XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Влияние жесткой воды на живые организмы и выявление эффективных способов ее смягчения
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Вода — удивительная жидкость. У неё нет ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Калорийность воды равна нулю. Некоторые люди называют её настоящей загадкой. В воде удивительным образом сочетается как простота, так и сложность. Казалось бы: в молекуле воды всего три атома — один кислорода, и два водорода. Тем не менее, учёным всё ещё не ясно до конца, как действуют эти молекулы. Но точно известно одно: не будет воды — не будет и жизни на Земле. Вода в жизни человека играет огромную роль. Без неё не проживут ни люди, ни растения, ни животные. Ни огромный слон, ни микроскопические бактерии не обойдутся без этой живительной жидкости. Каждый живой организм примерно на 80 % состоит из воды. Без неё не вырастет урожай на полях, а соответственно — не будет продуктов питания. Итак, совершенно очевидно: без воды жизнь на планете быстро бы прекратилась, и заменить её нам было бы нечем.
Целью данной работы является определить наиболее эффективный способ смягчения воды.
Методы и приемы, которые использовались в работе: изучения методической литературы, практическая отработка навыков.
Задачи:
1. изучить особенности жесткой и мягкой воды.
2.изучить способы определения жесткости
3.изучить способы смягчения воды
4.Разобраться в устройстве фильтра
5.определить жёсткость воды из разных водоемов в домашних и лабораторных условиях
Теоретическая часть
1.1.Что такое вода и свойства воды
Вода (химическая формула H2O) - неорганическое, прозрачное, безвкусное, без запаха и почти бесцветное химическое вещество, которое является основным компонентом гидросферы Земли и жидкостей всех известных живых организмов. Она жизненно важна для всех известных форм жизни, несмотря на то, что не обеспечивает организм пищей, энергией или органическими микроэлементами.
К свойствам воды относят жесткость, щелочность и соленость.
1.2.Характеристики жесткой и мягкой воды. Или что такое жесткая вода.
Понятием жесткость обычно пользуются при характеристике пресных вод. Первоначально под жесткостью понимали способность воды осаживать мыло. В этом процессе обычно участвуют ионы кальция и магния. Ионы алюминия, железа, марганца, стронция, цинка и другие поливалентные ионы, а также ионы водорода тоже могут осаждать входящие в состав мыла компоненты.
Различают временную (карбонатную) жёсткость, обусловленную гидрокарбонатами кальция и магния, и постоянную (некарбонатную) жёсткость, вызванную присутствием других солей, не выделяющихся при кипячении воды: в основном, сульфатов и хлоридов кальция и магния. Жёсткая вода при умывании сушит кожу. Использование жёсткой воды вызывает появление осадка (накипи) на стенках котлов, в трубах и т. п. В то же время использование слишком мягкой воды может приводить к коррозии труб, так как в этом случае отсутствует кислотно-щелочная буферность. которую обеспечивает гидрокарбонатная (временная) жёсткость. Вкус природной питьевой воды, например воды родников, обусловлен именно присутствием и соотношением содержания различных солей жёсткости. В России жесткость воды измеряют в градусах жесткости, но она так же может быть выражена в объемной доле или массовым числом.
Официально принятая единица измерения, которая используется в системе СИ (международная система единиц) – моль на кубический метр. Но на практике не используют перечисленные единицы измерения, предпочитая миллиэквивалент на литр (мг-экв./л).
По уровню жесткости воду делят на четыре типа:
Мягкая вода (менее 2 миллиэквивалентов на литр);
Нормальная вода (от 2 до 4 миллиэквивалентов на литр);
Жесткая вода (от 4 до 6 миллиэквивалентов на литр);
Очень жесткая вода (6 и более миллиэквивалентов на литр).
Эта классификация называется американской и при оценке жесткости воды используется чаще всего.
Подобная классификация есть и в градусах жесткости, но представляет она только 3 типа воды:
Мягкая вода (менее 2 градусов жесткости);
Вода средней жесткости (от 2 до 10 градусов жесткости);
Крайне жесткая вода (от 10 градусов жесткости и больше).
