Физико-химическое исследование водопроводной и питьевой воды. Определение жесткости воды

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

Физико-химическое исследование водопроводной и питьевой воды. Определение жесткости воды

Стреке А.В. 1
1МБОУ «СОШ № 46» г. Калуги
Громова Ю.С. 1
1МБОУ «СОШ № 46» г. Калуги
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Ученые считают, что питьевая вода хорошего качества увеличила бы среднюю продолжительность жизни современного человечества на 20-25 лет. Все больше людей в России понимают это, и поэтому не употребляют в пищу воду из-под крана, а либо покупают фильтры для воды, либо приобретают бутилированную воду.

Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека констатирует низкое качество питьевой воды в России. Около 19% проб воды из водопроводной сети не соответствует требованиям нормативов по санитарно-химическим и около 8% - по бактериологическим показателям. В целом в России до 30% проб воды поверхностных источников не соответствует гигиеническим нормативам по санитарно-химическим и до 25% - по бактериологическим показателям[4].

Актуальность работы: Роль воды на нашей планете огромна, ценность ее безгранична. Вода является основой жизни и сырьем для огромного количества производств во всех отраслях промышленности. Все без исключения живые существа содержат в своем организме около 80% воды (по весу). Масса воды, входящей в живые организмы (биологической воды) составляет 1120 км3, подавляющая часть которой проходит через живые организмы в результате обмена веществ - метаболизма. Без воды жизни нет: при обезвоживании организма на 10% человек теряет сознание, на 12 % - погибает (без воды человек может жить не более 5 суток). От того, насколько чистую воду пьет каждый человек, зависит в целом здоровье общества.

Цель исследования:

Провести исследование качества питьевой (бутилированной) и водопроводной воды в условиях школьной лаборатории. Определить карбонатную (временную) жесткость воды.

Задачи исследования:

Изучить понятие о нормах и способах очистки воды;

Ознакомиться с видами жесткости воды, со способами определения карбонатной (временной) жесткости;

Провести эксперимент, позволяющий оценить качество питьевой и водопроводной воды, а также определить временную (карбонатную) жесткость воды.

Провести анализ полученных результатов и сделать соответствующие выводы.

Гипотеза: Возможно, качество питьевой (бутилированной) и водопроводной воды будет соответствовать нормам, применяемым к воде по ПДК.

Методы исследования:

Изучение научной литературы по выбранной тематике;

Выбор методов анализа исследуемой воды;

Проведение экспериментальной части работы в соответствии с химическим практикумом в условиях школьной лаборатории.

Практическая значимость: Полученные в результате исследования значенияпомогут показать, соответствуют ли нормам государственных стандартов, отобранные пробы воды.Полученные результаты могут быть использованы при проведении в школе классных часов, направленных на формирование у учащихся основ здорового образа жизни и основных правил правильного питания.

Результаты исследования так же могут быть использованы при проведении различных мероприятий связанных с экологическим образованием и воспитанием школьников.

Основная часть

1.1. Вода - основа жизни и базовое промышленное сырье

Академик Владимир Иванович Вернадский писал: "Вода стоит особняком в истории нашей планеты: нет природного тела, которое могло бы сравняться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных глобальных проблем. Вода - своеобразный минерал, обеспечивающий существование живых организмов на Земле...".

Гидросфера начала формироваться на Земле более 4 млрд. лет назад. По современным представлениям гидросфера, атмосфера и земная кора возникли почти одновременно. Средняя толщина земной коры в 10 раз больше средней толщины гидросферы. Гидросфера на нашей планете - это основная часть ее поверхности: более 350 млн. км2 или более 75% площади поверхности Земли (общая поверхность земли 510 млн. км2), поэтому Землю можно назвать "голубой планетой". Общее количество воды на Земле - 1390 млн. км3, но распределена она крайне не равномерно.

Таким образом, на Земле 1390 млн. км3 воды, в том числе пресной - всего 20млн. км3, и из этих запасов пресной воды приблизительно 97% содержится в ледниках и полярных шапках. Легкодоступной пресной воды - приблизительно 50 тыс. км3.

