Pobierz

URZĄDZENIE WYKRYWAJĄCE SPIRYTUS METYLOWY W ALKOHOLU
Ihor Vasiunyk
Wyższa Szkoła Informatyki i Zarządzania z siedzibą w Rzeszowie
Streszczenie
Alkohol towarzyszy człowiekowi praktycznie od zarania dziejów, pełniąc przeróżne funkcje w życiu
człowieka i zachodzących zmianach społecznych. Wraz z wkroczeniem alkoholu w historię ludzkości,
wkroczyły również niebezpieczeństwa z nim związane. Dotychczas rozpatrywano wszelakie problemy
związane z patologiami jakie za sobą może pociągnąć alkohol, z niebezpieczeństwem, wykrywaniem
i prewencją przed spożywaniem (niewłaściwej) ilości alkoholu. Tematem tej pracy jest zaś prewencja
przed zatruciem alkoholem metylowym, czyli w szczególności wykrywanie alkoholu metylowego
w alkoholu przeznaczonym do spożycia, a tym samym prewencja przed zatruciem osób spożywających alkohol oraz tworzeniem szkodliwych podróbek. W szczególności podamy modele/sposoby
umożliwiające wykrycie alkoholu metylowego.
Wprowadzenie
Alkohol towarzyszy człowiekowi praktycznie od zarania dziejów, pełniąc początkowo funkcje lecznicze np. złagodzenie bólu, zmęczenia; psychologiczne np. ograniczenie lęku, odprężenie; społeczne np.
ułatwianie kontaktów, jako element obrzędów i praktyk religijnych; a z czasem również ekonomiczne
i polityczne. Pierwsze napoje powstały w sposób niezamierzony i przypadkowy w wyniku fermentacji
winogrona (wina) i ziarna jęczmiennego (piwo). Trudno jest jednoznacznie ustalić kto i kiedy otrzymał
po raz pierwszy czysty alkohol (destylat). Jest bardzo prawdopodobne, że znali go już kapłani w starożytnym Egipcie, którzy podczas religijnych obrzędów zmoczone głowy polewali alkoholem i podpalali
je, skłaniając ludzi do oddawania kapłanom czci boskiej (zobacz [7], [8]).
Wódka to produkt powstający z połączenia spirytusu i wody. Alkohol metylowy (metanol) i etylowy
(etanol) są często mylone ze względu na bardzo zbliżony smak i wygląd (zobacz [8]).
www.think.wsiz.rzeszow.pl, ISSN 2082-1107, Nr 1 (9) 2012, s. 28-35
Urządzenie wykrywające spirytus metylowy w alkoholu
Zgodnie ze statystyką – każdego dnia do szpitali na świecie w stanie krytycznym po spożyciu alkoholu
metylowego trafia wiele ludzi. trafiają oni na oddziały intensywnej opieki medycznej, gdzie lekarze
walczą o ich życie.
Ponieważ spożywanie alkoholu etylowego był i jest powodem wielu problemów społecznych oraz
przyczyną wielu tragedii (w tym wypadków drogowych) – stworzono narzędzia do jego wykrywania
oraz sprawdzania jego poziomu we krwi. Teraz stawiamy inne pytanie: w jaki sposób umożliwić szybkie i dokładne badanie wytworzonego alkoholu na zawartość szkodliwych substancji, takich jak metanol?
1. Charakterystyka problematyki
Formułę stwierdzającą, że wódka zawiera 40% alkoholu, zawdzięczamy jednemu z najwybitniejszych
rosyjskich uczonych –Dymitrowi Mendelejewowi. Uczony na zlecenie cara, Aleksandra III, zajął się
uporządkowaniem zasad produkcji wódki w Rosji. W 1884 roku, po półtora roku badań stwierdził, że
idealne proporcje wódki to 40% spirytusu i 60% wody (zobacz [9]). Te proporcje stanowią do dziś
standardy produkcji wódki na całym świecie. Problem nielegalnego wytwarzania alkoholu prowadzi
do wytwarzania nie tylko spirytusu etylowego, ale również metylowego – substancji szkodliwej dla
zdrowia. Jego spożycie często prowadzi do zatrucia lub nawet śmierci.
Alkohole to związki organiczne będące pochodnymi węglowodorów. W przyrodzie występują w stanie wolnym w olejkach eterycznych oraz tłuszczach i woskach. Metanol) i etanol są często mylone ze
względu na bardzo zbliżony smak i wygląd (zobacz [8]).