1.3 Нормы жесткости воды
В различных регионах России жесткость поверхностных и грунтовых вод отличается: преимущественно мягкие воды географически приурочены к районам севера Европейской части России, а также Восточной Сибири. В центре и на юге Европейской части России, а также в южных регионах Западной Сибири вода преимущественно жесткая. В естественных условиях ионы кальция, магния и других щелочноземельных металлов, обусловливающих жесткость, поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с карбонатными минералами и других процессов растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов являются также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий. Различные типы пород, залегающих на территории водосборов, а также взаимосвязанные с ними свойства почвенного покрова непосредственно обуславливают различия в жесткости вод в регионах нашей страны.
Нормы жесткости воды в России и мире сильно отличаются друг от друга. В России разрешена вода, жесткость которой не превышает порог в 7 миллиэквивалентов на литр, то есть, не запрещается подавать населению очень жесткую воду.
Те же показатели в Европе не могут быть больше 1,2 миллиэквивалентов на литр. Это значит, что европейцы пьют мягкую воду, жесткость которой почти в шесть раз меньше установленной в России.
1.4 способы определения жесткости воды
Появления накипи на внутренних деталях и поверхностях бытовой техники — самый явный признак жёсткой воды. Несвоевременная очистка от накипи приведёт к поломке нагревательных элементов в приборах. Наличие известкового налёта на внутренних поверхностях не позволяет точно определить степень жёсткости. Вот несколько способов определения жесткости воды.
1)Ориентируясь по внешним характеристикам воды можно определить её жёсткость. Это наиболее простой, поверхностный способ оценки. Жидкость должна:
быть прозрачной;
не содержать осадка;
не иметь постороннего запаха и привкуса.
Прозрачность воды легко определить в домашних условиях таким способом. Налейте в чистую, прозрачную банку воды до уровня 200 мм. Поставьте банку на газету, если текст можно прочесть глядя через банку, то вода считается прозрачной.
Большое содержание примесей в воде может влиять на её оттенок. Определить это параметр можно также как и уровень прозрачности, только вместо газеты под банку подложите белый лист бумаги. На светлом фоне будет хорошо заметен тёмный оттенок, который придают воде разлагающиеся органические вещества.
Узнать качество воды поможет её запах и вкус. Наличие запаха гнили в воде температурой до 60°С скажет о содержании в ней сероводорода. Определить качество воды по вкусу можно прокипятив и остудив её до 20°С. Если появился сладковатый привкус, то в составе воды есть гипс, горечь означает наличие солей магния, терпкий говорит о содержании солей железа. Привкус гнили означает наличие в воде разложившихся организмов животного или растительного происхождения.
2) Узнать жёсткость воды поможет набор специальных реагентов — «ТрилонБ». Он с высоким уровнем точности определит степень жёсткости воды. Тест-набор дополнительно выявит наличие других примесей при их наличии
3)Возможно ещё проверить воду специальными экспресс-тестами, которые продаются в зоомагазинах для определения качества воды в аквариумах. Такие тесты доступны и просты в обращении. Полоски из комплекта экспресс-теста достаточно опустить в воду на 3-5 секунд и сравнить результат со значениями, приведёнными в инструкции к тесту. Сравнив значения можно определить качество воды и уровень её жёсткости.
4) Определить жёсткость воды помогут специальные анализаторы — TDS-метры. Использование их в домашних условиях поможет определить следующие показатели воды:
степень жёсткости;
уровень минералов;
количество солей;
степень электропроводности.
TDS-метрами удобно проверить качество работы фильтров и водоочистителей, используемых в домашнем хозяйстве. Тестеры TDS-метры представляют собой электронное устройство, определяющее характеристики жидкостей. Точно определить жёсткость воды при помощи TDS-метров не совсем получиться. По показаниям прибора возможно косвенно оценить степень жёсткости. На основе полученных показателей при помощи значений в таблице и формул, которые указаны в инструкции, делаются выводы о характеристиках жидкости. На показания TDS-метра значительно влияет температура воды, что необходимо учитывать, определяя жёсткость. Частая эксплуатация прибора приводит к сульфатации электродов, что способно исказить получаемые значения характеристик жидкости.
