Солевой состав и металлы в воде реки Невы

XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Солевой состав и металлы в воде реки Невы

Карпов М.П. 1
1ГБОУ Лицей №179, г. Санкт-Петербург
Обуховская А.С. 1
1ГБОУ Лицей №179, г. Санкт-Петербург
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
     

Введение

Актуальность

Как известно, вода является невосстановимым и незаменимым ресурсом, следовательно, мы должны задумываться о ее бережном эксплуатировании. Поэтому ухудшение санитарно-гигиенических показателей воды является одной из проблем современности.

По сей день не многих волнует действительно серьезная проблема безвредности воды. Вода – главное богатство на Земле, она также является ценным ресурсом, необходимым в процессе обмена веществ, который является важным свойством живого. Выбрасывание отходов в водоемы и затраты большого объем воды приводят к экологическим проблемам, потому что загрязненная вода негативно влияет на все живые существа, в том числе она вредна и для человека.

Вода стала основой живого. В организме человека она содержится во внутриклеточной жидкости - около 70% [1], в организме медузы - 98%[2.1]. И наша с вами пища не обходится без содержания воды: в огурцах - 95%, в яблоках -85%. Поэтому предельно ясно, почему живые организмы не в состоянии существовать без воды.

Ее ресурсы распределены по Земле неравномерно. Соленые воды образуют 96% от всего объема воды, а их площадь - 70% от поверхности Земли. В то время как пресные воды занимают менее 5 % объема. Именно поэтому, вопрос о безвредности воды очень важен для нашего общества.

Качественную питьевую воду можно охарактеризовать безвредностью и отсутствием вредных для здоровья человека примесей. Качественная питьевая вода безопасна при потреблении, а также у нее нет запаха и цвета.

Проблема

Поэтому одной из главных проблем является проблема загрязнения воды. А на ее чистоту влияют различные факторы, в том числе наличие тяжелых металлов, которые вступают в различные реакции и тем самым загрязняют воду, и содержание солей, растворенных в ней. Наличие тяжелых металлов в воде отрицательно сказывается на здоровье человека и окружающей среды. Следовательно необходимо контролировать наличие этих веществ в воде.

Цель: Определить санитарно-гигиенические показатели воды реки Невы

Задачи:

  • Провести исследование содержания хлорид-аниона в воде реки Невы.

  • Исследовать содержание щелочности в воде реки Невы.

  • Провести анализ жесткости воды реки Невы.

  • Провести исследование содержания тяжелых металлов в воде реки Невы.

  • Актуализировать проблемы, связанные с гидрохимическими показателями воды реки Невы.

Объект: вода реки Невы

Предмет: Вода реки Невы, поступающая на:

1) Северную водопроводную станцию

2) Центральную водопроводную станцию

3) Южную водопроводную станцию

Теоретическая часть

Воды различаются своим химическим составом в определенных территориях, поэтому, как уже было подмечено, воду можно считать безвредной, если в ней отсутствуют тяжелые металлы, а также общий органический углерод, кислотность, так как именно эти факторы оказывают наибольшее влияние на организм.

Хлориды - это соли, получающиеся в результате взаимодействия соляной кислоты и катионов металла, имеющие высокую растворимость в воде. Хлориды кальция, магния и натрия самые распространенные. Нахождение хлоридов в воде обусловливают природные источники. Такие соединения можно встретить везде - реках, скважинах, колодцах, а в морях количество хлорид-ионов составляют 87% от массы всех анионов.

Высокая концентрация солей хлора в воде отрицательно воздействует на здоровье растений и животных.

Откуда берутся в воде? (хлориды) [3]

Хлориды в реках, озерах, в соленых морях и океанах, водоемах, в ручьях и минеральных источниках – абсолютно нормальное природное явление. Но в сточных водах хлорид - ионы оказываются в результате деятельности человека (использование большого количества удобрений, борьба с наледями, выбросы с промышленных предприятий, бесконтрольные свалки мусора).

