ИЗУЧЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ОЧИСТКИ ВОДЫ И СРАВНЕНИЕ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ

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

Личный портфель

ИЗУЧЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ОЧИСТКИ ВОДЫ И СРАВНЕНИЕ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Перепалов А.А. 1
1МБОУ СОШ №3
Зайцева Е.В. 1
1МБОУ СОШ №3
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

I. Введение

Актуальность проекта

Актуальность выбранной темы обусловлена тем, что в настоящее время многие люди, опасаясь заражения инфекционными заболеваниями, употребляют только очищенную воду, используя различные средства и способы очистки питьевой воды. По поводу воды, которую мы пьем, проводится множество дискуссий. С экранов телевизоров нам рассказывают об опасностях, которыми грозит неочищенная вода. Реклама навязывает различные средства очистки воды. Но в действительности так ли полезно всегда пить очищенную воду?

Вода оказывает огромное влияние на здоровье человека. О многом говорит уже тот факт, что ее содержание в разных органах составляет от 70% до 90%. Живой клетке вода требуется как для сохранения своей структуры, так и для нормального функционирования. Она играет важную роль в построении и восстановлении тканей, поддержании всех обменных процессов в организме. Кроме того, вода помогает регулировать температуру тела, служит в качестве смазки, облегчающей работу суставов, способствует проникновению питательных веществ.

К примеру, по данным Всемирной организации здравоохранения, почти 90% болезней вызывается использованием некачественной воды для питьевых и бытовых нужд.

Гипотеза: самодельный фильтр ничуть не хуже покупного.

Цель проекта: проверить эффективность различных способов очистки воды в домашних условиях

Задачи:

  1. узнать влияние качества воды на здоровье человека;

  2. изучить способы очистки питьевой воды, их эффективность;

  3. исследовать свойства воды разных объектов до и после очистки ее разными способами

  4. оценить полезность способов очистки питьевой воды;

  5. по результатам исследований разработать ряд рекомендаций по использованию наиболее эффективных способов очистки воды.

Объект исследования: озёрная, родниковая и водопроводная вода.

Предмет исследования: способы очистки питьевой воды.

II. Теоретическая часть

1. Способы очистки воды.

Мы живем в XXI веке. Наше воображение поражает стремительно развивающаяся промышленность. а также разнообразие соединений веществ в воде, которые являются последствием техногенного и биологического загрязнения. С ростом количества загрязнений растёт и потребность в качественной очистке воды, которая с годами прошла путь от простейших моделей из мешковины с песком до напылённых плёнок и полимерных адсорбентов. Есть надежда, что скоро доберёмся до реальных нанотехнологий. Первые способы очистки воды, дошедшие до нас, относятся к 2000 г. до н. э. С помощью иероглифов изображены методы кипячения воды, путём помещения в воду горячих металлических инструментов, и фильтрации воды через древесный уголь и песок.

1.1. Очистка воды без применения фильтров.

  • Кипячение.

Самый простой и известный способ очистки воды. Кипячение позволяет уничтожать вирусы, бактерии, удалять хлор и другие низкотемпературные газы (радон, аммиак и др.). Однако кипячение имеет ряд побочных эффектов:

— чем больше мы кипятим воду, тем больше погибает в ней патогенных организмов, однако при этом вода становится менее полезной для организма человека;

— при кипячении происходит испарение воды, что приводит к повышению концентрации солей. Накапливаясь в организме человека, соли приводят к различным заболеваниям — начиная от болезней суставов, образованию камней в почках и окаменению (циррозу) печени, и заканчивая артериосклерозом, инфарктом и мн. др.

— некоторые виды вирусов могут перенести кипячение воды, поскольку для их уничтожения требуются более высокие температуры.

— лабораторные исследования подтвердили тот факт, что после кипячения водопроводной воды образуется дополнительный хлороформ, даже если перед кипячением воды была освобождена от хлороформа продувкой инертным газом. Это опасное для здоровья канцерогенное вещество может вызывать онкологические заболевания.

