XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование возможности очистки водопроводной воды от примеси железа с помощью монтмориллонитовой глины

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Семенова Е.Е. 1

---

1Государственное автономное общеобразовательное учреждение «Губернаторский многопрофильный лицей-интернат для одаренных детей Оренбуржья» (ГАОУ ЛИОД)

Семенова А.Б. 1Савинов В.В. 2

---

1МАОУ Гимназия №1 Ташлинского района Оренбургской области

2Центр выявления и поддержки одаренных детей Оренбуржья «Гагарин»

Работа в формате PDF

811.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Проблема

Основные источники водоснабжения для Оренбургской области – это подземные воды и воды Урала. Но из-за различных антропогенных факторов качество воды постоянно ухудшается. Характерные показатели неудовлетворительного качества питьевой воды: повышенная жесткость, минерализация, содержание железа, марганца, хлоридов, сульфатов, нитратов и азота аммонийного. Железо является одним из наиболее распространенных микроэлементов, содержащихся в природных водах, используемых для водоснабжения. Содержание железа в воде в норме, если ПДК железа, то есть максимальное суммарное содержание металла во всех формах, в воде равна 0,3 мг/л (300 мкг/л). В Оренбургской области далеко не везде содержание железа соответствует норме. Повышенные концентрации железа характерны для питьевой воды в Грачевском, Беляевском, Бузулукском, Новосергиевском, Тоцком, Ясненском, Орском и Оренбургском районах.[9] (Прил. 1)

Актуальность

Железо обязательно должно присутствовать в организме человека для участия в кровообращении, дыхании, транспортировке кислорода к внутренним органам при помощи гемоглобина, прохождения процессов энергетического обмена. В теле человека содержится около 3-5 мг железа. Но переизбыток железа может нанести вред организму человека. Избыток железа может накапливаться в органах, приводя к нарушению их работы и возникновению заболеваний. Особенно этому подвержены печень, сердце и поджелудочная железа. Так, могут развиваться такие заболевания, как гемохроматоз (заболевание, проявляется нарушением обмена железа с накоплением его в тканях и органах), патологии печени, почек, желудочно-кишечного тракта, ослабление иммунитета, общая слабость, разрушение структуры волос, аллергические проявления, а также наносится вред коже. Железо в воде придает ей неприятный металлический привкус. Также вода с повышенным содержанием железа наносит вред оборудованию и бытовой технике, в результате чего та быстро выходит из строя.

Объект исследования: Содержание железа в водопроводной воде Оренбурга

Предмет исследования: Способность монтмориллонита осаждать ионы железа

Цель: изучить возможность очистки воды с помощью монтмориллонитовой глины.

Задачи:

1. Изучить литературу о содержании железа в воде, причинах попадания железа в воду, вреде этого металла

2. Поиск и анализ информации о способах очистки воды от железа

3. Сравнить различные методы фильтрации и выявить наиболее эффективный и доступный

4. Изучить сорбционную активность монтмориллонита

Гипотеза: так как монтмориллонитовая глина обладает сорбционной способностью, то наночастицы монтмориллонита можно применять для очищения воды от примесей ионов железа.

Методы исследования: Поиск информации, анализ научной литературы, классификация, измерение, сравнение, моделирование, фотометрия, эксперимент

Глава 1. Содержание железа в водопроводной воде

1. 1. История водоснабжения Оренбурга

Первый деревянный водопровод появился в Оренбурге в 1840 году. А в 1864 году завершилось строительство постоянного водопровода, длина которого составляла более 4 километров, а работу обеспечивали две паровые машины.

В начале двадцатого века были совершены первые попытки очистить воду Урала с помощью искусственного фильтра. Пытались оздоровить воду стерилизацией её хлором. Для этого рядом с водокачкой был построен деревянный хлорильный бак, но это не принесло пользы и бак был снесен.

В 1924 году был составлен проект водопровода, в который, кроме уже имеющихся сооружений, входили трубопровод, водонапорная башня и очистные сооружения. (Прил. 2)

В послевоенное время была проведена реконструкция Уральского открытого водозабора, а также началось освоение Уральского подруслового водозабора, введены очистные сооружения канализации.