5) Определения жёсткости воды при помощи мыла
Определить жёсткость воды в домашних условиях проще всего хозяйственным мылом. Способ не даст точных показателей жёсткости, но в целом, результата будет достаточно, чтобы сделать вывод о пригодности воды для нормальной эксплуатации бытовой техники и принять меры по её нормализации.
Реализовать способ можно с помощью следующих действий:
Измельчите мыло в количестве одного грамма.
Растворите мыло в небольшом объёме горячей дистиллированной воды. Не допускайте при приготовлении раствора появления мыльной пены.
Налейте раствор в круглый стакан.
В зависимости от процента содержания жирных кислот в мыле, долейте в стакан дистиллированной воды. Если мыло 72%, то добавьте воды до уровня в семь сантиметров, если 60% — шесть сантиметров.
Налейте в литровую банку пол-литра воды, жёсткость которой нужно определить.
Перелейте, одновременно помешивая в банку мыльный раствор.
Сначала на поверхности воды будут серые хлопья, а потом образуются мыльные пузыри. Если образовалась устойчивая белая пена, то значит, минеральные соли в воде связались. Контролируйте выливаемый мыльный раствор. Изменения уровня оставшегося в стакане раствора определяет уровень жёсткости воды. Чем меньше понадобилось добавлять раствора в банку с водой до появления мыльной пены, тем мягче исследуемая вода. Если вылив весь мыльный раствор из стакана пены не образовалось, значит, вода очень жёсткая.
В воде повышенной жёсткости плохо образуется мыльная пена. Вызвано это тем, что ионы кальция и магния превращают мыло в труднорастворимые соли. Плохое образовании пены от мыла и моющих средств свидетельствует о высокой жёсткости воды. Если же мыло трудно смывается, то это говорит о чересчур мягкой воде.
6) По отдельности определять содержание каждого соединения в воде долго, при этом такие тесты обычно довольно дороги, и проверяющие могут не найти какое-то загрязнение, если не знают, что искать. Здесь на помощь может прийти еще один любопытный эффект, связанный с жесткой водой, — «кофейные кольца» (coffee-ring effect), они же «кольца в ванной» (bathtub rings). Пятна от высохшей на гладкой поверхности воды остаются более четкими по краям, чем посередине. Растворенные частицы будут скапливаться у границ капли, куда их приносят испаряющиеся молекулы воды, а в центре жидкость окажется более прозрачной, поэтому оставшиеся «контуры» отмывать будет сложнее всего.
В 2017 году ученые из Мичиганского университета в своем докладе на съезде Американского химического общества описали способ, благодаря которому можно определять примеси в воде по «кофейным кольцам». Оказалось, что пятна от разной по составу воды сильно отличаются друг от друга, как если бы у каждого источника были отпечатки пальцев. Ученые надеются, что если составить картотеку таких отпечатков, то можно будет узнавать о растворенных веществах по «кофейным кольцам». Для этого понадобилась бы только фотография одной высохшей капельки воды.
1.5 Влияние жесткой воды на организм человека
Доказано, что жесткая вода негативно влияет на организм. При взаимодействии с мылом образуются «мыльные шлаки», которые не смываются с кожи, разрушают естественную жировую пленку, защищающую от старения и неблагоприятных климатических факторов, забивают поры, образуют на волосах микроскопическую корку, тем самым вызывая сыпь, зуд, сухость, перхоть, шелушение. Кожа не только преждевременно стареет, но и становится чувствительной к раздражениям и расположенной к аллергическим реакциям. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства питьевой воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения. Соли кальция и магния, соединяясь с животными белками, которые мы получаем из еды, оседают на стенках пищевода, желудка, кишечника, осложняют их перистальтику (сокращение), вызывают дисбактериоз, нарушают работу ферментов и в конечном итоге отравляют организм. Постоянное употребление воды с повышенной жесткостью приводит к снижению моторики желудка и накоплению солей в организме. От воды, переполненной ионами кальция и магния, чрезмерно страдает сердечнососудистая система. Продолжительное использование жесткой воды чревато возникновением заболеваний суставов (артритов, полиартритов), образованием камней в почках и желчных путях.
