1. Próbki środowiskowe - etap przygotowania do analizy

Ocena stanu środowiska naturalnego oparta jest na pomiarach poszczególnych parametrów w próbkach środowiskowych. Każda procedura analityczna składa się z kilku etapów takich jak: pobieranie próbki, transport, przechowanie, przygotowanie do analizy i oznaczenie końcowe.  Pobieranie próbek stanowi pierwsze, ważne ogniwo w procesie badania jakości wody, ścieków, osadów, gruntów i innych elementów środowiska. Próbki środowiskowe są bardzo różnorodnym materiałem badawczym, ze względu na miejsce pobrania, rodzaj matrycy oraz szeroki zakres występujących składników. Odpowiednie przygotowanie próbek do procesu analizy jest zadaniem złożonym, a operacje i procesy wchodzące w skład tego etapu mogą być przyczyną straty analitów oraz źródłem dodatkowych zanieczyszczeń. Przed przystąpieniem do pobierania próbek należy najpierw wyraźnie określić cel zamierzonych badań. Cel determinuje lokalizację miejsc i punktów pobierania, technikę pobierania, sposób postępowania z pobranymi próbkami oraz wybór metody analizy. Miejsce pobierania oraz otrzymane próbki powinny być reprezentatywne, czyli dawać maksymalnie przybliżony obraz rzeczywistego składu i właściwości badanego obiektu. Głównym celem przygotowania próbki jest selektywna izolacja analitów. Istnieje bowiem ryzyko straty składników próbki lub zmian w jej składzie. Wśród przyczyn potencjalnych zmian składu próbki na szczególną uwagę zasługują reakcje chemiczne, procesy fizykochemiczne, reakcje biochemiczne i fotochemiczne. Do najważniejszych reakcji chemicznych i procesów fizykochemicznych należy zaliczyć: • Reakcje utlenienia i redukcji • Reakcje hydrolizy związków chemicznych i kompleksów • Reakcje chlorowania • Proces depolimeryzacji • Zmiana pH • Procesy adsorpcji • Reakcje strącania i współstrącenia • Proces biodegradacji • Reakcje fotochemiczne. Każdy analityk przed przystąpieniem do procesu analitycznego powinien wziąć pod uwagę wszystkie możliwe zmiany wpływające na jakość próbek środowiskowych i stosować odpowiednie środki ostrożności. Najważniejsze jest wykonywanie analiz z jak najmniejszą zwłoką czasową oraz konserwacja próbki. Wśród metod konserwacji rozróżniamy techniki inwazyjne i nieinwazyjne. Konserwacja nieinwazyjna obejmuje między innymi ochronę przed promieniowaniem UV, obniżenie temperatury, zamrożenie, filtracje lub odwirowanie niektórych składników. Konserwacja inwazyjna dotyczy dodatków biocydów lub innych specyficznych odczynników chemicznych oraz zmiany pH [1-3]. Etap pobrania próbki wymaga także dobrania i przygotowania odpowiedniego pojemnika. Jest to etap, na którym popełnianych jest wiele błędów. Przed pobraniem, pojemniki powinny być dokładnie oczyszczone za pomocą odpowiedniego środka czyszczącego. Jeśli chcemy oznaczać np. związki powierzchniowo czynne w wodzie, to zabronione jest mycie naczyń laboratoryjnych płynami zawierającymi te związki w swoim składzie. W przypadku substancji rozkładających się pod wpływem światła stosuje się pojemniki nieprzezroczyste lub z brązowego szkła. Natomiast do oznaczania metali stosujemy wyłącznie pojemniki z tworzyw sztucznych, ponieważ pojemniki szklane mogą adsorbować ślady metali. Jeśli w próbce wody lub ścieków oznaczane będą parametry fizyko-chemiczne, zaleca się całkowite napełnianie pojemników, tak aby nad powierzchnią wody pod korkiem nie powstały pęcherzyki powietrza (z wyjątkiem próbek, które w następnych etapach konserwacji maja być zamrażane). Stosowanie odpowiednich naczyń podczas przygotowywania próbki do analizy odgrywa ważną rolę ze względu na procesy jakim mogą ulec zawarte w próbie anality. Należą do nich: kontakt z powietrzem, reakcje ze składnikami mieszanin do mycia naczyń, procesy adsorpcji-desorpcji, wytrącanie osadów, procesy przenikania przez materiał naczynia i inne. Najczęściej wymieniane problemy w czasie przygotowywania próbek to czasochłonność, kłopoty z odzyskiem, zanieczyszczenia, powtarzalność analiz, wysokie koszty. Uzyskanie końcowego rezultatu naszych badań, na podstawie którego oceniamy stan środowiska jest procesem złożonym. Im mniej błędów popełniamy na każdym z etapów procesu analitycznego, tym bardziej wiarygodny, dokładny i precyzyjny wynik otrzymujemy. Etap pobrania i przygotowania próbki ma znaczący wpływ na jakość otrzymanych wyników.

