oznaczanie utlenialności wód naturalnych

Uwaga substancja oznaczona w instrukcji
jest niebezpieczna zachowaj szczególną ostrożność
przy jej stosowaniu
OZNACZANIE UTLENIALNOŚCI WÓD NATURALNYCH
WPROWADZENIE
Utlenialność wody jest to umowny wskaźnik określający zdolność wody do
pobierania tlenu z nadmanganianu potasowego (KMnO4) w roztworze kwaśnym lub
alkalicznym w ściśle określonych warunkach, ponieważ ilość zużytego nadmanganianu
potasowego zależy również od sposobu i warunków, w jakich przeprowadza się
oznaczenie.
Przez utlenialność wody w niniejszej metodzie rozumie się ilość miligramów
tlenu zużytego przez próbkę badanej wody ogrzewanej we wrzącej łaźni wodnej
w czasie 30 min z roztworem nadmanganianu potasowego w środowisku kwaśnym lub
alkalicznym w określonej ilości kwasu lub ługu. Redukcja nadmanganianu w tych
warunkach zachodzi na skutek utlenienia się zawartych w wodzie związków
organicznych i niektórych łatwo utleniających się nieorganicznych, np. soli żelazawych,
azotynów, siarkowodoru i innych reduktorów. A zatem utlenialność daje tylko
przybliżone pojęcie o zawartości w wodzie związków organicznych. Oznaczona w ten
sposób ilość związków organicznych jest znacznie mniejsza od rzeczywistej, gdyż wiele
związków organicznych, zwłaszcza azotowych, w tych warunkach utlenia się tylko
częściowo lub w ogóle nie ulega utlenieniu. W tabeli 1 podano przykładowo utlenialność
niektórych związków organicznych.
Zawarte w wodach naturalnych związki organiczne utleniane są za pomocą
nadmanganianu potasowego średnio w 60-70%. Chociaż utlenialność obejmuje tylko
część związków organicznych, oznaczenie to ma duże znaczenie dla charakterystyki
stopnia
zanieczyszczenia
wód
naturalnych
związkami
organicznymi
zarówno
pochodzenia zwierzęcego, jak i roślinnego.
1
Uwaga substancja oznaczona w instrukcji
jest niebezpieczna zachowaj szczególną ostrożność
przy jej stosowaniu
Tab.1. Utlenialność niektórych związków organicznych
Związek organiczny
stężenie 1000
[mg/L]
Fenol
Krezole
Cukier trzcinowy
Dekstryna
Kwasy humusowe
Pirydyna
Mocznik
Utlenialność
[mg O2/L]
około 2380
około 1570
około 680
około 220
około 50
około 25
około 2
Jeżeli podwyższenie utlenialności wody jest wywołane związkami organicznymi
pochodzenia zwierzęcego, to woda taka wykazuje również zwiększoną zawartość
związków azotowych i chlorków. Poza tym w wodach zanieczyszczonych związkami
organicznymi pochodzenia zwierzęcego, oprócz dużej utlenialności, występuje często
słaba opalizacja wody przy barwie niekoniecznie zwiększonej. Natomiast, gdy
utlenialność jest wywołana przez związki organiczne pochodzenia roślinnego, wówczas
obok większej utlenialności wody wykazują bardziej intensywną barwę. Wody o
bardziej intensywnej barwie i utlenialności pochodzą z terenów torfowych, błotnistych,
leśnych i innych bogatych zazwyczaj w związki humusowe.
Pod względem sanitarnym (higieny) utlenialność wody ma istotne znaczenie, gdy
jest ona wywołana związkami organicznymi pochodzenia zwierzęcego (gdyż w takiej
wodzie mogą również znajdować się bakterie, w tym bakterie chorobotwórcze).
Natomiast gdy utlenialność jest wywołana przez związki organiczne pochodzenia
roślinnego, wskaźnik ten ma o tyle znaczenie higieniczne, o ile równocześnie występują
inne wskaźniki zanieczyszczenia wody wyraźnie odbiegające od norm sanitarnych.
Najmniejszą utlenialność wykazują wody artezyjskie (od ułamka do około 2 mg
O2/L) i wody powierzchniowe czyste (do 4 mg O2/L). W wodach powierzchniowych
utlenialność zmienia się w dość dużych granicach i związana jest ze zmianą zawartości
substancji organicznych w tych wodach. Utlenialność wód z terenów torfowych
błotnistych, leśnych jest na ogół duża i w niektórych przypadkach może dochodzić do
400 i więcej mg O2/L.
