LABORPROJEKT: Regenwasseranalyse
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LABORPROJEKT: Regenwasseranalyse PROYECTO de LABORATORIO: Análisis del agua de Lluvia Unai Gaztelu Olazabal Betreuer: Prof. Dr. Olaf Elsholz Wintersemester 2013/2014 HAW Hamburg Índice Presentación .................................................................................................................................. 3 Objetivos ........................................................................................................................... 3 o Organización .................................................................................................................................. 4 o Toma de muestras ............................................................................................................. 4 o Materiales ......................................................................................................................... 4 o Tareas ................................................................................................................................ 5 Pruebas .......................................................................................................................................... 7 Diarias ................................................................................................................................ 7 o Conductímetro .............................................................................................................. 7 pH‐metro ....................................................................................................................... 8 Tiras de papel de nitratos y nitritos ............................................................................ 10 o Puntuales ......................................................................................................................... 11 o Finales .............................................................................................................................. 13 Cromatografía de iones. (IC) ....................................................................................... 13 Análisis por inyección de flujo. (FIA) ........................................................................... 17 Resultados ................................................................................................................................... 20 Conclusiones ............................................................................................................................... 23 ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 2 Presentación Durante el otoño de 2013, en las fechas comprendidas entre el 10 de Octubre y el 14 de Noviembre y encuadrado en la asignatura “Laborprojekt“, fue llevado a cabo el proyecto denominado “Regenwasseranalyse“ (análisis del agua de lluvia). En dicho proyecto se determinó tanto la cantidad de lluvia caída, como la presencia de diversos componentes disueltos en la misma, así como otros parámetros importantes (pH, conductividad eléctrica) a la hora de analizar el agua. Esta misma actividad viene siendo llevada a cabo con continuidad desde hace unos años por distintos estudiantes en la “Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW)” en Hamburgo, concretamente en el campus de Bergedorf, situado unos 20 kilómetros al sureste del centro de la ciudad. El trabajo se realiza paralelamente junto con otros centros de recogida y muestreo de lluvia, en aras de obtener una amplia y representativa base de datos que pueda ser utilizada posteriormente en todo tipo de proyectos e investigaciones en el ámbito de las ciencias naturales. o Objetivos Los propósitos de la tarea llevada a cabo, además del hecho en sí de aumentar y dar continuidad a la base de datos de la HAW en cuanto al estado del agua de lluvia en Hamburgo, fueron los siguientes: Hacerse una idea general de la calidad de la lluvia en la ciudad. Conocer los aparatos de medida utilizados en el laboratorio, aprendiendo tanto su principio de funcionamiento, como su correcta utilización. Ir conociendo y familiarizándose con los métodos de trabajo en el laboratorio: conductas, pautas a seguir para un correcto desarrollo de la tarea, organización, limpieza, etc. ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 3 Organización Como ya se ha comentado anteriormente el trabajo de laboratorio se llevó a cabo dentro de un rango de tiempo de aproximadamente un mes. En dicho tiempo se fueron tomando muestras semanalmente, hasta hacer un total de cinco semanas. o Toma de muestras Cada una de las muestras semanales se obtuvo por duplicado, ya que se dispusieron dos puntos diferentes de recogida de agua: La cubierta plana, con suelo de grava situada encima del comedor. Sin ningún elemento (edificio, árbol, etc.) alrededor que pudiera aparentemente afectar a los resultados. [a partir de ahora será denominado O (Oben=arriba)] El terreno de hierba a pie de calle en la zona este. Rodeado por tres paredes de la universidad con posibilidad de hacer variar los resultados. [U (Unten= abajo)] Así el número total de muestras distintas analizadas a lo largo del proyecto completo fue de diez. o Materiales ‐Toma‐muestras: Consistían en sendas botellas de cristal en cuyas bocas se colocaban unos embudos [φ: O= 11,8cm; U= 9,6 cm] con unas boquillas que permitían enroscarse para asegurar que sólo entrase agua por el embudo. Las botellas se sujetaban con un sistema pinza‐nuez a un soporte metálico vertical con peso en la parte inferior que impedía que el todo volcara. Los embudos también eran sostenidos por un anclaje unido a la barra metálica. ‐Envases contenedores de agua: Botellas de plástico con tapón roscado de plástico. Las había de distintos tamaños, desde pequeñas de unos 50 ml hasta las más grandes de hasta medio litro. ‐Balanza electrónica de precisión: Última cifra significativa: centigramo. ‐Agitador magnético: Con una pequeña barra de agitación cubierta de plástico de tamaño menor que el diámetro de un tubo de ensayo de 10 ml. ‐Frasco lavador de plástico con agua purificada (<0,5μS/cm). ‐Vaso de cristal. ‐Varilla recoge imanes. ‐Jeringuillas desechables de 10mL. ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 4 ‐Filtro circular con porosidade 0,45 µm de jeringa. ‐ 2 Probetas de 10 ml, O y U. ‐2 tubos de ensayo, 10mL, O y U. ‐Pipetas automáticas de volúmenes constantes y graduables. o Tareas El trabajo fue distribuido de la siguiente manera: El primer día fueron colocados los recogedores de lluvia en los puntos mencionados. En cada uno de los cinco días posteriores en los que se trabajó, se llevó a cabo un proceso rutinario que casi no varió. Consistía en las siguientes tareas, que se realizaban para ambos puntos de muestreo: o Recogida del agua de lluvia de la botella y rápida redisposición de la misma en el caso de que estuviese lloviendo, para asegurar una recogida lo más continua posible. En caso de que la lluvia caída contuviese demasiada suciedad, limpieza de la botella con agua purificada (Reinstwasser). o Medida de la lluvia caída durante la semana mediante la balanza electrónica y trasvase a dos envases de plástico etiquetados con el número de prueba correspondiente. En el más grande se almacenaba el agua en sus condiciones naturales y en el otro, de menor capacidad, se guarda agua previamente filtrada, para garantizar su estabilidad. Este proceso se llevó a cabo de la siguiente manera, para asegurar tanto una correcta medida como la no‐ contaminación del agua recogida: 1. Pesada de la botella con el agua dentro. 2. Pesada del envase grande. 3. Limpieza del envase con el agua recogida (dos veces). Pesando el envase después de cada llenado y cada vaciado. 4. Vertido de toda el agua recogida en el envase y pesada del conjunto. 5. Pesado de la botella vacía. En este punto el Excell calcula automáticamente el agua recogida en g y en mm. 6. Anotación de cualquier incidencia respecto al agua como la presencia de insectos o similares. 7. Filtrado mediante jeringuilla y filtro, de alrededor de 40mL. 8. Guardar el filtrado en el frigorífico. De esta manera se rellenaba la tabla mostrada en los resultados [Tabelle 4, pagina 20]. Todas las pruebas almacenadas era etiquetadas utilizando la siguiente denominación: P13041 (como ejemplo). P de “Projekt” (proyeto), 13 el año y las tres últimas cifras para designar el n° de prueba siguiendo con la denominación utilizada en años anteriores. Nuestras pruebas tomaron los n° del 041 al 050. ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 5 A las pruebas filtradas se les añadía la palabra “filtriert”. o Utilizando el agua no filtrada: 1. Medida de la conductividad eléctrica con conductímetro. 2. Medida de el pH con pH‐metro. 3. Medida aproximada de la concentración de nitratos con tiras de papel. El tercer día se llevó a cabo la medida de amonio utilizando un espectrofotómetro manual. El último día, además de llevar a cabo la rutina diaria para completar la base de muestras, se midieron los iones disueltos en cada una de las pruebas recogidas y filtradas durante las semanas anteriores. Para ello se utilizaron las técnicas de la cromatografía de iones (IC= Ioncromatographie) y análisis por inyección de flujo ( FIA = Fließinjektionsanalyse ) ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 6 Pruebas A continuación se describen las pruebas y aparatos de medida utilizados en el laboratorio, tanto para las pruebas realizadas a diario, como para el análisis final. Se intenta explicar en primera instancia el funcionamiento interno de los aparatos utilizados y luego el modo de actuar a la hora de llevar a cabo las mediciones. o Diarias Conductímetro ‐Funcionamiento La conductividad es la capacidad de una disolución de conducir una corriente eléctrica. El agua pura en sí (H2O) no permite el tránsito de electrones, son los iones disueltos en la misma los que posibilitan el transporte de la carga eléctrica. Para medir la facilidad con la que la carga atraviesa un medio líquido, basta con introducir un par de electrodos en la disolución, aplicar una tensión que genere un campo eléctrico entre ambos electrodos y medir la corriente creada. Ese es el principio básico de funcionamiento de un conductímetro. Figura 1: Esquema conductímetro [1] La tensión aplicada deberá ser alterna para evitar que los iones se acumulen en los electrodos y por lo general, se mide también la temperatura del medio, ya que tiene una gran influencia sobre los resultados medidos Las unidades de medida en el SI son S/m (siemens por metro), pero en las disoluciones acuosas se acostumbra a trabajar con µS/cm. ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 7 ‐Método de trabajo La medida se llevaba a cabo en un tubo de ensayo introducido en una probeta y que contenía una pequeña barra de agitación. El tubo se lavaba previamente dos veces con el mismo agua que se iba a analizar, con la ayuda de una varilla recoge imanes que mantenía la barra de agitación en el interior. En el tubo se vertían aproximadamente 4 ml del agua del envase grande (sin filtrar). Se situaba la probeta con el tubo encima de un agitador magnético y se introducía la varita del conductímetro en el tubo, asegurando que el agua cubriese completamente la punta donde están situados los electrodos. Tras anotar la medida, se limpiaban los electrodos con agua pura, para eliminar los restos de nuestro agua y se volvía a introducir la varita en su recipiente, donde ha de mantenerse siempre húmeda y con agua pura. Calibrado Una periódica calibración del dispositivo suele ser recomendable, pero en nuestro caso no fue necesaria ya que el medio analizado apenas era diferente al agua purificada en la que se ha de mantener la varita. Además, la frecuencia con al que lo usábamos no daba pie a pensar que las medidas obtenidas pudieran no ser correctas. pH‐metro ‐Funcionamiento Aunque puede ser explicado con mayor detalle, el principio básico de funcionamiento del aparato encargado de medir pH es el siguiente. Al poner en contacto la punta de la varita del pH‐metro con el medio a analizar, se produce una pequeña diferencia de potencial en un electrodo/solución (electrodo de medición). Una membrana de vidrio situada en un bulbo en la parte inferior de la varita es la que permite este cambio de energía, ya que al entrar en contacto con los protones del fluido a medir, iones de sodio de la red cristalina del vidrio se difunden en la solución. Existe otro electrodo (de referencia), cuyo potencial se mantiene siempre constante y el tránsito de corriente de uno a otro es el parámetro que se mide para calcular el pH. ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 8 Figura 2: Esquema interno pH‐metro [5] ‐Método de trabajo Calibrado Calibrar el pH‐metro es muy importante ya que lo que en realidad se hace es comparar concentraciones de H+ y estas pueden variar por distintas causas. Así pues, el primer paso a la hora de medir el pH se realizaba bastante antes de tomar la medida en sí; concretamente al sacar del frigorífico las disoluciones buffer con unos pH conocidos (en nuestro caso 4, 7 y 9) para que a la hora del calibrado estuviesen a temperatura ambiente. El calibrado en sí, consistía en limpiar la membrana de vidrio con agua pura, introducirla en una de las soluciones tampón colocada sobre un agitador magnético para asegurar una solución homogénea y dejar que se llevase a cabo la calibración. A continuación y tras volver a limpiar con agua la punta de la varita se realizaba el mismo proceso con otra solución buffer de distinto pH. Una vez calibrado el aparato, todo estaba preparado para medir el pH de nuestro agua. Al igual que con la conductividad, tomábamos un pequeño volumen de agua en un tubo de ensayo, lo colocábamos sobre el agitador e introducíamos la varita en el tubo. Se podía observar cómo el valor medido decaía décima a décima con el tiempo, pero era el primer valor el que nosotros tomábamos como válido, ya que según pasa el tiempo el agua está en mayor contacto con el aire, lo que provoca que su concentración de H+ varíe. ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 9 En las ocasiones en las que la lluvia era escasa, se utilizaba el mismo agua anteriormente utilizada en el conductímetro, intentando por todos los medios que transcurriese el menor tiempo posible entre ambas medidas para alterar lo mínimo posible las condiciones del agua. En determinados días, las medidas obtenidas en un primer momento con el pH‐metro mostraban unos valores entorno a 8 o 9, que no correspondían para nada con lo esperado de un agua de lluvia, ya que los elementos que suele contener son ácidos. Se llegó a la conclusión de que posiblemente restos orgánicos de una práctica anterior (de biología) podrían ser los causantes de tal error. Y efectivamente tras limpiar a fondo y reiteradas veces la membrana de vidrio, se volvió a medir el agua de lluvia obteniendo unos valores más acordes a lo esperado. Tiras de papel de nitratos y nitritos ‐Funcionamiento Se trata de una medida totalmente