XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Родниковая вода. Методы очистки воды
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Летом я побывала в Златоусте и посетила национальный парк «Таганай». Мне очень понравился поход: я увидела красивые горы, лес, цветы и растения. Во время прогулки по лесу мы нашли родник, где набрали воду и утолили жажду. Я с опасением пробовала воду из родника, ведь он выходил прямо из земли. Тогда родители мне объяснили, что пить воду из родника безопасно. И правда, родниковая вода была прозрачная, чистая, освежающая. Дома прочитала, что родниковые воды располагаются глубоко под землей. Обычно глубина водоносных слоев родниковых вод составляет 10-20 метров, но иногда и более того. Чистота родниковой воды обуславливается двумя главными факторами:
Во-первых, загрязняющие вещества с поверхности земли на большую глубину водоносных слоев родниковых вод почти не попадают.
Во-вторых, вода фильтруется, когда проходит большое расстояние под землей через многие слои гравия и песка до того, как ей выйти на поверхность.
Поэтому, проходя через различные грунтовые слои, родниковая вода сохраняет все природные свойства, она насыщенна кислородом. Нет необходимости ее кипятить и хлорировать.
Мне стало интересно, а как я могу очистить воду? Какие есть физические способы очистки?
Проблема: В мире много стран, где существует дефицит чистой и пресной воды
Объект: Объектом моего исследования является вода.
Цель: изучить способы очистки воды и проверить их
Задачи исследования:
1) Изучить научную литературу по выбранной теме
2) Найти способы очистки воды, не прибегая к хлорированию и кипячению
3) Провести опыты
4) Проанализировать полученные результаты
Проблема чистой воды.
1.1 Способы очистки.
Кончено, родниковая вода доступна далеко не всем жителям нашей планеты. В мегаполисе ее просто не найти, а в странах Африки и вовсе дефицит чистой и пресной воды. Кроме того, промышленные и бытовые выбросы загрязняют природные источники пресной воды.
Загрязнение водных ресурсов – это глобальная экологическая проблема. Человеку жизненно необходима чистая вода, и современная наука в этом плане не стоит на месте. Ученые всех стран трудятся над решением этой задачи и разрабатывают новые системы и способы очистки воды.
Под очисткой воды, обычно понимают преобразование «сырой воды» в питьевую, через удаление из неё каких-либо загрязнителей — минералов, различных химических загрязнителей, грибков, паразитов, бактерий, водорослей. После очистки вода может потребляться человеком без риска для своего здоровья, или же в технических и производственных целях.
Существуют различные группы методов искусственного улучшения качества воды:
механические методы очистки;
химические методы очистки;
физико-химические методы очистки;
биологические методы очистки.
Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки. Способ очистки выбирается в зависимости от конкретной ситуации и технического задания. То есть, очистка «воды для технических нужд» и «питьевой воды» будет проходить разными способами. Часто, а точнее будет сказать, в большинстве случаях используют системы с использованием нескольких методов.
Механические методы очистки.
В результате механического метода очистки отделяются механические примеси. В процессе этого метода вода, как правило, отстаивается, фильтруется или процеживается. В сложных системах очистки этот метод, используется на предварительном этапе.
Процессы, используемые при механическом методе:
отстаивание воды;
фильтрация воды;
процеживание воды.
Преимуществом механического метода является его низкая себестоимость, а недостаток механического метода — низкий уровень очистки.
Родниковая вода, кстати, как раз и проходит механическую очистку природным способом. Ведь она, прокладывая свой путь на поверхность земли, не только пробивает и размывает горные породы и грунты, но и проходит дополнительную очистку в природных фильтрующих системах, таких как гравий, песок.
Химические методы очистки воды.
При химическом методе используются различные реагенты. Реагенты, вступая в реакцию с загрязнителями, образуют новые безопасные для человека соединения, которые выпадают в нерастворимый осадок. Этот осадок, в дальнейшем, отделяется и выводится из воды.
Процессы, используемые при химических методах:
нейтрализация;
окисление;
восстановление.
