Torne-se um analista da qualidade da água Teach article

Tradução de Isabel Queiroz Macedo. A actividade industrial ou até mesmo alterações geológicas podem afectar a qualidade da água, causando contaminações que podem pôr em risco a saúde humana e o ambiente. Saiba como se tornar um analista independente que assegura que temos água de boa…

A actividade industrial ou até mesmo alterações geológicas podem afectar a qualidade da água, contaminando-a com iões metálicos, fertilizantes, pesticidas ou outros compostos orgânicos nocivos para a saúde humana e o ambiente. É por isso crucial fazer uma monitorização constante da qualidade de fontes de água doce, como rios.

Os analistas da qualidade têm um papel muito importante no processo de nos manter a salvo de água poluída. Eles verificam regularmente a qualidade da água, fazendo análises (como a quantificação de determinados iões em solução) de amostras de água colhidas em vários locais, antes, durante e após tratamento.

Nesta actividade os estudantes assumem o papel de um analista da qualidade da água que trabalha perto de uma fábrica semelhante à Tata Steel, em Scunthorpe, Reino Unido. Terão de reagir a um cenário específico, fazer as análises adequadas e determinar se a fábrica remove eficazmente o ião tiocianato das suas águas residuais.

Tiocianato: um veneno ubíquo

O ião tiocianato é tóxico para os organismos aquáticos e afecta a glândula tiróide em seres humanos, reduzindo a sua capacidade de produzir hormonas necessárias ao normal funcionamento do organismo.

Os tiocianatos presentes no ambiente têm origens muito diversas. A gaseificação do carvão e a obtenção de produtos químicos de uso industrial a partir de carvão originam grandes quantidades de tiocianatos e de outros compostos tóxicos, como fenóis e ião amónio. Estes sub-produtos aparecem por isso nas águas residuais das fábricas.

Os tiocianatos podem também aparecer quando se usa cianeto na extracção de metais preciosos. O cianeto é convertido em tiocianato por reacção com enxofre, constituinte natural dos minérios.

8CN^– + S₈ → 8SCN^–

O tiocianato é o princípio activo, venenoso, de alguns pesticidas.

O corpo humano contém quantidades vestigiárias de tiocianato – um sub-produto do metabolismo da cisteína e da destoxificação de cianeto – que é eliminado na urina. Pode ser ingerido através do tabaco e é também um sub-produto do metabolismo de alguns fármacos usados no tratamento da hipertensão. 

Micróbios vs veneno

O processo de remoção de tiocianato de águas residuais tem lugar em grandes tanques a céu aberto que contêm lamas activadas, um material biologicamente activo com um conjunto de microrganismos que metabolizam o tiocianato e outros contaminantes, convertendo-os em compostos menos perigosos. A reacção química de degradação do tiocianato é   

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

Esta reacção é um exemplo de biorremediação^w1, um processo em que se usam microrganismos para descontaminar solos e águas subterrâneas. Quando se usam plantas na descontaminação de solos, o processo designa-se fitorremediação^w2.

A presença de tiocianato na água pode ser facilmente testada antes e depois do tratamento. Se a solução ficar de cor vermelho-sangue após adição de cloreto de ferro (III), é sinal de que contém iões tiocianato:

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

Ou, mais rigorosamente,

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

Esta reacção é usada para a análise quantitativa de ião tiocianato. Determina-se a concentração de ião tiocianato a partir da absorvância a 480 nm do complexo [Fe(H₂O)₅SCN]²⁺, que se mede num colorímetro. Pode-se também fazer uma comparação visual da intensidade da cor, mas os resultados são menos rigorosos e obtém-se apenas uma estimativa da concentração ou de uma gama de concentrações.  

Contextualização

Como explicado na ficha 1^w3, os estudantes assumem o papel de um analista de uma pequena empresa independente de controlo de qualidade, cuja função é verificar os resultados e assegurar que satisfazem os requisitos da Agência do Ambiente do Reino Unido.

A concentração de ião tiocianato no efluente de uma unidade industrial em Scunthorphe, a Tata Steel, é cerca de 250 mg/dm³. Porém, a concentração máxima estabelecida pela Agência do Ambiente é 10 mg/dm³. O efluente é tratado de modo a reduzir a concentração para 1mg/dm³, bem abaixo do limite de segurança. Deste modo os iões tiocianato são removidos do efluente antes da descarga no rio Trent.

Houve recentemente um período de muito frio que afectou a actividade microbiana. A companhia está com receio de que isso tenha afectado a eficácia do tratamento, reduzindo a remoção de tiocianato do efluente.

A análise de tiocianato é feita três vezes por dia com um teste simples: uma solução ácida de cloreto de ferro (III) é adicionada a uma amostra de água e a concentração de tiocianato é determinada espectrofotometricamente por medição da absorvância do complexo de Fe(III)-tiocianato. Fazem-se 16 testes semanalmente. Além disso analisam-se rigorosamente amostras de efluente antes e depois do tratamento.  

Os analistas da fábrica fazem a verificação, mas a companhia está à procura de uma análise independente. E escolheu-o/a a si!

