instrukcje do ćwiczeń z chemii Środowiska

Wydział Górniczy, pl. Teatralny 2, Wroclaw

Harmonogram ćwiczeń:

1. Wprowadzenie do ćwiczeń, zasady BHP

Oznaczanie zawartości paliw lekkich w skażonej wodzie gruntowej

2. Oznaczanie kwasowości, zasadowości skażonych gleb i zasolenie wód

3. Remediacja gleb

4. Utylizacja odpadów uciążliwych

5. Ćwiczenia dodatkowe - zaliczenia

ĆWICZENIE NR 1

1. Wprowadzenie do ćwiczeń

2. Harmonogram przebiegu ćwiczeń

3. Szkolenie BHP

ĆWICZENIE

Oznaczanie zawartości paliw lekkich w skażonej wodzie gruntowej

1. Wstęp

1.1. Przedmiotem ćwiczenia laboratoryjnego jest oznaczanie zawartości paliwa lekkiego w skażonej wodzie gruntowej. Paliwa takie są używane do napędu silników niskoprężnych (samochodowych i lotniczych). Paliwo lekkie powinno mieć początek destylacji do temperatury 150^oC-160^oC a koniec destylacji w temperaturze 204^oC - 215^oC.

1.2. Określenie. Zawartość paliwa lekkiego w wodzie jest to ilość paliwa wyrażona w % V/V (procent objętościowy), która przedestylowuje w warunkach przepisanych metodą oznaczenia. Można ją również wyrazić ilością cm³ na 1 litr wody.

2. Metoda oznaczania

2.1. Przyrządy

1. Odbieralnik z wyżarzonego szkła, kalibrowany od 0 do 12,5 cm³, z podziałką co 0,1 cm³. Dokładność kalibrowania 0,05 cm³.

2. Chłodnica zwrotna szklana o długości płaszcza chłodzącego nie mniej niż 400 mm i o średnicy wewnętrznej 9 - 12 mm. Koniec rury chłodnicy wchodzący do odbieralnika wygięty pod kątem 60^oC.

3. Kolba szklana o pojemności 1 litra z dnem kulistym i krótką szyjką.

4. Cylindry miarowe o pojemności 25 i 500 cm³.

5. Rozdzielacz gruszkowy szklany o pojemności 500 cm³.

6. Elektryczna płytka grzejna z regulacją temperatury.

2.2. Wykonanie ćwiczenia

W cylindrze miarowym należy odmierzyć 500 cm³ skażonej wody uprzednio dobrze wymieszanej przez 5 minut w rozdzielaczu. Zawartość przelać do kolby, zamocować w kolbie odbieralnik i połączyć go z chłodnicą. Koniec chłodnicy powinien się znajdować tuż ponad wgłębieniem odbieralnika. Kolbę ogrzewać tak, aby destylacja rozpoczęła się po 7-10 min od chwili rozpoczęcia ogrzewania. Destylacja powinna się odbywać z taką szybkością, by wrzenie było ciągłe i dostatecznie silne w celu uniemożliwienia tworzenia się błonki paliwowej na powierzchni wody w kolbie. Zanieczyszczona paliwem woda ma skłonność do pienienia się i przerzucania, żeby więc temu zapobiec, należy do kolby dodać np. wełny żelaznej, kilka kawałków niepolerowanej porcelany, pumeksu lub ok. 5 cm³ stężonego kwasu solnego.

Odczytywanie ilości przedestylowanego paliwa powinno być dokonane po 5 i 15 min od chwili rozpoczęcia destylacji a następnie co 15 min, aż do ukończenia oznaczenia.

Oznaczenie należy uważać za zakończone, gdy objętość oddestylowanego paliwa nie wzrasta więcej niż o 0,05 cm³ w ciągu 15 min.

Gdy oznaczenie zostało ukończone, należy usunąć ogrzewanie i po odstaniu się destylatu i osiągnięciu temperatury otoczenia (15 minut) odczytać objętość warstwy paliwa w odbieralniku z dokładnością do 0,05 cm³.

