USUWANIE ZWIĄZKÓW FOSFORU Z WÓD NATURALNYCH

Transkrypt

1 USUWANIE ZWIĄZKÓW FOSFORU Z WÓD NATURALNYCH METODĄ WYTRĄCANIA WPROWADZENIE W Polsce występuje narastający deficyt wody, a ta którą dysponujemy nie zawsze spełnia określone wymogi sanitarno-epidemiologiczne. Zanieczyszczenia przenikające do wody stanowią nie tylko istotne zagrożenie dla zdrowia ludzi i zwierząt, ale również ograniczają dyspozycyjność zasobów wodnych, zwiększają koszty oczyszczania i uzdatniania wody. Źródłem zanieczyszczeń przenikających do wód są nie tylko ścieki przemysłowe (wody zużyte w procesach technologicznych, wody chłodnicze, kopalniane wody dołowe), ścieki bytowo-gospodarcze (wody zużyte w gospodarstwach domowych), ścieki z rolnictwa (pochodzące z intensywnej hodowli bydła i trzody chlewnej), ale również wody opadowe, które spłukują (spływ powierzchniowy) i wypłukują zanieczyszczenia z powierzchni terenu. Wody opadowe stanowią istotne źródło pierwiastków biogennych (C, N, P) oraz toksycznych związków chemicznych stosowanych do ochrony roślin (pestycydów), które przenikają do wód powierzchniowych niesione wodami wpływu powierzchniowego z terenów rolniczych. Sprawa ograniczenia wpływu chemizacji rolnictwa na zanieczyszczenia wód stanowi ważki problem. Zaistniał tutaj konflikt pomiędzy koniecznością zwiększenia produkcji żywności a ochroną środowiska. Do najbardziej niebezpiecznych substancji mineralnych w wodzie należy zaliczyć substancje toksyczne, spośród których jony metali ciężkich, takich jak: rtęci (Hg), ołowiu (Pb), kadmu (Cd), niklu (Ni), antymonu (Sb), arsenu (As) i cyny (Sn), należą do szczególnie groźnych. Ich toksyczność określona jest przez postać (formę), w której dany metal występuje. Do szkodliwych substancji pochodzenia mineralnego zalicza się 1

2 również azotany(iii) (NO2 - ), azotany(v) (NO3 - ), fosforany(v) (PO4 3- ), chlorki (Cl - ), siarczany(vi) (SO4 2- ) oraz pierwiastki promieniotwórcze. Przenikanie do wód powierzchniowych połączeń bogatych w pierwiastki biogenne prowadzi do masowego rozwoju bakterii, glonów i innych roślin, tworząc tzw. zakwity wody. Ten naturalnie przebiegający w przyrodzie proces, przyspieszony nadmiernym wzbogacaniem wód w substancje pokarmowe, nosi nazwę eutrofizacji. Obserwowana ostatnio postępująca eutrofizacja zbiorników wodnych powodowana jest nadmierną ilością związków azotu (N) pochodzących ze ścieków i spływów z powierzchni gleby pozostałości nawozów azotowych oraz związków fosforu (P) pochodzących ze ścieków, nawozów fosforowych i środków ochrony roślin. Gleby prawidłowo nawożone nawozami fosforowymi zawierają 0,1-0,2 mg P2O5/L. Fosfor w postaci różnego typu związków należy do naturalnych składników wód powierzchniowych. Rodzaj i ilość występujących w wodzie połączeń fosforu zależą od ich pochodzenia oraz złożonych przemian, którym one ulegają w wodzie. W wodach naturalnych fosfor może pochodzić z rozkładu substancji organicznych pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, z gleb nawożonych nawozami fosforowymi oraz zanieczyszczeń ściekami bytowo-gospodarczymi. Przykładowo człowiek wydziela z moczem około 1,5 g P na dobę, który przechodzi do ścieków. Źródłem istotnych zanieczyszczeń wód związkami fosforu są ponadto ścieki przemysłowe z zakładów produkujących nawozy sztuczne, zapałki i syntetyczne środki piorące. W wyniku hydrolizy i dysocjacji polifosforanów i kwasu fosforowego(v) przebiegających w wodach naturalnych, fosfor może występować w postaci jonów i w kompleksach, takich jak: H2PO4 -, HPO4 2-, PO4 3-, (FeHPO4) 0, (CaHPO4) 0, (MgHPO4) 0, (CaP2O7) 2-, (CaHP2O7) 2-, (MnP2O7) 2-, (CaP3O10) 3-, (MgP3O10) 3-, (CaP3O9) - i inne. Występowanie wyżej przedstawionych form fosforu zależy od odczynu ph wody. W wodach naturalnych o odczynie obojętnym dominują jony HPO4 2- i H2PO4 - oraz H2P2O7 2- i HP2O7 3-. W wodach powierzchniowych czystych zawartość fosforu waha się w granicach 0,01-0,1 g PO4 3- /m 3. Przeprowadzone badania wskazują, że 1 mg fosforu umożliwia wytworzenie mg biomasy. Stąd też poziom zawartości fosforu w wodzie winien być utrzymywany 2