Щелочность - показатель количественной оценки свойств водной среды реагировать с ионами водорода, необходимыми для правильной работы органов и систем и для протекания многих реакций (отображает сколько в жидкости содержится активных ионов водорода. Они отвечают за большое количество различных химических и биологических реакций).

Говоря проще, щелочность воды является функцией концентрации гидрокарбоната, карбоната и гидроксида, то есть мерой способности воды нейтрализовать кислоту.

Общая щелочность воды обусловлена суммой содержащихся в воде ионов HCO3, CO32–, OH и других солей слабых кислот, вступающих в реакцию с сильными.

Металлы  — группа химических элементов, обладающих в виде простых веществ при нормальных условиях характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичностьковкость и характерный металлический блеск. [2.3]

Cуммарное содержание магния и кальция обусловливает жесткость воды, которая в свою очередь является основным показателем, характеризующим использование воды в разных сферах, но в основном рассматривается с хозяйственно-бытовой точки зрения.

Жесткость природных вод может изменятся и в течение года непостоянна. Увеличивается жесткость из-за испарения воды, уменьшается в сезон дождей, во время таяния снега и льда. [2.4]

Элементы, такие как Al, As, Hg, Pb, Fe, Cd, являются тяжелыми металлами, пагубно влияющими на здоровье, потому что тяжелые металлы отравляют и засоряют организм.

Практическая часть

методы исследования:

  • Метод определения содержания хлор-иона в воде титрованием азотнокислой ртутью.

  • Метод определения общей щелочности титрованием раствором соляной кислоты.

  • Определение жесткости воды методом пламенно-абсорбционной спектрометрии.

  • Определение содержание тяжелых металлов методом пламенно-абсорбционной спектрометрии.

Мною было проведено исследование качества воды из реки Нева в трех водопроводных станциях: Северная, Центральная, Южная и определено содержание хлор-ионов методом титрования азотнокислой ртутью, общая щелочность методом титрования раствором соляной кислоты, жесткость и тяжелые металлы с помощью метода атомно-абсорбционной спектрометрии.

ГОСТ 4245 – 72

ПИТЬЕВАЯ ВОДА. Методы определения содержания хлоридов

3.ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ХЛОР-ИОНА В ВОДЕ ТИТРОВАНИЕМ АЗОТНОКИСЛОЙ РТУТЬЮ В ПРИСУТСТВИИ ИНДИКАТОРА ДИФЕНИЛКАРБАЗОНА

3.1. Сущность метода

Хлориды титруют в кислой среде раствором азотнокислой ртути в присутствии индикатора дифенилкарбазона, при этом образуется растворимая, почти диссоциирующая хлорная ртуть. В конце титрования избыточные ионы ртути с дифенилкарбазоном образуют окрашенное в фиолетовый цвет комплексное соединение. Изменение окраски в эквивалентной точке выражено четко, в связи с этим конец титрования определяется с большой точностью. Точность метода 0,5 мг/дм3.

3.3. Подготовка к анализу

3.3.1. Приготавливают нормальный раствора (показывает, сколько грамм-эквивалентов растворенного вещества содержится в 1 л раствора) азотнокислой ртути. Растворяют в дистиллированной воде, объемом 20 см3 с добавлением 0,25 см3 концентрированной азотной кислоты, далее наполняют дистиллированной водой до объема в1 дм3.

3.3.3. Приготовление раствора азотной кислоты

12,8 см3 концентрированной азотной кислоты разбавляют дистиллированной водой до 1 дм3

3.4. Проведение анализа

Берут 100 см3 исследуемой воды, прокапывают 10 раз смешанный индикатор и, также по каплям, раствор азотной кислоты до образования желтой окраски (pH 3,6 - кислая среда), затем еще пять капель р-ра HN03 и титруют раствором азотнокислой ртути. В конце процесса раствор окрасится в оранжевый цвет. Титрование продолжают, добавляя раствор азотнокислой ртути по 1 капле и, взболтав объект, получают слабофиолетовый оттенок.

ГОСТ 31957-2012 Методы определения щелочности и массовой концентрации карбонатов и гидрокарбонатов.

