Углерод вода что образуется

Определение общего органического углерода в обессоленной воде лабораторными методами и спектрофотометрическим анализом

Общий органический углерод (ООУ)

Углерод – основа всех органических молекул. Поэтому любая органика будет содержать определенное количество углерода. К примеру, для молекулы этилового спирта C₂H₅OH это количество будет равно двум атомам углерода на одну молекулу. Зная концентрации органических веществ, можно вычислить содержание углерода в них. И наоборот – зная количество общего органического углерода, можно вычислить содержание органических примесей в пробе.

ТОС и другие формы углерода

Общий органический углерод – ООУ, либо TOC (от англ. Total Organic Carbon) связан со всеми показателями содержания в пробе углерода. Вот все они в перечне:

• Общий углерод – ОУ (Total Carbon – TC), показывает общее содержание углерода в пробе вне зависимости от его органической или неорганической природы.
• Общий органический углерод – ООУ (Total Organic Carbon – TOC), показывает общее содержание органического углерода в пробе.
• Общий неорганический углерод – ОНУ (Total Inorganic Carbon – TIC), показывает общее содержание углерода в неорганических примесях в пробе.
• Растворенный органический углерод – РОУ (Dissolved Organic Carbon – DOC), показывает содержание фракции органического углерода, которая проходит сквозь фильтр с размером ячейки 0,22-0,7 мкм.
• Твердый органический углерод – ТОУ (Purgeable Organic Carbon – POC) – фракция органического углерода, которая оседает на фильтре с размером ячейки 0,22-0,7 мкм.

Все эти виды углерода – части большой и сложной системы (См.: схема на рис. 1.)

Измерить содержание того или иного вида углерода в воде достаточно затруднительно, поэтому для измерения зачастую используются косвенные методы. К примеру, содержание общего органического углерода в пробе устанавливают в несколько этапов:

1. Измеряют содержание общего углерода.
2. Затем – измеряют количество неорганического углерода, выделившегося из аналогичной пробы при подкислении.
3. После этого – вычитают ОНУ из ОУ.

Использование таких косвенных методов актуально практически в измерении всех форм углерода, содержащихся в анализируемых природных и сточных водах.

Источники появления в воде

Углерод – важный участник различных химических циклов веществ на Земле. Помимо наличия в виде солей-карбонатов в составе многих минералов, он также присутствует в атмосфере в виде различных газов: углекислого, угарного, метана. Углерод – основной составной элемент в большинстве органических молекул. К примеру, белков, жиров, углеводов. Этого элемента много содержится в нефти.

В качестве основного источника появления углерода в воде мирового океана принято считать контакт поверхности воды с атмосферой. Углекислый газ растворяется в приповерхностном слое воды. Однако, следует упомянуть и другие пути попадания углерода в воду. Среди них – растворенный органический углерод, попадающий в воды вместе со стоками различной природы и вымываемый водой из горных пород и почвы нерастворимый неорганический углерод.

Попадая в природные водоёмы, углерод вступает в ряд химических, физических и биологических процессов, включающих в себя фотосинтез, осаждение и кристаллизацию, участие в пищевых цепочках или дальнейшее отложение в более глубоких слоях океана в различном виде.

Можно сделать вывод, что источников появления углерода в воде много. Его присутствие в ней – норма. Тем не менее, углеродный цикл планеты – неустойчивая система. Поэтому антропогенный фактор влияет на её работу.

Значение для экологии

Углерод – основа всех органических соединений и, соответственно, жизни. В связи с этим, баланс в углеродном цикле планеты является крайне важным аспектом экологии.

Наиболее известным экологическим эффектом, связанным с углеродом, является изменение состава атмосферы и накопление парниковых газов (метана и углекислого газа) в результате антропогенного влияния. Различные виды топлива – нефть, природный газ, нефть и продукты её переработки – имеют в своем составе углерод. При сгорании топлива выделяется углекислый газ. При поступлении в атмосферу, он увеличивает возможность планеты к накоплению тепла, что является одной из возможных причин глобального потепления.

Тем не менее, влияние повышения концентрации углекислого газа в атмосфере на экологию не ограничивается парниковым эффектом. Из-за активно происходящего массообмена между атмосферой и поверхностными водами, присутствие дополнительного углекислого газа повышает кислотность водоёмов, что оказывает влияние на весь углеродный цикл планеты. К примеру, из-за повышения кислотности воды могут наблюдаться сбои в жизненных циклах некоторых живых существ, проблемы с нормальным течением процессов вымывания почв и прочее.

