ΤΕΙ ΑΘΗΝΑΣ Τµήµα ηµόσιας Υγιεινής ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΥΓΕΙΟΝΟΜΙΚΗΣ MΗΧΑΝΙΚΗΣ I Από: Π. ΘΕΟ ΩΡΑΤΟ και Π. ΜΑΡΚΑΝΤΩΝΑΤΟ Αθήνα 1991
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΜΕΤΡΗΣΗ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΙΚΟΥ ΧΛΩΡΙΟΥ... 4 1.1 ΓΕΝΙΚΑ... 4 1.2 ΒΑΣΙΚΕΣ ΡΑΣΕΙΣ ΤΟΥ ΧΛΩΡΙΟΥ... 4 1.3 ΜΕΘΟ ΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΙΚΟΥ ΧΛΩΡΙΟΥ... 5 1.4 ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ... 7 1.5 ΜΕΤΡΗΣΗ PH... 9 2. ΠΕΙΡΑΜΑ ΑΕΡΙΣΜΟΥ... 10 2.1 ΓΕΝΙΚΑ...10 2.2 ΠΕΙΡΑΜΑ ΑΕΡΙΣΜΟΥ...11 2.3 ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ...11 3. ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΤΕΡΕΟΥ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΟΣ... 16 3.1 ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΤΩΝ ΣΤΕΡΕΩΝ...16 3.1.1 Μετρήσεις...17 3.1.2 ιαδικασία...17 3.2 ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΕΙΚΤΟΥ ΙΗΘΗΣΗΣ...19 3.2.1 Γενικά...19 3.2.2 Στάδια πειράµατος...19 3.2.3 Προετοιµασία µέσου διήθησης...20 3.2.4 Αντίστροφη φόρτιση συσκευής διήθησης...20 3.2.5 Πείραµα διήθησης...20 3.2.6 Υπολογισµός δείκτου διήθησης...21 4. ΟΞΥΤΗΤΑ-ΑΛΚΑΛΙΚΟΤΗΤΑ ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ ΝΕΡΟΥ... 22 4.1 ΟΞΥΤΗΤΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ...22 4.1.1 Εισαγωγή...22 4.1.2 Μέθοδος µέτρησης...22 4.1.3 Παρατηρήσεις...23 4.2 ΑΛΚΑΛΙΚΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ...23 4.2.1 Εισαγωγή...23 4.2.2 Μέθοδος µέτρησης...24 4.2.3 Παρατηρήσεις...24 Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -2-
4.3 ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ...25 4.3.1 Εισαγωγή...25 4.3.2 Μέθοδος µέτρησης...26 4.3.3 Παρατηρήσεις...26 5. ΚΡΟΚΙ ΩΣΗ (JAR TEST)... 27 5.1 ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ JAR TEST...27 6. ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ... 28 6.1 ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ...28 6.2 ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ...28 7. ΒΙΟΧΗΜΙΚΑ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟ ΟΞΥΓΟΝΟ (BOD)... 29 7.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ...29 7.2 ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ...29 8. ΧΗΜΙΚΑ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟ ΟΞΥΓΟΝΟ (COD)... 31 8.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ...31 8.2 ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ...31 Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -3-
1. ΜΕΤΡΗΣΗ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΙΚΟΥ ΧΛΩΡΙΟΥ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ Η προσθήκη του χλωρίου ή ενώσεων του χλωρίου στο νερό αποσκοπεί στην απολύµανσή του. Το χλώριο έχει ισχυρή µικροβιοκτόνο δράση και έχει επικρατήσει µεταξύ άλλων µεθόδων απολύµανσης, όπως π.χ. απολύµανση µε όζον, υπεριώδη ακτινοβολία, µε βρώµιο ή ιώδιο για δύο βασικούς λόγους. Είναι σηµαντικά φθηνότερο σαν χηµική ένωση από τις άλλες ουσίες. Η παρουσία του υπολειµµατικού χλωρίου εξασφαλίζει συνεχή απολυµαντική δράση σε περίπτωση µεταγενέστερης επιµόλυνσης του νερού. Το χλώριο είναι αέριο κιτρινοπράσινο µε έντονα ερεθιστική και αποπνικτική οσµή. Αντιδρά οξειδωτικά µε τις ανόργανες ουσίες (σίδηρο, µαγγάνιο, νιτρώδη) όσο και µε οργανικές ενώσεις καθώς και µε την αµµωνία. Οι δράσεις αυτές τελικά δεσµεύουν ποσότητα χλωρίου, το λεγόµενο "απαιτούµενο χλώριο" ενώ όσο αποµένει καλείται "υπολειµµατικό χλώριο" που συνεχίζει την απολυµαντική του δράση. 1.2 ΒΑΣΙΚΕΣ ΡΑΣΕΙΣ ΤΟΥ ΧΛΩΡΙΟΥ Όταν προστεθεί χλώριο στο νερό γίνεται υδρόλυση και ιονισµός και σχηµατίζεται υποχλωριώδες οξύ (HOCl) και υποχλωριώδες ιόν (HOCl - ) κατά τις αντιδράσεις: Υδρόλυση Cl 2 + H 2 O HOCl + HCl Ιονισµός ΗΟCl H + + OCl - Έτσι οι δραστικές µορφές του χλωρίου είναι το ΗΟCl και το OCl - ενώ το µοριακό Cl 2 είναι σχεδόν ανύπαρκτο για ph γύρω στο 7. Αυτές οι δύο µορφές αποτελούν το "ελεύθερο χλώριο". Στην πράξη, σε πολλές περιπτώσεις χλωρίωσης πόσιµου νερού ή απορροής λυµάτων από εγκαταστάσεις επεξεργασίας χρησιµοποιείται διάλυµα υποχλωριώδους νατρίου NaOCl (γνωστό σαν χλωρίνη), λόγω της ευκολίας που παρέχει στο χειρισµό του σε σχέση µε το αέριο χλώριο. Το υποχλωριώδες νάτριο περιέχει συνήθως γύρω στα 13% χλώριο και όταν προστεθεί στο νερό λαµβάνουν χώρα οι ακόλουθες χηµικές δράσεις: NaOCl Na + + OCl - Na + + ΟCl - + H 2 O HOCl + NaOH Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -4-
Η αναλογία µεταξύ OCl - και HOCl εξαρτάται από το ph, το οποίο όµως αυξάνει λόγω της ύπαρξης των ιόντων του νατρίου (Na + ) που είναι ισχυρή βάση. Σε περίπτωση που το νερό περιέχει αµµωνία ή οργανικές αζωτούχες ενώσεις που διασπώνται σε αµµωνία, το υποχλωριώδες οξύ αντιδρά µε την αµµωνία και σχηµατίζει τις χλωραµίνες οι οποίες έχουν σηµαντικά µικρότερη απολυµαντική δράση από το ελεύθερο χλώριο. Οι χλωραµίνες αναφέρονται σαν "συνδυασµένο χλώριο" και οι αντιδράσεις που λαµβάνουν χώρα είναι οι ακόλουθες. Ο σχηµατισµός µόνο- ή διχλωραµινών εξαρτάται άµεσα από το ph. NΗ 3 + HOCl NH 2 Cl + H 2 O µονοχλαραµίνη (1) NH 2 Cl +ΗΟCl NHCl 2 + H 2 O διχλωραµίνη (2) NHCl 2 + ΗΟCl NCl 3 + H 2 O διάσπαση χλωραµινών (3) 2NH 2 Cl + Cl 2 N 2 + 4HCl διάσπαση χλωραµινών (4) Με τη συνεχή προσθήκη χλωρίου οι χλωραµίνες τελικά διασπώνται και δίνουν αέριο άζωτο, τριχλωριώδες άζωτο και υδροχλώριο. Το σηµείο αυτό όπου παρατηρείται µείωση του υπολειµµατικού χλωρίου, καλείται σηµείο θραύσεως της χλωρίωσης (break-point chlorination). 1.3 ΜΕΘΟ ΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΙΚΟΥ ΧΛΩΡΙΟΥ Για τη µέτρηση του υπολειµµατικού χλωρίου οι πιο συνηθισµένες και αναγνωρισµένες µέθοδοι είναι οι ακόλουθες. 1. Μέθοδος ορθοτολιδίνης. Η ορθοτολιδίνη είναι αρωµατική οργανικής ένωση που οξειδώνεται σε όξινο περιβάλλον από το ελεύθερο χλώριο και τις χλωραµίνες και παράγεται µία κίτρινη ουσία. Ορθοτολιδίνη+ Cl2 Ολοκινόνη Η + (κίτρινου χρώµατος) Η ένταση του χρώµατος είναι ανάλογη της συγκέντρωσης του χλωρίου που µετράται χρωµατοµετρικά. Γενικά η µέθοδος αυτή δεν συνίσταται λόγω της µικρής ακρίβειας και ευαισθησίας της καθώς και λόγω των παρεµβολών στα αποτελέσµατα από τη δράση των νιτρωδών και οξειδίων του µαγγανίου. Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -5-
