kemija prirodnih voda - fkit.unizg.hr8].pdf · sposobnost vode da neutralizira kiseline (primjerice...

Kemija prirodnih voda

Najdragocjeniji resurs Zemlje!!!

VODA

Osnova života na Zemlji. → Svejedno prisutan trend

zagađenja voda.

Zagađenjem do sada uništeni nebrojeni organizmi.

Razumjeti i djelovati – sprječavamo da čovjek postane

jedan od njih.

VODA

Razina eksploatiranosti svjetskih voda 2002. godine:

POSTOTAK UPORABE VODE U SJEDINJENIM AMERIČKIM DRŽAVAMA

NAVODNJAVANJE

INDUSTRIJA / GOSPODARSTVO

KUĆANSTVA

NUKLEARNE I

TERMOELEKTRANE

KVALITETA VODE

O kvaliteti vode govorimo s obzirom na potrebe za koje

se koristi.

KVALITETA VODE

O kvaliteti vode govorimo s obzirom na potrebe za koje

se koristi.

Može se vrednovati kroz fizikalne i kemijske pokazatelje

kvalitete.

FIZIKALNI POKAZATELJI:

A)

B)

C)

D)

E)

KVALITETA VODE

?

Može se vrednovati kroz fizikalne i kemijske pokazatelje

kvalitete.

FIZIKALNI POKAZATELJI:

A) Suspendirane čestice

B) Prozirnost (zamućenje)

C) Boja

D) Okus i miris

E) Temperatura

KVALITETA VODE

Može se vrednovati kroz fizikalne i kemijske pokazatelje

kvalitete.

KEMIJSKI POKAZATELJI:

A)

B)

C)

D)

E)

F)

G)

KVALITETA VODE

?

Može se vrednovati kroz fizikalne i kemijske pokazatelje

kvalitete.

KEMIJSKI POKAZATELJI:

A) Otopljene soli

B) pH (kiselost)

C) Alkalitet

D) Otopljeni kisik

E) Metali

F) Organske tvari

G) ...

KVALITETA VODE

Krutine se u vodi mogu otopiti ili biti prisutne u

suspendiranom obliku.

(Iako na otopljene krutine ponekad mogu ukazati i neki

fizikalni pokazatelji, u načelu se njihova prisutnost

utvrđuje kroz kemijske pokazatelje.)

Suspendirane krutine mogu biti:

Anorganske tvari (glina ili mulj)

Organske (biljna vlakna, ostaci algi i bakterija)

Možemo ih kategorizirati i kao:

Prirodnog podrijetla

Antropogenog podrijetla

FIZIKALNI POKAZATELJI – SUSPENDIRANE ČESTICE

Uzrokuju neugledan izgled vode

Dobra su podloga za sorpciju raznih kemijskih i bioloških

agensa.

Biološkom razgradnjom suspendiranih čestica može doći

do:

• razmnažanja patogenih mikroorganizama (izvori

bolesti)

• nastajanja toksičnih metabolita mikroorganizama

FIZIKALNI POKAZATELJI – SUSPENDIRANE ČESTICE

Suspendirane čestice mogu biti:

• Čestice pogodne za filtraciju

• Čestice nepogodne za filtraciju

Maksimalna količina suspendiranih čestica prema United

States Environmental Protection Agency standardu iznosi

30 ppm.

U Hrvatskoj donekle drugačije (o tome kasnije)

FIZIKALNI POKAZATELJI – SUSPENDIRANE ČESTICE

Mjera apsorpcije ili raspršenja svjetla na suspendiranim

česticama.

Ne može se koristiti direktno za kvantifikaciju

suspendiranih čestica (jer ovisi o veličini čestice).

Primjerice, šljunak zanemarivo raspršuje svjetlost. No

ukoliko je usitnjen do čestica koloidnih dimenzija, stvarati

će iznimno raspršenje svjetlosti.