Влияние сильно жесткой воды на здоровье животных не отличается от воздействия на человеческий организм. Существует высокий риск развития мочекаменной болезни. У питомцев, питающихся сухими кормами, этот риск возрастает в несколько раз. Возможно появление проблем с шерстью и кожей, как у собак, так и у кошек при их регулярном купании. У новорожденных, проводящих первые три месяца жизни в регионах с жесткой водой, согласно исследованию в Journal of Allergy and Clinical Immunology, на 87% возрастает риск экземы. До этого похожие исследования проводили на детях из США, Испании и Японии. Правда, согласно все тому же документу ВОЗ, умягчители воды мало влияют на ситуацию, так что дело, вероятно, не только в воде, но и в предрасположенности самих пациентов. Немного повышают этот риск мутации в гене белка филаггрина, отвечающего за защитные барьерные функции кожи.
Другие исследования говорят, что жесткость питьевой воды снижает риск гипертонии и смертность от сердечнососудистых заболеваний. Например, согласно статье 1981 года, в городах Великобритании с мягкой питьевой водой смертность от сердечнососудистых заболеваний на 10-15% выше, чем в городах, где вода средней жесткости (около 170 мг/л). Дальнейшее повышение концентрации заметно на статистику не влияет.
Положительные эффекты питья жесткой воды недостаточно подтверждены, но это, по крайней мере, не вредит, даже наоборот. Человек, пьющий только дистиллированную воду, лишает себя целого набора полезных макро– и микроэлементов.
1.6 Способы смягчения жёсткой воды
Термоумягчение. Основан на кипячении воды, в результате термически нестойкие гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи. Кипячение устраняет только временную (карбонатную) жёсткость. Находит применение в быту.
Реагентное умягчение. Метод основан на добавлении в воду кальцинированной соды Na2CO3 или гашеной извести Ca(OH)2. При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок. Например, добавление гашеной извести приводит к переводу солей кальция в нерастворимый карбонат. Лучшим реагентом для устранения общей жесткости воды является ортофосфат натрия Na2CO3, входящий в состав большинства препаратов бытового и промышленного назначения. Ортофосфаты кальция и магния очень плохо растворимы в воде, поэтому легко отделяются механическим фильтрованием. Этот метод оправдан при относительно больших расходах воды, поскольку связан с решением ряда специфических проблем: фильтрации осадка, точной дозировки реагента.
Катионирование. Метод основан на использовании ионообменной гранулированной загрузки (чаще всего ионообменные смолы). Такая загрузка при контакте с водой поглощает катионы солей жёсткости (кальций и магний, железо и марганец). Взамен, в зависимости от ионной формы, отдаёт ионы натрия или водорода. Эти методы соответственно называются Na-катионирование и Н-катионирование. В промышленности с помощью ионообменных фильтров заменяют ионы кальция и магния на ионы натрия и калия, получая мягкую воду.
Обратный осмос. Метод основан на прохождении воды через полупроницаемые мембраны (как правило, полиамидные). Вместе с солями жёсткости удаляется и большинство других солей. Эффективность очистки может достигать 99,9 %. Различают нанофильтрацию (условный диаметр отверстий мембраны равен единицам нанометров) и пикофильтрацию (условный диаметр отверстий мембраны равен единицам пикометров). В качестве недостатков данного метода следует отметить:
Электродиализ. Метод основан на удалении из воды солей под действием электрического поля. Удаление ионов растворенных веществ происходит за счёт специальных мембран. Так же как и при использовании технологии обратного осмоса, происходит удаление и других солей, помимо ионов жёсткости.
Полностью очистить воду от солей жёсткости можно дистилляцией.
В домашних условиях наиболее рациональный способ уменьшение жесткости воды – использование фильтров, которые очистят воду для питья и приготовления пищи от избытка солей. В идеале, воду для любого использования дома нужно фильтровать.
