URZĄDZENIE WYKRYWAJĄCE SPIRYTUS METYLOWY W ALKOHOLU Ihor Vasiunyk Wyższa Szkoła Informatyki i Zarządzania z siedzibą w Rzeszowie Streszczenie Alkohol towarzyszy człowiekowi praktycznie od zarania dziejów, pełniąc przeróżne funkcje w życiu człowieka i zachodzących zmianach społecznych. Wraz z wkroczeniem alkoholu w historię ludzkości, wkroczyły również niebezpieczeństwa z nim związane. Dotychczas rozpatrywano wszelakie problemy związane z patologiami jakie za sobą może pociągnąć alkohol, z niebezpieczeństwem, wykrywaniem i prewencją przed spożywaniem (niewłaściwej) ilości alkoholu. Tematem tej pracy jest zaś prewencja przed zatruciem alkoholem metylowym, czyli w szczególności wykrywanie alkoholu metylowego w alkoholu przeznaczonym do spożycia, a tym samym prewencja przed zatruciem osób spożywających alkohol oraz tworzeniem szkodliwych podróbek. W szczególności podamy modele/sposoby umożliwiające wykrycie alkoholu metylowego. Wprowadzenie Alkohol towarzyszy człowiekowi praktycznie od zarania dziejów, pełniąc początkowo funkcje lecznicze np. złagodzenie bólu, zmęczenia; psychologiczne np. ograniczenie lęku, odprężenie; społeczne np. ułatwianie kontaktów, jako element obrzędów i praktyk religijnych; a z czasem również ekonomiczne i polityczne. Pierwsze napoje powstały w sposób niezamierzony i przypadkowy w wyniku fermentacji winogrona (wina) i ziarna jęczmiennego (piwo). Trudno jest jednoznacznie ustalić kto i kiedy otrzymał po raz pierwszy czysty alkohol (destylat). Jest bardzo prawdopodobne, że znali go już kapłani w starożytnym Egipcie, którzy podczas religijnych obrzędów zmoczone głowy polewali alkoholem i podpalali je, skłaniając ludzi do oddawania kapłanom czci boskiej (zobacz [7], [8]). Wódka to produkt powstający z połączenia spirytusu i wody. Alkohol metylowy (metanol) i etylowy (etanol) są często mylone ze względu na bardzo zbliżony smak i wygląd (zobacz [8]). www.think.wsiz.rzeszow.pl, ISSN 2082-1107, Nr 1 (9) 2012, s. 28-35
Zgodnie ze statystyką każdego dnia do szpitali na świecie w stanie krytycznym po spożyciu alkoholu metylowego trafia wiele ludzi. trafiają oni na oddziały intensywnej opieki medycznej, gdzie lekarze walczą o ich życie. Ponieważ spożywanie alkoholu etylowego był i jest powodem wielu problemów społecznych oraz przyczyną wielu tragedii (w tym wypadków drogowych) stworzono narzędzia do jego wykrywania oraz sprawdzania jego poziomu we krwi. Teraz stawiamy inne pytanie: w jaki sposób umożliwić szybkie i dokładne badanie wytworzonego alkoholu na zawartość szkodliwych substancji, takich jak metanol? 1. Charakterystyka problematyki Formułę stwierdzającą, że wódka zawiera 40% alkoholu, zawdzięczamy jednemu z najwybitniejszych rosyjskich uczonych Dymitrowi Mendelejewowi. Uczony na zlecenie cara, Aleksandra III, zajął się uporządkowaniem zasad produkcji wódki w Rosji. W 1884 roku, po półtora roku badań stwierdził, że idealne proporcje wódki to 40% spirytusu i 60% wody (zobacz [9]). Te proporcje stanowią do dziś standardy produkcji wódki na całym świecie. Problem nielegalnego wytwarzania alkoholu prowadzi do wytwarzania nie tylko spirytusu etylowego, ale również metylowego substancji szkodliwej dla zdrowia. Jego spożycie często prowadzi do zatrucia lub nawet śmierci. Alkohole to związki organiczne będące pochodnymi węglowodorów. W przyrodzie występują w stanie wolnym w olejkach eterycznych oraz tłuszczach i woskach. Metanol) i etanol są często mylone ze względu na bardzo zbliżony smak i wygląd (zobacz [8]). Alkohol metylowy (syn.: spirytus drzewny) jest cieczą bezbarwną, o piekącym smaku, zapachu zbliżonym do alkoholu etylowego. Posiada silne własności trujące - 8-14 gramów powoduje ślepotę, 60-100 gramów śmierć (zobacz [10]). Aby zapobiec produkcji tańszego spirytusu metylowego jako zamiennika alkoholu etylowego, szukane są narzędzia do jego identyfikacji. 