Введение
Вода, единственное соединение на планете существующее в природе в виде трех агрегатных состояний: жидкое, твердое, газообразное. Является универсальным растворителем, обладает “памятью”, необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле. Статистика последних лет показывает, что количество пресной воды на планете уменьшается. В результате зарегулирования рек, строительства на них водохранилищ, периодически возникающих аварийных ситуаций, выброса промышленных отходов и неочищенных коммунально- бытовых стоков в русло пресных водоемов приводят к загрязнению не только наземных, но и подземных бассейнов. Качество пресной воды ухудшается из-за увеличения цветности, появления привкусов и запахов, наличия повышенного содержания органических примесей, пестицидов и других химических соединений. Используемые фильтры и обеззараживающие соединения в водопроводных очистных сооружениях не эффективны, а порой даже не безопасны. В результате в питьевой воде, потребляемой населением, содержатся практически те же загрязнения, что и в природной. Проблема обеспечения населения питьевой водой, отвечающей требованиям стандарта, является одной из основных и требует комплексного и эффективного решения. С неэффективностью очистительных фильтров местных водонапорных станций мы сталкивакмся ежедневно, поэтому исследовательская работа посвящена поиску создания фильтра способного устранять или улучшать качество питьевой воды. Это стало главной целью исследований. Главная задача в создании фильтров – подбор компонентов способных устранять запах, улучшать вкусовые качества, задерживать не только не растворимые в воде примеси, но и примеси находящихся во взвешенном состоянии. Для решения поставленной задачи использованы различные методы исследования: анализ литературных и интернет источников, химический анализ на определение жесткости и кислотно – щелочной среды, способы очистки воды от примесей, анализ и подбор наиболее безопасного для здоровья, но эффективного обеззараживающего метода.
1. Теоретическая часть
1.1 Способы очистки воды методом отстаивания
Отстаивание используют для удаления из воды хлора. Для этого водопроводную воду наливают в емкость и оставляют на несколько часов. Газообразный хлор удаляется с 1/3 глубины от поверхности воды. После отстаивания воду необходимо кипятить.
1.2 Способы очистки воды методом фильтрования
Данный способ очищает воду только от нерастворимых примесей, при этом растворимые соли, вирусы, бактерии, микроорганизмы остаются.
1.3 Способы очистки воды методом кипячения
Кипячение используют для уничтожения вирусов. Бактерий, микроорганизмов, удаления хлора. Недостатки: при кипячении вода меняет структуру из-за испарения кислорода, концентрация солей в оставшемся объеме увеличивается из-за испарения воды, многие вирусы гибнут при более высокой температуре, образуется дополнительный хлороформ вызывающий раковые заболевания.
1.4 Способы очистки воды методом кристаллизации
Метод основан на химическом законе, согласно которому при замерзании жидкости, сначала в наиболее холодном месте кристаллизуется основное вещество, а в наименее холодном затвердевает все, что было растворено в основном веществе. Недостатки: метод требует медленного замораживания, не все растворимые соли осаждаются на дне сосуда.
1.5 Способы очистки воды методом дистилляции
Метод основан на свойствах воды изменять агрегатное состояние в зависимости от температуры. Так при кипячении вода из жидкого состояния переходит в газообразное. Оставляя на дне емкости растворимые в ней соли, вирусы, бактерии. Поднимаясь вверх и двигаясь по газоотводному приемнику дистиллятора охлаждается и переходит в жидкое состояние. Недостатки: легкая хлорорганика перегоняется вместе с водяным паром, уничтожаются важные микроэлементы, дистиллированная вода при длительном употреблении вымывает из организма соли кальция, железа и многие другие.
1.6 Методы обеззараживания воды алюмокалиевыми квасцами
В домашних условиях обеззараживание воды от бактерий осуществляют путем добавления 1гр соли на 4л воды. Алюмокалиевые квасцы очищают воду за счет образования продуктов гидролиза от бактерий, взвешенных частиц и примесей органических веществ, выделившаяся серная кислота нейтрализует воду, имеющую щелочную реакцию. Выпавший осадок удаляется фильтрованием.
1.7 Озонирование
Один из наиболее реальных и высокоэффективных методов очистки воды, позволяющий существенно улучшить качество питьевой и очищенной сточной воды, решить проблемы здравоохранения и экологии. Преимущества метода: возможность получения озона на месте применения; высокая активность озона в отношении обеззараживания воды от бактерий и вирусов; одновременно с обеззараживанием происходит обесцвечивание воды, устраняются запахи и привкусы; не изменяет натуральные свойства воды; заменяет традиционные методы хлорирования, ультразвук, фильтрацию и другие. Недостатки: большие затраты электроэнергии.
