XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Гидрохимические показатели воды реки Невы

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Притула Ю.Д. 1

---

1ГБОУ лицей 179

Обуховская А.С. 1

---

1ГБОУ лицей 179

Работа в формате PDF

140.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

I. ВВЕДЕНИЕ

1. 1. Актуальность

Проблема загрязнения природных вод металлами является актуальной и важной для современного общества. Вода является не только основой жизни, но и важным ресурсом для промышленности, сельского хозяйства и бытового потребления. Металлы, такие как свинец, кадмий, ртуть и мышьяк, выпускаются в водные системы из различных источников, включая аварийные сбросы из очистных сооружений промышленных предприятий, а также вымывания металлоорганических пестицидов с полей, применяемых в сельском хозяйстве. Они представляют угрозу для живых организмов в водных экосистемах, способны накапливаться в организмах рыб и других водных животных, а затем попадать в пищевую цепочку. Постоянное потребление загрязненных вод может привести к различным заболеваниям, таким как отравления, повышенный риск развития рака и повреждение нервной системы.

1.2. Проблема

Загрязнение атмосферы является актуальной проблемой на протяжении долгого времени. Развитие технологий использования современного высоко технологического оборудования позволит минимизировать ряд экологических проблем: загрязнение: воздуха, почвы, водных ресурсов; появление дыр в озоновом слое; чрезмерная вырубка лесов; глобальное потепление, некачественная переработка ила.

По моему мнению, одной из самых важных является проблема загрязнения воды. Наша планета состоит на 71% из воды, поэтому дальнейшее загрязнение воды становится большой проблемой в современном мире. Что же загрязняет воду? Причины загрязнения воды металлическими соединениями могут быть разнообразны.

1. Промышленные выбросы: Производственные предприятия очень часто выбрасывают свои сточные воды в окружающую среду без должной предварительной очистки. В результате этого могут попадать различные металлические соединения, такие как свинец, кадмий, ртуть, в водные ресурсы, что приводит к их загрязнению.

2. Сельское хозяйство: Использование пестицидов и удобрений в сельском хозяйстве также может быть источником металлического загрязнения воды. Эти химические вещества содержат тяжелые металлы, которые могут проникать в грунт и попадать в реки, озера и подземные воды.

3. Утилизация отходов: Неправильная утилизация отходов, особенно связанных с производством и использованием металлов, может привести к их попаданию в водные ресурсы. Это может включать выбросы сточных вод с полигонов для сбора отходов, нерегулируемые выгребные ямы или неправильное хранение и утилизацию опасных отходов.

4. Технологические аварии: Чрезвычайные ситуации, такие как утечки или аварии на промышленных предприятиях, могут привести к выбросу большого количества металлических соединений в окружающую среду. Это может быть вызвано, например, нарушением эксплуатационных правил, неполадкой в оборудовании или несоблюдением безопасности.

5. Подземное хранение нефти и газа: В некоторых случаях, подземное хранение нефти и газа может приводить к загрязнению водных ресурсов. При неправильной эксплуатации или аварийном выпуске могут попадать различные металлические элементы и химические соединения в воду.

Анализ научной литературы свидетельствует о том, что загрязнение воды металлическими соединениями является серьезной проблемой, требующей пристального внимания и мер направленных на её решение.
1.3. Цель

Провести гидрохимический анализ воды реки Невы.

1.4. Задачи

1. Изучить методы исследования воды на металлы.

2. Провести эксперименты на содержание соединений металлов.

3. Собрать информацию о предыдущих показателях по данному исследованию

1.5. Предмет исследования

Гидрохимический анализ воды из реки Невы.

1.6. Объект исследования.

Вода из реки Невы.

1.7. Гипотеза.

Концентрация исследуемых показателей гидрохимического анализа воды реки Невы соответствует предельно допустимой концентрации (ПДК)

II. Теоретическая часть

Гидрохимические показатели воды – это совокупность физических и химических параметров, которые определяют качество воды и осуществляют контроль за ее состоянием. Они используются для оценки степени загрязнения водоемов, определения возможности использования воды в различных сферах (питьевое водоснабжение, промышленность, сельское хозяйство и др.) и для разработки мер по ее очистке и защите. Гидрохимические показатели воды могут включать параметры, такие как уровень pH, содержание растворенного кислорода, сероводорода, минеральных солей (солей жесткости), органических веществ, тяжелых металлов, нитратов, фосфатов и других загрязнителей. Изменение этих показателей может указывать на загрязнение водоема или изменение его экологического состояния. [3]

Биогенные элементы воды – это химические элементы, которые играют важную роль в жизнедеятельности организмов и экологических процессах. Они включают в себя основные макроэлементы (углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера) и микроэлементы (железо, марганец, цинк, медь, бор, молибден, кобальт, никель и др.). Биогенные элементы воды являются неотъемлемой частью здоровья и развития живых организмов. Они участвуют в формировании органических молекул, белков, нуклеиновых кислот и многих других биологически активных соединений. Кроме того, биогенные элементы влияют на регуляцию обменных процессов, ферментативную активность, электролитный баланс, рост и развитие организмов.

