Word een waterkwaliteitsanalist Teach article

Vertaald door Piet Das. Industriële activiteiten en zelfs geologische veranderingen kunnen invloed hebben op de kwaliteit van water, waardoor deze verontreiniging risico’s veroorzaken voor de menselijke gezondheid en het milieu. Leer hoe je een onafhankelijke analist  kunt worden die…

Waterstroom
Afbeelding met dank aan  k
bottema/Flickr

Industriële activiteiten en zelfs geologische veranderingen kunnen zeer schadelijk zijn voor de waterkwaliteit, door het te vervuilen met meststoffen, pesticiden, metaalionen of organische verbindingen die een risico vormen voor de menselijke gezondheid en het milieu. Het is daarom van cruciaal belang om voortdurend toezicht op de kwaliteit van zoetwaterbronnen zoals rivieren te houden.

Kwaliteitsanalisten vormen een belangrijk onderdeel van het proces om ons te beschermen tegen vervuild water. Ze controleren regelmatig de waterkwaliteit door het uitvoeren van kwantitatieve analyses (zoals het bepalen van de hoeveelheid van een ion in een oplossing) van monsters die op verschillende plaatsen voor, tijdens en na de waterzuivering verzameld zijn.

In de volgende activiteit, gaan leerlingen in de schoenen staan van een waterkwaliteitsanalist, alsof ze in een fabriek werken vergelijkbaar met Tata Steel in Scunthorpe , Groot-Brittannië . Ze moeten reageren op een specifiek scenario, passende analyses uitvoeren en bepalen of de fabriek efficiënt thiocyanaat uit het afvalwater verwijdert.

Thiocyanaten: een alomtegenwoordig gif

Steenkool wordt omgezet in
coles in cokesovens.
Thiocyanateionen zijn een
bijproduct

Afbeelding met dank aan de
Royal Society of Chemistry

Thiocyanaationen ( SCN ) zijn toxisch voor waterorganismen en staan ​​erom bekend dat ze de schildklier bij mensen beïnvloeden, waarbij ze het vermogen van de klier verminderen om hormonen voor de normale functie van het lichaam te produceren.

Thiocyanaten kunnen veel verschillende bronnen hebben. Bijvoorbeeld vergassen van steenkool en bij de productie van industrieel bruikbare stoffen uit steenkool, worden grote hoeveelheden thiocyanaationen gevormd, tezamen met een groot aantal andere toxische verbindingen zoals fenolen en ammonium. Deze bijproducten zijn derhalve bestanddelen van het afvalwater van de fabriek.

Thiocyanaten zijn ook te vinden waar cyanide wordt gebruikt voor de winning van edele metalen. Het cyanide wordt omgezet in thiocyanaat door de reactie met zwavel, die van nature wordt gevonden in ertsen:

8CN + S8 → 8SCN

Sommige pesticiden bevatten ook thiocyanaationen als het werkende, giftige, bestanddeel. Sporen van thiocyanaat komen van nature voor in het menselijk lichaam als een bijproduct van het metabolisme van cysteïne en detoxificatie van cyanide – het wordt dan uitgescheiden in de urine. Het kan in het menselijk lichaam worden opgenomen via roken en is een bijproduct van het metabolisme van bepaalde geneesmiddelen voor de behandeling van hoge bloeddruk.

Microben tegen gif

Het proces van het verwijderen van thiocyanaationen uit afvalwater vindt plaats in grote betonnen tanks in de buitenlucht, die actieve slib, een biologisch actief materiaal dat een reeks micro-organismen bevat die thiocyanaationen en andere verontreinigingen in minder gevaarlijke verbindingen kunnen afbreken. De chemische reactie die plaats vindt om thiocyanaat te neutraliseren is:

SCN + 3H2O + 2O2 → HCO3 + NH4+ SO42- + H+

Deze reactie is een voorbeeld van bioremediatiew1,een proces waarbij microben worden gebruikt voor het reinigen van verontreinigde grond en grondwater. Planten kunnen ook worden gebruikt om vervuilde grond te reinigen, in een proces genaamd fytoremediatiew2.

Voor en na de behandeling kan water eenvoudig worden onderzocht op de aanwezigheid van thiocyanaationen. Als de oplossing bloedrood wordt na de toevoeging van ijzer(III)chloride , dan zijn thiocyanaationen aanwezig, volgens deze vergelijking:

IIndustriëel landschap in de
buurt van Vancouver, Canada

Afbeelding met dank aan  Evan
Leeson/Flickr

Fe3+(aq) + SCN(aq) → [FeSCN]2+(aq)

of vollediger,

[Fe(H2O)6]3+(aq) + SCN(aq) → [Fe(H2O)5SCN]2+(aq) + H2O(l)

Deze reactie kan worden gebruikt voor de kwantitatieve analyse van lage concentraties thiocyanaationen  Met behulp van een colorimeter , kun je de absorptie bij 480 nm van het [Fe(H2O)5SCN]2+ complex meten en de precieze concentratie van thiocyanaationen afleiden, mits deze niet te hoog is. Je kunt ook gebruik maken van eenvoudige kleurvergelijking, hoewel de resultaten minder nauwkeurig en alleen kwalitatief zullen zijn .