Сегодня услуги водоснабжения и водоотведения в Оренбурге осуществляет «Росводоканал Оренбург». [4]

1. 2. Требования к качеству питьевой воды

Качество воды оказывает большое влияние на здоровье человека. В Российском водо-санитарном законодательстве обозначены гигиенические нормативы – ПДК вредных веществ в питьевой воде, которые установлены в санитарных правилах и нормах.

Питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и иметь благоприятные органолептические свойства. Качество питьевой воды должно соответствовать гигиеническим нормативам перед ее поступлением в распределительную сеть, а также в точках водоразбора наружной и внутренней водопроводной сети. [7]

При оценивании качества воды используют перечень вредных веществ в воде. Такими веществами являются органические соединения, металлы, нитраты, хлориды и др.

Показатели качества питьевой воды в России должны соответствовать положениям СанПиН 2.1.4.1074-01. (Прил. 3) В нормативе указана и предельно допустимая концентрация железа в воде - ПДК Fe. Содержание железа в воде в норме, если ПДК железа в воде равна 0,3 мг/л. Под этим параметром принимается максимальное суммарное содержание металла, присутствующего во всех формах.

Нормативная концентрация железа в воде ПДК=0,3 мг/л является расчетной и используется производителями фильтров обезжелезивания при определении ресурса оборудования. Однако для получения воды с высоким качеством очистки содержание железа должно быть еще меньше.

1. 3. Железо и его виды

Железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе.[10] Это один из самых распространённых в земной коре металлов.

Железо может существовать в природе в нескольких формах, которые определяются его валентностью. Таким образом различают элементарное, двухвалентное и трёхвалентное формы железа. Также, металл может существовать в виде различных комплексов и соединений. Вид железа важно знать, чтобы выбрать наиболее эффективный способ очистки питьевой воды.

Элементарное железо в воде не растворяется. Такая форма металла окисляется на воздухе до трёхвалентного состояния – превращается в оксид железа.

Двухвалентное железо. Эта форма железа в основном растворима в воде. Вода, содержащая такое железо, прозрачна и бесцветна, но на воздухе приобретает рыжий цвет и выпадает красно-коричневый осадок.

Трехвалентное железо. Гидроксид трехвалентного железа почти не растворяется в воде. Хлорид железа и сульфат железа растворимы и могут образовываться в слабокислых водах. Вода, содержащая трехвалентное железо Fe3+, окрашена, а при стоянии образует красно-коричневый осадок.[5]

Органическое железо – это соединение железа и органических молекул, продукт жизнедеятельности бактерий. Вода, содержащая органическое железо обладает цветом, но осадок не выпадает. Частицы железа слишком малы и проходят через обычные фильтры, но такую воду можно обезжелезить фильтрами с ионообменной смолой или обратным осмосом. [6]

1. 4. Пути загрязнения воды железом

Железо может присутствовать как в воде из естественного водоёма, так и в водопроводной воде, уже прошедшей обработку.

Железо может попадать в воду несколькими способами:

1) В результате коррозии водопроводных труб и металлического оборудования. Металл коррозирует и попадает в воду, проходящую через трубопроводы.

2) Просачивание соединений, содержащих железо, из почвы. Вместе с тающим снегом или осадками загрязняющие вещества попадают в воду. Чаще всего загрязнение воды различными вредными веществами происходит в районе промышленных предприятий и свалок.

1. 5. Наиболее распространённые способы очистки воды от железа

Существуют различные методы очистки воды от примесей железа:

Фильтры обезжелезивания. Распространённый метод очистки воды. Фильтры различаются строением и принципом работы, а наиболее эффективная система подбирается исходя из вида железа, содержащегося в воде. При сильном загрязнении дополнительно используется аэрация – процесс насыщения воды кислородом с целью её очистки.

