Usuwanie fosforanów

Uwaga substancja oznaczona w instrukcji
jest niebezpieczna zachowaj szczególną ostrożność
przy jej stosowaniu
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
Uwaga substancja oznaczona w instrukcji
jest niebezpieczna zachowaj szczególną ostrożność
przy jej stosowaniu
również azotany(III) (NO2-), azotany(V) (NO3-), fosforany(V) (PO43-), chlorki (Cl-),
siarczany(VI) (SO42-) 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-, HPO42-, PO43-, (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 HPO42- i H2PO4- oraz H2P2O72i HP2O73-.
W wodach powierzchniowych czystych zawartość fosforu waha się w granicach
0,01-0,1 g PO43-/m3.
Przeprowadzone badania wskazują, że 1 mg fosforu umożliwia wytworzenie 50250 mg biomasy. Stąd też poziom zawartości fosforu w wodzie winien być utrzymywany
2
Uwaga substancja oznaczona w instrukcji
jest niebezpieczna zachowaj szczególną ostrożność
przy jej stosowaniu
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 Ca2+, Fe3+ i Al3+.
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
Uwaga substancja oznaczona w instrukcji
jest niebezpieczna zachowaj szczególną ostrożność
przy jej stosowaniu
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
Uwaga substancja oznaczona w instrukcji
jest niebezpieczna zachowaj szczególną ostrożność
przy jej stosowaniu
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, 1999.
5