Περιγραφή προβλήματος
Το εξασθενές χρώμιο στο πόσιμο νερό, κατηγορείται για την εμφάνιση καρκίνων, αν και δεν έχει διερευνηθεί ακόμη, πάνω από ποιες συγκεντρώσεις μπορεί να προκαλέσει κάτι τέτοιο. Τα κράτη έχουν θεσπίσει ανώτατα όρια της τάξης των 100 ppb. Πριν 10 χρόνια στη περιοχή μας, (Ψαχνά και Ασωπός), είχε εντοπιστεί ένα ανάλογο πρόβλημα, ενώ έχει γυριστεί και ταινία σχετική με το θέμα (Erin Brockovich, 2000).
Πως μπορούμε να παρακολουθούμε τα επίπεδα του χρωμίου στο νερό συνεχώς και να ειδοποιούμαστε αυτόματα, για να πάρουμε μέτρα;
Στα πλαίσια της αναζήτησής μας για να βρούμε λύση, επισκεφθήκαμε το χημείο της δημοτικής Επιχείρησης Ύδρευσης Αποχέτευσης Χαλκίδας ΔΕΥΑΧ και μιλήσαμε με τον υπεύθυνο του χημείου κο Κανάρη.
Περιγραφή προτεινόμενης λύσης
Το εξασθενές χρώμιο είναι πορτοκαλί-κίτρινο και μπορεί να εντοπιστεί η παρουσία του και να μετρηθεί η συγκέντρωσή του, με ένα φωτόμετρο. Κατασκευάσαμε ένα δικό μας φωτόμετρο, χρησιμοποιώντας 2 LED και έναν σκοτεινό θάλαμο που φτιάξαμε με τουβλάκια LEGO. Δύο από τα τουβλάκια είχαν μια τρύπα στη μέση, μέσα στην οποία ταίριαζαν

Στη κατασκευή μας χρησιμοποιήσαμε σαν κυψελίδα ένα δεύτερο βαρελάκι για να έχουμε συνεχή ροή.
ακριβώς τα LEDάκια. Το ένα LED (άσπρο) ανάβει με τροφοδοσία από το Arduino (3,2 V, 20 mA με μια αντίσταση 75 Ω) , ενώ στο άλλο (πράσινο) αναπτύσσεται τάση, εξ αιτίας του φωτός που δεχόταν από το άσπρο LED, την οποία παρακολουθούμε από το serial printer του Arduino. Το φως που περνά μέσα από τη κυψελίδα ελαττώνεται ανάλογα με τη συγκέντρωση του χρωμίου που έχουμε κάθε φορά. Όταν το φως πέφτει κάτω από ένα επίπεδο σημαίνει συναγερμός με ένα Buzzer. Το άνοιγμα και το κλείσιμο του άσπρου LED ελέγχεται από το κινητό μας από μακριά, μέσω ενός Blue Tooth Module και μιας εφαρμογής App Inventor που αναπτύξαμε. Το Arduino στέλνει τις μετρήσεις του στο κινητό μας πάλι μέσω της σύνδεσης Blue Tooth. Για να έχουμε μια συνεχή ροή μέσα από τη κυψελίδα, χρησιμοποιούμε ένα μπουκάλι φυσιολογικό ορό με τα εξαρτήματά του που πήραμε από το νοσοκομείο. Το χρώμιο εισάγεται με ένεση σαν διάλυμα διχρωμικού καλίου (από τα αντιδραστήρια του σχολικού εργαστηρίου), στο σωλήνα του ορού και μετά από λίγο, φτάνει στη κυψελίδα (το βαρελάκι του φυσιολογικού ορού) και σημαίνει συναγερμός, ενώ μετά τη παρέλευση του χρωμίου, ο συναγερμός σταματά. Για τη σταθερoποίηση της τάσης που μετρά ο Arduino, χρειάζεται κι ένα κύκλωμα με τον ενισχυτή LM358.
Βίντεο
https://www.youtube.com/watch?v=hLNYZFtMrdw

Πηγές
• Εξασθενές χρώμιο, Cr(VI), (ενώσεις του)
• Καρκινογόνο χρώμιο και στην Εύβοια!