3 na odpowiednim poziomie. Dąży się do możliwie maksymalnego obniżenia stężenia tego biogennego pierwiastka w ściekach m. in. poprzez jego chemiczne wiązanie. Podobne procesy przebiegają również naturalnie w wodach w wyniku tworzenia się trudno rozpuszczalnych osadów, głównie z jonami Ca 2+, Fe 3+ i Al 3+. Celem ćwiczenia jest zaznajomienie się z problemem obecności związków fosforu w ekosystemach wodnych oraz określenie efektywności wybranych substancji chemicznych stosowanych do ich usuwania ze ścieków. Odczynniki: AlCl3 6H2O, FeCl3 6H2O, CaCO3, (NH4)2HPO4, K2HPO4, (NH4)6Mo7O24 4H2O, SnCl2 2H2O Sprzęt laboratoryjny i aparatura pomiarowa: kolby stożkowe z korkiem szlifowym o poj. 100 ml (3 szt.), kolby miarowe poj. 100 ml (4 szt.), pipety wielomiarowe: o poj. 1 ml, 2 ml, 10 ml, spektrofotometr SPECOL. SPOSÓB WYKONANIA 1. Strącanie fosforanów solami glinu, żelaza i wapnia Wprowadzamy po 25 ml wodnego roztworu wodorofosforanu(v) amonu ((NH4)2HPO4) o zawartości 80 mg PO4/L do 3 kolb stożkowych z korkiem szlifowym o poj. 100 ml oznaczonych odpowiednio literami a, b i c. Następnie dodajemy odpowiednio po 1 g: a. AlCl3 6H2O, b. FeCl3 6H2O, c. CaCO3. Otrzymane mieszaniny wytrząsamy przez 15 min, po czym pozostawiamy do opadnięcia zawiesiny. Następnie napełniamy wialki każdym z tych roztworów i wstawiamy do wirówki na 5 min. Po odwirowaniu oznaczamy w nich zawartość fosforanów, stosując metodę błękitu fosforomolibdenowego. Zawartość fosforanów metodą błękitu fosforomolibdenowego oznaczamy także w roztworze wyjściowym wodorofosforanu(v) amonu. 3

4 2. Oznaczanie fosforanów metodą błękitu fosforomolibdenowego Przed przystąpieniem do oznaczania fosforanów przygotowujemy następujące odczynniki i roztwory: 1) Molibdenian(VI) amonu ((NH4)6Mo7O24 4H2O): a) rozpuszczamy 5,0 g molibdenianu(vi) amonu w 100 ml wody destylowanej, b) przygotowujemy roztwór składający się z 60 ml stężonego H2SO4 i 100 ml wody destylowanej, po czym mieszamy oba roztwory (tj. a i b) w kolbie miarowej o poj. 1 L i uzupełniamy wodą destylowaną do kreski. 2) Roztwór chlorku cyny(ll): 1,25 g SnCl2 2H2O rozpuszczamy w 50 ml gliceryny, ogrzewając roztwór na łaźni wodnej. 3) Roztwór wzorcowy podstawowy fosforanów(v): 1 mg PO4/mL. Rozpuszczamy w wodzie destylowanej 0,1433 g diwodorofosforanu(v) potasu (KH2PO4) uprzednio wysuszonego do stałej masy w temp. 110 C, dodajemy 0,5 ml chloroformu w celu utrwalenia, po czym rozcieńczamy wodą destylowaną w kolbie miarowej do obj. 100 ml. 4) Roztwór wzorcowy roboczy fosforanów(v): 0,01 mg PO4/mL. Do kolby miarowej o poj. 100 ml odmierzamy 1 ml roztworu wzorcowego podstawowego (3), dopełniamy wodą do kreski i mieszamy. Roztwór jest nietrwały. Należy go przygotować przed wykonaniem oznaczenia. Sporządzanie krzywej wzorcowej: Do sporządzenia krzywej wzorcowej przygotowujemy 6 kolbek miarowych o poj. 100 ml i wprowadzamy do nich odpowiednio: 0,0 (próba zerowa); 1,0; 2,0; 5,0; 7,0 i 10,0 ml roztworu wzorcowego roboczego (4). Do każdego wzorca roboczego dodajemy 10 ml roztworu molibdenianu(vi) amonu (1), a następnie 0,2 ml (jedno naciśnięcie dozownika) roztworu chlorku cyny(il) (2) i uzupełniamy wodą destylowaną do kreski. Po upływie 10 min. ale przed upływem 20 min. mierzymy absorbancję barwnego roztworu przy długości fali = 690 nm, stosując roztwór próby zerowej jako odnośnik. 4

5 Wykonanie oznaczenia: Do kolbki miarowej poj. 100 ml wprowadzamy próbkę badanego roztworu o obj. 1 ml, dodajemy 10 ml roztworu molibdenianu(vi) amonu (1), a następnie 0,2 ml (jedno naciśnięcie dozownika) roztworu chlorku cyny(il) (2) i uzupełniamy wodą destylowaną do kreski. Po upływie 10 min., ale przed upływem 20 min. mierzymy absorbancję barwnego roztworu przy długości fali = 690 nm, stosując roztwór próby zerowej jako odnośnik. OPRACOWANIE WYNIKÓW Sporządzić krzywą wzorcową zależności zmierzonej wartości absorbancji barwnego kompleksu w funkcji stężenia fosforanów w mg PO4. Opisać dokonane spostrzeżenia, podając wyniki oznaczeń zawartości fosforu w badanych próbkach. Która z badanych substancji najlepiej nadaje się do usuwania związków fosforu z wody? Jaka jest wydajność poszczególnych procesów? Instrukcja opracowana na podstawie: Ćwiczenia z podstaw chemii środowiska, red. L. Wachowski, P. Kirszensztejn, Wyd. UAM, Poznań,