ΑΣΚΗΣΗ 1 η. Μέθοδοι απολύµανσης του νερού

Transcript

1 ΑΣΚΗΣΗ 1 η Μέτρηση Υπολειµµατικού Χλωρίου Θεωρητικό υπόβαθρο Μέθοδοι απολύµανσης του νερού Βρασµός του νερού: Απλή τεχνική η οποία χρησιµοποιείται µόνο για έκτακτες περιπτώσεις σε οικιακή χρήση Επεξεργασία µε άσβεστο CaO ή Ca(OH) 2 : Απλή τεχνική που χρησιµοποιείται συνήθως σε δεξαµενές συλλογής βρόχινου νερού στα νησιά µε σκοπό την αύξηση του ph και την καθίζηση των αιωρούµενων σωµατιδίων. Χρήση όζοντος, O 3 : Έχει πολύ καλή δράση έναντι ιών ενώ δεν δηµιουργεί αλογονοφόρµια. Είναι όµως ιδιαίτερα δαπανηρό και δεν εξασφαλίζει υπολειµµατική δράση. Επίσης απαιτεί επιµεληµένη συντήρηση και µόνιµη παροχή ηλεκτρικού ρεύµατος Χρήση υπεριώδους ακτινοβολίας UV: έχει αποδειχθεί µέγιστη µικροβιοκτόνος δράση στο µήκος κύµατος λ=265 nm όµως και αυτή δεν εξασφαλίζει υπολειµµατική δράση και απαιτεί επιµεληµένη συντήρηση και σταθερότητα στην παροχή ηλεκτρικού ρεύµατος. Παράλληλα µε τα µειονεκτήµατα αυτά η θολότητα, οι χουµικές ουσίες και ο σίδηρος εµποδίζουν τη µετάδοση και την αποτελεσµατικότητα της ακτινοβολίας ως απολυµαντικού µέσου.

2 Επεξεργασία µε άργυρο του οποίου η µικροβιοκτόνος δράση αυξάνεται µε την άνοδο του ph και της θερµοκρασίας και ελαττώνεται µε τη σκληρότητα, τα χλωριούχα και την έλλειψη διαλυµένου οξυγόνου. Χρήση βρωµίου, ιωδίου: Κατά πολύ πιο δαπανηρές µέθοδοι από τη χλωρίωση Χλωρίωση: η περισσότερο διαδεδοµένη και οικονοµικά συµφέρουσα µέθοδος απολύµανσης του πόσιµου νερού µε σηµαντικά όµως παραπροϊόντα (αλογονοφόρµια).

3 Κριτήρια επιλογής απολυµαντικού µέσου για το νερό Θα πρέπει να είναι ικανό να καταστρέφει τους παθογόνους µικροοργανισµούς στον χρόνο επαφής, δίχως να επηρεάζεται από το εύρος των φυσικοχηµικών ιδιοτήτων του νερού όπως π.χ. τη θερµοκρασία το ph ή την ύπαρξη διαλυτών συστατικών. εν θα πρέπει να αφήνει παραπροϊόντα χηµικών αντιδράσεων που καθιστούν το νερό τοξικό, το χρωµατίζουν ή γενικά το κάνουν ακατάλληλο για πόση. Θα πρέπει να είναι επαρκώς διαθέσιµο, εύκολο και ασφαλές στη χρήση µε χαµηλό κόστος εφαρµογής. Θα πρέπει να έχει την ιδιότητα να αφήνει υπολειµµατική απολυµαντική δράση µε σκοπό την καταπολέµηση των µικροοργανισµών που πιθανώς να επαναµολύνουν το νερό. Θα πρέπει να είναι εύκολα ανιχνεύσιµο µε γρήγορες και απλές αναλυτικές τεχνικές σε χαµηλά επίπεδα συγκέντρωσης για να ελέγχεται η αποτελεσµατικότητα του συστήµατος απολύµανσης.

4 Χλώριο Το χηµικό στοιχείο χλώριο είναι ένα αµέταλλο στοιχείο. Ανήκει στη 17 η οµάδα του Περιοδικού Συστήµατος, τα Αλογόνα. Έχει ατοµικό αριθµό 17 και ατοµικό βάρος 35,453, θερµοκρασία τήξης -100,98 C και θερµοκρασία βρασµού -34,6 C. Το σύµβολό του είναι Cl. Είναι ένα στοιχείο που δεν απαντάται ελεύθερο στη φύση, αλλά κυρίως ως ιόν σε διάφορα άλατα και κυρίως στο µαγειρικό αλάτι. Χρησιµοποιείται ως απολυµαντικό νερού. Ιδιότητες Το χλώριο είναι ένα ανοιχτό πράσινο αέριο µε χαρακτηριστική οσµή που είναι ίδια µε αυτήν των διαλυµάτων υποχλωριώδους νατρίου, που χρησιµοποιούνται στην οικιακή καθαριότητα. Είναι πολύ ισχυρό οξειδωτικό µέσο και αντιδρά µε τα µέταλλα και ερεθίζει το δέρµα και τους βλεννογόνους. Είναι σηµαντικό απολυµαντικό και λευκαντικό και διαλύεται εύκολα στο νερό.

