Drukuj
A A A

WYBRANE WSKAŹNIKI FIZYKO-CHEMICZNE WODY

 

W tym temacie chciałabym przedstawić Wam najważniejsze pojęcia obrazujące fizyko-chemiczne wskaźniki mówiące o stanie jakości wód. Użyję tu następujących słów-kluczy:

  1. barwa,
  2. BZTn,
  3. ChZT,
  4. kwasowość,
  5. mętność,
  6. mineralizacja,
  7. OWO,
  8. przewodnictwo elektrolityczne właściwe,
  9. skala pH,
  10. twardość,
  11. utlenialność,
  12. zasadowość.


1. Barwa wody to jeden z parametrów określających jakość wody. Barwa wody może być spowodowana odpadami organicznymi (liście, drewno), substancjami humusowymi, ściekami przemysłowymi lub erozją gleb. Barwa wody może być również rezultatem obecności soli żelaza (kolor zielononiebieski), żelaza i manganu (żółty do brązowego koloru), siarki (niebieski), siarkowodoru (szmaragdowa) lub substancji organicznych (żółta, pomarańczowa, brunatna, rdzawa, wiśniowa, brązowa, czarna) a także planktonu (kolor zielony). Barwa rzeczywista wody jest to barwa wody klarownej po usunięciu mętności, natomiast barwę pozorną powodują drobne zabarwione cząstki zawieszone w wodzie łącznie z substancjami rozpuszczonymi. Barwę pozorną oznacza się bez uprzedniego sączenia lub odwirowania wody. Intensywność barwy świadczy o zanieczyszczeniu wody. Barwa wody kierowanej do zasilania sieci wodociągowej nie powinna przekraczać 20mgPt/dm3. Wody studzienne wykorzystywane do picia i celów gospodarczych nie powinny mieć barwy większej niż 25mgPt/dm3. Jako układ odniesienia przyjmuje się koloidalny wodny roztwór chloroplatynianu potasu (1mgPt/dm3 = 10 stopni skali platynowej). Oznaczenie barwy należy do grupy oznaczeń, które należy wykonać możliwie szybko po pobraniu próbki, gdyż podczas przechowywania mogą zachodzić różne przemiany tak fizykochemiczne jak i biologiczne powodujące zmianę barwy wody. Próbki do oznaczenia nie powinno się utrwalać.
Barwę wody można oznaczać:
- według skali platynowo – kobaltowej,
- według skali dwuchromianowo – kobaltowej,
- metodą opisową w przypadku barwy specyficznej,
- metodą oznaczania liczby progowej barwy,
- metodą spektrofotometryczną.


2. BZTn - umowny wskaźnik określający biochemiczne zapotrzebowanie na tlen, czyli ilość tlenu, wyrażoną w mg/dm3, wymaganą do utlenienia związków organicznych (zawartych w jednostce objętości wody lub ścieków w temp. 20°C, w określonym czasie) przez mikroorganizmy (bakterie aerobowe). Wartość tę uzyskuje się w wyniku pomiaru zużycia tlenu przez badaną próbkę wody lub ścieków w ciągu 5 lub 20 dni (oznaczając to odpowiednio BZT5 lub BZT20). BZTn jest wskaźnikiem czystości wody i jakości oczyszczanych ścieków: im wyższa wartość BZTn tym większe zanieczyszczenie (ilość związków organicznych). Z przyczyn praktycznych częściej stosowane jest BZT5.
Procesy utleniania w wodzie zachodzą wg schematu:

związki organiczne + tlen + enzymy +bakterie → dwutlenek węgla + woda+ bakterie


Przebieg procesów biochemicznych ilustruje krzywa a przedstawiona na wykresie:


 

Krzywa d natomiast przedstawia procesy nitryfikacji związków azotowych zachodzące zwykle po biochemicznym utlenianiu. Przebieg tych procesów można przedstawić za pomocą schematu:

 
Przyjmuje się że prawie całkowita mineralizacja substancji organicznych zawartych w wodzie (ok. 99%) występuje po okresie 20 dni (wskaźnik BZT20). Najintensywniej przebiegają jednak procesy w pierwszych 5 dniach (BZT5) i dlatego parametr ten jest uważany za wskaźnik zanieczyszczenia wody substancjami organicznymi. Oznaczenie BZT5 nie obejmuje procesów nitryfikacji.


3. ChZT – umowny wskaźnik określający chemiczne zapotrzebowanie na tlen, czyli ilość tlenu równoważna ilości utleniacza zużytego do utlenienia substancji zawartych w jednostce objętości badanej wody. W czasie oznaczania ChZT utleniane są głównie substancje organiczne i niektóre nieorganiczne. Należy pamiętać, że stopień utleniania substancji zawartych w wodzie zależy bowiem od szeregu czynników, do których można zaliczyć: właściwości utleniacza, jego stężenie, temperatura, czas działania, pH roztworu itp. W związku z tym, w celu porównania wyników i zapewnienia powtarzalności wyników, należy badania wykonywać w ściśle określonych warunkach.


