Γίνε ένας αναλυτής ποιότητας νερού Teach article

Μεταφρασμένο από την Κυριακή Ηλιάδου. Όχι μόνο οι βιομηχανικές δραστηριότητες, αλλά ακόμα και οι γεωλογικές αλλαγές μπορεί να επηρεάσουν την ποιότητα του νερού,…

Όχι μόνο οι βιομηχανικές δραστηριότητες, άλλα κάποιες φορές και οι γεωλογικές αλλαγές μπορεί να πολύ επιζήμιες για την ποιότητα του νερού, το οποίο μολύνεται από τα λιπάσματα, τα φυτοφάρμακα, τα μεταλλικά ιόντα ή τις οργανικές ενώσεις δημιουργώντας κινδύνους στην ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον. Είναι, επομένως, ζωτικής σημασίας να παρακολουθείται συνεχώς η ποιότητα των πηγών γλυκού νερού, όπως τα ποτάμια.

Οι αναλυτές ποιότητας είναι βασικοί συντελεστές στη διαδικασία για να παραμείνουμε ασφαλείς από μολυσμένα νερά. Ελέγχουν τακτικά την ποιότητα του νερού κάνοντας ποσοτικές αναλύσεις (όπως να προσδιορίζουν την ποσότητα ενός ιόντος σε ένα διάλυμα) σε δείγματα που έχουν συλλεχθεί από διάφορες τοποθεσίες πριν, κατά τη διάρκεια και μετά την επεξεργασία του νερού.

Στην επόμενη δραστηριότητα, οι φοιτητές μπαίνουν στη θέση ενός αναλυτή ποιότητας νερού και εργάζονται δίπλα σε μια βιομηχανική εγκατάσταση όπως αυτή της Tata Steel στο Σκάνθορπ , στο Ηνωμένο Βασίλειο. Θα πρέπει να ανταποκριθούν σε ένα συγκεκριμένο σενάριο, να πραγματοποιήσουν τις κατάλληλες αναλύσεις και να προσδιορίσουν εάν το εργοστάσιο απομακρύνει αποτελεσματικά τα θειοκυανικά από τα υδάτινα λύματά του.

Θειοκυανικά: ένα δηλητήριο που βρίσκεται παντού

Τα θειοκυανικά ιόντα (SCN^–) είναι τοξικά για τους υδρόβιους οργανισμούς και είναι γνωστό ότι επηρεάζουν το θυρεοειδή αδένα στους ανθρώπους, καθώς μειώνουν την ικανότητά του να παράγει ορμόνες απαραίτητες για την κανονική λειτουργία του σώματος.

Τα θειoκυανικά μπορεί να έχουν πολλές διαφορετικές προελεύσεις. Για παράδειγμα, η εξαέρωση του άνθρακα και η παραγωγή βιομηχανικά χρήσιμων χημικών από τον άνθρακα, παράγουν μεγάλες ποσότητες θειοκυανικών ιόντων, μαζί με έναν τεράστιο αριθμό άλλων τοξικών ενώσεων, όπως φαινολών και αμμωνίου. Συνεπώς, αυτά τα παραπροϊόντα είναι συστατικά των υγρών αποβλήτων του εργοστασίου.

Θειοκυανικά ιόντα μπορεί επίσης να βρεθούν όπου χρησιμοποιείται κυανίδιο για την εξόρυξη πολύτιμων μετάλλων. Το κυανίδιο, αντιδρώντας με θείο, μετατρέπεται σε θειοκυανικό ιόν, το οποίο στη φύση συναντάται σε μεταλλεύματα:

8CN^– + S₈ → 8SCN^–

Επίσης, ορισμένα φυτοφάρμακα περιέχουν ως ενεργό, δηλητηριώδη ένωσή τους θειοκυανικά ιόντα. Στη φύση, ίχνη θειοκυανικού υπάρχουν στο ανθρώπινο σώμα ως παρα-προϊόν του μεταβολισμού της κυστεΐνης και της αποτοξίνωσης του κυανιδίου – στη συνέχεια εκκρίνεται στα ούρα. Μπορεί να ληφθεί στο ανθρώπινο σώμα μέσω του καπνίσματος και είναι ένα παραπροϊόν του μεταβολισμού ορισμένων φαρμάκων που χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία της υπέρτασης.

