2. Экспериментальный раздел

2.1 Определение растворенного кислорода и биохимического потребления

Растворенный кислород (РК)

Кислород постоянно присутствует в растворенном виде в поверхностных водах. Содержание растворенного кислорода (РК) в воде характеризует кислородный режим водоема и имеет важнейшее значение для оценки его экологического и санитарного состояния. Кислород должен содержаться в воде в достаточном количестве, обеспечивая условия для дыхания гидробионтов. Он также необходим для самоочищения водоемов, т.к. участвует в процессах окисления органических и других примесей, разложения отмерших организмов. Снижение концентрации РК свидетельствует об изменении биологических процессов в водоеме, о загрязнении водоема биохимически интенсивно окисляющимися веществами (в первую очередь органическими). Потребление кислорода обусловлено также химическими процессами окисления содержащихся в воде примесей, а также дыханием водных организмов.

Поступление кислорода в водоем происходит путем растворения его при контакте с воздухом (абсорбции), а также в результате фотосинтеза водными растениями, т.е. в результате физико-химических и биохимических процессов. Кислород также поступает в водные объекты с дождевыми и снеговыми водами. Поэтому существует много причин, вызывающих повышение или снижение концентрации в воде растворенного кислорода.

Растворенный в воде кислород находится в виде гидратированных молекул О2. Содержание РК зависит от температуры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, количества осадков, минерализации воды др. При каждом значении температуры существует равновесная концентрация кислорода, которую можно определить по специальным справочным таблицам, составленным для нормального атмосферного давления. Степень насыщения воды кислородом, соответствующая равновесной концентрации, принимается равной 100%. Растворимость кислорода возрастает с уменьшением температуры и минерализации и с увеличением атмосферного давления.

В поверхностных водах содержание растворенного кислорода может колебаться от 0 до 14 мг/л и подвержено значительным сезонным и суточным колебаниям. В эвтрофицированных и сильно загрязненных органическими соединениями водных объектах может иметь место значительный дефицит кислорода. Уменьшение концентрации РК до 2 мг/л вызывает массовую гибель рыб и других гидробионтов.

В воде водоемов в любой период года до 12 часов дня концентрация РК должна быть не менее 4 мг/л. ПДК растворенного в воде кислорода для рыбохозяйственных водоемов установлена 6 мг/л (для ценных пород рыбы) либо 4 мг/л (для остальных пород).

Растворенный кислород является весьма неустойчивым компонентом химического состава вод. При его определении особо тщательно следует проводить отбор проб: необходимо избегать контакта воды с воздухом до фиксации кислорода (связывания его в нерастворимое соединение).

Контроль содержания кислорода в воде – чрезвычайно важная проблема, в решении которой заинтересованы практически все отрасли народного хозяйства, включая черную и цветную металлургию, химическую промышленность, сельское хозяйство, медицину, биологию, рыбную и пищевую промышленность, службы охраны окружающей среды. Содержание РК определяют как в незагрязненных природных водах, так и в сточных водах после очистки. Процессы очистки сточных вод всегда сопровождаются контролем содержания кислорода. Определение РК является частью анализа при определении другого важнейшего показателя качества воды – биохимического потребления кислорода (БПК).

Биохимическое потребления кислорода (БПК)

В природной воде водоемов всегда присутствуют органические вещества. Их концентрации могут быть иногда очень малы (например, в родниковых и талых водах). Природными источниками органических веществ являются разрушающиеся останки организмов растительного и животного происхождения, как живших в воде, так и попавших в водоем с листвы, по воздуху, с берегов и т.п. Кроме природных, существуют также техногенные источники органических веществ: транспортные предприятия (нефтепродукты), целлюлозно-бумажные и лесоперерабатывающие комбинаты (лигнины), мясокомбинаты (белковые соединения), сельскохозяйственные и фекальные стоки и т.д. Органические загрязнения попадают в водоем разными путями, главным образом со сточными водами и дождевыми поверхностными смывами с почвы. В естественных условиях находящиеся в воде органические вещества разрушаются бактериями, претерпевая аэробное биохимическое окисление с образованием двуокиси углерода. При этом на окисление потребляется растворенный в воде кислород. В водоемах с большим содержанием органических веществ большая часть РК потребляется на биохимическое окисление, лишая таким образом кислорода другие организмы. При этом увеличивается количество организмов, более устойчивых к низкому содержанию РК, исчезают кислородолюбивые виды и появляются виды, терпимые к дефициту кислорода. Таким образом, в процессе биохимического окисления органических веществ в воде происходит уменьшение концентрации РК, и эта убыль косвенно является мерой содержания в воде органических веществ. Соответствующий показатель качества воды, характеризующий суммарное содержание в воде органических веществ, называется биохимическим потреблением кислорода (БПК).

