάλογη της συγκέντρωσης του οξυγόνου στο νερό. Συνεπώς, αύξηση της ατμοσφαιρικής πίεσης αυξάνει τη διαλυτότητα του οξυγόνου στο νερό και αντίστροφα. Η κλασική μέθοδος μέτρησης του διαλυμένου οξυγόνου στο νερό είναι η μέθοδος Winkler, σύμφωνα με την οποία το διαλυμένο οξυγόνο δεσμεύεται σε κατάλληλες φιάλες δειγματοληψίας με τη βοήθεια ειδικών αντιδραστηρίων (MnCl 2.5H 2 O και KI/KOH), και στη συνέχεια προσδιορίζεται στο εργαστήριο, όπου τιτλοδοτείται με θειοθειϊκό νάτριο (Na 2 S 2 O 3.5H 2 O) χρησιμοποιώντας δείκτη αμύλου. Σήμερα έχουν αναπτυχθεί διάφορα σύγχρονα όργανα μέτρησης του διαλυμένου οξυγόνου τα γνωστά οξυγονόμετρα, αναλογικά ή ψηφιακά (εικόνα 4.1) και η μέτρηση καθίσταται πιο εύκολη. Τα αποτελέσματα της μέτρησης εκφράζονται σε mg/l διαλυμένου οξυγόνου ή σε ποσοστό (%) κορεσμού. Οδηγίες για τη μέτρηση του διαλυμένου οξυγόνου Μελετήστε προσεκτικά τον τρόπο λειτουργίας της συσκευής μέτρησης του διαλυμένου οξυγόνου (οξυγονομέτρου). Εικόνα 4.1. Οξυγονόμετρα 1. Ρυθμίστε το όργανο σύμφωνα με τις γραπτές και τις προφορικές οδηγίες. 2. Μετρήστε τη θερμοκρασία και τη συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου (D.O.) του νερού του δικτύου. Πάρετε αντιπροσωπευτικό δείγμα (βρύση ανοιχτή για περίπου 3 λεπτά) σε ένα ποτήρι ζέσεως των 500 ml. Σημειώστε το αποτέλεσμα της μέτρησής σας στον πίνακα 4.2. (Προσοχή στην έκφραση των αποτελεσμάτων). 3. Αναδεύσατε το δείγμα σας και μετρήστε πάλι το διαλυμένο οξυγόνο. Τι παρατηρείτε; 4. Θερμάνετε / ψύξτε το δείγμα σας. Μετρήστε αντίστοιχα. Τι παρατηρείτε; Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 17

20 Πίνακας 4.2. Αποτελέσματα μετρήσεων διαλυμένου οξυγόνου (D.O.) Παράμετρος / Συνθήκες μέτρησης Θερμοκρασία ( o C) D.O. (mg/l) D.O. (%) Παρατηρήσεις D.O. (δείγμα σε ηρεμία) D.O. (μετά από ανάδευση) D.O. (μετά από θέρμανση) D.O. (μετά από ψύξη) ΕΡΩΤΗΣΗ ΑΠΑΝΤΗΣΗ Τι συγκέντρωση D.O. αναμένεται σε έναν «υγιή» φυσικό υδάτινο αποδέκτη; Τι συγκέντρωση D.O. αναμένεται σε έναν φυσικό υδάτινο αποδέκτη ο οποίος έχει υποστεί ευτροφισμό; Σε τι επίπεδα κυμαίνεται η συγκέντρωση του D.O. στα φρέσκα αστικά λύματα; Ποιο είναι το επιθυμητό επίπεδο συγκέντρωσης του D.O. στη Δεξαμενή Ενεργού Ιλύος; Γιατί είναι απαραίτητο το D.O. στις αερόβιες βιολογικές διεργασίες; Με ποιο τρόπο οξυγονώνονται τα λύματα κατά την αερόβια βιολογική επεξεργασία; Η διεργασία της νιτροποίησης ή αυτή της απονιτροποίησης απαιτεί υψηλότερη συγκέντρωση (κατανάλωση) D.O. και γιατί; Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 18

21 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 5 Βιοχημικά απαιτούμενο οξυγόνο (Biochemical Oxygen Demand, BOD) Το Βιοχημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο (Biochemical Oxygen Demand, BOD) είναι η παράμετρος που χρησιμοποιείται για την εκτίμηση του οργανικού φορτίου (της τροφής) των υγρών αποβλήτων και των ρυπασμένων νερών. Είναι δηλαδή η ποσότητα του διαλυμένου οξυγόνου που απαιτείται από τους μικροοργανισμούς για την πλήρη βιοχημική οξείδωση των περιεχόμενων οργανικών ουσιών. H ταχύτητα της βιολογικής αυτής οξείδωσης εξαρτάται από το είδος της οργανικής ύλης που περιέχεται στο προς εξέταση δείγμα. Υπάρχουν οργανικές ουσίες που οξειδώνονται (αποικοδομούνται) βιολογικά σχετικά εύκολα αλλά υπάρχουν και αυτές που δεν οξειδώνονται βιολογικά (μη βιοδιασπάσιμες ύλες). Ως γνωστόν τα αστικά λύματα περιέχουν κυρίως υδατάνθρακες π.χ. κυτταρίνη, σάκχαρα, άμυλο, καθώς επίσης και αζωτούχες (ουρία, πρωτεΐνες κ.λ.π.) και θειούχες ενώσεις. Οι περισσότερες απ' αυτές τις ουσίες κατά την βιολογική οξείδωση διασπώνται σε άλλες απλούστερες και δίνουν ανάλογα προϊόντα όπως διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), αμμωνία (ΝΗ 3 ) και νερό (Η 2 Ο). Οι οξειδωτικές αυτές αντιδράσεις είναι συνυφασμένες με υψηλή κατανάλωση οξυγόνου, η οποία λαμβάνεται σαν μέτρο της οργανικής ρύπανσης των νερών. Η βιολογική αποικοδόμηση των ρυπαντικών (οργανικών) ουσιών γίνεται σε δύο στάδια (σχήμα 5.1). Σχήμα 5.1. Τα δύο στάδια της βιολογικής αποικοδόμησης της οργανικής ύλης (BOD) Στο πρώτο στάδιο αποικοδομούνται κυρίως οι ενώσεις του άνθρακα (υδατάνθρακες, λίπη), προηγείται δηλαδή η οξείδωση των ευκολότερα βιοδιασπάσιμων ουσιών, ενώ στο δεύτερο οι ενώσεις του αζώτου (πρωτεΐνες, αμινοξέα). Το πρώτο στάδιο, για θερμοκρασία 20 C, αρχίζει αμέσως και ολοκληρώνεται μέσα σε 20 περίπου ημέρες. Το δεύτερο στάδιο, για θερμοκρασία 20 C, αρχίζει μετά την πάροδο ημερών και διαρκεί πολύ περισσότερο χρόνο. Σημειώνεται ότι σε υψηλές θερμοκρασίες η αποικοδόμηση των οργανικών ουσιών γίνεται ταχύτερα και ότι κατά το στάδιο οξείδωσης των αζωτούχων ενώσεων παράγεται νιτρικό οξύ το οποίο στη συνέχεια αντιδρά με τα περιεχόμενα στα οικιακά λύματα ανθρακικά και όξινα ανθρακικά και ουδετεροποιείται. Όπως προκύπτει και από το διάγραμμα η ολοκλήρωση της μέτρησης (πειράματος) απαιτεί πολύ χρόνο. Για θερμοκρασία 20 ο C απαιτούνται περίπου 20 ημέρες για να ικανοποιηθούν τα % του ολικού BOD και γι αυτό η κατανάλωση του οξυγόνου καθορίζεται με βάση τον προσδιορισμό του Βιοχημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου σε πέντε (5) ημέρες (BOD 5 ). Είναι προφανές ότι η ταχύτητα αποικοδόμησης των οργανικών ουσιών είναι διαφορετική στις διάφορες θερμοκρασίες. Σε υψηλές θερμοκρασίες η αποικοδόμηση πραγματοποιείται ταχύτερα. Για τη μέτρηση του BOD το δείγμα τοποθετείται σε μια γυάλινη σκουρόχρωμη φιάλη (εικόνα 5.1) και αναδεύεται ισχυρά ώστε το περιεχόμενό της να εμπλουτιστεί με οξυγόνο. Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 19

22 Στη συνέχεια σφραγίζεται και διατηρείται υπό ανάδευση στο σκοτάδι και σταθερή θερμοκρασία 20C για πέντε ημέρες. Μετά τη πάροδο πέντε ημερών υπολογίζεται (συνήθως μανομετρικά) η διαφορά πίεσης που υπάρχει στη φιάλη από την κατανάλωση οξυγόνου από τους μικροοργανισμούς προκειμένου αυτοί να επιβιώσουν και να αποικοδομήσουν το οργανικό φορτίο του δείγματος. Το αποτέλεσμα της κατανάλωσης οξυγόνου είναι το BOD 5 και εκφράζεται σε mg O 2 /lt λυμάτων. Το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) που παράγεται κατά τη βιολογική οξείδωση εξουδετερώνεται με μια ιδιαίτερη τεχνική, με υδροξείδιο του νατρίου (NaOH). Τα αποτελέσματα των μετρήσεων του BOD χρησιμοποιούνται για την εύρεση της ποσότητας οξυγόνου που απαιτείται για τη βιοχημική οξείδωση των οργανικών ουσιών, για την εύρεση του μεγέθους (διαστασιολόγηση) των εγκαταστάσεων επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων, για τη μέτρηση της αποδοτικότητας μερικών διεργασιών επεξεργασίας υγρών αποβλήτων και για την εύρεση των τιμών συμμόρφωσης με τα όρια των εκροών τα οποία τίθενται από τη νομοθεσία. Οδηγίες για τη μέτρηση του BOD (Μανομετρική μέθοδος Oxi top ) Μελετήστε προσεκτικά τον τρόπο λειτουργίας της συσκευής μέτρησης του BOD. Εικόνα 5.1. Μέτρηση του BOD (Oxi top ) 1. Η μέτρηση πραγματοποιείται πάντα σε συνθήκες σκότους, ανάδευσης και θερμοκρασία 20C. 2. Αποφασίστε για τον όγκο του δείγματος που θα χρησιμοποιήσετε βάσει του αναμενόμενου αποτελέσματος με μόνο δεδομένο την προέλευση των δειγμάτων (ανεπεξέργαστα αστικά λύματα από την είσοδο της ΕΕΛ ή επεξεργασμένα αστικά λύματα από την έξοδο της ΕΕΛ). 3. Τοποθετείστε μαγνήτη μέσα στη φιάλη. 4. Τοποθετείστε τα δείγματά σας (χωρίς το πώμα) στη συσκευή ανάδευσης για περίπου 30 λεπτά. Αυτό είναι απαραίτητο για την προσαρμογή των δειγμάτων στη θερμοκρασία των 20 ο C, αλλά κυρίως για τον εμπλουτισμό τους σε οξυγόνο. 5. Τοποθετείστε τρεις (3) παστίλιες υδροξειδίου του νατρίου (NaOH) στον ειδικό μαύρο πλαστικό υποδοχέα (με τις οπές στα πλαϊνά) της σκουρόχρωμης φιάλης σύμφωνα με τις προφορικές οδηγίες και κλείστε ερμητικά το πώμα (μανόμετρο). 6. Σημειώστε τη θέση του δείγματός σας στον αναδευτήρα καθώς επίσης και τον όγκο των λυμάτων που χρησιμοποιήσατε. Ο όγκος των λυμάτων παραπέμπει στον αντίστοιχο συντελεστή με τον οποίο πρέπει να πολλαπλασιάσετε το αποτέλεσμα της μέτρησής σας (βλέπε την κλίμακα αντιστοιχίας της αναμενόμενης τιμής BOD, όγκου δείγματος και συντελεστή στις οδηγίες χρήσης της συσκευής) και την αναγωγή του σε πραγματικό μέγεθος. Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 20

23 Πίνακας 5.1. Αποτελέσματα μέτρησης BOD Χαρακτηρισμός δείγματος Όγκος Συντελεστής BOD 5 (ml) ( ) (mg/l) Α Β Γ Δ Ε ΕΡΩΤΗΣΗ ΑΠΑΝΤΗΣΗ Σε τι επίπεδα κυμαίνεται το BOD 5 των φρέσκων αστικών λυμάτων; Συγκέντρωση: mg/l Ποια είναι η ρύπανση που προκαλείται; Ρύπανση: gr/κατ. ημ. Σε τι επίπεδα κυμαίνεται το BOD 5 των βοθρολυμάτων; Συγκέντρωση: mg/l Σε τι επίπεδα κυμαίνεται το BOD 5 των διασταλλαζόντων ενός ΧΥΤΑ; Συγκέντρωση: mg/l Σε τι επίπεδα κυμαίνεται το BOD 5 των υγρών αποβλήτων μιας γαλακτοβιομηχανίας; Συγκέντρωση: mg/l Η συγκέντρωση του BOD 5 ή του COD αναμένεται υψηλότερη στα υγρά απόβλητα μιας βιομηχανίας χημικών; Τι συμπέρασμα εξάγετε εάν μετρήστε BOD 5 υγρών αποβλήτων σε χαμηλότερο επίπεδο από αυτό του COD; Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 21

