6. Лабораторна робота.

ВИЗНАЧЕННЯ ЗАБРУДНЮЮЧИХ ДОМІШОК НАФТИ У

ВОДІ

Мета роботи. Набути і систематизувати знання про власти­вості біогенного елементу карбону і його участі в біопродесах і кругообізі. Засвоїти методику визначення нафти у воді і методи очищення (екстракція, перегонка, колоночна хроматографія) з перспективою використання знань і умінь в практичній діяльності еколога.

Теоретична частина

На нашій планеті карбон міститься в атмосфері, воді і ґрунті у вигляді різних сполук, головним чином, карбон (IV) оксиду в повітрі, гідрокарбонат-іонів НС0₃ - у воді. Число органічних сполук карбону в десятки разів перевершує число неорганічних сполук усіх хімічних елементів, разом узятих. Крім основних класів органічних речовин, до їхнього числа відносяться усі біологічно активні речовини: білки, ліпіди, вуглеводи, вітаміни, токсини, нуклеїнові кислоти, ферменти, озокерит, а також каучук, барвники. Як продукт розкладання органічних речовин колишніх геологічних епох, карбон зустрічається у вигляді покладів різних копалин: нафти, вугілля (бурого і кам’яного, антрациту, сапро­пелітів), горючих сланців, торфу, газових родовищ. Методами спектрального аналізу встановлено, що в космічному просторі карбон існує у вигляді двохатомного радикалу С₂.

У природі карбон зустрічається у вигляді ізотопів ¹²С (98,89%) і ¹⁴С (1,11%). Загальний вміст карбону в земній корі - 0,1%. У чистому вигляді він відомий у трьох алотропічних модифікаціях: алмаз, графіт і карбін, що відрізняються ісристалічною граткою: кубічною в алмазі, гексагональною в графіті. Карбін має ланцюж­кову будову (С=С-С=С

В царстві мінералів карбон перебуває у вигляді карбонатів - солей карбонатної кислоти Н₂С0₃; найважливіші мінерали: сода Na₂CO₃'10H₂O, магнезит MgC0₃, доломіт MgC0₃- СаС0₃, пірсонит Na,C0₃- MgC0₃-2H,0, вітерит ВаСО,,, а також шпати: вапняний, мангановий, цинковий, залізний, відповідно, СаСО„, MnC0₃, ZnC0₃, FeC0₃.

Нафта (від тюрк, neft) — масляниста на дотик, майже чорного кольору з буруватим відливом рідина, легша за воду, р = 0.79 -

1. 97 г/см³, нерозчинна у воді, має слабку флуоресценцію. За хімічним складом нафта — складна суміш вуглеводнів різної молекулярної маси, головним чином рідких вуглеводнів, у яких розчинені тверді і газоподібні. Зазвичай це граничні вуглеводні ряду метану, циклоалкани, ароматичні вуглеводні, що мають різне співвідношення в залежності від родовища, незначна кількость олефінів. Крім того, нафта містить кисневі, сірчисті і азотисті органічні сполуки, нафтенові кислоти. Переробкою нафти отримують цінні нафтопродукти.

Первинна переробка нафти полягає в її перегонці. Перегонку здійснюють на нафтопереробних заводах після видалення побіжних газів (температура кипіння до 40°), газова фракція містить нормальні і розгалужені алкани С - С_г При перегонці нафти утворюються світлі нафтопродукти:

петролейний ефір, або газолін (50 - 70°С), що містить вуглеводні С. - С₇;

бензин (70 - 120 С) з складом вуглеводнів С₆ - С_д; лігроїн (120 - 150 С), що містить С — С ; гас (150 - 230 С), складу С_п - С₁₂; газойль (230 — 300 С), що містить С₁₃ - С₁₇; солярові олії ( > 300 С), С - С„₈;

залишок - мазут, що переганяють під зниженим тиском для запобігання розкладанню і виділяють мастила - веретенне, машинне, циліндрове. З мазуту деяких сортів і з мастил одержують вазелін і парафін. Залишок - нафтовий пік, або гудрон використо­вують для асфальтового покриття.

Вторинна переробка нафти - крекінг, розщеплення вуглевод­нів.

Будучи безцінною сировиною для хімічної, полімерної, нафтопереробної промисловості, необхідною для сучасного транспорту, більш за те - лікувальним препаратом (знаменита нафталанова нафта), нафта є небезпечним полютантом довкілля. Забруднення водойм нафтою веде до загибелі риб і птахів, збідненню флори і фауни, знижує вміст розчиненого оксигену і рН води, змінює газовий і температурний режим водойм, призводить до накопичення токсичних нафтенових кислот. Встановлено токсич­ний і, деякою мірою, наркотичний вплив нафти на організм, враження серцево-судинної та нервової систем, а також канцероген­ний ефект конденсованих вуглеводнів типу бенз[а]пірену.

Нафтопродукти перебувають в природних водах у різних міграційних формах: розчиненій, емульгованій, сорбованій на твердих частинках завислих речовин і донних відкладеннях, у вигляді плівки на поверхні. В результаті міграції нафти проходить перерозподіл між основними формами міграції і зменшення її вмісту в плівці в результаті випаровування, хімічного, біо­хімічного, а також мікробіологічного окиснення. Відомо більш як 200 видів бактерій і грибів, які з різною швидкістю і вибірковістю утилізують вуглеводні.