5.1 Средства измерений, вспомогательное оборудование, реактивы, материалы.

Цилиндры мерные по ГОСТ 1770. Колбы мерные по ГОСТ 1770

Колбы конические или плоскодонные по ГОСТ 25336.

Стаканы химические термостойкие по ГОСТ 25336.

Вода дистиллированная по ГОСТ 6709

Кислота соляная стандарт— титр с молярной концентрацией с (HCI) = 0,1 моль/дм3.

Натрия гидроокись по ГОСТ 4328

Бромкрезоловый зеленый (индикатор).

5.2 Подготовка к измерениям

5.2.2 Приготовление раствора смеси индикаторов (для титрования до pH 5,4)

Растворяют 0,040 г метилового красного и 0,060 г бромкрезолового зеленого в 100 см3 этилового спирта. Добавляют приблизительно 2 см3 гидроокиси натрия молярной концентрации 0,1 моль/дм3 до появления коричневого окрашивания.

5.4.2 Определение общей щелочности

определение общей щелочности титрованием раствором соляной кислоты (прямое титрование).

В раствор, использованный для определения свободной щелочности (чтобы получить раствор свободной щелочности, в колбу, вместимостью 250 см3, вносят 100 см3 анализируемой пробы воды и добавляют 0,1 см3 раствора индикатора фенолфталеина), добавляют 0,1 см3 смеси индикаторов бромкрезолового зеленого и метилового красного. Продолжают титровать соответствующим раствором соляной кислоты до изменения сине-зеленой окраски на серую. Регистрируют объем раствора соляной кислоты, израсходованный на титрование.

ГОСТ 31954- 2012 ВОДА ПИТЬЕВАЯ. Методы определения жесткости

Определение жесткости воды методом измерения концентраций ионов кальция и магния пламенной атомно-абсорбционной спектрометрией.

5.1.1 Сущность метода

Метод основан на измерении резонансного поглощения света свободными атомами химических элементов магния и кальция при прохождении света через атомный пар исследуемого образца, образующийся в пламени.

5.1.4 Подготовка спектрометра

5.1.4.1 Атомно-абсорбционный спектрометр готовят к работе в соответствии с руководством (инструкцией) по эксплуатации. Значения аналитических длин волн для кальция составляет 422,7 нм, для магния — 285,2 нм.

5.1.4.2 Градуировка спектрометра

В соответствии с руководством (инструкцией) по эксплуатации спектрометра градуировочные растворы распыляют в пламени горелки и регистрируют поглощение каждого элемента на аналитической длине волны.

ГОСТ 31870-2012 ВОДА ПИТЬЕВАЯ Определение содержания элементов методами атомной спектрометрии

4.1 Сущность метода

Метод основан на измерении поглощения излучения резонансной длины волны атомным паром определяемого элемента, образующимся в результате электротермической атомизации анализируемой пробы в графитовой печи спектрометра.

4.3.2.5 Холостая проба — бидистиллированная (деионизированная) вода, содержащая все вещества и в таких концентрациях, которые добавляют к анализируемой пробе.

4.3.3 Подготовка прибора

Атомно-абсорбционный спектрометр (спектрофотометр) с электротермическим атомизатором подготавливают к работе в соответствии с руководством (инструкцией) по эксплуатации. Режимы работы прибора и программу нагрева печи устанавливают в соответствии с рекомендациями изготовителя прибора. Рекомендуемые режимы проведения измерений приведены в приложении А. При этом для конкретного типа прибора оптимальные режимы работы устанавливают экспериментально.

Может показаться, что этот метод сложен в исполнении, однако это не так, все измерения выполняет компьютер, и остается только принять результат расчета.

Результаты и их обсуждение

При потреблении воды с повышенным содержанием хлоридов, наносится вред слизистым оболочкам, кожным покровам, глазам. Ко всему этому, они влияют на рост и развитие растений.