Scenario

Zoals uitgelegd in het werkblad  1w3,moeten de studenten zichzelf in de rol verplaatsen van een kwaliteitsanalist van een klein onafhankelijk kwaliteitscontrolebedrijf dat de resultaten controleert om ervoor te zorgen dat ze voldoen aan de eisen van het Britse Milieuagentschap.

Staalfabriek in Pittsburgh, PA
, USA , in 1905

Afbeelding uit het publieke
domein. Bron: Boston Public
Library

Van het afvalwater van een industriële installatie zoals Tata Steel in Scunthorpe is bekend dat het ongeveer 250 mg/dm3  (250 ppm) thiocyanaationen bevat. Het veilige niveau dat door het Agentschap is aangegeven is echter 10 mg/dm3 daarom wordt het afvalwater behandeld en wordt de thiocyanaatconcentratie teruggebracht tot 1 mg/dm3, ver onder de veilige grens. De thiocyanaationen worden verwijderd uit het afvalwater voordat het wordt afgevoerd naar de Trent.

Er is onlangs een periode van ernstige koude geweest, die de activiteit van micro-organismen kan beïnvloeden. Het bedrijf vreest dat dit de waterzuiveringsinstallatie heeft beïnvloed en dat het de doeltreffendheid heeft verminderd van het ​​verwijderen van thiocyanaationen uit afvalwater.    

Het water wordt gewoonlijk drie keer per dag in de fabriek onderzocht op thiocyanaat met een eenvoudige test: een zure oplossing van ijzer(III)chloride wordt toegevoegd aan het watermonster en de concentratie thiocyanaat wordt fotometrisch gemeten door de absorptie door het ijzer(III)thiocyanaat complex te meten. In totaal worden elke week 16 afzonderlijke tests uitgevoerd. Monsters van inkomend afvalwater en het water dat klaar is om te lozen op de rivier worden ook meegenomen naar het laboratorium voor een nauwkeurige analyse.

Analisten van het bedrijf hebben controles uitgevoerd, maar het bedrijf is op zoek naar een onafhankelijke analist: jij!

 

Word een waterkwaliteitsanalist – algemeen overzicht

Veiligheid

Je moet geschikte oog- en handbescherming dragen voor het werken met zuren en thiocyanaten. Je kunt de veiligheidsvoorschriften nazien op de website van Science in School en aan het eind van de gedrukte uitgave.

Het volgende practicum is bedoeld voor leerlingen van 16-18 jaar en nemen ongeveer 2 uur in beslag.

Voorbereiding

In het analyse laboratorium
in de  Tata Steel fabriek​

Afbeelding met dank aan de
Royal Society of Chemistry

1-Maak de volgende oplossingen klaar voordat je aan het practicum begint:

a- Een oplossing van kaliumthiocyanaat (KSCN) van 250 mg/dm3 (250 ppm). Los 4.5 g kaliumthiocyanaat op in 500 cm3  gedestilleerd water. Verdun dan 50 cm3 van deze oplossing  tot 1dm3:  het heeft dan een  concentratie van 250 mg/dm3 thiocyanaat ionen.

b– Een oplossing van zuur ijzer(III)chloride (FeCl3(H2O)6) van 0.41 mol/dm3. Los 50 g  FeCl3(H2O)6 op in ongeveer  250 cm3 van een oplossing van waterstofchloride (HCl) van 1 mol/dm3

c– Twaalf gelabelde monsters van verschillende  concentraties thiocyanaationen:

  • Monsters 1-4 vertegenwoordigen water uit de inlaatpijp die de afvalwaterzuiveringsinstallatie ingaat. Verdun de kaliumthiocyanaatoplossing 250 mg/dm3 10 keer om een concentratie van 25 mg/dm3 te krijgen. Het moet dan iets worden verdund om variatie in concentratie te krijgen bij de vier monsters.
  • Monsters 5-8 staan voor water uit de pijp die afvalwater vervoert van de waterzuiveringsinstallatie naar de rivier . Ze moeten worden bereid met een concentratie van 5 mg/dm3: pipetteer 10cm3 van de kaliumthiocyanaatoplossing van 250 mg/dm3  in een 500 cm3 maatkolf en voeg gedestilleerd water toe tot de streep.
  • Monsters 9 tot 12 staan voor water uit de bezinking in de tanks. Ze worden gemaakt door de oplossing van kaliumthiocyanaat van 25 mg/dm3 te mengen met een gelijk volume of dubbel volume gedestilleerd water. De exacte verhoudingen van thiocyanaatoplossing en water is niet kritisch.
Afbeelding 1. Plattegrond met uitleg van de waterzuiveringsinstallatie die laat zien waar de monsters kunnen worden genomen
Afbeelding met dank aan de Royal Society of Chemistry

2.  Voorzie de leerlingen van  een plattegrond van de fabriek (figuur 1), werkblad  1w3 waarin het scenario staat uitgelegd en werkblad 2w4 waarin alle details worden beschreven van de analyse.

