background image

Environmental Quality Management

Environmental Quality Management

Małgorzata Szlachta, Ph.D. Eng.

Małgorzata Szlachta, Ph.D. Eng.

Environmental Chemistry (Water) - 

Environmental Chemistry (Water) - 

laboratory

laboratory

background image

What is Environmental 

Chemistry?

Environmental chemistry is the study of the 

sources, reactions, transport, effects, and fates 
of chemical species in water, soil, and air 
environments.

Reference: S. M. Manahan, Environmental 
Chemistry.

background image

 

What is water?

Water 

(wo’tar,wot’ar) n1.

 

A clear colorless, nearly 

odorless and tasteless liquid, H

2

O, essential for most 

plant and animal life and the most widely used of all 
solvents. Melting point 0°C, boiling point 100°C, 
specific gravity (4°C) 1.000, weight per gallon (15°C) 
8.337 pounds. 2. Any of various forms of water such 
as rain. 3. Any body of water such as a sea, lake, 
river, or stream.”

Reference: W. Morris, The American Heritage Dictionary of the 
English Language.

background image

Water

 is the dilute aqueous 

solution/suspension of inorganic and organic 
compounds that constitutes various types of 
aquatic systems.”

Reference: V. Snoeyink and D. Jenkins, Water 
Chemistry. 

background image

Distribution of Earth’s 
Water

background image

The regional distribution of the 

884 million people 

not using 

improved drinking water sources in 2008, population (million)

Reference: WHO/UNICEF, Monitoring Programme for Water Supply and 
Sanitation. 
Report: Progress on Sanitation and  Drinking Water, 2010 Update.

Safe drinking water

background image

Revision

background image

There are two basic ways to express the mass 
concentration of dissolved species (solutes) in 
solution: 

1. 

w/v basis 

(weight/volume) - a concentration 

in
units of mass of solute in a unit volume of 
solution,

2. 

w/w basis 

(weight/weight) - weight of solute 

in a given weight of solution. 

Mass concentration

background image

• mg/L = mass of substance (mg)

            volume of solution (liter)

• ppm(parts per million) = mass of substance (mg)
                      

          

            mass of solution 

(kg)

 
If the density of the solution is known:
 

• density of solution, ρ = mass of solution (kg)

                 volume of solution (liter) 

 

• Concentration in ppm (mg/kg) = concentration in 

(mg/L)                                

x  1/ρ (L/kg)

background image

Equivalents and normal 
concentration

The expression of solute concentration as 
equivalents/liter, that is, 

normal concentration

is based on a definition that is related to the type 
of reaction in which the solution constituents are 
involved.

Equivalent weight (EW) 

definition, widely used 

in water chemistry based on the charge of ion or 
the number of hydrogen/ hydroxyl ions transferred 
in an acid-base reaction.

background image

The 

equivalent weight 

is defined as:

 

and the number of equivalents per liter - 

normality

is defined as:

 

 
 

Definitions of equivalents and normality  are used for 

determining the number of eq/L of charge units and the 
number of eq/L of species that participate in precipitation-
dissolution reactions.

molecular weight(MW)

Equivalent weight(EW)

ioncharge

=

massof substanceperliter

Normality

EW

=

background image

Example
 Find the normality of the following solutions:

1. 120 mg CO

32-

/L, given that CO

32_ 

participates in the precipitation 

reaction:
Ca

2+

 + CO

32-

 →  CaCO

3

2. 155 mg Ca

3

(PO

4

)

2

/L, given that Ca

3

(PO

4

)

2

 participates in the 

dissolution reaction:
Ca

3

(PO

4

)

2

  →  3Ca

2+

 + 2PO

43-

 

 

background image

Solution

1.    The molecular weight (MW) of CO

32-

 is 60 g/mole.

 
 

gramMW 60g/ mole

GramEW

30g/ eq 30mg/ meq

ioncharge 2eq/ mole

120mg/ L

Normality

4meq/ L

30mg/ meq

=

=

=

=

=

=

background image

2.  The MW of Ca

3

(PO

4

)

2

 is 310 g/mole. 

According to reaction Ca

3

(PO

4

)

2

 forms six positive and six negative

charges, therefore:
 

310g/ mole

GramEW

51.6g/ eq 51.6mg/ meq

6eq/ mole

155mg/ L

Normality

3meq/ L

51.6mg/ meq

=

=

=

=

=

background image

The 

equivalent weight

 of a substance in acid-base 

reactions is  defined as:
 "the weight of a substance that will either replace 
one H

+

 (hydrogen ion/proton) in an acid, provide one 

H

+

 for reaction, or react with one H

+

 to form an 

acid." 

 
where „n” is the number of hydrogen or hydroxyl 
ions that react.

molecular weight(MW)

Equivalent weight(EW)

n

=

background image

Example
Find the normality (meq/L) of the following 

solutions: 

 1.  40 mg HCl/L, with respect to the reaction:

HCl + NaOH → NaCl + H

2

O

2.