В целом, углеродный цикл оказывает критически важное влияние на экосистему в целом, поэтому особенно важно следить за уровнями различных видов углеродных примесей в сточных водах.

Область применения показателя

Определение качества воды

Показатели содержания углерода в воде являются удобным методом определения общего качества воды. Например, некоторые страны используют анализ на ООУ (TOC) в качестве первичной проверки качества сточных и питьевых вод. Оценка содержания общего органического углерода в пробе воды – удобный аналог таких методов исследования воды, как БПК (биохимическое потребление кислорода) и ХПК (химическое потребление кислорода).

Также, существует предположение, что высокое содержание органических форм углерода в сточных водах приводит к росту биоплёнок на поверхностях трубопроводов. Это вызывает загрязнение воды, может приводить к её заражению различными патогенными и условно-патогенными микроорганизмами, что становится причиной ухудшения качества воды.

Фармацевтика и биотехнологии

Ряд фармакопей – европейская, японская, американская – считает содержание ООУ в воде ценным показателем качества воды и инструментом мониторинга биохимических процессов, происходящих в ней. Поддержание низкого уровня ООУ в питьевых водах является важным приоритетом для перечисленных стран. Считается, что существует определённое соотношение между уровнем ООУ и количеством эндотоксинов и различных микроорганизмов в воде.

Фармацевтическая промышленность, использующая биохимические процессы для производства определённых продуктов, ориентируется на этот показатель для мониторинга качества протекающих технологических процессов. Примерами использования показателя ООУ в биотехнологии можно считать производство различных биофармацевтических препаратов – вакцины, соматические клетки.

Нормы содержания TOC в выбросах

В Российской Федерации уровень содержания ООУ в водостоках не регламентируется. Единственным нормативно-техническим документом, связанным с контролем содержания ООУ, является СанПиН 2.1.4.1116A 2002 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества». Этим НТД постановлен предел содержания ООУ в 5 мг/л для воды высшей категории, в 10 мг/л для воды первой категории. Для воды централизованного водоснабжения уровень ООУ не регламентируется.

Предполагается, что существует корреляция между показателем ТОС и перманганатной окисляемостью (ПО), химическим потреблением кислорода (ХПК) и биологическим потреблением кислорода (БПК). В этом направлении ведутся исследования, например, в Екатеринбурге. В ходе исследований, учёные установили, что показатели ХПК и БПК не отражают в полной мере содержания органических примесей в воде по сравнению с ООУ. В связи с этим, они предложили установить нормативные значения ООУ для замены ХПК и БПК в нормативах РФ, касающихся различных видов воды.

Обзор методик, правил и ГОСТов

Помимо уже упомянутого СанПиН 2.1.4.116А 2002, определение ООУ упоминается и в других нормативно-технических документах. Так, в ГОСТ Р 52991-2008 «Методы определения содержания общего и растворенного органического углерода» приводится методика определения содержания ООУ в воде при помощи анализаторов углерода, принципом действия которых является каталитическое окисление находящихся в воде соединений углерода при высокой температуре. Это исследование позволяет с высокой точностью определять уровни как ООУ, так и ОНУ и ОУ в пробе воды.

Лабораторные методы анализа

Подкисление и окисление

Поскольку ОУ, содержащийся в воде, состоит из компонентов различной природы (органической и неорганической), реакционная способность соединений, составляющих ОУ, различна. Существуют различные методики, использующие способность соединений углерода к взаимодействию с окислителями различной природы.

Поскольку угольная кислота H₂CO₃ является слабой и неустойчивой, сильные кислоты вытесняют карбонат-ион из солей, что приводит к образованию и мгновенному разложению этой кислоты в растворе. В ходе её разложения, образуются углекислый газ и вода. При добавлении к пробе воды сильной кислоты, происходит выделение СО₂ – из-за содержания примесей карбонатов и бикарбонатов. Эти примеси являются составляющими неорганического углерода в воде, поэтому по количеству образовавшегося углекислого газа можно судить об уровне ОНУ в пробе.

Затем пробу окисляют дополнительными способами:

• Высокотемпературным горением.
• Высокотемпературным окислением на катализаторе.
• Фотоокислением.
• Термохимическим оксидированием.
• Фотохимическим оксидированием.
• Электролитическим окислением.