1.8 Хлорирование
Хлор давно используется в качестве основного обеззараживающего реагента практически во всех очистных предприятиях России. Механизм бактерицидного действия хлора заключается во взаимодействии с составными частями клетки микроорганизма, что приводит к нарушению обмена веществ в клетке и отмиранию микроорганизмов. Недостатки: хлор сильнодействующее ядовитое вещество; способствует образованию в воде токсичных и хлорорганических соединений; обладает последействием; очистные станции использующие хлор являются объектами повышенной опасности.
1.9 Гипохлорит натрия
Применяется в жидком виде, получают на месте применения электрохимическим способом. Эффективен против большинства болезнетворных микроорганизмов, безопасен при использовании и хранении.
Недостатки: неэффективен против цист; при хранении теряет активность и выделяет газообразный хлор; после использования образует большое количество побочных продуктов; требует немедленного использования сразу после получения.
2. Экспериментальная часть
Для проведения эксперимента были взяты образцы воды из трех разных источников: водопроводная, вода подземного бассейна, вода из природного водоема г.Краснодара, п.Северного. проведен анализ каждого образца и выбран для дальнейшего исследования наиболее загрязненный источник. Все исследования проводились поэтапно независимо от способа очистки в одинаковой последовательности.
Цели:
- получить фильтр максимально очищающий воду от примесей;
- уменьшить показатель щелочной среды;
- очистить воду от неприятных запахов;
- улучшить вкус воды;
- снизить содержание растворимых солей;
- уменьшить показатель жесткости воды.
Задачи:
- подобрать компоненты фильтра на основе их характеристик удовлетворяющие поставленным целям;
- определить фильтр наиболее эффективно очищающий воду от примесей и неприятных запахов;
- определить наиболее безопасный, но эффективный обеззараживающий способ очистки воды;
- по результатам исследований разработать ряд рекомендаций для органов местного самоуправления по использованию в водоочистительных станциях наиболее эффективных способов очистки воды.
Методика последовательного исследования:
- отстаивание;
- фильтрование;
- определение кислотно-щелочной среды раствора или фильтрата;
- определение жесткости раствора или фильтрата.
Метод исследования: химический (экспериментальный).
Оборудование: образцы проб трех различных источников, универсальная индикаторная бумага, шкала определения рН среды, мыльный раствор туалетного мыла, ватные диски, активированный уголь, песок, древесные опилки, поваренная соль, стеклянные: колбы, воронки, палочки.
Предмет исследования: Химия. Здоровье человека.
Актуальность исследования: Вода жизненно важное соединение и от ее качества зависит здоровье, долголетие человека, а так же всех живых организмов.
2.1 Анализ образцов проб воды из разных источников
Для анализа взяты образцы проб пресной воды из трех различных источников: образец №1 - водопроводная вода, образец №2 - вода подземного бассейна (колодезная), образец №3 - вода из природного водоема г. Краснодара, п.Северного (приложение 1).
В результате проведения ряда последовательных экспериментов получены следующие результаты: отстаивание представленных образцов (приложение 2а) показало наличие не растворимых солей в каждом образце; фильтрование (приложение 2б) – наличие загрязнителей во всех образцах даже после отстаивания; определение кислотно – щелочной (рН) среды раствора – все три образца (приложение 3) имеют щелочную среду, причем содержание щелочи в водопроводной воде значительно выше чем в колодезной, но меньше чем у природного источника. Вывод: не рекомендуется пить сырую водопроводную воду из-за повышенного содержания щелочи, купаться или брать воду для хозяйственных нужд из природного источника; определение жесткости воды (приложение 4) показало содержание во всех трех образцах повышенное содержание солей кальция и магния.
Для дальнейших исследований выбрана вода наиболее загрязненного источника – природного водоема (образец №3).
2.2 Очистка воды методом кристаллизации
Выбранный образец (приложение 5) подвергли кристаллизации с последующим удалением нижней части содержащей нерастворимые примеси. Произвели размораживание при комнатной температуре и провели анализ полученного образца. Результат выявил не эффективность данного метода по очистке воды от растворимых солей (приложение 5).
2.3 Очистка воды из природного водоема сложными фильтрами и ее анализ
2.3.1 Фильтровальный диск - опилки
Анализ полученного фильтрата (приложение 6) показал не эффективность использования при очистке воды данного фильтра, так как показатель щелочной среды не изменился, жесткость воды осталась в неизменном виде, о чем говорит масса хлопьев на поверхности фильтрата.
