VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Мониторинг содержания железа в воде из различных источников г.Тарко-Сале и Пуровского района

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шайко Л.И. 1

---

1МБОУ ДО "центр естественных наук"

Холгаев Д.В. 1

---

1МБОУ ДО "центр естественных наук"

Работа в формате PDF

881.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Наличие железа в водах связано с широким распространением этого элемента в природе. Железо составляет 4,56 % массы всей земной коры, занимая четвертое место среди 107 элементов. Исходным материалом для образования и накопления железа в природных водах являются водовмещающие породы и породы, с которыми вода контактирует в процессе своей миграции.

Актуальность исследования заключается в том, что железо является необходимым элементом для нормального функционирования организма человека. Оно принимает участие в механизме кровообращения, влияет на общее состояние кожи, улучшает работу эндокринной системы, влияет на иммунитет и процесс роста детей. Недостаток этого минерала негативно сказывается на состоянии организма и может вызвать определенные заболевания. Но переизбыток этого минерала тоже пагубно влияет на здоровье.

Целью исследования является мониторинг различных образцов воды по показателю «содержание ионов железа» с применением фотометрического метода.

В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи:

научиться извлекать и структурировать данные из источников научно-публицистической литературы на предмет содержания железа в воде на территории ЯНАО, влияния железа на организм человека;

научиться проводить качественный и количественный анализ ионов железа в воде;

научиться интерпретировать и представлять результаты исследований.

Объекты исследования: вода из различных источников.

Предмет исследования: концентрация ионов железа в воде.

Гипотеза исследования: мы предположили, что вода из разных источников содержит разную концентрацию железа, так же содержание железа меняется в процессе очистки воды. Есть ли действительно польза от бытовых фильтров, призванных очищать водопроводную воду.

Основные этапы исследования:

анализ научно-популярной литературы;

подготовка проб воды;

экспериментальное определение концентрации ионов железа в объектах исследования;

оформление результатов исследования;

представление результатов исследования.

Практическая значимость: результаты исследований позволят определить безопасные источники питьевой воды, так же подобные исследования могут быть полезны при оценке эффективности очистки воды с помощью бытовых и промышленных фильтров.

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

Список литературы включает 7 использованных источников и литературы.

Приложение включает фотоиллюстрации, отражающие ход выполнения эксперимента.

Глава 1. Литературный обзор

Влияние железа на качество воды и здоровье человека

Железо - естественный минерал, который всегда присутствует в любой воде в определенном количестве. Попадает этот минерал в воду вследствие естественных природных процессов - разрушения и выветривания каменных пород, а также старения и коррозии чугунных и стальных водопроводов, применяемых на всех водоочистных сооружениях. Еще одна причина - сточные воды, поступающие со свалок, заводов, фабрик и др.

Железо относится к числу эссенциальных (жизненно важных) для человека микроэлементов, участвуя в процессах кроветворения, внутриклеточного обмена и регулирования окислительно-восстановительных процессов.

Основной путь поступления железа в организм человека - с пищей. По оценкам Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) доля воды в общем объеме естественного поступления железа в организм среднестатистического человека не превышает 10%. При этом следует отметить, что железо – трудно усваиваемый элемент, особенно в неорганической форме (в которой оно в основном и содержится в воде), и в качестве биоэлемента в таких условиях не рассматривается.

Между тем установлено, что в больших количествах железо, как и любое другое химическое вещество, способно вызвать в организме человека нарушения и даже патологии. Этот элемент способен накапливаться до токсической концентрации в органах и тканях, включая суставы, печень, эндокринные железы и сердце. Железо может создавать питательную среду для роста вредных микроорганизмов и клеток злокачественных опухолей, а также дополнительно стимулировать канцерогенное действие свободных радикалов. Высокие концентрации железа обнаруживаются в мозге людей, страдающих болезнью Паркинсона. Избыток железа нарушает функцию центральной нервной системы, усугубляя психические расстройства.

Вода с повышенной концентрацией железа может вызывать чувство «стянутости» и сухости кожи после купания. Кроме того, один из основных элементов земной коры нередко становится причиной развития дерматитов, и аллергических реакций.

Уже при содержании железа выше нормы (а это 0,3 мг/л [5]) вода становится мутной, желто-бурого цвета, особенно после нагревания, у нее ощущается характерный металлический запах и привкус. Возможно изменение вкуса и внешнего вида напитков и еды, приготовленных с использованием такой воды. Даже такие сравнительно низкие концентрации, как 0,3-0,4 мг/л, могут вызвать появление ржавых пятен на раковинах, посуде, ткани и других поверхностях.

Отложения нерастворимых соединений железа в водопроводных трубах сужает их просвет. Нередко это является основной причиной аварий. Срок службы сантехнического оборудования снижается в несколько раз.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) железа в питьевой воде и воде источников хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования установлена на уровне 0,3 мг/дм³. По согласованию с Главным санитарным врачом по соответствующей территории эта величина может быть увеличена до 1 мг/дм³ для конкретной системы водоснабжения.