5 Χηµεία της χλωρίωσης Η προσθήκη αερίου χλωρίου Cl 2 στο νερό συνοδεύεται από δύο αντιδράσεις: 1. την αντίδραση υδρόλυσης 2. την αντίδραση ιονισµού. Ως υδρόλυση ορίζεται η αντίδραση του αερίου χλωρίου µε το νερό µε την οποία σχηµατίζεται υποχλωριώδες οξύ (HOCl): Υδρόλυση: Cl 2 + H 2 O HOCl + HCl Ιονισµός HOCl + H 2 O H + + OCl - Στις ίδιες δραστικές µορφές οδηγούν και η διάλυση ενώσεων του Cl2 στο νερό. Υποχλωριώδες ασβέστιο (CaOCl 2 ) Υποχλωριώδες νάτριο NaOCl Η συνολική ποσότητα υποχλωριώδους οξέος (HOCl) και υποχλωριώδους ανιόντος (OCl ) που υπάρχουν διαλυµένα στο νερό ονοµάζεται ελεύθερο χλώριο (free chlorine).

6 Αναλογία των δραστικών µορφών του Cl 2 σε συνάρτηση µε το ph στους 20 ο C

7 Αντίδραση του χλωρίου µε αζωτούχες ενώσεις Το ανεπεξέργαστο νερό συνήθως περιέχει άζωτο µε την µορφή αµµωνίας, νιτρικών ιόντων η αζώτου που περιέχεται σε οργανικές ενώσεις. Επειδή το υποχλωριώδες οξύ είναι ισχυρό οξειδωτικό µέσο αντιδρά άµεσα µε την αµµωνία µε αποτέλεσµα να παράγονται τρείς τύποι χλωραµινών σύµφωνα µε τις ακόλουθες αντιδράσεις: ΝΗ 3 + HOCl NH 2 Cl + HOCl NHCl 2 + HOCl NH 2 Cl + H 2 O (µονοχλωραµίνη) NHCl 2 + H 2 O (διχλωραµίνη) NCl 3 + H 2 O (τριχλωριούχο άζωτο) Οι αντιδράσεις σχηµατισµού της µονοχλωραµίνης (ΝΗ 2 Cl), της διχλωραµίνης (NHCl 2 ) και του τριχλωριούχου αζώτου (NCl 3 ) εξαρτώνται από το ph του νερού, τη θερµοκρασία, το χρόνο επαφής και την αναλογία χλωρίου προς αµµωνία.

8 Το σύνολο των χλωραµινών ονοµάζεται συνδυασµένο χλώριο (combined chlorine) Είναι δηλαδή η ποσότητα του χλωρίου που παραµένει ελεύθερη αφού έχει γίνει η δέσµευση του απαιτούµενο Cl 2.(δρα απολυµαντικά) Απαιτούµενο Cl 2.είναι η ποσότητα του χλωρίου που αντιδρά µε τις οργανικές και ανόργανες ενώσεις που υπάρχουν στο νερό

9 Χλωρίωση µέχρι το σηµείο θραύσης Με τον όρο χλωρίωση µέχρι του σηµείου θραύσης ορίζουµε την διαδικασία κατά την οποία προσθέτουµε αρκετό χλώριο προκειµένου να οξειδωθούν όλες οι ενώσεις που µπορούν να αντιδράσουν µε το χλώριο και το επιπλέον χλώριο που περισσεύει να παραµένει µε την µορφή του ελεύθερου χλωρίου. Η αιτία που προσθέτουµε περίσσεια χλωρίου επιβάλλεται από την απαίτηση να υπάρχει στο τέλος αρκετό υπολειµµατικό ελεύθερο χλώριο προκειµένου να έχουµε το επιθυµητό αποτέλεσµα απολύµανσης. Αντίδραση θραύσης χλωραµινών 2 NHCl 2 + Cl 2 N HCl