Это приводит к разложение органических соединений углерода с выделением углекислого газа. Таким образом, в ходе анализа устанавливаются уровни ОНУ и ОУ в пробе, а по их разнице вычисляют содержание ООУ в воде.

Кислотно-основное титрование

Лаборант наблюдает за реакцией раствора пробы и заранее приготовленного раствора с точно известной концентрацией действующего вещества. Реакционноспособный углерод в исследуемом образце будет взаимодействовать с сильными кислотами с выделением углекислого газа. Сам углекислый газ способен взаимодействовать с гидроксидом натрия – основанием. Этот метод весьма сложен и малоприменим в рамках измерения ООУ, ОНУ и ОУ в пробах воды.

Гравиметрия

Сущность гравиметрического метода состоит в точном измерении массы того или иного вещества. В рамках исследования проб воды на содержание различных форм углерода данный метод не представляет большого интереса, поскольку невозможно обеспечить достаточную точность измерения. Тем не менее, для вод с большим содержанием карбонатов и бикарбонатов возможно определение их количества методом выпаривания воды и измерения массы осадка. Отметим, что точный состав осадка определить весьма затруднительно без применения других методов аналитической химии – титрования, проведение качественных реакций.

Спектрофотометрические системы

Спектрофотометрические системы могут быть полезны для определения компонентов состава примесей. Поскольку все химические соединения имеют уникальные спектры поглощения в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, то этот метод делает возможным точное определение природы многих загрязняющих веществ, содержащих в себе углерод. Из-за большого количества возможных составов примесей, спектры проб воды могут быть малоинформативны относительно состава и количества загрязняющих веществ. В случаях, когда примерно известен состав загрязнений, спектрофотометрия является одним из лучших методов анализа.

Отметим, что существует метод определения содержания ОУ в пробе посредством применения специальных комбинаций реагентов и тест-пробирок, содержащих мембрану, проницаемую только для СО₂. При совместном применении таких тест-систем с фотометром этот метод позволяет с высокой точностью определять примеси, содержащие углерод в пробе. Однако, стоимость метода и его эффективность делают его сравнительно неэффективным в сравнении с более распространенными термоокислительными и каталитическими методиками исследования.

Анализаторы

На сегодняшний день, большое распространение получили различные электронные анализаторы. Большинство из них действует по принципу окисления углеродсодержащих примесей.

Обзор устройств

Все анализаторы используют окисление различных форм углерода с последующим исследованием полученного газа. Однако, есть нюансы. Например, некоторые анализаторы используют в своей работе подкисление определяемого раствора с последующим Pt-катализированным горением. Помимо моделей с Pt-катализированной камерой сгорания, также существуют образцы, использующие фосфорную кислоту и персульфаты. Есть устройства работающие с комбинацией УФ-излучения и фосфорной кислоты (с персульфатами для окисления примесей).

Автоматические анализаторы наиболее удобны для применения в условиях, где необходим постоянный контроль за содержанием ООУ в воде. К примеру, на биотехнологических производствах.

Плюсы и минусы

Плюсы и минусы различных приборов определяются условиями их применения. Например, высокотемпературные каталитические системы, в целом, крайне точны, но требуют регулярного квалифицированного обслуживания и наблюдения. Системы, использующие УФ-лампы и фосфорную кислоту с персульфатами достаточно долговечны и могут работать в непрерывном режиме.

Источник

2.3.4. Химические свойства углерода и кремния.

Химические свойства углерода

Углерод способен образовывать несколько аллотропных модификаций. Это алмаз (наиболее инертная аллотропная модификация), графит, фуллерен и карбин.

Древесный уголь и сажа представляют собой аморфный углерод. Углерод в таком состоянии не имеет упорядоченной структуры и фактически состоит из мельчайших фрагментов слоев графита. Аморфный углерод, обработанный горячим водяным паром, называют активированным углем. 1 грамм активированного угля из-за наличия в нем множества пор имеет общую поверхность более трехсот квадратных метров! Благодаря своей способности поглощать различные вещества активированный уголь находит широкое применение как наполнитель фильтров, а также как энтеросорбент при различных видах отравлений.

С химической точки зрения аморфный углерод является наиболее активной его формой, графит проявляет среднюю активность, а алмаз является крайне инертным веществом. По этой причине, рассматриваемые ниже химические свойства углерода следует прежде всего относить к аморфному углероду.