  • Отстаивание.

Применяют для удаления из воды хлора. Для отстаивания водопроводную воду наливают в большое ведро или банку и оставляют на 8-12 часов. Без дополнительного перемешивания воды удаление газообразного хлора происходит примерно с 1/3 глубины от поверхности воды, поэтому для получения заметного эффекта необходимо следовать разработанным методикам отстаивания.

Соли тяжелых металлов самостоятельно из отстоянной воды не исчезнут — в лучшем случае они осядут на дне. Поэтому следует использовать лишь 2/3 содержимого банки, стараясь не взбалтывать ее в процессе переливания воды, чтобы осадок на дне не смешался с более-менее очищенной водой.

  • Заморозка или вымораживание.

Применяют этот способ для эффективной очистки воды с помощью ее перекристаллизации. Вымораживание гораздо эффективнее кипячения и перегонки, поскольку фенол, хлор-фенолы и легкая хлорорганика перегоняются вместе с водяным паром. Этот способ очистки основывается на химическом законе, согласно которому при замерзании жидкости прежде всего в наиболее холодном месте кристаллизуется основное вещество (вода), а затем в наименее холодном месте затвердевает все, что было растворено в основном веществе (примеси). То есть чистая пресная вода замерзнет быстрее, чем вода с примесями солей. Этому закону подчиняются все жидкие вещества. Самое главное — обеспечить медленное замораживание воды, и вести его так, чтобы в одном месте сосуда его было больше, чем в другом.

Когда вода наполовину замерзнет, незамерзшую воду вылейте (в ней остались все вредные примеси), а замороженную воду можно растопить и использовать для питья и приготовления пищи.

  • Очищение воды с помощью поваренной соли.

Заполните двухлитровую емкость водой из-под крана, затем растворите в ней одну полную столовую ложку соли. Через 20-25 минут вода будет свободна от вредных микроорганизмов и солей тяжелых металлов, однако такую воду не рекомендуется использовать ежедневно.

  • Очистка воды активированным углем.

Уголь является прекрасным нейтрализатором неприятных запахов (например, старых ржавых труб, хлора). Широкое применение активных углей в качестве адсорбентов обусловлено целым комплексом ценных свойств: высокоразвитой полидисперсной пористой структурой, сложной, но сравнительно легко регулируемой химией поверхности. Поместите таблетки активированного угля (из расчета 1 таблетка на 1 литр воды) в марлю, заверните и поместите в емкость с водой. Уже через 8 часов будет готова чистая вода.

  • Дистилляция.

Менее распространенный вид очистки воды. В дистилляционных системах вода сначала испаряется, а затем конденсируется. При этом происходит разделение жидких многокомпонентных смесей на отличающиеся по составу фракции путем частичного испарения смеси и конденсации образующихся паров. Дистилляцией можно отделить жидкость от растворенных в ней твердых веществ или жидкостей с сильно отличающимися температурами кипения.

1.2. Очистка питьевой воды с применением фильтров.

Это устройства для очистки воды от механических, нерастворимых частиц, примесей, хлора и его производных, а также от вирусов, бактерий, тяжелых металлов и т.д. К лучшей степени очистки относится очистка обратноосмотическими бытовыми фильтрами — наиболее качественная и передовая технология на сегодняшний день. К простейшим относятся кувшины и насадки.

2. История фильтров для воды.

Без воды жизнь невозможна, но, вместе с тем, загрязненная вода может стать причиной многих заболеваний. Невозможно установить (даже приблизительно), когда человек стал понимать, что потребление грязной воды рано или поздно ведёт к смерти. В древности вода не была загрязнена нефтью, пестицидами и прочими вредными соединениями, но она всё же являлась опасной для организма, т.к. в ней обитает огромное количество микроорганизмов, которые оказывают разрушающее воздействие на организм. Пожалуй, как только люди научились добывать огонь, создали посуду, они начали очищать воду самым простым способом – кипячением.