Zawartość paliwa (X) obliczyć w procentach objętościowych wg wzoru:

[% objętościowy]

gdzie:

V₁ - ilość oddestylowanego paliwa, cm³

V - ilość próbki wzięta do oznaczenia, cm³

lub zawartość paliwa można wyrazić w cm³/dm³

gdzie: oznaczenia j.w.

2.3. Ilość oznaczeń. Należy wykonać co najmniej dwa oznaczenia.

2.4. Różnica między oznaczeniami nie powinna przekraczać 5% średniej arytmetycznej.

2.5. Wynik. Za wynik ostateczny należy przyjąć średnią arytmetyczną wyników oznaczeń zgodnych z wymaganiami punktu 2.4.

2.6. Obliczyć zawartość paliwa w % mas. przyjmując masę właściwą benzyny d = 0,69 g/cm³.

ĆWICZENIE NR 2

Oznaczanie kwasowości i zasadowości skażonych gleb, Oznaczanie zasolenia wód i Oznaczanie obecności w wodach niektórych jonów

1. OZNACZANIE KWASOWOŚCI I ZASADOWOŚCI SKAŻONYCH gleb

Odczyn gleby mówi nam o tak zwanym zakwaszeniu gleby.

Jony wodorowe zakwaszające glebę pochodzą z różnego rodzaju kwasów organicznych i nieorganicznych oraz fizjologicznie kwaśnych soli. Większość kwasów glebowych powstaje w wyniku procesów życiowych mikroorganizmów.

Wszystkie elektrolity a więc kwasy, zasady i sole dysocjują w wodzie na jony:

HCl = H⁺ + Cl^-

NaOH = Na⁺ + OH^-

Mocne kwasy takie jak kwas solny, azotowy i siarkowy dysocjują prawie całkowicie i o tych kwasach mówimy, że są silnie kwaśne. Przeciwieństwem wymienionych wyżej kwasów są kwasy słabo zdysocjowane. Należą do nich wszystkie kwasy organiczne jak kwas octowy, mrówkowy, cytrynowy i inne w których roztworach obecne są małe ilości jonów wodorowych H⁺. Odpowiednikami mocnych i słabych kwasów są mocne i słabe zasady. O ile jony wodorowe decydują o kwasowości danego roztworu, o tyle jony wodorotlenowe są odpowiedzialne za jego zasadowość.

Jeżeli w roztworze znajduje się tyle samo jonów wodorowych i wodorotlenowych mówimy o środowisku obojętnym. Dla scharakteryzowania kwasowości lub zasadowości danego roztworu można podawać stężenie tego samego rodzaju jonów, mianowicie jonów wodorowych. Stężenie to jest małą liczbą i dlatego dla wygody podaje się ujemny logarytm dziesiętny ze stężenia jonów wodorowych, oznaczony skrótem pH. I tak stężenie jonów wodorowych w 1 litrze destylowanej wody w temp. 25^oC wynosi 7. Czyli:

• środowisko obojętne ma pH = 7

• środowisko kwaśne, poniżej 7

• środowisko zasadowe, powyżej 7

Wartość pH jest wielkością logarytmiczną. Stąd zmianie pH o jednostkę odpowiada 10-ciokrotny wzrost stężenia jonów wodorowych.

W glebie można wyróżnić dwa rodzaje kwasowości: aktywną i potencjalną. Przez pojęcie kwasowości aktywnej rozumie się ilość zdysocjowanych wolnych jonów wodorowych występujących w roztworze glebowym; ich miarą jest pH oznaczone w zawiesinie wodnej.

Kwasowość potencjalna obejmuje niezdysocjowane jony wodorowe związane z kompleksem sorpcyjnym gleby czyli bardzo drobnymi cząsteczkami i fazy stałej gleby. Jony te mogą być ujęte przy pomiarze pH po uprzednim ich przeprowadzeniu z kompleksu sorpcyjnego do roztworu glebowego przy użyciu roztworu chlorku potasowego.

Dla charakterystyki gleb z punktu widzenia gleboznawczego mierzy się pH w zawiesinie wodnej. Natomiast dla celów rolniczych oznacza się pH w roztworze chlorku potasowego.