59 mg H

3

PO

4

/L, with respect to the reaction:

H

3

PO

4

 → 2H

+

 + HPO

42-

3.

  

45 mg CO

32-

/L, with respect to the reaction:

CO

32- 

+ 2H

+

 → H

2

CO

3

 

background image

Solution
 
1.  One H

+

 reacts per HCl, therefore:

gramMW 36.5g/ mole

GramEW

36.5g/ eq 36.5mg/ meq

n

1eq/ mole

40mg/ L

Normality

1.1meq/ L

36.5mg/ meq

=

=

=

=

=

=

background image

2.     Two H

+

 react per H

3

PO

4

, therefore:

 

gramMW 98g/ mole

GramEW

49g/ eq 49mg/ meq

n

2eq/ mole

59mg/ L

Normality

1.2meq/ L

49mg/ meq

=

=

=

=

=

=

background image

3.

 

Two H

+

 react with each CO

32-

, therefore:

 

gramMW 60g/ mole

GramEW

30g/ eq 30mg/ meq

n

2eq/ mole

45mg/ L

Normality

1.5meq/ L

30mg/ meq

=

=

=

=

=

=

background image

 

Concentration (meq/L) → Concentration 

(mg/L)

C (meq/L) x EW (mg/meq) → C (mg/L)

massof substance

Equivalents

EW

=

background image

Example
What is equivalent for 2 g of Ca

2+

?

 
Solution

2

2

2

MWof Ca

40g/ mole

40g/ mole

EW

20g/ eq

2eg/ mole

2gCa

EW

0.1eqCa

20g/ eq

+

+

+

=

=

=

=

=

background image

Example
What is the EW of sodium sulfate Na

2

SO

4

?

 
Solution
Na

2

SO

4

 → 2Na

+

 + SO

42-

 

2

4

MWof Na SO

142.1g/ mole

142.1g/ mole

EW

71.1g/ eq

2eg/ mole

=

=

=

background image

Example
What is concentration of 80 g/m

3

 of aluminium ion Al

3+

 in

meq/L and in eq/L?
 
Solution
 

3

3

3

Al

C

80g/ m 80mg/ L

MWof Al

30g/ mole

30g/ mole

EW

10g/ eq 10mg/ meq

3eg/ mole

C(mg/ L)

80mg/ L

8meq/ L 0.008eq/ L

EW(mg/ meq) 10mg/ meq

+

+

=

=

=

=

=

=

=

=

=

background image

Water quality 

parameters

background image

Colour

Colour

 in water is caused by: 

• dissolved minerals, 
• dyes,
• humic acids which cause a brown-yellow to 

brown-black colour,

• coloured wastes, including dyes or pulp and 

paper plants, 

• the presence of iron, manganese and 

plankton. 

background image

• Water colour caused by dissolved or colloidal 

substances that remain in the filtrate after filtration 
through 
a 0.45 μm filter membrane is defined as 

true colour

• Apparent colour 

is the term applied to coloured 

compounds in solution together with coloured 
suspended matter. 

Colour is measured spectrophotometrically at a 

wavelength

between 450 and 460 nm using glass cells with 

path

lengths of 10, 30 or 50 mm, with platinum-cobalt 

solution

as standards. 

background image

Equipment

•Spectrophotometer

•Glass cells with a light path length equals 5 cm

•0.45 μm filter membrane without organic binder

Method
1.Turn on the instrument and let it warm up 
according to manufacturer’s instructions.
2.Filter water sample using 0.45 μm filter 
membrane to remove particular matter.

Colour 
determination

background image

3. Rinse the blank measuring cell with distilled 

water, refill it and place cell at first position in 
the spectrophotometer.

4. Rinse the second measuring cell with filtered 

water sample, refill it and place cell at second 
position in the spectrophotometer.

5. Choose the proper calibration curve, press 

AUTOZERO and START.

6. Read colour directly from the instrument, the 

result in mgPt/L will be displayed.

 

(2120 C. Spectrophotometric – Single-Wavelength Method, 

Standards methods for the examination of water and 
wastewater, 21 Edition, 2005)

background image

UV absorbance at 254 nm

Some organic compounds present in natural waters, 
such as humic substances and various aromatic 
compounds, strongly absorb ultraviolet. Therefore 

UV absorption 

is a useful surrogate measure of 

selected 

organic constituents

Strong correlations may exist between UV absorption 
and both colour and organic carbon content. UV-
absorbing organic matter in a water sample absorb 
UV light in proportion to their concentration.

background image

UV254 determination

UV absorption is measured at 253.7 nm but often 
rounded off to 254 nm. Samples are filtered through 
0.45 µm filter membrane to remove suspended and 
colloidal particles. 