Воздействие хлор-анионов разрушает приборы, ускоряет коррозии. Воды с хлоридами - причина износа металлических частей бытовых приборов. Такая вода имеет повышенную жесткость и оседает на нагревательных приборах, образует накипь, приводит к неисправностям оборудования, также у нее горьковатый привкус, что препятствует ее использованию в пищевых целях: маринование, копчение, консервировании. [9]

Содержание хлорид-иона в полученной воде Таблица 1

Хлорид - ион

Водопроводная станция

Результат

Нормативы (предельно допустимые концентрации (ПДК)) по СанПиН 2.1.4.1074-01

(Гигиенические требования и нормативы качества питьевой воды). Не более

Апрель 2022

Июль

2022

Сентябрь

2022

350 мг/дм³

Северная водопроводная станция, р.Нева

менее

10 мг/дм³

менее

10 мг/дм³

менее 10 мг/дм³

Центральная водопроводная станция, р.Нева

менее 10 мг/дм³

менее

10 мг/дм³

менее

10 мг/дм³

Южная водопроводная станция, р.Нева

менее

10 мг/дм³

менее

10 мг/дм³

менее

10 мг/дм³

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что содержание хлорид-ионов слишком мало и отличается от ПДК в разы. Это не очень хорошо, так как хлорид-ион играет немаловажную роль в водно-солевом обмене, потому что малое количество данного вещества может приводить к проблемам в работе выделительной системы, повышению артериального давления. Также возникает солевой дисбаланс, снижается работоспособность сердца и сосудов.

Если вы задаетесь вопросом, почему ПДК так сильно отличается от полученных результатов, то пусть это не пугает вас, так как это абсолютно нормальное явление, потому что в природных водоемах уровень хлоридов колеблется в

зависимости от сезона и уровня минерализации воды. В реках и озерах севера России концентрация хлоридов в норме не превышает 10 мг/дм3, а в южных регионах этот параметр выше – от 10 до 100 мг/дм3.

Общая щелочность в воде Таблица 2

Щелочность общая

Водопроводная станция

Результат

Нормативы (предельно допустимые концентрации (ПДК)) по СанПиН 2.1.4.1074-01

(Гигиенические требования и нормативы качества питьевой воды).

Апрель 2022

Июль

2022

Сентябрь

2022

Не нормируется

Северная водопроводная станция, р.Нева

0,57 ммоль/дм³

0,57 ммоль/дм³

0,6 ммоль /дм³

Центральная водопроводная станция, р.Нева

0,59

ммоль /дм³

0,56

ммоль /дм³

0,64

ммоль /дм³

Южная водопроводная станция, р.Нева

0,6 ммоль /дм³

0,59 ммоль/дм³

0,64 ммоль /дм³

Избыточное количество ионов водорода может привести к развитию различных патологий. А превышенная щелочность в жидкостях становится поводом развития различных проблем со здоровьем. [4]

Концентрация ионов водорода влияет на иммунную систему и обмен веществ.

Щелочность питьевой воды не нормируется по СанПиН, но в нецентрализованных источниках водоснабжения Предельная допустимая концентрация по щелочности, согласно нормам СанПиНа, является значение в 4,4 ммоль/дм.

жесткость воды Таблица 3

жесткость

Водопроводная станция

Результат

Нормативы (предельно допустимые концентрации (ПДК)) по СанПиН 2.1.4.1074-01

(Гигиенические требования и нормативы качества питьевой воды). Не более

Апрель 2022

Июль

2022

Сентябр

2022

7.0

мг-экв./л

Северная водопроводная станция, р.Нева

0,75

мг-экв./л

0,65

мг-экв./л

0,78

мг-экв./л

Центральная водопроводная станция, р.Нева

0,95

мг-экв./л

0,68

мг-экв./л

0,75

мг-экв./л

Южная водопроводная станция, р.Нева

0,61

мг-экв./л

0,66

мг-экв./л

0,75

мг-экв./л

Жесткая вода при умывании сушит кожу и плохо образует пену во время использования моющих средств. Использование жесткой воды образует осадок (или же накипь) на стенках приборов, в трубах. Однако эксплуатация слишком мягкой воды может приводить к коррозии, это обусловливает отсутствие кислотно-щелочной буферности, которую обеспечивает жесткость.