2. Αµπεροµετρική δοσοµετρική µέθοδος. Βασίζεται στην οξειδαναγωγική δράση του χλωρίου και µετράται µε αµπερόµετρο µε την προσθήκη φαινυλοαρσενικού οξειδίου (C 6 H 5 AsO). 3. Ιωδοµετρική µέθοδος. Κατάλληλη για µέτρηση ολικού υπολειµµατικού χλωρίου για συγκεντρώσεις >1 mg/l και βασίζεται στην οξειδωτική ικανότητα του χλωρίου να απελευθερώσει ιώδιο κατά την αντίδρασή του µε ιωδιούχο κάλιο (KI) (γαλάζιο διάλυµα). Το ιώδιο αυτό µετράται δοσοµετρικά µε προσθήκη υποθειώδους νατρίου µε τη βοήθεια ενός δείκτη µέχρι εξαφανίσεως του χρώµατος. ηλαδή: άµυλο Cl2 + 2Ι Ι2 + 2Cl (ποιοτικό test) I2 2 2 3 2 4 6 + + 2Na S O Na S O 2NaI (ποσοτικό test) 4. Μέθοδος DPD µε τιτλοδότηση. Κατάλληλη για τον προσδιορισµό του ελεύθερου, συνδυασµένου ή ολικού υπολειµµατικού χλωρίου. Για τον προσδιορισµό του ελεύθερου χλωρίου η µέθοδος βασίζεται στη χηµική αντίδραση του χλωρίου µε τον οργανικό δείκτη DPD (N,N diethyl-p-phenylenediamine) που παράγει διάλυµα κόκκινου χρώµατος. Ο προσδιορισµός του ελεύθερου χλωρίου γίνεται µε τιτλοδότηση µε διάλυµα θειικού αµµωνιακού σιδήρου Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 6Η 2 Ο, µέχρις ότου αποχρωµατισθεί το διάλυµα. Στη συνέχεια µε την προσθήκη µικρής ποσότητας ιόντων ιωδίου (µε µορφή κρυστάλλων ή διαλύµατος ιωδιούχου καλίου KI), έχουµε αντίδραση µε τις µονοχλωραµίνες και παραγωγή νέου χρώµατος. Περαιτέρω προσθήκη ιόντων ιωδίου αντιδρά µε τις διχλωραµίνες και εν µέρει µε το τριχλωριώδες άζωτο. Σε κάθε βήµα µετρούµε την ένταση του χρώµατος για τον προσδιορισµό της συγκέντρωσης του ελεύθερου χλωρίου, µονοχλωραµινών και διχλωραµινών αντίστοιχα. Τέλος για τον προσδιορισµό του ολικού χλωρίου προσθέτουµε εξ' αρχής το ιωδιούχο κάλιο µαζί µε το δείκτη DPD. Οι παραπάνω αντιδράσεις επηρεάζονται άµεσα από το ph το οποίο πρέπει να κυµαίνεται µεταξύ 6.2 και 6.5 για να ελαχιστοποιήσουµε τις παρεµβολές. Αυτό επιτυγχάνεται µε την προσθήκη διαλύµατος φωσφορικών αλάτων που επενεργούν σαν ρυθµιστικό διάλυµα. Επίσης παρεµβολές λόγω παρουσίας χαλκού στο νερό αποφεύγονται µε την προσθήκη διαλύµατος EDTA. Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -6-
1.4 ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ ιάλυµα φωσφορικών αλάτων που περιέχει 24 gr άνυδρου Na 2 HPO 4 και 46 gr άνυδρου KH 2 PO 4 και 800 mgr EDTA σε 1 lt διαλύµατος. ιάλυµα DPD που περιέχει 1 gr DPD και 8 ml H 2 SO 4 και 200 mg disodium EDTA σε 1 lt διαλύµατος. ιάλυµα ιωδιούχου καλίου ΚΙ διαλύοντας 0.5 gr κρυστάλλων ΚΙ σε 100 ml απεσταγµένου νερού. ιάλυµα τιτλοδότησης θειικού αµµωνιακού σιδήρου (FAS) που περιέχει 1.1 gr Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 6Η 2 Ο, 1 ml πυκνού θειικού οξέος σε 1 lt διαλύµατος. Επίσης θα χρησιµοποιηθούν: Αραιό διάλυµα χλωρίνης (µε αραίωση χλωρίνης σε αναλογία 1:1000) το οποίο θα αποτελεί την πηγή προστιθέµενου χλωρίου. Αραιό διάλυµα χλωριούχου αµµωνίου διαλύοντας 500 mgr NH 4 Cl σε 1 lt διαλύµατος το οποίο θα αποτελεί την πηγή αµµωνίας στο δείγµα µας. Προσδιορισµός ολικού χλωρίου µε µέθοδο DPD µε τιτλοδότηση. Αρχικά: Προσθέτουµε στη φιάλη τιτλοδότησης µερικές σταγόνες διαλύµατος ΚΙ και το αναµιγνύουµε µε µικρή ποσότητα αποσταγµένου νερού. Προσθέτουµε 5 ml διαλύµατος φωσφορικών αλάτων. Προσθέτουµε 5 ml διαλύµατος DPD στη φιάλη. Στη συνέχεια προσθέτουµε 1 ml αραιωµένης χλωρίνης και συµπληρώνουµε το δοχείο του δείγµατος µε αποσταγµένο νερό µέχρι τα 100 ml. Προσδιορίζουµε το ολικό υπολειµµατικό χλώριο µε τιτλοδότηση µε διάλυµα FAS χρησιµοποιώντας την προχοϊδα. Γεµίζουµε την προχοϊδα µε διάλυµα FAS και µε τη βοήθεια της στρόφιγγας προσθέτουµε σταδιακά διάλυµα ενώ αναδεύουµε το δείγµα µέχρις ότου αποχρωµατισθεί πλήρως. Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -7-
Υπολογισµός συγκέντρωσης χλωρίου. 1 ml διαλύµατος τιτλοδότησης FAS αντιστοιχεί σε 0.1 mg Cl 2, ή µε συγκέντρωση 1 mg/lt Cl 2 όταν χρησιµοποιείται 100 ml δείγµα. Κατ' αυτό τον τρόπο γνωρίζουµε και την περιεκτικότητα της οικιακής χλωρίνης σε χλώριο. Στη συνέχεια: Προσθέτουµε 1 ml διάλυµα αµµωνίου (NH 4 Cl) έτσι ώστε να έχουµε στο δείγµα µας συγκέντρωση αµµωνίας περίπου 1.5 mg/lt. Σταδιακά προσθέτουµε διάλυµα χλωρίου (0.5 ml κάθε φορά) και τιτλοδοτούµε µε FAS µέχρι αποχρωµατισµού του διαλύµατος για τον υπολογισµό του διαλύµατος για τον υπολογισµό του ολικού υπολειµµατικού χλωρίου. Η παραπάνω διαδικασία επαναλαµβάνεται αρκετές φορές και στη συνέχεια 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 (βλ. Βιβλίο σελ. 49). ΠΡΟΣΟΧΗ: Θα χρησιµοποιείτε διαφορετική πιπέτα για µετάγγιση χλωρίνης και για τα άλλα διαλύµατα. Θα πλένετε καλά τις πιπέτες µε νερό βρύσης και µε αποσταγµένο νερό. Προσδιορισµός του χλωρίου µε ταµπλέτες DPD. 1. Μέτρηση ελεύθερου χλωρίου. Τοποθετούµε στο αριστερό τµήµα του χρωµατοσυγκριτή την γκιβέτα που περιέχει το δείγµα. Στην άλλη γκιβέτα προσθέτουµε 10 ml δείγµατος και διαλύουµε 1 ταµπλέτα DPD Νο 1. Τοποθετούµε την γκιβέτα στο δεξί µέρος του συγκριτή. Τοποθετούµε τον κατάλληλο δίσκο χρωµατολογίου για µέτρηση χλωρίου. Κρατάµε τον συγκριτή στο φως και περιστρέφουµε το δίσκο µέχρι να ταιριάξουν τα χρώµατα και διαβάζουµε την ένδειξη σε mg/lt. 2. Συνδυασµένο χλώριο. Για τη µέτρηση του συνδυασµένου χλωρίου προσθέτουµε στην προηγούµενη γκιβέτα 1 ταµπλέτα DPD Νο 3. Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -8-