2. Narzędzie do wykrywania alkoholu metylowego Potrzebne jest urządzenie, które będzie umożliwiać wykrywanie spirytusu metylowego, czyli narzędzie sprawdzające wzory, formuły chemiczne zamiast ręcznego badania laboratoryjnego. Urządzenie powinno być skonstruowane tak : 1. Pozycja wejściowa (zbudowana na podstawie wiedzy z optyki) tak zwany: podajnik materiału do badań (probówka); urządzenie do badania- charmonograf albo analog; urządzenia mierzące kąt załamania - refraktometr procesowy. 2. Pozycja analityczna : dokładność mierzeń. 29
3. Pozycja komunikacyjna: związek z głównym serwerem; transmisja danych; przyjęcie danych. 4. Pozycja wykonawcza: (na podstawie programu napisanego w języku C++) automatyczne wczytywanie danych do programu; porównanie danych ze standardem, albo najawnością metylowego spirytusu na podstawie danych otrzymanych przy mierzeniu kąta załamania. 5. Pozycja wyjściowa : wyświetlanie wyników danej analizy; rekomendacja na rachunek możliwości i konsekwencji spożycia analizowanego alkoholu. Urządzenie powinno spełniać takie warunki : łatwe do transportowania i korzystania na bieżąco ; dostępne do użytku dla ludzi, nawet bez podstawowej wiedzy z chemii; łatwe i bezpieczne w korzystaniu; konkurencyjne na rynku. 3. Charmonograf Charmonografia jest metodą rozdzielania mieszanin, w której rozdzielane składniki ulegają podziałowi między dwie fazy, z których jedna jest fazą nieruchomą (stacjonarną), a druga fazą ruchomą (mobilną) układu chromatograficznego. Należy dodać, że jest to nie tylko metoda rozdzielania, ale i analizy jakościowej i ilościowej mieszanin. (Zobacz [11], [12]). Do charmonografa dołączymy urządzenia mierzące kąt załamania refraktometr procesowy. Głównymi elementami czujnika refraktometru są: promienie świetlne, padające na powierzchnię pryzmatu, graniczącą z mierzonym roztworem, w zależności od kąta padania ulegają częściowemu lub całkowitemu odbiciu. Jeśli kąt padania jest mniejszy od kąta granicznego, światło odbija się tylko częściowo, a w części przechodzi do roztworu. Jeśli kąt padania przekroczy tzw. kąt graniczny całkowitego odbicia, promienie ulegają całkowitemu odbiciu. Powstaje obraz, składający się z dwóch stref: ciemnej, dla promieni odbitych częściowo, i jasnej, dla promieni odbitych całkowicie (zobacz [13]). Ciecz Tabela 1. Przykładowe kąty załamania: Kąt załamania Woda 1,3333 Metanol 1,33118 Etanol 1,3613 Gliceryn 1,47300 Aceton 1,58630 *Źródło: opracowanie własne. 30
