TOKSYKOLOGIA PRZEMYSŁOWA I ŚRODOWISKA |
---|
Imię i Nazwisko: Katarzyna Jastrząbek |
Data 19.11.2013 |
TEMAT ĆWICZENIA:
Oznaczanie stopni zanieczyszczenia gleby toksycznymi produktami naftowymi
CEL ĆWICZENIA:
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodą remediacji ekstrakcyjnej gruntu zanieczyszczonego toksycznymi produktami naftowymi
Podstawy teoretyczne :
Produkty naftowe :
należą do zanieczyszczeń najczęściej występujących w środowisku wodno-gruntowym,
stanowią mieszaninę związków, głównie węglowodorów, o zróżnicowanych właściwościach fizycznych, chemicznych i biologicznych
Rozprzestrzenianie
Węglowodory naftowe przemieszczają się przez strefę nienasyconą (aeracji) gruntu w postaci odrębnej fazy organicznej – NAPL (non-aqueous phase liquid), aż do osiągnięcia lustra wód podziemnych
Po drodze podczas spływu produktów naftowych część paliwa zostaje zatrzymana w porach gruntu, ulega adsorpcji na ziarnach gruntu, rozpuszczeniu w wodzie zawartej w gruncie oraz przemianom biochemicznym
Ponieważ ropa naftowa i jej pochodne mają mniejszą gęstość niż woda, to woda podziemna z reguły stanowi barierę ograniczającą dalszy transport zanieczyszczeń w pionie
Wraz ze wzrostem liczby ludności na Ziemi i rozwojem przemysłu, wzrosła liczba zanieczyszczeń w środowisku. Obecnie tzw. zanieczyszczenia sztuczne, które w przeciwieństwie do naturalnych, są spowodowane działalnością człowieka, stały się problemem rangi ogólnoświatowej.
Wprowadzanie szkodliwych substancji do powietrza, wód i gleb, oprócz negatywnego wpływu na kondycję przyrody, ekosystemów, klimat na Ziemi, stanowi bezpośrednie zagrożenia zdrowia ludzi.
Jeszcze kilka wieków temu w środowisku dominowały zanieczyszczenia pochodzenia naturalnego. Źródłami zanieczyszczeń powietrza były wybuchy wulkanów, erozja skał, pożary lasów, pył kosmiczny. Z kolei zanieczyszczenie wód wynikało z obecności soli, gazów, drobnoustrojów, substancji organicznych i było często związane z wypłukiwaniem tych substancji ze skał i gleb.
Wraz z rozwojem miast, gospodarczej działalności człowieka, ośrodków przemysłowych, do otoczenia zaczęto odprowadzać coraz więcej szkodliwych substancji. W największym stopniu środowisko zanieczyszczają emisje i odpady przemysłowe z fabryk i elektrowni. Na przestrzeni dziesiątek lat zmienił się zakres przestrzenny zanieczyszczeń - początkowo lokalny zasięg zyskał charakter globalny.
Do szczególnych zagrożeń należą te pochodzące od produktów i substancji ropopochodnych.
Gleba skażona substancjami ropopochodnymi, która staje się odpadem zaliczanym do kategorii tzw. odpadów niebezpiecznych, czyli takich, które są szczególnie szkodliwe dla życia biologicznego i prawidłowego funkcjonowania ekosystemu, stanowi dość duży problem.
W ciągu ostatnich 50-ciu lat zużycie podstawowego krajowego surowca energetycznego (jakim jest węgiel kamienny) zmniejszyło się o prawie 50%, przy kilkakrotnym wzroście zużycia ropy naftowej i gazu ziemnego.
W Polsce, w strukturze zużycia energii pierwotnej w 2006 roku udział gazu ziemnego wyniósł 12,5%, ale był zdecydowanie niższy w porównaniu z innymi krajami UE. Barierą ograniczającą rozwój może okazać się relatywnie wysoka cena gazu, uzależniona od ceny ropy naftowej na giełdach światowych. Niestety, szybko wzrastające zużycie ropy naftowej ma swoje negatywne skutki dla środowiska przyrodniczego. Występowanie tzw. gleby zaolejonej w Polsce dotyczy tysięcy hektarów byłych jednostek i lotnisk wojskowych, a także instalacji przemysłu rafineryjnego, stacji benzynowych, przepompowni i baz paliwowych, eksploatacji cystern, obszarów pod rurociągami, stacji obsługi maszyn i pojazdów. Skażenia znajdujące się w gruncie osiągają bardzo wysoki poziom, który często przekracza dopuszczalne normy. Ponadto związki organiczne, zawarte w paliwach i olejach, w których rozpuszczone są toksyczne dodatki uszlachetniające, chlorowcopochodne i wielopierścieniowe węglowodory, wykazują tendencję do migracji, zagrażając w ten sposób wodom gruntowym i powierzchniowym.