24 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 6 Ολικός οργανικός άνθρακας (Total Organic Carbon, TOC) Ο ολικός οργανικός άνθρακας είναι ένα μέτρο κατάλληλο για μετρήσεις μικρών συγκεντρώσεων οργανικής ύλης που ενδιαφέρουν ιδιαίτερα την παραγωγή πόσιμου νερού. Με τις σύγχρονες αναλυτικές συσκευές ο προσδιορισμός του ολικού οργανικού άνθρακα είναι πολύ απλή διαδικασία. Ένας αυτόματος αναλυτής TOC (Total Organic Carbon) απαιτεί ελάχιστη ποσότητα υγρού δείγματος το οποίο εισάγεται σε ειδική στήλη με καταλύτη όπου καίγεται σε υψηλή θερμοκρασία προς διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ). Τα αποτελέσματα εκφράζονται σε mg/l TOC. Εικόνα 6.1. Αυτόματος αναλυτής ολικού οργανικού άνθρακα (TOC) Οδηγίες για τη μέτρηση του ολικού οργανικού άνθρακα Παρασκευάστε, σύμφωνα με τις προφορικές οδηγίες, διαλύματα που περιέχουν οργανική ύλη και μετρήστε τον ολικό οργανικό άνθρακα των διαλυμάτων σας. Συμπληρώστε τον πίνακα 6.1. Πίνακας 6.1. Αποτελέσματα μετρήσεων TOC Δείγμα Αποτελέσματα (TOC mg/l) Νερό δικτύου Οργανική ύλη σε νερό Ζάχαρη Γάλα Αίμα Λύματα ΕΡΩΤΗΣΗ ΑΠΑΝΤΗΣΗ Τι αναφέρει η σχετική νομοθεσία για τη συγκέντρωση του TOC στο πόσιμο νερό; Μπορεί η παράμετρος του TOC να αντικαταστήσει τη μέτρηση του BOD 5 ; Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 22

25 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (Chemical Oxygen Demand, COD) Με τον όρο COD (Chemical Oxygen Demand) εννοούμε την ποσότητα του οξυγόνου που απαιτείται για την χημική οξείδωση της οργανικής ύλης σε CO 2 και Η 2 Ο. Η οξείδωση αφορά το σύνολο των οργανικών ενώσεων που περιέχονται σε ένα δείγμα και μπορούν να οξειδωθούν με ένα ισχυρό οξειδωτικό μέσο. Σαν τέτοιο οξειδωτικό χρησιμοποιείται το διχρωμικό κάλιο (K 2 Cr 2 O 7 ) σε όξινο περιβάλλον. Η οξείδωση του οργανικού φορτίου γίνεται σε συνθήκες υψηλών θερμοκρασιών και χαμηλού ph παρουσία θειικού αργύρου (Αg 2 SO 4 ) σαν καταλύτη (εικόνα 7.1). Η εξουδετέρωση των χλωριούχων ιόντων που συνήθως υπάρχουν στο δείγμα, γίνεται με θειικό υδράργυρο (HgSO 4 ). Η εξουδετέρωση της περίσσειας των διχρωμικών (Cr 2 O 7 2- ) ιόντων γίνεται με διάλυμα θειικού αμμωνιούχου σιδήρου (FeSO 4 (NH 4 ) 2 SO 4 6H 2 O) γνωστής κανονικότητας. Για την ογκομετρική ανάλυση (τιτλοδότηση) χρησιμοποιείται δείκτης Ferroin. Όλα τα αντιδραστήρια που χρησιμοποιούνται περιλαμβάνονται στον πίνακα 7.1. Η οξείδωση της οργανικής ύλης μπορεί να παρασταθεί από την παρακάτω στοιχειομετρική εξίσωση: C x H y O z + Cr 2 O H + Cr 3+ + CO 2 + H 2 O Η μέτρηση του COD στα υγρά απόβλητα χρησιμοποιείται πολλές φορές αντί της μέτρησης του BOD ή συμπληρωματικά. Η ταχύτητα της μέτρησης είναι το μεγάλο πλεονέκτημά της αφού ολοκληρώνεται σε 2-3 ώρες, σε αντίθεση με τη μέτρηση του BOD 5, η οποία διαρκεί πέντε (5) ημέρες. Το μειονέκτημα όμως είναι ότι με το COD μετράται όχι μόνο η βιοδιασπάσιμη αλλά και η μη βιοδιασπάσιμη οργανική ύλη. Συνεπώς, η μέτρηση του COD είναι κατά κάποιο τρόπο λιγότερο αντιπροσωπευτική από τη μέτρηση του BOD 5 όταν πρόκειται για προσδιορισμό του οργανικού φορτίου που υπάρχει στα τυπικά αστικά λύματα. Τα αποτελέσματα εκφράζονται σε mg/l COD. Κατά κανόνα το COD είναι πάντα μεγαλύτερο από το BOD 5 και για τα αστικά λύματα ο λόγος COD / BOD 5 είναι 1,2-1,5. Οδηγίες για τη μέτρηση του COD (Κλασσική μέθοδος οξείδωσης) Αντιδραστήρια (Υπάρχουν έτοιμα στο εργαστήριο) Διάλυμα διχρωμικού καλίου (K 2 Cr 2 O 7 ) g/lt (0.25 N) Διάλυμα θειικού αργύρου Ag 2 SO 4 (ΠΡΟΣΟΧΗ: ΚΑΥΣΤΙΚΟ) Δείκτης Ferroin Καταλύτης HgSO 4 (ΠΡΟΣΟΧΗ: ΙΣΧΥΡΟ ΔΗΛΗΤΗΡΙΟ) Διάλυμα θειικού αμμωνιούχου σιδήρου [FeSO 4 (NH 4 ) 2 SO 4.6H 2 O] (~0,1 N) στο οποίο πρέπει να υπολογισθεί με ακρίβεια η κανονικότητα σύμφωνα με τις οδηγίες (γραπτές και προφορικές). Σημείωση : C 6 H 12 O 6 (4,0 g/l, COD = 4000 mg/l) Αναλυτική περιγραφή της μεθόδου Η κλασική μέθοδος μέτρησης του COD θεωρείται δύσκολη για αρχαρίους. Απαιτείται προσοχή στις προφορικές οδηγίες, ιδιαίτερη δεξιοτεχνία και μεθοδικότητα από τους φοιτητές. Σε σφαιρική φιάλη των 300 ml μεταφέρονται 20,0 ml του δείγματος, προστίθενται 0.4 g HgSO 4, 10.0 ml διαλύματος K 2 Cr 2 O 7, 30,0 ml διαλύματος Αg 2 SO 4 υπό ανάδευση, 3-4 γυάλινα σφαιρίδια και το μείγμα βράζει υπό κάθετο ψυκτήρα για 2 ώρες. Μετά την ψύξη, με τη βοήθεια του αποσταγμένου νερού, το Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 23

26 μείγμα αραιώνεται μέχρι τα 140,0 ml (απαιτούνται δηλαδή 80,0 ml αποσταγμένου νερού) και τιτλοδοτείται με διάλυμα θειικού αμμωνιούχου σιδήρου, χρησιμοποιώντας δείκτη Ferroin. (Έστω β ml ο όγκος του θειικού αμμωνιούχου σιδήρου που καταναλώνεται). Προς διόρθωση εκτελείται και ένας τυφλός προσδιορισμός (δείγμα αναφοράς) χρησιμοποιώντας 20,0 ml αποσταγμένου νερού και ακολουθείται η ίδια ακριβώς διαδικασία (έστω α ml ο όγκος του θειικού αμμωνιούχου σιδήρου που καταναλώνεται). Εικόνα 7.1. Διάταξη μέτρησης του COD Όγκος δείγματος ml Πίνακας 7.1. Μέτρηση COD: Ποσότητες και κανoνικότητες αντιδραστηρίων Όγκος K 2 Cr 2 O N ml Όγκος π. H 2 SO 4 με Αg 2 SO 4 ml HgSO 4 gr Κανονικότητα FeSO 4 (NH 4 ) 2 SO 4 6H 2 O Ν Τελικός όγκος ml Εκτέλεση του πειράματος 1. Προετοιμάστε τα δείγματα και τοποθετείστε τα στην ειδική διάταξη μέτρησης του COD. 2. Υπολογίστε την κανονικότητα του διαλύματος του θειικού αμμωνιούχου σιδήρου (FeSO 4 (NH 4 ) 2 SO 4 6H 2 O). Αυτό γίνεται ως εξής: Σε κωνική φιάλη των 300 ml τοποθετούνται με πολύ μεγάλη ακρίβεια (με σιφώνιο) 10,0 ml διαλύματος K 2 Cr 2 O 7 (0.25 Ν) και στη συνέχεια προστίθενται 100,0 ml Η 2 Ο (αποσταγμένο), 20,0 ml πυκνού H 2 SO 4 και 2-3 σταγόνες δείκτη Ferroin. Το μίγμα αυτό τιτλοδοτείται με το προς προσδιορισμό διάλυμα, δηλαδή το διάλυμα του θειικού αμμωνιούχου σιδήρου. Το χρώμα του, από κυανοπράσινο, μετατρέπεται σε ερυθροκαστανό. Από το γνωστό τύπο V1 N1 V2 N2 έχουμε : V 1 =10,0 ml, N 1 =0,25 Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 24

27 Η κανονικότητα διαλύματος N 2 προκύπτει ως εξής: N 2 100,25 2,50 V V 2 2 Όπου V 2 : Όγκος διαλύματος FeSO 4 (NH 4 ) 2 SO 4 6H 2 O που καταναλώθηκε. 3. Σημειώστε την κανονικότητα του διαλύματος θειικού αμμωνιούχου σιδήρου [FeSO 4 (NH 4 ) 2 SO 4.6H 2 O] που χρησιμοποιήσατε :. Ν. Υπολογισμός COD ( a ) C 8000 COD V ( ml) =.. (mg/l) Όπου: α: Όγκος διαλύματος θειικού αμμωνιούχου σιδήρου που καταναλώνεται για τον τυφλό προσδιορισμό, β: Όγκος διαλύματος θειικού αμμωνιούχου σιδήρου που καταναλώνεται για το δείγμα, C: Κανονικότητα διαλύματος θειικού αμμωνιούχου σιδήρου, V: Όγκος δείγματος σε ml. Αποτελέσματα μετρήσεων COD στα δείγματα Α, Β, Γ, Δ και Ε Τα δείγματα πρέπει να διατηρηθούν και για την επόμενη εργαστηριακή άσκηση. Πίνακας 7.2. Αποτελέσματα μετρήσεων COD Δείγμα COD (mg/l) Α Β Γ Δ Ε Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 25

28 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 8 Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD) Χρήση φορητού φασματοφωτομέτρου Θα μετρηθεί το COD των δειγμάτων Α, Β, Γ, Δ και Ε. Εικόνα 8.1. Φορητά φασματοφωτόμετρα και θερμοαντιδραστήρας για τη μέτρηση του COD Οδηγίες για τη μέτρηση του COD με φορητό φασματοφωτόμετρο Στο εργαστήριο υπάρχουν: Φορητό φασματοφωτόμετρο (εικόνα 8.1) με αναλυτικές οδηγίες χρήσης. Θερμοαντιδραστήρας για την οξείδωση των δειγμάτων σε κατάλληλη θερμοκρασία (148 o C). Όλα τα απαραίτητα αντιδραστήρια. 1. Μελετήστε προσεκτικά τις οδηγίες χρήσης του φορητού φασματοφωτομέτρου και μέθοδο. Αποφασίστε για τα αντιδραστήρια που θα χρησιμοποιηθούν ανάλογα με την περιοχή μέτρησης (Low ή High). Αυτό εξαρτάται από την προέλευση του δείγματος, δηλαδή την αναμενόμενη τιμή COD (χαμηλή ή υψηλή συγκέντρωση). Εάν έχει προηγηθεί προσδιορισμός του COD με την κλασική μέθοδο κατά την προηγούμενη εργαστηριακή άσκηση, η περιοχή μέτρησης είναι γνωστή. 2. Χρησιμοποιώντας σιφώνιο με πουάρ ή αυτόματη πιπέτα, προσθέστε 2,0 ml δείγματος στο ειδικό φιαλίδιο που περιέχει το οξειδωτικό μέσο και τον καταλύτη. 3. Ανακινήστε καλά το φιαλίδιο και τοποθετείστε το στον θερμοαντιδραστήρα για οξείδωση. 4. Ο χρόνος που απαιτείται για την οξείδωση είναι 120 min. 5. Μετά την οξείδωση τα δείγματα πρέπει να κρυώσουν σε θερμοκρασία δωματίου (30 min). 6. Χωρίς να ανακινήστε τα δείγματα, σκουπίστε με χαρτί κουζίνας το εξωτερικό του φιαλιδίου και μετρήστε το COD στο φορητό φασματοφωτόμετρο. 7. Σημειώστε το αποτέλεσμα της μέτρησής σας εδώ: Δείγμα :... COD : (mg/l). Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 26