Устройство системы фильтрации
Фильтр - устройство, предназначенное для очистки рабочей жидкости путем удаления из нее различных примесей.
Есть множество различных фильтров, предназначенных для решения той или иной задачи. Все они подразделяются на два основных вида: фильтры тонкой и грубой очистки.
Грубой очистки
Назначение устройств для грубой очистки заключается в отделении нерастворимых фракций:
песка;
глины;
ржавчины и прочих веществ.
Выбор модели зависит от степени загрязнения воды и вида примесей.
Все фильтры грубой очистки имеют схожий принцип действия, заключающийся в отделении грубых частиц, которые негативно сказываются на работе бытовой техники и делают воду непригодной для использования. Конструкция таких фильтров предусматривает возможность их снятия и удаления загрязнений. В устройствах не применяются химические реагенты — фильтрация осуществляется исключительно механическим способом.
В зависимости от конструктивных особенностей, фильтры грубой очистки чаще всего подразделяются на три вида:
Сетчатые - состоят из сетки с мелкими ячейками размером 50-500 мкм. Могут быть непромывными или самопромывными. Некоторые сетчатые фильтры дополнительно оснащаются клапаном контроля давления и манометром. Приборы для фильтрования холодной воды выполняются из прозрачных материалов, для горячей их изготавливают из металла, способного выдерживать высокие температуры.
Картриджные — состоят из сменного картриджа или патрона, помещенного в стальную или пластиковую колбу. Данное приспособление способно улавливать частички размером от 0,5 мкм. Модели, предназначенные для фильтрования холодной воды, выполняют из прозрачных материалов, благодаря чему можно своевременно обнаруживать засоры и производить замену патрона. Корпус устройства для горячей воды изготавливают из непрозрачного материала. Для изготовления картриджей используется специальное волокно, способствующее задержанию хлора. Для очистки воды от вязкой глины, водорослей, тины применяются картриджи чулочного типа.
Напорные высокоскоростные — используются для очистки воды с примесями разнородной структуры. Напорный высокоскоростной фильтр грубой очистки представляет собой емкость, в которой находится фильтрующий материал, способный задерживать фракции размером более 30 мкм. Верхняя часть емкости оснащена автоматическим регулирующим блоком, который выполняет функцию фильтрации. Такой фильтр соединяется с дренажным трубопроводом.
Тонкой очистки
Фильтры глубокой очистки, очень плохо способны освобождать воду от примесей мелких фракций — химических соединений, тяжелых металлов. Для таких целей используются фильтры тонкой очистки, которые способствуют задержанию микрочастиц размером более 5 мкм. Такие фильтры устанавливаются после устройств грубой очистки, что позволяет качественно очищать воду даже от болезнетворных бактерий. Рабочий элемент может представлять собой сорбционный материал, обратноосмотическую мембрану или ионообменную смолу.
Существуют самые разные конструкции водяных фильтров, каждый из которых отличается:
способом установки,
методом очистки,
прочими характеристиками.
Чтобы выбрать наиболее подходящую модель для выполнения той или иной задачи, необходимо ознакомиться с видами имеющихся на рынке водяных фильтров и их особенностями.
Кувшины - Конструкция фильтра-кувшина представляет собой сам кувшин, выполненный из прозрачного материала, приемную чашу-воронку и картридж. Последний состоит из нескольких слоев:
Активированный уголь — выполняет функцию удаления хлора, предотвращает размножение в очищенной жидкости патогенной микрофлоры.
Пористый активированный уголь — обеспечивает очистку от органических соединений, за счет чего воды приобретает приятный вкус, становится прозрачной, устраняются посторонние запахи.
Ионообменная смола — способствует смягчению воды, снижению минерализации, удалению железа, кальция, магния.
Полипропиленовое волокно — предназначено для устранения механических примесей.
С обратным осмосом - Системы с обратным осмосом позволяют производить очистку воды от 99% примесей. Это достигается благодаря многоступенчатой системе фильтрации.