Alkohol metylowy (syn.: spirytus drzewny) jest cieczą bezbarwną, o piekącym smaku, zapachu zbliżonym do alkoholu etylowego. Posiada silne własności trujące - 8 - 14 gramów powoduje ślepotę, 60 100 gramów – śmierć (zobacz [10]).
Aby zapobiec produkcji tańszego spirytusu metylowego – jako „zamiennika” alkoholu etylowego,
szukane są narzędzia do jego identyfikacji.
2. Narzędzie do wykrywania alkoholu metylowego
Potrzebne jest urządzenie, które będzie umożliwiać wykrywanie spirytusu metylowego, czyli narzędzie sprawdzające wzory, formuły chemiczne – zamiast ręcznego badania laboratoryjnego.
Urządzenie powinno być skonstruowane tak :
1. Pozycja wejściowa (zbudowana na podstawie wiedzy z optyki) tak zwany:
−
−
−
podajnik materiału do badań (probówka);
urządzenie do badania- charmonograf albo analog;
urządzenia mierzące kąt załamania - refraktometr procesowy.
2. Pozycja analityczna :
−
dokładność mierzeń.
29
Urządzenie wykrywające spirytus metylowy w alkoholu
3. Pozycja komunikacyjna:
−
−
−
związek z głównym serwerem;
transmisja danych;
przyjęcie danych.
4. Pozycja wykonawcza:
(na podstawie programu napisanego w języku C++)
−
−
automatyczne wczytywanie danych do programu;
porównanie danych ze standardem, albo najawnością metylowego spirytusu na podstawie
danych otrzymanych przy mierzeniu kąta załamania.
5. Pozycja wyjściowa :
−
−
wyświetlanie wyników danej analizy;
rekomendacja na rachunek możliwości i konsekwencji spożycia analizowanego alkoholu.
Urządzenie powinno spełniać takie warunki :
−
−
−
−
łatwe do transportowania i korzystania „na bieżąco”;
dostępne do użytku dla ludzi, nawet bez podstawowej wiedzy z chemii;
łatwe i bezpieczne w korzystaniu;
konkurencyjne na rynku.
3. Charmonograf
Charmonografia jest metodą rozdzielania mieszanin, w której rozdzielane składniki ulegają podziałowi między dwie fazy, z których jedna jest fazą nieruchomą (stacjonarną), a druga fazą ruchomą (mobilną) układu chromatograficznego. Należy dodać, że jest to nie tylko metoda rozdzielania, ale i analizy jakościowej i ilościowej mieszanin. (Zobacz [11], [12]). Do charmonografa dołączymy urządzenia
mierzące kąt załamania – refraktometr procesowy.
Głównymi elementami czujnika refraktometru są: promienie świetlne, padające na powierzchnię
pryzmatu, graniczącą z mierzonym roztworem, w zależności od kąta padania ulegają częściowemu
lub całkowitemu odbiciu. Jeśli kąt padania jest mniejszy od kąta granicznego, światło odbija się tylko
częściowo, a w części przechodzi do roztworu. Jeśli kąt padania przekroczy tzw. kąt graniczny całkowitego odbicia, promienie ulegają całkowitemu odbiciu. Powstaje obraz, składający się z dwóch stref:
ciemnej, dla promieni odbitych częściowo, i jasnej, dla promieni odbitych całkowicie (zobacz [13]).
Tabela 1. Przykładowe kąty załamania:
Ciecz
Woda
Metanol
Etanol
Gliceryn
Aceton
Kąt załamania
1,3333
1,33118
1,3613
1,47300
1,58630
*Źródło: opracowanie własne.
30
Urządzenie wykrywające spirytus metylowy w alkoholu
Zapisując wyniki cyfrowo możemy wyznaczyć współczynnik załamania światła, a dalej obliczyć gęstość.
Zalety:
−
−
−
−
−
dokładność mierzenia;
możliwość zapisu sygnału cyfrowego z wielką dokładnością;
możliwość zapisu do pliku
możliwość wczytywania danych do programu;
możliwość porównania danych ze standardami (tu: sprawdzenie występowania spirytusu metylowego na podstawie danych otrzymanych przy mierzeniu kąta załamania).
4. Urządzenie wykorzystujące chemiczną metodę badania i mierzenia gęstości
Zaprojektujmy takie urządzenie, które będzie składało się z urządzenia do badania gęstości, stworzonego na podstawie wiedzy z fizyki oraz podłączonego do komputera w celu analizy danych z pliku
w programie napisanym w języku C++.
Do obliczenia gęstości potrzebujemy:
1.
Urządzenie do analitycznego badania tzw. prototypów wagi;
2.
Programu do analizy otrzymanych wyników.