Первые способы массовой очистки воды археологи засвидетельствовали в Древнем Египте. Воды Нила были загрязнены бактериями и высоким количеством песка. Для того, чтобы от него избавиться прибегали к тряпкам. Над ёмкостью натягивался лоскут ткани, и после этого наливалось определённое количество воды. Процедуру повторяли несколько раз. Помимо этого, широко была распространена фильтрация воды через песок и древесный уголь. Иероглифы, датированные 2000 годом до нашей эры, свидетельствуют о том, что вода не только фильтровалась, но и улучшался её вкус. Это достигалось путём добавления в воду во время кипячения различных ароматических веществ.

Также, одним из первых фильтров служила ямка, вырытая вблизи водоема. Вода, просачиваясь сквозь толщу земли, фильтровалась естественным образом. Конечно, вода не была чистой, но визуально она выглядела приемлемой.

Хвоя, кора деревьев, а позже крупные пески тоже использовались для очистки воды.

После создания микроскопа учёным представилась возможность различать чистую воду от загрязненной в совершенно ином ракурсе. Можно было увидеть вредные соединения, незаметные невооруженным глазом. В 19 веке Англия подверглась эпидемии холеры. И именно в это время была доказана эффективность фильтрации воды песком и хлором. Хлорорганические соединения убивали микроорганизмы холеры. Помимо этого, такая очистка успешно справлялась с водой, которая была заражена дизентерией и брюшным тифом. С этого момента современные фильтры для очистки воды и начали своё существование. Произошло их зарождение в классическом виде. В Европе и США начали открывать целые станции для очистки воды, которые позволяли спасти сотни человеческих жизней.

Но через некоторое время хлор был признан ядом, который оказывает негативное воздействие на организм. По этой причине стали создаваться фильтры для очистки воды, которая уже прошла фильтрацию. Их создание началось в 70-80-х годах 20 века. Начали активно применяться различные минералы, которые позволяют не только очищать воду, но и придают ей целебные свойства.

Фильтры воды для многих людей уже стали привычным бытовым предметом. Большинство людей употребляет чистую отфильтрованную воду. Некоторые люди устанавливают магистральные фильтры для очистки воды на целые водопроводные системы. Это помогает избежать коррозии бытовых приборов: стиральных машин, водонагревательных баков и посудомоечных машин.

3. Разновидности фильтров.

Время не стоит на месте. Совершенствуется техника. Поэтому, стоит ожидать, что и фильтры для очистки воды будут изменяться, и становиться более технологичными. Ныне существующие фильтры можно разделить на следующие виды:

  • Механические

Очистка воды с помощью этих фильтров проходит несколько стадий. Сначала удаляются механические загрязнения, то есть вещества, находящиеся в воде в виде взвеси, а не раствора. Для удаления из воды крупных частиц (свыше 5-50 микрон) используют сетчатые или дисковые фильтры грубой очистки, подсоединяемые к водопроводу. Для очистки от грубых примесей в многоступенчатых фильтрах применяются намоточные картриджи из полипропилена или из полимерной пены. Эти фильтры предназначены для защиты сантехники и бытовой техники.

  • Ионообменные

Ионный обмен как метод обработки воды применяется в основном для умягчения воды. Ионообменные фильтры включают в себя пластиковый или стальной корпус, картридж со смолой, распределительные устройства и емкость для регенерирующего раствора. В центре расположен фильтрующий блок. Его изготовляют на основе ионообменного сырья с волокнистой структурой. Такие фильтры применимы в том случае, когда показатель минерализации достигает 100 мг солей на литр жидкости. Наиболее эффективными считаются фильтры с использованием водородных смол. Тяжёлые металлы и радиоактивные вещества, проходя через такой фильтр, захватываются и заменяются на безопасный водород. Благодаря ионному обмену вода освобождается от излишнего количества солей кальция и магния и приобретает слабокислую реакцию. В то время как в натриевых фильтрах происходит обмен ионов металла на ионы натрия, что ведёт к переизбытку солей и возникновению щелочных реакций. В результате такой очистки происходит изменение кислотно-щелочного баланса воды, приводящее, в свою очередь, к нарушению обменных процессов в организме.