Мягкая вода - это вода, содержащая низкую концентрацию растворенных минералов, особенно ионов кальция и магния. Она обычно имеет меньшую жесткость, что означает, что она не образует накипь и легко образует пенообразующие соединения с мылом или моющими средствами. Мягкая вода обычно считается более благоприятной для использования в бытовых целях, таких как приготовление пищи, стирка и уборка, поскольку она не оставляет отложений на поверхностях и может помочь продлить срок службы бытовых приборов.

2.1. Металлы в воде

Металлы – это химические элементы, которые обладают свойствами металлического глянцевитого блеска, хорошей тепло- и электропроводностью, способностью образовывать ионы положительного заряда и образовывать металлические связи между атомами. [4] Металлы обычно относятся к группе 1-12 (кроме водорода) и группе 13-16 таблицы Менделеева, а также некоторым элементам из группы активных неметаллов. Металлы обладают различными свойствами и широким спектром применений. Некоторые металлы, такие как железо, алюминий и медь, широко используются в промышленности для производства металлических конструкций, машин, автомобилей и т.д. Другие металлы, например, золото, серебро и платина, ценятся за свою ценность и используются в ювелирных изделиях и электронике. Также металлы часто являются важными компонентами сплавов и легированных материалов, которые обладают повышенными свойствами прочности, твердости или коррозионной стойкости.

2.2. Источники появления металлов в воде

Источники появления избытка металлов в воде могут быть разнообразны и варьировать в зависимости от конкретной ситуации и местности. Ниже приведены некоторые из основных источников избытка металлов в воде:

1. Промышленные выбросы: Выбросы металлов в окружающую среду из промышленных предприятий, таких как заводы металлургии, горнодобывающие компании, химические предприятия и др., могут значительно загрязнять воду металлами.

2. Сельское хозяйство: Использование пестицидов и удобрений, содержащих металлы, в сельском хозяйстве может приводить к их попаданию в воду через стоки дождевой воды и поливных систем.

3. Дренаж с промышленных и сельскохозяйственных участков: Дождевая вода, стекающая по земле, окультуренным и промышленным участкам, может смывать металлы с поверхности и вносить их в поверхностные водоемы.

4. Старые трубопроводы и сети водоснабжения: Устаревшие системы водоснабжения и старые трубопроводы из металла могут содержать свинец, медь и другие металлы, которые могут проникать в воду. 

5. Антропогенные выбросы: Выбросы от автотранспорта, стационарных источников и других антропогенных источников загрязнения воздуха могут также способствовать оседанию металлов на поверхности водоемов.

6. Природные источники: Некоторые месторождения и геологические формации могут содержать высокие концентрации металлов, которые могут попадать в воду через естественные процессы.

Важно отметить, что различные металлы могут иметь различные источники загрязнения и варьировать в зависимости от региона и условий. Мониторинг загрязнения и принятие соответствующих мер для предотвращения и устранения загрязнения являются важными для защиты и сохранения качества водных ресурсов. [1]

2.3. Влияние избытка металлов на организм человека

Избыток металлов в организме человека может иметь негативное влияние на его здоровье и вызывать различные проблемы. Ниже приведены основные пути и влияние избытка металлов на организм:

1. Токсичность: Некоторые металлы, такие как свинец, кадмий, ртуть, мышьяк и другие, являются ядовитыми и могут накапливаться в тканях и органах, оказывая токсическое действие на организм. Это может привести к различным заболеваниям и нарушениям, таким как отравление, поражение нервной системы, почечная недостаточность, аномалии развития и другие проблемы со здоровьем.

2. Нарушение метаболических процессов: Избыток некоторых металлов, таких как железо, медь или цинк, может привести к нарушению нормальных метаболических процессов в организме. Это может повлиять на работу различных систем и органов, таких как центральная нервная система, иммунная система, эндокринная система и др.

3. Раздражение слизистых оболочек: Избыток некоторых металлов, например, никеля и хрома, может вызывать раздражение и воспаление слизистых оболочек дыхательных путей и кожи при длительном контакте. 

4. Некоторые металлы, такие как кадмий, хром, никель и др., могут быть мутагенными или канцерогенными, то есть способны вызывать мутации в генетическом материале клеток и увеличивать риск развития рака.

5. Воздействие на развитие и репродуктивную функцию: Избыток некоторых металлов, включая свинец, ртуть и кадмий, может оказывать негативное воздействие на развитие плода у беременных женщин, а также на репродуктивную функцию и фертильность мужчин и женщин.