ιαλύουµε την ταµπλέτα και τοποθετούµε τη γκιβέτα στο συγκριτή όπου παίρνουµε την µέτρηση του ολικού χλωρίου σε mg/lt. Η διαφορά των δύο µετρήσεων αντιπροσωπεύει το συνδυασµένο χλώριο (µονοχλωραµίνες, διχλωραµίνες). 1.5 ΜΕΤΡΗΣΗ PH Το ph του διαλύµατος εκφράζει την οξύτητα ή αλκαλικότητά του και µετράται µε την συγκέντρωση των ιόντων του Η +. Το αποσταγµένο νερό ιονίζεται σε µικρό βαθµό και παράγει συγκέντρωση ιόντων Η + ίση προς 10-7 mol/lt δηλαδή: Η 2 Ο Η + + ΟΗ - Στην ισορροπία του νερού ισχύει: + [Η ].[Ο ] [Η Ο] 2 = Κ ή + [Η ].[Ο ] = Κ W όπου Κ W = 10-14 Το ph εκφράζει τον αρνητικό λογάριθµο της συγκέντρωσης των ιόντων του Η + σε mol/lt δηλαδή ph=-log[h + ]. Για τη µέτρηση του ph µε χρωµατοµετρική µέθοδο η ακολουθούµενη διαδικασία είναι η εξής: Γεµίζουµε τις 2 γκιβέτες µε το δείγµα µέχρι τη µέτρηση των 10 ml και τοποθετούµε τη µία από αυτές στο αριστερό µέρος του χρωµατοσυγκριτή. Στην άλλη γκιβέτα προσθέτουµε 0.5 ml κατάλληλου δείκτη (γαλάζιο υγρό) ή µία ταµπλέτα NLB (Bromo Crezol Purple) που µετρά ph µεταξύ 5.2 και 6.8 ή µία ταµπλέτα NLC (Bromo Thymol Blue) που µετρά ph µεταξύ 6.0 και 7.6. Αναµιγνύουµε το δείκτη, βάζοντας το πώµα της γκιβέτας και αναστρέφοντας την µερικές φορές. Τοποθετούµε την γκιβέτα στο δεξί µέρος του συγκριτή, καθώς και τον κατάλληλο δίσκο χρωµατολογίου και τον περιστρέφουµε µέχρι να ταιριάξουν τα χρώµατα. Η τιµή του ph δίνεται στην κάτω δεξιά γωνία του συγκριτή. Υπολογίσετε τη συγκέντρωση των ιόντων Η + και ΟΗ - του δείγµατος (σε mol/lt) µε βάση την ευρεθείσα τιµή του ph. Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -9-
2. ΠΕΙΡΑΜΑ ΑΕΡΙΣΜΟΥ 2.1 ΓΕΝΙΚΑ Με το πείραµα αυτό µπορούµε να προσδιορίσουµε δύο βασικές παραµέτρους που χαρακτηρίζουν ένα σύστηµα αερισµού δηλαδή: Την ικανότητα οξυγόνωσης του συστήµατος που αντιπροσωπεύει την παρεχόµενη ποσότητα στη µάζα του υγρού ανά µονάδα χρόνου, Το συντελεστή οξυγόνωσης που εξαρτάται από διάφορες φυσικές παραµέτρους και χαρακτηρίζει ένα σύστηµα αερισµού. Συγκέντρωση κορεσµού του οξυγόνου στο νερό, είναι η µέγιστη συγκέντρωση διαλελυµένου οξυγόνου ευρισκόµενη σε ισορροπία µε την περιεκτικότητα του αέρα σε οξυγόνο. Η συγκέντρωση κορεσµού εξαρτάται κυρίως από τη θερµοκρασία και αλατότητα του νερού και την ατµοσφαιρική πίεση. Η διαλυτότητα του οξυγόνου στο νερό είναι γενικά µικρή της τάξης των 9.2 mg/lt για καθαρό νερό σε 20 o C και πίεση 1 Atm. Έλλειµµα (διαλυµένου οξυγόνου Ο) ορίζεται σαν τη διαφορά µεταξύ της συγκέντρωσης κορεσµού και της πραγµατικής συγκέντρωσης δηλαδή: Ο ελ = Ο κορ - Ο πρ Ο ρυθµός µε τον οποίο το οξυγόνο διαλύεται στο νερό είναι ανάλογος του ελλείµµατος του διαλυµένου οξυγόνου, δηλαδή: d( Ο) dt = Kla ( Ο κορ Οπρ όπου Kla ο συντελεστής οξυγόνωσης (h -1 ) Ο συντελεστής οξυγόνωσης εξαρτάται κυρίως από: Τη θερµοκρασία Κla (T) = Kla (10) x 1.02 (T-10) Τον όγκο του νερού (αντιστρόφως ανάλογα) ) Την επιφάνεια επαφής µεταξύ υγρού και φυσαλίδων αέρα (ανάλογα µε την παρεχόµενη ποσότητα αέρα ή το βαθµό ανάδευσης) Η ικανότητα οξυγόνωσης ενός συστήµατος αερισµού ορίζεται σαν το ρυθµό απορρόφησης οξυγόνου κατά τον αερισµό ενός πλήρως αποοξυγονωµένου υγρού σε θερµοκρασία 10 o C. R (10) = Kla (10) x V x Doκορ (10) (mg/min) Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -10-
2.2 ΠΕΙΡΑΜΑ ΑΕΡΙΣΜΟΥ Το πείραµα αυτό περιλαµβάνει τα επόµενα τρία στάδια: 1. Αποοξυγόνωση του υγρού µε χρήση χηµικών που δεσµεύουν το Ο του νερού. 2. Αναοξυγόνωση του υγρού θέτοντας σε λειτουργία το σύστηµα αερισµού και ταυτόχρονη συλλογή µετρήσεων Ο σε τακτά διαστήµατα. 3. Υπολογισµοί, για τον προσδιορισµό του συντελεστή οξυγόνωσης και της ικανότητας οξυγόνωσης του συστήµατος. 2.3 ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ Α. Αποοξυγόνωση του νερού. Γεµίζουµε το δοχείο µε πόσιµο νερό όγκου 20 λίτρων µέχρι την ένδειξη των 300 mm. Θέτουµε σε λειτουργία το σύστηµα αερισµού και τον αναδευτήρα σε µέση ταχύτητα. Εγκατάσταση του ηλεκτροδίου του φορητού οξυγονόµετρου µέσα στη δεξαµενή αφού προηγουµένως γίνει καλιµπράρισµα του οργάνου. Μέτρηση της θερµοκρασίας του υγρού και υπολογισµός της συγκέντρωσης κορεσµού από πίνακα ή προσεγγιστικά από τη σχέση: Οκορ (Τ) = Οκορ (10) x (1.024) (10-Τ) όπου Οκορ (10) = 11.3 mg/lt Λειτουργία του συστήµατος αερισµού µέχρι περίπου του σηµείου κορεσµού Ο. Προσθήκη διαλύµατος περιεκτικότητας 1% σε χλωριούχο κοβάλτιο (CoCl 2 6Η 2 Ο) σε ποσότητα που να αντιστοιχεί σε 0.5 mg/lt Co ++ που να παίζει ρόλο καταλύτη στην αντίδραση αποοξυγόνωσης. Υπολογισµός της απαιτούµενης δόσης θειώδους νατρίου (Na 2 SO 3 ) για την αποοξυγόνωση του νερού που γίνεται µε βάση την αντίδραση: 2Na 2 SO 3 + O 2 2Na 2 SO 4 2x126=252gr + 32gr δηλαδή απαιτούνται 252/32 = 7.87 gr θειώδους νατρίου για 1 gr οξυγόνου Παρασκευή διαλύµατος 10% υποθειώδους νατρίου µε διάλυση 10 gr της ουσίας σε αποσταγµένο νερό και αραίωση σε 100 ml διαλύµατος. Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -11-