  • Фильтры обратного осмоса

Системы обратного осмоса обеспечивают самую лучшую фильтрацию воды. Удаляются бактерии и вирусы, все вредные вещества (нитраты, нитриты, мышьяк, цианиды, асбест, фтор, свинец, сульфаты, железо, хлор и т.п.), которые могут быть в водопроводной воде. Поэтому это самая эффективная очистка воды, которая не имеет аналогов. Поток воды продавливается через обратноосмотическую мембрану. Происходит полное удаление солей из жидкости. Однако вода, очищенная данным методом, не пригодна для употребления в пищу из-за почти полного отсутствия солей, поэтому после очистки её обычно подвергают минерализации.

  • Биологические

При биологической фильтрации воды происходит очистка воды микроорганизмами, принимающими активное участие в обменных процессах. Если механическая фильтрация справляется только с нерастворимой органикой (кусочки корма, остатки растений и т. п.), то бактерии очищают воду от органических веществ, растворившихся в ней, путем разложения их на нитраты. Биологическая очистка применяется в основном в аквариумных фильтрах и в установках очистки сточных вод.

  • Физико-химические

Из физико-химических методов распространён метод сорбция — процесс избирательного поглощения примесей из жидкостей или газов поверхностями твердых материалов (адсорбентов). Особенностью адсорбционных методов улавливания примесей является их относительно высокая эффективность при малых концентрациях примесей при значительных расходах перерабатываемых потоков. В качестве адсорбентов используются мелкодисперсные материалы: зола, торф, опилки, шлаки и глина. Наиболее эффективным сорбентом является активированный уголь. Сорбцию применяют для очистки воды от растворимых примесей. Процессы сорбции могут протекать:

• на поверхности (адсорбция)

• в объёме (абсорбция)

III. Практическая часть

1. Социальный опрос среди учителей школы.

В социальном опросе принимали участие 20 учителей из нашей школы

Вопросы:

  1. Довольны ли вы качеством водопроводной воды в квартире?

  2. Есть ли у вас накипь или заметные потемнения в чайнике?

  3. Пьёте ли вы сырую воду из-под крана?

  4. Очищаете ли вы воду перед употреблением?

  5. Как вы думаете, влияет ли качество воды на здоровье человека?

В результате анкетирования (Приложение 1) были получены следующие данные:

Было опрошено 32 человека в возрастной группе от 25 до 65 лет.

  1. 53,1% опрошенных довольны водопроводной водой, 47,9% не довольны.

  2. У 53% опрошенных есть накипь или потемнения в чайнике, у 38% их нет, 9% не обращали внимания

  3. 25% пьют воду сырой (без очистки)

  4. 43,7% чистят воду фильтрами, 28,1% не очищают воду, 15,6% используют народные методы, сорбентами не пользуется никто

  5. Все опрошенные уверены, что качество воды влияет на здоровье человека

По итогам опроса, для исследования были выбраны:

  • Водопроводная вода (в кабинете химии)

  • Родниковая вода (родник не далеко от водопада Шуонийоки)

  • Озёрная вода (оз. Куэтсъярви)

  • 2. Определение электропроводности воды.

Электропроводность – это показатель, который определяет чистоту воды, т.е. способность водного раствора проводить электрический ток. Чем меньше примесей солей, химических веществ, растворимых в воде, тем меньше электропроводность, т.е. вода чище. Мы исследовали электропроводность образцов воды с помощью тех приборов, которые имеются в школе. Для этого мы собрали электрическую цепь, состоящую из миллиамперметра, источника и соединительных проводов. Собрав цепь, опускали неизолированные концы проводов в разные растворы. Если раствор проводил электрический ток, то цепь замыкалась, о чем свидетельствовали показания миллиамперметра. Значит в воде присутствуют растворимые вещества, состоящие из ионов.