Работа такой установки включает несколько этапов:
Сначала водопроводная жидкость проходит предварительную очистку.
Затем она пропускается через мембрану.
После поступает в накопительный бак, а из него — в кран.
Умягчители - слишком жесткую воду можно очистить от тяжелых ионов магния и кальция путем замещения на ионы натрия и калия.
Благодаря системам-умягчителям вода становится:
мягкой,
приобретает приятный вкус,
устраняются посторонние запахи.
Такая задача достигается при помощи ионообменных смол.
Насадки на кран - данные виды фильтров чаще всего используются на кухонных смесителях, которые оснащаются дополнительным краном для вывода питьевой воды.
2. Практическая часть
Прочитав о том, что жесткость воды может изменяться в зависимости от водоема, я решил проверить жесткость воды в разных водоемах нашего города. Для эксперимента мы набрали воду из Первого Озера, озера Кременкуль, скважины в саду и реки Миасс. Я решил провести сравнительный анализ двумя разными способами: осадить соли жесткости при помощи мыла, и сравнить полученные результаты с результатами из лаборатории. В лаборатории жесткость измеряли на спектрофотометре SpectroDirect.
Сначала я провел опыт с осаждением солей при помощи мыла.
Вот результат:
Первое озеро - я вылил весь стакан мыльного раствора, при этом образовались хлопья и мыльная пена. Жесткость средняя.
Кременкуль – я вылил не весь раствор, и образовалась устойчивая пена. Вода мягкая.
Скважина – я вылил весь раствор, при этом пены образовалось мало. Вода жесткая.
Миасс – я вылил весь раствор, пена не образовалась. Вода очень жесткая.
Результаты из лаборатории:
Первое озеро - 2.7 мг-экв./л
Кременкуль - 2.4 мг-экв./л
Скважина - 2.8 мг-экв./л
Миасс - 2.9 мг-экв./л
По нормам жесткости, все вода нормальной жесткости.
Сравним полученные результаты. Расставим названия водоемов с жесткостью воды в них в два столбика. От самой жесткой, до самой мягкой. В левом столбике результаты из лаборатории, в правом – результат домашнего опыта.
Миасс - 2.9 мг-экв./л 1. Миасс – пены нет
Скважина - 2.8 мг-экв./л 2.скважина – пены очень мало
Первое озеро - 2.7 мг-экв./л 3. Первое озеро – мало пены, но много хлопьев
Кременкуль - 2.4 мг-экв./л 4.Кременкуль – устойчивая пена
Из сравнительной таблицы видно, что результаты экспериментов сопоставимы.
Заключение
В ходе проделанной работы я изучил особенности жесткой и мягкой воды и способы ее смягчения. Также я на практике при помощи мыла в домашних условиях и при помощи оборудования в лаборатории определил жесткость воды из разных водоемов города Челябинск. По итогам проделанной работы можно сделать следующие выводы:
Жесткость – одно из главных свойств воды.
Жесткость воды может меняться в зависимости от местоположения источника.
Сильно мягкая и сильно жесткая вода одинаково вредны для живых организмов.
Существует много различных способов смягчения воды, самыми эффективными признаны дистилляция и многоэтапная фильтрация.
По нормам жесткости вода из водоемов города Челябинск соответствует нормальной жёсткости, и не несет вреда здоровью.
Список литературы
Ф.Уитон – техническое обеспечение аквакультуры.
З.Шпаусус - Путешествие в мир химии
Астафуров В.И. Основы химического анализа
Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек
https://indicator-ru.turbopages.org/turbo/indicator.ru/s/chemistry-and-materials/vredno-li-pit-zhestkuyu-vodu.htm
https://www.eurekalert.org/news-releases/890599
https://znaitexniku.ru/dlya-doma/stirka/opredelenie-zhyostkosti-vody.html
http://12.rospotrebnadzor.ru/rss_all/-/asset_publisher/Kq6J/content/id/282021
https://www.59fbuz.ru/press-center/news/vred-zhestkoy-vody-dlya-zdorovya/