Определение содержания железа в питьевой воде на основании оптической плотности

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

Личный портфель

Определение содержания железа в питьевой воде на основании оптической плотности

Викулина Д.А. 1
1МОУ Нижне-Иволгинская СОШ
Николаева М.Д. 1
1МОУ Нижне-Иволгинская СОШ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Мы живем в мире, где оценка экологического качества воды – одна из самых актуальных проблем на сегодняшний день. В древности люди знали, что без воды нет жизни. Со временем потребление воды человеком росло. Люди стали использовать воду для самых разнообразных целей: питья, домашних нужд, во всех отраслях промышленности, для отдыха, в сельском хозяйстве, для получения электроэнергии и др. Такая  интенсивная эксплуатация природных источников и недостаточная вторичная очистка воды привели к деградации водных ресурсов. Сегодня качество воды в большинстве районов Земли оставляет желать лучшего. В нашем селе, в низинах, глубиназалегания водоносного слоя достигает всего 9 метров. Поэтому тему, я считаю, актуальной.

Гипотеза: мы предположили, что вода из разных источников содержит разную концентрацию железа.

Объект исследования: вода.

Предмет исследования: содержание железа.

Научная новизна: для того, чтобы повысить эффективность эксперимента мы использовали цифровую лабораторию Releon, которую получила наша школав рамках Федерального проекта «Точка роста». Цифровые датчики позволяют производить сбор данных в реальном времени, они различные виды физических величин переводятся в электрические сигналы, сигналы подаются через регистратор, на компьютер, где они обрабатываются.

Цель: исследовать содержание железа в воде на основании оптической плотности.

Задачи:
1. Собрать образцы воды из различных источников;
2. Провести анализ содержания железа в каждом образце;
3. Сравнить результаты с нормативами;
4. Сделать выводы о качестве воды и предложить рекомендации для улучшения ситуации.

  1. Теоретическая часть

    1. Откуда железо в воде - основные источники

Железо - это один из наиболее распространенных металлов на планете. Оно содержится в почве, горных породах, растениях, продуктах питания, а также обязательно присутствует в воде.

Металл может присутствовать как в сырой воде из природного водоема или скважины, так и в водопроводной, уже прошедшей предварительную обработку воде. Различают два пути загрязнения:

При просачивании железосодержащих соединений из почвы. Загрязняющие вещества попадают в водные пласты вместе с дождевыми осадками или талым снегом. Наибольшая концентрация примесей, включая содержание железа и марганца в воде, наблюдается возле городских свалок или промышленных предприятий, сбрасывающих технологические отходы в водоемы.

Из-за коррозии металлических труб и оборудования. Вода обогащается железом при прохождении через длинные распределительные металлические трубопроводы, а также при очистке в металлических фильтрах на станциях водоподготовки.

Элемент присутствует в воде в разных формах. Различают растворенные соли (двухвалентное); нерастворимые хлопья ржавчины (трехвалентное); железо в составе органических соединений и углеродосодержащих веществ; как продукт жизнедеятельности микроорганизмов ("железобактерий"). Если при добыче из скважины или в водопроводной воде железо превышает норму, об этом свидетельствуют признаки:

  1. Специфический неприятный металлический привкус и кисловатый запах питьевой воды.

  2. Посторонний оттенок воды - цвет может быть от желтого до темно-коричневого.

  3. Мутность, отсутствие прозрачности жидкости возникает за счет взвешенных коллоидных частиц.

  4. Выпадение нерастворимого бурого осадка после отстаивания или кипячения.

  5. Появление "ржавых" потеков на сантехническом оборудовании.

  6. Возникновение желтых пятен на выстиранном белье.

Точную концентрацию и форму содержащегося в воде железа определяют путем проведения лабораторных исследований. По их результатам выбирают оптимальные методы очистки.

1.2.Норма железа в воде: СанПиН, ВОЗ, ЕС

Всемирная Организация Здравоохранения устанавливает не предельное содержание Fe в воде, а допустимую суточную норму потребления в зависимости от веса человека. Согласно ВОЗ, безопасным считается потребление 0,8 мг железа на 1 кг веса. Это соответствует концентрации порядка 2,5-3 мг/л. Стоит отметить, что, хотя такая вода и не наносит значительного вреда здоровью, она оставляет желать лучшего по органолептическим свойствам.