Определение БПК основано на измерении концентрации РК в пробе воды непосредственно после отбора, а также после инкубации пробы. Инкубацию пробы проводят без доступа воздуха в кислородной склянке (т.е. в той же посуде, где определяется значение РК) в течение времени, необходимого для протекания реакции биохимического окисления. Так как скорость биохимической реакции зависит от температуры, инкубацию проводят в режиме постоянной температуры (20±1)°С, причем от точности поддержания значения температуры зависит точность выполнения анализа на БПК. Обычно определяют БПК за 5 суток инкубации (БПК5), однако содержание некоторых соединений более информативно характеризуется величиной БПК за 10 суток или за период полного окисления (БПК10 или БПКполн соответственно). Погрешность в определении БПК может внести также освещение пробы, влияющее на жизнедеятельность микроорганизмов и способное в некоторых случаях вызывать фотохимическое окисление. Поэтому инкубацию пробы проводят без доступа света (в темном месте).

Метод определения концентрации РК

Определение концентрации РК в воде проводится методом Винклера, который широко используется для санитарно-химического и экологического контроля.

Метод определения концентрации РК основан на способности гидроксида марганца (II) окисляться в щелочной среде до гидроксида марганца (IV), количественно связывая при этом кислород. В кислой среде гидроксид марганца (IV) снова переходит в двухвалентное состояние, окисляя при этом эквивалентное связанному кислороду количество йода. Выделившийся йод титруют раствором тиосульфата натрия в присутствии крахмала.

Определение РК проводится в несколько этапов. Сначала в анализируемую воду добавляют соль Мn (II), который в щелочной среде реагирует с растворенным кислородом с образованием нерастворимого гидроксида Мn (IV) по уравнению:

2Мn + О+4ОН = 2МnО(ОН) .

Таким образом, кислород «фиксируется» в пробе (количественно связывается). Кислород - неустойчивый компонент химического состава воды, поэтому фиксация должна быть проведена сразу после отбора пробы.

Далее к пробе добавляют раствор кислоты для растворения осадка и раствор йодида калия, в результате чего протекает химическая реакция с образованием свободного йода по уравнению:

2МnО(ОН) + 6J +6Н = Мn + 3J + ЗНО.

Затем свободный йод титруют раствором тиосульфата натрия в присутствии крахмала, который добавляют в качестве индикатора для определения точки эквивалентности. Реакции описываются уравнениями:

J+2SO=2J+SO

J + крахмал синий краситель.

В точке эквивалентности происходит обесцвечивание раствора.

3.3 По результатам титрования определяют абсолютное содержание РК в воде в мг О/л и степень насыщения воды кислородом, которая зависит от температуры воды в момент отбора пробы и атмосферного давления.

Метод определения биохимического потребления кислорода основан на способности микроорганизмов потреблять растворенный кислород при биохимическом окислении органических и неорганических веществ в воде.

Биохимическое потребление кислорода определяют количеством кислорода в

мг/дм, которое требуется для окисления находящихся в воде углеродсодержащих органических веществ, в аэробных условиях в результате биохимических процессов.

По разности содержания РК в воде до и после инкубации пробы в кислородной склянке при стандартных условиях (продолжительность инкубации - 5 суток при температуре 20±1°С без доступа света и воздуха) определяют БПК. При этом пробу воды предварительно аэрируют для насыщения кислородом.

В поверхностных водах суши величина БПК колеблется в пределах от 0,5 до 5 мг О/л, она подвержена природным и суточным изменениям, которые в основном зависят от изменения температуры и от исходной концентрации растворенного кислорода, связанные с физиологической и биохимической активностью микроорганизмов. Значительные изменения БПК определяются степенью загрязненности.

Мешающее влияние на аналитическое определение РК могут оказывать вещества (взвешенные и окрашенные, биологически активные, восстановители, реагирующие с выделившимся йодом, окислители, выделяющие йод из йодида калия) в концентрациях, встречающихся только в сточных и загрязненных поверхностных водах.