Potencjometryczne oznaczanie pH roztworu glebowego

Pobieranie próbek gleby

Próbki gleby należy pobierać z warstwy 0-20 cm łopatką lub łyżką.

Zasada pomiaru pH

Pomiar pH gleby polega na zmierzeniu siły elektromotorycznej (różnicy potencjałów) ogniwa zbudowanego z dwóch elektrod i elektrolitu w postaci zawiesiny glebowej o stężeniu 2,5 części roztworu na 1 część gleby.

Najczęściej do oznaczania pH stosuje się elektrodę kombinowaną, którą stanowi ogniwo zbudowane z elektrody pracującej, o zmiennym potencjale zależnym od stężenia jonów wodorowych (elektroda szklana) i elektrody porównawczej o stałym potencjale (elektroda chlorosrebrowa). Elektrody te są umieszczone w jednej wspólnej oprawce wyposażonej w przewód koncentryczny. Punkt zerowy tej elektrody leży w pobliżu pH 7. Elektrodę kombinowaną przechowuje się w naczyniu z nasyconym roztworem chlorku potasowego.

Elektrodę przed wykonaniem pomiaru należy przemyć wodą destylowaną. Głębokość zanurzenia elektrody podczas pomiaru nie może być większa niż 2/3 długości części szklanej.

Pomiar siły elektromotorycznej (E) między elektrodami pracującą i porównawczą, zanurzonymi w badanym roztworze przeprowadza się za pomocą specjalnych potencjometrów, które w przypadku skali wycechowanej w jednostkach pH nosi nazwę pehametrów. Istnieje wiele różnych rozwiązań konstrukcyjnych pehametrów. Ich schematy i obsługa opisane są w instrukcjach dołączonych do przyrządu.

Pomiar pH gleby metodą potencjometryczną, przeprowadza się w zawiesinie wodnej albo w zawiesinie 1 n roztworu chlorku potasowego.

Wykonanie oznaczenia.

Odważyć 10 g gleby powietrznie-suchej, roztartej i przesianej przez sito o średnicy oczek 1 lub 2 mm w zlewce o pojemności 100 ml. Dodać 50 ml wody destylowanej i wymieszać. Następnie zmierzyć temperaturę zawiesiny glebowej i ustawić regulator temperatury pehametru na aktualną temperaturę badanej zawiesiny. Z kolei podłączyć do aparatu elektrodę, przepłukując ją wodą destylowaną i zanurzyć w roztworze buforowym o znanym pH do wycechowania aparatu. Wybrać bufor o odczynie bliskim spodziewanej wartości pH badanej zawiesiny.

Po wycechowaniu aparatu odstawia się bufor, przemywa elektrodę wodą destylowaną, miesza się zawiesinę glebową i przystępuje do pomiaru pH zanurzając elektrodę w zawiesinie glebowej. Po zakończeniu oznaczeń elektrodę przepłukuje się wodą destylowaną, i zanurza do nasyconego roztworu chlorku potasowego.

Za wynik przyjmuje się średnią arytmetyczną dwóch pomiarów.

2. OZNACZANIE ZASOLENIA WÓD

Ciągły wzrost ludności na świecie, urbanizacja i rozwój przemysłu powodują zwiększenie masy ścieków komunalnych i przemysłowych. Ścieki te odprowadzane do jezior i rzek powodują zanieczyszczenie wód.

Zanieczyszczenia wody mogą mieć charakter fizyczny, chemiczny i biologiczny.

Zanieczyszczenia fizyczne to zmiana zabarwienia, mętność, zawiesiny oraz makroskopowe ciała stałe pochodzenia organicznego i nieorganicznego.

Chemiczne zanieczyszczenia pochodzenia organicznego to przede wszystkim białka, tłuszcze i cukry. Znajdują się one w ściekach komunalnych i ściekach gospodarczych (odpadach z mleczarni, garbarni, rzeźni, fabryk konserw, przemysłów: spożywczego, papierniczego, włókienniczego oraz przetwórstwa rybnego).

Chemiczne zanieczyszczenia pochodzenia nieorganicznego to w głównej mierze kwasy, zasady, kationy metali ciężkich i niektóre aniony.