aproximada y que no debe ser tomada como definitiva. Sirve para hacerse una idea de qué rango de concentraciones de nitratos y nitrito más o menos se maneja. En las tiras hay una zona en la que se produce la reacción de los nitritos y nitratos, y en función de la concentración de estos, la reacción llega a un punto o a otro, el equilibrio es distinto. Y ese punto se puede apreciar porque la zona de la reacción toma unos determinados colores en función del punto al que llegue la reacción, que como hemos dicho depende de la concentración de nuestros compuestos. Luego esos colores se comparan con un patrón (una leyenda) que nos muestra los colores y sus respectivas concentraciones. ‐Método de trabajo Tomábamos una tira del bote, que estaba guardado en el frigorífico. Siempre se ha de actuar con cuidado de no contaminar las zonas de reacción, es decir procurando que no entren en contacto con nada que no sea la muestra a analizar. Con la intención de ahorrar tiras (su precio es bastante elevado) cortábamos cada tira por la mitad en sentido longitudinal, así podíamos medir nuestras dos muestras con una sola tira. Metíamos cada tira en el agua y rápidamente la sacábamos, no más de 2 segundos. Y luego se dejaba reposar la tira. Transcurrido un minuto más o menos se comparaba el color que había tomado la tira con el patrón, que estaba en el bote donde se guardaban las tiras. Nosotros nos interesamos únicamente por las concentraciones de nitratos y no hicimos caso a los resultados en los nitritos. ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 10 o Puntuales Espectrofotómetro ‐Funcionamiento La técnica de la espectrofotometría consiste en hacer que una onda electromagnética atraviese el medio que queremos analizar para a continuación, medir la misma onda después de haber atravesado nuestra prueba. Así, podremos calcular la atenuación que ha sufrido nuestra onda, es decir la energía que ha sido absorbida, dispersada o difractada por nuestra prueba. Esta atenuación será proporcional a la concentración de los componentes de la prueba. Figura 3: Esquema fotómetro [11] Así, se dispone de una fuente de luz, un filtro monocromático (monocromador) mediante el cual se consigue que sólo la luz con una longitud de onda determinada ataque la prueba, la prueba a analizar en sí y por último un detector, que recoge y mide la luz que no ha sido atenuada. Cada compuesto se comporta de distinta manera con cada longitud de onda, es por eso que se trabaja con distintos monocromadores. Las muestras son mezcladas con un reactivo en el minuto 0 y posteriormente se van analizando los valores de la absorción a diferentes tiempos (los mismos para todas las pruebas), en nuestro caso 5, 10 y 20 minutos. La reacción que se da con el amonio es lo suficientemente estable después de 20 minutos como para dar por suficiente ese tiempo de análisis. ‐Método de trabajo Esta prueba fue realizada aprovechando que el aparato iba a ser utilizado para medir otros compuestos de un proyecto ajeno a mi trabajo. Es por eso que al no haber ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 11 seguido el método de trabajo al completo, esta explicación sea posiblemente incompleta. En primer lugar se midieron cuatro soluciones (patrones) con concentraciones conocidas de amonio. Estas soluciones fueron medidas intermitentemente en un rango de tiempo de 20 minutos, para conocer los valores que iban dando una vez la solución se estabilizaba. Las concentraciones de estas soluciones estaban comprendidas en el rango de concentraciones que se esperaba encontrar en el agua analizada. La explicación a este proceso es que al tratarse de un aparato manual, el método para calcular las concentraciones es medir las ondas a la salida (en el detector) y compararlas con las ondas medidas con los patrones. Luego, interpolando nuestra onda con los dos valores más cercanos de los patrones, se consigue calcular la concentración de nuestra prueba. Por tanto después de trabajar con los patrones y medir las cuatro ondas a la salida cada determinado tiempo, se pasó a realizar el mismo proceso con nuestras pruebas de agua de lluvia. Y una vez conocida las ondas, interpolando se obtuvieron las concentraciones de amonio en el agua. Resulta algo primitivo a primera vista, pero dependiendo de la precisión con la que se quiera trabajar, es siempre posible medir más patrones con concentraciones más próximas a la concentración obtenida en un primer acercamiento y así llegar al punto en el que no sea casi necesario interpolar, ya que habremos conseguido un patrón cuya onda de salida sea idéntica a la de nuestra muestra y por tanto sus concentraciones también. Como siempre, todo queda en función del tiempo disponible y de la precisión requerida. Tabelle 1: Resultados muestras patrón y agua lluvia Photometer C (NH4 +)[mg/l] 5min 10min 20min 0,2 0,5 1 0,101 0,217 0,385 0,109 0,224 0,423 0,111 0,224 0,424 C (NH4 +) 0,303 0,321 0,320 P13045 0,74 0,151 0,160 0,160 P13046 0,33 En esta tabla aparecen los valores de la