Equipment
•Spectrophotometer 
•Quartz cells with a light path length equals 5 cm
•0.45 μm filter membrane without organic binder

background image

Method
1.Turn on the instrument and let it warm up 

according to manufacturer’s instructions.

2.Filter water sample using 0.45 μm filter 

membrane to remove the colloidal matter.

3.Rinse the blank measuring cell with distilled 

water, refill it and place cell at first position in 
the spectrophotometer.

background image

4.

Rinse the second measuring cell with filtered 
water sample, refill it and place cell at second 
position in the spectrophotometer.

5.

Set wavelength to 254 nm, press AUTOZERO and 
START.

6.

Read absorbance directly from the instrument.

background image

Calculations

where:
Abs - absorbance measured
d - quartz cell path length, cm

1

Abs 100

UV245, m

d

-

=

background image

Turbidity

Turbidity

 in water is a measure of the 

cloudiness 

and is

caused by:
•  suspended and colloidal matter such as clay, silt, 

finely divided organic, 

• inorganic matter, 
• plankton, 
• other microscopic organisms. 

background image

Turbidity can be correlated with 

suspended solids

but only for waters from the same source. In such 
cases, a simple turbidity measurement may replace 
the complex time-consuming suspended solids test. 

The instrument used for turbidity measuring is called 

nephelometer

 or 

turbidimeter

.  Turbidity also may 

be determined by a visual comparison test with 
standard turbidity suspensions.

Turbidity is measured in 

Nephelometric Turbidity 

Units (NTU)

.

background image

Equipment 
• Turbidimeter 
• Sample cell

Method 
1.

Turn on the instrument and let it warm up 
according to manufacturer’s instructions.

2.

Gently agitate the water sample.

Turbidity 
determination

background image

3. Wait until air bubbles disappear and pour 

the sample into the cell.

4. Dry the cell and place it in the turbidimeter, 

then close the cover and wait for a while.

5. Read turbidity directly from the instrument, 

the result in NTU will be displayed.

(2130 B. Nephelometric method, Standards methods for the 

examination of water and wastewater, 21 Edition, 2005)

background image

Solids

The solids content of water is one of the most 
significant quality parameter. The amount, size and 
type of solids depend on the specific water.

Untreated sewage wastewater may have organic 
particulate matter, including food scraps of size 
range in millimetres, while a purified drinking water 
may have particles in the size range 
10

-6

 mm. 

background image

Solids size:

background image

Solids general classification:

background image

Solids classification:
• Total solids, TS = SS + TDS
• Suspended solids, SS
• Total dissolved solids, TDS = TS - SS
• Total volatile solids, TVS
• Volatile suspended solids, VSS

background image

Total solids 

defined as residue left in the vessel/dish after 

sample evaporation and drying in an oven at a defined 
temperature. 

Total solids = sum of 

total suspended solids 

(the portion 

of total solids retained on a filter paper) and 

total 

dissolved solids 

(the portion that passes through a filter 

paper).

Volatile fraction 

is the weight loss on ignitron of dried 

residue of total, suspended or dissolved solids. 

background image

Solids determination

Equipment
• Graduated cylinder, 100 ml
• Evaporating dish, 100 mL
• Standard filter paper
• Funnel
• Analytical balance
• Steam bath
• Drying oven

background image

Total solids (TS)

Method

1.Weigh empty evaporating dish; recorded mass 

mark as “a”.

2.Using the graduated cylinder measure 50 mL of 

well-mixed water sample and pour into the 
preweighed dish. 

3.Evaporate the sample to dryness on a steam 

bath. 

background image

4. Next place the evaporating dish in the drying oven 

and dry sample for 1 hour at 105˚C.

5. Cool the dish in desiccator to balance the 

temperature.

6. Using the analytical balance weigh the 

evaporating dish with dried deposit; recorded 
mass mark as “b”.

background image

Calculations
 

where:
a – mass of empty evaporating dish, mg
b – mass of evaporating dish with dried deposit, 

mg

V – volume of sample, mL

background image

Total dissolved solids 
(TDS)

Method
1.Weigh empty evaporating dish; recorded 

mass mark as “a”.

2.A well-mixed water sample filter through a 

standard filter paper.

3.Using the graduated cylinder measure 50 mL 

of filtrate and pour into the preweighed dish. 

4.Evaporate the sample to dryness on a steam 

bath. 

background image

5. Next place the evaporating dish in the drying 

oven and dry sample for 1 hour at 105˚C.

6. Cool the dish in desiccator to balance the 

temperature.

7. Using the analytical balance weigh the 

evaporating dish with dried deposit; 
recorded mass mark as “b”.

background image

Calculations

where:
a – mass of empty evaporating dish, mg
b – mass of evaporating dish with dried 

deposit, mg

V – volume of sample, mL

background image

Suspended solids (SS)

Calculations

background image

Alkalinit
y

Alkalinity 

is a measure of water capacity to 

neutralize acids (sometimes referred as the acid 
neutralization capacity).