Znaczną ilość kwaśnych ścieków wprowadzają do rzek kopalnie węgla. Ścieki te powstają w wyniku reakcji miedzy wodą, powietrzem i pirytem (FeS₂) zawartym w złożach węglowych. Powstający w tej reakcji kwas siarkowy jest wymywany wodą deszczową do rzek. Odprowadzanie do rzek wód kopalnianych jest nadzwyczaj szkodliwe dla środowiska. Zawierają one znaczne ilości jonów siarczanowych oraz chlorkowych (tzw. solanki kopalniane), np. wody kopalniane Zagłębia Górnośląskiego zawierają głównie chlorek sodu (kilka do kilkudziesięciu g/dm³), w wodach kopalnianych byłego Zagłębia Wałbrzyskiego występują przeważnie siarczany i węglany wapniowe i magnezowe, natomiast głównym składnikiem wód kopalni Bełchatów jest wodorowęglan wapniowy Ca(HCO₃)₂.

Nadmierne stężenie soli w rzekach niszczy ich faunę i florę, powoduje korozje instalacji przemysłowych zakładów korzystających z wody, a także korozję wodociągów i kanalizacji.

Ścieki komunalne i przemysłowe odprowadzane do wód powierzchniowych przenikają do wód podziemnych powodując ich skażenie.

Nieumiejętne i często nadmierne stosowanie nawozów sztucznych, które spłukiwane z pól przez wody opadowe przedostają się do zbiorników wodnych powodując eutrofizację jezior. Eutrofizacja polega na gwałtownym rozwoju roślin, a zwłaszcza glonów, które obumierając zużywają rozpuszczony w wodzie tlen. W miarę ubytku tlenu obumarła masa roślinna zamiast ulegać mineralizacji (utlenienie węgla do CO₂, azotu do HNO₃, siarki do H₂SO₄, fosforu do H₃PO₄) ulega rozkładowi beztlenowemu. W tych warunkach następuje redukcja węgla do metanu i etanu, azotu do amoniaku, a siarki do siarkowodoru.

Biologiczne zanieczyszczenie wód jest spowodowane przez bakterie, wirusy, pierwotniaki, pasożyty, grzyby i pleśnie. Są one typowe dla ścieków komunalnych i przemysłu rolno-spożywczego.

Wodne ekosystemy są zdolne do mineralizacji tych zanieczyszczeń pod warunkiem, że zrzuty ścieków do wód nie są nadmierne.

Miarą zasolenia i zanieczyszczenia wód jest sucha pozostałość.

PRZEBIEG ĆWICZENIA

1. Oznaczanie suchej pozostałości

1.1. Zasada metody

Oznaczanie suchej pozostałości polega na odparowaniu określonej objętości wody (5 cm³) lub ścieków, wysuszeniu pozostałości w temperaturze 105^oC do stałej masy i zważeniu.

1. Aparatura i przyrządy

1. parownica szklana lub kwarcowa o średnicy 7 cm,

2. suszarka elektryczna.

2. Przygotowanie próbki do badań

Oznaczanie wykonuje się przed upływem czterech godzin od chwili pobrania próbki. W przypadku gdy jest to niemożliwe próbkę należy utrwalić przez dodanie 2 cm³ chloroformu na 1 dm³ wody i przechowywać w temperaturze ok. 4^oC. Z zabezpieczonej próbki oznaczenie powinno być wykonane przed upływem 48 godzin.

3. Wykonanie oznaczenia

Parownicę wysuszyć w suszarce w temperaturze 105^oC przez 30 min, chłodzić przez kilka minut na powietrzu a następnie w eksykatorze do temperatury pokojowej, po czym zważyć. Z dobrze wymieszanej próbki wody odmierzyć do parownicy 5 cm³. Próbkę odparować w suszarce, a po odparowaniu suszyć jeszcze przez pół godziny, następnie ochłodzić w eksykatorze do temperatury pokojowej i zważyć.