Химическая аэрация воды осуществляется искусственными методами. В воду добавляются реагенты, которые выделяют кислород при соединении с водой. Такими веществами являются перекись водорода, перекись кальция, марганцовокислый калий и другие. [8]

2Fe²⁺ + Н₂O₂ + 2 Н⁺ → 2Fe³⁺ + 2Н₂О

Для водопроводной воды часто используются реагентные фильтры. Они представляют собой ёмкость с засыпанным реагентом – для этого используются хлор или гипохлорит натрия. Вода проходит через слой реагента, в результате происходит окисление железа и других элементов, затем окислившиеся соединения выпадают в осадок.

2Fe²⁺ + Cl₂ + 2H₂O = 2Fe(OH)₃↓  + 2HCl

2Fe(HCO₃)₂ + NaClO + H₂O = 2Fe(OH)₃↓ + 4CO₂↑ + NaCl

В отличие от реагентного фильтра, реагенты в безреагентной системе очистки воды не расходуются. Вода проходит через фильтрующую среду – мембрану, для изготовления которой используется оксид марганца, служащую катализатором в реакциях окисления, при этом железо, сероводород и марганец переходят в нерастворимую форму и выпадают в осадок. Осадок задерживается в слое фильтрующей загрузки и в дальнейшем вымывается в дренаж при обратной промывке. Минусами такого фильтра являются высокая стоимость и необходимость в частом обслуживании.

2FeSO₄ + MnO₂ + 2H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + MnSO₄ + 2H₂O

Ионообменные фильтры – также достаточно популярный способ обезжелезивания воды. Принцип действия таких фильтров основан на свойствах ионообменных смол. Это активное вещество при контакте с водой забирает отрицательные ионы магния и кальция, а также двухвалентное железо, заменяя их на натрий или водород.

Плюсом ионообменного фильтра является возможность промывки устройства раствором поваренной соли, что продлевает его срок службы.

Обратный осмос – это многоступенчатая обработка воды с использованием мелкоячеистой мембраны. Метод применяется для очистки воды при незначительном уровне загрязнения.

Принцип работы системы обратного осмоса заключается в разделении потока воды на части, где направление воды определяется от более концентрированной к менее концентрированной. Такой процесс происходит из-за осмотического давления. Вода проходит через мелкоячеистую мембрану и очищается от вредных веществ. Минусами устройства обратного осмоса является низкая производительность, высокий расход воды и отсутствие минеральных солей в чистой воде.

К народным способам очистки воды относятся кипячение, отстаивание и замораживание. Такие методы не очень эффективны, но подходят для очистки воды в домашних условиях.

Кипячение: при нагревании воды двухвалентное железо, содержащееся в ней, реагирует с кислородом, в результате чего окисляется, образуя нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок ржавого цвета.

4Fe(OH)₂ + 2H₂O + O₂ → 4Fe(OH)₃

Отстаивание: вода отстаивается 8-10 часов, при этом двухвалентное железо на воздухе окисляется и выпадает в осадок.

Замораживание: вода в пластиковой бутылке помещается в морозильную камеру, до тех пор, пока не будет заморожена часть воды. Затем незамерзшая вода, содержащая железо, сливается, а замороженная тает.

1. 6. Монтмориллонитовая глина

Монтмориллонитовая глина – минерал, способный впитывать воду, набухая при этом. (Прил. 4). Состав глины выражен формулой (Na, Ca)0,33(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2·nH2O. Его структура имеет слоистый характер, имеет объёмные внутренние пустоты. Благодаря сложной структуре, минерал способен притягивать как положительно, так и отрицательно заряженные ионы. Так, монтмориллонит является сорбентом и может поглощать достаточно большое количество инородных частиц. Минерал является мягким, лёгким и пластичным материалом, имеет белый цвет, порой с серым оттенком.[2]

В Оренбургской области распространена добыча монтмориллонитовой глины. На её территории находятся несколько месторождений этой глины: Участок Вьюжный-2 (Гайский район), Ижбердинское (Гайский район), Сарайбашское (Кувандыкский район), Соболевское (Октябрьский район). [1]

Монтмориллонитовая глина широко применяется в различных отраслях народного хозяйства.

Нефтегазовая промышленность.

Глина добавляется в буровые растворы, чтобы сделать бурение более эффективным. Также используется для очистки нефти от примесей и смол.