10 Χλωρίωση µέχρι σηµείου θραύσεως Τµήµα α οξείδωση ουσιών (δεν ανιχνεύεται δραστικό Cl 2 ) Τµήµα β σχηµατισµός χλωραµινών Τµήµα γ διάσπαση χλωραµινών Τµήµα δ εµφάνιση ελεύθερου υπολειµµατικού Cl 2 και παρουσία χλωροοργανικών ενώσεων που δεν καταστράφηκαν

11 Αντιµικροβιακή δράση Cl 2 Για ισότιµη αντιµικροβιακή δράση χλωραµινών σε σύγκριση µε το ελεύθερο Cl 2 απαιτείται: 1. για τον ίδιο χρόνο δράσης 25πλάσια ποσότητα χλωραµινών 2. για την ίδια δόση 100πλάσιος χρόνος επαφής των χλωραµινών Παράγοντες που επηρεάζουν την αποτελεσµατικότητα της χλωρίωσης Το είδος, οι συνθήκες και η συγκέντρωση των µικροοργανισµών που θέλουµε να καταστρέψουµε Η φύση και η συγκέντρωση του απολυµαντικού. Ο χρόνος επαφής και η συγκέντρωση του απολυµαντικού στο νερό. Οι φυσικοχηµικές ιδιότητες του νερού που θέλουµε να επεξεργαστούµε όπως ph, θερµοκρασία, διαλυτά και αιωρούµενα στερεά.

12 Νοµοθετικό πλαίσιο Οι δύο διατάξεις στις οποίες στηρίζεται η εθνική νοµοθεσία για την αναγκαστική απολύµανση του πόσιµου νερού, περιλαµβάνουν και τα επίπεδα υπολειµµατικότητάς του. Αυτές είναι η ΚΥΑ Υ2/2600/2001 για την ποιότητα του νερού ανθρώπινης κατανάλωσης, σε εναρµόνιση προς την οδηγία 98/83 ΕΚ, και η 5673/ Υγειονοµική ιάταξη για την απολύµανση του ύδατος των υδρεύσεων. Επίπεδα χλωρίου στο πόσιµο νερό Σύµφωνα µε την Ελληνική νοµοθεσία, τα πρότυπα και τις συστάσεις των ιεθνών Οργανισµών, το υπολειµµατικό (ελεύθερο) χλώριο στο πόσιµο νερό, δεν θα πρέπει να υπερβαίνει τα 0,5 mg/lt και ειδικότερα θα πρέπει να είναι µέχρι 0,5 mg/lt στην αρχή του δικτύου και 0,2-0,3 mg/lt στα πλέον αποµακρυσµένα σηµεία του δικτύου. Οι µέσες συνιστώµενες συγκεντρώσεις, ανάλογα µε το pη του νερού, κυµαίνονται από 0,2 έως 0,4 mg/lt. Σε περιόδους βροχοπτώσεων υψηλότερες τιµές υπολειµµατικού χλωρίου προτιµούνται. Η δράση του χλωρίου θα πρέπει να εξασφαλίζεται για χρονικό διάστηµα τουλάχιστον 20 min από την εισαγωγή του µέχρι την κατανάλωση. Για τον έλεγχο της χλωριώσεως καθορίζεται ελάχιστος αριθµός χλωριοµετρήσεων σε συνάρτηση µε τον υδροδοτούµενο πληθυσµό.

13 Για τις δεξαµενές κολύµβησης (πισίνες) το αποδεκτό ιδανικό επίπεδο χλωρίου είναι µεταξύ 0,5 0,8 mg/lt. Οι συνιστώµενες δόσεις χλωρίου έχουν επίσης άµεση εξάρτηση µε το σκοπό και τη χρήση του προς απολύµανση νερού. Έτσι µπορεί να γίνει υπερχλωρίωση νερού ή απολύµανση έργων µε 50 mg/lt επί 24 h ή µε 200 mg/lt για 1 2 h ή µια απλή απολύµανση νερού σε κανονικές συνθήκες 0,7 1,0 mg/lt στη δεξαµενή, ώστε στα άκρα του δικτύου να ανιχνεύεται υπολειµµατικό χλώριο τουλάχιστον 0,2 mg/lt. Η υπολειµµατική δράση του χλωρίου εξασφαλίζει απολυµαντική δράση σε περίπτωση περιορισµένης επιµολύνσεως και χρησιµεύει ως άµεσος δείκτης της καλής ποιοτικής κατάστασης του νερού, εφόσον σε περίπτωση µολύνσεως θα εξαφανισθεί το δραστικό χλώριο.