В России показатели качества питьевой воды должны соответствовать положениям СанПиН 2.1.4.1074-01. Наряду с другими характеристиками в нормативе указана предельно допустимая концентрация железа в питьевой воде - ПДК Fe. Содержание железа в воде в норме, если ПДК железа в воде равен 0,3 мг/л. Под этим параметром понимают максимальное суммарное содержание металла, присутствующего во всех формах (двух-, трехвалентное, органика). В странах Европейского Союза этот критерий еще жестче и составляет 0,2 мг/л. 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 (без малейшего металлического привкуса) содержание железа должно быть еще меньше.

    1. Железо в воде по ГОСТ для технической воды

Вода из водоемов, колодцев или водопроводов может также использоваться для технических нужд. Ее применяют в котельных установках и тепловых сетях, для охлаждения производственного оборудования, как рабочую среду технологических процессов. Содержание железа в колодезной воде может достигать 50-10 мг/л, поэтому без очистки ее нельзя использовать даже в качестве технической. Жидкость с концентрацией железа свыше 0,3 мг/л оставляет ржавые следы, негативно влияет на работу оборудования, влияет на появление коррозии. Обычно воду очищают минимум до ПДК питьевой.

Для котельных, предприятий пищевой промышленности или лабораторий может потребоваться более глубокая очистка воды. Здесь концентрация железа нормируется внутренними технологическими картами и паспортами на оборудование.

1.4.Чем опасно избыточное содержание железа в воде - выше, чем предписывает ГОСТ

Стоит отметить, что железо не является вредным элементом. Более того, оно обязательно должно присутствовать в организме для участия в кровообращении, дыхании, транспортировке кислорода к внутренним органам при помощи гемоглобина, прохождения процессов энергетического обмена и др. Всего в теле человека содержится порядка 3-5 мг железа.

Однако переизбыток Fe приводит к ухудшению самочувствия. Что делать, если норма железа в воде превышена - нужно следить за количеством его поступления в организм. Для России установлены следующие суточные нормы потребления железа по категориям населения:

  • взрослые мужчины - 10 мг;

  • женщины - 20 мг;

  • беременные и кормящие грудью женщины - 30-35 мг;

  • дети - 4-18 мг.

Большую часть железа (порядка 90 %) мы получаем вместе с пищей, а остальные 10 % приходятся на питьевую воду. То есть, например, мужчинам нужно потреблять при питье максимум 1 мг этого элемента, чтобы избежать перенасыщения. Именно поэтому важно следить за концентрацией же.

Длительное употребление воды с чрезмерным содержанием железа может привести к таким проблемам со здоровьем:

  • отложение металла во внутренних органах и тканях;

  • появление головной боли, быстрая утомляемость, головокружения, обмороки;

  • развитие болезней печени, почек, сердца, сосудистой системы, появление проблем при

работе ЖКТ;

  • изменение цвета кожи, развитие анемии;

  • увеличение риска возникновения онкологических заболеваний.

Известны случаи, когда железо в воде превышает норму в 4 раза. Повышенное содержание железа представляет опасность для оборудования и трубопроводных систем. Содержание растворенного металла приводит к развитию электрохимической коррозии металлов и, как следствие, появлению свищей и пробоин на трубах. А твердые включения в виде хлопьев ржавчины способны серьезно повредить оборудование.

1.5..Способы очистки до нормы железа в воде по СанПиП

Выбор оптимального метода очистки зависит от формы содержания железа и его концентрации. Трехвалентное железо выпадает в осадок, поэтому его можно отстаивать и фильтровать. А вот растворенный двухвалентный металл или железо в составе органических соединений предварительно нужно преобразовать, перевести в форму Fe (III).

Наибольшее распространение получили следующие способы очистки до нормы содержания железа в воде не больше, чем предписано техническими стандартами:

  1. Фильтры обезжелезивания. Это основной вид профессиональной обработки воды. При значительном загрязнении жидкости (если источник - колодец или открытый водоем) дополнительно используется аэрация, ускоряющая процесс окисления и осаждения железа. Для водопроводной воды используются реагентные фильтры.

  2. Ионообменные фильтры. Это второй по популярности способ, позволяющий довести уровень железа в воде до нормы. Процесс основан на замещении ионов загрязнителя из водного раствора при прохождении его через катионит - ионообменную смолу. При этом также происходит умягчение воды.

  3. Обратный осмос. Многоступенчатая обработка воды с использованием мелкоячеистой мембраны позволяет провести тонкую фильтрацию. Метод применяется для доочистки воды при незначительном уровне загрязнения.