29 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 9 Στερεές ουσίες στο νερό και στα απόβλητα Οι στερεές ουσίες του νερού ορίζονται ως το υπόλοιπο που παραμένει μετά από εξάτμιση του δείγματος στους 105C. Γενικά οι ουσίες οι οποίες υπάρχουν στο νερό διακρίνονται σε διαλυμένες, σε κολλοειδείς και σε αδιάλυτες. Οι αδιάλυτες ουσίες, ανάλογα με το ειδικό τους βάρος είτε θα επιπλέουν είτε θα αιωρούνται είτε θα καθιζάνουν. Τα διαλυμένα στερεά είναι μικρά μόρια και ιόντα με μέγεθος μικρότερο από 1 nm. Τα αιωρούμενα στερεά έχουν μέγεθος μεγαλύτερο από 1 μm. Ουσίες στο νερό Αδιάλυτες Κολλοειδείς Διαλυμένες Επιπλέουσες Αιωρούμενες Καθιζάνουσες Σχήμα 9.1. Ουσίες στο νερό και στα υγρά απόβλητα Ολικά στερεά στο νερό Διαλυμένες & Αδιάλυτες ουσίες TS Διήθηση Φίλτρο Επιπλέοντα, Αιωρούμενα, Καθιζάνοντα (TSS) Διήθημα (TDS) Εξάτμιση 105 o C Εξάτμιση 105 ο C TS Εξάτμιση 105 o C Καύση 550 o C TDS TSS VSS FSS Καύση 550 o C TVS TFS VDS FDS TVS TFS Σχήμα 9.2. Αλληλεπίδραση των στερεών Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 27

30 Επεξήγηση των συμβολισμών του σχήματος 9.2: [TS Total Solids, TSS Total Suspended Solids, TDS Total Dissolved Solids, VSS Volatile Suspended Solids, FSS Fixed Suspended Solids, VDS Volatile Dissolved Solids, FDS Fixed Dissolved Solids, TVS Total Volatile Solids, TFS Total Fixed Solids]. Ζητείται ο προσδιορισμός των TS, TSS και TDS στα δείγματα Α, Β, Γ, Δ και Ε. Αναλυτικές οδηγίες για κάθε κατηγορία στερεών δίνονται παρακάτω. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων να μεταφερθούν στον πίνακα 9.1. Οδηγίες για τη μέτρηση των ολικών στερεών (TS) Τα ολικά στερεά είναι όλα τα στερεά που εμπεριέχονται σε ένα δείγμα νερού. Υπολογίζονται με εξάτμιση γνωστού όγκου δείγματος νερού (χωρίς διήθηση) στους 105 o C. 1. Μια κάψα εξάτμισης ζυγίζεται με ακρίβεια (0,1 mg) σε αναλυτικό ζυγό. 2. Ένας γνωστός όγκος δείγματος νερού τοποθετείται στην προζυγισμένη κάψα η οποία τοποθετείται στους 105 o C μέχρι να εξατμισθεί πλήρως το νερό. 3. Η κάψα τοποθετείται σε ξηραντήριο μέχρι να κρυώσει και επαναζυγίζεται με ακρίβεια σε αναλυτικό ζυγό. TS ( mg L) A B 1000mL L C ml A = Μικτό βάρος μετά την ξήρανση (mg) (Βάρος ξηρού υπολείμματος + βάρος κάψας μετά από 24 ώρες στους 105 o C), B = Βάρος κάψας (mg) και C = Όγκος δείγματος (ml). Πίνακας 9.1. Αποτελέσματα μετρήσεων για τα στερεά Παράμετρος Ολικά στερεά (TS) Αποτελέσματα (mg/l) Παρατηρήσεις Ολικά αιωρούμενα στερεά (TSS) Ολικά διαλυμένα στερεά (TDS) Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 28

31 Οδηγίες για τη μέτρηση των ολικών διαλυμένων στερεών (TDS) Τα ολικά διαλυμένα στερεά είναι όλα τα στερεά που εμπεριέχονται σε ένα δείγμα νερού τα οποία υπολογίζονται με εξάτμιση γνωστού όγκου δείγματος νερού (μετά από διήθηση) στους 105 o C. Η διήθηση γίνεται για την απομάκρυνση των αιωρούμενων στερεών. Το υπόλειμμα εξάτμισης των 105 o C αποτελείται από στερεές ουσίες (ανόργανες ή οργανικές) σε διαλυμένη ή κολλοειδή μορφή. Οι ουσίες αυτές διέρχονται μέσα από φίλτρο με διάμετρο πόρων από 0,5 έως 1,0 μ, ανάλογα με τις προδιαγραφές. Το μέγεθος των διαλυμένων στερεών κυμαίνεται από mm ενώ το μέγεθος των κολλοειδών ουσιών κυμαίνεται από mm. 1. Μια κάψα εξάτμισης ζυγίζεται με ακρίβεια (0,1 mg) σε αναλυτικό ζυγό. 2. Ένας γνωστός όγκος δείγματος νερού τοποθετείται στην προζυγισμένη κάψα η οποία τοποθετείται στους 105 o C μέχρι να εξατμισθεί πλήρως το νερό. 3. Η κάψα κρυώνει σε ξηραντήριο και επαναζυγίζεται με ακρίβεια σε αναλυτικό ζυγό. TDS ( mg L) A B 1000mL C ml L A = Μικτό βάρος μετά τη ξήρανση (mg) (Βάρος ξηρού υπολείμματος + βάρος κάψας μετά από 24 ώρες στους 105 o C), B = Βάρος κάψας (mg) και C = Όγκος δείγματος (ml). Οδηγίες για τη μέτρηση των ολικών αιωρούμενων στερεών (TSS) Τα ολικά αιωρούμενα στερεά είναι όλα τα στερεά που παραμένουν στο φίλτρο μετά από διήθηση γνωστού όγκου δείγματος νερού. 1. Το φίλτρο ζυγίζεται με ακρίβεια σε αναλυτικό ζυγό. 2. Ένας γνωστός (συγκεκριμένος) όγκος δείγματος νερού (συνήθως ml) διηθείται από το προζυγισμένο φίλτρο. 3. Το φίλτρο ξηραίνεται στους 105 o C για 24 ώρες. 4. Μετά την πλήρη ξήρανση του φίλτρου και αφού αυτό κρυώσει σε θερμοκρασία δωματίου (σε ξηραντήριο) ακολουθεί η τελική ζύγιση. TSS ( mg / L) A B 1000mL C ml L A = Μικτό βάρος μετά τη ξήρανση (mg) (Βάρος ξηρού υπολείμματος + βάρος φίλτρου μετά από 24 ώρες στους 105 o C), B = Βάρος φίλτρου (mg) και C = Όγκος δείγματος (ml). Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 29

32 Εικόνα 9.1. Συστήματα διήθησης Οδηγίες για τη μέτρηση του σταθερού υπολείμματος (FS) Σταθερό υπόλειμμα είναι ότι απομένει στην κάψα μετά την καύση ενός δείγματος νερού στους 500 ± 50 o C. Εφαρμόζεται για τα ολικά, τα διαλυμένα και τα αιωρούμενα στερεά με σκοπό τον προσδιορισμό του σταθερού τους υπολείμματος. Οδηγίες για τη μέτρηση των πτητικών στερεών (VS) Πτητικά στερεά είναι ότι απομακρύνεται μετά τη καύση ενός δείγματος νερού στους 500 ± 50 o C. Εφαρμόζεται για τα ολικά (TS), τα διαλυμένα (TDS) και τα αιωρούμενα (TSS) στερεά με σκοπό τον προσδιορισμό των πτητικών τους. 1. Αφού μετρηθούν τα ολικά αιωρούμενα στερεά πραγματοποιείται καύση του φίλτρου στους 500 ± 50 o C για 1 ώρα. 2. Το φίλτρο ζυγίζεται μαζί με το στερεό υπόλειμμα. 3. Αυτό είναι το σταθερό (στερεό) υπόλειμμα καύσης. 4. Η διαφορά μεταξύ των ολικών στερεών και του στερεού υπολείμματος καύσης είναι τα πτητικά αιωρούμενα στερεά. VSS ( mg / L) FSS ( mg / L) A B 1000mL L C ml B D 1000mL L C ml A = Βάρος του χωνιού + φίλτρο + υπόλειμμα 24 ωρών στους 105 o C (mg), B = Βάρος του χωνιού + φίλτρο + υπόλειμμα 1 ώρας στους 500 ± 50 o C (mg), C = Όγκος δείγματος (ml) και D = Βάρος του χωνιού + φίλτρο (mg). Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 30

33 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 10 Δοκιμή καθίζησης στον κώνο του Imhoff Υπολογισμός του Δείκτη Όγκου Ιλύος Τα καθιζάνοντα στερεά είναι οι αδιάλυτες στερεές ουσίες που καθιζάνουν σε συνθήκες ηρεμίας. Η μέτρησή τους στα λύματα γίνεται σε ειδικά βαθμονομημένο κώνο (Κώνος του Imhoff, εικόνα 10.1), στον οποίο μετράται ο όγκος (ml/l) των ουσιών που καθιζάνουν κατά τη διάρκεια συγκεκριμένου χρόνου (π.χ. 30 min.). Η δοκιμή καθίζησης που αναφέρεται στη δευτεροβάθμια καθίζηση συνδέεται με τον προσδιορισμό του Δείκτη Όγκου Ιλύος (ΔΟΙ) ή Sludge Volume Index (SVI). Στην περίπτωση αυτή τα καθιζάνοντα στερεά είναι η βιομάζα. Ο Δείκτης Όγκου Ιλύος δίνει σημαντικές πληροφορίες για την ποιότητα της παραγόμενης βιομάζας (ιλύος) και συνεπώς για τη λειτουργία των δεξαμενών οξείδωσης (αερισμού) σε μια εγκατάσταση βιολογικής επεξεργασίας λυμάτων. Ο όγκος που καταλαμβάνει ένα γραμμάριο ξηρής βιομάζας σε ενυδατωμένη κατάσταση μετά από καθίζηση 30 λεπτών στον κώνο του Imhoff, είναι ο Δείκτης Όγκου Ιλύος (ΔΟΙ) ή Sludge Volume Index (SVI). SVI = 100 ml/gr σημαίνει βιομάζα με περιεκτικότητα 99% νερό και 1% ξηρά ουσία. Για κανονικές συνθήκες λειτουργίας των εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων με τη μέθοδο της ενεργού ιλύος, οι τιμές του SVI κυμαίνονται μεταξύ 80 και 140 ml/gr. Η δοκιμή καθίζησης γίνεται στον κώνο του Imhoff ο οποίος γεμίζει μέχρι την ένδειξη 1000 ml. Το ανάμεικτο υγρό αφήνεται σε απόλυτη ηρεμία για 30 min. Το υπερκείμενο υγρό διαυγάζει σταδιακά. Η βιομάζα (ιλύς) συγκεντρώνεται στο κάτω μέρος του κώνου και συνήθως καταλαμβάνει το % του συνολικού όγκου του κώνου. Εικόνα Κώνοι Imhoff Διαιρώντας τον όγκο της βιομάζας, δηλαδή των στερεών που καθιζάνουν στον κώνο του Imhoff μετά από καθίζηση 30 λεπτών (ml/l), με τη συγκέντρωσή της (gr/l), δηλαδή την περιεκτικότητά της σε στερεά σε 1L νερού, καταλήγουμε στο Δείκτη Όγκου Ιλύος (SVI). Η συγκέντρωση της βιομάζας (gr/l) προκύπτει μετά από διήθηση ενός συγκεκριμένου όγκου ανάμεικτου υγρού και ξήρανση των στερεών που παραμένουν στο φίλτρο στους 105 ο C (Βλέπε προηγούμενη άσκηση για τον προσδιορισμό των TSS). SVI Ό ά ( ml/ L) έ ά ( gr / L) ( ml/ gr) Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 31

34 Οδηγίες για τον υπολογισμό του Δείκτη Όγκου Ιλύος (Δ.Ο.Ι. ή S.V.I.) 1. Ένα δείγμα όγκου περίπου 1,5 2,0 L ανάμεικτου υγρού δίνεται σε κάθε ομάδα φοιτητών. 2. Για την εύρεση του όγκου της βιομάζας (ml/l) που καθιζάνει, 1 L από το δείγμα ομογενοποιείται με καλή ανάδευση και μεταφέρεται στον κώνο του Imhoff προς καθίζηση. 3. Σημειώστε εδώ τον όγκο. (ml) της βιομάζας που καθιζάνει σε 30 min. 4. Για την εύρεση της συγκέντρωσης της βιομάζας (gr/l) διηθείται μια συγκεκριμένη ποσότητα από το ομογενοποιημένο δείγμα και υπολογίζονται τα ολικά αιωρούμενα στερεά, δηλαδή τα στερεά που παραμένουν στο φίλτρο μετά τη διήθηση. ΠΙΟ ΑΝΑΛΥΤΙΚΑ: Το φίλτρο ζυγίζεται με ακρίβεια σε αναλυτικό ζυγό. Ένας γνωστός (συγκεκριμένος) όγκος δείγματος (συνήθως ml) διηθείται από το προζυγισμένο φίλτρο. Το φίλτρο ξηραίνεται στους 105 o C για 24 ώρες. Μετά την πλήρη ξήρανση του φίλτρου και αφού αυτό κρυώσει σε θερμοκρασία δωματίου (σε ξηραντήριο) ακολουθεί η τελική ζύγισή του. (Η ίδια διαδικασία η οποία ακολουθήθηκε στην προηγούμενη εργαστηριακή άσκηση, για τη μέτρηση των TSS). ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Εάν το πείραμα εκτελεστεί αυθημερόν, ο όγκος του ανάμεικτου υγρού που θα διηθηθεί θα πρέπει να είναι πολύ μικρός (~ 50 ml) και η ξήρανση της βιομάζας που παραμένει στο φίλτρο θα συντομευτεί στα χρονικά όρια του εργαστηρίου (περίπου 90 min). 5. Να μεταφερθούν τα αποτελέσματα των μετρήσεών σας στον πίνακα 10.1 και να υπολογιστεί ο Δείκτης Όγκου Ιλύος (Δ.Ο.Ι.) του δείγματός σας. 6. Τι συμπεράσματα εξάγονται για την καθίζηση της βιομάζας (Κακή, Μέτρια, Καλή, Άριστη);.. Πίνακας Αποτελέσματα μετρήσεων Παράμετρος Αποτελέσματα (Μονάδες) Παρατηρήσεις Όγκος βιομάζας Συγκέντρωση βιομάζας (TSS) S.V.I. Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 32