Próbki gazowe

Źródło próbki:

• gazy z kominów gazów odlotowych (pomiar emisji)

• powietrze atmosferyczne (pomiar imisji)

• próbki gazów z górnych warstw atmosfery

• powietrze wewnętrzne (pomieszczenia)

• powietrze na stanowiskach pracy

• gazy spalinowe z silników pojazdów (ruchome źródła emisji)

• gazy z instalacji przemysłowych i zamkniętych obiegów mediów technologicznych

• atmosfery specjalne (okręty podwodne, kapsuły ratunkowe)

• gazy wydychane przez człowieka

• gazy z miejsc trudno dostępnych i niebezpiecznych

Rodzaje analitów:

• gazy i pary:

• gazowe składniki nieorganiczne

• gazy i pary związków organicznych

• bardzo lotne związki organiczne

• lotne związki organiczne

• średnio lotne związki organiczne

• aerozole i pyły:

• materia organiczna zawieszona

• substancje organiczne zaadsorbowane na powierzchni:

aniony i kationy, dioksyny

Próbki ciekłe

Źródło próbki:

• woda wodociągowa (woda pitna)

• woda energetyczna (kotłowa)

• wody powierzchniowe

• wody głębinowe

• woda ze strefy nienasyconej

• woda deszczowa

• woda morska

• ścieki przemysłowe

• ścieki niebezpieczne

• ścieki komunalne

• film powierzchniowy (rozlewy olejowe i zw. ropopochodnych)

Próbki stałe

Źródło próbki:

• śnieg i lód

• gleba

• osady ściekowe, osady denne

• pyły (z elektrofiltrów)

• lotne pyły ze spalarni stałych odpadów

• materiał roślinny

• ściółka leśna

• odpady niebezpieczne

• odpady przemysłowe

• odpady komunalne

• popioły

Rodzaje analitów:

• związki nieorganiczne:

• aniony i kationy

• związki organiczne

• związki organiczne zaadsorbowane na powierzchni:

• dioksyny

• związki ropopochodne

• związki metaloorganiczne

• pestycydy

Pobieranie i przygotowanie próbek środowiskowych

1. Współczesne przyrządy analityczne:

• przygotowanie próbki

rozpuszczenie, rozcieńczenie, wzbogacenie analitów

• wydzielenie analitów z matrycy pierwotnej

• dzielenie składników mieszaniny

• wykrycie, identyfikacja oraz oznaczenie analitów

• obróbka i statystyczna ocena wyników

ale w skład procedury analitycznej wchodzą etapy:

• pobierania reprezentatywnych próbek

• wstępnej obróbki i konserwacji

• transportu i przechowywania

2. Pobieranie próbek (proces wieloetapowy)

• próbkowanie pierwotne (próbka laboratoryjna)

• próbkowanie wtórne (w laboratorium)

3. Błąd pobierania próbki

• heterogeniczność badanego materiału

• próbka dokładna i powtarzalna

4. Podstawowe typy próbek

• próbki chwilowe

• próbki zintegrowane

• ciągłe pobieranie próbek połączone z analizą

• próbki bioty (wykorzystując organizmy żywe)