2.3.2 Фильтровальный диск – песок - опилки
Через трехслойный фильтр (приложение 7) пропустили исследуемый образец. Проанализировали полученный фильтрат (приложение 7). Результат: щелочная среда фильтрата уменьшилась с интервала 10 – 11 до 9 – 10; количество хлопьев на поверхности фильтрата значительно сократилось, что доказывает снижение содержание солей кальция и магния, уменьшение жесткости воды.
2.3.3 Фильтровальный диск – активированный уголь
Активированный уголь выступает в роли сорбента при фильтровании поглощая вредные примеси и неприятный запах, поэтому он был выбран в качестве компонента фильтра. Произвели фильтрование образца №3 через фильтр, фильтрат подвергли поэтапному химическому анализу. Результат: свойства фильтрата в сравнении с образцом не изменились (приложение 8). Вывод: активированный уголь не способствует снижению содержания солей и щелочной среды.
2.3.4 Фильтровальный диск – активированный уголь - опилки
Показатель жесткости воды и рН среды в полученном фильтрате изменился, но незначительно (приложение 9). Вывод: данный фильтр улучшает качество воды, но не является эффективным.
2.3.5 Фильтровальный диск – активированный уголь – поваренная соль – активированный уголь
Анализ фильтрата полученного из сложного четырехслойного фильтра (приложение 10) показал эффективность его использования, так как: 1 – щелочная среда фильтрата уменьшилась по сравнению с исходным образцом с интервала 10 – 11 до 8 – 9; 2 – жесткость воды уменьшилась, что доказывает снижение содержание растворимых солей.
3. Заключение
Проведенные исследования проб воды взятой из трех разных источников показали:
1 - неэффективность использования очистительных фильтров в водоочистительных станциях. Водопроводная вода содержит растворимые и нерастворимые в воде соли содержание которых превышает установленные нормы, вода жесткая, с повышенной щелочной средой;
2 - вода подземного бассейна содержит различные загрязнители так же превышающие установленные нормы;
3 – проба воды взятой из наземного природного водоема вызывает наибольшие опасения из – за наличия цветности, запаха, примесей во много раз превышающие нормы и тем самым опасны для нормальной жизнедеятельности живых организмов водоема, показатель щелочной среды находится на критической отметке.
Для дальнейших исследований был выбран образец пробы воды из природного водоема показавший наиболее отрицательный результат. В ходе проведения экспериментальных работ и анализа полученных фильтратов возникли трудности в подборе слоев фильтра способных максимально устранить выявленные ранее отрицательные показатели. Однако, не смотря на всю сложность эксперимента, были достигнуты неплохие результаты. Если использовать сложный многослойный фильтр, состоящий из: фильтра, активированного угля, поваренной соли и песка в комплексе с озонированием будет достигнут конечный результат удовлетворяющий поставленным целям. На основании вышеизложенного составлен ряд предложений рекомендательного характера для органов местного самоуправления:
1. Использовать в имеющихся очистительных водонапорных станциях комплексного подхода в очистке питьевой воды от примесей состоящего из: сложного четырехслойного фильтра с последующим озонированием фильтрата;
2. Закончить строительство водоочистительной станции в г. Краснодаре, п.Северном и подключить жителей к централизованному водопроводу.
Проблема качества питьевой воды и способов ее очистки всегда была, есть и будет актуальной. Исследование в данном направлении нельзя прекращать, а методику данных исследований включить в один из разделов элективного курса по выбору “Практическая химия”.
Список использованной литературы
- Г.А. Скоробогатов, А.И. Калинин “Водопроводная вода. Ее химические загрязнения и способы доочистки в домашних условиях” - СПб/издательство С.-Петерб., 2003
- Краузер Б.; Фридмантл М. Химия. Лабораторный практикум.- М:Химия, 1995
- Чебышев Н.; Каган Б. Высшая школа 21-го века: Проблема качества//Высшее образование в России.- 2000
- Фридмантл М. “Химия в действии”. М. “Мир” 1991
- И.И. Новошинский, Н.С. Новошинская Учебник для 9 кл. общеобразовательных учреждений/ 4-е изд. М.:ООО ТИД “Русское слово”, 2009
- И.И. Новошинский, Н.С. Новошинская Учебник для 8 кл. общеобразовательных учреждений/ 4-е изд. М.:ООО ТИД “Русское слово”, 2009