  4. Народные методы. К ним относятся отстаивание, замораживание, кипячение, а также фильтрация через слой кремния или угля. Эти способы просты, но не особо эффективны. Могут применяться дома, если железо в воде выше нормы.

Для качественного удаления железистых примесей важно правильно определить состав исходного раствора, выбрать метод очистки воды, подобрать оборудование с учетом допустимой концентрации железа в воде по ГОСТ на выходе из очистных линий. Большой ассортимент фильтров обезжелезивания и других водоочистительных установок предлагает наша компания. Мы продаем как узкоспециальные устройства, так и станции комплексной очистки от различных загрязнений.

Практическая часть

Предельно допустимая концентрация (ПДК) железа в воде 0,3 мг/л. Наличие в воде растворенного железа в количестве выше 0,3 мг/л вызывает бурые потеки на сантехнике, пятна на посуде и на белье после стирки. При содержании железа выше 1 мг/л вода становится мутной ,окрашивается в желто-бурый цвет, у нее ощущается характерный металлический привкус . все делает такую воду практически неприемлемой как для технологического, так и питьевого применения.

Для определения иона Fe3+в воде используют довольно чувствительную (предел обнаружения железа 0,02 мг/л) реакцию с роданидом калия или аммония:

FeCl3+3KSСN=Fe(SCN)3+3KCI;

Fe3++3SCN- -= Fe(SCN)3

Образующееся комплексное соединение Fe(SCN)3 имеет ярко-красную окраску. Однако реакция чувствительна только к ионам Fe3+ ,поэтому для обнаружения железа в форме Fe2+ пробу нужно доокислять например, азотной кислотой) .

Концентрацию окрашенных соединений удобно определять по оптической плотности растворов. Оптическая плотность- мера ослабления света прозрачными объектами или отражения света непрозрачными объектами. Световой поток, проходя через окрашенную жидкость, частично поглощается. Остальная часть светового потока попадает на фотоэлемент, в котором возникает электрический ток, регистрирующий при помощи амперметра. Чем больше концентрация раствора, тем больше его оптическая плотность и тем больше степень поглощения света, следовательно, тем меньше сила возникающего тока. Между оптической плотностью и концентрацией вещества в растворе существует прямая пропорциональная зависимость.

Оборудование: цифровая лаборатория Releon с датчиком оптической плотности, кюветы для датчика оптической плотности, колбы мерные, вода дистиллированная,0,1М раствор роданида калия, 0,001М раствор хлорида железа(III), концентрированная азотная кислота, пипетки мерные, пробы воды.

Порядок выполнение работы

  1. Приготовить два градуировочных раствора. Для этого отобрать мерной пипеткой или пипеткой Мора 5 мл 0,001 М раствора FeCl3, поместить его в мерную колбу объемом 50 мл , долить воды до метки и хорошо перемешать . Затем отобрать мерный пипеткой 25 мл полученного раствора, поместить его в мерную колбу объемом 50 мл , долить воды до метки и хорошо перемешать.

  2. Подключить датчик оптической плотности к планшетному регистратору или

компьютеру. Запустить программу измерений ReleonLite. В подменю датчика выбрать синий светофильтр (длина волны 465 нм ).

  1. Для калибровки датчика следует налить дистиллированной воды в кювету и поместить ее в датчик оптической плотности . Нажать кнопку <<Пуск>>.Спустя 2-3 секунды необходимо нажать кнопку <<Сбросить>> и дождаться установления нулевого значения ( процесс калибровки может занять от 5 до 15 секунд ). До окончания процесса калибровки вынимать кюветы из датчика. Затем нажать кнопку <<Пауза>>

  2. В кювету налить с помощью мерной пипетки 2 мл первого градуировочного раствора, добавить с помощью аптечной пипетки или стеклянной трубочки одну каплю концентрированной азотной кислоты и с помощью другой мерной пипетки - 0,5 мл 0,1 М раствора роданида калия.

  3. Нажать кнопку <<Пуск>>, дождаться установления показаний, зафиксировать значение оптической, нажать кнопку <<Пуск>>.

  4. Повторить пп 4-5 со вторым градуировочным раствором .

  5. Построить градуировочный график, представляющий нулевую тоску. Все три точки должны лежать на одной прямой. Если налицо заметные отклонения от прямой, следует приготовить дополнительное градуировочные растворы других концентраций и уточнить прямую.