Nazwa alkoholu
Wzór
Temperatura topienia °C
Temperatura wrzenia °C
Gęstość względna
Metylowy
CH3OH
-97,1
64,7
0,792
Etylowy
C2H5OH
-110,5
78,3
0,791
n-Propilowy
C3H7OH
-127,0
97,2
0,804
n-Butylowy
C4H9OH
-89,6
117,9
0,810
n-Amylowy
C5H11OH
-78,2
137,8
0,814
n-Heksylowy
C6H13OH
-51,6
155,7
0,820
n-Heptylowy
C7H15OH
-35,2
176,3
0,821
n-Oktylowy
C8H17OH
-14,0
194,5
0,826
n-Nonylowy
C9H19OH
-5,0
213,5
0,828
n-Decylowy
C10H21OH
7,0
231,0
0,830
n-Oktadecylowy
C18H37OH
59,0
210,5
0,805
*Źródło: [2]
Na podstawie gęstości względnej z pomiaru oraz danych z powyższej tabeli możemy sprawdzić jaki
typ alkoholu został poddany próbie.
31
Urządzenie wykrywające spirytus metylowy w alkoholu
5. Porównanie metod
1. Urządzenie wykrywające spirytus metylowy w alkoholu na podstawie wiedzy z optyki
2. Urządzenia wykorzystujące chemiczną metodę badania i mierzenia gęstości
Zalety pomiarów dla urządzenia pierwszego:
−
−
−
zanieczyszczenia stałe, gazowe, barwa i zmętnienie nie mają wpływu na wynik pomiaru;
małym zmianom stężenia odpowiadają duże zmiany współczynnika załamania światła;
kompensacja temperaturowa wyniku pomiaru.
Wady urządzenia pierwszego:
−
−
złożoność projektu;
wysokie koszty;
Drugie urządzenie – struktura:
1. Urządzenie do analitycznego badania tzw. prototypów wagi (zmodyfikowane)
2.
Przesyłanie danych przez USB/okablowanie/inne.
3.
Porównanie danych i otrzymanie wyników w laptopie przez program napisany w języku C++.
Sugeruję rozwiązanie drugie ze względu na znacznie niższe koszty realizacji.
1
2
3
*Źródło: opracowanie własne
32
Urządzenie wykrywające spirytus metylowy w alkoholu
Sekwencyjny proces badania i mierzenia gęstości:
Badany alkohol
Mierzenie gęstości
Przesyłanie danych do pliku
Odczyt danych z pliku w programie napisanych w języku C++
Otrzymanie wyników oraz wyświetlenie ich na ekranie
33
Urządzenie wykrywające spirytus metylowy w alkoholu
Program – przykład działania
1. Wczytaj liczbę (w przypadku urządzenia wczytanie z pliku):
2. Dla wczytanych danych: 0.791; 0.792 mamy
Podziękowanie
Pragnę podziękować panu doktorowi Bolesławowi Jaskule, na którego zajęciach zrodził się ten pomysł. Ponadto na jego zajęciach z Metodyki Projektowania miałem przyjemność zaprezentować wyniki swojej pracy.
34
Urządzenie wykrywające spirytus metylowy w alkoholu
Bibliografia
1. G.S.Landsberg, Optyka, Moskwa,1998.
2. W.G.Ziriakow , Chemia organiczna, WNT, Warszawa, 1983 r.
3. Taylor John R., Wstęp do analizy błędu pomiarowego, PWN, 2011.
4. A.Skoog Douglas, M. West Donald, F. Holler James, R. Crouch Stanley, Podstawy Chemii Analitycznej. Tom 2, PWN, 2007.
5. C. Shamieh, G. McComb, Elektronika, Helion, 2005.
6. http://www.monar.kgb.pl/08.html (z dnia: 10.01.2012)
7. http://www.uzaleznienia.yoyo.pl/alkoholizm/historia_alkoholu.php (z dnia: 10.01.2012)
8. http://www.swiat-alkoholi.pl/site/?item=58&m_art_id=324 (z dnia: 10.01.2012)
9. http://chorujena.pl/Choroba/Pokaz/1100/Alkohol_metylowy_metanol_spirytus_drzewny__zatru
cie (z dnia: 10.02.2012)
10. http://www.e-biotechnologia.pl/Artykuly/Chromatografia-Cienkowarstwowa (z dn.: 10.02.2012)
11. http://www.chemia.uni.lodz.pl/pdfy/acchwatko.pdf (z dnia: 10.02.2012)
12. www.introl.pl/pl/.../plik/5387,INTROL_K-Patents_Refraktometry.pdf (z dnia: 10.02.2012)
35