Similarity, acidity is a measure of the base 
neutralizing capacity.

Alkalinity in most natural waters is predominantly 
due to 

bicarbonate (HCO

3-

), carbonate (CO

32-

), 

and

 hydroxide (OH

-

) 

and may vary depending on 

the pH.

background image

The amount of acid required to react with OH

-

, CO

32-

 and 

HCO

3-

 is defined as total alkalinity.

Total alkalinity (eq/L) = [OH

-

] + 2[CO

32-

] + [HCO

3-

] – 

[H

+

]

 
where concentrations on right side are molarities (known as
molar concentration in mole/L).

Alkalinity is measured by titrating with sulphuric acid 

(H

2

SO

4

)

or hydrochloric acid (HCl).

background image

• For 

pH > 11

, the added H

+

 reacts with OH

-

.

• For 

8.3 < pH < 11

, H

+

 reacts with CO

32-

, producing 

HCO

3-

.

• For 

4.5 < pH <8.3

, H

+

 reacts with HCO

3-

, producing 

H

2

CO

3

.

• Inflection point at

 pH 8.3 

corresponds to equivalence 

point for conversion of CO

32- 

to HCO

3-

.

• Inflection point at 

pH 4.5 

corresponds to equivalence 
point for conversion of HCO

3-

 

to H

2

CO

3

.

background image

For water samples with pH > 8.3 the titration is 
made in two steps.

•The first step is to pH of 8.3. 
This endpoint corresponds to the equivalence 
point for
conversion of CO

32- 

to HCO

3-

:

CO

32-

+ H

+

→HCO

3-

Phenolphthalein alkalinity 

= [OH

-

] + [CO

32-

]

background image

• The second step is to pH of 4.5. 
This endpoint corresponds to the equivalence point for
conversion of  HCO

3- 

to H

2

CO

3

 :

HCO

3-

+ H

+

→H

2

CO

3

Total alkalinity 

(known as methyl orange alkalinity) 

= [OH

-

] + 2[CO

32-

] + [HCO

3-

] – [H

+

]

For water samples with pH < 8.3 the titration is made 

in one step and it is to pH of 4.5, so it’s total 
alkalinity.

background image
background image

In water chemistry the alkalinity (HCO

3-

, CO

32-

and OH

-

) can 

be express following the calcium carbonate system where 
the concentration of a substance is given as 

mg/L as 

calcium carbonate (CaCO

3

).

CaCO

3

 → Ca

2+

 + CO

32-

Each mole of CaCO

3

 yields 1 mole, or 2 equivalents of Ca

2+

therefore with respect to Ca

2+

:

 

3

100g/ mole

EWof CaCO

50g/ eq 50mg/ meq

2eq/ mole

=

=

=

background image

Example
What is the total alkalinity (TA) in mg/L as CaCO

3

 

if a solution has a total alkalinity of 0.002 eq/L?

 
Solution
 
TA = 0.002 eq/L 
EW

CaCO3

 = 50 g/eq = 50 000 mg/eq

 
TA = 0.002 eq/L · 50 000 mg/eq = 100 mg/L as 

CaCO

3

background image

The procedure is for water samples with pH > 

4.6.

 
Equipment and reagents
• Conical flask, 250-300 ml
• Graduated cylinder, 100 ml
• Burette with HCl 0.1 molar solution
• Methyl orange, 0.1 % water solution
• pH-meter with electrode

Alkalinity determination

background image

Method
1.Using the graduated cylinder measure 100 mL of 

water sample and pour into the flask. 

2.Add a few drops of methyl orange and gently mix.
3.Titrate at room temperature with HCl 0.1 molar 

solution. The end of titration can be seen by a 
colour change from yellow to orange.

4.Record the amount of HCl taken for titration as 

”a”.

background image

Calculations

where:
a - amount of HCl 0.1 molar solution taken for 

titration, mL

0.1 - conversion factor related with 0.1 molar HCl 
50 - the gram equivalent weight of CaCO

3

1000 - conversion factor, mL to L
V - volume of examined water, mL

3

a 0.1 1000

Alkalinity,mgCaCO / L

50

V

� �

=

background image

Hardness

 of water sample is defined as a 

measure of capacity of water to precipitate soap. 
The two main divalent ions responsible for soap 
precipitation are 

calcium

 and 

magnesium

Total hardness 

is defined as the sum of calcium 

and magnesium concentrations expressed as 
calcium carbonate in milligrams per liter 
(mg/L as CaCO

3

).