Zapisując wyniki cyfrowo możemy wyznaczyć współczynnik załamania światła, a dalej obliczyć gęstość. Zalety: dokładność mierzenia; możliwość zapisu sygnału cyfrowego z wielką dokładnością; możliwość zapisu do pliku możliwość wczytywania danych do programu; możliwość porównania danych ze standardami (tu: sprawdzenie występowania spirytusu metylowego na podstawie danych otrzymanych przy mierzeniu kąta załamania). 4. Urządzenie wykorzystujące chemiczną metodę badania i mierzenia gęstości Zaprojektujmy takie urządzenie, które będzie składało się z urządzenia do badania gęstości, stworzonego na podstawie wiedzy z fizyki oraz podłączonego do komputera w celu analizy danych z pliku w programie napisanym w języku C++. Do obliczenia gęstości potrzebujemy: 1. Urządzenie do analitycznego badania tzw. prototypów wagi; 2. Programu do analizy otrzymanych wyników. Nazwa alkoholu Wzór Temperatura topienia C Temperatura wrzenia C Gęstość względna Metylowy CH3OH -97,1 64,7 0,792 Etylowy C2H5OH -110,5 78,3 0,791 n-propilowy C3H7OH -127,0 97,2 0,804 n-butylowy C4H9OH -89,6 117,9 0,810 n-amylowy C5H11OH -78,2 137,8 0,814 n-heksylowy C6H13OH -51,6 155,7 0,820 n-heptylowy C7H15OH -35,2 176,3 0,821 n-oktylowy C8H17OH -14,0 194,5 0,826 n-nonylowy C9H19OH -5,0 213,5 0,828 n-decylowy C10H21OH 7,0 231,0 0,830 n-oktadecylowy C18H37OH 59,0 210,5 0,805 *Źródło: [2] Na podstawie gęstości względnej z pomiaru oraz danych z powyższej tabeli możemy sprawdzić jaki typ alkoholu został poddany próbie. 31
5. Porównanie metod 1. Urządzenie wykrywające spirytus metylowy w alkoholu na podstawie wiedzy z optyki 2. Urządzenia wykorzystujące chemiczną metodę badania i mierzenia gęstości Zalety pomiarów dla urządzenia pierwszego: zanieczyszczenia stałe, gazowe, barwa i zmętnienie nie mają wpływu na wynik pomiaru; małym zmianom stężenia odpowiadają duże zmiany współczynnika załamania światła; kompensacja temperaturowa wyniku pomiaru. Wady urządzenia pierwszego: złożoność projektu; wysokie koszty; Drugie urządzenie struktura: 1. Urządzenie do analitycznego badania tzw. prototypów wagi (zmodyfikowane) 2. Przesyłanie danych przez USB/okablowanie/inne. 3. Porównanie danych i otrzymanie wyników w laptopie przez program napisany w języku C++. Sugeruję rozwiązanie drugie ze względu na znacznie niższe koszty realizacji. 1 2 3 *Źródło: opracowanie własne 32
Sekwencyjny proces badania i mierzenia gęstości: Badany alkohol Mierzenie gęstości Przesyłanie danych do pliku Odczyt danych z pliku w programie napisanych w języku C++ Otrzymanie wyników oraz wyświetlenie ich na ekranie 33
Program przykład działania 1. Wczytaj liczbę (w przypadku urządzenia wczytanie z pliku): 2. Dla wczytanych danych: 0.791; 0.792 mamy Podziękowanie Pragnę podziękować panu doktorowi Bolesławowi Jaskule, na którego zajęciach zrodził się ten pomysł. Ponadto na jego zajęciach z Metodyki Projektowania miałem przyjemność zaprezentować wyniki swojej pracy. 34
Bibliografia 1. G.S.Landsberg, Optyka, Moskwa,1998. 2. W.G.Ziriakow, Chemia organiczna, WNT, Warszawa, 1983 r. 3. Taylor John R., Wstęp do analizy błędu pomiarowego, PWN, 2011. 4. A.Skoog Douglas, M. West Donald, F. Holler James, R. Crouch Stanley, Podstawy Chemii Analitycznej. Tom 2, PWN, 2007. 5. C. Shamieh, G. McComb, Elektronika, Helion, 2005. 6. http://www.monar.kgb.pl/08.html (z dnia: 10.01.2012) 7. http://www.uzaleznienia.yoyo.pl/alkoholizm/historia_alkoholu.php (z dnia: 10.01.2012) 8. http://www.swiat-alkoholi.pl/site/?item=58&m_art_id=324 (z dnia: 10.01.2012) 9. http://chorujena.pl/choroba/pokaz/1100/alkohol_metylowy_metanol_spirytus_drzewny zatru cie (z dnia: 10.02.2012) 10. http://www.e-biotechnologia.pl/artykuly/chromatografia-cienkowarstwowa (z dn.: 10.02.2012) 11. http://www.chemia.uni.lodz.pl/pdfy/acchwatko.pdf (z dnia: 10.02.2012) 12. www.introl.pl/pl/.../plik/5387,introl_k-patents_refraktometry.pdf (z dnia: 10.02.2012) 35