Προσθήκη περίπου 16 ml διαλύµατος 10% υποθειώδους νατρίου που ισοδυναµεί σε συγκέντρωση (Na 2 SO 3 ) των 80 mg/lt έτσι ώστε να υπάρχει περίσσεια χηµικού περίπου 10%. [V χηµ = ( Ο * 7.87 * 1.1 *20)/0.10] Παρατήρηση: Αν η συγκέντρωση του οξυγόνου δεν πέφτει µετά µερικά λεπτά κάτω από 1 mg/lt προσθέτουµε ακόµα λίγο διάλυµα. Β. Αναοξυγόνωση υγρού Θέτουµε σε λειτουργία τον αερισµό και µειώνουµε την ανάδευση. Από τη στιγµή που αρχίζει η Ο να αυξάνει, λαµβάνουµε µετρήσεις της συγκέντρωσης Ο σε τακτά χρονικά διαστήµατα (π.χ. ανά 15 ή 30 sec αρχικά και ανά λεπτό αργότερα), µέχρι η συγκέντρωση να φθάσει το 80%-90% του κορεσµού. Γ. Υπολογισµοί Τα αποτελέσµατα τοποθετούνται σε πίνακες όπου αναγράφονται: Στην πρώτη στήλη οι χρόνοι που λαµβάνονται οι µετρήσεις σε λεπτά. Στη δεύτερη στήλη οι µετρηθείσες συγκεντρώσεις Ο σε mg/lt Στην τρίτη στήλη υπολογίζεται το έλλειµµα Ο δηλαδή Ο κορ - Ο. Στην τέταρτη στήλη υπολογίζεται ο φυσικός λογάριθµος του ελλείµµατος, δηλαδή ln( Ο κορ - Ο) Οι τιµές της τέταρτης στήλης τοποθετούνται σε διάγραµµα συναρτήσει του χρόνου. Τα διάφορα σηµεία πρέπει θεωρητικά να διαγράφουν ευθεία γραµµή. Ο συντελεστής οξυγόνωσης δίνεται από την κλίση της παραγόµενης ευθείας ως εξής. Λαµβάνουµε µόνο τα σηµεία που βρίσκονται επί ευθείας, αποκόπτοντας τυχόν τµήµα από την αρχή ή το τέλος που καµπυλώνει αισθητά και εκτελούµε τον υπολογισµό ως ακολούθως. Kla (ΤΤ Οκορ Οαρχ ln Οκορ Οτελ = (min -1 ) t t τελ αρχ όπου t αρχ, t τελ είναι ο αρχικός και τελικός χρόνος της ευθείας που επιλέγει. Τέλος το Kla (10) βρίσκεται από την προηγούµενη σχέση. Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -12-
Σηµείωση: Αν χρησιµοποιηθεί ο δεκαδικός λογάριθµος αντί του φυσικού τότε η παραπάνω σχέση πολλαπλασιάζεται επί 2.303 Η ικανότητα οξυγόνωσης (R) δίνεται από τη σχέση: R (10) = Kla (10) * V * Οκορ (10) (mg O 2 /min) όπου V ο όγκος του υγρού σε lt. Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -13-
ΠΙΝΑΚΑΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Θερµοκρασία υγρού = ο C Συγκέντρωση κορεσµού =.. mg/lt Χρόνος (min) Ο (mg/lt) Οκορ- Ο (mg/lt) ln( Οκορ- Ο) Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -14-
. Καλιµπράρισµα Φορητού Οξυγονόµετρου Συνδέουµε το ηλεκτρόδιο στη συσκευή και περιµένουµε 5 λεπτά. Τοποθετούµε τον κεντρικό διακόπτη στη θέση "Ο 2 " και το διακόπτη επιλογής στη θέση "mbar". ιαβάζουµε την ατµοσφαιρική πίεση µε το φορητό βαρόµετρο και ρυθµίζουµε το οξυγονόµετρο στην ίδια ένδειξη. Προετοιµάζουµε διάλυµα Oxical διαλύοντας 1 γαλάζια ταµπλέτα σε 50 ml αποσταγµένου νερού και µεταγγίζουµε 5 ml στο κυλινδρικό δοχείο. Εισάγουµε το ηλεκτρόδιο στη φιάλη Oxical µε στεγνή τη µεµβράνη και µετά από 30'' ρυθµίζουµε την ένδειξη του οξυγονόµετρου στο 102% (µε το διακόπτη στο "%"). Στη συνέχεια βγάζουµε το ηλεκτρόδιο από τη φιάλη. ln( Οκορ- Ο) ιάγραµµα προσδιορισµού συντελεστού οξυγόνωσης Kla 0 Χρόνος (min) Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -15-
3. ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΤΕΡΕΟΥ ΥΠΟΛΕΙΜΜΑΤΟΣ 3.1 ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΤΩΝ ΣΤΕΡΕΩΝ Τα στερεά τα οποία βρίσκονται µέσα στα νερά (επιφανειακά νερά, λύµατα, λάσπες κλπ) είτε σε σωµατιδιακή κατάσταση, ή σε διαλελυµένη µορφή είναι µία σηµαντική παράµετρος που επηρεάζει και την ποσιµότητα του νερού αλλά και την εµπορικότητά του για διάφορες χρήσεις. Τα στερεά κατατάσσονται συνήθως ανάλογα µε τις φυσικές και χηµικές τους ιδιότητες ως εξής: Συνολικά στερεά Με διήθηση Με εξάτµιση Αιωρούµενα στερεά ιαλελυµένα στερεά Καθίζηση 30 Πύρωση Πύρωση Καθιζάνοντα Μη στερεά καθιζάνοντα Σταθερά Πτητικά Σταθερά (ανόργανα) Πτητικά (οργανικά) α) Συνολικά στερεά, είναι το στερεό υπόλειµµα που παραµένει στο δισκίο µετά από εξάτµιση του υγρού σε θερµοκρασία 103 ο C επί 1h. β) Συνολικά διαλελυµένα στερεά, είναι το στερεό υπόλειµµα το οποίο διέρχεται από κανονικό φίλτρο διήθησης και παραµένει στο δισκίο µετά από εξάτµιση και ξήρανση στους 103 ο C επί 1h. γ) Συνολικά αιωρούµενα στερεά, είναι το στερεό υπόλειµµα που παραµένει στο φίλτρο µετά από διήθηση του δείγµατος και ξήρανση του φίλτρου στους 103 ο C επί 1h. δ) Συνολικά σταθερά και αιωρούµενα στερεά. Σταθερά στερεά είναι το στερεό υπόλειµµα που παραµένει στο δισκίο µετά από πύρωση σε κλίβανο στους 550 ο C για 15-20 λεπτά και αντιπροσωπεύει το ανόργανο τµήµα των συνολικών στερεών. Πτητικά είναι το Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -16-
υπόλοιπο τµήµα των στερεών το οποίο εξαερώνεται και αντιπροσωπεύει κυρίως το οργανικό τµήµα των στερεών. ε) Σταθερά και πτητικά στα αιωρούµενα στερεά είναι, όπως και προηγουµένως, το στερεό υπόλειµµα που παραµένει στο φίλτρο διήθησης µετά από πύρωση του φίλτρου στους 550 ο C (σταθερά) και τα εξαερωµένα στερεά κατά την πύρωση (πτητικά). στ) Καθιζάνοντα στερεά, είναι το τµήµα των αιωρούµενων στερεών το οποίο καθιζάνει στον πυθµένα ενός κώνου Imhoff µετά από µία ώρα καθίζησης, ενώ µη καθιζάνοντα είναι το τµήµα των στερεών που βρίσκονται ακόµη εν αιωρήσει. 3.1.1 Μετρήσεις Η εργαστηριακή άσκηση µέτρησης στερεών περιλαµβάνει: Μέτρηση αιωρούµενων στερεών µε διήθηση δείγµατος, εξάτµιση του φίλτρου στους 103 ο C για 1 h, ξήρανση στη θερµοκρασία περιβάλλοντος και ζύγιση. Μέτρηση σταθερών και πτητικών αιωρούµενων στερεών, µε πύρωση του παραπάνω φίλτρου σε κλίβανο στους 550 ο C για 20 λεπτά και ζύγιση του φίλτρου. Καθιζάνοντα στερεά, µε καθίζηση του δείγµατος 1 λίτρου σε κώνο Imhoff για 1 h και µέτρηση του καταλαµβανόµενου όγκου από τα καθιζάνοντα (σε ml/l) και υπολογισµό του δείκτου όγκου λάσπης (SVI) Specific Volume Index, που ορίζεται σαν τον όγκο που καταλαµβάνει 1 gr στερεών λάσπης ύστερα από καθίζηση 30 λεπτών. 3.1.2 ιαδικασία α) Μέτρηση αιωρούµενων στερεών Αριθµούµε τα φίλτρα µε µολύβι και τα τοποθετούµε στον κλίβανο για 30 λεπτά σε 103 ο C. Στη συνέχεια τοποθετούµε τα φίλτρα σε ξηραντήρα για να ψυχθούν στη θερµοκρασία του περιβάλλοντος. Ζυγίζουµε τα φίλτρα µε το ζυγό ακριβείας. Τοποθετούµε προσεκτικά ένα φίλτρο στη συσκευή διήθησης. Τοποθετούµε ποσότητα δείγµατος γνωστού όγκου (50 ή 100 ml) στο δοχείο διήθησης. Θέτουµε σε λειτουργία την αντλία κενού µέχρι να τελειώσει η διήθηση. Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -17-