Hardness

background image

When hardness is greater than the sum of carbonate 
and bicarbonate alkalinity, that amount of hardness 
equivalent to the total alkalinity is called 

carbonate 

hardness 

while the amount of hardness in excess of 

this is called 

non-carbonate hardness

background image

The hardness of water samples may range from zero
to hundreds of milligrams per liter.

background image

Hardness calculations
 

 where M

2+

 is divalent metallic ion (e.g. Ca

2+

, Mg

2+

)

2

3

3

2

2

3

3

M (mg/ L)

Hardness,mg/ LasCaCO

EWof CaCO (mg/ meq)

EWof M (mg/ meq)

Hardness,mg/ LasCaCO M (meq/ L) EWof CaCO (mg/ meq)

+

+

+

=

=

background image

Example
Determine the hardness in mg/L as CaCO

3

  of the water sample

contains calcium, magnesium and biocarbonate ions in 

concentrations

given in the table.

background image

Solution    

Total hardness (TH) = Ca

2+

 + Mg

2+

 = 270 mg/L as 

CaCO

3

 

Carbonate hardness (CH) = HCO

3

-

 = 300 mg/L as 

CaCO

background image

The  titration method is used in order to detremine the 

hardness

as sum of Ca

2+ 

and Mg

2+ 

ions.

Equipment and reagents
• Conical flask, 250-300 mL
• Graduated cylinder, 100 ml
• Burette with EDTA-Na, 0.01 molar solution
• HCl, 0.1 molar and 1+1 solution
• NaOH, 2.5 molar solution
• Ammonia, 25% solution
• Reagent ET and murexide

Hardness determination

background image

Method

Ca

+2

1.

Using the graduated cylinder measure 100 mL of water 
sample and pour into the flask. 

2.

Add the same mL of HCl, 0.1 molar solution as used for 
total alkalinity determination.

3.

Add a pinch of murexide and gently mix.

4.

Add 2 mL of NaOH and mix the sample.

5.

Titrate at room temperature with EDTA-Na solution. The 
end of titration can be seen by a colour change from 
pink to violet.

6.

Record the amount of EDTA-Na taken for titration as ”a”.

background image

Mg

+2

1.After calcium determination, add to the same 

sample 7 mL of HCl, 1+1 solution and mix until the 
colour disappears.

2.Add 7 mL of ammonia solution, a pinch o ET 

reagent and gently mix.

3.Titrate at room temperature with EDTA-Na solution. 

The end of titration can be seen by a colour 
change from violet to blue.

4.Record the amount of EDTA-Na taken for titration 

as ”b”.

background image

Calculations

2

2

2

2

2

2

3

a 0.1 1000 20

Ca ,mgCa / L

2.8 V

b 0.1 1000 12

Mg ,mgMg / L

2.8 V

Totalhardness,mg/ LasCaCO

Ca

Mg

+

+

+

+

+

+

� �

=

� �

=

=

+

background image

where:
0.1 – conversion factor, 1 mL of EDTA-Na equals 

0.1 hardness

number 
1000 – conversion factor, mL to L
V – volume of water sample, mL
20 – gram equivalent weight of Ca

+2

 

12 – gram equivalent weight of Mg

+2

background image

pH

pH

 is defined as the negative log (base 10) of 

the hydrogen ion concentration and is unitless:

 

pH = -log[H

+

]

 
Taking the negative log of K

W

 = [H

+

] [OH

-

]:

-logK

w

 = -log[H

+

]-log[OH

-

]

pK

w

 = pH + pOH

background image

where: 

pH=-log[H

+

]

pOH = -log [OH

-

]

Since K

w

 = 10

-14 

at 25

o

C, it follows that 

pK

w

= 14 at 25

o

C,

which means that: 

pH + pOH = 14

background image

The definition of 

neutrality

 is:

pH = 7 = pOH

 

Acidity:

 

[H

+

] > [OH

-

]

[H

+

] > 10 

7

 mole/L

pH < 7

 

Basicity:

 

[H

+

] < [OH

-

]

[H

+

] < 10 

7

 mole/L

pH > 7

background image

pH scale: 

background image

pH determination

Measure the pH at room temperature with 
properly calibrated pH-meter.

Equipment
•pH-meter with electrode
•Glass beaker, 25 mL
 

background image

Method 
1.Remove electrode from storage solution, 

rinse with distilled water and dry.

2.Pour the water sample into a small beaker.
3.Place the pH electrode in the beaker. 
4.Let the electrode to stabilize.
5.The result of pH value will be displayed.

background image

Example

What is the pH and alklinity of groundwater sample with quality
parameters  listed in the table. The water temperature is 15 °C.

