XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ВВЕДЕНИЕ

Организм человека более чем на половину состоит из воды. Для человека потребление воды жизненно необходимо. Запасы чистой пресной воды на нашей планете исчерпаемы. Для того, чтобы люди смогли уменьшить потребление «природных» запасов воды, были созданы способы её очистки, основанные на повторном использовании воды, после обработки. Некоторые из них используются в быту. Например, у каждой семьи дома есть фильтр, очищенная вода которого используется в приготовлении пищи или употребляется в сыром виде.

Данная тема актуальна для меня, поскольку я хотела выяснить, какие существуют способы очистки воды и какие из них наиболее эффективны в быту, какие из них стоит использовать, а какие совсем не эффективны в домашних условиях, и от них следует отказаться. Так же хочу узнать, какая вода считается чистой, чтобы не навредить себе во время её потребления.

К тому же, в Архангельской области показатели, характеризующие качество воды, по санитарно-химическим и микробиологическим показателям хуже, чем в среднем по России. По санитарно-химическому составу превышают областной показатель пробы воды из двенадцати районов, в том числе Котласский район и сам Котлас.

Три региона Северо-Запада России входят в число десяти худших по качеству источников питьевой воды в стране. Из цифр Роспотребнадзора можно сделать вывод: качество питьевой воды в Архангельской области резко снижается. [6]

Цель работы: Изучить способы очистки воды и выявить их эффективность.

Задачи:

Изучить научную литературу на тему существующих способов очистки воды;

Провести анкетирование учащихся 10-11 классов МОУ СОШ №82, провести анализ полученных результатов;

Экспериментальным путём выявить наиболее эффективный способ очистки питьевой воды, изучить одно из свойств воды – жесткость воды.

Объект исследования – вода из-под крана, загрязненная вода и отфильтрованная вода.

Предмет исследования - эффективность разных способов очистки воды.

Гипотеза: Самым эффективным способом очистки воды является фильтрование сложным угольно-песчаным фильтром, поскольку в его составе уголь, обладающий адсорбирующими свойствами.

Методы исследования: наблюдение, анкетирование учащихся десятого класса, эксперименты, изучение научной литературы и источников в сети Интернет, анализ и сортировка информации.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Каждому человеку вне зависимости от образа жизни необходимо выпивать не менее 1,5 литров воды в сутки, потому что человеческий организм на 75-80% состоит из жидкости. При этом важно употреблять чистую воду без посторонних примесей, которые пагубно влияют на наше здоровье.

Каждая из групп способов включается в себя множество конкретных вариантов реализации процесса очистки и его аппаратного оформления. Так же необходимо учитывать, что очистка воды - это комплексная задача, требующая для своего решения комбинации различных способов для достижения максимальной эффективности. Обычно в качестве нежелательных компонентов выступает целый ряд веществ, требующих разного подхода.

В зависимости от принципа действия выделяют такие способы очистки воды как: физические (грубая механическая чистка); химические (смешение воды с реагентами).; физико-химические (сложные комплексные мероприятия); биологические (воздействие живых микроорганизмов). [4] Далее, в моём исследовании я рассмотрю некоторые из физических методов. Данные методы предназначены для очищения воды от твердых крупно-фракционных¹ частиц (чаще всего – нерастворимых). Они успешно задействуются на этапах первичной и грубой очистки и в разы реже – при глубоких и тонких воздействиях. Наиболее подробно рассмотрю фильтрование и кипячение.

Фильтрование – совершенный метод, позволяющий очищать воду от ненужных примесей с разным размером фракций (минимальный порог – до микронов) при прохождении через пористый фильтрующий слой. Метод активно используется в быту и на производстве, из всех физических видов он считается самым эффективным.

Кипячение – процесс доведения воды до кипения². Это простейший способ, позволяющий удалить из воды болезнетворные микроорганизмы и соли кальция. [3]

Жесткость воды- совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния (так называемых «солей жёсткости»). При повышенной жесткости на приборах образуется обильная накипь, мыло и порошок плохо пенятся. Уменьшить жесткость воды можно, прокипятив её. [2]

Рассмотрим принципы работы бумажного, профессионального и усложнённого угольно-песчаного фильтров.

