VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Целесообразность применения фосфатосодержащих СМС в зависимости от жёсткости воды в городе Тарко-Сале

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шрамова В.А. 1

---

1МБОУ ДО "центр естественных наук"

Виноградова Р.А. 1

---

1МБОУ ДО "центр естественных наук"

Работа в формате PDF

1.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Сегодня рынок бытовой химии предлагает нам разнообразные средства для достижения стерильной чистоты. В состав современных стиральных порошков входят более 20 компонентов, которые зачастую являются опасными химическими соединениями: поверхностно-активные вещества (ПАВ), эмульгаторы жиров (фосфаты), щелочи (фосфаты щелочных металлов, сода) и другие активные компоненты (химические и оптические отбеливатели), вещества для связывания ионов магния и кальция (триполифосфат натрия) и отдушки. Так ли необходимо использовать фосфатосодержащие стиральные порошки популярных торговых марок? К чему приводит бездумное использование возможно вредных и опасных, но таких привычных в быту СМС?

Цель работы: качественный анализ присутствия фосфатов в популярных СМС, определение показателей жёсткости воды в городе проживания и оценка необходимости использования фосфатосодержащих моющих средств.

В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи исследования:

научиться проводить анализ научно-публицистической литературы по заданной теме

освоить количественный метод анализа жесткости воды

ознакомиться с методами качественного анализа наличия фосфатов в СМС

научиться подтверждать или опровергать известную информацию о влиянии жёсткости воды на свойства СМС (растворимость, пенообразование)

научиться проводить оценку полученных результатов исследований, интерпретировать данные и формулировать выводы

В качестве объекта исследования выбраны образцы водопроводной воды с разных районов города Тарко-Сале: ул. Геофизиков, ул. Ленина, ул. Труда, мкр. Геолог, ул. Е. Колесниковой и СМС различных торговых марок.

Гипотеза исследования: возможен подбор наименее вредных СМС в зависимости от жесткости используемой водопроводной воды

Методы исследования:

теоретические (анализ учебной и научно-популярной литературы по данной теме);

наблюдение;

эксперимент;

сравнение;

описание.

Основные этапы исследования:

анализ научно-популярной литературы по выбранной теме;

определение показателей жесткости образцов водопроводной воды аналитическим методом измерения;

анализ состава и свойств СМС наиболее популярных торговых марок;

проведение эксперимента, демонстрирующего влияние жесткости воды на свойства СМС различного состава и торговых марок

апробация полученных результатов исследования;

оформление результатов исследования;

Практическая значимость работы состоит в применении результатов исследований в быту при использовании СМС для очистки загрязненных материалов, а также при разработке рекомендаций по снижению токсико-экологических последствий загрязнения окружающей среды применяемыми в быту СМС.

Структура работы: исследовательская работа изложена на 11 страницах компьютерного набора и состоит из введения, двух глав, выводов, заключения, списка литературы, не учитывая приложений.

Список литературы включает 9 использованных источников и литературы.

Приложение включает фотоиллюстрации, отражающие ход выполнения эксперимента.

Глава 1. Основная часть

Литературный обзор. Состав и свойства синтетических моющих средств – стиральных порошков.

Сегодня рынок бытовой химии предлагает нам разнообразные средства для достижения стерильной чистоты.

Состав выпускаемых стиральных порошков в России регламентируется [3]. По показателям безопасности применения порошки должны соответствовать требованиям:

- массовая доля пыли – менее 5%

- показатель концентрации водородных ионов, единиц рН – 7,5 - 11,5

- массовая доля фосфорнокислых солей (в пересчете на P2O5) не более 22%

- пенообразующая способность (для порошков с пониженным пенообразованием) не более 200 мм, или 0,3 ед.

- моющая способность не менее 85%

- отбеливающая способность (для порошков, содержащих химические отбеливатели) не менее 80%.

Как следует из этого перечня, точно установленных компонентов в ГОСТе нет.

Достоинства стиральных порошков состоят в том, что они заменяют жировые мыла и не требуют для своего изготовления пищевых жиров, не образуют в жесткой воде нерастворимых солей Ca и Mg и обладают моющим действием даже в кислой среде.

Недостатком стиральных порошков является трудная биоусвояемость в сточных водах микроорганизмами.

У подавляющего большинства стиральных порошков основным компонентом являются составы на основе триполифосфата натрия (ТПФ). Его содержание в порошке колеблется от 15 до 40 процентов. При стирке ТПФ уменьшает жесткость воды и улучшает моющее действие порошка. Известно, что в жесткой воде плохо мылятся СМС, и образуется накипь на нагревающих элементах стиральных машин, которая приводит к их поломке (выходу из строя).