• (Καθημερινή 4/9/07, Ελευθεροτυπία 17/9/07)
• Erin Brockovich
• Introducing spectrophotometry in the school lab employing LEGO bricks and LEDs

• LM358 amplifier data sheet

Η ομάδα
Καθηγητής: Γιάννης Μίχας
Μέλη ομάδας: Ελεάννα Δερνίκου Α’ λυκείου, Νίκος Σαπουντζόγλου Β’ λυκείου, Επαμεινώνδας Οικονόμου Β’ λυκείου, Βασίλης Γατόπουλος Β’ λυκείου, Νίκος Βουρδάνος Β’ λυκείου, Άγγελος Παπαλιόλιος Α’ λυκείου, Επαμεινώνδας Χατζόπουλος Α’ λυκείου, Έρη Καρβελά Α’ λυκείου, Αφέντρα Γαϊτανάρου Β’ λυκείου

ΥΛΙΚΑ
1. Τουβλάκια LEGO (τα δύο με τρύπες)
2. Φυσιολογικός ορός από το νοσοκομείο με τα εξαρτήματά του για τον έλεγχο της ροής.
3. Σύριγγα
4. Ζυγός
5. Διχρωμικό κάλιο K2Cr2O7 στερεό
6. Ογκομετρική φιάλη 100 ml.
7. Δοκιμαστικός σωλήνας σπασμένος στη μέση.
8. Λεκάνη συλλογής απορροής ορού.
9. Βάση στήριξης.
10. Πολύμετρο (Volt, A, Ω)
11. Κινητό τηλέφωνο.
12. Πυκνωτές δύο κεραμικοί 10 nF και 100nF, και ένας ηλεκτρολυτικός 10 μF /50V
13. Αντιστάτες 75Ω (για άσπρο LED), 1kΩ + 2kΩ (για διαιρέτη τάσης HC-05), 1,8k + 22k + 560k + 1M (για LM358).
14. LM358 Dual Operational Amplifier
15. Δύο LED 5 mm ένα άσπρο (πομπός) και ένα πράσινο (δέκτης).
16. Trimmer 100 Ω
17. Buzzer
18. HC-05 bluetooth module
19. Breadboard
20. Arduino
21. Jumper wires
Τα είδη 12-16 αγοράστηκαν από το εμπόριο (2,5 ευρώ).
Τα είδη 2-3 προσφέρθηκαν από το νοσοκομείο.
Τα είδη 1 και 11 τα έφεραν οι μαθητές.
Τα είδη 17-21 προσφέρθηκαν από τη Vodafone Generation Next.
Τα είδη 4-10 αποτελούν εξοπλισμό του σχολικού εργαστηρίου.
Συνολικό κόστος 2,50 ευρώ.