Бумажный фильтр: Принцип его работы максимально прост. Данный фильтр подходит, если нужно выделить из водного раствора нерастворимое соединение, на стенках фильтра останется частички нерастворимого вещества.

Угольный фильтр: В основу работы угля в качестве фильтрующего элемента положены его сорбционные качества — способность поглощения из воды различных компонентов благодаря пористой структуре. По характеру связывания веществ, активированный уголь относится к адсорбентам — веществам, концентрирующим сорбат на поверхности раздела фаз (границе между твердой поверхностью угольных частиц и жидкостью) или впитывающим его своим поверхностным слоем. [1]

При взаимодействии угля с некоторыми веществами происходит химическая реакция — каталитическое окисление.

Профессиональный фильтр: Рассмотрим принцип работы фильтра Zepter Edel Wasser модели- PWC-670. Технология обратного осмоса – одна из самых эффективных технологий для очистки воды. Имеет антибактериальный фильтр. Принцип работы состоит из 5 ступеней. (См. таблицу 2). [8]

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗНЫХ СПОСОБОВ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

2.1. Проведение анкетирования и подведение результатов исследования.

В анкетировании приняли участие 21 ученик 10 и 6 учеников 11 класса МОУ СОШ №82. Результаты исследования занесены в таблицу «Результаты анкетирования» (1).

Вывод: По результатам анкетирования выяснилось, что наиболее популярным способом очистки питьевой воды является фильтрование. Этот вариант ответа выбрало около 75% учащихся. Более 60% дома пользуются фильтрами, определяют свежесть воды по запаху и на вкус. У 51% людей фильтрация-самый эффективный способ очистки питьевой воды, у остальные 49% поделили кипячение и другие способы. Примерно 80% учащихся считают, что чистоту воды не всегда можно определить всего лишь по внешнему виду. 66% считают, что вода, бьющая в источниках, ключах, на родниках, не пригодна для питья без какой-либо обработки. Примерно 79% определяют пригодность воды для питья по виду и вкусу. Всего 48% из 100% знают, что воду допустимо хранить в закрытом контейнере (не бутилированная вода, а очищенная в домашних условиях) не более 3-5 дней. (см. Приложение 3 «Статистика популярных ответов анкетирования»).

Исходя из всего вышесказанного, следует отметить, что учащиеся 10-11 классов МОУ СОШ №82 имеют достаточно знаний о способах очистки питьевой воды, чтобы, потребляя её, не вредить своему здоровью.

2.2. Проведение ряда экспериментов по выявлению эффективности работы фильтров.

Эксперимент №1. Воспроизводство бумажного фильтра в домашних условиях и проверка его эффективности.

Для наглядности опыта я загрязнила воду речным песком и тушью. (4)

Ход работы:

Наливаю 500 мл воды в ёмкость, добавляю 1 столовую ложку речного песка, туда же добавляю 10 капель чёрной туши и размешиваю. Загрязненная вода готова.

Для начала я изготовила бумажный фильтр, который положила в воронку, помещённую в ёмкость. Наливаю загрязнённую воду. Данную процедуру провожу несколько раз. (см. рис.1 Очистка воды бумажным фильтром)

Вывод: В ходе эксперимента по очистке воды, загрязнённой тушью и речным песком, было выявлено, что некоторая часть песчинок и частичек туши были отделены от фильтрата, однако, частицы туши в нем присутствуют (об этом говорит светло-серый цвет фильтрата). Данный метод малоэффективный. Он занимает много времени и очищает неидеально, загрязнение заметно невооруженным глазом (5). Перейдём ко второму эксперименту.

Эксперимент №2. Воспроизводство угольно-песчаного фильтра в домашних условиях и проверка его эффективности.

Приготовлю сложный фильтр. В воронку помещаю обычный бумажный фильтр, затем прокладываю слой марли, далее слой измельчённого активированного угля и сверху слой ваты (6).