14 Ανεπιθύµητες δράσεις της χλωρίωσης Οι παρενέργειες του χλωρίου προέρχονται από τις αντιδράσεις του χλωρίου µε τις οργανικές ενώσεις που περιέχει το νερό µε αποτέλεσµα τον σχηµατισµό αλογονοφορµίων (καρκινογόνων ουσιών), των οποίων η παραµετρική τιµή στο νερό είναι 100 µg/lt. Εµπορικές µορφές του χλωρίου Οι εµπορικές µορφές του χλωρίου είναι οι ακόλουθες: 1. Αέριο χλώριο συµπιεσµένο σε χαλύβδινες φιάλες, για µεγάλες εγκαταστάσεις επεξεργασίας πόσιµου νερού, 2. Ενώσεις χλωρίου για µικρές εγκαταστάσεις, π.χ. πισίνες 3. Υποχλωριώδες ασβέστιο Ca(ClO) 2 ή υπολωριώδες νάτριο (ΝaClO) 4. ιοξείδιο του χλωρίου

15 Μέθοδοι µέτρησης 1. Μέθοδος ορθοτολιδίνης (χρωµατοµετρική µέθοδος) Ορθοτολιδίνη. Aρωµατική οργανική ένωση που σε όξινο περιβάλλον οξειδώνεται από το ελεύθερο χλώριο και τις χλωραµίνεςκαι παράγεται η ολοκινόνη (κίτρινο χρώµα) Στη δοκιµή της ορθοτολιδίνης 10 ml δείγµατος νερού λαµβάνεται σε δοκιµαστικό σωλήνα στον οποίο προστίθεται 0,1 ml διαλύµατος ορθοτολιδίνης. Το χρώµα που σχηµατίζεται παρατηρείται µετά από 5 λεπτά και συγκρίνεται µε χρωµατοσυγκριτή µε γνωστής έντασης χρώµατα κίτρινης απόχρωσης. Όσο εντονότερα κίτρινο είναι το δείγµα, τόσο περισσότερο είναι το υπολειµµατικό χλώριο που περιέχει. Η διαδικασία µέτρησης είναι απλή, σύντοµη και οικονοµική, γίνεται στο πεδίο στο σηµείο της δειγµατοληψίας και µπορεί να την διεξάγει κάποιος µε καθόλου ή µικρή αναλυτική εµπειρία. 2. Αµπεροµετρική ή δοσοµετρική µέθοδος Βασίζεται στην οξειδοαναγωγική δράση του Cl 2 και µετράται µε αµπερόµετρο µε την προσθήκη φαινυλοαρσενικού οξειδίου (C 6 H 5 AsO)

16 3. Ιωδοµετρική µέθοδος Κατάλληλη για µέτρηση ολικού υπολειµµατικού Cl 2 σε συγκεντρώση >1 mg/lt Βασίζεται στην οξειδωτική ικανότητα του Cl 2 να απελευθερώσει Ι 2 κατά την αντίδρασή του µε ιωδιούχο κάλιο (ΚΙ) (γαλάζιο χρώµα). Το Ι 2 µετράται δοσοµετρικά µε προσθήκη υποθειώδους νατρίου NaS 2 O 3 µε τη βοήθεια ενός δείκτη µέχρι εξαφανίσεως του χρώµατος

17 4. Μέθοδος DPD Προσδιορισµός του χλωρίου µε ταµπλέτες DPD Μέτρηση ελεύθερου Cl 2 Τοποθετούµε στο αριστερό τµήµα του χρωµατοσυγκριτή κιβέτα που περιέχει το δείγµα Στην άλλη κιβέτα προσθέτουµε 10 ml δείγµατος και διαλύουµε 1 ταµπλέτα DPD No 1 Τοποθετούµε τον κατάλληλο δίσκο χρωµατολογίου για µέτρηση Cl 2 Κρατάµε το συγκριτή στο φως, περιστρέφουµε το δίσκο µέχρι να ταιριάξουν τα χρώµατα και διβάζουµε την ένδειξη σε mg/l Μέτρηση συνδυασµένου Cl 2 Τοποθετούµε στο αριστερό τµήµα του χρωµατοσυγκριτή κιβέτα που περιέχει το δείγµα Στην άλλη κιβέτα προσθέτουµε 10 ml δείγµατος και διαλύουµε 1 ταµπλέτα DPD No 3 Τοποθετούµε τον κατάλληλο δίσκο χρωµατολογίου για µέτρηση ολικού Cl 2 Κρατάµε το συγκριτή στο φως, περιστρέφουµε το δίσκο µέχρι να ταιριάξουν τα χρώµατα και διβάζουµε την ένδειξη σε mg/l Η διαφορά των δύο µετρήσεων αντιπροσωπεύει το συνδυασµένο Cl 2