6. Нарушение работы нервной системы: Некоторые тяжелые металлы, такие как свинец, ртуть и мышьяк, могут иметь неблагоприятное влияние на нервную систему, вызывая изменения в поведении, проблемы с памятью, концентрацией и даже развитие неврологических заболеваний.
   Важно отметить, что воздействие металлов на организм может зависеть от типа металла, его концентрации, длительности воздействия и индивидуальных характеристик человека. Минимизация контакта с избытком металлов и обеспечение безопасного качества воды и пищи являются важными для поддержания здоровья и предотвращения негативных последствий.

III. Практическая часть

3.1. Методы исследования металлов в воде

Во время выполнения практической части я пользовался методом пламенно-абсорбционной спектрометрии. Кроме этого метода существуют и другие.

1. Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС) - метод, основанный на измерении поглощения света атомами металлов при переходе электронов с основного состояния на возбужденное состояние.

2. Атомно-эмиссионная спектрометрия (АЭС) - метод, основанный на измерении поглощения света атомами металлов при переходе электронов с основного состояния на возбужденное состояние.

3. Масс-спектрометрия - метод, основанный на анализе масс-зарядового соотношения ионов, образованных из образца. Этот метод может использоваться для идентификации и количественного определения металлов в воде.

3.2. Сущность метода

Метод атомной спектрометрии заключается в измерении и интерпретации спектров, получаемых при взаимодействии атомов с электромагнитным излучением. Он основан на том, что каждый химический элемент имеет уникальный набор энергетических уровней, на которые его атомы могут переходить при поглощении или испускании света. Для проведения атомной спектрометрии используется атомный спектрометр, который состоит из источника электромагнитного излучения, оптической системы для разделения спектра и детектора для измерения интенсивности света. В процессе анализа образца с помощью атомного спектрометра образец подвергается воздействию электромагнитного излучения, которое вызывает переход атомов в возбужденное состояние. При возвращении в основное состояние атомы испускают свет определенных длин волн, которые попадают на оптическую систему спектрометра. Оптическая система разделяет свет на составляющие его длины волн и направляет их на детектор, который измеряет интенсивность света. Полученный спектр анализируется и интерпретируется с помощью калибровочной кривой или уравнения, построенных в результате градуировки. Это позволяет определить концентрацию химических элементов в образце на основе измеренных значений интенсивности света. Метод атомной спектрометрии широко применяется в различных областях, таких как анализ пищевых продуктов, окружающей среды, фармацевтической промышленности и др. Он позволяет быстро и точно определить содержание различных элементов в образцах, что является важным для контроля качества и безопасности продукции.

3.3. Забор проб воды из реки Невы

Забор проб воды из реки Невы производили на Северной Водопроводной Станции (СВС), Главной Водопроводной Станции (ГВС), Южной Водопроводной Станции (ЮВС).

3.4. Исследование на атомном спектрометре

• Построение градуировочной кривой

• Подготовка исследуемой пробы

• Подготовка холостой пробы

• Проведение измерений

3.4. Результаты практической части и их обсуждения.

Северная Водопроводная Станция (СВС). В ходе эксперимента в Октябре 2022 года содержание железа в исследуемой пробе составило 0,12 мг/дм³. Июль 2023 0,18 мг/дм³. Если сравнить показатель полученный в ходе эксперимента с ПДК, то можно сделать вывод о том что параметр не превышает.

Главная Водопроводная Станция (ГВС). В ходе эксперимента в Октябре 2022 года содержание железа в исследуемой пробе составило 0,17 мг/дм³. Июль 2023 года 0.15 мг/дм³. Если сравнить показатель полученный в ходе эксперимента с ПДК, то можно сделать вывод о том что параметр не превышает.

Южная Водопроводная Станция (ЮВС). В ходе эксперимента в Октябре 2022 года содержание железа в исследуемой пробе составило 0,15 мг/дм³. Июль 2023 года 0,087 мг/дм³. Если сравнить показатель полученный в ходе эксперимента с ПДК, то можно сделать вывод о том что параметр не превышает ПДК. (Таблица 1)

Таблица 1.

Результаты эксперимента на содержание железа в воде

На Северной Водопроводной Станции (СВС) в ходе эксперимента в Октябре 2022 года на содержание кальция в исследуемой пробе я получил показатель 11 мг/дм³. В Июле 2023 года 7 мг/дм³.

На Главной Водопроводной Станции (ГВС) в ходе эксперимента в Октябре 2022 года на содержание кальция в исследуемой пробе я получил показатель менее 8,8 мг/дм³. В Июле 2023 года 9 мг/дм³.