Βγάζουµε το φίλτρο προσεκτικά µε λεπίδα και το τοποθετούµε στον κλίβανο ξήρανσης σε θερµοκρασία 103 ο C για 1ώρα. Τοποθετούµε το φίλτρο στον ξηραντήρα για λίγη ώρα και ζυγίζουµε το φίλτρο στο ζυγό ακριβείας. Η συγκέντρωση των αιωρούµενων στερεών δίνεται από τη σχέση: Β SS= τελ Β V αρχ 1000 (mg/l) όπου: Βτελ=τελικό βάρος φίλτρου (gr) Bαρχ=αρχικό βάρος φίλτρου (gr) V= όγκος δείγµατος (lt) β) Μέτρηση σταθερών και πτητικών αιωρούµενων στερεών Μετά την εξάτµιση και ξήρανση: Τοποθετούµε το φίλτρο στον κλίβανο πύρωσης στους 550 ο C για 20 λεπτά. Κατόπιν µεταφέρουµε το φίλτρο στον ξηραντήρα για να ψυχθεί στη θερµοκρασία περιβάλλοντος. Ζυγίζουµε το φίλτρο στο ζυγό ακριβείας. Ο υπολογισµός των σταθερών αιωρούµενων στερεών γίνεται από τη σχέση όπως προηγουµένως: σταθ Β SS= τελ Β V αρχ 1000 (mg/l) γ) Καθιζάνοντα στερεά Τοποθετούµε 1 λίτρο δείγµατος στον κώνο Imhoff. Αφήνουµε το δείγµα να καθιζήσει για 30 λεπτά. Μετρούµε τον όγκο της καθιζάνουσας λάσπης (ml/l) Υπολογισµός του δείκτου όγκου λάσπης από τη σχέση Vλ SVI= 10 SS Vδ 6 (ml/gr) όπου Vλ: όγκος που καταλαµβάνει η καθιζάνουσα λάσπη (ml) Vδ: όγκος αρχικού δείγµατος (ml) SS: συγκέντρωση αιωρούµενων στερεών δείγµατος(mg/lt). Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -18-
3.2 ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΕΙΚΤΟΥ ΙΗΘΗΣΗΣ 3.2.1 Γενικά Ο δείκτης διήθησης µετράται µε ειδική συσκευή διήθησης και βοηθά στον αντικειµενικό προσδιορισµό της διηθησιµότητας ενός υγρού µέσα από κοκκώδη κλίνη διήθησης. Έτσι µπορούµε να πάρουµε πληροφορίες για την ποιότητα του διηθήµατος κάτω από διαφορετικές συνθήκες διήθησης και επίσης να ερευνήσουµε την επίδραση της προεπεξεργασίας του νερού µε κροκιδωτικά στην απόδοση της διήθησης. Ένα υγρό θεωρείται διηθήσιµο εφ' όσον µπορεί να διέλθει σε εύλογο χρόνο µέσω πορώδους υλικού, δίνοντας ένα διαυγές διήθηµα και µικρό φράξιµο των πόρων του φίλτρου. Το φράξιµο συνήθως αντανακλάται στη διαπερατότητα του φίλτρου µε συνέπεια αυξηµένες απώλειες υδροστατικής πίεσης µέσω του φίλτρου. Η διηθησιµότητα ενός υγρού εκφράζεται µε κατάλληλο δείκτη που λαµβάνει υπ' όψη τους παραπάνω παράγοντες, δηλαδή: F= Η C V C 0 Τ όπου: Η: η πτώση υδροστατικής πίεσης (mm) C: η µέση ποιότητα του διηθούµενου υγρού C 0 V Τ η αρχική ποιότητα του υγρού η µέση ταχύτητα διήθησης (cm/min) ο χρόνος διήθησης (min) Η ποιότητα C µπορεί να εκφραστεί µε οποιεσδήποτε παραµέτρους όπως π.χ. θολερότητα, αιωρούµενα στερεά, µικροοργανισµοί κλπ. Μικρός δείκτης F σηµαίνει καλή διηθησιµότητα του νερού µε µικρή απώλεια υδροστατικής πίεσης και καλή ποιότητα απορροής. Ο δείκτης αυτός µπορεί να ελαχιστοποιηθεί δοκιµάζοντας διαφορετικές συνθήκες διήθησης καθώς και προεπεξεργασία νερού µε κροκιδωτικά. 3.2.2 Στάδια πειράµατος 1. Αρχικά απαιτείται η προετοιµασία του µέσου διήθησης αν δεν υπάρχει στη στήλη διήθησης. 2. Στη συνέχεια απαιτείται η αποµάκρυνση του εγκλωβισµένου αέρα µε αντίστροφη φόρτιση της συσκευής διήθησης. Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -19-
3. Κατόπιν εκτελείται η διήθηση του δείγµατος. 4. Τέλος υπολογίζουµε το δείκτη διήθησης. 3.2.3 Προετοιµασία µέσου διήθησης Χρησιµοποιούµε σαν υλικό διήθησης άµµο µε διάµετρο κόκκων 0.5-0.6 mm. Ζυγίζουµε 72 gr ξερής άµµου. Μεταφέρουµε την άµµο εντός της στήλης PERSPEX της συσκευής. Στερεώνουµε την παραπάνω στήλη εντός της συσκευής διήθησης σφίγγοντας τις βίδες επί του καλύµµατος. Κτυπούµε ελαφρά τη στήλη µε ένα µολύβι ώστε να ισοπεδωθεί η επιφάνεια της άµµου και να συµπυκνωθεί σε ένα τελικό πάχος των 40 mm. 3.2.4 Αντίστροφη φόρτιση συσκευής διήθησης Συνδέουµε µία εφεδρική χοάνη µε το σωλήνα εξόδου της συσκευής. Ανοίγουµε τη στρόφιγγα αέρα (ευρισκόµενη στο άνω µέρος του µανόµετρου). Ανοίγουµε τη στρόφιγγα παροχής νερού (ευρισκόµενη στο κάτω µέρος της συσκευής διήθησης). Σταδιακά γεµίζουµε µε νερό βρύσης τη χοάνη µέχρις ότου η στάθµη του νερού φθάσει την ένδειξη 250 mm στο µανόµετρο ή το κάτω µέρος της χοάνης εισόδου. Στη συνέχεια κλείνουµε τη στρόφιγγα αέρα και παροχής νερού και αποσυνδέουµε την εφεδρική χοάνη. Εάν συνεχίζει να παραµένει εγκλωβισµένος αέρας ανοίγουµε τη στρόφιγγα αέρα επί του καλύµµατος της συσκευής διήθησης για την αποµάκρυνσή του. 3.2.5 Πείραµα διήθησης Προετοιµάζουµε 1 λίτρο δείγµατος για κάθε πείραµα διήθησης. Χύνουµε προσεκτικά το δείγµα στη χοάνη εισόδου. Ρυθµίζουµε τη στρόφιγγα παροχής έτσι ώστε η παροχή νερού να σταθεροποιηθεί στα 93 cm 3 /min, και τη ρυθµίζουµε συνεχώς κατά τη διάρκεια της διήθησης έτσι ώστε να παραµένει σταθερή. Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -20-
Μετά από 40 sec (χρόνος που απαιτείται για την αποµάκρυνση του καθαρού νερού), αρχίζουµε να µετράµε το χρόνο διήθησης. Για 1.5 λεπτό ακόµα πετάµε την απορροή (πρόκειται για καθαρό νερό), και τη συνέχεια τη συλλέγουµε σε δοχείο συλλογής. Από το αρχικό δείγµα παίρνουµε µικρή ποσότητα για ανάλυση (προσδιορισµός θολερότητας ή αιωρούµενων στερών). Όταν η στάθµη του δείγµατος κατέβει στη βάση της χοάνης κλείνουµε τη στρόφιγγα παροχής και µετρούµε το χρόνο διήθησης καθώς και την ένδειξη των µανοµέτρων. 3.2.6 Υπολογισµός δείκτου διήθησης εδοµένα Επιφάνεια φίλτρου: A=11.34 cm 2 Όγκος άµµου: V=45.4 cm 3 Βάρος άµµου: B=72 gr Πορώδες άµµου: 40% Ταχύτητα διήθησης: Χρόνος διήθησης: Ποιότητα νερού παροχή (cm /min) v= 2 επιφάνεια (cm ) Τ (min) 3 (cm/min) Εισερχόµενο: C 0 = FTU ή mg/lt Εξερχόµενο: C= FTU ή mg/lt Παροχή: Q= cm 3 /min ιαφ. Μανοµέτρου: Η= - mm= cm είκτης διήθησης: Η C F= v C 0 = = Τ Επαναλαµβάνουµε το παραπάνω πείραµα µε νέο δείγµα νερού παρόµοιο µε το αρχικό, το οποίο προεπεξεραζόµαστε µε κροκιδωτικό υλικό. Προσθέτουµε σε 1 lt δείγµατος 20 mg θειικού αργιλίου αναδεύουµε γρήγορα το υγρό για 15 sec και στη συνέχεια µε αργή ανάδευση στις 50 στροφές/min για 10 min και επαναλαµβάνουµε τη διήθησης αφού αλλάξουµε την άµµο στο φίλτρο. Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -21-