35 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 11 Μετρήσεις θολότητας Χρήση νεφελομέτρου Με τον όρο θολότητα εννοούμε την απουσία διαύγειας σε ένα υγρό δείγμα. Πιο συγκεκριμένα, θολότητα είναι η αντίσταση του νερού στην διέλευση του φωτός και οφείλεται κυρίως στην ύπαρξη λεπτόκοκκων σωματιδίων ανόργανων και οργανικών υλικών τα οποία αιωρούνται ή βρίσκονται σε κολλοειδή μορφή και είναι διάσπαρτα στην υγρή φάση. Η θολότητα είναι η περισσότερο μεταβαλλόμενη παράμετρος ποιότητας του νερού, η οποία καθορίζει συχνά την επιλογή της μεθόδου επεξεργασίας του. Το πόσιμο νερό που φτάνει στον καταναλωτή πρέπει να είναι διαυγές και όχι θολό. Τα σωματίδια που υπάρχουν στο νερό μπορεί να απορροφήσουν επιβλαβείς οργανικές ή ανόργανες ουσίες. Η απολύμανση του πόσιμου νερού δεν είναι αποτελεσματική αν υπάρχει θολότητα, γιατί πολλοί παθογόνοι οργανισμοί εγκλωβίζονται στα σωματίδια που αιωρούνται και προστατεύονται από το απολυμαντικό. Το όργανο μέτρησης της θολότητας είναι το θολερόμετρο ή νεφελόμετρο (εικόνα 11.1), ένα όργανο με μια πηγή φωτός και ένα σύστημα ένδειξης της έντασης του διαχεομένου φωτός σε γωνία 90 o ως προς την προσπίπτουσα δέσμη όταν αυτή διέρχεται από το προς εξέταση δείγμα. Σημειώνεται ότι εάν ένα δείγμα περιέχει διαλυμένα υλικά που προσδίδουν χρώμα είναι ενδεχόμενο να προκαλείται απορρόφηση και μείωση της έντασης του σκεδαζόμενου φωτός με επίπτωση στην τιμή της μετρούμενης θολότητας. Η θολότητα προκαλεί εξασθένηση της έντασης της διερχόμενης φωτεινής ακτινοβολίας λόγω φαινομένων σκέδασης και απορρόφησης. Μετριέται συνήθως σε μονάδες θολότητας (NTU) (Nephelometric Turbidity Units) ή σε (FNU) (Formazin Nephelometric Units) ή σε mg/l (ppm) Διοξειδίου του Πυριτίου (SiO 2 ). Εικόνα Θολερόμετρα Οδηγίες για τη μέτρηση της θολότητας 1. Μελετήστε προσεκτικά της οδηγίες χρήσης του νεφελομέτρου. 2. Ρυθμίστε το όργανο σύμφωνα με τις γραπτές ή τις προφορικές οδηγίες. 3. Η κυψελίδα χρειάζεται πολύ καλό ξέπλυμα με άφθονο νερό δικτύου, αποσταγμένο νερό και σκούπισμα (εξωτερικά) με χαρτί κουζίνας πριν από κάθε μέτρηση. 4. Μετρήστε τη θολότητα των δειγμάτων Α, Β, Γ, Δ, Ε. (Σημείωση: 1,00 NTU = 1,00 FNU = 3,25 ppm SiO 2 ) 5. Συμπληρώστε τα αποτελέσματα των μετρήσεών σας στον πίνακα Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 33

36 Πίνακας Αποτελέσματα μετρήσεων θολότητας Δείγμα Θολότητα (NTU) Α Β Γ Δ Ε ΕΡΩΤΗΣΗ ΑΠΑΝΤΗΣΗ Που οφείλεται η θολότητα των επιφανειακών νερών; Πως αντιμετωπίζεται; Πως συνδέεται η θολότητα με την απολύμανση του πόσιμου νερού με υπεριώδη ακτινοβολία; Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 34

37 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 12 Κροκίδωση Συσσωμάτωση (Jar Test) Η κροκίδωση (coagulation) και η συσσωμάτωση (flocculation) είναι διεργασίες κατά τις οποίες τα κολλοειδή και αδρομερή αιωρούμενα σωματίδια του νερού και των υγρών αποβλήτων προετοιμάζονται με κατάλληλα αντιδραστήρια για την αποσταθεροποίηση, τη συνένωση (συσσωμάτωση) και την απομάκρυνσή τους π.χ. με καθίζηση. Διακρίνονται λοιπόν, τρία στάδια: I. Η προσθήκη χημικών μέσων, γνωστών ως κροκιδωτικών. Το στάδιο αυτό είναι το βασικό στάδιο της κροκίδωσης (coagulation). II. Η συνένωση των κολλοειδών σωματιδίων που προσεγγίζουν το ένα το άλλο με αποτέλεσμα τη δημιουργία ορατών συσσωματωμάτων. Ο μηχανισμός αυτός ονομάζεται συσσωμάτωση ή θρόμβωση (flocculation). III. Απομάκρυνση των σχηματισμένων μεγάλων συσσωματωμάτων με καθίζηση (sedimentation) ή διήθηση. Ως κολλοειδή χαρακτηρίζονται τα οπτικώς (δια γυμνού οφθαλμού) ομογενή μίγματα ή αλλιώς τα συστήματα διασποράς σωματιδίων μεγέθους cm (1,0 nm - 1,0 μm). Τα σωματίδια αυτά ονομάζονται και μικκύλια. Τα μικκύλια μπορεί να είναι συσσωματώματα μορίων, μικροκρύσταλλοι, ή μεγαλομόρια (μόρια πολύ μεγάλου μοριακού βάρους και διαστάσεων, όπως πρωτεΐνες, πολυμερή, νουκλεϊκά οξέα, πολυσακχαρίτες κ.ά.). Η απομάκρυνσή τους με απλή καθίζηση είναι αδύνατη λόγω του μεγέθους και του ηλεκτρικού φορτίου τους. Οι δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των κολλοειδών είναι Van der Waals (σχετικά ασθενείς - ελκτικές δυνάμεις) και ηλεκτροστατικής φύσης (ισχυρότερες - απωστικές δυνάμεις). Συχνά, τα κολλοειδή σχηματίζουν σταθερά αιωρήματα λόγω του όμοιου (αρνητικού) φορτίου και της επακόλουθης ηλεκτροστατικής άπωσης μεταξύ τους. Για την επίτευξη της συσσωμάτωσης των κολλοειδών προς μεγαλύτερα και τον εύκολο διαχωρισμό τους, θα πρέπει να συμβεί αποσταθεροποίησή τους, δηλαδή εξουδετέρωση του επιφανειακού αρνητικού φορτίου. Έτσι, κατά την προσθήκη των κροκιδωτικών (θετικά φορτισμένα ιόντα), εξουδετερώνεται ή ελαττώνεται το φορτίο, ώστε τα κολλοειδή να αποκτήσουν συνολικό φορτίο κοντά στο μηδέν, οπότε υπερισχύουν οι ελκτικές δυνάμεις Van der Waals έναντι των απωστικών ηλεκτρικών δυνάμεων. Στη συνέχεια, λαμβάνει χώρα η σύγκρουση και η ακόλουθη συνένωση των σωματιδίων προς σχηματισμό συσσωματωμάτων (κροκίδες, flocs) (σχήμα 12.1). Με την κροκίδωση τα κολλοειδή συστήματα παύουν να είναι ομογενή. Με τη συσσωμάτωση τα τεμαχίδια των συστατικών (flocs) ξεπερνούν σε μέγεθος το όριο των 10-4 cm και γίνονται πλέον ορατά με γυμνό μάτι. Αρνητικά φορτισμένα κολλοειδή σωματίδια. Προσθήκη κροκιδωτικού (Συνήθως άλατα του αργιλίου ή άλατα του σιδήρου). Εξουδετέρωση του αρνητικού ηλεκτρικού φορτίου. Συσσωμάτωση σε μικροκροκίδες και στη συνέχεια σε κροκίδες οι οποίες καθιζάνουν πιο εύκολα. Σχήμα Ο μηχανισμός της κροκίδωσης - συσσωμάτωσης Τα συνήθη κροκιδωτικά (coagulants) υλικά είναι το θειικό αργίλιο (Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O), τα άλατα του σιδήρου (τριχλωριούχος σίδηρος FeCl 3.6H 2 O και θειικός σίδηρος FeSO 4.7H 2 O) και η υδράσβεστος (Ca(OH) 2 ). Χρησιμοποιούνται ακόμα διάφοροι πολυηλεκτρολύτες (πολυοξέα και πολυαμίδια με ηλεκτρικά ενεργές ομάδες Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 35

38 όπως COOH-, CH 2 COH-CO-, NH 2 -, κ.λ.π. που κυκλοφορούν με διάφορες εμπορικές ονομασίες) σαν βοηθητικά συσσωμάτωσης. Η ποσότητα των κροκιδωτικών υλικών καθώς επίσης και το περιβάλλον στο οποίο δρουν καλύτερα (θερμοκρασία, ph, ανάδευση κ.λ.π.) ελέγχεται με εργαστηριακές δοκιμές (Jar test, εικόνα 12.1). Εικόνα Συσκευή κροκίδωσης (Jar test) Βασικό χαρακτηριστικό των διεργασιών κροκίδωσης και συσσωμάτωσης κατά την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων, είναι οι αυξημένες ποσότητες της ιλύος που προκύπτουν και που οφείλονται τόσο στην προσθήκη χημικών και στα σχηματιζόμενα ιζήματα, όσο και στην αυξημένη απομάκρυνση στερεών. Οι ποσότητες ιλύος από χημική επεξεργασία εξαρτώνται από το χρησιμοποιούμενο χημικό και τη δόση του, τα χαρακτηριστικά των αποβλήτων και την απόδοση των διαδικασιών επεξεργασίας. Α. Επιλογή κατάλληλου κροκιδωτικού Ζητείται η επιλογή του κατάλληλου κροκιδωτικού για τη διαύγαση ενός θολού δείγματος νερού. Στο εργαστήριο υπάρχουν: Συσκευή κροκίδωσης (Jar test) τεσσάρων θέσεων με φως, με δυνατότητα ρύθμισης των στροφών ανάδευσης και χρονόμετρο, Κροκιδωτικά: Θειικό αργίλιο (Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O), Τριχλωριούχος σίδηρος (FeCl 3.6H 2 O), Επταένυδρος θειικός υποσίδηρος (FeSO 4.7H 2 O). 1. Μετρήστε τη θολότητα του αρχικού δείγματος παίρνοντας δείγμα υπό ανάδευση (χρησιμοποιήστε σιφώνιο των 10 ml και πουάρ). 2. Γεμίστε 3 ποτήρια ζέσεως με 400 ml δείγματος και προσθέστε στο πρώτο 2,0 ml διαλύματος Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O, στο δεύτερο 2,0 ml διαλύματος FeCl 3.6H 2 O και στο τρίτο 2,0 ml διαλύματος FeSO 4.7H 2 O. 3. Τοποθετήστε τα στη συσκευή κροκίδωσης. 4. Αναδεύσατε (έντονα) στις 250 rpm για 20 sec. 5. Αναδεύσατε (αργά) στις 35 rpm για 20 min (Κροκίδωση). 6. Αφήστε τα δείγματα σε ηρεμία για 30 min (Καθίζηση). Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 36