absorción en los picos, es decir cuál fueron las mayores absortividades durante la prueba en los diferentes tiempos en los que se midió. Estos picos se dieron en nuestras pruebas para longitudes de onda de alrededor de 657nm. Como se puede apreciar en los valores, las muestras iban estabilizándose con el transcurrir del tiempo ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 12 o Finales Cromatografía de iones. (IC) ‐Funcionamiento La cromatografía, como principio, tiene como objetivo determinar los componentes de una mezcla, así como la concentración de los mismos. Para ello se utiliza un método que bien pensado resulta la vía más simple y directa para lograrlo: separar físicamente los compuestos de la mezcla para después medirlos uno a uno y determinar sus concentraciones. La separación se puede llevar a cabo de diversas maneras, aprovechando características de los compuestos como su electronegatividad, el tamaño de sus átomos, su punto de ebullición, etc. En cualquier caso, habrá siempre dos fases: la fase estacionaria que es la que opondrá mayor o menos resistencia al tránsito de cada compuesto, haciendo que tarden más o menos tiempo en atravesarla (tiempo de retención) y en consecuencia se separen; y la fase móvil o eluyente que será la encargada de “acompañar” al analito (sustancia a analizar) a través de la fase estacionaria. Una vez separados los compuestos, a la hora de medirlos, también se utilizan diferentes tipos de detectores, electroquímicos o espectrométricos principalmente. Así, es fácil suponer que existe una gran variedad de cromatografías que quedarán determinadas en función del mecanismo de separación, el tipo de fases, etc. En cuanto a lo que a nuestra medida concierne, se utilizó la cromatografía de intercambio iónico. En ella la fase móvil era un líquido, la fase estacionaria era sólida, el mecanismo de separación era, como es obvio, el intercambio iónico a través de una columna y el detector utilizado medía la conductividad eléctrica de los compuestos. ‐Método de trabajo La utilización del cromatógrafo requiere una preparación previa, en la que hay que calibrar el dispositivo y preparar el eluyente. Estos procesos (el calibrado sobre todo) conllevan un tiempo de trabajo prolongado. Por eso, es preferible almacenar las pruebas de los distintos días y realizar todas las medidas conjuntamente, a tener que preparar el dispositivo cada día para realizar únicamente un par de medidas (lo cual ni se contempla). Lo primero que hicimos por tanto el día en que utilizamos el IC fue preparar el eluyente y calibrar el aparato. Eluyente Nuestro eluyente era una disolución de 1,8mM de carbonato de sodio (Na2CO3) y 1,7mM de bicarbonato sódico (NaHCO3). ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 13 Preparamos 2 litros de dicha solución por lo que añadimos 3,6mmol Na2CO3 y 3,4mmol NaHCO3 , y se calcularon las siguientes cantidades a añadir (añadidos en realidad): ‐ 0,38156g Na2CO3 (0,3811g) ‐ 0,28563g NaHCO3 (0,2858g) Las sales fueron pesadas en una balanza electrónica y vertidas al agua con asegurando que la disolución real fuese acorde a lo calculado. Este agua había sido previamente desgasificada mediante una bomba de vacío con filtro que extraía el gas (aire atmosférico principalmente) del agua. Esto es siempre imprescindible en el IC ya que el aire puede afectar a la medida además de estropear el cromatógrafo. Calibrado Para realizar el calibrado del dispositivo se prepararon 4 patrones a partir de una disolución troncal (Stamm). Tabelle 2: Standard Konzentrationen Standards en mg/L Stoff 1(1/100mL) 2(1/50mL) 3(1/20mL) 4(1/10mL) Stamm (10mL) mg/L NO2‐ 0,2 0,4 1 2 0,2 mL 20 Cl‐,NO3‐, SO4‐‐ 1 2 5 10 1mL 100 PO4 0,5 1 2,5 5 0,5mL 50 F‐ 0,5 1 2,5 5 0,5mL 50 ‐‐‐ Para preparar la disolución raíz, se utilizaron pipetas automáticas. Los compuestos fueron tomados de 4 frascos, ya que los cloruros, nitratos y sulfatos al utilizarse habitualmente conjuntamente venían ya preparados en el mismo bote. El trasvase desde la solución raíz al resto también se realizó con pipetas automáticas. Todos los patrones se dispusieron en matraces de fondo plano etiquetándolos del 1 al 4 como en la tabla. Como disolvente se utilizó el eluente (Na2CO3 / NaHCO3). Las cuatro pruebas estándar fueron muestreadas con el cromatógrafo siguiendo los mismos pasos que con una prueba de agua (se explica en el siguiente apartado). A excepción por supuesto, de que se le indicaba al programa que se trataba de una prueba para calibrar. Como se puede ver en el siguiente cromatograma, el aparato estaba a punto y las medidas realizadas antes de ser calibrado eran ya suficientemente precisas (se considera mal calibrado si los resultados tienen errores superiores al 10%). ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 14 Figura 4: Cromatograma STD1 Una vez calibrado, se pasó a la medida de nuestras 10 pruebas de agua de lluvia. El método de actuar fue el siguiente en todas ellas: ‐Se indicaba en el ordenador que se procedía a realizar una nueva medida, a la que se daba un nombre (i.e. P13046) ‐Se introducía el tubito por el que se tomaba la muestra en el envase a analizar con el agua filtrada dentro, asegurando que el agua cubriese todo el tiempo la entrada del tubito. En las muestras en las que el agua escaseaba era necesario actuar en pareja, ya que uno de los dos debía asegurar esto, ahora mismo comentado. ‐Se colocaba la jeringuilla en el orificio desde el que se recogía la muestra no utilizada. Se trataba de un cromatógrafo con toma de muestras automática, pero la introducción del agua en el aparato era manual. Para ello, se creaba una subpresión a la salida con la jeringuilla que hacía que el agua fluyese desde la entrada del tubito hasta la salida, pasando por la válvula de inyección en la que se tomaban los 20µl para el análisis. ‐Se indicaba que se procedía a introducir la muestra en el cromatógrafo haciendo click en “fill”. Entonces se debía tirar suavemente del émbolo de la jeringuilla hasta asegurarse de que el agua en la zona de la válvula era la que nos interesaba analizar en ese momento. En los casos en los que se disponía de una cantidad de agua notable esto se conseguía simplemente haciendo fluir un buen volumen (3,4 mL) a través del sistema. Así se aseguraba que el agua de pruebas anteriores que pudiera residir en la válvula fluía hasta la salida y era únicamente nuestro agua la que estaba en el sistema. ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 15 Cuando no se disponía de tanto agua era necesario “jugar” con el agua e inyectando zonas de aire antes y después del agua, asegurar que era el agua que queríamos analizar la que estaba en la válvula de inyección al pasar al siguiente paso. ‐El último paso consistía en hacer click en “inject”. Entonces la válvula tomaba los 20µl de agua y procedía con el análisis. En el interior del aparato, el agua fluía junto con la fase móvil (Na2CO3/NaHCO3) a través de la columna en la que se daba el intercambio iónico, para que a diferentes tiempos de retención los compuestos fuesen saliendo de la columna y su conductividad fuese medida. Dando como resultado cromatogramas como los siguientes: Figuras 5 y 6: Ejemplos de cromatogramas P13042 y P13045 Como se puede apreciar, este proceso duraba 17 minutos para cada analito. La concentración de cada compuesto lo calcula el programa en función de la altura y anchura de cada pico. Es decir, de la conductividad medida durante un determinado espacio de tiempo. Al acabar con todas las pruebas de lluvia, se procedió a analizar en modo normal (no en modo de calibrado) uno de los patrones (P_STD_1) para observar si durante las medidas el aparato había sufrido algún tipo de “descalibración”. Como se observa en el cromatograma todo seguía en orden después de nuestras medidas. ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 16 Figura 7: Cromatograma P_STD_1 Análisis por inyección de flujo. (FIA) ‐Funcionamiento La muestra es inyectada de manera continua en el aparato por una bomba y transportada en un principio junto con un portador. La muestra irá dispersándose a medida que avanza por los conductos, de tal manera que al llegar al detector la medida tendrá forma de pico, con menor concentración al principio y al final del paso de la muestra. La prueba es mezclada con distintos reactivos, previamente preparados y cuyas reacciones con el compuesto que se quiere encontrar son bien conocidas. De esta forma, lo que en el detector se medirá puede ser o bien el producto de la reacción; o bien uno de los reactivos que desaparece al reaccionar con el compuesto que estamos analizando. La señal detectada puede ser absorbancia, intensidad de fluorescencia, etc. En nuestro caso, utilizamos el FIA para medir concentraciones de amonio y la señal detectada fue la absorbancia. ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 17 Figura 8: Esquema FIA [6] ‐Método de trabajo En primer lugar hubo que preparar tanto las muestras patrón con concentraciones determinadas para realizar el calibrado, así como uno de los reactivos que se había agotado. Reactivos El que necesitábamos era una disolución de Salicilato de Sodio. Para prepararlo añadimos: ‐ 8,528 g de salicilato de sodio, ‐ 0,266 g de sodio nitroprusiato dihidratado Estos dos compuestos los diluimos en 250 mL de agua purificada y desgasificada, llevando a cabo el mismo proceso de desgasificación anteriormente mencionado. Calibrado Para calibrar el FIA preparamos las siguientes cuatro muestras patrón: Tabelle 3: FIA Standards Standards (Volumina) 1 (100mL) 2 (100mL) 3 (50mL) 4 (50mL) 208mg 505mg 498mg 999mg NH4+ (100mg/L) hinzugefügt 0,2 0,5 1 2 Konzentration (mg/L) En esta ocasión a la hora de preparar las muestras patrón, aunque también se utilizaron pipetas automáticas, se probó su precisión pesando en una balanza ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 18 electrónica la cantidad de amonio tomada del frasco (100mg/L NH4‐ ) y añadido en cada matraz de fondo plano. Los patrones fueron inyectados en el FIA y como se puede