Если внимательно почитать составы стиральных порошков на упаковках, то вместо фосфатов можно встретить название «фосфонаты». Изучив литературные источники мы узнали, что фосфонаты - это НЕ фосфаты, хотя и первые, и вторые - это соединения Фосфора. Но соединения совершенно разных классов: фосфаты – это неорганические соли, фосфонаты - органические соли или эфиры. Некоторые фосфонаты встречаются в природе или применяются как лекарства, другие могут быть достаточно ядовитыми и использоваться в качестве фосфорорганических пестицидов.

Зачем же эти вещества добавляют в стиральные порошки? С той же целью, что и фосфаты: для решения проблемы образования накипи в жесткой воде и повышения моющей способности поверхностно-активных веществ. Только если для умягчения воды фосфатами их вводят в порошок в количестве 15-50 %, то фосфонатов нужно буквально несколько процентов, чтобы в их присутствии накипь уже не образовывалась. Заодно они связывают железо и ионы других металлов, присутствующие в воде.

Влияние фосфатов на окружающую среду и на здоровье человека.

Предельное содержание фосфатов в питьевой воде и воде для хозяйственно бытовых нужд - 3,5 миллиграмм на литр воды. Для чего же регламентируется содержание фосфатов в воде?

Дело в том, что фосфаты являются угрозой для окружающей среды. Стирая белье, отработанную мыльную воду мы сливаем в общую канализацию. Очистка сточных вод от фосфатов является трудноосуществимой, и вместе со сточными водами фосфаты попадают в реки и озера. Из научных исследований известно, что с коммунальными стоками в водоемы попадает до 75% фосфора. Фосфаты быстро снижают численность микроорганизмов в установках биологической очистки сточных вод, которые разлагают загрязнения. Поэтому эффективность работы очистительных сооружений значительно снижается.

Фосфаты наряду с нитратами используются как удобрения в сельском хозяйстве. Значит, попадая со сточными водами в водоемы, фосфаты "удобряют" воду. Водоросли в водоемах начинают расти с невероятной скоростью. Это явление называется эвторификация. В свою очередь, сине-зеленые, бурые водоросли, разлагаясь, выделяют в огромных количествах метан, аммиак, сероводород, которые уничтожают все живое в воде. Все это приводят к грубым нарушениям экосистем водоемов, ухудшению кислородного обмена в гидросфере, гибели животных и загрязнению питьевой воды.

Так же нельзя не сказать о влиянии фосфатов на здоровье человека, когда они проникают в организм с одежды, потому что многие стиральные порошки плохо растворяются в воде и особенно плохо выполаскиваются при стирке.

В чем же вред для организма? Наличие фосфатных добавок в порошках приводит к значительному усилению токсических свойств анионных поверхностно активных веществ (а-ПАВ). Эти добавки создают условия для более интенсивного проникновения а-ПАВ через неповрежденную кожу, способствуют усиленному обезжириванию кожных покровов, более активному разрушению клеточных мембран, резко снижают барьерную функцию кожи. ПАВ проникают в микрососуды кожи, всасываются в кровь и распространяются по организму. Это приводит к изменению физико-химических свойств самой крови и нарушению иммунитета. У а-ПАВ есть способность накапливаться в органах (мозг, печень, легкие).

По сравнению с фосфатами фосфонаты более стабильны в водном растворе, но со временем всё же разлагаются до соединений Фосфора, легко усваиваемых водными растениями. Поэтому порошки с фосфонатами тоже поставляют фосфор в природные воды, но в несоизмеримо меньших количествах, так как их процентное содержание в СМС в десятки раз меньше, чем содержание фосфатов. И если главным критерием при выборе в пользу бесфосфатного моющего средства для нас является защита окружающей среды, то порошки с фосфонатами являются неплохой альтернативой порошкам с фосфатами.

Поскольку причина, по которой в СМС добавляют химические вещества фосфаты или фосфонаты, это уменьшение жесткости воды и тем самым улучшение моющей способности поверхностно-активных веществ, актуальным будет определить показатели жесткости образцов воды в городе Тарко-Сале и оценить необходимость снижения данного показателя с помощью фосфатосодержащих моющих средств.

Глава 2. Экспериментальная часть. Объекты и методы исследования

Анализ жесткости воды

Жёсткость воды — совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния (так называемых солей жёсткости). Вода с большим содержанием солей называется жёсткой, с малым содержанием — мягкой. Термин «жёсткая» по отношению к воде исторически сложился из-за свойств тканей после их стирки с использованием мыла на основе жирных кислот — ткань, постиранная в жёсткой воде, более жёсткая на ощупь. По классификации отечественного гидрогеохимика О. А. Алекина мягкой считается вода с жесткостью 1,5-3 мг-экв/л, умеренно жесткой - 3-6 мг-экв/л, жесткой - 6-9 мг-экв/л и очень жесткой - свыше 9 мг-экв/л.