4. ΟΞΥΤΗΤΑ-ΑΛΚΑΛΙΚΟΤΗΤΑ ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ ΝΕΡΟΥ 4.1 ΟΞΥΤΗΤΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ 4.1.1 Εισαγωγή Η οξύτητα του νερού εκφράζει την ποσοτική ικανότητά του στην εξουδετέρωση ισχυρής βάσης µέχρις επιθυµητής τιµής ph. Η ικανότητα αυτή του νερού οφείλεται στην παρουσία ισχυρών και ασθενών οξέων σε αυτό µε κυριότερο λόγο την παρουσία ανθρακικού οξέος. Το ανθρακικό οξύ έχει ρόλο ρυθµιστικού για το νερό, κατά τις αντιδράσεις: H 2 CO 3 CO 2 + H 2 H + + ΗCO 3 - και ΗCO 3 - Η + + CO 3 -- Η οξύτητα του νερού έχει αξία για τη διατήρηση της ζωής σε αυτό (όξινη βροχή), τη δυνατότητα δηµιουργίας διάβρωσης σε εγκαταστάσεις από το νερό και την επιλογή της µεθόδου επεξεργασίας του νερού. Η οξύτητα µετράται σε mg/lt CaCO 3. Υπενθυµίζεται ότι το µοριακό βάρος του CaCO 3 είναι 100, ενώ το χηµικό ισοδύναµό του 50. 4.1.2 Μέθοδος µέτρησης Θα χρησιµοποιηθεί η µέθοδος της κατασκευής καµπύλης ογκοµέτρησης µε τη χρήση του ph-µέτρου κατά την προσθήκη διαλύµατος NaOH στο νερό. Η σύντοµη περιγραφή είναι: Σε 50 ml νερού προστίθενται, µέσω προχοϊδας, ποσότητες διαλύµατος NaOH Ν/50 κανονικότητας, υπό συνεχή ανάδευση (προτιµάται η χρήση µαγνητικού αναδευτήρα). Οι τιµές του ph καταγράφονται ανά 0.5 ml ποσότητας διαλύµατος NaOH (ή µικρότερες). Η διαδικασία αυτή διατηρείται µέχρι την τιµή ph=9. Χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή κυρίως προς το τέλος της ογκοµέτρησης. Οι τιµές του ph που καταγράφηκαν σε σχέση µε τις ποσότητες του διαλύµατος NaOH που αντιστοιχούν, χρησιµοποιούνται σε γραφική παράσταση. Το σηµείο αλλαγής κλίσης της καµπύλης S-σχήµατος, που εµφανίζεται, δείχνει το σηµείο ph τερµατισµού της αντίδρασης εξουδετέρωσης. Η οξύτητα του δείγµατος του νερού που εξετάζεται δίνεται από τον τύπο: (Vml διαλύµατος NaOH) (Νκανονικότητα διαλύµατος NaOH) Οξύτητα= 50000 σε mg/lt CaCO 3 V mlδείγµατος Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -22-
4.1.3 Παρατηρήσεις 1. Το σηµείο τερµατισµού της αντίδρασης είναι σε τιµή ph στην περιοχή του 8.3 και η οξύτητα που αντιστοιχεί σε αυτό ονοµάζεται οξύτητα φαινοφθαλεϊνης, από το όνοµα του δείκτη που θα µπορούσε να χρησιµοποιηθεί αντί του ph-µέτρου. 2. Αν το αρχικό ph του δείγµατος είναι χαµηλό, κάτω από 4, στην καµπύλη της γραφικής παράστασης εµφανίζεται και άλλο σηµείο αλλαγής κλίσης στην τιµή του ph γύρω στο 4. Η οξύτητα που αντιστοιχεί σε αυτό το σηµείο ονοµάζεται οξύτητα του πορτοκαλόχρου του µεθυλίου (methyl orange). 3. Η κατανάλωση βάσης NaOH µέχρι ph=4 αντιστοιχεί στην εξουδετέρωση ισχυρών οξέων, ενώ µέχρι ph=8.3 στην εξουδετέρωση ασθενών οξέων. Η οξύτητα φαινοφθαλεϊνης αντιπροσωπεύει ουσιαστικά την ολική οξύτητα. 4. Οι τιµές (ή η τιµή) του ph τερµατισµού της εξουδετέρωσης δεν είναι εκ των προτέρων γνωστές µε ακρίβεια, γιατί η σύνθεση των οξέων που υπάρχουν σε κάθε δείγµα νερού δεν είναι γνωστή. 5. Σε ορισµένες περιπτώσεις, π.χ. παρουσία αλάτων βαρέων µετάλλων, η ογκοµέτρηση για την οξύτητα φαινοφθαλεϊνης διευκολύνεται αν το δείγµα έχει προηγουµένως υποστεί βρασµό. 6. Η συλλογή του δείγµατος προς ανάλυση, πρέπει να γίνεται µε ήρεµο τρόπο για την αποφυγή διαταραχή της ισορροπίας του CO 2 σε αυτό. Επίσης η ανάλυση πρέπει να γίνεται γρήγορα για την αποφυγή προσθήκης ή απώλειας CO 2. 7. Η επιλογή της κανονικότητας του διαλύµατος NaOH είναι Ν/50. Υπενθυµίζεται ότι το χηµικό ισοδύναµο CaCO 3 είναι 50. Έτσι η κατανάλωση 1 ml διαλύµατος NaOH 0.02 Ν αντιστοιχεί σε 1 mg οξύτητας. 4.2 ΑΛΚΑΛΙΚΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ 4.2.1 Εισαγωγή Η αλκαλικότητα του νερού εκφράζει την ποσοτική ικανότητά του στην εξουδετέρωση ισχυρού οξέος µέχρις επιθυµητής τιµής ph. Η ικανότητα αυτή του νερού οφείλεται κυρίως στα όξινα ανθρακικά άλατα και κατά δεύτερο λόγο σε άλατα ασθενών οξέων όπως του φωσφορικού, του πυριτικού κλπ. Υψηλές τιµές του ph του νερού, οφείλονται σε ισχυρές βάσεις. Έτσι, η αλκαλικότητα προέρχεται από ιόντα υδροξυλίου, ανθρακικά και όξινα ανθρακικά. Οι άλλες αιτίες για τα φυσικά νερά αγνοούνται. Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -23-
Η αλκαλικότητα είναι ένα µέτρο της ρυθµιστικής ικανότητας του νερού, της αντίστασης που παρουσιάζει αυτό στην αλλαγή του ph. Η αλκαλικότητα του νερού χρησιµεύει στον καθορισµό της µεθόδου επεξεργασίας του (για κροκίδωση, αποσκλήρυνση κλπ), στην αποφυγή διαβρώσεων, στην καταλληλότητα του νερού για άρδευση, στην παρακολούθηση της αναερόβιας επεξεργασίας αποβλήτων. Η µέτρηση της αλκαλικότητας χρησιµοποιείται και για τον προσδιορισµό των κατηγοριών της σκληρότητας (µόνιµη/παροδική). Η αλκαλικότητα µετράται σε mg/lt CaCO 3. 4.2.2 Μέθοδος µέτρησης Χρησιµοποιείται πάλι η µέθοδος της κατασκευής καµπύλης ογκοµέτρησης µε τη χρήση του ph-µέτρου κατά την προσθήκη διαλύµατος H 2 SO 4 στο νερό. Η σύντοµη περιγραφή είναι: Σε 50 ml νερού προστίθενται, µέσω προχοϊδας, ποσότητες διαλύµατος H 2 SO 4 Ν/50 κανονικότητας, υπό συνεχή ανάδευση (προτιµάται η χρήση µαγνητικού αναδευτήρα). Οι τιµές του ph καταγράφονται ανά 0.5 ml ποσότητας διαλύµατος H 2 SO 4 (ή µικρότερες). Η διαδικασία αυτή διατηρείται µέχρι την τιµή ph=3.7 τουλάχιστον. Χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή κυρίως προς το τέλος της ογκοµέτρησης. Οι τιµές του ph που καταγράφηκαν σε σχέση µε τις ποσότητες του διαλύµατος H 2 SO 4 που αντιστοιχούν, χρησιµοποιούνται σε γραφική παράσταση. Το σηµείο αλλαγής κλίσης της καµπύλης S-σχήµατος, που εµφανίζεται, δείχνει το σηµείο ph τερµατισµού της αντίδρασης εξουδετέρωσης. Η αλκαλικότητα του δείγµατος του νερού που εξετάζεται δίνεται από τον τύπο: (Vml διαλύµατος Η SO ) (Νκανονικότητα διαλύµατος Η SO ) 4 2 4 Αλκαλικότητα= 2 50000 V σε mg/lt CaCO 3 mlδείγµατος 4.2.3 Παρατηρήσεις 1. Το σηµείο τερµατισµού της αντίδρασης είναι σε τιµή ph στην περιοχή του 4.5 και η αλκαλικότητα που αντιστοιχεί σε αυτό ονοµάζεται αλκαλικότητα πορτοκαλόχρου του µεθυλίου (methyl orange) (ή ολική αλκαλικότητα=τ), από το όνοµα του δείκτη που θα µπορούσε να χρησιµοποιηθεί αντί του ph-µέτρου. 2. Αν το αρχικό ph του δείγµατος είναι υψηλό, πάνω από 8.3, στην καµπύλη της γραφικής παράστασης εµφανίζεται και άλλο σηµείο αλλαγής κλίσης στην τιµή του ph Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -24-