Керамическая промышленность.

Добавление монтмориллонита в глиняные смеси способствует улучшению пластичности и прочности изделий.

Текстильная промышленность.

Монтмориллонит – используется как отбеливающий материал, а также для удаления жиров и масел, поэтому минерал носит название суконной глины.

Производство резины – применяется для улучшения пластичности, структуры и физических свойств резин.

Фармацевтическая промышленность. Используется для улучшения структуры и стабильности лекарственных препаратов, также применяется в качестве адсорбента для удаления токсинов из организма.

В пищевой промышленности монтмориллонитовая глина используется в качестве отбеливающего материала для очистки масел и соков, а также для улучшения текстуры продуктов и увеличения их сроков годности.

В сельском хозяйстве – для изготовления комбикормов, при мелиорации почвы.

Бумажная промышленность – для изготовления копировальной бумаги.

Строительная отрасль.

Применение в производстве композиций для склеивания изделий из дерева, стекла, линолеума, облицовочных плиток, производства шпатлёвок, грунтовок, бетонных смесей на водной основе (альтернатива ПВА). 

Выводы по первой главе: Вода необходима для жизнедеятельности человека и города в целом, так как является важным ресурсом для многих процессов.

Независимо от источника водопроводная вода не может быть абсолютно чистой, так как содержит в себе различные примеси, высокое содержание которых может негативно сказаться на организме человека, оборудовании предприятий, бытовых приборах.

Монтмориллонитовая глина – минерал, способный к адсорбции благодаря своей слоистой структуре. Свойства и строение глины может использоваться при очистке воды от примесей.

Глава 2. Исследование возможности применения монтмориллонита для осаждения ионов железа.

2.1. Определение концентрации железа в исследуемой воде спектрофотометрическим методом.

1. Отбор проб для проведения исследования

Для проведения эксперимента были отобраны пробы воды с разных участков Оренбурга: проспект Дзержинского 23 (ТЦ «Север»), улица Беляевская д. 19 (ТЦ «Клондайк»); улица Сергея Лазо, 14; переулок Ярославский 1б; улица Салмышская, 71 (ТЦ «Кит»); улица Пролетарская, 3; улица Мусы Джалиля, 6, (ТЦ «Губернский») (Прил. 5, 6)

2. Затем определили концентрацию железа в исследуемой воде.

Метод определения железа с роданидом основан на взаимодействии трехвалентного железа с роданид-ионом в сильнокислой среде. Комплексы, образованные трёхвалентным железом и роданид ионами имеет винно-красную окраску.

1. Окисление двухвалентного железа до трёхвалентного состояния

Отобрали по 50 мл каждой пробы и прибавили к ним по 1 мл соляной кислоты, кристаллики персульфата аммония и 1 мл роданида аммония. Соединение быстро окрасилось в красный цвет, интенсивность окраски пропорциональна концентрации железа. (Прил.7)

Fe³⁺ + 6 NH₄CNS = 6NH₄⁺ + [Fe(CNS)₆]^3-

2. Через 10 минут при помощи спектрофотометра фотометрировали при сине-зеленом светофильтре в кюветах с толщиной оптического слоя 2 см. Результаты занесли в таблицу.

Табл.1: Оптическая плотность и содержание железа в воде с разных участков г. Оренбург.

В результате расчетов выяснили, что наибольшее количество железа содержит проба с переулка Ярославского, 1б. Далее работали именно с этой водой.

Подготовили серию проб исследуемой воды с добавлением разного объема коллоидного раствора наночастиц монтмориллонита.

Табл. 2: Добавляемая концентрация наночастиц монтмориллонита в пробы воды с пер. Ярославского, 1б

После методом оптической калориметрии проанализировали остаточную концентрацию железа. Результаты представлены в таблице:

Табл. 3: Конечная концентрация железа

Результаты опытной работы:

Итак, наночастицы монтмориллонита существенно снижают концентрацию железа в воде, так как благодаря своей структуре, минерал способен адсорбировать ионы железа. Таблица и график осаждения ионов железа наночастицами монтмориллонита показывают, что чем больше объём коллоидного раствора наночастиц монтмориллонита, тем эффективнее происходит очистка воды от железа.