Следует отметить, что ПДК железа установлена по органолептическому (по влиянию на окраску) лимитирующему показателю вредности и это вещество отнесено к третьему классу опасности. Для справки: всего существуют 4 класса опасности (самый опасный - первый).

Повышенные концентрации железа в питьевой воде влияют в сторону ухудшения на такие нормируемые органолептические показатели качества воды как запах, цветность и мутность.

Норма общего потребления железа для взрослого человека - 25 миллиграмм в сутки. Минерал попадает в организм с мясом, помидорами, гречневой крупой и т.п. Избыток микроэлемента откладывается в организме и становится причиной таких болезней, как инфаркт или инсульт. Самыми первыми от перенасыщения организма железом страдают почки и печень. Главной причиной появления мочекаменной болезни является вода, перенасыщенная железом. Плохие зубы, кишечные расстройства, заболевания желчного пузыря - совсем не полный список последствий использования "железной" воды.

С
оединения кислорода и железа имеют канцерогенные свойства. Они являются причиной изменения ДНК-клеток и перерождения их в раковые. Механизм токсичности представлен на рисунке 1.

Рис. 1 Механизм токсичности железа

Железо является типичным загрязняющим веществом питьевых вод не только в Ямало-Ненецком автономном округе, но и в целом в России [2,4]. Высокие концентрации железа в питьевой воде выявлялись в Амурской области [6], в Орловской области (г. Орел, Болхова, ливны) [7].

Выводы:

Мы изучили литературу, и выяснили, что железо необходимый элемент для человека, но избыток этого минерала так же, как и недостаток, приводит к различным нарушениям в функционировании организма человека.

Глава 2 Экспериментальная часть

2.1 Объекты и методы исследования

В работе нас заинтересовали качественный и количественный методы анализа содержания железа в воде.

Качественный анализ был выполнен с помощью химического реактива - 10% раствора гидроксид натрия. Суть этого анализа заключается во взаимодействии гидроксид-ионов с ионами железа (III) с образованием осадка оранжево-ржавого цвета. В результате проведения реакции проб воды с гидроксидом натрия выпадение осадка не наблюдается (приложение I, рис.2). Чтобы проверить достоверность метода мы провели реакцию 0,1% раствора соли хлорида железа с раствором гидроксида натрия и наблюдали выпадение осадка ржавого цвета, со временем на дно колбы выпали хлопья ржавчины.

Другим способом обнаружения ионов железа в воде является использование индикаторных тест полосок экспресс метода анализа. Для проведения анализа необходимо опустить тест-полоски на 1-2 мин. в исследуемые пробы воды, затем извлечь их и положить на белый лист бумаги и через 5 минут визуально определить степень изменения окраски тест полосок (приложение I, рис. 4).

В результате качественного определения ионов железа мы не обнаружили их присутствия в исследуемых образцах. Поэтому мы делаем вывод, что в пробах воды очень низкое содержание железа.

Мы перешли к следующему этапу работы – количественному методу анализа.

Количественный анализ был выполнен фотометрическим методом. Методика определения содержания ионов воде фотометрическим методом приведена нормативном документе на метод анализа [8].

Метод основан на взаимодействии ионов железа в щелочной среде с сульфосалициловой кислотой с образованием окрашенного в желтый цвет комплексного соединения.

Интенсивность окраски (по величине оптической плотности), пропорциональную массовой концентрации железа, измеряют при длине волны 400-430 нм с помощью фотоэлктроколориметра. Диапазон измерения массовой концентрации общего железа без разбавления пробы 0,10-2,00 мг/дм³. В этом интервале суммарная погрешность измерения находится в пределах 0,01-0,03 мг/дм³.

Подготовка прибора.

Подготовку фотоэлектроколориметра к работе проводят в соответствии с рабочей инструкцией.

Приготовление растворов.

Раствор сульфосалициловой кислоты 20%

20 г сульфосалициловой кислоты растворяют в мерной колбе вместимостью 100 см в небольшом количестве дистиллированной воды и доводят этой водой до метки.

Раствор хлористого аммония молярной концентрации 2 моль/дм³

107 г NHCl растворяют в мерной колбе вместимостью 1 дм³ в небольшом количестве дистиллированной воды и доводят этой водой до метки.

Приготовление раствора аммиака (1:1)

100 см 25%-ного раствора аммиака приливают к 100 см дистиллированной воды и перемешивают.

Проведение анализа

При массовой концентрации общего железа не более 2,00 мг/дм³ отбирают 50 см исследуемой воды (при большей массовой концентрации железа пробу разбавляют дистиллированной водой) и помещают в коническую колбу вместимостью 100 см³. Пробу воды нагревают до кипения и упаривают до объема 35-40 см. Раствор охлаждают до комнатной температуры, переносят в мерную колбу вместимостью 50 см, ополаскивают 2-3 раза по 1 см дистиллированной водой, сливая эти порции в ту же мерную колбу. Затем к полученному раствору прибавляют 1,00 см хлористого аммония, 1,00 см сульфосалициловой кислоты, 1,00 см раствора аммиака (1:1), тщательно перемешивая после добавления каждого реактива. По индикаторной бумаге определяют значение рН раствора, которое должно быть равно 9. Если рН менее 9, то прибавляют еще 1-2 капли раствора аммиака (1:1) до рН=9.