FIZIKALNI POKAZATELJI – PROZIRNOST (ZAMUĆENJE)

Uzroci zamućenja voda:

1. na otvorenom moru - fitoplankton

2. bliže obali – čestice:

• uzmućene čestice sa dna (valovi)

• organske čestice iz vodotokova

• otpadne vode

• jaružarenje dna

• poplave

• previše riba koje se hrane na dnu

• sisavci koji obitavaju na dnu

FIZIKALNI POKAZATELJI – PROZIRNOST (ZAMUĆENJE)

Fenomen cvjetanja mora

FIZIKALNI POKAZATELJI – PROZIRNOST (ZAMUĆENJE)

Otpadne vode kućanstava i industrija sadrže tvari koje

stvaraju stabilne koloide:

• detergenti

• sapuni

• emulgatori

Zamućene vode su estetski neugledne.

Prisutnost koloidnih čestica pogodna za adsorpciju

mikroorganizama.

Smanjen prodor svjetlosti u vodu.

FIZIKALNI POKAZATELJI – PROZIRNOST (ZAMUĆENJE)

Čista voda nema obojenja.

Voda ispire iz organskog materijala tanine i druga bojila

koja joj daju žuto do smeđe obojenje.

Željezo oksid daje crveno obojenje.

Raznim obojenjima uzročnici su industrije (osobito one

koje koriste bojila, poput industrije tekstila i papira)

FIZIKALNI POKAZATELJI – BOJA

Obojenost vode dijeli se na:

1. PRIVIDNU – stvaraju je čestice koje se mogu

filtrirati iz vode

2. STVARNU – stvaraju je čestice koje nije moguće

filtrirati iz vode

FIZIKALNI POKAZATELJI – BOJA

Obojena voda → općenito estetski neprihvatljiva

Visoko obojena voda (neovisno o svojoj zdravstvenoj

štetnosti) neprimjenjiva je za pranje odjeće, kao i u

mnogim industrijama (proizvodnja napitaka, papira,

boja…).

FIZIKALNI POKAZATELJI – BOJA

(Pitka voda različitog podneblja može imati donekle

različit okus no to nije predmet ovog razmatranja →

nema veze s kvalitetom vode)

Miris i okus gotovo uvijek idu zajedno

Na miris i okus vode utječe:

• Raspadanje organskog materijala

• Masnoće (produkt metabolizma nekih algi)

• Zajednička prisutnost nekih tvari koje same po sebi

ne stvaraju promjene boje i mirisa

• Alkalijski metali mogu davati gorak okus

• Metalne soli mogu davati gorak ili slan okus

FIZIKALNI POKAZATELJI – OKUS I MIRIS

Utječe na:

• gustoću vode

• topljivost plinova (osobito kisika)

• brzine kemijskih reakcija

• brzine rasta organizama

• provodnost

• pH

FIZIKALNI POKAZATELJI – TEMPERATURA

FIZIKALNI POKAZATELJI – TEMPERATURA

9 °C

sezonskih promjena temperature zraka

temperaturni profili (vode stajačice)

količine i temperature slivnih (pritočnih) voda

duljina stagnacije (vode stajačice)

Do varijacija dolazi prirodnim putem poradi:

TERMOKLINA je područje u moru u kojem postoji izraziti temperaturni gradijent (promjena temperature).

Antropogeni utjecaj na varijacije temperature:

priljev industrijskih voda s povišenom

temperaturom

slivne vode s asfalta/kolnika

krčenje šuma

Dolazi iz:

1. atmosfere (otapanjem)

2. fotosintezom vodenog bilja

3. drugi procesi (manji dio kisika)

KONCENTRACIJA ZASIĆENJA – maksimalna koncentracija

otopljenog kisika u vodenom mediju.

KEMIJSKI POKAZATELJI – OTOPLJENI KISIK

Količina otopljenog kisika u vodenom ekosustavu pokazatelj je stupnja

njegova zdravlja, odnosno njegove sposobnosti da podržava

uravnotežen vodeni ekosustav.

Većina vodenih vrsta zahtjeva iznad 3 ppm, no poželjno je 8-10 ppm

otopljenog kisika.