39 7. Χωρίς να διαταραχτεί το περιεχόμενο του δοχείου, πάρτε δείγμα (χρησιμοποιώντας σιφώνιο των 10,0 ml και πουάρ) και μετρήστε τη θολότητα κάθε δείγματος. 8. Σημειώστε τα αποτελέσματα της μέτρησης στον πίνακα Συγκρίνετε τα αποτελέσματα της θολότητας. Τι συμπέρασμα εξάγετε για την αποτελεσματικότητα του κροκιδωτικού που χρησιμοποιήθηκε κατά περίπτωση; Πίνακας Αποτελέσματα Jar test (Αποτελεσματικότητα του κροκιδωτικού) Δείγμα Θολότητα (NTU) Αρχικό δείγμα Δείγμα + 2 ml Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O Δείγμα + 2 ml FeCl 3.6H 2 O Δείγμα + 2 ml FeSO 4.7H 2 O Σχόλια Β. Βέλτιστη δόση κροκιδωτικού Ζητείται η επιλογή της βέλτιστης δόσης του κροκιδωτικού (Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O) για τη διαύγαση ενός θολού δείγματος νερού. 1. Κροκιδωτικό υπάρχει έτοιμο στο εργαστήριο. Διαφορετικά ζυγίστε 1,233 g Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O και διαλύστε τα σε 100,0 ml αποσταγμένο νερό. (1,0 ml αυτού του διαλύματος περιέχει 1,0 mg Al 3+ ). 2. Μετρήστε τη θολότητα του αρχικού δείγματος παίρνοντας δείγμα υπό ανάδευση (χρησιμοποιήστε σιφώνιο των 10,0 ml και πουάρ). 3. Γεμίστε 4 ποτήρια ζέσεως με 400 ml δείγματος και προσθέστε στο πρώτο 1,0 ml διαλύματος κροκιδωτικού (Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O), στο δεύτερο 2,0 ml, στο τρίτο 3,0 ml και στο τέταρτο 4,0 ml (χρησιμοποιήστε σιφώνιο των 10,0 ml και πουάρ). 4. Τοποθετήστε τα ποτήρια ζέσεως στη συσκευή κροκίδωσης. 5. Αναδεύσατε (έντονα) στις 250 rpm για 20 sec. Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 37

40 6. Αναδεύσατε (αργά) στις 35 rpm για 20 min (Κροκίδωση). 7. Αφήστε τα δείγματα σε ηρεμία για 30 min (Καθίζηση). 8. Χωρίς να διαταραχτεί το περιεχόμενο του δοχείου, πάρτε δείγμα (χρησιμοποιώντας σιφώνιο των 10,0 ml και πουάρ) και μετρήστε τη θολότητα κάθε δείγματος. 9. Σημειώστε τα αποτελέσματα των μετρήσεων στον πίνακα Συγκρίνετε τα αποτελέσματα με τη θολότητα του αρχικού δείγματος. Τι συμπεράσματα εξάγετε για τη βέλτιστη δόση του κροκιδωτικού... Πίνακας Αποτελέσματα Jar test (Βέλτιστη δόση του κροκιδωτικού) Δείγμα Θολότητα (NTU) Αρχικό δείγμα Δείγμα + 1,0 ml Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O Δείγμα + 2,0 ml Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O Δείγμα + 3,0 ml Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O Δείγμα + 4,0 ml Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O Σχόλια Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 38

41 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 13 Μέτρηση της απορρόφησης UV 254 nm Εκτίμηση των χουμικών ενώσεων που περιέχονται στα επιφανειακά νερά και στα υγρά απόβλητα (Χρήση φασματοφωτομέτρου) Ο προσδιορισμός της απορρόφησης ακτινοβολίας σε μήκος κύματος 254 nm αποτελεί μια αντιπροσωπευτική μέθοδο ποσοτικής εκτίμησης οργανικών ενώσεων που συναντώνται σε επιφανειακά, θαλασσινά νερά και υγρά απόβλητα. Οι ουσίες αυτές περιλαμβάνουν κυρίως χουμικές ενώσεις, και σε μικρότερο ποσοστό λιγνίνες και τανίνες. Σε πλήθος μελετών έχουν καταγραφεί στατιστικά σημαντικές συσχετίσεις μεταξύ της απορρόφησης δειγμάτων σε μήκος κύματος 254 nm και της συγκέντρωσης σε αυτά οργανικού άνθρακα, χρώματος, καθώς και της συγκέντρωσης ενώσεων που προκαλούν το σχηματισμό παραπροϊόντων απολύμανσης (π.χ. τρι-αλογονομεθάνιο κ.ά.). Λόγω της απλότητάς της, η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται ευρύτατα για την εκτίμηση της απόδοσης συστημάτων επεξεργασίας νερού και υγρών αποβλήτων (π.χ. κροκίδωση, προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα). Η ειδική απορρόφηση ορίζεται ως ο λόγος της απορρόφησης στα 254 nm προς τη συγκέντρωση του ολικού οργανικού άνθρακα και αποτελεί εκτίμηση του φυσικού οργανικού υλικού (NOM) σε ένα δείγμα. Οι χουμικές ενώσεις είναι από τα πιο ευρέως διαδεδομένα οργανικά φυσικά υλικά και συναντώνται, εκτός από τα εδάφη, σε επιφανειακά νερά, ιζήματα που προέρχονται από θάλασσες και λίμνες, τέφρες, λιγνίτες, φυσικά λιπάσματα (π.χ. από φύλλα), καθώς και σε πλήθος άλλων αποθέσεων στην επιφάνεια της γης. Οι χουμικές ενώσεις γενικά δε θεωρούνται επιβλαβείς για την ανθρώπινη υγεία, ωστόσο η παρουσία τους στο πόσιμο νερό δεν είναι επιθυμητή, όχι μόνο για λόγους αισθητικούς αλλά κυρίως γιατί κατά τη χλωρίωση είναι πιθανό να προκύψουν ενώσεις με καρκινογόνο και τοξική δράση. Επιπλέον, είναι δυνατό να προκαλέσουν παρεμποδίσεις κατά την επεξεργασία του νερού με ενεργό άνθρακα, αφού ανταγωνίζονται με τα προς απομάκρυνση (υπόλοιπα) συστατικά για τα ίδια κέντρα προσρόφησης του ενεργού άνθρακα. Η ανάλυση για τον προσδιορισμό των οργανικών ουσιών που απορροφούν υπεριώδη ακτινοβολία σε μήκος κύματος 254 nm (ενώσεις χουμικού τύπου) πραγματοποιείται με τη χρήση φασματοφωτομέτρου (εικόνα 13.1). Η μέθοδος αυτή πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση της απομάκρυνσης των οργανικών ουσιών κατά την κροκίδωση (jar tests). Έτσι, θα πρέπει να μετρηθούν τα δείγματα αποβλήτων πριν κι έπειτα από τα πειράματα κροκίδωσης. Εικόνα Φασματοφωτόμετρο UV Vis διπλής δέσμης Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 39

42 Οδηγίες για τη μέτρηση της απορρόφησης UV 254 nm 1. Η μέτρηση θα πραγματοποιηθεί σε φασματοφωτόμετρο λ 3 UV-Vis της Perkin-Elmer. 2. Διηθείστε τα δείγματα σας σε φίλτρο με μέγεθος πόρων 0.45 μm ώστε να απομακρυνθούν τυχόν στερεά σωματίδια που επηρεάζουν τη μέτρηση. 3. Θέστε σε λειτουργία το φασματοφωτόμετρο. 4. Θέστε το διακόπτη της λυχνίας της υπεριώδους ακτινοβολίας (UV) στη θέση «ON». 5. Περιμένετε μέχρι να ολοκληρωθεί ο έλεγχος και η ρύθμιση του οργάνου. 6. Επιλέξτε το μήκος κύματος (254,0 nm) και στη συνέχεια πιέστε το πλήκτρο «GO TO λ». 7. Προσθέστε αποσταγμένο νερό σε μια κυψελίδα χαλαζία πάχους 1 cm, καθαρίστε με προσοχή το εξωτερικό της με μαλακό χαρτί κουζίνας και τοποθετείστε την ειδική θέση του οργάνου. 8. Μηδενίστε το φασματοφωτόμετρο πιέζοντας το πλήκτρο «ΖERO». 9. Επαναλάβετε το βήμα 6 με το δείγμα σας. 10. Διαβάστε την ένδειξη (τιμή της απορρόφησης) στο φασματοφωτόμετρο. 11. Μεταφέρετε τα αποτελέσματα των μετρήσεών σας στον πίνακα Πίνακας Αποτελέσματα μετρήσεων των χουμικού τύπου ενώσεων Δείγμα Κροκιδωτικό Συγκέντρωση κροκιδωτικού Απορρόφηση στα 254 nm (cm -1 ) Αρχικό Τελικό Απόδοση (%) της κροκίδωσης σχετικά με την απομάκρυνση χουμικού τύπου ενώσεων Σχόλια Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 40

43 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 14 Μετρήσεις θρεπτικών αλάτων (Χρήση φασματοφωτομέτρου) Η επιβάρυνση του νερού με θρεπτικά άλατα του αζώτου (αμμωνιακά NH 4 +, νιτρώδη NO 2 -, νιτρικά NO 3 - ) και του φωσφόρου (φωσφορικά PO 4 3- ) έχει σοβαρές επιπτώσεις στην ποιότητα των νερών των φυσικών αποδεκτών. Τέτοιου είδους ρυπαντικά φορτία οφείλονται κυρίως σε ανθρωπογενείς δραστηριότητες και περιέχονται στα αστικά λύματα (περιττώματα, απορρυπαντικά κ.λ.π.), στα κτηνοτροφικά απόβλητα, σε ορισμένα βιομηχανικά απόβλητα και στις γεωργικές απορροές (αποπλύσεις καλλιεργούμενων εκτάσεων - λιπάσματα). Το πρόβλημα που δημιουργείται είναι ο ευτροφισμός, η υπερβολική δηλαδή ανάπτυξη φυκιών (φυτοπλαγκτού) στα επιφανειακά νερά. Το φαινόμενο του ευτροφισμού αποτελεί πολύ σοβαρή διαταραχή του υδατικού οικοσυστήματος με πολλές δυσμενείς συνέπειες όπως η αποξυγόνωση, η μείωση της διαφάνειας και η δυσοσμία του νερού. Με διαφορετικούς όρους ο ευτροφισμός μπορεί να οριστεί ως «η υπέρμετρη αύξηση της πρωτογενούς παραγωγικότητας μιας κλειστής υδάτινης μάζας, με δυσμενή αποτελέσματα στα φυσικοχημικά και βιολογικά χαρακτηριστικά των υδάτων και της χρήσης τους». Ως πρωτογενής παραγωγικότητα νοείται η φυτική βιομάζα (φυτοπλαγκτόν, υδρόβια και υδροχαρής βλάστηση). Οι χημικές αναλύσεις για τον προσδιορισμό των θρεπτικών αλάτων (αμμωνιακών NH 4 +, νιτρωδών NO 2 -, νιτρικών NO 3 -, φωσφορικών PO 4 3- ) μπορούν να πραγματοποιηθούν με διάφορες μεθόδους. Η κλασσική και πλέον ακριβής μέθοδος στηρίζεται στη φασματοφωτομετρία. Φασματοφωτομετρικός προσδιορισμός νιτρωδών (NO - 2 ) αλάτων στα δείγματα Α, Β, Γ, Δ και Ε Το δείγμα κατεργάζεται με διάλυμα σουλφανιλαμίδης (C 6 H 8 N 2 O 2 S). Το σχηματιζόμενο διαζωνιακό ιόν αντιδρά με Ν-(1-ναφθυλο)-αιθυλαινοδιαμίνη (C 12 H 16 Cl 2 N 2 ) και σχηματίζεται ένα «αζόχρωμα» που έχει έντονη ερυθροϊώδη χροιά με μέγιστο απορρόφησης τα 542,0 nm. Αντιδραστήρια - Διάλυμα σουλφανιλαμιδίου: 10,0 g κρυσταλλικής sulphanilamide (C 6 H 8 N 2 O 2 S) διαλύονται σε 100,0 ml πυκνό (υδροχλωρικό οξύ) HCl και περίπου 600 ml αποσταγμένο H 2 O. (Ελαφρά θέρμανση επιταχύνει την διάλυση). Μετά την ψύξη το διάλυμα αραιώνεται στα 1000 ml με αποσταγμένο νερό. - n-(1-naphthyl)-ethylendiamine dihydrochloride: 0,5 g αμίνης (C 12 H 16 Cl 2 N 2 ) διαλύονται σε 500,0 ml αποσταγμένο νερό. Το διάλυμα φυλάσσεται σε σκουρόχρωμη γυάλινη φιάλη στο ψυγείο. (Το διάλυμα πρέπει να ανανεωθεί αν εμφανιστεί καφέ απόχρωση). - Standard διάλυμα νιτρωδών: Άνυδρο νιτρώδες νάτριο (NaNO 2 ) ξηραίνεται στους 100 ο C για 1 ώρα και 0,690 g διαλύονται σε 1000 ml αποσταγμένο νερό. Το διάλυμα περιέχει 10 μmol/l Ν-ΝΟ - 2 και διατηρείται σε σκουρόχρωμη γυάλινη φιάλη με μερικές σταγόνες χλωροφορμίου σαν συντηρητικό. Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 41