Объем раствора в мерной колбе доводят до метки дистиллированной водой, оставляют стоять 5 мин для развития окраски. Измеряют оптическую плотность окрашенных растворов, используя фиолетовый светофильтр (400-430 нм) и кюветы с толщиной оптического слоя 5 см, по отношению к 50 см³ дистиллированной воды, в которую добавлены те же реактивы. Массовую концентрацию общего железа находят по градуировочному графику.

Для построения градуировочного графика в ряд мерных колб вместимостью 100 см³ наливают 0,0; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0 см³ рабочего стандартного раствора, доводят до метки дистиллированной водой, перемешивают и анализируют, как исследуемую воду. Получают шкалу растворов, соответствующих массовым концентрациям железа 0,0; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 мг/дм³.

Массовую концентрацию железа в анализируемой пробе, мг/дм³, с учетом разбавления вычисляют по формуле

X= ;

где X - концентрация железа, найденная по градуировочному графику, мг/дм³;

V - объем воды, взятый для анализа, см;

100- объем, до которого разбавлена проба, см.

За окончательный результат анализа принимают среднеарифметическое результатов двух параллельных измерений, допустимое расхождение между которыми не должно превышать 25% при массовой концентрации железа на уровне предельно допустимой. Результат округляют до двух значащих цифр.

Результат определения концентрации ионов железа в исследуемых образцах воды приведен в таблице 1 приложения I.

Выводы:

качественный метод определения железа не подходит для исследования наших образцов воды так как во всех пробах низкая концентрация железа, т.е. метод недостаточно чувствителен;

самое низкое содержание воды в родниковой воде и бутилированной воде марки «Агуша»;

самая высокая концентрация железа в водопроводной воде из бытового крана, что подтверждает ранее изученную информацию о том, что железо может попасть в воду из ржавых труб;

по уровню содержания железа в образцах воды мы видим, что после фильтрации этот показатель снижается, т.е. бытовые фильтры частично очищают воду от ионов железа;

во всех образцах исследования содержание железа в воде не превышает норму, значит вода пригодна для питья.

Заключение

В работе было показано, что концентрация железа во всех образцах соответствует СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения», а также СанПиН 2.1.4.1175-02 "Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников". Теперь я знаю что вода в нашем районе и городе безопасна для человека и пригодна для питья.

В ходе проведения эксперимента я приобрел следующие навыки и умения:

научился выделять нужную информацию из литературных источников;

научился проводить химические лабораторные анализы по описанию методики их выполнения;

узнал новые химические вещества и научился проводить химические реакции с ними;

научился описывать результаты наблюдений и измерений;

узнал много новой информации о пользе и вреде железа для организма человека.

Теперь мне интересно узнать больше информации о способах очистки воды от высокого содержания железа и понять из чего состоят бытовые фильтры. Я бы хотел смоделировать фильтр очистки воды от различных примесей, включая железо.

Список литературы

ГОСТ 4011-72. Вода питьевая. Методы измерения массовой концентрации общего железа. – Введ. 1974-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2001. – 7с.

Кремлева Т. А., Моисеенко Т. И., Хорошавин В. Ю., Шавнин А. А. Геохимические особенности природных вод западной Сибири: микроэлементный состав // Вестник Тюменского государственного университета. 2012. - № 12 - С. 80–89.

Мысякин А. Е., Королик В. В. Зависимость качества питьевой воды от режимов водопользования и типов водопроводных труб // Гигиена и санитария. 2010. - № 6 - С. 31–33.

Онищенко Г.Г. Проблемы питьевого водоснабжения населения России в системе международных действий по проблеме «Вода и здоровье. Оптимизация путей решения» //Питьевая вода Сибири – 2006: материалы III науч.-практ. Конф., 18-19 мая 2006г. – Барнаул, 2006. – 171с

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.

Платонова Т. П., Пакусина А. п. Экологическая оценка ресурсов питьевых вод Амурской области // естественные и технические науки. 2012. - № 5 - С. 229–234.

Шварц А.А. Экологическая гидрогеология, СПб. 1996. - С. 4

ГОСТ 4011-72 Вода питьевая. Методы измерения массовой концентрации железа

Приложение I

Таблица 1. Содержание железа в исследуемых образцах воды.

Рис. 2 Качественная реакция на ион железа с гидроксидом натрия

Рис. 3 Обнаружение железа в 0,1% растворе хлорида железа с помощью гидроксида натрия

Рис. 4 Качественная реакция на ион железа с тест полосками экспресс-анализа.

Рис. 5 Количественный анализ. Фотометрия