Μικρόβια εναντίον δηλητηρίου

Η διαδικασία απομάκρυνσης των θειοκυανικών ιόντων από τα υδάτινα λύματα λαμβάνει χώρα σε τεράστιες υπαίθριες δεξαμενές σκυροδέματος που περιέχουν ενεργοποιημένη λάσπη, ένα βιολογικά δραστικό υλικό το οποίο περιέχει μια σειρά από μικροοργανισμούς που μπορούν να διασπάσουν θειοκυανικά ιόντα και άλλους ρυπαντές σε λιγότερο επικίνδυνες ενώσεις. Η χημική αντίδραση που λαμβάνει χώρα για να εξουδετερώσει το θειοκυανικό ιόν είναι:

SCN^– + 3H₂O + 2O₂ → HCO₃^– + NH₄+ SO₄^2- + H⁺

Αυτή η αντίδραση είναι ένα παράδειγμα βιοαποκατάστασης^w1, μια διαδικασία στην οποία οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούνται για τον καθαρισμό του μολυσμένου εδάφους και των υπογείων υδάτων. Τα φυτά μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τον καθαρισμό μολυσμένης γης, σε μια διαδικασία που ονομάζεται φυτοθεραπεία^w2.

Πριν και μετά την επεξεργασία, το νερό μπορεί εύκολα να ελεγχθεί για την παρουσία  θειοκυανικών ιόντων. Αν το διάλυμα γίνει βαθύ κόκκινο με την προσθήκη του χλωριδίου του σιδήρου (III), τότε υπάρχουν θειοκυανικά ιόντα, όπως φαίνεται στην εξίσωση:

Fe³⁺_(aq) + SCN^–_(aq) → [FeSCN]²⁺_(aq)

ή, πιο ολοκληρωμένα,

[Fe(H₂O)₆]³⁺_(aq) + SCN^–_(aq) → [Fe(H₂O)₅SCN]²⁺_(aq) + H₂O_(l)

Η αντίδραση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ποσοτική ανάλυση θειοκυανικών ιόντων σε χαμηλές συγκεντρώσεις. Χρησιμοποιώντας ένα χρωματόμετρο, μπορεί να μετρηθεί  η απορρόφηση του συμπλόκου [ Fe(H2O)₅SCN ] ^{2 +} στα 480 nm και να προσδιοριστεί η ακριβής συγκέντρωση των θειοκυανικών ιόντων, υπό την προϋπόθεση ότι δεν είναι υπερβολικά υψηλή . Μπορεί επίσης να γίνει απλά σύγκριση χρωμάτων, αν και τα αποτελέσματα θα είναι λιγότερο ακριβή και μόνο ποιοτικά.

Σενάριο

Όπως εξηγείται στο φύλλο εργασίας 1^w3, οι φοιτητές θα πρέπει να μπουν στη θέση του αναλυτή ποιότητας  μιας μικρής ανεξάρτητης εταιρείας ελέγχου ποιότητας που εξετάζει τα αποτελέσματα ώστε να διασφαλιστεί ότι πληρούν τις απαιτήσεις της Υπηρεσίας Περιβάλλοντος του Ηνωμένου Βασιλείου .

Τα υγρά απόβλητα μιας βιομηχανικής μονάδας, όπως στο εργοστάσιο της Tata Steel στο Scunthorpe είναι γνωστό ότι περιέχει περίπου 250 mg/dm³ (250 ppm) θειοκυανικών ιόντων. Ωστόσο, το επίπεδο ασφαλείας που δίνεται από την Υπηρεσία Περιβάλλοντος του Ηνωμένου Βασιλείου είναι 10 mg/dm³, οπότε τα λύματα υφίστανται επεξεργασία και η  συγκέντρωση θεικυανικών μειώνεται στο 1 mg/dm³, αρκετά κάτω από τα ασφαλή όρια . Τα θειοκυανικά ιόντα απομακρύνονται από τα λύματα πριν διοχετευθεί στον ποταμό Trent.

Πρόσφατα, υπήρξε μια περίοδος έντονου κρύου, η οποία μπορεί να επηρεάσει τη δράση των μικροοργανισμών. Η εταιρεία εκφράζει την ανησυχία ότι αυτό έχει επηρεάσει τη μονάδα επεξεργασίας λυμάτων της και έχει μειώσει την αποτελεσματικότητά της στην απομάκρυνση των θειοκυανικών ιόντων από τα λύματα.

Το νερό συνήθως αναλύεται για θειοκυανικά στο εργοστάσιο τρεις φορές την ημέρα χρησιμοποιώντας μια απλή δοκιμή: ένα όξινο διάλυμα χλωριούχου σιδήρου (III) προστίθεται στο δείγμα του νερού και μετράται φωτομετρικά η συγκέντρωση θειοκυανικών από την μετρούμενη απορρόφηση λόγω του θειοκυανικού συμπλόκου του σιδήρου (III). Συνολικά 16 διαφορετικές δοκιμές πραγματοποιούνται κάθε εβδομάδα. Τα δείγματα των εισερχόμενων λυμάτων και του νερού, που είναι έτοιμα για απόρριψη στον ποταμό πηγαίνουν πίσω στο εργαστήριο για ακριβή ανάλυση.