Constituent

Concentration

mg/L

Ca

2+

190

Mg

2+

84

Na

+

75

Fe

2+

0.1

HCO

3

-

260

SO

4

2-

64

CO

3

2-

30

NO

3

-

35

background image

Solution

Consider the dissociation of HCO

3-

 ion:    [HCO

3-

] ↔ [H

+

] + [CO

32-

]

 At 15°C K

2

 = 3.72·10

-11

 mole/L

 

3

3

3

2
3

2

4

3

MWof HCO

61g/ mole

260

HCO

4.26 10 mole/ L

1000 61

MWof CO

60g/ mole

30

CO

5 10 mole/ L

1000 60

-

-

-

-

-

-

=

�=

=

=

�=

= �

background image

Reorganized the equilibrium equation:
 

 

pH = - log [H

+

] = - log 3.17·10

-10

 = 9.5

 

3

2

2

3

HCO

H

K

CO

-

+

-

� �

� �

= �

3

11

10

4

4.26 10 mole/ L

H

3.72 10 mole/ L

3.17 10

5 10 mole/ L

-

+

-

-

-

� �=

=

� �

2

3

3

Alkalinity HCO

CO

260 60 320mg/ L

-

-

=

+

=

+ =

background image

Example
Given the following water quality analysis, determine the
unknown values:

Constituent

Concentratio

n

Ca

2+

40 mg/L

Mg

2+

?

Na

+

?

K

+

39.1 mg/L

HCO

3

-

?

SO

4

2-

96 mg/L

Cl

-

35.5 mg/L

Alkalinity

3 meq/L

Non-

carbonate 

hardness

1 meq/L

background image

Solution 

• Use alkalinity to determine [HCO

3-

]

 
 MW of HCO

3-

 = 61 g/mole

[HCO

3-

] = 183 mg/L

3

61g/ mole

EWof HCO

61g/ eq 61mg/ meq

1eg/ mole

-

=

=

=

3

HCO

Alkalinity 3meq/ L

61mg/ meq

-

=

=

background image

• Use hardness to determine [Mg

2+

]

 
 

{

}

2

2

Total hardness Carbonate hardness noncarbonate hardness

Ca

Mg

3meq/ L

1meq/ L

+

+

=

+

+

=

+

2

2

2

2

Ca

Mg

4meq/ L

EW

EW

Mg

40

4meq/ L

20

EW

Mg

24.4mg/ L

+

+

+

+

� � �

� � �

+

=

+

=

�=

background image

Use the anion-cation balance to determine [Na

+

]

Cation

s

Concentr

a-

tion

Equivale

nt mass

Concentr

a-

tion

Anion

s

Concentr

a-

tion

Equivale

nt mass

Concentr

a-

tion

mg/L

mg/meq

meq/L

mg/L

mg/meq

meq/L

Ca

2+

40

20

2

HCO

3

-

183

61

3

Mg

2+

24.4

12.2

2

SO

4

2-

96

48

2

K

+

39.1

39.1

1

Cl

-

35.5

35.5

1

Na

+

x

23

x/23

Total

5+x/23

6

Anions

Cations

x

6 5

23

Na

x 33mg/ L

+

=

= +

� �= =

� �

background image

Conductivity

Conductivity

 is a parameter used to measure the 

ionic concentration and activity of a solution, and is 
usually express in 

µS/cm

.

Conductivity is an important parameter that is often 
used for monitoring water quality. For instance 
conductivity measurements are used for applications 
such as determining the total dissolved solids (

TDS

mg/L) or 

salinity

 of sea water. It’s also used for 

assessment the degree of mineralization of distilled 
and deionized water.

background image

Conductivity of aqueous solutions:

background image

Conductivity determination

Measure the conductivity at room temperature 
with properly calibrated conductivity-meter.

Equipment
•Laboratory conductivity meter with the special 
conductivity cell
•Glass beaker, 25 mL
 

background image

Method 
1.Rinse the conductivity cell with distilled water 

and dry.

2.Pour the sample into a small beaker.
3.Place the cell in the beaker. 
4.Operate the conductivity-meter according to 

manufacturer’s instructions.

5.Record the result in µS/cm.

background image

Ammonia/nitrite/nitrate

Nitrogen forms - nitrate, nitrite, ammonia, are 
of great interest in water chemistry because 
they are components of the nitrogen cycle.

Ammonia

 is present naturally in water bodies 

and wastewaters. Its concentration is 
considerably lower in waters - µg/L, than in 
wastewaters - mg/L. 

background image

Nitrate

 is an essential nutrient for many 

photosynthetic autotrophs and in some cases has 
been identified as the growth-limiting nutrient. It 
occurs in trace quantities in surface water but 
may attain high levels in some groundwater. 

In fresh domestic wastewater nitrate is found in 
small amounts but in the effluent of nitrifying 
biological treatment plants nitrate may be 
present in concentrations of up to 30 mg/ L. 

background image

Nitrite

 is an intermediate oxidation state of 

nitrogen, both in the oxidation of ammonia to 
nitrate and in the reduction of nitrate. 
Such oxidation and reduction may occur in 
wastewater treatment plants, water 
distribution systems and natural waters. Nitrite 
can enter a water supply system through its 
use as a corrosion inhibitor in industrial process 
water. 

background image

Ammonia (NH

4

+

determination

Equipment and reagents
• Standards, mg NH

4+

/100 mL

• Nessler tube, 100 mL
• Seignette salt
• Nessler reagent (K

2

HgI

4

)

background image

Method
1.Pour 100 mL of well-mixed water sample 

into the Nessler tube.