Трижды провожу пропускание воды через сложный фильтр.

Вывод:Проведя фильтрование три раза, следует отметить, что вода очистилась до первоначального образца (7). Предлагаю фото, разобранного после тройного фильтрования, сложного фильтра (8). Следовательно, этот способ наиболее эффективен, поскольку в составе фильтра имеется активированный уголь, обладающий адсорбирующими свойствами (одна таблетка активированного угля способна отфильтровать порядка 0.9-1 л воды с эффективностью очистки до 85-90% [1]).

Эксперимент №3. Определение жесткости воды.

Образцы воды различной степени жесткости: водопроводная вода; вода, очищенная фильтром обратного осмоса Zepter- Edel Wasser. Опыт состоит из двух экспериментов:

В пронумерованные пробирки наливаю по 20 мл воды и добавляю пол чайной ложки жидкого стирального средства. В пробирке №1- водопроводная вода, в пробирке №2- вода, прошедшая фильтрацию обратного осмоса через фильтр Zepter- Edel Wasser. (2). После добавления стирального средства, сильно встряхиваю пробирку (около 2-х минут). Сразу после встряхивания описываю степень вспенивания образцов.

Повторяю те же действия, что и в первом пункте данного эксперимента, но предварительно вскипятив образцы воды в пробирках.

После добавления стирального порошка, сильно встряхиваю пробирку (около 2-х минут). Сразу после встряхивания описываю степень вспенивания образцов.

Вывод: При проведении первого этапа в пробирке №1 с водопроводной водой наблюдалось меньшее вспенивание, чем у питьевой отфильтрованной воды в пробирке №2, следовательно, содержание солей кальция и магния, которые характеризуют жесткость воды в пробирке №1 больше. После кипячения жёсткость обоих образцов уменьшилась, вследствие этого, вспенивание было менее выражено. У кипяченой воды в пробирке №2 вспенивание осуществлялось более интенсивно, чем у других образцов, делаем вывод, что данный образец воды имеет меньшую жесткость.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В жизни человека вода играет очень важную роль. Проблема загрязнения воды - это глобальная проблема, требующая глубокого и тщательного подхода. В своём исследовании я сравнила эффективность разных способов очистки питьевой воды. В ходе исследования все поставленные задачи были выполнены.

По результатам анкетирования учащихся 10-11 классов МОУ СОШ №82 была спроектирована статистика уровня знаний о способах очистки питьевой воды и их эффективности. При выполнении работы были изучены и опробованы в домашних условиях различные способы очистки водопроводной воды (фильтрование, кипячение, отстаивание). Экспериментально было подтверждена гипотеза - самым эффективным способом очистки питьевой воды является очистка сложным многоступенчатым фильтром. В ходе одного из опытов было изучено такое свойство воды как жёсткость: суждение о том, что вода, обладающая меньшей жесткостью, обильно вспенивается, было подтверждено. В ходе эксперимента также было выяснено, что кипячение способствует уменьшению жесткости воды, что является еще одним способом очистки воды в домашних условиях.

Проблема качества питьевой воды и эффективность ее очистки всегда была, есть и будет актуальной, а исследования в данном направлении будут продолжаться.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

http://okanalizacii.ru/santeh_vodoprov/filtry/ugolnyj.html (Угольный фильтр: принцип работы)

https://diasel.ru/article/chto-takoe-zhestkost-vody-i-kak-ee-opredelit/ (Жесткость воды)

https://diasel.ru/article/sovremennye-metody-ochistki-pitevoj-vody/ (Питьевая вода и способы её очистки)

https://oil-filters.ru/water_cleaning_methods/#drinking_water_shortage_problems (Классификация способов и методов очистки воды)

https://regnum.ru/news/economy/3196276.html

https://ru.wikipedia.org/wiki/Кипение (Определение процесса кипения)

https://www.vo-da.ru/articles/sostav-vody/pokazateli-kachestva-vody

https://www.zepter.cc/filtry-voda/Sistema_ochistki_vody_Edel_Wasser_ORANGE_PWC-670-ORANGE__Zepter/ (Домашний фильтр- Zepter)

https://zen.yandex.ru/media/id/5c3c278d61adad00aaf01659/cherez-skolko-dnei-portitsia-voda-5ca441f83f197100b3e9bd60 (информация о сроке хранения воды)