Οι αναλυτές της εταιρείας έχουν κάνει έλεγχο, αλλά η εταιρεία αναζητά έναν ανεξάρτητο αναλυτή: εσένα!

Γίνε ένας αναλυτής ποιότητας νερού – γενική περιγραφή

Σημείωση σχετική με την ασφάλεια

Θα πρέπει να φοράτε κατάλληλη προστασία για τα μάτια και τα χέρια για το χειρισμό οξέων και θειοκυανικών. Μπορείτε να ελέγξετε τις οδηγίες ασφαλείας στην σελίδα του Science in School.

Η ακόλουθη δραστηριότητα απευθύνεται σε μαθητές ηλικίας 16-18 ετών και διαρκεί περίπου 2 ώρες.

Προετοιμασία

1. Παρασκευάστε τα παρακάτω διαλύματα πριν την πρακτική δραστηριότητα:

α– Διάλυμα θειοκυανικού καλίου (KSCN) συγκέντρωσης 250 mg/dm³ (250 ppm). Διαλύστε 4.5 g θειοκυανικού καλίου σε 500 cm³ απεσταγμένου νερού. Στη συνέχεια αραιώστε 50 cm³ από αυτό το διάλυμα  έως 1 dm³: η συγκέντρωση των θειοκυανικών είναι τώρα 250 mg/dm³.

β– Όξινο διάλυμα χλωριδίου του σιδήρου (ΙΙΙ) (FeCl₃(H₂O)₆) συγκέντρωσης 0.41 mol/dm³. Διαλύστε 50 g FeCl₃(H₂O)₆ σε περίπου 250 cm³ διαλύματος υδροχλωρικού οξέος (HCl) συγκέντρωσης 1 mol/dm³.

γ– Δώδεκα δείγματα με ετικέτες, διαφορετικών συγκεντρώσεων θειοκυανικών ιόντων.

• Τα δείγματα 1 μέχρι 4 αντιστοιχούν σε νερό από τον εσωτερικό σωλήνα που πηγαίνει στη μονάδα επεξεργασίας. Αραίωσε 10 φορές το διάλυμα του θειοκυανικού καλίου συγκέντρωσης 250 mg/dm³, προκειμένου να παρασκευαστεί διάλυμα συγκέντρωσης 25 mg/dm³. Στη συνέχεια θα πρέπει να αραιωθεί λίγο ώστε να υπάρχει ποικιλία στις συγκεντρώσεις των τεσσάρων δειγμάτων.
• Τα δείγματα 5 μέχρι 8 αντιστοιχούν σε νερό από το σωλήνα που απελευθερώνει τα υγρά λύματα από τη μονάδα επεξεργασίας στον ποταμό. Η συγκέντρωσή τους πρέπει να είναι 5 mg/dm³: μεταγγίστε με πιπέττα 10 dm³ του διαλύματος του θειοκυανικού καλίου συγκέντρωσης 250 mg/dm³ σε ογκομετρική φιάλη των 500 cm³ και προσθέστε νερό μέχρι τη χαραγή.
• Τα δείγματα 9 μέχρι 12 αντιστοιχούν σε νερό από το σωλήνα που απελευθερώνει τα υγρά λύματα από τη μονάδα επεξεργασίας στον ποταμό. Πρέπει να παρασκευαστούν αναμιγνύοντας το διάλυμα θειοκυανικού καλίου συγκέντρωσης 250 mg/dm³ με ίσο ή διπλάσιο όγκο απεσταγμένου νερού. Δεν είναι απαραίτητο η αναλογία διαλύματος θειοκυανικών και νερού να είναι ακριβής.

2. Προμηθεύστε τους φοιτητές με ένα πλάνο της μονάδας (εικόνα 1), με το φύλλο εργασίας 1^w3 που  περιγράφει το σενάριο, και το φύλλο εργασίας 2^w4 που εξηγεί όλες τις λεπτομέρειες σχετικά με τη διαδικασία της ανάλυσης.

3. Οι φοιτητές πρέπει να γράψουν μια επιστολή στην εταιρεία που διαχειρίζεται τη μονάδα επεξεργασίας υδάτινων λυμάτων ζητώντας δείγματα για ανάλυση. Θα πρέπει να καθορίσουν σε ποιο σημείο της ροής των λυμάτων της μονάδας θα θέλουν να ληφθούν τα δείγματα, πόσα δείγματα χρειάζονται και ποιες χρονικές στιγμές θα πρέπει να ληφθούν. Θα πρέπει επίσης να καθορίσουν την  απαιτούμενη ποσότητα κάθε δείγματος, πώς θα πρέπει να ληφθούν και το είδος των δοχείων, στα οποία θα πρέπει να συλλέγονται.