На Южной Водопроводной Станции (ЮВС) в ходе эксперимента в Октябре 2022 года на содержание кальция в исследуемой пробе я получил показатель 17 мг/дм³. В Июле 2023 года 15 мг/дм³.

Проанализировав полученные данные можно сказать, что вода в реке Неве является достаточно «мягкой», потому что кальций является металлом влияющим на «мягкость» воды. Мягкая вода более благоприятна для использования в бытовых целях, таких как приготовление пищи, стирка и уборка, поскольку она не оставляет отложений на поверхностях и может помочь продлить срок службы бытовых приборов (Таблица 2).

Таблица 2.

Результаты эксперимента на содержание кальция в воде

Северная Водопроводная Станция (СВС). В ходе эксперимента в Октябре 2022 года содержание магния в исследуемой составило 2,7 мг/дм³, а в Июле 2023 2,9 мг/дм³. При сравнении с ПДК параметр значительно ниже.

Главная Водопроводная Станция (ГВС). В ходе эксперимента в Октябре 2022 года содержание магния в исследуемой пробе составило 2,8 мг/дм³. В Июле 2023 3,1 мг/дм³. При сравнении с ПДК параметр значительно ниже.

Южная Водопроводная Станция (ЮВС). В ходе эксперимента в Октябре 2022 года содержание магния в исследуемой пробе составило 3,0 мг/дм³. Июль 2023 года 3,3 мг/дм³. При сравнении с ПДК параметр значительно ниже.

Проанализировав полученные данные можно сказать, что вода в реке Неве является достаточно «мягкой», потому что магний является металлом влияющим на «мягкость» воды. Мягкая вода более благоприятна для использования в бытовых целях, таких как приготовление пищи, стирка и уборка, поскольку она не оставляет отложений на поверхностях и может помочь продлить срок службы бытовых приборов (Таблица 3).

Таблица 3.

Результаты эксперимента на содержание магния в воде

Средняя концентрация алюминия в воде за 2022 и 2023 года не превышает ПДК ни на одной из водопроводных станций (СВС (Северная Водопроводная Станция), ГВС (Главная Водопроводная Станция), ЮВС (Южная Водопроводная Станция)). Это очень хорошо, так как повышенная концентрация алюминия в воде может вызвать у человека: нейротоксичность (это может привести к проблемам с памятью, концентрацией, координацией движений и даже к развитию болезни Альцгеймера), отравление почек (это может привести к нарушению функции почек, образованию камней в почках и даже к хронической почечной недостаточности), увеличить риск развития остеопороза и переломов костей, снижение сперматогенеза у мужчин и нарушение менструального цикла у женщин, а также снижение иммунной системы (Таблица 4).

Таблица 4.

Динамика содержания алюминия в воде

IV. Вывод

Концентрация металлов в воде ниже ПДК (предельно допустимой концентрации), а это значит, что воду можно употреблять в бытовых целях. Более того мы можем наблюдать что содержание кальция и магния достаточно низкое (смотри таблицу 2 и 3). А это значит, что вода в реке Неве «мягкая». Мягкая вода благоприятна для употребления в пищу, а также для бытового применения. Также стоит отметить необходимость регулярного мониторинга гидрохимических показателей воды реки Невы. Он нужен для своевременного выявления повышенной концентрации металлов в воде, а также для предотвращения попадания загрязненной воды к людям.

Практическая значимость

• Проверка эффективности очистных сооружений на Северной Водопроводной Станции, Главной Водопроводной Станции, а также Южной Водопроводной Станции

• Акцент на роль человека в окружающей среде. В том числе и безопасности водных объектов

V. Библиографический список

1. Дж. В. Мур, С. Рамамурти; пер. с англ. Д. В. Гричука [и др.]; под ред. Ю. Е. Саета. Тяжелые металлы в природных водах. Контроль и оценка влияния. - Москва: Мир, 1987. – 285 с.

2. https://www.vodokanal.spb.ru/vodosnabzhenie/kachestvo_vody/

3.  Анализ воды: справочник Лео М. Л. Ноллет, Лин С. П. Де Гелдер; пер. с англ. яз. под ред. И. А. Васильевой, Е. Л. Пролетарской. — Санкт-Петербург: ЦОП "Профессия", 2013. — 919 с.

4. https://bigenc.ru/c/zhelezo-eea6f4?ysclid=lmng89scom989502626

5. Ю. С. Другов, А. А. Родин Мониторинг органических загрязнений природной среды: 500 методик : практическое руководство — Москва : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. — 893 с.

6. https://geizer.com/facts/poleznaya-informaciya/vred-tyazhelyh-metallov-v-vode/

7. Е.В. Логинова, П.С. Лопух «Гидроэкология: курс лекций» - Минск: БГУ, 2011.– 300 с.

8.https://nemusorim.com/ekologiya/zagryaznenievody?ysclid=lmnhisjvii980228045