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Таблица 1. Результаты анкетирования

№	Вопрос анкеты	Анализ ответов
		10 класс	11 класс
1	Какие способы очистки воды вы знаете?	Кипячение-15 Фильтрация-19 Процеживание-4 Отстаивание-6 Хлорирование-2 Термообработка-2	Фильтрация-5 Отстаивание-2 Кипячение-2 Ионный обмен-1
2	Пользуетесь ли какими-либо фильтрами для питьевой воды?	Да-12 Нет-9	Да-6 Нет-0
3	Как вы определяете чистоту воды? (Например, на вид, вкус и т.д.)	Вкус-14 Вид-14 Налет-1 Цвет-2 Запах-3 Время хранения-1	Вид-4 Вкус-5 Запах-3
4	Какой из способов очистки питьевой воды самый эффективный? (Выберите один вариант ответа)	Фильтрация-11 Кипячение-10 Процеживание-0 Отстаивание-0 Другой-0	Фильтрация-3 Кипячение-3 Процеживание-0 Отстаивание-0 Другой-0
5	Считаете ли вы, что ключи, родники и прочее, содержат питьевую воду, которую безопасно пить без какой-либо обработки?	Да-5 Нет-16	Да-4 Нет-2
6	Означает ли, что вода чистая, если она не имеет цвета и запаха?	Да-5 Нет-16	Да-1 Нет-5
7	В течение какого промежутка времени можно хранить питьевую воду в закрытом контейнере? [9]	1-1,5 недели-5 3-5 дней-12 25-30 дней-2 Нет ограничений-2	1-1,5 недели-0 3-5 дней-1 25-30 дней-3 Нет ограничений-2

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Таблица 2. Этапы очистки профессионального фильтра Zepter- EdelWasser

Номер, название этапа	Принцип работы
Этап 1,2: Предварительный нео-фильтр	Предварительный нео-фильтр предназначен для сокращения содержания в воде остаточного хлора, сторонних запахов и летучих органических соединений.
Этап 3: Мембрана обратного осмоса	Мембрана обратного осмоса эффективно очищает воду от таких загрязняющих веществ, как пятивалентный мышьяк, барий, кадмий, селен, радий 226/228, трехвалентный хром, шестивалентный хром, свинец, нитраты и нитриты. Обратный осмос позволяет очищать воду за счет ее прохождения через поры мембраны, имеющие минимальный размер (диаметр), тем самым задерживая загрязняющие вещества. Этот процесс происходит благодаря использованию давления воды и является одним из наиболее эффективных и используемых методов очистки воды в мире.
Этап 4: Инно-фильтр. Угольный фильтр тонкой очистки	Инно-фильтр удаляет сторонние запахи, остаточный хлор и летучие органические соединения, которые могли остаться после прохождения трех этапов очистки, что положительно сказывается на вкусовых качествах воды.
Этап 5: Антибактериальный фильтр	Антибактериальный фильтр содержит серебро, которое предотвращает размножение микроорганизмов в воде, прошедшей очистку.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Статистика популярных ответов анкетирования.

Диаграмма 1. - анализ ответов анкетирования

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Процесс загрязнения воды речным песком и тушью.

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Результат очистки воды после тройного фильтрования обычным бумажным фильтром.

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Приготовление сложного фильтра.

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Результат очистки воды сложным фильтром с угольным слоем.

ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Разобранный после тройного фильтрования сложный фильтр.

1 Размер частиц крупно-фракционного материала 40-70, 70–120 мм. Щебень, частицы которого размером 40-70 мм, считается стандартным и используется в процессе приготовления бетонных смесей для установки массивных конструкций, в дорожном строительстве.

2 Кипение- процесс интенсивного парообразования, который происходит в жидкости, как на свободной её поверхности, так и внутри её структуры. [6]