Образцы воды

Сила тока

Водопроводная

0,25 мА

Озёрная

0,5 мА

Родниковая

0,15 мА

На основе полученных данных можно сделать вывод, что электропроводность озёрной воды самая высокая, сила тока в ней самая большая.

3. Определение кислотности воды.

Одним из важнейших параметров воды можно назвать показатель её среды (pH), щёлочность и кислотность.

Если пить воду с показателем pH 9-10, то кислоты в нашем желудке, участвующие в переваривании пищи начнут нейтрализовываться, из-за чего пища будет не перевариваться, а гнить — это может вызвать серьезные проблемы со здоровьем, например к гастриту, язве или алкалозу. При регулярном употреблении человек испытывает мышечную слабость, озноб, нарушается работа сердечно-сосудистой системы.

Высокая щелочность воды может означать, что в ней содержится много солей кальция и магния (вода “жесткая”). Такая вода плохо мылится и приводит к образованию накипи.

Вода с pH ниже 6,5 имеет низкую щелочность и считается кислой. В быту она ощущается “мягкой”. Сама по себе кислая вода неопасна, однако, проходя по водопроводным трубам, она увеличивает их коррозию. В результате в кислой воде может быть повышенное содержание частиц ржавчины, железа, меди, свинца. При длительном употреблении такой воды металлы накапливаются в организме и могут вызвать отравление.

Для определения среды в образцах воды мы действовали таким образом:

  1. Разлили растворы по 10 мл в пробирки;

  2. Опустили в пробирки индикаторную бумагу;

  3. Определили среду в растворе.

Все результаты приведены в таблице ниже:

Вода

pH

Среда

Водопроводная

Между 6 и 7

Слабокислая

Озёрная

Между 5 и 6

Слабокислая

Родниковая

7

Нейтральная

4. Качественное определение ионов в воде.

Разные источники загрязнения имеют различное строение молекулы, химический состав. Большинство опасных веществ (такие как хлороформ, фенол, кислоты и т.д.) прозрачны в растворённом виде. Используя метод качественных реакций, можно их выявить.

Для определения химических мы взяли образцы воды из различных источников, провели качественные реакции.

Методика качественных реакций для обнаружения ионов:

  1. Обнаружение SO4. 2- К 10 мл. пробы прибавить 1 мл. хлорида бария. При содержании SO4. 2- возникает белый осадок.

  2. Обнаружение SO3 2-. К 10 мл. пробы прибавить слабый раствор марганцовокислого (перманганата) калия. При содержании SO3 2- розовый цвет исчезает.

  3. Обнаружение S2-. К 10 мл. пробы добавить нитрат серебра. Если содержится S2- , то появится слабое помутнение.

  4. Обнаружение Cl-. К 10 мл. пробы добавить нитрат серебра. При наличии Cl- выпадает осадок белого цвета.

  5. Обнаружение Fe2+, Fe3+. К 10 мл. пробы добавить раствор щелочи. При наличии ионов Fe появится осадок зеленого или бурого цвета.

В результате эксперимента, мы определили:

  • Водопроводная вода содержит анионы хлора;

  • Озёрная вода содержит анионы серы, сульфат-ионы;

  • Родниковая вода не содержит вышеперечисленных примесей.

  • 5. Проверка эффективности очистки воды активированным углём, покупным и самодельным фильтрами.

Проводя анкетирование, я много раз слышал вопрос, «Зачем покупать дорогие фильтры, когда есть самодельный из угля и песка?». Так что мы решили провести незапланированный эксперимент.

Прочитав соответствующую литературу, мы нашли оптимальный состав для фильтра:

  • Активированный уголь

  • Кремниевый песок

  • Фарфоровый песок

  • Мелкая галька

  • Бумажные фильтра

В качестве покупного образца был взят фильтр фирмы «БАРЬЕР Эко», как самого доступного в нашем посёлке.