4. Obliczanie wyników

Suchą pozostałość badanej próbki obliczyć w mg/dm³ wg wzoru:

gdzie: m - masa parownicy z osadem, mg

m₁ - masa parownicy bez osadu, mg

V - objętość próbki odmierzonej do oznaczenia, cm³

Za wynik końcowy oznaczenia należy przyjąć średnią arytmetyczną co najmniej dwóch oznaczeń. Wynik końcowy przy wartościach do 1000 mg/dm³ należy podać z dokładnością do 1 mg, a przy wartościach wyższych z dokładnością do 10 mg.

2. Sprawdzenie obecności jonów zawartych w wodach kopalnianych

2.1. Oznaczanie jonów chlorkowych

Obecność jonów chlorkowych sprawdza się za pomocą roztworu azotanu srebra. W tym celu do probówki wlewa się kilka cm³ wody kopalnianej i zadaje kilkoma kroplami roztworu AgNO₃. W przypadku obecności jonów chlorkowych powstaje biały, serowaty roztwór chlorku srebra, zgodnie z reakcją:

Cl^- + Ag⁺ → AgCl

2.2. Oznaczanie jonów siarczanowych

Obecność jonów siarczanowych (SO₄^2-) sprawdza się roztworem chlorku baru. Do probówki wlewa się kilka cm³ wody kopalnianej, a następnie roztwór chlorku baru. W przypadku obecności jonów SO₄^2- powstaje biały krystaliczny roztwór siarczanu baru zgodnie z reakcją:

SO₄^2- + Ba²⁺ → BaSO₄

3. Adsorpcyjne właściwości gleby

1. Umieścić na sączku warstwę gleby i przefiltrować przez tę warstwę rozcieńczony wodą atrament (10 cm³). Podobne doświadczenie wykonać z węglem aktywnym (aktywowanym):

2. Na tej samej glebie przefiltrować próbkę zasolonej wody (10 cm³). Sprawdzić w przesączu zawartość jonów chlorkowych (Cl^-) i siarczanowych (SO₄^2-).

Adsorbat	Adsorbent
		Gleba	Węgiel aktywny
Atrament Zasolona woda Obecność jonów: Cl^- SO4^2-

4. Praca własna

Przygotować z książki J. Więckowska „ Katalityczno-adsorpcyjne odsiarczanie gazów” rozdziały 3.1 i 4.1.

ĆWICZENIE NR 3

Remediacjia środowiska wodno-gruntowego

I Wstęp

Termin remediacja oznacza oczyszczanie i usuwanie zanieczyszczeń powstałych w wyniku działania przemysłu lub w przypadku awaryjnym (np. awaria cysterny, wyciek benzyny, awaria tankowca przewożącego ropę naftową).

Ćwiczenie dotyczy usuwania zanieczyszczeń gruntu produktami naftowymi (PN).

Dokładna ocena środowiska wodno-gruntowego zarówno pod względem krążenia wód jak i stopnia zanieczyszczenia jest bardzo istotna i stanowi domenę badań hydrologicznych, które pozwalają określić warunki migracji zanieczyszczeń oraz wybrać właściwą metodę remediacji. Po wycieku produktów naftowych przechodzą one przez strefę aeracji do warstwy wodonośnej, ulegając po części adsorpcji na materiale skalnym, glebie, a po części zaś infiltrując aż do osiągnięcia zwierciadła wody podziemnej lub wody gruntowej. W środowisku podziemnym produkty naftowe (PN) mogą występować w trzech fazach jako produkty wolne lub związane:

• faza gazowa

• faza ciekła: nie mieszająca się z wodą (PNNW), rozpuszczona

w wodzie (PNR)

• faza stała, zaadsorbowana przez materiał skalny (PNA)

Większość produktów naftowych (PN) ulega rozkładowi biologicznemu (biodegradacji) za pomocą bakterii, grzybów, które wykorzystują źródło energii jakimi są produkty naftowe w swoim procesie metabolizmu, szczególnie w procesach tlenowych.

Proces biodegradacji zależy od:

• obecności mikroorganizmów degradujących i współzawodniczących

• stężenia i dostępności zanieczyszczeń

• tlenu lub innych związków utleniających

• nutrientów ( substancje bogate w następujące pierwiastki: P, N, C, które

dodaje się w ilościach 250:10:3 lub 100:10:2, źródłem azotu może być

NH₄NO₃, KNO₃, NH ₄PO₃ a źródłem fosforu: Na ₃PO₄, NH₄PO₄,

K₃PO_4.