В России запас поверхностных пресных вод равен 28 тыс. км3 (из них 23 тыс. км3 - 82% содержится в озере Байкал), что составляет 22% объема пресной воды всего Мира.

Роль воды на нашей планете огромна, ценность ее безгранична [2].

Вода является основой жизни и сырьем для огромного количества технологий во всех отраслях промышленности. Все без исключения живые существа содержат в своем организме приблизительно около 80% воды (по весу). Масса воды, входящей в живые организмы (биологической воды) составляет 1120 км3, подавляющая часть которой проходит через живые организмы в результате обмена веществ - метаболизма. Без воды жизни нет: при обезвоживании организма на 10% человек теряет сознание, на 12 % - погибает (без воды человек может жить не более 5 суток).

Мировой океан является легкими планеты, поскольку продуцирует своим фитопланктоном половину всего кислорода атмосферы. Мировой океан является регулятором климата на нашей планете: холодные воды на полюсах поглощают СО2 из воздуха и отдают его в нагретых тропических и экваториальных водах.

Вода - прекрасный растворитель как неорганических, так и многих органических веществ и газов, что объясняется ее сильнополяризованной структурой. Из-за этого в чистом виде она в природе не существует. Все природные воды являются растворами тех или иных веществ, с которыми вода контактировала в процессе круговорота. Эти вещества могут быть полезны или вредны для человеческого организма при использовании воды для питьевых целей или в пищевой промышленности. При использовании воды в промышленности для многих технологических процессов действуют жесткие ограничения по содержанию в ней тех или иных примесей.

Вода содержится в поверхностных или подземных источниках. Подземные воды содержат в основном природные компоненты - продукты растворения пород, с которыми контактировала вода. Состав таких вод относительно стабилен. Воды одного горизонта, отобранные в разных точках, даже отстоящих на большом расстоянии, достаточно близки по химическому составу. При этом воды из находящихся рядом скважин, пробуренных в разные горизонты, могут различаться достаточно сильно. В поверхностных водах наряду с природной составляющей во все большем количестве присутствуют техногенные загрязнения. Поверхностные воды интенсивно загрязняются отходами сельского хозяйства, промышленности, энергетики, городскими стоками и т.п. Состав таких вод зависит от большого количества факторов: времени года, дождей, наличия притоков, режима работы промышленных, сельскохозяйственных и муниципальных предприятий и т.д. Поэтому состав вод по течению реки до и после населенных пунктов может значительно отличаться.

Состав воды по макро- и микрокомпонентам для питьевого или промышленного применения должен удовлетворять определенным нормам. Очистка воды до заданных концентраций по различным загрязнителям осуществляется многочисленными методами, которые были разработаны ранее, совершенствуются и создаются в настоящее время[3].

1.2. Очистка питьевой воды

Поскольку вода является хорошим растворителем полярных и ионных соединений, природная вода представляет собой сложную многокомпонентную систему, в состав которой входят минеральные вещества, коллоидные и крупнодисперсные частицы, в том числе и микроорганизмы. В соответствии с классификацией, данной Л.А. Кульским, присутствующие в воде примеси делятся на четыре группы, по размеру частиц и характеристике имеющихся примесей, которые оказывают соответствующее воздействие на свойства воды.

Данная классификация представлена в таблице №1

Таблица 1

Классификация присутствующих в воде примесей по фазо-дисперсному состоянию

Группы

Размер частиц, мм (10-6 м)

Характеристика примесей

Влияние на свойства воды

Гетерогенные системы

I. Взвеси

≥ 10-1

Суспензии, эмульсии, микроорганизмы

Обусловливают мутность воды

II. Коллоидные растворы

10-1 - 10-2

Коллоиды, высокомолекулярные соединения, вирусы

Обусловливают цветность и окисляемость воды

Гомогенные системы

III. Молекулярные растворы

10-2 - 10-3

Газы, растворимые органические соединения

Придают воде запах и привкус

IV. Ионные растворы

< 10-3

Соли, основания, кислоты

Обусловливают минерализованность, жесткость, щелочность или кислотность воды

По степени минерализации природная вода подразделяется на 8 типов:

1. Ультрапресные воды (содержание минеральных веществ 0,2 г/л);

2. Пресные воды (содержание минеральных веществ 0,2 - 0,5 г/л);

3. Слабоминерализованные (содержание минеральных веществ 0,5 - 1,0 г/л);

4. Солоноватые (содержание минеральных веществ 1,0 - 3,0 г/л);

5. Соленые воды(содержание минеральных веществ 3,0 - 10,0 г/л);

6. Воды повышенной солености(содержание минеральных веществ 10,0 - 35,0 г/л);

7. Переходные к рассолам (содержание минеральных веществ 35,0 - 50,0 г/л);

8. Рассол (содержание минеральных веществ более 50,0 г/л).

Питьевая вода - вода, которая используется для хозяйственно-питьевого снабжения населения, - должна отвечать определенным требованиям, которые отражены в ГОСТ № 2874-82. В соответствии с этим стандартом общее число микроорганизмов в 1 см3 воды должно быть не больше 100, а число бактерий группы кишечной палочки ("коли-индекс") - не более3. Наряду с этим общая минерализация воды не должна превышать 1,0 г/л; рН = 6 - 10. Содержание примесей, которые влияют на органолептические свойства воды и встречаются в природной воде или добавляются к воде при ее обработке, не должно превышать (в мг/л): Fe2+,3+ - 0,3; Mn2+ - 1,0; PO43- - 3,5; SO42- - 500;Сl- - 350;Zn2+ - 5,0.

Большая часть пресной воды, используемой в России для хозяйственно-питьевых нужд, берется из поверхностных водоемов и перед распределением потребителям подается на очистные сооружения, где качество повышается, если это необходимо, а также производится ее хлорирование или иная дезинфекция (озонирование, обработка УФ-лучами).

Муниципальная очистка воды включает в себя следующие этапы:

1. Вода хлорируется (озонируется) для удаления микроорганизмов;

2. Вода обрабатывается алюминиевыми квасцами, при коагуляции которых захватываются внешние частицы;

3. После коагуляции вода в течение нескольких часов отстаивается для осаждения взвесей;

4. Образующиеся взвеси отфильтровываются через песчаный фильтр;

5. Вода стабилизируется известью (достигается рН = 6-9)

6. Вода перекачивается в накопитель, откуда и поступает к конечному потребителю.

Большая часть используемой воды берется как бы "взаймы", но возвращается, уже загрязненной. Устранив загрязнители, воду можно использовать неограниченное число раз [2].

Даже непрофессионалу становиться ясно, что эффективно очистить воду, взятую из загрязненных источников по вышеуказанной схеме нельзя. Например, в реку Неву, Волгу и другие крупны реки России, до сих пор сбрасывают неочищенные стоки, периодически происходят нефтеразливы или аварийные сбросы с очистных сооружений.

Вода считается питьевой, соответствующей требованиям СанПина, если содержание загрязнений (органика, железо, мутность) не превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК).

Основным методом очистки вод от растворенных примесей на АЭС является химическое обессоливание на ионообменных смолах-ионитах.

Иониты - вещества, нерастворимые в воде, способные к реакциям ионного обмена. Они делятся на катиониты и аниониты.

Аниониты представляют собой высокомолекулярные полимерные соединения трехмерной гелевой структуры, содержащие функциональные группы основного характера.

Катиониты - высокомолекулярные полимерные соединения трехмерной гелевой структуры, содержащие функциональные группы кислотного характера, способные к реакциям катионного обмена. Необходимо уделять особое внимание физико-химическим и эксплуатационным показателям ионообменных материалов, поскольку от качества ионообменных материалов зависят основные технологические параметры работы ионообменной установки: качество очищенного фильтрата, фильтроцикл, перепад давления на фильтре, расход реагентов на регенерацию и объем отмывочных вод, срок службы ионитов и многое др.

Сущность химического обессоливания состоит в способности ионитов вступать в реакцию обмена с ионами водорастворимых солей. Все растворенные в воде соли диссоциированы на катионы и анионы. Следовательно, ионообменное обессоливание воды должно предусматривать освобождение ее и от катионов, и от анионов.