4. Kwasowość to zdolność wody do zobojętniania dodawanych do niej mocnych zasad lub węglanów potasowców. Czynniki ją powodujące to głównie związki pochodzące z atmosfery, gleby, odczynników dodawanych w procesie jej uzdatniania, zanieczyszczeń dostających się do wody. Zaliczamy do nich  rozpuszczony w wodzie dwutlenek węgla, kwasy mineralne i organiczne oraz produkty hydrolizy soli. Przy pH mniejszym od 4,6 występuje tzw. kwasowość mineralna i woda cechuje się korozyjnym charakterem wobec metali i betonu. Ten rodzaj kwasowości bardzo rzadko występuje w czystych wodach powierzchniowych. W zakresie pH 4,6 – 8,3 występuje tzw. kwasowość ogólna, która współistnieje wraz zasadowością ogólną. W wodach tych występuje równowaga między stężeniami węglanów i wodorowęglanów, które powodują zasadowość a dwutlenkiem węgla wywołującym kwasowość. Mówi się wówczas o istnieniu równowagi węglanowej:


CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3- ↔ 2H+ + CO32-,


którą można zaburzyć dodając zanieczyszczenia o kwaśnym charakterze. Ich wielkość można określić np. za pomocą miareczkowania potencjometrycznego. Wyniki oznaczania kwasowości podaje się mmol/dm3 lub mval/dm3.


5. Mętność wody jest to właściwość optyczna, polegająca na rozproszeniu i absorbowaniu części widma promieniowania widzialnego przez cząstki stałe obecne w wodzie lub ściekach. Mętność wywołują zawiesiny organiczne – związki humusowe i zawiesiny nieorganiczne takie jak trudno rozpuszczalne wodorotlenki metali Fe(OH)3 , Mn(OH)2 , iły, gliny itp. Za jednostkę mętności uważa się mętność jaką posiada wzorzec sporządzony z 1 mg odpowiednio przygotowanej krzemionki rozpuszczonej w 1 dm3 wody destylowanej i wyraża się ją jako mg/dm3. Mętność oznacza się porównawczo w stosunku do wzorca jakim może być zawiesina ziemi okrzemkowej w wodzie (1mgSiO2/dm3 = 10 skali mętności). Oznaczenie mętności powinno być wykonane w dniu pobrania próbki. W przypadku, gdy zachodzi konieczność dłuższego przechowywania próbkę można przechowywać w ciemnym miejscu w czasie 24 godzin. Przed oznaczaniem mętności próbki należy dokładnie wymieszać.
Mętność wody można oznaczyć następującymi metodami:
- wizualną, turbidymetryczną w zakresie 0 ÷ 5 mg/dm3,
- wizualną, turbidymetryczną w zakresie 5 ÷ 50 mg/dm3,
- nefelometryczną.
Odwrotnością mętności jest przezroczystość. Oznacza się ją w terenie (badanie jezior, zbiorników zaporowych) za pomocą tzw. krążka Secchiego .


6. Mineralizacja ogólna wody, jest to ilość rozpuszczonych w wodzie związków mineralnych, określana m.in. za pomocą tzw. suchej pozostałości, czyli osadu (w gramach) pozostałego po odparowaniu 1 dm3 wody w temperaturze 105°C.
Na podstawie mineralizacji ogólnej wydzielamy wody:
- ultra-słodkie o suchej pozostałości <0,1 g/dm3,
- słodkie - 0,1-0,5 g/dm3,
- akratopegi - 0,5-1,0 g/dm3,
- mineralne - >1,0 g/dm3.
Procesem mineralizacji nazywa się całkowity rozkład substancji do prostych stałych związków nieorganicznych, zazwyczaj poprzez ostrożne utlenianie lub odparowywanie. Na skutek tego procesu, z próbki jest całkowicie usuwany wodór, węgiel, siarka, fosfor i azot, które odparowywują w postaci pary wodnej i odpowiednich gazowych tlenków, zaś pozostałość to tlenki i sole innych pierwiastków obecnych w analizowanej substancji.


7. OWO – ogólny węgiel organiczny. Laboratoryjnie oznaczany wskaźnik zanieczyszczenia wód i ścieków substancjami organicznymi pochodzenia naturalnego i antropogenicznego. Obejmuje wszystkie związki węgla, zarówno rozpuszczone, jak i zawieszone w wodzie. Węgiel organiczny oznacza się najczęściej spalając w strumieniu tlenu lub powietrza zawarte w wodzie substancje organiczne. Powstający w wyniku spalania węgla dwutlenek analizowany jest metodą spektrofotometryczną w podczerwieni (analizator OWO), lub miareczkową z dwuchromianem potasu. Badaniu poddaje się nieprzefiltrowane próbki


8. Przewodnictwo elektrolityczne właściwe zwane inaczej konduktywnością roztworu jest miarą zawartości jonów, które są nośnikiem ładunku elektrycznego. Określa ono stopień mineralizacji, a tym samym zanieczyszczenie wód. Z definicji jest to pochodna stężenia jonowego oraz mineralizacji roztworu wyrażana w S/m lub mS/cm.