Ovisi o:

• dobu dana

• vremenskim prilikama

• temperaturi

• količini organskog otpada koji se oksidira

KEMIJSKI POKAZATELJI – OTOPLJENI KISIK

Temperatura / °C Topljivost kisika / ppm

0 14,6

5 12,8

10 11,3

15 10,2

20 9,2

25 8,6

100 0

KEMIJSKI POKAZATELJI – OTOPLJENI KISIK

PORAST ORGANSKIH ZAGAĐIVALA

PORAST VEGETACIJE U VODENOM EKOSUSTAVU

SMANJENJE KOLIČINE KISIKA POTREBNOG

ORGANIZMIMA

PROMJENE U EKOSUSTAVU

(izumiranje organizmama koji zahtjevaju

velike količine kisika)

KEMIJSKI POKAZATELJI – OTOPLJENI KISIK

vremenskih prilika (primjerice povećan broj sunčanih dana)

povećane dostupnosti hranjivih tvari

promjene svojstava voda stajačica (primjerice temperaturne

promjene u morima)

smanjen dotok slivnih voda (rijeka, potoka) u stajačice

(primjerice zbog suše)

Do varijacija dolazi prirodnim putem poradi:

Varijacije uslijed utjecaja čovjeka:

povećan unos organske tvari

utjecaj na količinu vode u slivnim voda (rijekama, potocima)

Utječe na:

• topljivost hranjivih tvari

(PO43-, NO3

-, C)

• topljivost teških metala (Fe, Cu...)

U prirodnim vodama određena uglavnom

geološkim značajkama, primjerice prisutnim

solima.

KEMIJSKI POKAZATELJI – pH VRIJEDNOST

pH vrijednosti površinskih djelova oceana

pH vrijednost površine oceana

Promjena pH vrijednosti površinskih djelova oceana od 18. do 21. stoljeća

pH površine oceana

Utjecaj pH na život u vodi:

pH=6,5 pH=6,0 pH=5,5 pH=5,0 pH=4,5 pH=4,0

PASTRVA

GRGEČ

ŽABE

DAŽDEVNJACI

ŠKOLJKE

RAKOVI

PUŽEVI

cvjetanje algi

bakterijska aktivnost

vrtloženje vode

kemikalije koje se nalaze u vodi

povećani dotok otpadnih voda

zagađenje općenito

Faktori koji utječu na pH vrijednost voda:

Sposobnost vode da neutralizira kiseline (primjerice kisele kiše i ostale kisele

dotoke).

Posljedica je prisutnosti hidroksida, hidrogenkarbonata i karbonata alkalijskih i

zemnoalkalijskih metala (Na, K, Ca, Mg).

Najčešće ga povezujemo s tvrdoćom vode pa se stoga i izražava kao sadržaj

CaCO3 mg / L vode.

U vrijednost alkaliteta mogu ući i eventualno prisutni borati, fosfati i sulfati.

Štiti život u vodi jer onemogućava nagle promjene pH – iznimno bitno za život

vodenih organizama, osobito riba.

KEMIJSKI POKAZATELJI – ALKALITET

Ukupan alkalitet (T alkalitet) je alkalitet prema fenolftaleinu i alkalitet prema

metil-oranžu.

Alkalitet prema fenolftaleinu (p alkalitet) potiče od prisustva hidroksida ili

karbonata ili njihove smjese.

Alkalitet prema metiloranžu (m alkalitet) može poticati od karbonata i

hidrogenkarbonata pojedinačno, ili njihove smjese.

Istovremeno prisutstvo hidroksida i hidrogenkarbonata u nije moguće, jer oni

reagiraju međusobno prema jednadžbi:

2

3 3 2HCO OH CO H O

KEMIJSKI POKAZATELJI – ALKALITET

Za uzorke kod kojih je početni pH>8,3 titracija se izvodi u dva stupnja:

1. uz indikator fenolftalein, dok se indikator ne obezboji (p alkalitet),

2. uz indikator metiloranž, do prelaska boje indikatora iz žute u

narančastu (m alkalitet).

Za uzorke kod kojih je početni pH<8,3 određuje se samo m alkalitet, tj. titracija

se izvodi u samo jednom stupnju.