• wilgotności gruntu

• warunków redox, pH i temperatury

W wyniku biodegradacji zachodzi rozkład produktów naftowych (PN) wg reakcji:

PN CO₂ + H₂O + biomasa

Metody oczyszczania środowiska wodno-gruntowego polegają na unieruchomieniu zanieczyszczeń poprzez zastosowanie izolacji lub likwidacji zanieczyszczeń (różne formy remediacji).

Usuwanie zanieczyszczeń może odbywać się w miejscu, gdzie ono powstało - dekontaminacja In-Situ (IS) lub innym miejscu poprzez wybieranie gruntu lub odpompowywanie skażonej wody - dekontaminacja Ex-Situ (ES).

Metody remediacji:

1. Fizykochemiczne: termiczna (RT), ekstrakcyjna (RE), elektroreklamacja (ER)

2. Biologiczne

Ad.1.

Remediacja termiczna polega na cieplnej obróbce wybranego gruntu:

• spalenie PN w temp. powyżej 1300 K

• podgrzewanie, piroliza do temperatury 900 K, a następnie spalanie gazu

pirolitycznego

Remediacja ekstrakcyjna polega na płukaniu gruntu czyli na przeniesieniu zanieczyszczeń PN do medium płuczącego (woda lub woda z dodatkiem substancji chemicznych).

Elektroreklamacja

1. elektroosmoza - polega na ruchu zanieczyszczonej wody porowej

między elektrodami

2. elektroforeza - ruch cząstek pod działaniem pola elektrycznego

3. elektroliza - ruch jonów lub kompleksów między elektrodami

Ad.2.

Landfarming LF polega na umieszczeniu skażonego gruntu PN w warstwach o grubości O,5-1,5 m na nieprzepuszczalnym podłożu wyposażonym w system drenażowy. Następuje biodegradacja aerobowa PN wspomagana dodatkiem tlenu, nutrientów i wody. Czas trwania LF od 1-3 lat.

Bioreaktory, w reaktorach specjalnej konstrukcji, zachodzą procesy biodegradacji wspomagane mikroorganizmami i podwyższoną temperaturą. Czas reakcji jest dużo krótszy, 3 doby do miesiąca w zależności od temperatury.

1. Wykonanie ćwiczenia

Uśrednioną próbkę gruntu poddajemy remediacji ekstrakcyjnej. W tym celu odważamy na wadze technicznej 50 g skażonego PN gruntu, wsypujemy do zlewki 400 ml i dodajemy porcjami po 50 cm³ gorącą destylowaną wodę, mieszamy bagietką i dekantujemy roztwór z nad osadu. Proces powtarzamy 3-krotnie.

Wodę z rozpuszczonymi produktami naftowymi oziębiamy i przenosimy do rozdzielacza. Po rozdzieleniu się warstw, warstwę wodną odrzucamy, natomiast w warstwie olejowej oznaczamy zawartość PN.

Drugim roztworem ekstrakcyjnym jest gorąca woda z dodatkiem detergentu. Sposób postępowania jak wyżej. a

Trzecim roztworem ekstrakcyjnym jest gorąca woda z dodatkiem 10% roztworu wodorotlenku potasu.

W przypadku stosowania detergentu lub zasady do ostatniej ekstrakcji należy użyć tylko gorącej wody destylowanej. Sprawdzić odczyn roztworu na koniec przemywania.

Wyniki oznaczeń przedstawić w postaci tabelki:

Rodzaj próby	Ilość	Masa lub objętość PN
				Rodzaj roztworu ekstrakcyjnego
		Ziemia + PN
				gorąca woda (1)	woda z dodatkiem detergentu	woda z dodatkiem KOH

Obliczyć zawartość PN w gruncie w % mas. przyjmując masę właściwą produktu naftowego PN = 790 kg/m³.

ĆWICZENIE NR 4

Utylizacja odpadów uciążliwych

W przygotowaniu!!!

gleba

węgiel aktywowany

atrament

rozpuszczony w wodzie

---