44 Οδηγίες για τη μέθοδο προσδιορισμού της συγκέντρωσης των νιτρωδών αλάτων 1. Τα αντιδραστήρια (σουλφανιλαμίδη και αμίνη) υπάρχουν έτοιμα στο εργαστήριο. 2. Σε 50,0 ml δείγματος (σε κωνική φιάλη των 100 ml) προστίθεται 0,5 ml διαλύματος σουλφανιλαμίδης (sulphanilamide) και μετά από καλή ανάδευση σε μαγνητικό αναδευτήρα προστίθεται 0,5 ml αρωματικής αμίνης (n-(1-naphthyl)-ethylendiamine dihydrochloride). 3. Το «αζόχρωμα» αναπτύσσεται σε 15 περίπου λεπτά και αμέσως μετά μπορεί να γίνει η μέτρηση φασματοφωτομετρικά στα 542,0 nm, (μήκος κύματος όπου η σχηματιζόμενη ουσία έχει μέγιστο απορρόφησης). 4. Η μέτρηση πραγματοποιείται σε φασματοφωτόμετρο διπλής δέσμης λ3 της Perkin Elmer. Η βαθμονόμηση του οργάνου και η καμπύλη αναφοράς για τη συγκεκριμένη μέτρηση γίνεται συνήθως από τους υπεύθυνους του εργαστηρίου. Διαφορετικά ακολουθείστε την εξής διαδικασία: i. Θέστε σε λειτουργία το φασματοφωτόμετρο. ii. Θέστε το διακόπτη της λυχνίας της υπεριώδους ακτινοβολίας (UV) στη θέση «ON». iii. Περιμένετε μέχρι να ολοκληρωθεί ο έλεγχος και η ρύθμιση του οργάνου. iv. Επιλέξτε το μήκος κύματος (542,0 nm) και στη συνέχεια πιέστε το πλήκτρο «GO TO λ». v. Προσθέστε αποσταγμένο νερό σε μια κυψελίδα χαλαζία πάχους 1 cm, καθαρίστε με προσοχή το εξωτερικό της με μαλακό χαρτί κουζίνας και τοποθετείστε την ειδική θέση του οργάνου. vi. Μηδενίστε το φασματοφωτόμετρο πιέζοντας το πλήκτρο «ΖERO». vii. Επαναλάβετε το βήμα V με το δείγμα σας αντί για αποσταγμένο νερό. 5. Σημειώστε το αποτέλεσμα της μέτρησής σας στον πίνακα 14.1 Πίνακας Αποτελέσματα μετρήσεων NO 2 - Δείγμα NO 2 - (mg/l) Α Β Γ Δ Ε Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 42

45 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 15 Μετρήσεις θρεπτικών αλάτων (Χρήση φορητού φασματοφωτομέτρου) Για μετρήσεις πεδίου, αλλά και σε περιπτώσεις απουσίας εργαστηριακής υποδομής σε συνδυασμό με χαμηλές απαιτήσεις στην ακρίβεια των μετρήσεων υπάρχουν έτοιμα αντιδραστήρια και φορητά φασματοφωτόμετρα (εικόνα 15.1), τα οποία είναι πολύ εύκολα στη χρήση και μπορούν να χρησιμοποιηθούν από μηχανικούς. Εικόνα Φορητά φασματοφωτόμετρα Οδηγίες για τη μέτρηση των θρεπτικών αλάτων 1. Μελετήστε προσεκτικά τις οδηγίες χρήσης του οργάνου (φορητού φασματοφωτομέτρου). 2. Μελετήστε προσεκτικά τις συνθήκες μέτρησης της αντίστοιχης μεθόδου. 3. Ακολουθείστε πιστά τις προφορικές και τις γραπτές οδηγίες εκτέλεσης των πειραμάτων. 4. Στο εργαστήριο υπάρχουν όλα τα απαραίτητα αντιδραστήρια. 5. Προσδιορίστε τη συγκέντρωση των αμμωνιακών (ΝΗ + 4 ), των νιτρωδών (ΝΟ - 2 ), των νιτρικών (ΝΟ - 3 ) και των φωσφορικών (PO 3-4 ) αλάτων στα δείγματα Α, Β, Γ, Δ και Ε. 6. Μεταφέρετε τα αποτελέσματα των μετρήσεών σας στον πίνακα Πίνακας Αποτελέσματα μετρήσεων για τα θρεπτικά άλατα Δείγμα + NH 4 (mg/l) - NO 2 (mg/l) - NO 3 (mg/l) 3- PO 4 (mg/l) Α Β Γ Δ Ε Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 43

46 ΕΡΩΤΗΣΗ ΑΠΑΝΤΗΣΗ Τι υποδηλώνει η ύπαρξη αμμωνιακών στα φυσικά νερά; Ποιο είναι το ανώτατο επιτρεπτό όριο των νιτρικών στο πόσιμο νερό σύμφωνα με τη νομοθεσία; Ποιο είναι το όριο απόρριψης ολικού αζώτου σε έναν ευαίσθητο αποδέκτη; Ποιο είναι το όριο απόρριψης ολικού φωσφόρου σε γλυκά νερά; Σε ένα δείγμα υγρών αποβλήτων με χαμηλό ph αναμένεται αμμωνιακό άζωτο με τη μορφή των αμμωνιακών (Ν-ΝΗ 4 + ) ή με τη μορφή της αμμωνίας (ΝΗ 3 ); Το αμμωνιακό (Ν-ΝΗ 4 + ) ή το νιτρικό (Ν-ΝΟ 3 - ) άζωτο βρίσκεται σε υψηλότερη συγκέντρωση όταν τα λύματα εισέρχονται στην ΕΕΛ προς επεξεργασία; Το αμμωνιακό (Ν-ΝΗ 4 + ) ή το νιτρικό (Ν-ΝΟ 3 - ) άζωτο βρίσκεται σε υψηλότερη συγκέντρωση όταν τα λύματα έχουν υποστεί βιολογική επεξεργασία; Η οξείδωση της αμμωνίας σε νιτρώδη και νιτρικά άλατα ονομάζεται νιτροποίηση. Είναι αυτό σωστό ή λάθος; Η αναγωγή των νιτρικών σε νιτρώδη άλατα ονομάζεται απονιτροποίηση. Είναι αυτό σωστό ή λάθος; Η μετατροπή των νιτρικών αλάτων σε αέριο άζωτο ονομάζεται απονιτροποίηση. Είναι αυτό σωστό ή λάθος; Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 44

47 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 16 Προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα Αποχρωματισμός δειγμάτων Προσρόφηση είναι το φαινόμενο μεταφοράς μάζας από την υγρή φάση στην επιφάνεια ενός στερεού. Πρόκειται για διεργασία συσσώρευσης των συστατικών τα οποία βρίσκονται σε ένα διάλυμα πάνω σε μια κατάλληλη επιφάνεια. Η προσρόφηση των συστατικών στο προσροφητικό μέσο πραγματοποιείται δια μέσου των ηλεκτροστατικών δυνάμεων που έλκουν το προσροφούμενο συστατικό από το διάλυμα στη στερεά επιφάνεια του προσροφητικού. Οι δυνάμεις ή ο μηχανισμός με τον οποίο το προσροφούμενο συστατικό έλκεται στην επιφάνεια του προσροφητικού υλικού, μπορεί να είναι φυσικές ή χημικές χωρίς σαφή προσδιορισμό μεταξύ των φυσικών και χημικών ηλεκτροστατικών δυνάμεων που αναπτύσσονται. Τα σπουδαιότερα προσροφητικά μέσα είναι ο ενεργός άνθρακας, τα συνθετικά πολυμερή και κάποια προσροφητικά μέσα που βασίζονται στο πυρίτιο. Τα δύο τελευταία είναι ακριβά υλικά και σπάνια χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων. Ο ενεργός άνθρακας (εικόνα 16.1) παράγεται από ποικίλες οργανικές πρώτες ύλες (ύλες με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα), όπως ξύλο, λιγνίτη κ.ά. Η πρώτη ύλη απανθρακώνεται απουσία αέρα στους 650 o C περίπου ή οξειδώνεται με κατάλληλους ατμούς και αέρια, όπως ο υδρατμός και το διοξείδιο του άνθρακα, στους 850 o C περίπου. Με τη θερμική επεξεργασία α άνθρακας αποκτά πόρους με πολύ μεγάλη ειδική επιφάνεια ( m 2 /g). Στην επιφάνεια αυτή μπορεί να γίνει προσρόφηση των διαλυμένων οργανικών ουσιών οι οποίες υπάρχουν στα υγρά απόβλητα. Υπάρχουν δύο είδη ενεργού άνθρακα, ο κοκκοποιημένος (Granular Activated Carbon GAC) και ο κονιορτοποιημένος (Powdered Activated Carbon PAC). Εικόνα Αποχρωματισμός δείγματος (προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα) Ο κοκκώδης (κοκκοποιημένος) ενεργός άνθρακας έχει συνήθως την κοκκομετρική σύνθεση της άμμου των διυλιστηρίων (0,1 1,0 mm). Η διάμετρος του κονιορτοποιημένου ενεργού άνθρακα κυμαίνεται μεταξύ 0,050 0,075 mm. Η προσροφητική ικανότητά του είναι μεγάλη γιατί μισό κιλό λεπτού κονιορτοποιημένου ενεργού άνθρακα περιέχει κόκκους ενώ 30 περίπου λίτρα κόκκων έχουν ολική επιφάνεια περίπου 28 Km 2. Ο κοκκώδης ενεργός άνθρακας απομακρύνει αποτελεσματικά τα διαλυμένα οργανικά συστατικά ακόμα και όταν αυτά βρίσκονται στα απόβλητα σε χαμηλές συγκεντρώσεις. Οι οργανικές ουσίες προσροφώνται στη μεγάλη ειδική επιφάνεια του άνθρακα ενώ, παράλληλα, η βιολογική αποδόμηση ανοίγει ξανά τους πόρους και τις διόδους μεταξύ των κόκκων. Γενικά, έχει παρατηρηθεί ότι με τη χρήση του ενεργού άνθρακα, για την απομάκρυνση του οργανικού φορτίου από τα απόβλητα, τα οργανικά συστατικά μικρού μοριακού βάρους δεν δεσμεύονται από το σύστημα του ενεργού άνθρακα. Συνήθως χρησιμοποιείται στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων είτε για τριτοβάθμια επεξεργασία μετά το στάδιο της βιολογικής βαθμίδας, είτε σαν δεύτερο στάδιο επεξεργασίας στις εγκαταστάσεις φυσικοχημικού καθαρισμού. Η προσρόφηση των ρύπων εξασφαλίζεται σε κλίνες, οι οποίες περιέχουν ενεργό άνθρακα σε κοκκώδη μορφή. Οι κλίνες που περιέχουν κονιορτοποιημένο ενεργό άνθρακα παρουσιάζουν προβλήματα απόφραξης των πόρων τους από τα σωματίδια που ενδέχεται να περιέχουν τα υγρά απόβλητα. Μετά από αρκετές χρήσεις ο άνθρακας πρέπει να αναγεννηθεί. Αυτό επιτυγχάνεται με τη θέρμανσή του στους o C. Οι μονάδες επαφής του άνθρακα με τα απόβλητα αποτελούνται είτε από κλίνες με καθοδική ροή, που προσροφούν και διυλίζουν ταυτόχρονα τα αιωρούμενα στερεά είτε από στήλες με ανοδική ή καθοδική ροή. Ο χρόνος επαφής πρέπει να είναι όσο το δυνατόν περιορισμένος διότι οι αυξημένοι χρόνοι, παρ όλο που δεν βελτιώνουν ουσιαστικά την απόδοση, οδηγούν στη δημιουργία ανεπιθύμητων αναερόβιων συνθηκών με παραγωγή υδρόθειου (H 2 S). Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 45

48 Ο κονιορτοποιημένος ενεργός άνθρακας χρησιμοποιείται με επιτυχία σε ταμιευτήρες νερού και σε δεξαμενές καθίζησης, όπου ενεργεί τόσο σαν προσροφητικό μέσο των στοιχείων που προκαλούν οσμή και γεύση όσο και σαν εμπόδιο στην είσοδο του ηλιακού φωτός και συνεπώς στην ανάπτυξη μικροοργανισμών. Οδηγίες για το πείραμα αποχρωματισμού δείγματος με ενεργό άνθρακα Τα δείγματα [Α1, Α2], [Β1, Β2], [Γ1, Γ2], [Δ1, Δ2], [Ε1, Ε2] είναι έγχρωμα υδατικά διαλύματα τα οποία περιέχουν οργανικές ή ανόργανες ουσίες σε πλήρη διάλυση. Ζητείται η επεξεργασία τους με κονιορτοποιημένο ενεργό άνθρακα με σκοπό τον αποχρωματισμό τους. 1. Προσθέστε περίπου μισό κουταλάκι κονιορτοποιημένο ενεργό άνθρακα σε 200 ml δείγματος. 2. Τοποθετήστε το δείγμα σε μαγνητικό αναδευτήρα και αναδεύσετε προσεκτικά για 3 4 λεπτά. 3. Διπλώστε το χάρτινο φίλτρο πολλές φορές σύμφωνα με τις προφορικές οδηγίες. 4. Διηθήστε περίπου 100 ml από το επεξεργασμένο με κονιορτοποιημένο ενεργό άνθρακα δείγμα σε μια καθαρή κωνική φιάλη των 100 ml. 5. Παρατηρείστε το αποτέλεσμα (πλήρης αποχρωματισμός μερικός αποχρωματισμός αποτυχία). 6. Επαναλάβετε το πείραμα μειώνοντας στο ελάχιστο τη δόση του κονιορτοποιημένου ενεργού άνθρακα. 7. Συμπληρώστε το αποτέλεσμα της παρατήρησής σας στον πίνακα Πίνακας Αποτελέσματα πειράματος προσρόφησης Δείγμα Αποχρωματισμός Παρατηρήσεις - Σχόλια ΝΑΙ ΟΧΙ Α1 Α2 Β1 Β2 Γ1 Γ2 Δ1 Δ2 Ε1 Ε2 Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 46