Przepisy sanitarne zalecają, aby wody do picia i potrzeb gospodarczych miały
utlenialność najwyżej do 3 mg O2/L natomiast w przypadku wód zabarwionych (tj.
2
Uwaga substancja oznaczona w instrukcji
jest niebezpieczna zachowaj szczególną ostrożność
przy jej stosowaniu
zawierających związki organiczne roślinne) utlenialność może być wyższa pod
warunkiem, iż inne cechy wody nie wskazują na zanieczyszczenie.
Zasada oznaczania utlenialności w środowisku kwaśnym polega na utlenieniu
związków organicznych i niektórych łatwo utleniających się nieorganicznych za pomocą
nadmanganianu potasowego w roztworze kwaśnym w temperaturze wrzenia wody.
Nadmiar dodanego roztworu nadmanganianu potasowego odmiareczkowuje się
kwasem szczawiowym (H2C2O4). Proces przebiega zgodnie z następującymi reakcjami:
1. Utlenianie związków organicznych, np. alkoholu etylowego:
5C2H5OH + 12MnO4- + 36H+ = 12Mn2+ + 10CO2 + 33H2O
2. Odmiareczkowanie nadmiaru kwasem szczawiowym:
5C2O42- + 2MnO4- + 16H+ = 2Mn2+ + 10CO2 + 8H2O
Uwaga. W środowisku kwaśnym jony chlorkowe Cl- reagują z nadmanganianem
potasowym zgadnie z reakcją:
10Cl- + 2MnO4- + 16H+ = 2Mn2+ + 5Cl2 + 8H2O
Metoda oznaczania utlenialności w środowisku kwaśnym jest zatem stosowana
tylko dla wód naturalnych, w których zawartość jonów chlorkowych nie przekracza 300
mg Cl-/L.
Zasada oznaczania utlenialności w środowisku alkalicznym polega na
utlenieniu związków organicznych i nieorganicznych zawartych w wodach za pomocą
nadmanganianu potasowego w środowisku alkalicznym w temperaturze wrzenia wody.
Dodany nadmiar nadmanganianu potasowego i wydzielony podczas reakcji dwutlenek
manganu (MnO2) odmiareczkowuje się szczawianem sodu w środowisku kwaśnym.
Reakcje w roztworze alkalicznym przebiegają zgodnie z równaniami:
2KMnO4 + H2O = 2MnO2 + 2KOH + 3O
np.
NH2-CH2-COOH + 3O = NH3 + 2CO2 + H2O
MnO2 + C2O42- + 4H+ = Mn2+ + 2CO2 + 2H2O
2MnO4- + 5C2O42- + 16H+ = 2Mn2+ + 10CO2 + 8H2O
Na utlenianie związków organicznych w środowisku alkalicznym zużywana jest
większa ilość nadmanganianu potasowego niż w kwaśnym, gdyż nadmanganian
potasowy redukuje się tylko do tlenku manganowego. Jednak wyniki uzyskane dwoma
3
Uwaga substancja oznaczona w instrukcji
jest niebezpieczna zachowaj szczególną ostrożność
przy jej stosowaniu
metodami są zbliżone, ponieważ powstały tlenek manganowy podczas miareczkowania
w środowisku kwaśnym redukuje się wobec kwasu szczawiowego do Mn2+.
Dla większości wód naturalnych i ścieków można określić korelację pomiędzy
wartościami BZT5 a ChZT. Wartość ilorazu ChZT/BZT5 (α) oznacza podatność
zanieczyszczeń na rozkład biochemiczny. Tabela 2 przedstawia wartości współczynnika
α oraz wyjaśnia jego znaczenie.
Tab.2. Znaczenie współczynnika α
α<2
Ścieki mogą być oczyszczone klasycznymi metodami biologicznymi
Mikroorganizmy występujące w ściekach nie są w stanie dokonać całkowitej
2<α<5 biodegradacji
substancji
organicznej
i
niezbędne
jest
wcześniejsze
podczyszczenie chemiczne tych ścieków
α>5
Ścieki nie nadają się do oczyszczania metodami biologicznymi
Celem ćwiczenia jest oznaczenie utlenialności w badanych próbach.
Sprzęt laboratoryjny i aparatura pomiarowa:
pipety jednomiarowe, 1, 10 mL, kolby Erlenmayera, 0,3 L, cylindry miarowe o poj. 50
mL i 100 mL, biureta, płaszcz grzejny
Odczynniki:
1. Roztwór kwasu siarkowego 1+3 (utleniony manganianem(VII) potasu). Do trzech
objętości wody destylowanej dodać ostrożnie jedną objętość stężonego kwasu
siarkowego (1,64). Następnie do gorącego jeszcze roztworu kwasu należy dodać
rozcieńczony roztwór nadmanganianu potasowego w celu utlenienia ewentualnie
obecnych w kwasie związków redukujących. Dodawanie roztworu manganianu(VII)
potasu przerwać po ukazaniu się słabo rdzawego zabarwienia, utrzymującego się przez
5 min.