5. Kategorie materiałów do próbek:

• homogenne (ciecze i gazy) bez składników reaktywnych

• homogenne ze składnikami reaktywnymi lub nietrwałymi

• wielofazowe lub heterogenne

• wymagające standardowych procedur

6. Zasady poboru próbki

• opis próbki

• właściwe pojemniki

7. Wzorce

• materiały odniesienia

• certyfikowane materiały odniesienia

Wstępna obróbka próbek środowiskowych

• nadanie odpowiednich cech fizycznych i usunięcie z niej interferentów

• utrwalenie składu próbki

• przeniesienie analitów do matrycy odbierającej

• wzbogacenie analitów

Podstawowe operacje obróbki próbek środowiskowych

1. Próbki gazowe

• odpylanie filtry

• osuszanie

chemiczne środki (Mg(ClO₄)₂, K₂CO₃)

adsorbenty (żele SiO₂, sita molekularne, Al₂O₃)

wykraplanie i wymrażanie (pułapki kriogeniczne)

osuszalniki permeacyjne

• usuwanie interferentów

selektywne lub specyficzne utlenianie katalityczne

selektywna adsorpcja lub absorpcja

• odtlenianie chemiczne lub katalityczne

• izolacja i/lub wzbogacanie analitów

adsorpcja fizyczna na powierzchni stałych sorbentów

chemisorpcja

absorpcja w roztworze

wymrażanie w pułapkach kriogenicznych

filtry

• przechowywanie próbek obniżona temperatura

• uwalnianie zatrzymanych analitów

ekstrakcja rozpuszczalnikiem

desorpcja termiczna

ekstrakcja płynami w stanie nadkrytycznym

• wzbogacanie ekstraktów odparowanie nadmiaru rozpuszcz.

2. Próbki ciekłe

• usuwanie zawiesiny filtracja, odwirowanie

• konserwacja

obniżenie pH próbki (zakwaszenie)

dodanie bakteriocydów

derywatyzacja analitów

naświetlanie UV

przechowywanie próbki w temp. 4^oC

• izolacja i/lub wzbogacanie analitów

ekstrakcja rozpuszczalnikiem

ekstrakcja płynami w stanie nadkrytycznym

ekstrakcja do fazy stałej

ekstrakcja do fazy gazowej

procesy membranowe

procesy osmozy i ultrafiltracji

wymrażanie i liofilizacja

• wzbogacanie ekstraktów

• oczyszczanie ekstraktów

chromatografia cieczowa i żelowa

• suszenie ekstraktów dodatek soli (np. Na₂SO₄)

2a. Konserwacja próbek wody

• chłodzenie próbki, przechowywanie w 4^oC

analiza w krótkim czasie

• konserwacja chemiczna

biocydy np. chloroform

zakwaszanie próbki

dodatek specyficznych konserwantów

3.Próbki stałe

• suszenie usuwanie wilgoci

• rozdrabnianie

łamanie i kruszenie

mielenie w moździerzu lub w młynie

• zmniejszanie masy próbki

ćwiartkowanie i wykorzystywanie urządzeń do dzielenia próbki

• przygotowanie próbki o odpowiedniej granulacji

analiza sitowa

• mineralizacja

roztwarzanie w stężonych kwasach

roztwarzanie w wodorotlenkach metali alkalicznych

roztwarzanie w odczynnikach kompleksujących

rozkład przez stapianie z topnikami

spopielanie

mineralizacja mikrofalowa

• izolacja i/lub wzbogacanie analitów

ekstrakcja rozpuszczalnikiem w aparacie Soxhleta

ekstrakcja płynami w stanie nadkrytycznym

sonikacja (działanie ultradźwiękami)

ekstrakcja za pomocą strumienia gazu płuczącego

desorpcja termiczna

• wzbogacanie ekstraktu

• oczyszczanie ekstraktu

2. Przedyskutuj zalety i wady pozyskiwania energii w elektrowniach atomowych.

Do podstawowych minusów można zaliczyć:
- ogromne koszty inwestycyjne
- konieczność składowania odpadów radioaktywnych przez bardzo długi czas
- znaczne skażenie środowiska w przypadku awarii
Zaletami są:
- czyste powietrze w przeciwieństwie do elektrowni węglowych, ponieważ nie emituje szkodliwych zanieczyszczeń: tlenków siarki, azotu, metali ciężkich, pyłów i gazów cieplarnianych
- tańszy sposób pozyskiwania energii niż np. z węgla
- ogromne korzyści płynące z wykorzystania pewnych zjawisk oddziaływania promieniowania z materią w przemyśle, medycynie, rolnictwie, geologii, ochronie środowiska.

- nie potrzebuje składowisk popiołu

- redukuje ilość dwutlenku węgla w środowisku

3. Na czym polega zjawisko ekstrakcji- przykłady.

Ekstrakcja jest metodą wydzielania substancji chemicznej z roztworu lub z mieszaniny substancji stałych. W metodzie tej wykorzystuje się dużą różnicę w rozpuszczalności związku w roztworze ekstrahowanym i w rozpuszczalniku.