2.Add 1 mL of Seignette salt and 1 mL of 

Nessler reagent.

3.Mix content of the Nessler tube by turning 

it upside down and wait 10 minutes. Yellow 
colour occurs and its intensity is 
proportional to ammonia concentration.

background image

4.

Compare the sample with standards by looking 
vertically downward through the Nessler tube 
toward a white surface placed at such angle 
that light is reflected upward through the 
column of liquid. 

5.

Record the result in mg/L NH

4+

.

background image

Nitrite (NO

2

-

) determination

Equipment and reagents
• Conical flask, 250-300 mL
• Spectrophotometer 
• Glass cells with a light path length equals 5 cm
• Sulfanilamide acid 
• α- naphtylamine solution

background image

Method
1.

Pour 100 mL of water sample into the flask.

2.

Add 1 mL of sulfanilamide acid, mix and wait 5 
minutes.

3.

Add 1 mL of α-naphtylamine solution.

4.

Mix gently the sample and wait 10 minutes. Red-
violet colour occurs and its intensity is 
proportional to the nitrite concentration.

5.

Turn on the spectrophotometer and let it warm 
up according to manufacturer’s instructions.

background image

6. Rinse the blank measuring cell with blank 

sample, refill it and place cell at first position 
in the spectrophotometer.

7. Rinse the second measuring cell with water 

sample, refill it and place cell at second 
position in the spectrophotometer.

8. Set the proper calibration curve (a wavelength 

520 nm), press AUTOZERO and START.

9. Read nitrite concentration in mg/L directly 

from the instrument.

background image

Nitrate (NO

3

-

determination

Equipment and reagent
• Nessler tube, 100 mL
• Evaporating dish, 100 mL
• Glass rod
• Pipet
• Steam bath
• Standards, mg NO

3-

/100 mL

• Phenolodisulfonic acid
• NaOH solution

background image

Method
1.Pipet 10 mL of water sample into the 

evaporating dish and using the steam bath 
evaporate it to dryness. 

2.Remove the dish from the steam bath, dry it 

and cool it down.

3.Add 1 mL of phenolodisulfonic acid and 

using the glass rod, distribute the acid on 
the dish walls (the acid makes the deposit 
dissolved).

background image

4. Add a few mL of distillated water and pour 

the dish contents into Nessler tube.

5. Pipet  5÷7 mL of NaOH solution to the tube 

and fill it up to 100 mL with distillated 
water. Yellow colour occurs and its intensity 
is proportional to the nitrate concentration.

6. Mix the sample by turning it upside down.

background image

7. Compare the sample with standards by looking 

vertically downward through the Nessler tube 
toward a white surface placed at such angle 
that light is reflected upward through the 
column of liquid. 

8. The results express as mg/L NO

3-

 taking into 

account that 10 mL of water sample was used 
for nitrate determination.

background image

Chlorides

Chloride ions (Cl

-

)  

are one of the major inorganic 

anions in aquatic environment. The salty taste of 
water is due to presence of chloride ions and 
dependents on the chemical composition of water. 

Waters containing 250 mgCl

-

/L may have a detectable 

salty taste if the predominant cation is sodium. The 
typical salty taste may be absent in waters containing 
as much as 1000 mg Cl

-

/L  when the predominant 

cations are calcium and magnesium.

background image

Chlorides determination

This method can be used to determine the Cl

-

 ions 

concentration of water from many sources such as 
seawater, stream water or river water.  The pH of 
the water sample should be between 6.5 and 10. 

Equipment and reagents
•Conical flask, 250-300 ml
•Graduated cylinder, 100 ml
•Burette with AgNO

3

 solution

•Potassium chromate (K

2

CrO

4

) indicator 

background image

Method
1.

Using the graduated cylinder measure 100 mL of 
water sample and pour into the flask. 

2.

Add 1 mL of  K

2

CrO

4

 and gently mix.

3.

Titrate the sample with AgNO

3

 solution. The end of 

titration can be seen by a colour change from faint 
lemon-yellow to brick-red.

4.

Record the amount of AgNO

3

 taken for titration as 

”a”.

background image

Calculations

where:
a – amount of AgNO

3

 solution taken for titration, mL

V – volume of water sample, mL
1000 – the conversion factor, mL to L
0.3 – factor related with the amount of AgNO

3

 

solution, which is necessary for Ag

2

CrO

4

 formation 

in 100 cm

3

 of distillated water

(a 0.3) 1000

Chlorides, mgCl / L

V

-

-

=

background image

Determination of organic content 

of water 

The determination of the organic content of water can 

be

done by:

• Specific tests 

are suitable for measurement the 

concentrations of specific compounds. 

    

Details of specific tests are in 

Standard Methods (2005).