4. Οι φοιτητές πρέπει να δουλέψουν ανά δύο για να αναλύσουν τα δείγματά τους σύμφωνα με τη μέθοδο που περιγράφεται στο φύλλο εργασίας 2^w4.

Υλικά

• προχοῒδα
• 7 ογκομετρικές φιάλες των 100 cm³
• χρωματόμετρο και κατάλληλο φίλτρο (μπλε)- ένα διάλυμα του συμπλόκου παρουσιάζει μέγιστη απορρόφηση στα 480 nm
• 30 cm³ διαλύματος θειοκυανικού καλίου συγκέντρωσης 250 mg/dm³ σε θειοκυανικά ιόντα (250 ppm)
• 70 cm³ διαλύματος χλωριδίου του σιδήρου(III) συγκέντρωσης 0.41 mol/dm³
• 10 cm³ ενός διαλύματος θειοκυανικών άγνωστης συγκέντρωσης (το οποίο θα χρειαστεί να ελέγξετε ως αναλυτές ποιότητας)

Διαδικασία

Προσοχή: Φορέστε προστασία για τα μάτια. Το χλωρίδιο του σιδήρου (ΙΙΙ) είναι ερεθιστικό.

1. Κατασκευάστε μια καμπύλη βαθμονόμησης

α. Γεμίστε τρεις προχοῒδες, μία με διάλυμα θειοκυανικού καλίου που περιέχει 250 ppm θειοκυανικών, μία με απεσταγμένο νερό, και μία με διάλυμα χλωριούχου σιδήρου (ΙΙΙ).

β. Σε έξι ογκομετρικές φιάλες των 100 cm³, προσθέστε 0.0, 2.0, 4.0, 6.0, 8.0 και 10.0 cm³ του διαλύματος θειοκυανικού καλίου συγκέντρωσης 250 mg/dm³ και ονομάστε τες από Α μέχρι ΣΤ.

γ. Προσθέστε απεσταγμένο νερό σε κάθε φιάλη μέχρι ο όγκος να φτάσει περίπου τα 80 cm³.

δ. Σε κάθε φιάλη, προσθέστε 10 cm³ διαλύματος χλωριδίου του σιδήρου (ΙΙΙ) και στη συνέχεια απεσταγμένο νερό μέχρι ο όγκος να φτάσει στα 100 cm³. Αναμίξτε τα διαλύματα καλά.

Φιάλη	Α	Β	Γ	Δ	Ε	ΣΤ
Όγκος του διαλύματος θειοκυανικού καλίου(cm3)	0.0	2.0	4.0	6.0	8.0	10
Συγκέντρωση θειοκυανικών (ppm)	0	5	10	15	20	25

ε. Μετρήστε την απορρόφηση κάθε διαλύματος χρησιμοποιώντας ένα χρωματόμετρο.

στ. Κάντε γραφική παράσταση της απορρόφησης (y άξονας) σε συνάρτηση με τη συγκέντρωση θειοκυανικών (σε ppm θειοκυανικών) (x άξονας) για τα έξι διαλύματα.

2. Αναλύστε το δείγμα

α. Προσθέστε 10 cm³ του διαλύματος άγνωστης συγκέντρωσης θειοκυανικών σε μία ογκομετρική φιάλη των 100 cm³ και προσθέστε απεσταγμένο νερό μέχρι ο όγκος να γίνει περίπου 80 cm³ .

β. Προσθέστε στη φιάλη 10 cm³ του διαλύματος χλωριδίου του σιδήρου (ΙΙΙ) και μετά απεσταγμένο νερό για να φέρετε τον όγκο στα 100 cm³. Ανακατέψτε το διάλυμα καλά.

γ. Μετρήστε την απορρόφηση του διαλύματος χρησιμοποιώντας ένα χρωματόμετρο.

δ. Χρησιμοποιήστε τη γραφική παράσταση για να βρείτε τη συγκέντρωση των θειοκυανικών ιόντων (σε ppm) στο άγνωστο διάλυμα.

3. Να γράψετε μια έκθεση για την εταιρεία που να συνοψίζει το έργο σας και να περιλαμβάνει μια σύσταση σχετικά με το εάν τα λύματα πρέπει να αποβάλλονται στο ποτάμι. Οι φοιτητές πρέπει να περιγράψουν τα αποδεικτικά στοιχεία επί των οποίων βασίζεται η σύστασή τους και να σχολιάσουν την εμπιστοσύνη που έχουν στα αποτελέσματά τους, λαμβάνοντας υπόψη το ποσοστιαίο σφάλμα που ενδέχεται να εμπλέκεται στην ανάλυσή τους.