На вкус природной воды жесткость также влияет

степень жесткости воды Таблица 4

Степень жесткости воды

Показатель в мг-экв/л

Показатель в °Ж

Слишком мягкая

до 1,5

до 1-1,5

Мягкая

1,5-4

1,6-4

Среднежёсткая

5-8

5-12

Сильножёсткая

9-12

13-22

Сверхжёсткая

свыше 12

23-34

Сопоставив таблицу 4 (составлена по ГОСТу 31954-2012) с таблицей 3, можно определить степень жесткости воды.

Следовательно, полученные данные свидетельствуют о том, что вода в реке Неве слишком мягкая, а значит не образует сильной ржавчины и накипи в бытовой технике, что является, однозначно, хорошей стороной.

Но с другой стороны мы получаем низкое содержание кальция и магния, что отрицательно влияет на здоровье человека.

металлы в воде ( I, II, III группы периодической таблицы Менделеева) Таблица 5

Показатели

Единицы измерения

Центральная водопроводная станция

Апрель

2022

Центральная водопроводная станция,

 Июль

2022

Нормативы по СанПиН 2.1.4.1074-01

 (предельно допустимые концентрации (ПДК)), не более

Показатель вредности (с.-т." - санитарно - токсикологический, "орг." - органолептический)

Класс опасности

Ртуть (Hg, суммарно)

мг/л

менее 0,00001

менее 0,00001

0,0005

s.-t.

1

Кадмий (Cd, суммарно)

мг/л

менее 0,0001

менее 0,0001

0,001

s.-t.

2

Медь (Cu, суммарно)

мг/л

менее 0,001

менее 0,001

1,0

- "-

3

Таблица 6

металлы в воде (от IV до VIII группы периодической таблицы Менделеева)

Показатели

Единицы измерения

Центральная водопроводная станция,

Апрель

2022

Центральная водопроводная станция,

 Июль

2022

Нормативы по СанПиН 2.1.4.1074-01

 (предельно допустимые концентрации (ПДК)), не более

Показатель вредности (с.-т." - санитарно - токсикологический, "орг." - органолептический)

Класс опасности

Мышьяк (As, суммарно)

мг/л

менее 0,005

менее 0,005

0,05

s.-t.

2

Свинец (Pb, суммарно)

мг/л

менее 0,003

менее 0,003

0,03

- "-

2

Железо (Fe, суммарно)

мг/л

0,22

0,08

0,3

Org.

 

Марганец (Mn, суммарно)

мг/л

0,0093

менее 0,001

0,1

Org.

3

Загрязняющие вещества по опасности делятся на классы по ГОСТ 17.4.1.0283.

I класс - высоко опасные

II класс - умеренно опасные

III класс - мало опасные

Лимитирующий признак вредности вещества, по которому установлен норматив: "с.-т." - санитарно - токсикологический, "орг." - органолептический.

Медь способствует повышению невосприимчивости организма к инфекциям и усиливает работу антибиотиков [5], однако ее слишком малое количество вызывает анемию и заболевания костей, а слишком большое – отравление, ухудшение нервной деятельности и затруднение дыхания. [6]

Кадмий вызывает искривление и деформация костей, нарушает их минерализацию, делает хрупкими и ломкими. Избыток кадмия влияет на работу печени и приводит к гипертонии. А при сильной интоксикации поражает дыхательные органы. [7]

Ртуть вызывает нервно-психические нарушения, отравляет пищеварительную систему, вместе с этим почки и кожные покровы. Если вдыхать пары ртути, то в скором времени она накопится в легких, что также повлечет за собой более серьезные осложнения. Следует напомнить, что большее негативное воздействие оказывается на развитие плода. [1]

Свинец соединяется с эритроцитами, что приводит к отравлению крови и организма.

Токсичный. Для организма человека 10 г свинца приводит к смерти, поэтому безопасных уровней его воздействия не существует. свинец попадая в организм, распределяется у почек, печени. [8]

Мышьяк отравляет и накапливается в щитовидной железе, вызывает эндемический зоб.