apreciar en la siguiente figura nuestro aparato realizó unas medidas muy exactas. Figura 9 : FIA Kalibrierung Ergebniss Una vez llevada a cabo la calibración, la medida de todas las muestras de agua de lluvia se realizó de seguido y con una frecuencia mucho mayor que el IC, ya que este proceso apenas duraba 3 minutos. Únicamente había que asegurarse de que no hubiese burbujas de aire en los conductos antes de empezar a inyectar el agua. Se colocaba el tubito dentro del envase con la muestra y la bomba se encargaba de tomar el agua y realizar todo el proceso. Se puede ver en las figuras como el FIA trabaja con la altura de los picos detectados para calcular así las concentraciones. Al acabar con todas las muestras y de manera equivalente a lo realizado con el IC se midieron de nuevo muestras patrón para asegurar que durante la medida el aparato no había sufrido ningún tipo de descalibración. Dando unos resultados que verificaban que nuestras medidas se podían dar por válidas. Figura 10: Resultados estándares (2 y 3) tras medidas ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 19 Resultados Tabelle 4: Medidas cantidad de agua Probenahmeort: HAW Bergedorf Datum Probenahme Tagebuchnummer t/m/j Flasche+Wasser Flasche netto Probeflascheleer 1. Spülen tara 2. Spülen tara Probe + Flasche nach Spülen in [g] in [g] in [g] in [g] in [g] in [g] in [g] in [g] Bemerkungen Regenmenge gesamt (Glasflasche) Test in [g] in mm 17/10/2013 P13041 972,13 657,16 33,13 59,63 33,2 64,53 33,24 290,29 Regen 14:30 315 315 28,8 17/10/2013 P13042 808,29 621,28 24,55 32,65 24,96 35,45 25,13 193,02 Regen 13:30; Insekten 187 186 25,8 24/10/2013 P13043 986,83 656,5 33,28 41,11 33,3 39,47 33,3 349,57 Insekten 330 330,27 30,2 24/10/2013 P13044 845,32 620,89 33,19 42,12 33,19 41,62 33,22 240,25 224 224,39 31,0 31/10/2013 P13045 754,99 656,47 27 29,64 27,65 30,31 27,5 120,68 99 98 9,0 31/10/2013 P13046 684,5 620,83 14,63 16,06 14,8 16,47 14,75 75,24 Insekten 64 64 8,8 07/11/2013 P13047 1166,86 656,51 66,73 79,4 66,76 91,3 66,75 539,86 Ganz sauber 510 510 46,7 07/11/2013 P13048 960,11 621,54 67,83 92,65 67,91 88,5 67,91 361 Ganz sauber 339 339 46,8 14/11/2013 P13049 706,9 657,15 14,82 16,17 14,9 16,67 14,89 61,46 Schumutzig 50 49,69 6,9 14/11/2013 P13050 650,36 620,92 14,75 15,83 14,82 15,36 15,81 42,88 Schumutzig 29 28,69 4,1 Insekten Tabelle 5: Medidas pruebas diarias (menos bandas) Probe P13041 P13042 P13043 P13044 P13045 P13046 P13047 P13048 P13049 P13050 Regenmenge Regenmenge in g in mm 315 28,8 187 25,8 330 30,2 224 31,0 99 9,1 64 8,8 510 46,7 339 46,9 50 4,6 29 4,0 pH‐Wert 5,8 5,4 5,7 5,6 5,4 5,2 6,1 5,8 5,0 5,0 Leitfähigkeit µS/cm 11,5 12,9 8,9 8,9 13,5 9,3 7,7 8,3 24,5 20,9 ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 20 Niederschlage pro Woche (mm/m2) 50,0 39,4 14,4 53,4 29,4 4,8 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 11‐17 Okt 18‐24 Okt 25‐31 Okt Datum 1‐7 Nov 8‐14 Nov Oben Unten Gráfico1: Comparación precipitaciones puntos de muestreo y Wetterstation Bergedorf [a] pH [‐] Conductividad [µS/cm] 25,00 22,50 20,00 17,50 15,00 12,50 10,00 7,50 5,00 2,50 0,00 10‐17 Okt Conductividad pH 18‐24 Okt 25‐31 Okt 1 ‐7 Nov 8 ‐ 14 Nov Datum Gráfico 2: Valores medios de pH y conductividad ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 21 Tabelle 6: Medidas finales Probe P13041 P13042 P13043 P13044 P13045 P13046 P13047 P13048 P13049 P13050 Photometer FIA Ammonium Ammonium mg/L in mg/l ‐ 0,6 ‐ 0,9 ‐ 0,3 ‐ 0,3 0,7 0,6 0,3 0,3 ‐ 0,3 ‐ 0,3 ‐ 0,5 ‐ 0,5 Bandas Nitrat 1 in mg/l 0‐10 0‐10‐25 0‐10 0 0 0‐10 0,0 0,0 ‐ ‐ Flourid in mg/l n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. Chlorid in mg/l 0,5 0,7 1,1 1,1 1,2 0,7 0,6 0,6 2,0 1,9 IC Nitrit Nitrat in mg/l in mg/l n.d. 2,0 n.d. 2,3 n.d. 0,9 n.d. 0,9 n.d. 1,2 n.d. 1,4 n.d. 1,2 n.d. 1,3 n.d. 3,2 n.d. 3,0 Phosphat in mg/l n.d. 0,2 n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. Sulfat in mg/l 1,5 1,7 0,7 0,7 1,1 1,0 0,5 0,6 1,8 1,5 Iones inorgánicos disueltos 3,5 3 Concentraciones [mg/l] Amonio 2,5 Nitritos 2 Nitratos Fosfatos 1,5 Sulfatos 1 Fluoruros Cloruros 0,5 0 10‐17 Okt 18‐24 Okt 25‐31 Okt 1 ‐7 Nov 8 ‐ 14 Nov Gráfico 3: Concentraciones de los iones disueltos ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 22 Conclusiones Analizando los resultados obtenidos con los distintos métodos utilizados durante esta práctica, se puede concluir lo siguiente: En cuanto a las precipitaciones: Las medidas obtenidas pueden darse por válidas. Comparando los resultados con los datos de distintas estaciones meteorológicas de la zona [a,b] se puede afirmar que nuestras medidas son una representación muy cercana a la realidad. El hecho de que las medidas en ambos puntos de muestreo (O y U) sean tan similares no hace sino certificar este hecho. Las precipitaciones en el periodo analizado fueron acordes a las habituales en la ciudad de Hamburgo para estas fechas del año. Sobre los valores de pH y conductividad: El pH apenas varió y se mantuvo siempre en unos valores de entre 5,5 y 6. Estos