3.De leerlingen moeten een brief schrijven aan het bedrijf dat met de waterzuiveringsinstallatie werkt, met het verzoek om monsters die nodig zijn voor analyse. Ze moeten specificeren op welk punt in de afvalwaterstroom die door de installatie gaat ze willen dat monsters genomen worden, hoeveel monsters ze nodig hebben en wanneer ze moeten worden genomen. Ze moeten ook specificeren hoeveel van elk monster nodig is, hoe ze moeten worden genomen en in wat voor soort opslagmedium ze moeten worden verzameld.

4. De leerlingen moeten werken in paren bij het analyseren van hun monsters volgens de methode beschreven in werkblad  2w4.

Materialen

  • Buret
  • 7 maatkolven van 100 cm3
  • een colorimeter en een geschikt filter (blauw) – een oplossing van het complex laat een maximale absorptie bij 480 nm zien.
  • 30 cm3 van een oplossing van kaliumthiocyanaat die 250 mg/dm3 thiocyanaat ionen (250 ppm) bevat.
  • 70 cm3 van een oplossing van ijzer(III) chloride van 0.41 mol/dm3
  • 10 cm3 van een oplossing met een onbekende thiocyanaatconcentratie (die je nodig hebt om te onderzoeken in je rol als kwaliteitsanalist)

Werkwijze

In het analyse laboratorium
in de  Tata Steel fabriek​

Afbeelding met dank aan de 
Royal Society of Chemistry

Veiligheid: Draag oogbeschermers. IJzer(III)chloride oplossing is irriterend.

 1. Maak een ijklijn 

a. Vul drie buretten, de ene met een kaliumthiocyanaatoplossing die 250 ppm thiocyanaat bevat, een met gedestilleerd water en een met een ijzer(III)chlorideoplossing.

b. Doe in zes 100 cm3 maatkolven, 0.0, 2.0, 4.0, 6.0, 8.0 en 10.0 cm3 van de kaliumthiocyanaatoplossing van 250 mg/dm3 en label ze A tot F.

c.Doe gedestilleerd water in elke kolf om het volume op ongeveer 80 cm3 te brengen.

d. Doe in elke kolf 10 cm3 ijzer(III)chlorideoplossing en doe er dan gedestilleerd water bij om het volume op 100 cm3 te brengen. Meng de oplossingen grondig.

Kolf

a

b

c

d

e

f

Volume van de kaliumthiocyanaatoplossing (cm3)

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10

Thiocyanaatconcentratie (ppm)

0 5 10 15 20 25

e. Meet de absorptie van elke oplossing met de colorimeter

f. Maak een grafiek waarin je de absorptie ( y-as ) afzet tegen de thiocyanaatconcentratie (in ppm thiocyanaat) ( x -as ) voor de zes oplossingen .

2.Analyseer het monster

a. Doe 10 cm3 van de oplossing met de onbekende thiocyanaatconcentratie in een maatkolf van 100 cm3 en doe er gedestilleerd water bij om het volume op ongeveer 80 cm3  te brengen.

b. Doe in de kolf 10 cm3 ijzer(III)chlorideoplossing en doe er dan gedestilleerd water bij om het volume op 100 cm3 te brengen. Meng de oplossingen grondig.

c. Meet de absorptie van de oplossing met de colorimeter.

d. Gebruik de grafiek om de thiocyanaationenconcentratie (in ppm) in de onbekende oplossing te vinden.

3. Schrijf een verslag aan de onderneming die de afvalwaterzuiveringsinstallatie beheert met een samenvatting van je werk en met een advies over de vraag of het afvalwater moet worden afgevoerd naar de rivier of niet. Leerlingen moeten het bewijs waarop de aanbeveling is gebaseerd beschrijven en het vertrouwen dat ze in hun resultaten hebben becommentariëren, rekening houdend met het foutenpercentage die in hun analyses kunnen zijn geslopen. 

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Lees meer in een case study over bioremediatie.
  • w2 – Leer meer over  fytoremediatie.
  • w3 – Download werkblad 1 in Word of in Pdf, waarin het  scenario achter het practicum wordt omschreven.
  • w4 – Download werkblad 2 in Word of in Pdf, waarin de analyse wordt beschreven.

Resources

Author(s)

Sarah Al-Benna doceert scheikunde aan het International Baccalaureate Diploma Programme en algemene natuurwetenschappen aan het International Baccalaureate Middle Years Programme aan de Internationale School in Heidelberg. Eerder gaf ze les aan de Internationale School in Londen en aan UK state school system in Reading en Ellesmere Port .


Review

Onderwijskundig onderzoek heeft de waarde bewezen van het plaatsen van theoretische ideeën in ‘levensechte’ projecten – of in praktijkcontexten. Deze praktische activiteit is een goed voorbeeld van het plaatsen van de klassieke analytische scheikunde in een praktijkcontext. Het biedt ook mogelijkheden om overdraagbare vaardigheden in de gegevensverwerking en communicatie te ontwikkelen.


Marie Walsh, Limerick Institute of Technology, Ierland




License

CC-BY-NC-SA