Wnikanie paliwa do gruntu, podczas jego rozlewu, odbywa się pod wpływem działania sił ciężkości, sił kapilarnych oraz adsorpcyjnych. Migracja benzyny w gruncie jest od 6 do 10 razy szybsza niż wody. Sposób, w jaki węglowodory będą migrować w głąb gruntu zależy od jego przepuszczalności. Może ona zachodzić w pionie i/lub w poziomie. W gruncie dobrze przepuszczalnym migracja odbywa się w pionie, a następnie, gdy osiągnie poziom zwierciadła wód podziemnych – w poziomie. Jest to bardzo niebezpieczne, gdyż zagraża rezerwuarom wody pitnej. Dlatego istotnym wydaje się zastosowanie sorbentów w pierwszym etapie rekultywacji gleby.
Zdolności gleby do samorzutnego oczyszczania jest ograniczona i zwykle długotrwała. Oparta jest głównie na procesach bioremediacji, biodegradacji i asymilacji.
Bioremediacja to proces oczyszczania, w którym wykorzystywane są mikroorganizmy (bakterie, grzyby)
Przeprowadzają one rozkład substancji niebezpiecznych do mniej toksycznych lub całkowicie nietoksycznych. Po zdegradowaniu zanieczyszczeń populacja mikroorganizmów jest redukowana .Obumarłe mikroorganizmy lub nieliczne ich populacje pozbawione substratu pokarmowego nie stanowią zagrożenia dla środowiska
Bioremediacja naturalna to proces przebiegający samorzutnie, bez stymulacji przez człowieka. Dotyczy biodegradacji wyprodukowanej biomasy roślinnej oraz resztek obumarłych organizmów i ich wydalin. Jest też dobrze obserwowana w wyciekach produktów ropopochodnych oraz przy skażeniach rozpuszczalnikami chlorowcopochodnymi, które są akceptorami elektronów dla mikroorganizmów beztlenowych
Biodegradacja - biochemiczny rozkład związków organicznych przez saprobionty na proste związki nieorganiczne. Poza organizmami żywymi, do biodegradacji przyczyniają się także czynniki naturalne, takie jak: światło słoneczne, tlen z powietrza i woda. Dzięki niej rozkładowi może ulegać nawet 95% substancji organiczne.
PN → CO2 + H2O + bimasa
PN - produkty naftowe
Asymilacja, przyswajanie – to w biologii proces przemiany substancji i materiałów pobranych z otoczenia na substancje dla potrzeb własnego organizmu. Asymilacja jest częścią procesu przemiany materii.
Asymilatami nazywamy bezpośrednie produkty przyswojenia przez organizm substancji pobranej z zewnątrz, najczęściej w odniesieniu do fotosyntezy.
Nie wszystkie jednak substancje poddają się tak łatwo wyżej wymienionym procesom, są nazywane ksenobiotykami, czyli związek chemiczny występujący w glebie, która ani go nie produkuje ani też w normalnych warunkach nie przyjmuje. Inaczej mówiąc, jest to substancja chemiczna niebędąca naturalnym składnikiem gleby lub żywych organizmów.
OPIS STANOWISKA PRACY
Sprzęt używany podczas doświadczenia.
Zlewki o pojemności 100 cm3 i 250 cm3 oraz 600-800 cm3,
Cylindry miarowe o pojemności 10 cm3 i 50 cm3,
Bagietki szklane, łyżki porcelanowe,
Rozdzielacze gruszkowe lub cylindryczne,
Waga laboratoryjna,
Statywy,
Płyty grzewcze.
Stosowane odczynniki
wodorotlenek potasu - roztwór 10%,
detergent - roztwór,
zanieczyszczona gleba - 2 próbki pochodzące z okolic stacji benzynowych zlokalizowanych w miastach - próbka 1 - Częstochowa; próbka 2 - Katowice.
PRZEBIEG WYKONYWANYCH CZYNNOŚCI
Podgrzewanie 3 zlewek o pojemności 600 cm3: 10% roztworu KOH, wody destylowanej, detergentu bez doprowadzenia do wrzenia
Odważenie 100 g każdej skażonej gleby do osobnych zlewek o pojemności 250 cm3
Do pierwszej skażonej gleby dolać 50 cm3 podgrzanej wody destylowanej, mieszanie przez 3 minuty.
Dekantacja osadu do zlewki o pojemności 250 cm3
Powtórzenie dodania wody destylowanej do gleby trzykrotnie, usuwanie osadu do tej samej zlewki,
Oziębienie wody w zlewce w kuwecie z wodą z kranu.
Umieszczenie wody w rozdzielaczu.
Wstrząsać przez 10-15 minut.
Odrzucenie wodnej warstwy, mierzenie warstwy produktu naftowego kolbą miarową 10-50 cm3.
Powtórzenie czynności z każdą glebą od punktu 5.2 do punktu 5.9 zastępując dodawaną wodę destylowaną, wodą destylowaną z dodanym detergentem.
Analiza pomiarów i wyników doświadczenia przedstawionych w tabeli nr 1.