Точность выполнения анализа определяется:

1) точностью отбора пробы;

2) качеством растворов, которое может ухудшиться при их загрязнении, хранении в негерметично закрытых склянках, в теплом месте или на свету, а также при хранении растворов слишком продолжительное время (без проведения периодического контроля);

3) чистотой используемой посуды для отбора проб и выполнения нализов;

4) полнотой учета мешающих примесей, которые могут присутствовать в анализируемой воде;

5)ошибками при титровании.

Оборудование и реактивы: Барометр любого типа; груша резиновая или медицинский шприц; колба коническая вместимостью 250–300 мл; склянка кислородная калиброванная (100–200 мл) с пробкой; мешалка (стеклянные шарик, палочка и т.п.) известного объема; пипетки мерные на 1 мл и 10 мл; термометр; раствор соли марганца; раствор серной кислоты (1:2); раствор тиосульфата натрия (0,02 моль/л экв.); раствор крахмала (0,5%); раствор йодида калия щелочной.

Проведение анализа

1. Добавили в склянку с пробой анализируемой воды разными пипетками 1 мл раствора соли марганца, 1 мл раствора йодида калия, погружая пипетку с раствором в кислородную склянку на глубину 2-3 см, как показано на рисунке и по мере выливания раствора поднимала пипетку вверх.

Излишек жидкости из склянки стек через край на подставленную чашку Петри.

Слегка наклонили склянку, закрыла пробкой. Излишек жидкости стек через край. Следили, чтобы в склянке не осталось пузырьков воздуха.

Склянка не оставалась открытой.

2. Перемешали содержимое склянки имеющейся внутри мешалкой, удерживая склянку рукой. Поместили склянку с зафиксированной пробой в темное место для отстаивания (не менее 10 минут и не более 24 часов).

3. Добавили пипеткой 2 мл раствора серной кислоты.

4. Закрыли склянку пробкой и перемешала содержимое до полного растворения осадка.

5. Перенесли содержимое склянки в коническую колбу для титрования вместимостью 250 мл.

6. Заполнили пипетку (бюретку), закрепленную в стойке-штативе раствором тиосульфата натрия (0,02 моль/л экв.) и титровали пробу до слабо желтой окраски. Затем добавили пипеткой 1 мл раствора крахмала (раствор в колбе синеет) и продолжали титровать до полного обесцвечивания раствора.

7. Определили общий объем раствора тиосульфата натрия, израсходованного на титрование (как до, так и после добавления раствора крахмала).[5]

ВЫЧИСЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИЗА

1.Концентрацию РК в воде рассчитала по формуле:

где: - общий объем раствора тиосульфата, израсходованного на титрование (до и после добавления раствора крахмала), мл;

- концентрация раствора тиосульфата натрия, 0,02 моль/л экв.;

8 - атомарная масса кислорода;

1000 - коэффициент пересчета единиц измерения (из граммов в миллиграммы);

- объем анализируемой пробы мл.

При титровании пробы из кислородной склянки объемом 130 мл израсходовано 8 мл раствора тиосульфата натрия (0,02 моль/л экв.).

2. Степень насыщения воды кислородом рассчитала по формуле:

где: 100 - коэффициент пересчета единиц измерения из мг/л в %;

760 - нормальное атмосферное давление, мм рт.ст.;

С - величина равновесной концентрации кислорода в воде при температуре отбора пробы;

Р - фактическая величина атмосферного давления в момент отбора пробы.

Для анализа была отобрана проба воды при температуре 16°С и атмосферном давлении Р=746,76 мм рт. ст. Определили концентрацию кислорода в воде, C =9,8 мг О /л. Нашли значение равновесной концентрации кислорода при t = 17°С, С = 9,82 мг/л.

Определили концентрацию растворенного кислорода в воде, взятой из Павловского водохранилища, на первый и пятый день.

Первый день:

(мг О₂/л)

_{Пятый день:}

(мг О2/л)

_{Расчитали значение БПК}5 _{в мг О}2_{/л по формуле:}

_БПК5 _=С1-С2

_{С1- первый день}

_{С2-пятый день}

_БПК5_{=9,8-7,41= 2,39 мг О}2_/л

_{Биохимическое потребление кислорода составляет 2,39 мг О}2_{/л, отсюда следует, что объект исследования относится к типу умеренно-загрязненных вод.}