• Non-specific

 tests to measure the overall 

concentration of the organic content.

 

background image

Tests for the overall concentrations include:

• BOD

 (a biochemical test that uses microorganisms)

• COD

 (a chemical test)

• TOC

 (an instrumental test)

 

background image

BOD - biochemical oxygen 
demand

The 

BOD

5

 is the amount of dissolved oxygen used 

up from the water sample by microorganisms as 
they break down organic material at 20˚C over a 5-
day period. It measures the 

readily biodegradable 

organic carbon

The BOD

5

 is arbitrarily set at 5 days and this may 

not be long enough to determine the 

BOD ultimate 

(BOD

u

)

, which is again arbitrarily set at 

20 days

BOD

u

 ≈ 2 x BOD

5

background image

Clean waters have BOD

5

 values of less than 1 

mg/L. 
Rivers are considered polluted if the BOD

5

 is 

greater than 5 mg/L. 

The BOD

5

 of municipal wastewaters ranges 

from about 150 to 1000 mg/L, while for 
industrial wastewaters (food industries) the value 
may be several thousands.

background image

COD - chemical oxygen 
demand

The 

COD 

test measures the total organic carbon, with 

the exception of some aromatics such as benzene 
which are not oxidized in the reaction. The test 
determines the amount of 

oxygen needed to 

chemically oxidize the organics 

in water/ 

wastewater sample. 

A strong chemical oxidizing agent is used to oxidize 
the organics rather than using microorganisms as in 
the BOD test. The oxidizing agent is potassium 
dichromate in an acid solution. 

background image

COD is attractive as a test since it takes about 2 
hours by comparison with 5 days for the BOD. A 
disadvantage is that it tells nothing about the 
rates of biodegradation
.

In typical municipal wastewaters:

BOD ultimate (≈ BOD

20

) is ≈ equal (92%) to 

COD

BOD

5

 ≈ 0.6 COD

background image

Example
If bacterial cells are represented by the chemical 

formula

C

5

H

7

O

2

N, determine the potential carbonaceous BOD.

Solution 
As the cells require O

2

 to stabilize them to end 

products, first stoichiometrically balance the 
equation:

C

5

H

7

O

2

N + 5O

2

 → 5CO

2

 + 2H

2

O + NH

3

                       

stable end products as a result of oxidation

background image

Therefore each mole of bacterial cells requires 5 
moles of O

2

 for oxidation:

 

 
BOD

u

 = 0.92 COD = 0.92 · 1.42 = 1.31

 
If the bacterial cell concentration was, e.g. 1000 
mg/L, then the potential BOD

u

 = 1310 mg/L. 

2

5 7 2

5moleof O

5 32

COD

1.42

1moleof C H O N 113

=

=

=

background image

Dissolved oxygen 
determination (DO)

Equipment and reagents
• Conical flask, 250-300 ml
• Graduated cylinder, 100 ml
• BOD bottles, 125 mL
• Burette with Na

2

S

2

O

3

 solution

• Solutions of MnSO

4

, KJ, and H

2

SO

4

• Starch indicator

background image

Method
1.Fill the bottle with the sample without 

entraining the air.

2.Add 1 mL of MnSO

and 2 mL of KJ; a 

precipitate will form.

3.Cap the bottle that insertion of the stopper 

leaves no air bubbles in the bottle and mix it 
by inverting several times.

4.Place the bottle in the dark place and allow 

the precipitate to settle.

background image

5. Add 1 mL of H

2

SO

4

.

6. Next cap the bottle and gently shake until 

the reagent and precipitate have dissolved 
(depending on the oxygen content of the 
sample a clear yellow to brown colour will 
appear).

7. Using the graduated cylinder measure 100 

mL of sample and pour into the flask without 
entraining the air. 

background image

8.

Titrate at room temperature with Na

2

S

2

O

3

 solution 

until the faint yellow colour will be seen. 

9.

Then add 5 mL of starch indicator and continue the 
titration until the blue colour disappears.

10.

Record the amount of Na

2

S

2

O

3

 taken for titration as 

”a”.

background image

Calculations

where:
x – amount of Na

2

S

2

O

3

 taken for titration (before 

and

after starch addition), mL
1000 –  conversion factor, mL to L
0.2 – conversion factors 
V – volume of sample, mL

2

0.2 a 1000

DO, mgO / L

V

��

=

background image

Literature

S. E. Manahan, Fundamentals of Environmental 
Chemistry. 
Second Edition, Lewis Publishers, 2001.

V. L. Snoeyink, D. Jenkins, Water Chemistry. John 
Wiley & Sons, 1980.

S. D. Faust, O. M. Aly, Chemistry of water 
treatment
. Lewis Publishers, 1998.

Standards Methods for the Examination of 
Water and Wastewater
. American Public Health 
Association, American Water Works Association, 
American Public Health Association, 21 Edition, 
2005.


Document Outline