Ekstrakcja z roztworu polega na kontaktowaniu tego roztworu z rozpuszczalnikiem rozpuszczającym ekstrahowany związek i nie mieszającym się lub mieszającym się w niewielkim stopniu z ekstrahowanym roztworem.

Ekstrakcja z mieszaniny substancji stałych polega na kontaktowaniu tej mieszaniny z rozpuszczalnikiem rozpuszczającym ekstrahowaną substancję, natomiast nie rozpuszczającym lub rozpuszczającym w niewielkim stopniu pozostałe składniki mieszaniny. Substancja ekstrahowana przechodzi w trakcie tego procesu z roztworu, lub mieszaniny substancji stałych, do rozpuszczalnika. Rozpuszczalnik oddziela się od fazy ekstrahowanej, suszy i odparowuje lub oddestylowuje.

Zjawiska zachodzące podczas ekstrakcji podlegają tzw. prawu podziału Nernsta. Według tego prawa jeśli do układu dwóch nie mieszających się (lub mieszających się w bardzo niewielkim stopniu) cieczy A i B tworzących dwie warstwy doda się pewną ilość trzeciej substancji rozpuszczalnej w obu cieczach, wówczas ustali się równowaga powodująca podział tej substancji między obie ciecze w taki sposób, że stosunek stężenia substancji w rozpuszczalniku A (C_A) do stężenia tej substancji w drugim rozpuszczalniku B (C_B) jest w stałej temperaturze wielkością stałą.

CA	= const. = K ; K - stała podziału
CB

Znając wartość stałej podziału dla danego układu trzech substancji można obliczyć, że jednokrotna ekstrakcja dużą porcją rozpuszczalnika jest mniej efektywna niż kilkakrotna ekstrakcja małymi porcjami rozpuszczalnika. Ilość substancji (w_n), która po n ekstrakcjach pozostanie w rozpuszczalniku, np. przy ekstrakcji z warstwy wodnej, wynosi:

wn = wo	K ●·v	^n
			K●v + s

gdzie: w_o - ilość substancji zawarta w roztworze wodnym,

w_n - ilość substancji zawarta w rozpuszczalniku organicznym,

K - stała podziału między wodę i rozpuszczalnik organiczny,

v - objętość roztworu wodnego,

s - objętość porcji rozpuszczalnika użytego do ekstrakcji.

W zależności od tego, czy ekstrahowany związek znajduje się w roztworze, czy też w mieszaninie substancji stałych, jak również w zależności od sposobu przeprowadzania ekstrakcji rozróżnia się następujące warianty ekstrakcji:

• Periodyczną ekstrakcję z roztworu, zwaną krótko ekstrakcją;

• Ciągłą ekstrakcję z roztworu, zwana perforacją;

• Periodyczna ekstrakcja z mieszaniny substancji stałych ,,na zimno'' zwana maceracją;

• Periodyczna ekstrakcja z mieszaniny substancji stałych ,, na gorąco” zwana di gestią

• Ciągła ekstrakcja z mieszaniny substancji stałych, zwana perkolacją;

• Ciągła ekstrakcja z mieszaniny substancji stałych ,,na gorąco” z zastosowaniem automatycznie działających ekstraktorów np. ekstraktora Soxhleta. [

Przykłady zastosowania ekstrakcji: ekstrakcja zanieczyszczeń organicznych (np.węglowodorów aromatycznych i alifatycznych czy pestycydów) z gleby, wyodrębnianie substancji czynnych z surowców roślinnych ,ekstrakcja ciągła części roślin w aparacie Soxhleta przy użyciu rozpuszczalników organicznych do uzyskania olejku eterycznego. Izolacja antyoksydantów z materiałów roślinnych (np. ziół i przypraw),otrzymywanie aromatów naturalnych z olejów roślinnych, izolacja barwników z materiałów roślinnych. Usuwanie zanieczyszczeń organicznych z produktów mleczarskich

Przykładem procesu ekstrakcji w układzie ciało stałe - ciecz jest proces parzenia kawy lub herbaty. Zawarte w kawie substancje smakowe dyfundują z ziarna (surowiec) do wody (ekstrahent)

4. Na czym polega derywatyzacja chemiczna ?

Derywatyzacja polega na przeprowadzeniu analitów, w wyniku reakcji chemicznej,

w odpowiednie pochodne o właściwościach umożliwiających ich oznaczenie.