49 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 17 Μέτρηση ολικού και ελεύθερου χλωρίου στο νερό Η απολύμανση με χλώριο είναι πολύ διαδεδομένη και ευρέως χρησιμοποιούμενη τόσο στο πόσιμο νερό, όσο και στα υγρά απόβλητα. Οι κυριότεροι λόγοι είναι η αποτελεσματικότητά του, η προσιτή διαθεσιμότητά του, η σχετική ασφάλεια κατά τη χρήση του, καθώς και η ιδιότητά του να διατηρεί υπολειμματική δράση. Ωστόσο, η συνεχής χρήση του χλωρίου για την προστασία της δημόσιας υγείας έχει προκαλέσει και σοβαρές ανησυχίες, οι οποίες σχετίζονται κυρίως με το σχηματισμό και την απόρριψη οργανοχλωριωμένων παραπροϊόντων (THM), καθώς και την τοξική δράση του χλωρίου στους υδρόβιους οργανισμούς. Όταν το χλώριο προστίθεται στο νερό ή τα υγρά απόβλητα, λειτουργεί αρχικά ως οξειδωτικό μέσο και αντιδρά με διάφορες ενώσεις (Fe 2+, NH 4 +, Mn 2+, S 2-, CN -, οργανικές ενώσεις, κ.ά.) και δεν καταναλώνεται για απολύμανση (για καταστροφή των παθογόνων μικροοργανισμών). Το ποσό του χλωρίου που αντιδρά με τις ουσίες αυτές πριν αρχίσει η καθαρά απολυμαντική του δράση λέγεται απαιτούμενο χλώριο (Σχήματα 17.1 και 17.2). Η περαιτέρω υπολειμματική συγκέντρωση χλωρίου καλείται ολική. Η ολική συγκέντρωση διαχωρίζεται στη συγκέντρωση του ελεύθερου χλωρίου, που χρησιμοποιείται αποκλειστικά για την απολύμανση και την καταστροφή των παθογόνων μικροοργανισμών και του δεσμευμένου χλωρίου, που δεν είναι διαθέσιμο για απολύμανση. Άρα, για τον υπολογισμό της δόσης του χλωρίου για αποτελεσματική απολύμανση θα πρέπει να ληφθεί υπόψη το απαιτούμενο χλώριο και το ολικό υπολειμματικό χλώριο (Σχήμα 17.1). Σχήμα Διάγραμμα προσθήκης χλωρίου κατά την απολύμανση νερού και υγρών αποβλήτων. Για παράδειγμα, κατά την απολύμανση επιφανειακού νερού που περιέχει οργανικό φορτίο, το χλώριο αρχικά θα καταναλωθεί πλήρως για την οξείδωση διαφόρων συστατικών του νερού (τμήμα ΑΒ, σχήματος 17.2). Στη συνέχεια, το χλώριο που εξακολουθεί να προστίθεται (τμήμα ΒΓ, σχήματος 17.2), θα αντιδράσει με τα αμμωνιακά άλατα προς σχηματισμό χλωραμινών, οι οποίες διαθέτουν μικρότερη απολυμαντική δράση σε σχέση με το χλώριο, δίνοντας ωστόσο υπολειμματικό χλώριο διαθέσιμο για απολύμανση. Έπειτα, το χλώριο που προστίθεται οξειδώνει τις χλωραμίνες προς άζωτο και οξείδια του αζώτου και ανάγει το χλώριο σε χλωριούχα (τμήμα ΓΔ, σχήματος 17.2). Τέλος, περαιτέρω αύξηση του χλωρίου, οδηγεί αποκλειστικά στο σχηματισμό του ελεύθερου χλωρίου (τμήμα ΔΕ, σχήματος 17.2), το οποίο είναι διαθέσιμο για απολύμανση. Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 47

50 Υπολειμματικό χλώριο, mg/l Καταστροφή χλωρίου Σχηματισμός χλωροοργανικών ενώσεων Οξείδωση/ καταστροφή χλωροοργανικών ενώσεων Ελεύθερο και δεσμευμένο χλώριο Γ Ε Ελεύθερο χλώριο Α Β Δ Δεσμευμένο χλώριο Δόση χλωρίου, mg/l Σχήμα Καμπύλη υπολειμματικού χλωρίου κατά την απολύμανση νερού και υγρών αποβλήτων. Κατά την απολύμανση του πόσιμου νερού, πλήρης απολύμανση θεωρείται ότι επιτυγχάνεται όταν ανιχνεύεται συγκέντρωση του υπολειμματικού ελεύθερου χλωρίου περίπου 0.2 mg/l στα όρια του δικτύου ύδρευσης. Αυτό σημαίνει ότι η συγκέντρωση του υπολειμματικού χλωρίου είναι υψηλότερη κοντά στο σημείο παραγωγής του πόσιμου νερού. Σε κάθε περίπτωση, η συγκέντρωση του ελεύθερου υπολειμματικού χλωρίου δεν θα πρέπει να ξεπερνά τα 0.5 mg/l, καθώς περισσότερη χλωρίωση προσδίδει στο νερό οσμή και γεύση. Σημαντική παράμετρος για την αποτελεσματική χλωρίωση, εκτός από την δόση του χλωρίου, είναι η εξασφάλιση του απαραίτητου χρόνου επαφής χλωρίου νερού ή υγρών αποβλήτων. Ενδεικτικά, αναφέρεται ότι ο χρόνος επαφής κυμαίνεται συνήθως από 15 έως 30 λεπτά. Χρήσιμοι όροι που συνδέονται με τη χλωρίωση του νερού Ελεύθερο χλώριο (Free Chlorine): Χλώριο με τη μορφή υποχλωριώδους οξέος (HOCl) ή υποχλωριωδών ιόντων (OCl - ), το οποίο εξαρτάται από το ph του διαλύματος Δεσμευμένο χλώριο (Combined Chlorine): Κυρίως χλωραμίνες (NH 2 Cl + NHCl 2 + NCl 3 ) Ολικό χλώριο (Total Chlorine): Ελεύθερο χλώριο + Δεσμευμένο χλώριο Δόση του χλωρίου (Chlorine Dose): Εξαρτάται από την περιεκτικότητα των οργανικών ουσιών, των αμμωνιακών ιόντων και τις απαιτήσεις για απολύμανση DBP: Disinfection Byproducts (Παραπροϊόντα απολύμανσης) THM: Tri-halomethans (Τρι-αλογονωμένα μεθάνια) Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 48

51 Εικόνα Φορητός μετρητής χλωρίου - αντιδραστήρια Α. Προσδιορισμός ελεύθερου και ολικού χλωρίου στο νερό του δικτύου 1. Να μελετηθούν προσεκτικά οι οδηγίες χρήσης του ειδικού φορητού μικροαναλυτή (εικόνα 17.1) και η μέθοδος μέτρησης του ελεύθερου και ολικού χλωρίου. 2. Να μετρηθεί το ελεύθερο και το ολικό χλώριο του νερού του δικτύου ύδρευσης. Το δείγμα του νερού θα πρέπει να είναι αντιπροσωπευτικό (αφήστε τη βρύση ανοιχτή για 3 περίπου λεπτά πριν πάρετε δείγμα). 3. Σημειώστε τα αποτελέσματα των μετρήσεών σας. Ελεύθερο (Free) χλώριο :..... mg/l Ολικό (Total) χλώριο :.. mg/l Β. Απομάκρυνση του υπολειμματικού χλωρίου από το νερό 1. Προσθέστε 1-2 σταγόνες υποχλωριώδους νατρίου (NaOCl) 5,0 % σε μια κωνική φιάλη που περιέχει 200 ml νερό δικτύου. 2. Τοποθετείστε το δείγμα σε μαγνητικό αναδευτήρα και αναδεύσετε προσεκτικά για 1-2 λεπτά. 3. Προσδιορίστε τη συγκέντρωση του ολικού χλωρίου στο δείγμα που παρασκευάσατε. 4. Σημειώστε το αποτέλεσμα της μέτρησής σας εδώ : Ολικό χλώριο :... mg/l 5. Προσθέστε μικρή ποσότητα ενεργού άνθρακα στο δείγμα. 6. Αναδεύσετε σε μαγνητικό αναδευτήρα προσεκτικά για περίπου 3 λεπτά. 7. Διηθήστε περίπου 50 ml από το επεξεργασμένο δείγμα σε μια καθαρή φιάλη. 8. Προσδιορίστε τη συγκέντρωση του ολικού χλωρίου στο νερό που παραλάβατε από τη διήθηση. 9. Σημειώστε το αποτέλεσμα της μέτρησης μετά την επεξεργασία εδώ: Ολικό χλώριο :... mg/l 10. Υπολογίστε το βαθμό απομάκρυνσης του χλωρίου (Ποσοστό απομάκρυνσης %) 11. Σχολιάστε:.. Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 49

52 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 18 Μικροβιολογικές αναλύσεις νερού και λυμάτων Η μόλυνση του νερού, η επιβάρυνσή του δηλαδή με παθογόνους μικροοργανισμούς, όπως βακτήρια, παράσιτα, ιοί, κ.λ.π., οφείλεται κατά κανόνα στα αστικά και τα κτηνοτροφικά απόβλητα. Επειδή η απομόνωση και η αναγνώριση του κάθε είδους μικροοργανισμού παρουσιάζει τεχνικές δυσκολίες και επειδή ο αριθμός των παθογόνων μικροοργανισμών είναι πολύ μικρός σε σχέση με το σύνολο των μικροοργανισμών που υπάρχουν στο νερό, για τον προσδιορισμό της πιθανότητας που έχει το νερό να είναι μολυσμένο και συνεπώς να μεταδώσει ασθένειες, χρησιμοποιούνται οι οργανισμοί δείκτες. Μικροοργανισμοί δείκτες μόλυνσης του νερού Με τους οργανισμούς δείκτες γίνεται έμμεση ανίχνευση των παθογόνων μικροοργανισμών του νερού. Η ύπαρξη οργανισμών δεικτών στο νερό υποδηλώνει μόλυνση του νερού. Οι οργανισμοί δείκτες ενδέχεται να συνοδεύονται από παθογόνους μικροοργανισμούς, οι ίδιοι όμως δεν είναι παθογόνοι. Σχήμα Η οικογένεια των κολοβακτηριοειδών Οι ιδανικοί οργανισμοί δείκτες πρέπει να είναι εφαρμόσιμοι σε όλα τα νερά, να συνυπάρχουν με τα παθογόνα είδη μικροοργανισμών, η συγκέντρωσή τους να είναι αρκετά μεγάλη σε σχέση με τα παθογόνα είδη, να είναι εύκολα ανιχνεύσιμοι, να έχουν χρόνο ζωής παραπλήσιο με τα παθογόνα είδη, να μην υπάρχουν στα καθαρά νερά, να έχουν σταθερά βιοχημικά χαρακτηριστικά για ανίχνευση και να είναι αβλαβείς. Οι πιο σημαντικοί οργανισμοί δείκτες είναι: Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 50

53 τα ολικά κολοβακτηριοειδή (Total Coliforms, TC), τα κολοβακτηριοειδή κοπράνων (Fecal Coliforms, FC), οι στρεπτόκοκκοι κοπράνων (Fecal Streptococci), οι εντερόκοκκοι (Enterococci). Η μέθοδος των διηθητικών μεμβρανών (MF) Το δείγμα διηθείται μέσω αποστειρωμένης μεμβράνης (φίλτρου), με διάμετρο πόρων 0,45 μm, υπό κενό. Η μεμβράνη (φίλτρο) τοποθετείται πάνω σε κατάλληλο μέσο καλλιέργειας το οποίο βρίσκεται εντός του τρυβλίου. Στη συνέχεια το τρυβλίο τοποθετείται σε συγκεκριμένη θερμοκρασία για επώαση και για καθορισμένο χρόνο. Κάθε μικροοργανισμός σχηματίζει κατά τη διάρκεια της επώασης μια αποικία. Για να είναι ικανοποιητικά τα αποτελέσματα της μέτρησης πρέπει ο όγκος του δείγματος να είναι τέτοιος ώστε να αναπτύσσονται αποικίες σε κάθε μεμβράνη (φίλτρο). Η μέθοδος αυτή απαιτεί μικρό χρόνο ανάλυσης αλλά περιορίζεται στην ανάλυση δειγμάτων χαμηλής θολότητας. Η τεχνική μέτρησης της ομάδας των κολοβακτηριοειδών κοπράνων στηρίζεται στην ιδιότητά τους να αναπτύσσουν κόκκινες αποικίες με χρυσοπράσινη μεταλλική λάμψη όταν το μέσο καλλιέργειας είναι το Endo, το οποίο περιέχει λακτόζη, στην κατάλληλη θερμοκρασία και μετά από επώαση 24 ωρών. Εικόνα Η μέθοδος των διηθητικών μεμβρανών Εικόνα Αποικίες FC (Ε.Coli) σε τρυβλίο Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 51