Согласно требованиям санитарных норм [5] жесткость воды не должна превышать 7 мг-экв/л. Дело в том, что при жесткости воды выше 7-10 мг-экв/л вероятность зарастания труб известковыми отложениями резко возрастает, то есть уменьшается проектный срок службы трубопровода. А при очень низкой жесткости вода приобретает сильные коррозионные свойства.

Среди методов определения показателя жесткости в воде наиболее доступен комплексонометрический метод анализа в присутствии индикатора эриохром. Метод основан на образовании комплексных соединений трилона Б (динатриевая соль триэтилен-диамин-тетрауксусной кислоты) с ионами щелочноземельных элементов. Определение проводят титрованием пробы раствором трилона Б при рН=10 в присутствии индикатора. Наименьшая определяемая жесткость воды - 0,1 °Ж [7]. Процесс определения жесткости методом титрования представлен в виде фотографий в приложении 1 (рис. 1)

Таблица 1. Показатели жесткости образцов воды города Тарко-Сале

Проанализировав полученные данные измерений, мы делаем вывод, что вода в разных точках города Тарко-Сале варьируется в пределах (0,9 – 1,4)°Ж, вода очень мягкая и нет никакой необходимости снижать жесткость водопроводной воды. Наоборот уменьшая жесткость с помощью фосфатосодержащих СМС, мы увеличиваем коррозионные свойства воды.

Определение наличия фосфатов в образцах стиральных порошков наиболее популярных торговых марок

Чтобы определить наличие или отсутствие фосфатов в образцах стиральных порошков достаточно провести качественную реакцию на фосфат-ион. Как правило, в порошки добавляют фосфат натрия Na₃PO₄ в виде ТПФ,который содержит фосфат-ион - кислотный остаток фосфорной кислоты. Одной из качественных реакций на фосфат-ион является взаимодействие с нитратом серебра в растворе воды.

Na₃PO₄ + 3AgNO₃= Ag₃PO₄ ↓ +3 NaNO₃

Ион серебра и фосфат-ион образуют нерастворимое вещество желтого цвета - фосфат серебра, выпадающее при реакции в осадок.

Так же характерной качественной реакцией на присутствие фосфатов является реакция с солями железа (III). Растворы солей железа (III) образуют с фосфат-ионами нерастворимый в уксусной кислоте желтовато-белый осадок фосфата железа.

Na₃PO₄ + FeCl₃= FePO₄ ↓ + 3NaCl

Таблица 2. Состав синтетических моющих средств – стиральных порошков на основании информации на упаковках товаров.

При проведении эксперимента была использована водопроводная вода комнатной температуры, образцы порошков растворяли в 100 мл воды количестве 5г, далее растворы фильтровали. В методе 1 для проведения качественной реакции в фильтраты водных растворов образцов добавляли 10 % раствор нитрата серебра AgNO3, в методе 2 – 10% раствор хлорида железа FeCl₃.

Таблица 3. Результаты лабораторных исследований образцов стиральных порошков.

1 – реакция с нитратом серебра

2 – реакция с хлоридом железа

В ходе исследований в методе 1 (с нитратом серебра) - мы наблюдали выпадение характерного для фосфата серебра осадка желтого цвета во всех образцах, кроме 5, что свидетельствует о наличии фосфат-ионов. В образцах под пунктами 2, 4 таблицы желтого осадка было намного меньше чем в двух остальных, но в них образовался так же серо-коричневый осадок (возможно наличие в порошках соединений, содержащих карбонат-ионы; образующиеся карбонаты серебра разлагаются на оксиды серебра серо-коричневого цвета и воду). Возможно параллельно протекающая реакция помешала выявить фосфаты в полной мере в образцах 2 и 4.

В реакции с хлоридом железа (метод 2) мы наблюдали осадки оранжевых оттенков во всех образцах, которые растворялись в 10% уксусной кислоте. В данной реакции обнаружению фосфатов нам вероятно помешало образование осадка гидроксида железа характерного оранжево-коричневого цвета, что говорит нам о том, что возможно наличие щелочных соединений в составе стиральных порошков.

Фотоотчет всех этапов эксперимента представлен в приложении 2 (рис.1-4).

Влияние жесткости воды на свойства стирального порошка

В эксперименте использовались следующие образцы:

дистиллированная вода;

водопроводная вода с показателем жесткости 1,3 °Ж;

жесткая вода с показателем жесткости больше 10 °Ж

стиральный порошок торговой марки «Миф»

Результаты эксперимента представлены в таблице 4.

Таблица 4. Влияние жесткости воды на растворимость и пенообразование стирального порошка.