9. Skala pH - ilościowa skala kwasowości i zasadowości roztworów wodnych związków chemicznych. Skala ta jest oparta na aktywności jonów hydroniowych [H3O+] w roztworach wodnych. pH definiuje się jako ujemny logarytm dziesiętny aktywności jonów hydroniowych wyrażonych w molach na decymetr sześcienny:


pH = -log10[H3O+]


Dla roztworów wodnych wartość pH mieści się w przedziale 0-14; roztwory kwaśne: pH<7, roztwory zasadowe: pH>7, obojętne: pH=7. Zwykle wody powierzchniowe posiadają pH w zakresie 6,5 – 8,5 co odpowiada wymaganiom stawianym wodzie do picia. Zdarzają się jednak wody o mniejszych i większych wartościach pH. Wyraźnie kwaśny odczyn wody (pH ok. 4) obserwowany jest m in. podczas „kwaśnych deszczy” i w przypadkach zanieczyszczenia wody kwaśnymi ściekami. Wysokie wartości pH (ponad 10) są najczęściej wynikiem zanieczyszczenia wody ściekami alkalicznymi oraz występują w wodach zeutrofizowanych, kiedy nadmierny rozwój glonów powoduje wzrost intensywności fotosyntezy (zużycie znacznych ilości dwutlenku węgla). Na wartość pH wód wpływa również rodzaj podłoża, przez które przepływają wody. Wody przepływające przez podłoże kwarcowe charakteryzują się odczynem kwaśnym, natomiast przepływając przez podłoże wapienne mają odczyn zasadowy.


10. Twardość wody wywołana jest przez zawarte w niej jony wapnia i magnezu a także żelaza, glinu, manganu oraz metali ciężkich. W wodzie dominują kationy wapnia i magnezu, dlatego też rozróżnia się twardość wapniową i magnezową. Kationom tym towarzyszą głównie aniony węglanowy i wodorowęglanowy. Mamy wówczas do czynienia z tzw. twardością węglanową – przemijającą. Obok anionów węglanowego i wodorowęglanowego występują w wodzie aniony (obecne w zdecydowanie mniejszej ilości) siarczanowy i chlorkowy, które wywołują tzw. twardość niewęglanową – stałą. Suma twardości węglanowej i niewęglanowej stanowi twardość ogólną wody. Gdy twardość ogólna jest większa od zasadowości ogólnej to ta część twardości, która jest równa zasadowości ogólnej określana jest jako twardość węglanowa, natomiast nadwyżka twardości w stosunku do zasadowości ogólnej jest twardością niewęglanową. W przypadku, gdy twardość wody jest równa zasadowości ogólnej bądź mniejsza od niej to twardość ogólna składa się tylko z twardości węglanowej, a wartość twardości niewęglanowej wynosi zero. Wartość twardości wody podaje się najczęściej w jednostkach: mmol/dm3 lub mval/dm3, mgCaCO3/dm3, a także w stopniach twardości: niemieckich, francuskich, angielskich. Stopień niemiecki twardości wody (1°N) odpowiada stężeniu 10mgCaO/dm3. Do oznaczania twardości stosuje się najczęściej metody:
- obliczeniową (w oparciu o wyniki oznaczeń zawartości wapnia i magnezu w wodzie),
- wersanianową.


 
11. Utlenialność wody jest to właściwość polegająca na redukowaniu nadmanganianu potasu w wyniku utleniania obecnych w wodzie związków organicznych. Przez utlenialność rozumie się ilość miligramów tlenu zużytego przez badaną próbkę ogrzewaną we wrzącej łaźni wodnej w ciągu 30 min. z roztworem nadmanganianu potasu w środowisku kwaśnym. Wynik oznaczenia utlenialności podaje się w mgO2/dm3. Wody powierzchniowe nie zanieczyszczone charakteryzują się utlenialnością ok. 4,0 mgO2/dm3. Znacznie wyższą utlenialność, dochodzącą do kilkunastu mgO2/dm3 posiadają wody zanieczyszczone substancjami humusowymi. Utlenialność wody do picia nie powinna przekraczać 3 mg O2/dm3.


 
12. Zasadowość – zdolność wody do zobojętniania kwasów do określonego pH. Wywołana jest ona obecnością w wodzie wodorowęglanów i węglanów głównie metali alkalicznych wapnia i magnezu oraz wodorotlenków w przypadku wód o pH powyżej 8,3. W zależności od zakresu wartości pH wody rozróżnia się zasadowość ogólną (pH = 4,6 –> 8,3) oraz zasadowość wobec fenoloftaleiny ( pH > 8,3). Spotyka się również podział w zależności od rodzaju związku, który nadaje wodzie odczyn zasadowy: zasadowość węglanowa, zasadowość wodorowęglanowa i wodorotlenowa.
Zasadowość wody i ścieków oznaczana jest następującymi metodami:
- miareczkowania wobec wskaźników (fenoloftaleiny, oranżu metylowego),
- miareczkowania potencjometrycznego.

Materiały do ćwiczeń laboratoryjnych
z przedmiotu
Technologie Ochrony Środowiska