Исследовательский проект "Использование метода спектрофотомерии для определения концентрации фенола в воде"

Разделы: Химия, Биология, Экология

I. Введение

1. Общие сведения о фенолах

Фенолы- это производные ароматических углеводородов, в которых отдельные атомы водорода замещены гидроксильной группой. Фенолы представляют собой производные бензола с одной или нескольким гидроксильными группами. Их принято делить на две группы – летучие с паром фенолы (фенол, крезолы, ксиленолы, гваякол, тимол) и нелетучие фенолы (резорцин, пирокатехин, гидрохинон, пирогаллол и другие многоатомные фенолы).

Фенол – кристаллическое вещество, с температурой плавления 43°С, температурой кипения 181°С, растворяется в воде (при 15°С – около 8%). С водой дает гидрат (температура плавления 16°С), называемый обычно карболовой кислотой. Небольшие количества воды сильно снижают температуру плавления фенола. Он обладает характерным запахом. Фенол вызывает ожоги на коже. Вдыхание фенола влечет сильное раздражение слизистых оболочек, контакт с кожей – ожоги, а хроническое отравление приводит к поражению печени и почек, патогенному изменению крови. Является одним из первых примененных в медицине антисептиков.

Фенол содержится в моче человека и животных, так как белковые аминокислоты, содержащие бензольное кольцо, при расщеплении в организме дают фенол.

2. Объекты исследования

Объектом моего исследования является сточные воды завода ООО "ЭГГЕР ДРЕВПРОДУКТ" и питьевая вода.

3. Актуальность проблемы

Фенолы являются одним из наиболее распространенных загрязнителей, поступающих в поверхностные воды со стоками предприятий нефтеперерабатывающей, сланцеперерабатывающей, лесохимической, коксохимической, анилинокрасочной промышленности и др.

При обработке хлором воды, содержащей примеси фенола, могут образовываться очень опасные органические токсиканты – диоксины. Удаление фенолов из сточных вод газовых и коксохимических заводов, заводов по перегонке бурого угля, от перегонки смолы в процессах гидрирования, от генераторных установок, предприятий по переработке нефти и предприятий химической промышленности является, поэтому необходимым. Оно может быть выполнено путем извлечения фенола из сточных вод или ликвидацией его. В загрязненных фенолами природных водах содержание их может достигать десятков и даже сотен микрограммов в 1 л. ПДК фенолов в воде для России составляет 0,001 мг/дм3.

Сброс фенольных вод в водоемы и водотоки резко ухудшает их общее санитарное состояние, оказывая влияние на живые организмы не только своей токсичностью, но и значительным изменением режима биогенных элементов и растворенных газов (кислорода, углекислого газа).

Процесс самоочищения водоемов от фенола протекает относительно медленно и его следы могут уноситься течением реки на большие расстояния, поэтому до сброса фенолсодержащие стоки подвергают достаточной очистке.

Наряду с токсичностью и возможностью связать кислород, что в целом отрицательно сказывается на качестве воды в водоеме, фенольные сточные воды наносят вред рыболовству и представляют опасность для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Присутствие даже очень малых количеств фенола в воде, предназначенной для хозяйственно-питьевых целей, значительно ухудшает ее качества. Анализ воды на фенол важен для природных и сточных вод. Необходимо проверять воду на содержание фенола, если есть подозрение в загрязнении водотоков промышленными стоками. ПДК фенола в воде – 3*10-5 (моль/л).

4. Гипотеза

Подходит ли метод спектрофотометрии для выявления содержания фенола в воде?

5. Цель исследования.

Выявить содержание фенола в воде методом спектрофотометрии.

II. Обзор литературы

1. Методы очистки сточных вод от фенола.

  1. Парофазное окисление
  2. Озонирование
  3. Метод обработки хлором и хлорсодержащими агентами
  4. Метод окисления диоксидом хлора
  5. Пероксид водорода
  6. Биологическая очистка
  7. Ионообменная очистка
  8. Очистка перегонкой и ректификацией

2. Спектрофотометрия.

СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ – метод исследования и анализа веществ, основанный на измерении спектров поглощения в оптической области электромагнитного излучения.