  6. Повторить пп 4-5 исследуемыми образцами воды.

  7. На основании градуировочного графика найти значения концентраций, соответствующих полученным значениям оптической плотности для образцов воды.

Краткая характеристика источников, из которых были взяты пробы воды для анализа.

проба 1 –скважина в доме, расстояние до хозяйственных построек – 20 метров, глубина скважины – 25 метров.   

проба 2. –скважина в доме, расстояние до хозяйственных построек – 8 метров, глубина скважины – 20 метров, труба из стали.  

проба 3.  –скважина в доме, расстояние до хозяйственных построек – 8 метров, глубина колодца – 9 метров, труба из стали.  

проба 4. –скважина в доме, расстояние до хозяйственных построек – 10 метров, глубина скважины – 70 метров, труба из стали. 

проба 5. –скважина, от дом  - 1  метр, расстояние до хозяйственных построек – 8 метров, глубина скважины– 45 метров, труба из пластика.  

проба 6. –скважина, расстояние до хозяйственных построек – 3 метра, глубина скважины – 20 метров, труба из стали.  

Результаты и выводы

ПДК -0,0054 ммоль/л

проба 1 – концентрация 0,006, соответствует норме.  Вода пригодна для употребления в пищу и для хозяйственных нужд.

проба 2. – концентрация 0,005, соответствует норме.  Вода пригодна для употребления в пищу и для хозяйственных нужд.

проба 3.  – концентрация 0,008, высокая оптическая плотность. Вода пригодна для хозяйственных нужд.

проба 4. – концентрация 0,003, соответствует норме.  Вода пригодна для употребления в пищу и для хозяйственных нужд.

проба 5. -  концентрация 0,003, соответствует норме.  Вода пригодна для употребления в пищу и для хозяйственных нужд.

Проба 6-   концентрация 0,006, соответствует норме.  Вода пригодна для употребления в пищу и для хозяйственных нужд.

                                                                                                                                       

      Общие выводы: 

  1. Можно  предположить, что качество водопроводной воды ухудшается вследствие применения  для  облицовки стенок колодца некачественного строительного материала. 

  1. Не соблюдается санитарная зона расположения скважин и колодцев (20-25 м.).  

  2.  Данная работа может быть использована на уроках химии при изучении тем «Теория электролитической диссоциации», «Соли», «Водородный показатель рН». 

Рекомендации населению. 

 Для сохранения качества воды необходимо:                                

1) Своевременная очистка колодцев.                                              

2) Своевременная замена водопроводных труб.                                

3) Нельзя допускать застоя воды, водозабор должен быть постоянным. 

4) Рекомендуется использовать бетонные или железобетонные кольца, при их отсутствии  допускается использовать кирпич, камень и дерево. 

5) Закрывать колодец плотной водонепроницаемой крышкой, чтобы избежать попадания в воду дождя, снега, пыли, листьев деревьев, а также животных. 

6) Питьевой колодец нельзя располагать возле навозных куч, уборных, бань, помойных  ям, скотных дворов и подобных объектов. Между колодцем и источником вероятного  загрязнения должно быть не менее 20-25 м. Все стоки из хозяйственных и бытовых  построек, попадая в землю, спустя время проникают и в колодец, что недопустимо. Рано  или поздно это ударит по здоровью тех, кто пьет загрязненную воду. 

 

Список использованных источников и литературы

  1. Белков И.М. Водно-физические свойства почв и интенсивность эрозионных процессов. / Труды Уфимского БГУ, том ХV. -Уфа: БГУ, 2001. -с. 36-37. 

  1. Железо в воде: влияние на организм человека и нормы (posuda-inet.ru) 

  1. Методические рекомендации для проведения лабораторных работ по химии. RELEON. 2020, -с.56-58, 146-149, 150-153. 

  1. Методические рекомендации по химии для преподавателей. RELEON.2020, -с.25, 67, 67-68.  

  1. Оценка питьевой воды по органолептическим, физико–химическим показателям. Обобщенные нормативные показатели содержания в воде вредных химических веществ, получивших глобальное распространение (studfile.net) 

  1. Эколого-гигиеническая оценка качества питьевой воды Республики Бурятия. Медицина труда и экология человека, 2017.

  2. https://vodaplus.ru/blog/norma-zheleza-v-pitevoy-vode/

  3. https://www.msulab.ru/knowledge/water/iron-in-water-useful-properties-and-danger/

Приложение

   
   
Просмотров работы: 14