KEMIJSKI POKAZATELJI – ALKALITET

Alkalitet površinskih djelova oceana

3

3Ukupan alkalitet mol HCO / m

Visok udio otopljenih mineralnih soli

Ca2+ i Mg2+

• Prolazna (karbonatna) tvrdoća - prisutan HCO3-

• Stalna (nekarbonatna) tvrdoća - prisutan drugi anion

njemački stupanj tvrdoće (°nj) 10 mg/L CaO

američki stupanj tvrdoće (°am) 1 mg/L CaCO3

KEMIJSKI POKAZATELJI – TVRDOĆA VODE

Prolazna tvrdoća može se ukloniti zagrijavanjem

dolazi do taloženja u sustavima

začepljenje cijevi i pipa

smanjenje toplinske provodnosti

2

3 23 s 2 gCa 2HCO    CaCO CO H O

KEMIJSKI POKAZATELJI – TVRDOĆA VODE

Prirodnim putem nastala forma dušika, koju možemo naći u tlu.

Nastaje mikrobnom razgradnjom biljaka, gnojiva i raznoraznih drugih organskih

ostataka.

Nastale nitrate iz tla apsorbiraju i koriste biljke.

2 3

3 2 4

4 2 2 2

2 2 3

N 6e 6H 2NH

NH H O NH OH

3NH O NO 2H H O

2

1NO O NO

2

KEMIJSKI POKAZATELJI – NITRATI

Nitrati mogu biti i posljedica djelovanja čovjeka:

• stočni izmet

• kvarovi na sustavima za sakupljanje ili transportiranje fekalija

• umjetna gnojiva

Povećane koncentracije nitrata mogu dovesti do EUTROFIKACIJE.

Eutrofikacija je proces do kojeg dolazi zbog povećanog unosa hranjivih tvari

(nitrata i fosfata) u vodene sustave. Njihovim povećanim unosom dolazi do

povećanja primarne proizvodnje organske tvari (u odnosu na uobičajenu).

KEMIJSKI POKAZATELJI – NITRATI

POVEĆANI UNOS HRANJIVIH TVARI

POVEĆANI PRIRAST ORGANSKE TVARI

(POVEĆANI RAST BILJAKA)

SMANJENJE PRODORA SUNČEVE SVJETLOSTI U EKOSUSTAV

ODUMIRANJE BILJAKA

RAZGRADNJA MRTVE TVARI - ZAHTJEVA VELIKU POTROŠ

NJU KISIKA

IZUMIRANJE OSTALIH ORGANIZAMA

KEMIJSKI POKAZATELJI – NITRATI

U prirodi ih nalazimo kao sastavni dio stijena i minerala.

Oslobađaju se posredstvom atmosferilija.

Oslobođene elemente i spojeve apsorbiraju i koriste biljke.

Hranidbenim lancem dolaze u organizme životinja.

KEMIJSKI POKAZATELJI – FOSFATI

Fosfati mogu biti i posljedica djelovanja čovjeka:

• kanalizacija

• kemikalije iz praonica rublja

• umjetna gnojiva

Povećane koncentracije fosfata također dovode do EUTROFIKACIJE.

KEMIJSKI POKAZATELJI – FOSFATI

Sposobnost provođenja električne struje.

Posljedica u vodi otopljenih soli → ioni nosioci struje.

Cl- Na+ Na+

Na+

Na+

Na+ Cl-

Cl-

Cl-

Cl- Na+

Cl- Cl- Cl- Cl-

Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+

Cl- Cl- Cl- Cl-

Na+ Na+ Na+ Na+

Cl- Cl- Cl- Cl-

Na+ Na+ Na+ Na+

Cl- Cl- Cl- Cl-

Na+ Na+ Na+ Na+ Na+

Na+ Na+

Na+ Na+

Na+ Na+

KEMIJSKI POKAZATELJI – PROVODNOST

Ljudski utjecaj na provodnost ogleda se kroz:

• otpadne vode

• dotoke iz urbanih sredina (osobito s asfalta)

• dotoke s poljoprivrednih površina

Cl- Na+ Na+

Na+

Na+

Na+ Cl-

Cl-

Cl-

Cl- Na+

Cl- Cl- Cl- Cl-

Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+

Cl- Cl- Cl- Cl-

Na+ Na+ Na+ Na+

Cl- Cl- Cl- Cl-

Na+ Na+ Na+ Na+

Cl- Cl- Cl- Cl-

Na+ Na+ Na+ Na+ Na+

Na+ Na+

Na+ Na+

Na+ Na+

KEMIJSKI POKAZATELJI – PROVODNOST

Provodnost u prirodnim vodama ovisi o:

• karakteristikama iona (pokretljivost, naboj, koncentracija)

• temperaturi medija

• geološkim značajkama

• veličini porječja (sliva)

• isparavanju

Umjetnim putem:

• otpadne vode

• dotoci iz urbanih sredina (osobito s asfalta)

• dotoci s poljoprivrednih površina

KEMIJSKI POKAZATELJI – PROVODNOST

Zagađivala voda se općenito mogu kategorizirati u 8

kategorija:

1. Proizvodi naftne industrije

2. Pesticidi i herbicidi (danas bismo mogli tu dodati i

lijekove, pa čak i hormone)

3. Teški metali

4. Opasni otpad

5. Fekalije

6. Čestice koje stvaraju sedimente (ukoliko su prisutne u

znatnoj količini)

7. Infektivni organizmi

8. Termičko onečišćenje

KONTAMINACIJA VODA

Glavni izvori zagađenja su:

1. Naselja

2. Industrija

3. Poljoprivreda

Otpadne vode svih triju kategorija potrebno pročistiti prije

ispuštanja u prirodne prijemnike!!!

KONTAMINACIJA VODA

Tri stadija pročišćavanja:

PRIMARNI STADIJ – mehaničko uklanjanje otpada

1. Mirovanje otpadne vode tijekom nekoliko sati

2. Uklanjanje krupnih čestica:

talog

plutajuće čestice

PROČIŠĆAVANJE VODA

Tri stadija pročišćavanja:

SEKUNDARNI STADIJ – biološka obrada vode

Uklanjanje otopljenih organskih tvari pospješivanjem

prirodnih bioloških procesa:

dodatak kultiviranih mikroorganizama

PROČIŠĆAVANJE VODA

Tri stadija pročišćavanja:

TERCIJALNI STADIJ – kemijska obrada vode

(fizikalno-kemijska obrada (?) )

U situacijama kada ponovo koristimo obrađenu

vodu, kemijskim procesima provodimo finalno

čišćenje i time osiguravamo da voda bude što čišća.

PROČIŠĆAVANJE VODA

Koliko god čista bila, voda iz nekog podneblja uvijek

može sadržavati manje količine plinova, minerala i

organske tvari.

Spoznaja da voda može sadržavati neke neželjene tvari

dovodi do uspostavljanja REGULATIVA.

Pitka voda ipak može imati određen udio mineralnih tvari

koji imaju pozitivan utjecaj na organizam.

(Primjerice kalcij i magnezij koji su esencijalni elementi)

REGULATIVE

Pitka voda nije glavni izvor esencijalnih elemenata za

ljude.

Ipak njen doprinos je važan → ioni se nalaze u

otopljenom stanju pa kao takvi se znatno lakše

apsorbiraju u organizam od onih koji se nalaze u sklopu

molekula hrane.

REGULATIVE

AKTUALNO!!!

Zakon o vodama (NN 153/09, 63/11, 130/11, 56/13, 14/14)

GRANIČNE VRIJEDNOSTI I DOPUŠTENE KONCENTRACIJE ZA

TEHNOLOŠKE VODE PROPISANE ZA

PRIRODNI PRIJEMNICI:

II kategorija

III kategorija

IV kategorija

SUSTAV JAVNE ODVODNJE

Pravilnik o graničnim vrijednostima pokazatelja, opasnih i drugih

tvari u otpadnim vodama (NN. 107/95)

NIJE VIŠE AKTUALNO, ALI JE ZANIMLJIVO!!!

Pravilnikom se propisuju granične vrijednosti emisija u

tehnološkim otpadnim vodama prije njihova ispuštanja u

građevine javne odvodnje ili u septičke ili sabirne jame i u svim

pročišćenim ili nepročišćenim otpadnim vodama koje se

ispuštaju u vode

Granične vrijednosti ovise o tipu postrojenja (izvora

onečišćenja).