По результатам эксперимента мы делаем вывод, что жесткая вода ухудшает растворимость и способность к пенообразованию стирального порошка, а также в жесткой воде происходят реакции между растворенными солями в воде и компонентами порошка, которые приводят к изменению цвета раствора (рис.5 приложения 2)

Выводы:

в ходе обзора научно-публицистической литературы, мы узнали, что применение СМС, содержащих фосфаты, приводит к негативным последствиям для окружающей среды и для человека;

в результате измерений мы установили, что показатели жесткости в образцах водопроводной воды, отобранной в разных точках г.Тарко-Сале не превышают 1,4 °Ж, значит вода очень мягкая, следовательно, нет необходимости использовать фосфатосодержащие СМС для снижения жесткости воды при стирке;

в ходе исследований мы подтвердили информацию о том, что жесткая вода действительно ухудшает растворимость и моющие свойства стирального порошка;

во всех образцах стиральных порошков мы обнаружили присутствие фосфат-ионов, вне зависимости от информации, указанной на этикетке;

сопоставив данные производителя и лабораторных исследований, мы понимаем, что информация на этикетках упаковок стиральных порошков неполная, а в некоторых случаях неправдивая;

Заключение

Данная работа помогла мне узнать много нового об обычных товарах и веществах, с которыми мы сталкиваемся каждый день, таких как стиральные порошки, разные типы воды и др. Я научилась выполнять несколько видов лабораторных анализов. Мне было интересно планировать и проводить лабораторные эксперименты и исследования, а также описывать свои наблюдения, обрабатывать получаемые результаты и формулировать выводы.

Измерив жесткость воды методом комплексонометрического титрования, я убедилась в том, что в нашем регионе очень мягкая вода (иногда я встречала данную информацию в литературных и интернет-источниках). Я узнала, что фосфаты, содержащиеся в стиральных порошках и других СМС, небезопасны для человека и наносят значительный вред водным ресурсам и их обитателям окружающей нас природы. Поскольку эти соединения добавляют для уменьшения жесткости, то при нашей мягкой воде нет смысла использовать фосфатосодержащие порошки, лучше отдать предпочтение наиболее безопасным и экологичным средствам. При подборе безопасных моющих средств необходимо не только изучать информацию на этикетках, но также использовать другие источники информации об используемых товарах, и если возможно обращаться в специализированные лаборатории, для определения состава СМС

В ходе работы я так же узнала, что существуют разные способы очистки сточных вод от фосфорных соединений: биологическими, физико-химическими и химическими методами. Обычно очистка воды представляет собой многостадийный процесс, в котором применяются комбинированные методы очистки. Меня заинтересовали физико-химические методы очистки, которые заключаются в осаждении фосфатов с помощью химических реагентов и дальнейшем их отделении от воды различными способами. Например, методы, основанные на обработке загрязненных вод известковым молоком или сульфатом алюминия в щелочной среде. Эффективность очистки в обоих случаях составляет 90-95 %. Я планирую продолжить исследования в данной области.

Я убеждена, что если каждый человек узнает о возможности применения такого простого способа сбережения окружающих нас природных ресурсов, как отказ от использования фосфатосодержащих СМС, то вклад в благоприятную экологическую обстановку нашей планеты будет значительным.

Список литературы

http://bse.chemport.ru/fosfaty.shtml

http://mirznanii.com/a/325609-3/opredelenie-sostava-stiralnykh-poroshkov-3

Брукер, P.P. Загрязнение микроэлементами/Р.Р. Брукер//Химия окружающей среды. – М., Химия. – 2002. – С. 371 - 376.

ГОСТ 25644-96. Средства моющие синтетические порошкообразные.- ИПК. Издательство стандартов, 2003

ГОСТ 31954-2012. Вода питьевая. Методы определения жесткости (с Поправкой). – М.: Стандартинформ, 2018

Муравьев А.Г., Пугал Н.А., Лаврова В.Н. Экологический практикум: Учебное пособие с комплектом карт-инструкций/ Под ред. к.х.н. А.Г. Муравьева. – СПб.: Крисмас+, 2003. – 176 с

Новиков, Ю.А. Методы исследования качества воды водоемов / Ю.А.Новиков, К.О.Ласточкина, З.Н.Болдина. – М. Медицина, 2004. – 165 с.

Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества: СанПиН 2.1.4.1074-01. утв. Гл. Сан. врачом РФ 26.09.01: ввод в действие с 01.01.02. - М.: Минздрав России, 2002. - 103 с.

Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1990. - Т. 2. - С. 145.

Приложение I

Рис. 1 Определение жесткости воды. Рис. 2 Переход окраски при титровании.

Рис. 3 Приготовление образцов исследования и лабораторной посуды

Приложение II

Рис. 1 Растворение образцов стиральных порошков и геля

Рис. 3 Качественная реакция на фосфат-ион с помощью нитрата серебра (метод 1)

Рис. 4 Качественная реакция на фосфат-ион с хлоридом железа (метод 2)

Рис. 5 Влияние жесткости воды на свойства стирального порошка