Спектрофотометрию широко применяют для исследования органических и неорганических веществ, для качественного и количественного анализа различных объектов (в частности, природных), для контроля технологических процессов. Различают спектрофотометрию в ИК (Инфракрасная спектроскопия), видимой и УФ(Ультрафиолетовая спектроскопия) областях спектра. В качестве источников излучения применяют дейтериевую (или водородную) лампу (в УФ области) и вольфрамовую лампу накаливания или галогенную лампу (в видимой и ближней ИК областях). Приемниками излучения служат фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и фотоэлементы (фоторезисторы на основе PbS). Диспергирующими элементами прибора являются призменный монохроматор или монохроматор с дифракционными решетками. Спектр получают в графической форме, а в приборах со встроенной мини-ЭВМ-в графической и цифровой формах. Графически спектр регистрируют в координатах: длина волны (нм) и (или) волновое число (см-1)-пропускание (%) и(или) оптическая плотность. Основные характеристики спектрофотометров: точность определения длины волны излучения и величины пропускания, разрешающая способность и светосила, время сканирования спектра. Мини-ЭВМ (или микропроцессоры) осуществляют автоматизированное управление прибором и различную математическую обработку получаемых экспериментальных данных.

3. Закон Бугера-Ламберта-Бера

Закон Бугера-Ламберта-Бера связывает уменьшение интенсивности света, прошедшего через слой светопоглощающего вещества, с концентрацией этого вещества и толщиной слоя. Чтобы учесть потери света на отражение и рассеяние, сравнивают интенсивность света, прошедшего через раствор исследуемого вещества я растворитель.

При одинаковой толщине кювет, изготовленных из одинакового Материала и содержащих один и тот же растворитель, потери на отражение и рассеяние света будут примерно одинаковы в обоих пучках, и уменьшение интенсивности света будет зависеть практически только от концентрации вещества.

Уменьшение интенсивности света, прошедшего через раствор, характеризуется коэффициентом пропускания (или просто пропусканием) Т:

http://acio.ru/files/img1/img43.jpg

где I и I0 – соответственно интенсивность света, прошедшего через раствор и растворитель.

Десятичный логарифм коэффициента светопропускания, взятый с обратным знаком, называется оптической плотностью А:

http://acio.ru/files/img1/img44.jpg

Уменьшение интенсивности при прохождении света через раствор подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера:

http://acio.ru/files/img1/img45.jpg

или

http://acio.ru/files/img1/img46.jpg

или

http://acio.ru/files/img1/img47.jpg

где

ε – молярный коэффициент погашения,
b – толщина светопоглощающего слоя,
C – молярная концентрация раствора,
А – оптическая плотность

4. Характеристика объекта исследования (Завод ООО "ЭГГЕР ДРЕВПРОДУКТ")

В производстве древесностружечных плит при изготовлении и сортировке щепы, изготовлении стружки, при механической обработке плит (обрезка, шлифование, раскрой) выделяются отходы древесины, в том числе древесная пыль. В процессе пропитки стружки смолой, горячего прессования, охлаждения, выдержки плит выделяются вредные парогазовоздушные смеси из расходуемых смолосодержащих материалов. В атмосферу поступает 40 % от валового количества свободного формальдегида и фенола. Предприятие по производству древесно-стружечных плит, согласно санитарным правилам и нормам, относится к III классу опасности. Санитарно-защитная зона для такого производства 300 м. Экологическая экспертиза выявила, что на предприятии находятся источники выбросов 30 загрязняющих веществ, в том числе оксидов азота, диоксида серы, серной кислоты, сажи, сероводорода, оксида углерода, предельных углеводородов различных групп (природный газ и различные типы нефтепродуктов), ароматических углеводородов, фенола, формальдегида, метанола, пыли древесной, пыли абразивной и др. На заводе в Ивановской области не предусмотрено никакой очистки газообразных выбросов. В соответствии с материалами экологической экспертизы прямое влияние проектируемого ЗПДМ ООО "Эггер Древпродукт" на водные экосистемы реки Теза и оз. Яскинского и качество воды в ней будет отсутствовать. Возможно воздействие на данные природный объекты только через атмосферные осадки, а также посредством поверхностного и грунтового стока. В числе других выбросов в атмосферу фенол, в результате выпадения осадков, может оказаться в водоемах.