Восстановительные свойства углерода

Как восстановитель углерод реагирует с такими неметаллами как, например, кислород, галогены, сера.

В зависимости от избытка или недостатка кислорода при горении угля возможно образование угарного газа CO или углекислого газа CO₂:

При взаимодействии углерода со фтором образуется тетрафторид углерода:

При нагревании углерода с серой образуется сероуглерод CS₂:

Углерод способен восстанавливать металлы после алюминия в ряду активности из их оксидов. Например:

Также углерод реагирует и с оксидами активных металлов, однако в этом случае наблюдается, как правило, не восстановление металла, а образование его карбида:

Взаимодействие углерода с оксидами неметаллов

Углерод вступает в реакцию сопропорционирования с углекислым газом CO₂:

Одним из наиболее важных с промышленной точки зрения процессов является так называемая паровая конверсия угля. Процесс проводят, пропуская водяной пар через раскаленный уголь. При этом протекает следующая реакция:

При высокой температуре углерод способен восстанавливать даже такое инертное соединение как диоксид кремния. При этом в зависимости от условия возможно образование кремния или карбида кремния (карборунда):

Также углерод как восстановитель реагирует с кислотами окислителями, в частности, концентрированными серной и азотной кислотами:

Окислительные свойства углерода

Химический элемент углерод не отличается высокой электроотрицательностью, поэтому образуемые им простые вещества редко проявляют окислительные свойства по отношению к другим неметаллам.

Примером таких реакций является взаимодействие аморфного углерода с водородом при нагревании в присутствии катализатора:

а также с кремнием при температуре 1200-1300 о С:

Окислительные свойства углерод проявляет по отношению к металлам. Углерод способен реагировать с активными металлами и некоторыми металлами средней активности. Реакции протекают при нагревании:

Карбиды активных металлов гидролизуются водой:

а также растворами кислот-неокислителей:

При этом образуются углеводороды, содержащие углерод в той же степени окисления, что и в исходном карбиде.

Химические свойства кремния

Кремний может существовать, как и углерод в кристаллическом и аморфном состоянии и, также, как и в случае углерода, аморфный кремний существенно более химически активен, чем кристаллический.

Иногда аморфный и кристаллический кремний, называют его аллотропными модификациями, что, строго говоря, не совсем верно. Аморфный кремний представляет собой по сути конгломерат беспорядочно расположенных друг относительно друга мельчайших частиц кристаллического кремния.

Взаимодействие кремния с простыми веществами

неметаллами

При обычных условиях кремний ввиду своей инертности реагирует только со фтором:

С хлором, бромом и йодом кремний реагирует только при нагревании. При этом характерно, что в зависимости от активности галогена, требуется и соответственно различная температура:

Так с хлором реакция протекает при 340-420 о С:

С бромом – 620-700 о С:

С йодом – 750-810 о С:

Все галогениды кремния легко гидролизуются водой:

а также растворами щелочей:

Реакция кремния с кислородом протекает, однако требует очень сильного нагревания (1200-1300 о С) ввиду того, что прочная оксидная пленка затрудняет взаимодействие:

При температуре 1200-1500 о С кремний медленно взаимодействует с углеродом в виде графита с образованием карборунда SiC – вещества с атомной кристаллической решеткой подобной алмазу и почти не уступающего ему в прочности:

С водородом кремний не реагирует.

металлами

Ввиду своей низкой электроотрицательности кремний может проявлять окислительные свойства лишь по отношению к металлам. Из металлов кремний реагирует с активными (щелочными и щелочноземельными), а также многими металлами средней активности. В результате такого взаимодействия образуются силициды:

Силициды активных металлов легко гидролизуются водой или разбавленными растворами кислот-неокислителей:

2MgCl2 + SiH4↑» width=»276″ height=»35″/>

При этом образуется газ силан SiH₄ – аналог метана CH₄.

Взаимодействие кремния со сложными веществами

С водой кремний не реагирует даже при кипячении, однако аморфный кремний взаимодействует с перегретым водяным паром при температуре около 400-500 о С. При этом образуется водород и диоксид кремния:

Из всех кислот кремний (в аморфном состоянии) реагирует только с концентрированной плавиковой кислотой:

Кремний растворяется в концентрированных растворах щелочей. Реакция сопровождается выделением водорода:

Источник