Из плюсов такого метода очистки является высокая эффективность при больших объемах воды, именно поэтому обработка воды хлорсодержащими соединениями – широко применяемый способ очистки водопроводной воды. У этого метода есть множество преимуществ. Доступные и недорогие хлорсодержащие реагенты хорошо очищают и обеззараживают воду, обладают продолжительным антибактерицидным действием. В условиях изношенной системы водоснабжения есть риск возникновения вторичного загрязнения. Обработка хлором не только надежный способ очистки питьевой воды, но и безопасный метод дезинфекции водопровода.
В то же время у хлорирования, как и у любого другого способа очистки, есть свои недостатки, побуждающие к поиску альтернативных решений. Некоторые хлорсодержащие реагенты могут способствовать образованию побочных токсичных соединений. При использовании этого способа очистки питьевой воды нельзя забывать, что хлор является ядовитым химическим элементом, поэтому необходимо строго соблюдать дозирование хлорсодержащего реагента и технологию хлорирования.
Физико-химические методы очистки воды.
Физико-химические способы и методы очистки воды довольно разнообразны и составляют довольно обширную группу. Воздействие на загрязнители и токсичные вещества осуществляется с помощью сочетания физических методов и химических реактивов. Это позволяет более качественно очистить жидкость от растворенных газов и токсинов, твердых и жидких частиц. Это отличный способ очистки воды от марганца и других тяжелых металлов.
Самые распространенные или основные способы очистки воды физико-химическим путем:
флотация;
сорбция;
экстракция;
дистилляция;
обратный осмос;
термические методы.
Преимущества физико-химического метода — высокая производительность, недостатки физико-механического метода — высокая себестоимость.
Биологические методы очистки воды.
Эти методы аналогичны естественным процессам, происходящим в природе, благодаря которым очищается вода в водоемах – озерах, реках, прудах … Суть этого метода заключается в том, что специальные бактерии и микроскопические животные уничтожают органические загрязнители.
Технологии, используемые при биологическом методе очистки воды:
биофильтры;
биологические пруды;
аэротеноки.
Главным преимуществом такого способа очистки — отсутствие химии. Недостаток биологических методов в необходимости больших земельных участков.
Рассмотрев разные методы очистки, больше всего меня заинтересовали:
Метод фильтрации
Дистилляция
Пастеризация
Остановлюсь на них подробнее, и проведу опыты, доказывающие очистку воду этими способами.
Как очищается вода методом фильтрования?
2.1 Как «работает» фильтр?
Фильтрация — это процесс прохождения воды через фильтрующий материал, с целью удаления из неё твердых частиц и других примесей. Фильтруемая вода может содержать широкий спектр загрязняющих веществ, включая:
Нерастворимые частицы (ил, глина, песок)
Биологические вещества (бактерии, планктон, споры, цисты)
Тяжёлые металлы и химические соединения (железо, цинк, свинец)
Минеральные вещества (т.н. соли жёсткости)
Материал, используемый в фильтрах для муниципального водоснабжения обычно представляет собой слой песка, угля или другого зернистого вещества.
2.2 Проведение эксперимента с фильтровальной колонкой
Для проведения опыта нам понадобились:
галька, песок, активированный уголь, фильтровальная бумага.
Секциин для сбора фильтровальной колонки
Емкость для приготовления загрязненной воды
Грунт, масло, вода
Ход эксперимента:
Собрали фильтрованную колонку в следующем порядке, сверху вниз: галька – песок – активированный уголь – фильтровальная бумага
Смешали воду, грунт и масло, получили образец «грязной» воды для опыта
Аккуратно влили «грязную» воду в первую секцию с галькой и ждали 5 минут, пока вода пройдет через все секции фильтровальной колонки.
Результат опыта: пройдя через 4 секции вода полностью стала прозрачной. Крупные частица грунта остались в секции с галькой, более мелкие с песком. Масло задержали песчаный фильтр и угольный, фильтровальная бумага стала немного жирной.