54 Οδηγίες για τις μικροβιολογικές αναλύσεις 1. Τα δείγματα Α, Β, Γ, Δ και Ε προορίζονται για μικροβιολογική εξέταση με τη μέθοδο των διηθητικών μεμβρανών σε θρεπτικό υλικό τύπου Endo. 2. Όλα τα σκεύη (φιάλες, τσιμπίδες, λαβίδες κ.λ.π.) που θα χρησιμοποιηθούν πρέπει να είναι αποστειρωμένα. Να τηρηθούν σχολαστικά οι σχετικές προφορικές οδηγίες. 3. Η ποσότητα του δείγματος που απαιτείται στη συγκεκριμένη περίπτωση (για τη διήθηση) είναι 100 ml για κάθε μέτρηση. Συνήθως απαιτείται τουλάχιστον διπλό ή τριπλό δείγμα. 4. Το αποστειρωμένο φίλτρο τοποθετείται πάνω στη διάταξη διήθησης με τη βοήθεια της αποστειρωμένης τσιμπίδας, σύμφωνα με τις προφορικές οδηγίες. 5. Η διήθηση του δείγματος πραγματοποιείται στο σύστημα διήθησης με τη βοήθεια αντλίας κενού. 6. Η διάταξη διήθησης και η τσιμπίδα θα αποστειρώνονται ενδιάμεσα με φλόγιστρο, σύμφωνα με τις προφορικές οδηγίες. 7. Το θρεπτικό υλικό (agar) είναι συνήθως έτοιμο υπό μορφή gel μέσα στο πλαστικό τρυβλίο. Εάν αυτό είναι ξηρής μορφής, απαιτείται εμποτισμός με αποστειρωμένο νερό. Η ποσότητα του νερού που απαιτείται για τον εμποτισμό του είναι 3,4 ml. Χρησιμοποιήστε αποστειρωμένο σιφώνιο των 5,0 ml και πουάρ για να εμποτίσετε το θρεπτικό υλικό.. 8. Το φίλτρο με τη βοήθεια της τσιμπίδας τοποθετείται στο τρυβλίο, επάνω στο θρεπτικό υλικό, με τέτοιο τρόπο ώστε να αποφευχθεί ο εγκλωβισμός φυσαλίδων αέρα κάτω από το φίλτρο. 9. Η επώαση γίνεται σε επωαστικό θάλαμο, σε σταθερή θερμοκρασία 36 ± 0,5 o C, για 24 ώρες. 10. Η καταμέτρηση των αποικιών και η κατηγοριοποίησή τους σε ολικά κολοβακτηριοειδή (TC) και κολοβακτηριοειδή κοπράνων (FC) γίνεται την επόμενη μέρα, σύμφωνα με τις προφορικές οδηγίες. 11. Ακολουθεί η συμπλήρωση του πίνακα 18.1 Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 52

55 Πίνακας Αποτελέσματα μικροβιολογικών αναλύσεων Καταμέτρηση αποικιών Δείγμα Total Coliforms (TC) CFU / 100 ml Fecal Coliforms (FC) CFU / 100 ml 1 ο τρυβλίο 2 ο τρυβλίο Μέσος όρος 1 ο τρυβλίο 2 ο τρυβλίο Μέσος όρος Α Β Γ Δ Ε CFU: Colony Forming Units ΕΡΩΤΗΣΗ ΑΠΑΝΤΗΣΗ Πως διακρίνονται οι αποικίες των κολοβακτηριοειδών κοπράνων (FC) από τις αποικίες των ολικών κολοβακτηριοειδών (TC) σε θρεπτικό υλικό τύπου Endo; Σε τι επίπεδα κυμαίνεται ο αριθμός των ολικών κολοβακτηριοειδών στα φρέσκα ανεπεξέργαστα αστικά λύματα; Ποιο είναι το ανώτατο επιτρεπτό όριο των TC και FC για το πόσιμο νερό σύμφωνα με τη νομοθεσία; Ποιο είναι το ανώτατο επιτρεπτό όριο των FC για τα νερά κολύμβησης σύμφωνα με τη νομοθεσία; Ποιος είναι ο πλέον αποτελεσματικός τρόπος απομάκρυνσης των παθογόνων μικροοργανισμών από το νερό; Ποιές μεθόδους απολύμανσης του νερού γνωρίζετε; Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 53

56 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 19 Μικροσκοπική παρατήρηση αναγνώριση μικροοργανισμών σε δείγματα ενεργού ιλύος Εικόνα Μικροσκόπιο Αντικειμενοφόρος πλάκα Καλυπτρίδα Εικόνα Μικροοργανισμοί σε δείγματα ενεργού ιλύος Οδηγίες για το πείραμα αναγνώρισης και περιγραφής των μικροοργανισμών που κυριαρχούν στο δείγμα (ανάμικτου υγρού) ενεργού ιλύος 1. Παράμετροι μικροσκοπίου (φωτισμός, φακοί, μεγέθυνση κ.λ.π.) δίνονται προφορικά. 2. Η εξοικείωση με το όργανο μπορεί να γίνει με μια τρίχα η οποία μπορεί να τοποθετηθεί στην αντικειμενοφόρο πλάκα, να καλυφθεί με την καλυπτρίδα και να τοποθετηθεί στην τράπεζα του μικροσκοπίου προς παρατήρηση. 3. Σε μια νέα αντικειμενοφόρο πλάκα τοποθετείται μια σταγόνα δείγματος η οποία καλύπτεται με την καλυπτρίδα και στη συνέχεια τοποθετείται προς παρατήρηση στην τράπεζα του μικροσκοπίου. 4. Οι μικροοργανισμοί παρατηρούνται σχολαστικά, αναγνωρίζονται, καταγράφονται και σχολιάζονται. Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 54

57 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 20 Προσδιορισμός ολικής σκληρότητας νερού Η σκληρότητα είναι μια παράμετρος, που εκφράζει την περιεκτικότητα του νερού σε πολυσθενή κατιόντα κυρίως ασβεστίου (Ca 2+ ) και μαγνησίου (Mg 2+ ) και διακρίνεται σε ολική, προσωρινή και μόνιμη. Το σκληρό νερό δεν έχει καλή γεύση, εμποδίζει το καλό βράσιμο των τροφίμων, δεν κάνει αφρό με το σαπούνι και δημιουργεί επικαθήσεις στις σωληνώσεις και στις οικιακές συσκευές (εικόνα 20.1). Επίσης, σε ορισμένες βιομηχανίες (βυρσοδεψεία, βαφεία, χημικών και φαρμακευτικών προϊόντων) το σκληρό νερό είναι επιζήμιο στην κατεργασία και στο τελικό προϊόν. Πολύ σοβαρές βιομηχανικές ενοχλήσεις δημιουργεί στους ατμολέβητες αφήνοντας μετά την εξάτμιση σημαντικές ποσότητες στερεών αποθέσεων (πουρί). Εικόνα Επικαθήσεις αλάτων σε σωληνώσεις Η ολική σκληρότητα αναφέρεται στα νερά που κατά κανόνα περιέχουν σημαντικές ποσότητες κατιόντων ασβεστίου (Ca 2+ ) και μαγνησίου (Mg 2+ ) με τη μορφή του ανθρακικού ασβεστίου (CaCO 3 ) και ανθρακικού μαγνησίου (MgCO 3 ). Εάν συνυπάρχουν και άλλα κατιόντα όπως του στροντίου, του βαρίου, του μαγγανίου, του ψευδαργύρου, του σιδήρου και του αργιλίου, τότε συμπεριλαμβάνονται και αυτά. Η προσωρινή (ανθρακική) σκληρότητα οφείλεται σε όξινα ανθρακικά άλατα του ασβεστίου (Ca(HCO 3 ) 2 ) και μαγνησίου (Mg(HCO 3 ) 2 ). Η σκληρότητα αυτή αφαιρείται με βρασμό του νερού και το μεν διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) διαφεύγει, τα δε αδιάλυτα CaCO 3 και MgCO 3 καθιζάνουν σαν ανθρακικά άλατα: Ca( HCO3) 2 CaCO 3 CO2 H2O Mg( HCO3) 2 MgCO 3 CO2 H2O Η μόνιμη (μη ανθρακική) σκληρότητα οφείλεται στα ανθρακικά, θειούχα, χλωριούχα και νιτρικά άλατα του ασβεστίου και του μαγνησίου και δεν αφαιρείται με βρασμό. Παραδείγματα τέτοιων αλάτων είναι το CaCO 3, MgCO 3, CaSO 4, MgSO 4, CaCl 2, MgCl 2, Ca(NO 3 ) 2, Mg(NO 3 ) 2. Η σκληρότητα του νερού εκφράζεται συνήθως σε mg/l CaCO 3. Για τον υπολογισμό της και την έκφρασή της σε mg/l CaCO 3, το άθροισμα των χιλιοστοϊσοδυνάμων (meq/l) ασβεστίου και μαγνησίου θεωρείται ισοδύναμο χιλιοστοϊσοδυνάμων ανθρακικού ασβεστίου. Δηλαδή meq/l Ca 2+ + meq/l Mg 2+ = meq/l CaCO 3. Για τη μετατροπή των χιλιοστοϊσοδυνάμων (meq) του ανθρακικού ασβεστίου (CaCO 3 ) σε συγκέντρωση ανθρακικού ασβεστίου πολλαπλασιάζονται τα χιλιοστοϊσοδύναμα επί 50. Δηλαδή meq/l CaCO 3 x 50 = mg/l CaCO 3. Επειδή Ισοδύναμη μάζα CaCO 3 = «Μαλακά» χαρακτηρίζονται τα νερά με σκληρότητα mg/l ισοδύναμο CaCO 3. «Μέσης σκληρότητας» τα νερά με σκληρότητα mg/l ισοδύναμο CaCO 3. «Σκληρά» τα νερά με σκληρότητα mg/l ισοδύναμο CaCO 3. «Πολύ σκληρά» τα νερά με σκληρότητα μεγαλύτερη από 300 mg/l ισοδύναμο CaCO mg / mmole 50 mg / meq 2meq / mmole Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 55

58 Άλλες μονάδες έκφρασης της σκληρότητας είναι ο Γαλλικός ( o F), ο Γερμανικός ( o D) και Αγγλικός ( o E) βαθμός σκληρότητας. Πίνακας Μετατροπές μονάδων σκληρότητας νερού Σκληρότητα Ιόντα αλκ. γαιών mmole/l Ιόντα αλκ. γαιών meq/l Γερμ. Βαθμός o D CaCO 3 mg/l Αγγλ. Βαθμός o E Γαλλ. Βαθμός o F Ιόντα αλκαλικών γαιών (1 mmole/l) Ιόντα αλκαλικών γαιών (1 meq/l) Γερμ. βαθμός mg/l CaCO Αγγλικός βαθμός Γαλλικός βαθμός Οδηγίες για τη μέτρηση της σκληρότητας του νερού Αντιδραστήρια Ειδικός δείκτης Merck (σε δισκία). Διάλυμα υδροξειδίου του αμμωνίου (ΝΗ 4 ΟΗ). Διάλυμα Titriplex A ή Titrplex B (ανάλογα με τη σκληρότητα του νερού). Σε φυσικά νερά χρησιμοποιείται διάλυμα Titriplex A και σε μαλακά ή αποσκληρυμένα νερά χρησιμοποιείται διάλυμα Titriplex Β. Η καταλληλότερη θερμοκρασία τιτλοδότησης κυμαίνεται μεταξύ 20 και 30 ο C Εκτέλεση του πειράματος 1. Σε κωνική φιάλη των ml λαμβάνεται όγκος 100,0 ml από το προς εξέταση δείγμα. 2. Η κωνική τοποθετείται σε μαγνητικό αναδευτήρα και ένα δισκίο ειδικού δείκτη Merck διαλύεται με αργή και σταθερή ανάδευση (εικόνα 20.2) ml ΝΗ 4 ΟΗ προστίθεται. ΠΡΟΣΟΧΗ, Οι ατμοί της αμμωνίας που εκλύονται είναι αποπνικτικοί! 4. Το δείγμα τιτλοδοτείται (σύμφωνα με τις προφορικές οδηγίες) αμέσως με διάλυμα Titriplex μέχρι μεταβολής του χρώματος από κόκκινο με ενδιάμεση απόχρωση, σε πράσινο. Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 56

59 Εικόνα Τιτλοδότηση για τη μέτρηση της σκληρότητας του νερού Υπολογισμοί και αποτελέσματα 1mL διαλύματος Titriplex A 5,6 D (για 100 ml δείγματος) 1mL διαλύματος Titriplex B 1,0 D (για 100 ml δείγματος) Αποτελέσματα Γερμανικοί Βαθμοί o D Γαλλικοί Βαθμοί o F CaCO 3 mg/l Σκληρότητα Ε. Νταρακάς, Αν. Καθηγητής Α.Π.Θ. Σελίδα 57