18 Μέθοδος DPD µε τιτλοδότηση Κατάλληλη για προσδιορισµό του ελεύθερου, συνδυασµένου ή ολικού υπολειµµατικού Cl 2 Bασίζεται στη χηµική αντίδραση του Cl 2 µε τον οργανικό DPD που παράγει διάλυµα κόκκινου χρώµατος. Ο προσδιορισµός του ελεύθερου Cl 2 γίνεται µε τιτλοδότηση µε διάλυµα θειϊκού αµµωνιακού σιδήρου Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2.6H 2 O µέχρι να αποχρωµατισθεί το διάλυµα Στη συνέχεια µε την προσθήκη µικρής ποσότητας ιόντων ιωδίου (ΚΙ) έχουµε αντίδραση µε τις µονοχλωραµίνες και παραγωγή νέου χρώµατος. Περαιτέρω προσθήκη ΚΙ αντιδρά µε τις διχλωραµίνες και εν µέρει µε το ΝCl 3. Σε κάθε βήµα µετρούµε την ένταση του χρώµατος για τον προσδιορισµό της συγκέντρωσης του ελεύθερου Cl 2 και των χλωραµινών. Για τον προσδιορισµό του ολικού Cl 2 προσθέτουµε εξαρχής το KI µαζί µε το DPD. Οι παραπάνω αντιδράσεις επηρεάζονται από το ph το οποίο πρέπει να κυµαίνεται µεταξύ 6,2-6,5. για το λόγο αυτό προστίθεται διάλυµα EDTA

19 ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ Απαιτούµενα αντιδραστήρια 1. ιάλυµα φωσφορικών αλάτων το οποίο περιέχει σε 1 Lt διαλύµατος 24 gr άνυδρου Νa 2 HPO 4 46 gr άνυδρου K 2 HPO mg EDTA 2. ιάλυµα DPD το οποίο περιέχει σε 1 Lt διαλύµατος 1gr DPD 8 ml H 2 SO mg dissodium EDTA 3. ιάλυµα ΚΙ διαλύοντας 0,5 gr κρυστάλλων ΚΙ σε 100 ml αποσταγµένου νερού 4. ιάλυµα τιτλοδότησης θειϊκού αµµωνιακού σιδήρου (FAS) το οποίο περιέχει σε 1 Lt διαλύµατος 1,1 gr Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2. 6H 2 O 1 ml πυκνού H 2 SO 4 5. Αραιό διάλυµα χλωρίνης (µε αραίωση χλωρίνης σε αναλογία 1:1.000) 6. Αραιό διάλυµα χλωριούχου αµµωνίου διαλύοντας 500 mg NH4Cl σε 1 Lt διαλύµατος

20 Προσδιορισµός ολικού Cl 2 Παρασκευάζουµε διάλυµα το οποίο περιέχει 25 σταγόνες ΚΙ 25 ml φωσφορικών αλάτων 25 ml DPD 5 ml NH 4 Cl 500 ml νερό βρύσης Το διάλυµα αυτό µοιράζεται σε 5 ποτήρια ζέσεως. Στα ποτήρια αυτά γίνεται προσθήκη: Στο πρώτο 1 ml αραιωµένης χλωρίνης, στο δεύτερο 2 ml αραιωµένης χλωρίνης, στο τρίτο 3 ml αραιωµένης χλωρίνης, στο τέταρτο 4 ml αραιωµένης χλωρίνης, στο πέµπτο 5 ml αραιωµένης χλωρίνης Γεµίζουµε την προχοϊδα µε διάλυµα FAS και µε τη βοήθεια της στρόφιγγας προσθέτουµε σταδιακά διάλυµα ενώ αναδεύουµε το δείγµα µέχρις ότου αποχρωµατισθεί πλήρως.

21 Απεικονίζουµε γραφικά τα αποτελέσµατα µε οριζόντιο άξονα τις συγκεντρώσεις του προστιθέµενου χλωρίου και κατακόρυφο άξονα το ευρισκόµενο ολικό υπολειµµατικό χλώριο. Χαράσσουµε την καµπύλη που διέρχεται από τα σηµεία αυτά και προσπαθούµε να εντοπίσουµε το σηµείο θραύσεως των χλωραµινών Υπολογισµός συγκέντρωσης Cl 2 1 ml FAS αντιστοιχεί σε 0,1 mg Cl 2 ή 1 mg/lt Cl 2 όταν χρησιµοποιείται 100 ml δείγµα