III. Методика определения фенола в воде

Спектрофотометр СФ-46

  1. Заменим раствор сравнения в кювете на раствор фенола без добавки.
  2. Поместим кювету в измерительную ячейку и закроем крышку кюветного отделения.

Снятие спектра

  1. Установим в кюветное отделение кювету с раствором сравнения (вода или 0,1 М HCl) и исследуемым раствором. Запишем положение растворов
  2. Откроем фотоэлемент.
  3. Установим требуемую длину волны.
  4. Измерим оптическую плотность при установленной длине волны и запишем ее значение.

Построение калибровочного графика.

  1. Выберем длину волны (волн) для построения калибровочного графика (измерения коэффициентов светопоглощения).
  2. Установим требуемую длину волны.
  3. Установим в кюветное отделение вместо ранее используемого рабочего раствора, кювету с исследуемым раствором минимальной концентрации
  4. Измерим оптическую плотность.

Оборудование

  1. Спектрофотометр

Реактивы

  1. Глюкоза (в порошке)
  2. Фенол
  3. Серная кислота (H2SO4)
  4. Дистиллированная вода.

Ход работы

Готовим раствор фенола. Для этого берем 2,4 грамма фенола, добавляем 5 мл серной кислоты, перемешиваем.

Берем 0,9 грамма глюкозы, разбавляем дистиллированной водой, доводим до метки. Отдельно в другую колбу отмеряем 5 мл серной кислоты. В колбе смешиваем серную кислоту и 2 мл раствора фенола. Реакция не наблюдается. С помощью дозатора берем 1 мл раствора глюкозы и добавляем в полученный раствор. Наблюдаем экзотермическую реакцию с появлением красно-коричневой окраски.

Реакции конденсации с фенольными соединениями. SE в ядро.

В результате реакции получается ауриновый краситель розово-красного цвета. Электронный спектр поглощения данного соединения представлен ниже (рис. 1). Из данного рисунка видно, что продукт реакции глюкозы с фенолом в среде серной кислоты имеет максимум поглощения на длине волны 480 нм. В дальнейшем данную длину волны использовали для построения калибровочного графика (рис. 2).

  1. 5,56*10-5 моль/литр
  2. 1,11*10-4 моль/литр
  3. 1,67*10-4 моль/литр
  4. 2,78*10-4 моль/литр


Рис. 1

Построение калибровочного графика


Рис. 2

Y – коэффициент экстинции
R2 – отклонение от 100%

IV. Результаты

-lgT=lg(I0/I)=εbC

Оптическая плотность А=0.4

Определяем исходную концентрацию

C=0.4/3731=1.7*10-4(моль/л)

V. Выводы

  1. Метод не подходит для определения концентрации фенола в питьевой воде, т.к. из-за хлорирования концентрация фенола меньше 10-5 (моль/л).
  2. В промышленности концентрация фенола до очистки может быть в 5-10 раз выше, поэтому данный метод можно применять для определения концентрации фенола в сточных водах.

VI. Рекомендации

Использовать данный метод для определения фенола в сточных водах предприятий с целью дальнейшей очистки.

VII. Список литературы:

  1. Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. – М., ВШ., 1969.
  2. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе и воде. 2-е изд., – Л.: Химия, 1975.
  3. Томилов А.П., Осадченко И.М., Фукс Н.Ш. Химическая Промышленность, 1972, №4, с. 267.271
  4. Вишняков В.Г., Лохматова Т.Ф. Электрохимический метод очистки сточных вод. Обзоры по отдельным производствам химической промышленности. – М.: изд. НИИТЭХИМ, 1974, вып. 12 (62), с. 71.88
  5. Вигдорович, В.И. Экология. Химические аспекты и проблемы /В.И. Вигдорович, Л.Е. Цыганкова. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 1994. – 150 с.
  6. Перечень предельно допустимых концентраций и ориентировочных безопасных уровней воздействия веществ для воды рыбохозяйственного назначения. – М.: Медикор, 1995. – 220 с.
  7. Проскуряков, В.А. Очистка сточных вод в химической промышленности / В.А. Проскуряков, Л.И. Шмидт. – Л.: Химия, 1977. – 464 с.