2.3. Выводы и область применения фильтров
Исходя из проделанного опыта, могу сделать следующие выводы:
Каждая секция фильтровальной колонки задерживает примеси
Различные фильтры задерживают частицы разного размера
Галька и песок задержали грунт
Химические вещества из воды прилипают к поверхности активированного угля и удаляются – адсорбция, так угольный фильтр задержал масло
Фильтровальная бумага имеет крошечные пространства между волокнами, она тоже эффективна для удаления масла
А где еще находят применения фильтры, кроме, как на водоочистных станциях? Песчаные фильтры широко используют в рыбных камерах и бассейнах. Угольные фильтры - дома для удаления хлора, а фильтровальная бумага и активированный уголь используется в машинах для очистки воды, топлива, масла и воздуха перед из использованием.
3. Дистилляция воды, как она очищает воду?
3.1. Дистилляция, что это такое?
Дистилляция - это процесс очистки воды, в котором используется источник тепла для испарения воды и отделения ее от загрязнений и других нежелательных элементов, обычно встречающихся в грунтовых и поверхностных водах.
Дистилляция нагревает сырую (необработанную) воду до тех пор, пока вода не достигнет точки кипения и не начнет испаряться. Затем тепло поддерживают при постоянной температуре, чтобы поддерживать испарение воды, в то же время, предотвращая испарение других нежелательных элементов. Вода имеет более низкую температуру кипения, чем соль и другие минеральные отложения.
Этот процесс также отделяет молекулы воды от микроскопических болезнетворных организмов. Как только вся вода испарилась, пар подается в конденсатор, где при охлаждении вода возвращается в жидкую форму и попадает в приемный контейнер. Остальные элементы, температура кипения которых была слишком высока для испарения, остаются в исходном контейнере и составляют осадок паров.
3.2. Проведение эксперимента
Для демонстрации процесса дистилляции мы взяли горячую воду и поместили в нее чайные листочки (примеси). Накрыли стакан воронкой со льдом, на конце которой разметили маленький стакан для приема очищенной воды.
Горячая вода начала испаряться, т.е. переходить в парообразное состояние, но за счет льда в воронке она конденсировалась на поверхности воронки и стекала в маленький стакан. Таким образом, мы увидели, что примеси (чайный экстракт) остался в большом стакане, а в маленьком мы увидели чистую и прозрачную воду.
3.3. Области применения
Помимо опреснения воды, процесс дистилляции надежно удалит бактерии, вирусы и опасные тяжелые металлы, такие как свинец, мышьяк и ртуть.
Дистилляция часто используется в качестве предпочтительного метода очистки воды в развивающихся странах, которые должны работать с сильно загрязненной, необработанной питьевой водой. Дистилляция чрезвычайно эффективна при удалении бактерий и часто используется в областях с высоким риском заболеваний, передающихся через воду.
Процесс дистилляции содержит несколько элементов, которые делают его нежелательным для очистки питьевой воды. Прежде всего, в то время как процесс испарения лишит воду соли, металлов и бактерий, температура кипения большинства синтетических химикатов, включая пестициды, гербициды и растворы хлора, ниже, чем температура кипения воды. Синтетические химические вещества являются основными загрязнителями, остающимися после муниципальной обработки. Дистилляция не удаляет эти вредные химические вещества.
Кроме того, дистилляция является очень медленным процессом и требует нагреваемого источника энергии. Хотя были предприняты эксперименты по использованию солнечной энергии, эта форма энергии способна обрабатывать только небольшое количество воды и ее трудно поддерживать при постоянной температуре.
Наконец, дистилляция очищает воду от природных микроэлементов. Когда эти элементы удаляются из воды, состав водорода увеличивается в пропорции, что делает воду очень кислой. Несколько исследований доказали, что питьевая дистиллированная вода, лишенная минералов, на самом деле может быть вредной для организма. Долгосрочное потребление такой деминерализованной воды может привести к дефициту минералов в организме.
Хотя удаление микроэлементов создает воду, которая идеально подходит для использования в фотомагазинах или типографиях, она создает безвкусную и даже вредную для здоровья питьевую воду.
4. Солнечная пастеризация, как способ очищения воды.