Pravilnik o graničnim vrijednostima emisija otpadnih voda

(NN 80/13, 43/14, 27/15 i 3/16)

Tehnološke otpadne vode su sve otpadne vode koje se ispuštaju iz

prostora korištenih za obavljanje bilo kakve trgovačke ili industrijske

djelatnosti osim sanitarnih otpadnih voda i oborinskih onečišćenih

voda iz članka 3. točke 47. Zakona o vodama.

Sanitarne otpadne vode su otpadne vode koje se nakon korištenja

ispuštaju iz stambenih objekata i uslužnih djelatnosti koje uglavnom

potječu od ljudskog metabolizama i aktivnosti kućanstava.

Kišno rasterećenje je građevina koja se primjenjuje kod mješovitog

ili polurazdjelnog načina javne odvodnje radi prelijevanja dijela

onečišćenih voda iz sustava javne odvodnje u prirodni prijemnik za

vrijeme velikog intenziteta oborina.

GRANIČNE VRIJEDNOSTI EMISIJA ONEČIŠĆUJUĆIH

TVARI U OTPADNIM VODAMA

Parametar Površinske vode Sustav javne odvodnje

FIZIKALNO-KEMIJSKI POKAZATELJI

pH 6,5-9,0 6,5-9,5

T / °C 30 40

Boja bez -

Miris bez -

Taložive tvari mL/L h 0,5 10

Ukupna suspendirana tvar mg/L 35 Određuje se samo u slučaju utvrđenog

štetnog djelovanja

EKOTOKSIKOLOŠKI POKAZATELJI

Toksičnost na dafnije 2 -

Toksičnost na svijetleće bakterije 3 -

Odnosi se na objekte i postrojenja iz kojih se otpuštaju tehnološke otpadne vode nastale tijekom

pripreme i prerade voća i povrća.

GRANIČNE VRIJEDNOSTI EMISIJA ONEČIŠĆUJUĆIH

TVARI U OTPADNIM VODAMA

Parametar Površinske vode Sustav javne odvodnje

ORGANSKI POKAZATELJI

BPK5 mg O2/L 25

KPK mg O2/L 125

Ukupni organski ugljik (TOC) mg/L 30 -

Ukupni ugljikovodici mg/L 10 30

Lakohlap. aromatski ugljikov. mg/L 0,1 10

Lakohlap. klorirani ugljikov. mg/L 0,1 1

CCl4 mg/L 0,1 0,1

CHCl3 mg/L 0,1 0,1

CH2Cl2 mg/L 0,1 0,1

Fenoli mg/L 0,1 10,00

Detergenti, anionski mg/L 1 10,00

Detergenti, neionski mg/L 1 10,00

GRANIČNE VRIJEDNOSTI EMISIJA ONEČIŠĆUJUĆIH

TVARI U OTPADNIM VODAMA

Parametar Površinske vode Sustav javne odvodnje

Detergenti, kationski mg/L 0,2 2,0

Organoklorni pesticidi ovisno o vrsti ovisno o vrsti

Triazinski pesticidi i metaboliti ovisno o vrsti ovisno o vrsti

Organofosforni pesticidi ovisno o vrsti ovisno o vrsti

Pesticidi fenilurea, bromacil,

metribuzin

ovisno o vrsti ovisno o vrsti

Drugi pesticidi ovisno o vrsti ovisno o vrsti

Organokositrovi spojevi ovisno o vrsti ovisno o vrsti

Policiklički aromatski ugljikovodici

(PAH)

ovisno o vrsti ovisno o vrsti

GRANIČNE VRIJEDNOSTI EMISIJA ONEČIŠĆUJUĆIH

TVARI U OTPADNIM VODAMA

Parametar Površinske vode Sustav javne odvodnje

ANORGANSKI POKAZATELJI

Al / ppm 3 -

As / ppm 0,1 0,1

Cu / ppm 0,5 0,5

Ba / ppm 5 5

B / ppm 1,0 10

Zn / ppm 2 2

Co / ppm 1 1

Sn / ppm 2 20

Cr ukupni / ppm 0,5 0,5

Cr(VI) / ppm 0,1 0,1

Mn / ppm 2,0 4,0

Ni / ppm 0,5 0,5