Методика проверки эффективности очистки воды:

  1. Удаление из воды пестицидов.

Для удобрения и защиты от насекомых, грызунов, сорняков и грибков используются пестициды. Применяются также в городах, при обустройстве дорог и лесных угодий. С дождями попадают в водозаборы и провоцируют спектр заболеваний от аллергий до онкологии, диабета и врожденных дефектов плода.

Чтобы определить способность фильтра задержать пестициды мы использовали органический краситель метиленовый синий (метиленовый голубой), окрашивающий раствор в насыщенно-синий цвет, поэтому после фильтрования будет легко заметит даже маленькую концентрацию красителя. Также, по своему молекулярному строению он очень близок к пестицидам. Положительно заряженные катионы метиленового голубого сорбируются, повторяя модель захвата ионов тяжелых металлов, которые не определяются по цвету, запаху или вкусу.

  1. Удаление ржавчины из воды

Ржавая вода рано или поздно навещает каждый дом, пугая насыщенностью цвета и характерным запахом. Это неудивительно, ведь со временем даже оцинкованные трубы начинают подвергаться коррозии, в результате ржавчина попадает в воду.

Для проверки способности фильтра удалять из воды ржавчину мы использовали суспензию оксида железа (III), являющимся ржавчиной.

В результате эксперимента мы выяснили:

  • Покупной фильтр справился со всеми тестами, причём очистил растворы за считаные секунды

  • Самодельный фильтр частично очистил раствор от метиленового голубого (сохранилось окрашивание раствора в слабом виде) и полностью убрал из раствора ржавчину, при этом очистка заняла около 20 минут

  • Активированный уголь не справился ни с одним из тестов даже по прошествии 1 часа.

  • Заключение

При выполнении работы были изучены и опробованы различные способы очистки водопроводной воды. По результатам проведенных исследований можно сделать ряд выводов:

  • в школьной лаборатории невозможно определить точное количество примесей, а также провести бактериологический анализ. Все результаты являются приблизительными;

  • в домашних условиях действительно можно очистить воду с соизмеримыми затратами;

  • гипотеза была опровергнута;

  • были сформулированы рекомендации по способам очистки воды в домашних условиях:

  1. Прежде чем проводить очистку, желательно определить для вашей воды такие показатели как: жесткость, водородный показатель (pH), общая минерализация, наличие органических веществ, нитратов, цианидов, фторидов, тяжёлых металлов, общих колиформных бактерии, пестицидов и др.

  2. Если какой-то из показателей превышает значение нормы, необходимо подобрать соответствующий фильтр.

  3. Если нет возможности провести анализ состава воды, органолептическим способом можно определить наличие неприятного запаха, вкуса или необычного цвета.

  4. На повышенную жесткость указывает накипь на стенках чайника или кастрюли.

  5. Родниковая вода вблизи водопада Шуонийоки является не опасной для здоровья.

Работа имеет практическое значение, т. к. проблема очистки воды волнует каждого человека. Результаты могут использоваться на уроках химии и биологии, при изучении тем «Вода», «Экологические проблемы чистоты воды», «Сорбенты».

Список литературы

  1. Дружинин С.В. "Исследование воды и водоемов в условиях школы", 2008.

  2. Муравьев А.Г. «Экологический практикум», 2003.

  3. Государственное санитарно-эпидемиологическое нормирование РФ (http://base1.gostedu.ru/9/9742)

  4. Статья «Качество водопроводной воды» (http://vodaexpress.ru/stati/kachestvo-vodoprovodnoy-vody.html).

  5. «Осторожно! Водопроводная вода! Ее химические загрязнения и способы доочистки в домашних условиях.», авторы: Скоробогатов Г.А., Калинин А.И. – Санкт-Петербург, издательство Санкт-Петербургского университета, 2003В

  6. Статья «Как проверить фильтр для воды?» (https://www.aquaphor.ru/blog/proverit-filtr)

  7. Приложение

Просмотров работы: 1339