4.1. Что такое «Пастеризация»?
В тех местностях, где вода жесткая и стоимость электричества невысока, можно применять такой метод дезинфекции, как пастеризация. Этот принцип основан на нагреве воды до температуры не ниже 70°С, при которой погибают бактерии и вирусы, опасные для человеческого организма.
Впервые процесс пастеризации был открыт фр. Химиком Луи Пастером 11 апреля 1865 г., правда, использовал он его для консервации вина, мы же проведем опыт пастеризации воды, используя солнечную энергию.
4.2. Проведение солнечной пастеризации в домашних условиях
Для проведения опыта нам понадобились:
Фольгированный картон
Черный и прозрачные стаканы
Колба с парафином
Солнечный день и вода.
Ход опыта:
В Черный стакан налили поду и поместили колбу с парафином. Накрыли стакан прозрачным для аккумуляции тепла. Поместили стаканы в фольгированный картон для того, чтобы усилить нагрев, путем отражения солнечных лучей.
В результате опыта, вода нагрелась до такой температуры, что парафин в колбе расплавился, что свидетельствует о достижении 65 градусов по Цельсию.
4.3. Выводы и применение пастеризации
Экономичный и эффективный метод пастеризации воды в отдаленных областях, где отсутствует водопроводная вода и нет электричества для ее нагрева.
Пастеризация применяется для обработки молока, фруктовых соков. Пастеризация убивает микроорганизмы, при этом полезные вещества, витамины не разрушаются, в отличии от стерилизации.
Заключение
Около 1/5 населения планеты не имеет доступа к чистой питьевой воде. А также ¾ всех болезней и смертей в развивающихся странах вызваны заболеваниями, переносимыми водой, например, холерой. Каждый год из-за питья грязной воды умирают 2 млн. детей. Именно, поэтому вопрос очищения воды стоит так остро в современном мире.
В первую очередь, нам необходимо сохранить природные источники чистой питьевой воды: родники, ручьи, реки и озера.
Миллионы людей ежедневно работают на очистных сооружениях городов, ученые ищут альтернативные способы очистки воды, стараясь найти решение для чистой и полезной воды.
Данная тема мне очень интересна, поэтому я в своей работе познакомилась со способами очищения воды, узнала, как они классифицируются. Провела опыт, демонстрирующий фильтрацию воды, подобно очищению воды родника в природе. Показала с помощью солнечной энергии, как можно очистить воду, не прибегая к химическим реагентам, при этом сохраняя электрическую энергию. И узнала, как можно опреснить воду путем пастеризации.
Я считаю, что цель работы достигнута и призываю всех беречь воду, она нам жизненно необходима.
Список литературы
Доминик Воллиман, Бен Ньюман: Профессор Астрокот и его приключения в мире физики.
Владимир Малов: Что такое электричество?
Альтернативная энергетика//интернет ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki/
Практика применения элементов Пельтье// интернет ресурс: http://radiokot.ru/lab/hardwork/91/
Энциклопедия научных экспериментов. Свет, электричество, сила, движение, вещества
Элемент Пельтье// интернет ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki/
Эффект Зеебека // интернет ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki/
Леонид Сикорук: Физика для малышей.
«Физика - 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский
Сикорук Л.Л. Физика для малышей.
Схема зарядного устройства: http://popayaem.ru/elektricheskij-tok-napryazhenie.html
Дж. Андруз, К. Найтон. 100 ЗАНИМАТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Приложение А
Рис. 1 Родник и смотровая площадка у Черной скалы, Национальный парк «Таганай»
Рис. 2 Схема образования родника
Рис. 3 Схематичное изображение процесса дистилляции
Рис. 4 Схема проведения опыта «Дистилляция воды»
Приложение Б
Фото 1. Элементы фильтровальной колонки
Фото 2. Демонстрация работы фильтровальной колонки
Фото 3. Сравнение образцов до и после фильтрации
Фото 4. Сравнение образцов до и после дистилляции.
Фото 5. Установка для солнечной пастеризации.