Torne-se um analista da qualidade da água – resumo

Nota de segurança

Quando manusear ácidos ou tiocianatos deve usar luvas e óculos de segurança. Pode consultar as normas de segurança no website da Science in School e no fim deste fascículo.

Esta actividade destina-se a alunos de 16-18 anos e demora cerca de 2 horas.

Trabalho preliminar

1. Preparar as seguintes soluções antes da actividade prática:

a– Solução padrão de tiocianato de potássio (KSCN) 250 mg SCN^–/dm³. Num balão volumétrico de 500 cm³ prepare uma solução aquosa contendo 4,2 g de tiocianato de potássio (KSCN). Transfira 50 cm³ desta solução para um balão volumétrico de 1000 cm³, adicione água destilada até à marca e homogeneíze bem. Fica com uma solução 250 mg/dm³ (250 ppm) em ião tiocianato.

b– Solução de cloreto de ferro (III) (FeCl₃.6H₂O) 0.41 mol/dm³. Dissolva 50g de FeCl₃.6H₂O em 250 cm³ de uma solução de HCl 1 mol/dm³. Agite bem para homogeneizar.

c– Doze soluções amostra rotuladas contendo diferentes concentrações de tiocianato

• As amostras 1 a 4 representam água à entrada da estação de tratamento de águas residuais. Dilua 10 vezes a solução 250 mg/dm³ (obtém uma solução 25 mg/dm³). A partir desta solução prepare mais três de concentrações ligeiramente diferentes, por adição de pequenas quantidades de água destilada.
• As amostras 5 a 8 representam água à saída da estação de tratamento de águas residuais, ou seja, do efluente que é enviado para o rio. Devem ter 5 mg/dm³ de tiocianato: pipete 10 cm³ de solução 250 mg/dm³ para um balão volumétrico de 500 cm³, perfaça o volume ao traço com água destilada e agite bem para homogeneizar.
• As amostras 9 a 12 representam água dos tanques de decantação. Preparam-se por mistura de solução 25 mg/dm³ e igual volume a 2 vezes o volume de água destilada. As proporções exactas de solução de tiocianato e água não são críticas.

2. Forneça aos alunos um diagrama da estação de tratamento (figura 1), a ficha 1^w3 , que descreve o cenário, e a ficha 2^w4, com os detalhes do procedimento experimental.

3. Os alunos devem escrever uma carta à empresa que opera a estação de tratamento, solicitando amostras para análise. Devem especificar os locais de amostragem no circuito do efluente na estação de tratamento, o número de amostras e a data/hora da colheita. Devem também especificar a quantidade de amostra e o método de recolha da amostra, incluindo o tipo de recipiente.

4. Os alunos trabalham em grupos de dois e devem seguir o procedimento descrito na ficha de trabalho 2^w4.

Material

• Pipetas
• 7 Balões volumétricos de 100 cm³
• Colorímetro e filtro adequado (azul) – a solução do complexo tem um máximo de absorção a 480 nm
• 30 cm³ de solução de tiocianato de potássio 250 mg/dm³  (250 ppm)em ião tiocianato
• 70 cm³ de solução de cloreto de ferro (III) 0.41 mol/dm³
• 10 cm³ de solução amostra – solução de tiocianato de concentração desconhecida

Procedimento

Cuidados: use óculos de segurança. O cloreto de ferro (III) é irritante para os olhos e o sistema respiratório

1. Curva de calibração

a. Encha com água destilada um frasco com esguicho, marque uma das pipeta de 10 cm³ para usar apenas com a solução de cloreto de ferro; a outra pipeta, diferencial, de 10 cm³, será usada para medir os volumes de solução padrão de tiocianato.

b. A seis balões volumétricos de 100 cm³, A a F, adicione 0,0, 2,0, 4,0, 6,0, 8,0 e 10,0 cm³ da solução padrão de tiocianato 250 mg/dm³.

c. Adicione água destilada até levar o volume a cerca de 80 cm³.

d. Adicione 10 cm³ da solução de cloreto de ferro (III) a cada balão volumétrico e depois perfaça o volume ao traço com água destilada. Agite bem para homogeneizar.

Balão	a	b	c	d	e	f
Volume de solução de tiocianato de potássio/cm3	0.0	2.0	4.0	6.0	8.0	10
Concentração de tiocianato (ppm)	0	5	10	15	20	25

e. Meça a absorvância das soluções a 480 nm.

f. Represente graficamente a absorvância (em ordenadas) em função da concentração de tiocianato (em abcissas) para as seis soluções.

2. Análise da amostra

a. Adicione 10 cm³ da solução de tiocianato de concentração desconhecida (amostra) a um balão volumétrico de 100 cm³.  Adicione água destilada até um volume de cerca de 80 cm³.

b. Adicione 10 cm³ da solução de cloreto de ferro (III) e perfaça o volume ao traço com água destilada. Agite bem para homogeneizar.

c. Meça a absorvância da solução a 480 nm.

d. Determine graficamente a concentração (em ppm) de ião tiocianato na amostra.

3. Escrever um relatório com um resumo dos resultados e conclusões, indicando claramente se o efluente está em condições de ser descarregado no rio. Deve descrever a evidência em que se baseiam as conclusões e comentar o grau de confiança nos resultados, tendo em conta a percentagem de erro a eles associada.