Τεχνολογίες για την υλοποίηση του project
Φωτομετρία
Μία μορφή εξασθενούς χρωμίου είναι το διχρωμικό κάλιο, το οποίο το διέθετε το σχολικό εργαστήριο. Ζυγίστηκαν 2,9 g διχρωμικού καλίου και διαλύθηκαν σε νερό σε μια ογκομετρική φιάλη των 100ml. Το διάλυμα που φτιάχτηκε ήταν διαυγές, είχε συγκέντρωση 0,1 Μ και έντονο πορτοκαλί χρώμα.
Οι μαθητές κατασκεύασαν ένα φωτόμετρο με τουβλάκια LEGO, ένα βαρελάκι από τη συσκευή ελέγχου της ροής του ορού και δύο LEDάκια. Με τα τουβλάκια φτιάχτηκε ο σκοτεινός θάλαμος μέσα στον οποίο χώρεσε ακριβώς το βαρελάκι του ορού. Δύο από τα τουβλάκια είχαν τρύπες των 5 mm, μέσα στις οποίες χώραγαν ακριβώς τα δύο LEDάκια. Το ένα LEDάκι χρησιμοποιήθηκε σαν εκπομπός του φωτός (το άσπρο) και το άλλο σαν δέκτης το πράσινο. Ο συνδυασμός αυτός επιλέχτηκε μετά από πολλές δοκιμές ζευγαριών LED, ώστε να δώσει τη μεγαλύτερη διακριτική ικανότητα (διαφορά στα Volt) μεταξύ του νερού και του έγχρωμου διαλύματος (πορτοκαλί) και εξηγείται από το ότι το πράσινο είναι το συμπληρωματικό χρώμα του πορτοκαλί. Όταν το άσπρο LED φωτοβολούσε, το πράσινο δεχόταν το φως του και ανάπτυσσε 1,5 Volt τάση στα ποδαράκια του, όταν στο φωτόμετρο είχαμε νερό, και 1,2 Volt όταν είχαμε το έγχρωμο διάλυμα. Η πτώση στη τάση οφείλεται στη μείωση του διερχόμενου φωτός, εξ αιτίας του έγχρωμου του διαλύματος. Το άσπρο LED δούλευε με μια αντίσταση 75 Ω στα 20 mA και στα 3,2 Volt που ήταν οι συνιστώμενες ένταση και τάση λειτουργίας του.
Συνεχής ροή
Θέλαμε συνεχή ροή, δηλαδή το νερό να μπαίνει και να βγαίνει συνεχώς από τη κυψελίδα και να σημαίνει συναγερμός αυτόματα, όταν τα όρια του χρωμίου ξεπεράσουν ένα όριο (δηλαδή τα Volt στο πράσινο LED πέσουν κάτω από μία τιμή). Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήσαμε έναν ορό. Το νερό κατέβαινε μόνο του, με τη βαρύτητα. Η ροή ελεγχόταν με έναν ρυθμιστή ροής. Η εισαγωγή του χρωμίου γινόταν στη ροή, με σύριγγα, ενώ το βαρελάκι του ορού, όπου φαίνονται οι σταγόνες που πέφτουν, χρησιμοποιήθηκε σαν κυψελίδα. Όλα ήταν εξαρτήματα του ορού. Ο ορός στερεώθηκε με ένα καρφί κι ένα σχοινί, ψηλά σε μία ντουλάπα.
Ενισχυτής LM358
Ενώ οι μετρήσεις στο βολτόμετρο ήταν σταθερές και επαναλαμβανόμενες, όταν εισάγαμε τη τάση στον Arduino, αυτή ήταν ασταθής. Αυτό οφείλεται στη πολύ μεγάλη εσωτερική αντίσταση του βολτόμετρου, σε αντίθεση από τη σχετικά μικρή αντίσταση του Arduino. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήσαμε τον ενισχυτή.
HC-05 Bluetooth module
Με το module αυτό και την εφαρμογή App Inventor, στέλναμε εντολή στον Arduino, από το κινητό να ανάψει το άσπρο LEDάκι, και παίρναμε τις μετρήσεις της τάσης συνεχώς, αριθμητικά, αλλά και σε γραφική παράσταση. Επίσης παίρναμε ένα σήμα συναγερμού που έλεγε: «Το νερό έχει χρώμιο». Το σήμα έσβηνε όταν το χρώμιο είχε περάσει.
Buzzer
Χρησιμοποιήσαμε επίσης ένα buzzer για να μας ειδοποιεί για την ύπαρξη χρωμίου, και χωρίς το κινητό.

Κύκλωμα

Κύκλωμα LM358

Αντίκτυπος στη κοινότητα – Επικοινωνία με το τοπικούς φορείς
Στη περιοχή μας έχει παρατηρηθεί στο παρελθόν ρύπανση των υδάτων από εξασθενές χρώμιο (Ψαχνά, Ασωπός το 2009) και υπάρχει αυξημένη ευαισθητοποίηση του πληθυσμού. Η λύση μας, για την online συνεχή παρακολούθηση του χρωμίου, βρήκε μεγάλη ανταπόκριση στη σχολική κοινότητα, όσο και από τους χημικούς της Δημοτικής Επιχείρησης Ύδρευσης Αποχέτευσης Χαλκίδας (ΔΕΥΑΧ), το χημείο της οποίας επισκεφτήκαμε. Ο χημικός της ΔΕΥΑΧ κος Σταμάτης Κανάρης, που μας υποδέχτηκε, μας εξήγησε πως η ΔΕΥΑΧ παρακολουθεί το πρόβλημα του χρωμίου, τι δειγματοληψίες κάνει και τι αναλύσεις. Η ανάλυση που κάνει είναι παρόμοια με τη δικά μας (φωτομετρική). Όμως το δικό τους όργανο έχει και μονοχρωμάτορα, που επιλέγει το συγκεκριμένο μήκος κύματος, όπου απορροφά το χρώμιο, άρα οι μετρήσεις τους είναι πιο ακριβείς. Έδειξε όμως ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την συνεχή παρακολούθηση του χρωμίου που αναπτύξαμε, αλλά και για την online μετάδοση των μετρήσεων.