γύρω στο 8.2. Η αλκαλικότητα που αντιστοιχεί σε αυτό το σηµείο ονοµάζεται αλκαλικότητα φαινοφθαλεϊνης (Ρ). 3. Η αλκαλικότητα του νερού οφείλεται κυρίως στα ιόντα ΟΗ - CO 3 και HCO - 3. Ανάλογα µε τη σχέση της αλκαλικότητας Ρ ως προς την αλκαλικότητα Τ έχουµε τον παρακάτω πίνακα για τα τµήµατα της αλκαλικότητας που οφείλεται στα επιµέρους ιόντα. Σχέση τιµών αλκαλικότητας OH - 2- CO 3 - HCO 3 P = 0 0 0 T P < 0.5 T 0 2P T-2P P = 0.5 T 0 2P P > 0.5 T 2P-T 2(T-P) 0 P = T T 0 0 4. Αισθητή παρουσία OH - 2- έχουµε για τιµές ph>10 και αισθητή παρουσία CO 3 έχουµε για τιµές ph>8.5 5. Τα σηµεία ph τερµατισµού των αντιδράσεων εξουδετέρωσης δεν είναι εκ των προτέρων γνωστά µε ακρίβεια, γιατί εξαρτώνται από τις συγκεντρώσεις των ιόντων. 4.3 ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ 4.3.1 Εισαγωγή Η σκληρότητα δείγµατος νερού οφείλεται στην παρουσία ιόντων δισθενών µετάλλων κυρίως Ca ++ και Mg ++, δευτερευόντως στα Sr ++, Fe ++ και Mn ++. Η σκληρότητα διακρίνεται στη µόνιµη και στην παροδική σκληρότητα. Η παροδική οφείλεται στα όξινα ανθρακικά άλατα των ανωτέρω µετάλλων, ενώ η µόνιµη στα υπόλοιπα άλατα, όπως χλωριούχα, θειικά, νιτρικά κλπ. Η µόνιµη και η παροδική σκληρότητα αποτελούν την ολική σκληρότητα. Η σκληρότητα µετράται σε µονάδες mg/lt CaCO 3. Μία ενδεικτική κατάταξη των νερών σχετικά µε την σκληρότητα, είναι η ακόλουθη: Σκληρότητα: 0-75 (mg/lt CaCO 3 ) Μαλακό 75-150 (mg/lt CaCO 3 ) Μέτρια σκληρό 150-300 (mg/lt CaCO 3 ) Σκληρό >300 (mg/lt CaCO 3 ) Πολύ σκληρό Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -25-
Η σκληρότητα του νερού εµποδίζει τη δράση του σαπουνιού, δηµιουργεί καθαλατώσεις στις εγκαταστάσεις. Η γνώση του µεγέθους της σκληρότητας καθορίζει το είδος της επεξεργασίας τυχόν της αποσκλήρυνσης. 4.3.2 Μέθοδος µέτρησης Θα περιγραφεί η µέθοδος της ογκοµέτρησης µε EDTA. Η διαδικασία είναι: Σε 50 ml νερού προστίθεται 1 δισκίο Merck (δείκτης+ρυθµιστικό) ειδικά για την σκληρότητα και 15-20 σταγόνες (1 ml) αµµωνίας, ώστε το ph γίνει αλκαλικό (ph>10). Το δείγµα ογκοµετρείται µε διάλυµα EDTA συγκέντρωσης 0.01 Μ µέχρις ότου το χρώµα του νερού αλλάξει από κόκκινο σε µπλε. Η διαδικασία πρέπει να έχει τερµατιστεί σε 5 min από την προσθήκη του δείκτη/ρυθµιστικού. Η σκληρότητα δίνεται από τον τύπο: VEDTA (ml) 1000 Σκληρότητα= σε mg/lt CaCO 3 V δείγµατος (ml) 4.3.3 Παρατηρήσεις 1. Το EDTA που χρησιµοποιείται είναι το δινάτριο άλας του αιθυνελοδινιτριλοτετραοξικού οξέος ΗΟΟC CH 2 CH 2 COONa N CH 2 CH 2 N HOOC CH 2 CH 2 COONa 2. Το ειδικό δισκίο MERCK περιέχει τον δείκτη Εriochrome Black T καθώς και κατάλληλο ρυθµιστικό µείγµα. 3. Για την εξεύρεση της παροδικής και της µόνιµης σκληρότητας απαιτείται η µέτρηση της αλκαλικότητας. Αν Αλκαλικότητα < Ολικής σκληρότητας τότε Παροδική σκληρότητα = Αλκαλικότητα Μόνιµη σκληρότητα = Ολική Παροδική σκληρότητα Αν Αλκαλικότητα >= Ολικής σκληρότητας τότε Παροδική σκληρότητα = Ολική σκληρότητα Μόνιµη σκληρότητα = 0 (µηδέν). και και Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -26-
5. ΚΡΟΚΙ ΩΣΗ (JAR TEST) 5.1 ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ JAR TEST 1. Προετοιµασία θολού δείγµατος: Σε 2 lt νερού βρύσης προσθέσατε 1 gr χώµατος και αναδεύσατε έντονα. 2. Προετοιµασία διαλύµατος κροκιδωτικού Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O. Ζυγίσατε 1.233 gr Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O και διαλύσατε αυτή την ποσότητα σε 100 ml απεσταγµένου νερού. 1 ml αυτού του διαλύµατος περιέχει 1 mg Al 3+. 3. Μετρήσατε την αρχική θολότητα του δείγµατος νερού που έχετε ετοιµάσει στο 1 στάδιο στο θολόµετρο (µονάδες FTU). 4. Γεµίστε τα δοχεία του JAR test των 400 ml µε θολό νερό και προσθέσατε στο πρώτο 1 ml διαλύµατος Al 3+, στο δεύτερο 2 ml, στο τρίτο 3 ml και στο τέταρτο 4 ml. 5. Τοποθετήσατε αυτά στη συσκευή και αρχίσατε τη λειτουργία της σύµφωνα µε το σχήµα: Γρήγορη ανάδευση για χρόνο 15 sec σε 200-250 rpm (στο µέγιστο των στροφών) Κροκίδωση για χρόνο 20 min σε 35 rpm Καθίζηση (ηρεµία) για χρόνο 30 min. 6. Από το πάνω µέρος κάθε δοχείου (χωρίς να προκληθεί αναταραχή) λάβετε δείγµα και µετρήστε τη θολότητα στο θολόµετρο. 7. Συγκρίνατε τα αποτελέσµατα µε την αρχική θολότητα και συµπεράνατε για τη βέλτιστη δόση κροκιδωτικού. Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -27-
6. ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ 6.1 ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ 1. Λάβετε 100 ml "θαλασσινού νερού" και µετρήσατε την θερµοκρασία, αγωγιµότητα και αλατότητα στην κατάλληλη κλίµακα του οργάνου. 2. Λάβετε 10 ml θαλασσινού νερού µε το σιφώνι των 10 ml και τα φέρνετε στην ογκοµετρική φιάλη των 100 ml προσθέτοντας ανάλογο απιονισµένο ("απεσταγµένο") νερό. Μετρήσατε πάλι αγωγιµότητα και αλατότητα. 3. Επαναλάβατε το σχήµα της αραίωσης του βήµατος 2 µε διαδοχικές αραιώσεις. Κάθε φορά µετρήσατε πάλι αγωγιµότητα και αλατότητα. 4. Η επανάληψη του βήµατος 3 πραγµατοποιείται µέχρι µη ουσιαστικής µεταβολής της αγωγιµότητας. 5. Παρουσιάστε τις µετρήσεις σε πίνακα. 6. Μέτρηση αγωγιµότητας νερού βρύσης και απιονισµένου. 7. Εύρεση της "µόλυνσης" δείγµατος νερού από τη θάλασσα. 8. Βαθµονόµηση (καλύτερα έλεγχος) του οργάνου µε διάλυµα ΚCl (προαιρετικά). 6.2 ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ 1. Οι µετρήσεις αγωγιµότητας προσδιορίζονται αυτόµατα από το όργανο στους 25 ο C (µεταβολή 2.1% / 1 ο C). 2. Η σταθερά του Κελλίου είναι Κ=1, ενώ η αλατότητα αναφέρεται στους 15 ο C. 3. Η αγωγιµότητα σε µs/cm πολλαπλασιαζόµενη επί ένα εµπειρικό συντελεστή 0.6 δίνει τα ολικά διαλυµένα στερεά σε mg/lt. 4. Κατάταξη των νερών σε σχέση µε τα διαλυµένα στερεά: Χαρακτηρισµός νερών Συγκέντρωση TDS (mg/l) Φρέσκο < 1.000 Μέτριας αλατότητας 1.000 3.000 Αλµυρό 3.000 10.000 Μεγάλης Αλατότητας 10.000 35.000 Άλµη (Brine) > 35.000 Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -28-
7. ΒΙΟΧΗΜΙΚΑ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟ ΟΞΥΓΟΝΟ (BOD) 7.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ύο κύριες µέθοδοι: 1. Μέθοδος αραιώσεων. Χρησιµοποιεί µία µεγάλη σειρά δειγµάτων µε διαφορετικές αραιώσεις το καθένα. Απαιτεί µεγάλο όγκο αρχικού δείγµατος. Στο κάθε δείγµα µετράται µετά από 5 ηµέρες η κατανάλωση του διαλυµένου οξυγόνο. Στόχος η αραίωση που θα επιτρέψει την κατανάλωση µέχρι 80-90% του οξυγόνου που υπήρχε διαλυµένο στο δείγµα αρχικά. 2. Μανοµετρική µέθοδος: Είναι πιο ευέλικτη αφού χρησιµοποιεί όχι µόνο το οξυγόνο που υπάρχει διαλυµένο στο δείγµα αλλά και αυτό που υπάρχει στον αέρα πάνω από το δείγµα µέσα στη φιάλη µέτρησης. Η κατανάλωση του οξυγόνου µετράται µέσω της µείωσης της µερικής πίεσης του οξυγόνου στο εσωτερικό του σφραγισµένου χώρου της µέτρησης κατά τη διάρκεια των 5 ηµερών. Η µείωση αυτή αντανακλά και στη συνολική µείωση των αερίων µέσα στη φιάλη της συσκευής. Για να αποφευχθεί η επίδραση του παραγόµενου CO 2 στη συνολική µανοµετρική πίεση της φιάλης προστίθονται κρύσταλλοι LiOH οι οποίοι απορροφούν το παραγόµενο CO 2 7.2 ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ Συνοπτική περιγραφή µανοµετρικής µεθόδου Προετοιµασία διαλυµάτων 1. Ζυγίζουµε 100 mg α-d-γλυκόζη και διαλύουµε σε 1 lt νερό βρύσης στην ογκοµετρική φιάλη Α 2. Ζυγίζουµε 50 mg φαινόλης και διαλύουµε σε 1 lt νερό βρύσης στην ογκοµετρική φιάλη Β 3. Αναδεύουµε καλά µέχρι να διαλυθούν πλήρως τα στερεά στις φιάλες Α και Β Πορεία µέτρησης 1. Με ογκοµετρικό κύλινδρο µεταφέρουµε 150 ml από τις ογκοµετρικές φιάλες Α και Β σε δύο ξεχωριστές φιάλες της συσκευής BOD. Προσθέτουµε από µία δόση µικροθρεπτικών συστατικών καθώς και από ένα µαγνητικό αναδευτήρα 2. Τοποθετούµε στο εσωτερικό των ελαστικών κυπελιδίων από µία δόση LiOH Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -29-
3. Επαλείφεται λεπτός υµένας συλικόνης στην άνω και κάτω πλευρά του χείλους των ελαστικών κυπελιδίων έτσι ώστε να επιτευχθεί αεροστεγής φραγή στο λαιµό της φιάλης 4. Τοποθετούµε από ένα ελαστικό κυπελίδιο στο εσωτερικό του λαιµού της κάθε φιάλης της συσκευής στις οποίες έχει τοποθετηθεί το δείγµα προς µέτρηση 5. Σφίγγουµε τα ανοίγµατα των µανόµετρων και ακολούθως τα πώµατα στις φιάλες µε τα δείγµατα 6. Μηδενίζουµε τις ενδείξεις του υδραργύρου στα µανόµετρα της συσκευής 7. ίνουµε ρεύµα στη συσκευή για να λειτουργήσουν οι αναδευτήρες 8. Ανά 24 ώρες σηµειώνουµε τα αποτελέσµατα Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -30-
8. ΧΗΜΙΚΑ ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟ ΟΞΥΓΟΝΟ (COD) 8.1 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ύο κύριες µέθοδοι: 1. Χρωµατοµετρική-Φασµατοφωτοµετρική: Με αυτή προσδιορίζεται η ποσότητα των Cr 6+ που αποµένουν στο διάλυµα µετά την οξείδωση της οργανικής ύλης φασµατοφωµετρικά σε µήκος κύµατος 420 nm. Η µέθοδος εφαρµόζεται σε δείγµατα που το αναµενόµενο COD κυµαίνεται από 0-150 mg/lt 2. Ογκοµέτρηση-Τιτλοδότηση: Για την εκτέλεση της µεθόδου αυτής δεν απαιτείται φασµατοφωτόµετρο. Το δείγµα µετά τη διαδικασία οξείδωσης ογκοµετρείται µε χρήση πρότυπου διαλύµατος FAS και δείκτη φερροϊνη. Το τελικό σηµείο της ογκοµέτρησης φαίνεται από την απότοµη αλλαγή του χρώµατος από µπλε-πράσινο σε καφέπορτοκαλί. 8.2 ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ Συνοπτική περιγραφή χρωµατοµετρικής-φασµατοφωτοµετρικής µεθόδου Προετοιµασία διαλυµάτων 1. Ζυγίζουµε 260 gr ζάχαρης (C 12 H 22 O 11 ) και διαλύουµε σε 1 lt νερό βρύσης στην ογκοµετρική φιάλη Α 2. Ζυγίζουµε 85 gr ζάχαρης (C 12 H 22 O 11 ) και διαλύουµε σε 1 lt νερό βρύσης στην ογκοµετρική φιάλη Β 3. Αναδεύουµε καλά µέχρι να διαλυθούν πλήρως τα στερεά στις φιάλες Α και Β Οξείδωση οργανικών ουσιών 1. Προθερµαίνουµε τη συσκευή χώνευσης στους 150 ο C 2. Ξεβιδώνουµε το καπάκι ενός δοκιµαστικού σωλήνα ο οποίος περιέχει τα αντιδραστήρια για την οξείδωση της οργανικής ύλης σε κατάλληλες αναλογίες και ποσότητα 3. Με σιφώνι µεταφέρουµε 2 ml από το διάλυµα Α στο δοκιµαστικό σωλήνα που κρατάµε κεκλιµένο 4. Βιδώνουµε µε προσοχή το πώµα κι αναδεύουµε ζωηρά κρατώντας το σωλήνα από το πώµα Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -31-
5. Τοποθετούµε το σωλήνα στη συσκευή χώνευσης αφού βεβαιωθούµε ότι τα εξωτερικά του τοιχώµατα είναι στεγνά και καθαρά 6. Χρονοµετρούµε τη θέρµανση για 30 min 7. Επαναλαµβάνουµε τα στάδιο 3,4,5,6 για το διάλυµα Β 8. Επαναλαµβάνουµε τα στάδιο 3,4,5,6 για το απιονισµένο νερό Φασµατοφωτοµετρικός προσδιορισµός COD 1. Μετά την πάροδο 30 min βγάζουµε τους δοκιµαστικούς σωλήνες από τη συσκευή χώνευσης και τους αφήνουµε να κρυώσουν. 2. Θέτουµε σε λειτουργία το φασµατοφωτόµετρο HACK Σηµειώσεις εργαστηρίου Υγειονοµικής Μηχανικής I -32-