Оцінка забруднення нафтою берегів і водойм є дуже важли­вою. Зараз розроблені методи аналізу, що дозволяють оцінити нафтове забруднення. До них відносяться диференційні (мас- спектрометрія, газорідинна хроматографія) і інтегральні методи (ультрафіолетова й інфрачервона спектроскопія, люмінесценція, рефрактометрія, гравіметричний метод). В лабораторних умовах успішно застосовують гравіметрію для кількісного визначення із чутливістю 0.3 мг/л.

ГДК нафти у воді - 0,3 мг/л, багатосірчистої - 0,1 мг/л; вод рибогосподарського використання — 0,05 мг/л.

Гравіметричний метод включає застосування декількох способів поділу речовин: екстракцію, перегонку, колоночну адсорбційну хроматографію (см. Ч.І, 1.2) і основні лабораторні заходи - нагрівання, висушування, фільтрування і зважування.

Експериментальна частина

Устаткування і реактиви: аналітичні терези; алонж, бюкс, конічна колба місткістю 100 мл, скляна лійка для фільтрування, круглодонна колба місткістю 250 мл, колонка хроматографічна, холодильник, ділильна лійка, насадка Вюрца; проба забрудненої нафтою води; діалюміній триоксид А1,0₃, безводний, прожарений 6 год при 500 ; натрій сульфат Ма₂80₄, прожарений; гексан, х.ч.

Хід аналізу

1. етап роботы. Екстракція нафти: для цього до проби доливають екстрагент - гексан (із розрахунку 20 мл на літр води). Закривши колбу пробкою, протягом 10 - 15 хв ретельно збовтують вміст, переливають у ділильну лійку, закривають пробкою і знову збовтують, періодично випускаючи пару, що утворилася, дають відстоятися. Спостерігають поділ водяного і гексанового шарів. Відокремлюють нижній водяний шар, зливаючи крізь кран ділильної лійки до вихідної колби. Верхній гексановий шар виливають через верхній отвір ділильної лійки до чистої колби місткістю 100 мл з притертою пробкою. Екстракцію повторюють три рази, після чого водяний шар відкидають, а гексановий екстракт сполучають з гексаном, яким обмили стінки ділильної лійки і колби, шо містила пробу.

2. етап. Висушування гексанового екстракту за допомогою прожареного осушувача Па₂30₄ (із розрахунку 1 г осушувача на 50 мл рідини) не менш як 12 год.

3. етап. Фільтрування екстракту крізь паперовий фільтр у круглодонну колбу для відгону розчинника. Невеликою кількістю гексану обполіскують осушувач, і розчин відфільтровують до тієї ж колби.

4. етап. Перегонка розчину екстракту з метою відгону розчинника і його концентрування. Перегонку здійснюють на водяній бані доти, поки в перегонній колбі не залишиться 3-4 мл екстракту.

5. етап. Після остигання приступають до хроматографічного поділу характерних для нафти неполярних сполук від полярних домішок. Процес здійснують методом колоночної хроматографії, використовуючи як адсорбент (нерухому фазу) А1₂0._;, а як елюент, тобто розчинник для вимивання (елюювання) заданої речовини або суміші речовин однакової природи, — гексан. В верхню частину колонки на поверхню сорбенту виливають нафтовий екстракт, обмивають колбочку гексаном по 2 мл 3 рази і також заливають в колонку. Після прохождения екстракту до колонки заливають елюент, стежачи, аби поверхня сорбента була постійно вкритою гексаном (відсутність елюенту призводить до розкришення адсорбенту, проникнення повітря і порушення хроматографічного поділу.) Безбарвний елюат з колонки збирають у попередньо зважений бюкс.

Після випарювання екстракту, підсушування до досягнення постійної маси в ексикаторі, його зважують на аналітичних терезах. Розрахунок вмісту нафтопродуктів (X, мг/л) виконують за формулою:

_{х =} Ре^_ _/л V

де Р — маса бюкса з екстрактом, мг; Р_т— маса порожнього бюкса; V— об’єм взятої проби воды, л.

Порівняйте результат аналізу з величиною ГДК і зробіть висновок відносно забруднення води нафтою.

Запитання до захисту лабораторної роботи

2. Які вуглеводні входять до складу нафти? Чи склад нафти є сталим?

3. В чому біогенне значення елемента карбону і його винятковість, і чи має він аналоги за значущістю в біосфері серед відомих елементів?

4. Які джерела карбону у природі ви знаєте?

5. Як відбувається біогеохімічний кругообіг карбону у природі?

6. Природний газ одного з родовищ складається з 85% метану, 8% етану, 2% пропану, 2% нітрогену і 3% С0₂. Розрахуйте об’єм повітря, необхідний для спалювання 2 м^:! цього газу. Вміст оксигену у повітрі 20 об.% .

7. У чому сутність парникового ефекту?

8. Чому є небезпечним забруднення водойм нафтою?