Заключение:

В процессе работы над исследуемой темой была изучена и проанализирована научно-познавательная литература, информация в Интернете и других источниках, которая помогла выполнить данную работу. В результате исследования можно сделать следующие выводы:

Проблема высокого содержания железа в воде актуальна, так как избыток этого металла может нанести вред для организма человека и привести к нежелательным последствиям. Поэтому важна качественная и эффективная очистка водопроводной воды от металла.

Была изучена информация о различных фильтрах и других методах очищении воды от железа и предложен способ очистки с использованием монтмориллонитовой глины.

Монтмориллонит – минерал, обладающий слоистой структурой, благодаря чему способный притягивать положительно и отрицательно заряженные ионы, является сорбентом. Так, минерал можно использовать при очистке воды от железа.

В ходе проделанной работы гипотеза подтвердилась, так как с помощью эксперимента доказали, что монтмориллонит существенно снижает концентрацию железа в воде. Наночастицы монтмориллонита можно использовать как один из этапов фильтрации, так как этот метод достаточно доступный и помогает улучшить качество очистки водопроводной воды. Степень осаждения ионов железа зависит от количества наночастиц монтмориллонита в коллоидном растворе. Так, чем больше частиц в объёме раствора, тем больше ионов железа осаждается, следовательно водопроводная вода очищается эффективнее.

В результате эксперимента выяснили, что концентрация железа в водопроводной воде города Оренбурга не превышает ПДК, но монтмориллонитовая глина понижает концентрацию металла ещё больше.

Работа рассматривает не все аспекты проблемы. Это могло быть не только исследование метода очистки железа с помощью монтмориллонитовой глины, но и конструирование целостной системы фильтрации воды, основанной на изучаемом методе. В дальнейшем планируется инженерная проработка метода.

Список используемой литературы:

[1] «Бентонитовые глины России и стран ближнего зарубежья» П.Е. Белоусов, В.В. Крупская. – 2019. – С. 79-90;

[2] «Ионообменные свойства природной монтмориллонит содержащей глины Оренбургской области» Кушнарева О. П., Каныгина О. Н. // Вестник Оренбургского государственного университета,2017. - № 9 (209). - С. 23-26.

[3] ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ Г. ОРЕНБУРГА ПО НЕКОТОРЫМ ХИМИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ Шабанова С.В., Баширов В.Д., Сагитов Р.Ф., Смирнов В.Г., Голофаева А., Сердюкова Е., Угленков А. // Международный журнал экспериментального образования. – 2014. – № 8-2. – С. 70-74;

[4] История (rosvodokanal.ru)

«Качество питьевой воды города Оренбурга» Осипова Е. А., Нагаева В. А., Трофимова К. А., Федоренко А. С. // 2021

[5] Обезжелезивание воды: средства и способы очистки воды от железа - Статья | «КФ Центр» (kfcentr.ru)

[6] Определение железа в воде (diasel.ru)

«Оценка качества питьевых вод города Оренбурга» Чигринева Н.А., Сальникова В.И., Сагдеев М.А. // Современные научные исследования и инновации. 2017

[7] СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества (взамен СанПиН 2.1.4.559-96)

[8] Система аэрации воды - Фильтры для воды и очистка воды (sebekpro.ru) [9] «Характеристика качества питьевой воды для населения вододефицитного региона (на примере Оренбургской области)» И. Н. Алферов, Н. В. Яковенко. – 2016. – С. 8-10;

[10] Элементы Железо (studfile.net)

Приложение

Приложение 1. Карта Оренбургской области с отмеченными районами, в воде которых высокое содержание железа.

Приложение 2. Водозаборная башня г. Оренбург

Приложение 3. Требования к качеству питьевой воды

Приложение 4. Монтмориллонитовая глина

Приложение 5. Карта г. Оренбург с местами взятия проб воды

Приложение 6. Отбор проб с разных участков г. Оренбург

Прил. 7. Определение концентрации железа в исследуемой воде