W wyniku reakcji derywatyzacji substancje, które są przedmiotem analizy uzyskują właściwości

odpowiednie dla danej metody analitycznej.

Ponieważ większość tioli, w tym biologicznie ważnych związków nie posiada strukturalnych własności, które umożliwiałyby ich oznaczanie przy użyciu najbardziej rozpowszechnionych w laboratoriach detektorów, koniecznym staje się przeprowadzenie zabiegu derywatyzacji chemicznej.

5. Efekt cieplarniany a globalne ocieplenie- podaj działanie jakie można wykonać w skali społeczeństwa i jednostki, które mogą wpłynąć na niekorzystne zmiany związane z ociepleniem i zanieczyszczeniem atmosfery.

Efekt cieplarniany jest zjawiskiem, które może zachodzić na wszystkich planetach posiadających atmosferę. Polega ono na ocieplaniu się klimatu, co jest związane z występowaniem w atmosferze gazów cieplarnianych, m.in. pary wodnej, ozonu, dwutlenku węgla, dwutlenku siarki, metanu, tlenków azotu i gazów syntetycznych czyli chlorofluorowęglowodorów. Atmosfera ogranicza ilość wypromieniowanego z powierzchni planety ciepła w przestrzeń kosmiczną, co przyczynia się do globalnego ocieplenia. Emisja gazów cieplarnianych jest spowodowana działalnością człowieka i poprzez podjęcie odpowiednich kroków może zostać ograniczona. W przeciwnym razie postępujące ocieplenie klimatu, które objawia się na przykład wzrostem średnich rocznych temperatur i zanikaniem pór roku, doprowadzi do katastrofalnych skutków. Należą do nich m.in. topnienie lodowców i co za tym idzie podniesienie się poziomu mórz i oceanów czy występowanie susz i fali upałów. Aby zapobiec ocieplaniu się klimatu należy eliminować przyczyny tego zjawiska, głównie zmniejszyć ilość gazów cieplarnianych. Najprostszym sposobem jest ograniczenie emisji CO2 przez redukcję spalania paliw. Można to zrealizować poprzez poprawienie izolacji cieplnej budynków, używanie gazu ziemnego zamiast ropy naftowej, zastąpienie centralnym ogrzewaniem indywidualnych instalacji. Należy też stosować specjalne filtry na kominy, które ograniczają emisję szkodliwego CO2, oraz dbać o sprawność urządzeń elektrycznych i silników spalinowych. W celu zmniejszenia ilości dwutlenku węgla, który już został wyemitowany do atmosfery konieczne jest sadzenie dużej ilości lasów. Ważne jest też wprowadzenie w przemyśle innowacyjnych technologii, które będą bezpieczne dla środowiska. W celu redukcji gazów cieplarnianych należy też zastąpić tradycyjne źródła energii energią odnawialną. Każdy człowiek może przyczynić się do przeciwdziałania globalnemu ociepleniu poprzez używanie energooszczędnych żarówek, gaszenie światła i nieużywanych sprzętów elektrycznych, korzystanie z komunikacji miejskiej czy rezygnację z aerozoli w sprayu, które niszczą powłokę ozonową.

6. Czy istnieją alternatywne źródła energii całkowicie bezpieczne dla środowiska, przedyskutuj czynniki jakie trzeba rozważyć aby odpowiedzieć na to pytanie.

Alternatywne źródła energii: mała elektrownia wodna, wiatrak / turbina wiatrowa, koło wodne / Energia prądów morskich, pływów i falowania, kolektor słoneczny / ogniwa fotowoltaiczne, biogaz, biomasa, energia geotermiczna, energia słoneczna, energia powietrzna/ energia wiatru, energia wodna.

Czynniki jakie należy przedyskutować aby odpowiedzieć na to pytanie:

·minimalny wpływ na środowisko,
·duże stale odnawiające się zasoby energii,
·stały koszt jednostkowy uzyskiwanej energii elektrycznej,
·możliwość pracy na sieć wydzieloną,
·rozproszenie na całym obszarze kraju, co rozwiązuje problem transportu energii, gdyż mogą być pozyskiwane w dowolnym miejscu oraz eliminuje straty związane z dystrybucją i pozwoli uniknąć· budowy linii przesyłowych. 

---