Отравление мышьяком - это заболевание, которое возникает из-за повышенного уровня мышьяка в организме. Симптомы могут включать тошноту, боль в животе и водянистую диарею, содержащую кровь. Может привести к уплотнению кожи, болезням сердца. [2.2]

Но согласно проанализированным данным, содержание тяжелых металлов соответствует стандартам санитарно-гигиенических требований.

Итог

Гидрокарбонаты корректируют рН среды, но при большом его количестве растения не смогут впитывать питательные вещества.

Хлор часто находится в избытке в почве и негативно влияет на ферментативные системы и приводит к нарушению развития растений.

Тяжелые металлы подавляют рост растений путем снижения интенсивности клеточных делений, а также вызывают нарушение растяжения клеток, вследствие связывания металлов с SH группами белков клеточных стенок. Также засоряют и отравляют организм человека


Вывод

Вода из реки Невы, поступающая на водопроводные станции, соответствует стандартам ГОСТ 31954-2012 по показателям жесткости, ГОСТ 31957-2012 по общей щелочности, ГОСТ 4245-72 по содержанию хлор – ионов и ГОСТ 31870-2012 по содержанию тяжелых металлов.

Заключение

Исходя из проделанной работы, я пришел к выводу, что вода из реки Невы, относительно моего исследования, является безопасной. Это может быть обусловлено добросовестной работой фабрик и очистных сооружений, которые не производят несанкционированных сбросов отходов в реку и выполняют свою работу качественно; своевременным реагированием на малейшие изменения в гидрохимическом составе и проведение мер по их ликвидации. Но нельзя не отметить, что выбрасывание отходов категорически запрещается и преследуется законом. Однако нанотехнологии, такие как углеродные нанотрубки,

наночастицы металлического железа, нановолоконные мембраны

позволяют очень эффективно отчищать сточную воду, путем адсорбирования многих вещества и соединений, ввиду своих микроскопических размеров.

Таким образом, проведение данных анализов и мониторинг этих показателей является первостепенной необходимостью, так как мы живем в промышленном мире, а значит взаимодействуем со многими вредными и ядовитыми веществами, одними из которых являются тяжелые металлы и хлор-ионы, оказывающие большое влияние на жизнедеятельность и здоровье живых организмов.

В дальнейшем моей задачей будет проведение новых исследований, связанных с гидрохимическими анализами воды, а также следует рассматривать и другие не менее важные показатели, потому что это позволит работать эффективнее и легче справляться с возникающими проблемами и предотвращать их.

Практическая значимость

Просветительская работа для школьников

Проведение мониторинга

Формирование экологического мировоззрения и привитие значимости охраны окружающей среды

Список использованной литературы

ГОСТ 31954- 2012 ВОДА ПИТЬЕВАЯ. Методы определения жесткости

ГОСТ 31870-2012 ВОДА ПИТЬЕВАЯ Определение содержания элементов методами атомной спектрометрии

ГОСТ 31957-2012 Методы определения щелочности и массовой концентрации карбонатов и гидрокарбонатов.

ГОСТ 4245 – 72 ПИТЬЕВАЯ ВОДА

СанПиН 2.1.4.1074-01
[1] https://rospotrebnadzor.ru

[2.1] Медуза — Википедия (wikipedia.org)

[2.2] Мышьяк — Википедия (wikipedia.org)

[2.3] Металлы — Википедия (wikipedia.org)

[2.4] Жёсткость воды — Википедия (wikipedia.org)

[3] Vistaros | Для измерения расхода и анализа качественного состава воды и стоков.

[4] Экологические исследования. (ecotestexpress.ru)

[5] CMD Центр Молекулярной Диагностики.

[6] https://zctc.ru

[7] Клинико-диагностические лаборатории (invitro.ru)

[8] научный вестник (eduherald.ru)

[9] Что такое хлориды в воде - определение и нормы (diasel.ru)

     
Просмотров работы: 170