KOŃCOWE WYNIKI ĆWICZENIA
TABELA WYNIKÓW nr 1.
Rodzaj próby | Objętość produktu naftowego |
---|---|
Rodzaj roztworu ekstrakcyjnego | |
Gorąca woda | |
Zanieczyszczona Gleba - grupa 1 Ilość: 100 g |
20/120 |
Zanieczyszczona Gleba - grupa 2 Ilość: 100 g |
24/114 |
OBLICZENIA
Obliczenie produktu naftowego w 2 próbkach gruntu w % mas. przyjmując masę właściwą produktu naftowego PN = 790 kg/m3.
$$790\ \left\lbrack \frac{\text{kg}}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack \rightarrow 0,79\left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack$$
Vo • ρPN = mPN[g]
Vo − warstwa oleju [cm3]
$$\rho_{\text{PN}} - \text{masa}\ wlas\text{ciwa}\ \text{produktu}\ \text{naftowego}\left\lbrack \text{PN} \right\rbrack = 790\left\lbrack \frac{\text{kg}}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack\ $$
mPN − masa produktu naftowego [g]
Gleba I - ilość 100 g
Gorąca woda: warstwa oleju 20 cm3
$$20\left\lbrack \text{cm}^{3} \right\rbrack \bullet 0,79\left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack = 15,8\lbrack g\rbrack$$
$$\frac{\rho_{\text{PN}}}{m} = \frac{15,8\lbrack g\rbrack}{100\lbrack g\rbrack} = 0,158 \bullet 100\% = \mathbf{15}\mathbf{,}\mathbf{8}\mathbf{\%}$$
Woda z dodatkiem detergentu: warstwa oleju 2 cm3
$$2\left\lbrack \text{cm}^{3} \right\rbrack \bullet 0,79\left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack = 1,58\lbrack g\rbrack$$
$$\frac{\rho_{\text{PN}}}{m} = \frac{1,58\lbrack g\rbrack}{100\lbrack g\rbrack} = 0,158 \bullet 100\% = \mathbf{1}\mathbf{,}\mathbf{58}\mathbf{\%}$$
roztwór KOH - 10%: warstwa oleju 10 cm3
$$10\left\lbrack \text{cm}^{3} \right\rbrack \bullet 0,79\left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack = 7,9\lbrack g\rbrack$$
$$\frac{\rho_{\text{PN}}}{m} = \frac{7,9\lbrack g\rbrack}{100\lbrack g\rbrack} = 0,79 \bullet 100\% = \mathbf{7}\mathbf{,}\mathbf{9}\mathbf{\%}$$
Gleba I - ilość 100 g
Gorąca woda: warstwa oleju 24 cm3
$$24\left\lbrack \text{cm}^{3} \right\rbrack \bullet 0,79\left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack = 18,96\lbrack g\rbrack$$
$$\frac{\rho_{\text{PN}}}{m} = \frac{18,96\lbrack g\rbrack}{100\lbrack g\rbrack} = 0,1896 \bullet 100\% = \mathbf{18}\mathbf{,}\mathbf{96}\mathbf{\%}$$
Woda z dodatkiem detergentu: warstwa oleju 4 cm3
$$4\left\lbrack \text{cm}^{3} \right\rbrack \bullet 0,79\left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack = 3,16\lbrack g\rbrack$$
$$\frac{\rho_{\text{PN}}}{m} = \frac{3,16\lbrack g\rbrack}{100\lbrack g\rbrack} = 0,0316 \bullet 100\% = \mathbf{3}\mathbf{,}\mathbf{16}\mathbf{\%}$$
roztwór KOH - 10%: warstwa oleju 3 cm3
$$3\left\lbrack \text{cm}^{3} \right\rbrack \bullet 0,79\left\lbrack \frac{g}{\text{cm}^{3}} \right\rbrack = 2,37\lbrack g\rbrack$$
$$\frac{\rho_{\text{PN}}}{m} = \frac{2,37\lbrack g\rbrack}{100\lbrack g\rbrack} = 0,0237 \bullet 100\% = \mathbf{2}\mathbf{,}\mathbf{37}\mathbf{\%}$$
WNIOSKI:
W próbce z detergentem wydzieliło się najmniej produktu naftowego niż w przypadku wody destylowanej, natomiast najwięcej produktu naftowego wydzieliło się w ciepłej wodzie.
Gorąca woda rozbiła tłuste produkty naftowe na małe krople, co mogło ułatwić oddzielenie się ich od gleby. Różnica między wydzieleniem produktu naftowego wynika z tego że w badanych próbkach było najwięcej produktów naftowych, które są rozpuszczone w wodzie.
LITERATURA:
1.Zanieczyszczenia naftowe w gruncie, Jan Surgała, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2003
2. Toksykologia środowiska Aspekty chemiczne i biochemiczne, Stanley E. Manahan Tłumaczenie: Władysław Boczoń, Henryk Koroniak, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2013