valores son también cercanos a los esperados, ya que el agua de lluvia suele ser ligeramente ácida, con pH entorno a 5 o 5,5. Valores menores (más ácidos) del pH indican la presencia de ácidos en el agua de lluvia, lo que está ligado en general a la contaminación humana (salvo en casos especiales como lugares con actividad volcánica). Por tanto las medidas entorno a 5,5 obtenidas en Hamburgo puede calificarse como satisfactorias en este aspecto. La conductividad se mantuvo en el rango entre 8 y 13 µS/cm, menos la última semana en la que ascendió notablemente y duplicó los valores de las semanas anteriores (23 µS/cm). Estos valores entran dentro de lo esperado para el agua de lluvia e incluso son demasiado bajos, lo que nos adelanta que la presencia de iones disueltos en el agua de lluvia de Hamburgo no será muy elevada. En cuanto a la presencia de iones inorgánicos disueltos: Un rápido vistazo nos delata que el ion con mayor presencia en el agua analizada es el nitrato, con concentraciones superiores a 1mg/L que incluso alcanzan los 3mg/L. Los cloruros y los sulfatos también están siempre presentes aunque en menores concentraciones (entre 0,5 y 2 mg/L). El último ion con concentraciones apreciables es el amonio cuya concentración se mantuvo más o menos constante cercana a los 0,5 mg/L. La presencia del resto de iones (nitritos, fosfatos y fluoruros) es casi no testimonial (casi siempre n.d.) ya que en ninguno de los días se detectó la presencia de alguno de ellos en ambos puntos de muestreo, lo cual indica que no son uno iones con una presencia homogénea y continua en la lluvia. Se puede apreciar como las medidas de iones disueltos “cuadran” con las medidas de conductividad y ambos gráficos tienen una forma muy similar, lo que delata la relación existente. ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 23 Ninguna de las concentraciones registradas durante el proyecto, delata algo fuera de lo normal o por lo que hubiese que preocuparse. Las concentraciones por lo general son incluso demasiado bajas y sólo la primera y la última semana se alcanzaron unos valores superiores a la media. En cuanto a las posibles fuentes de errores: Las mayores fuentes podrían estar en la toma de muestras y el manejo de las pruebas hasta ser medidas. Se puede considerar que el agua no resultó demasiado alterada en la botella de recogida de lluvia, el contacto con el aire era mínimo y la lluvia caía no fluía por ningún largo recorrido hasta el momento de deponerse. Sí es cierto que ciertos días se pudo observar la presencia de insectos, ramitas y similares en la botella que podrían alterar la muestra. Además los pájaros de los alrededores y sus excrementos también son depositados ocasionalmente en nuestro tomamuestras. El último día la presencia de estos agentes externos era bastante notoria, lo que posiblemente guarde relación con las altas concentraciones de iones medidas. El error en los aparatos de medida no debería ser una gran fuente de desviación. Tomando los datos como medidas orientativas (sin tener en cuenta demasiados decimales) se observa que las concentraciones de cada semana en ambos puntos de muestreo ofrecen valores cercanos. Esto denota que efectivamente no existe ningún error fuera de lo normal en nuestras medidas. Comparación de los resultados con los distintos aparatos de medida: Las concentraciones medidas con el espectrofotómetro y con el FIA aunque difieren en dos 0,2mg/l, coinciden en que la concentración arriba (O) es unos 0,2 mg/L superior a la de abajo (U). Al comparar las tiras de papel y los resultados del IC para los nitratos. Se puede decir que en general las tiras dentro de la precisión que ofrecen, dieron unos resultados bastante cercanos a la realidad. Únicamente un par de pruebas (P13042 y P13046) dieron resultados algo distantes de los reales. Aquí hay que mencionar que en la determinación de la concentración con estas bandas de papel la apreciación humana (la mía en este caso) también puede ser una fuente de error. En cuanto al trabajo en el laboratorio: Ser metódico y llevar a cabo las tareas de una manera organizada resulta imprescindible. Trabajar con calma, sin prisas y con concentración es muy recomendable si se desea que los resultados obtenidos sean válidos. ‐Unai Gaztelu ‐ Laborprojekt: Regenwasseranalyse ‐ WS 13/14 ‐ HAW Hamburg‐ 24 Bibliografía 1) Universidad de Almería (UAL). (2013). La medida de conductividad. Un poco de teoría. Consultada el 16 de Noviembre de 2013 en: http://www.ual.es/ 2) EcuRed. (2013). pHmetro. Consultada el 16 de Noviembre de 2013 en: http://www.ecured.cu/index.php/EcuRed:Enciclopedia_cubana 3) EHU. Curso de biomoléculas. Consultada el 16 de Noviembre de 2013 en: http://www.ehu.es/biomoleculas/ph/medida.htm#m2 4) Universidad autónoma de Madrid. (2010). Experimentación básica en química. Consultada el 16 de noviembre de 2013 en: http://expbasquimica‐g1‐zb‐09‐ 10.wikispaces.com/home 5) El consultorio Sol. (2011). Primer caso. 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