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