2. Roztwór mianowany (0,025 n) szczawianu sodowego (Na2C2O4). 1 mL tego roztworu
odpowiada 0,2 mg O2. Przechowywać odczynnik w butelce z ciemnego szkła. Roztwór
jest trwały około 3 miesiące.
4
Uwaga substancja oznaczona w instrukcji
jest niebezpieczna zachowaj szczególną ostrożność
przy jej stosowaniu
3. Roztwór mianowany (0,02 n) manganianu(VII) potasu (KMnO4).
Roztwór manganianu(VII) powinien być w ten sposób nastawiony, żeby 10 mL KMnO4
odpowiadało ściśle 10 mL roztworu 0,025 n Na2C2O4 (2). Wówczas 1 mL roztworu
odpowiada 0,2 mg O2.
4. Roztwór wodorotlenku sodu. W 1 L wody destylowanej rozpuścić 500 g NaOH.
SPOSÓB WYKONANIA
1. Oznaczenie utlenialności w środowisku kwaśnym
Do kolby stożkowej o pojemności około 300 mL odmierzyć pipetą 5 mL badanej
wody (lub mniejszą ilość, jeżeli woda jest zanieczyszczona), dopełnić do objętości 100
mL wodą destylowaną, dodać 10 mL roztworu kwasu siarkowego (1) i 5 mL roztworu
manganianu(VII) potasu (3). Roztwór zamieszać, kolbę wstawić do wrzącej łaźni wodnej
i ogrzewać w niej próbkę przez 30 min. Po wyjęciu próbki z łaźni wodnej dodać
natychmiast pipetą dokładnie 10 mL roztworu szczawianu sodu (2), wymieszać,
zaczekać do odbarwienia i miareczkować na gorąco roztworem manganianu(VII) potasu
(3) do wystąpienia różowego zabarwienia, utrzymującego się przez kilka minut. Jeżeli
ilość zużytego roztworu manganianu(VII) potasu (3) wyniesie ponad 5 mL, oznaczanie
należy powtórzyć biorąc do ponownego oznaczenia mniejszą ilość wody badanej
i uzupełnić do 100 mL wodą destylowaną.
Postępując analogicznie wykonać tzw. „ślepą próbę” z wodą destylowaną.
OPRACOWANIE WYNIKÓW
1. Utlenialność wody obliczyć według wzoru:
ChZTMn
pr
dest
0,1  (VMn
 VMn
)  1000

[mg O2/L],
V pr
w którym:
ChZTMn - utlenialność [mg O2/L],
VMnpr - objętość roztworu 0,02 n KMnO4, zużyta na zmiareczkowanie próbki wody [mL],
5
Uwaga substancja oznaczona w instrukcji
jest niebezpieczna zachowaj szczególną ostrożność
przy jej stosowaniu
VMndest - ilość roztworu 0,02 n KMnO4 zużyta na utlenienie związków organicznych
zawartych w 100 mL wody destylowanej [mL] (poprawka ta zwykle wynosi 0,3-0,4 mL
roztworu KMnO4),
Vpr - objętość badanej próbki wody użyta do oznaczenia [mL].
2. Zaklasyfikować
badaną
wodę
do
odpowiedniej
klasy
jakości
wód
powierzchniowych zgodnie z rozporządzeniem MINISTRA ŚRODOWISKA z dnia
11
lutego
2004
r.
w sprawie
klasyfikacji
dla
prezentowania
stanu
wód
powierzchniowych i podziemnych, sposobu prowadzenia monitoringu oraz sposobu
interpretacji wyników i prezentacji stanu tych wód (Dz. U. z dnia 1 marca 2004 r.)
według ZAŁĄCZNIKA NR 1 „Wartości graniczne wskaźników jakości wody w
klasach jakości wód powierzchniowych”.
Instrukcja opracowana na podstawie: Fizykochemiczne metody analizy w chemii środowiska, red. B. Buszewski,
P. Kosobucki, Wyd. UMK, Toruń, 2003 oraz Ćwiczenia laboratoryjne z chemii wody, B. i E. Gomółkowie, Of. Wyd. Polit.
Wrocł., Wrocław 1998.
6