При контакте воды с ионитами начинается обмен ионами, который заканчивается на определенной глубине, называемой работающим слоем или зоной обмена. При работе фильтра верхний слой ионита теряет способность к ионному обмену, истощается. Далее в работу вступают нижележащие слои ионита, таким образом, работающий слой передвигается вниз. Через определенное время, после включения фильтра, в слое ионита образуется работающая зона, зоны истощения и свежего ионита.

Когда в ионите все обменные ионы заменены на растворенные ионы, то произойдет "проскок", т.е. вытесненный ион поступит в обрабатываемую воду. В Н-катионитовом фильтре обменным ионом является катион Н+. В результате фильтрования воды через Н-катионитовый фильтр происходит новый обмен между катионом смолы Н+ и катионами солей. При этом катион Н+, соединяясь с анионами солей, образует кислоту:

Na2SO4 + 2HR = 2NaR + H2SO4

MgSO4 + 2HR = MgR2 + H2SO4

NaCl + HR = NaR + HCl

Mg(NO3)2 + 2HR = MgR2 + 2HNO3

Таким образом, после Н-катионитового фильтра частично очищенная вода имеет кислую реакцию.

В ОН-анионитовом фильтре обменным ионом является анион ОН-. В результате фильтрования воды через ОН-фильтр происходит ионный обмен анионом смолы ОН- и анионами кислот и солей. При фильтровании воды через ОН-фильтр протекают реакции:

HNO3 + ROH = RNO3 + H2O

H2SO4 + 2ROH = R2SO4 + 2H2ONaCl + ROH = RCl + NaOH

Na2SO4 + 2ROH = R2SO4 + 2NaOH

и с другими анионитами аналогично. Таким образом, если на ОН-фильтр поступает подкисленная вода (после Н-фильтра), то после ОН-фильтра получаем обессоленную воду, если же ОН-фильтр работает без Н-фильтра, то после него получаем воду со щелочной средой.

Очистка воды от механических примесей, нефтепродуктов (масел) и мелкодисперсных продуктов коррозии

Для удаления механических примесей, нефтепродуктов, мелкодисперсных продуктов коррозии воды на АЭС проходят очистку на намывных фильтрах.

Намывные фильтры состоят из намывных патронов, расположенных в фильтре вертикально, на патронах имеются канавки и на них навита тонкая стальная проволока с зазором 0,1 мм (щели). Вода на намывные фильтры поступает под давлением снизу вверх, просачивается через щели патронов и все продукты коррозии, масло, находящееся в воде, осаждаются на пульпе.

Удаление сработанной пульпы с патронов производится с помощью "шоковой регенерации". Для этого снимают давление поступающей воды, а сверху резко подается вода, получается как бы гидроудар, и грязная пульпа спадает с патронов.

Очистка воды от растворенных газов (деаэрация)

Деаэрация - удаление растворенных газов в воде - осуществляется в деаэраторах. Растворенные в воде кислород и углекислый газ, ускоряют коррозию металла, поэтому при использовании воды в системах АС необходима очистка от растворенных газов. По законам физической химии растворимость газов в воде зависит от температуры и давления. При увеличении давления увеличивается растворимость газов в воде, при уменьшении давления растворимость уменьшается, на этом основан процесс вакуумной деаэрации. При снижении температуры воды растворимость газов увеличивается, при повышении - уменьшается. На этом основана термическая деаэрация. Регулируя подачу пара в деаэратор, добиваются необходимой степени деаэрации.

Термическое обессоливание воды

Способ получения обессоленной воды испарением исходной воды с последующей конденсацией пара называется термическим обессоливанием и основывается на том, что при испарении с паром уносится лишь очень небольшое количество капель исходной воды (капельный унос), а все примеси остаются в упариваемом растворе.

Процесс получения обессоленной воды из трапных вод с высоким солесодержанием и активностью осуществляется в выпарных аппаратах, которые имеют конструкцию, предотвращающую капельный унос. Ряд соединенных между собой выпарных аппаратов составляет выпарную установку.

Для получения воды особой чистоты конденсат проходит дальнейшую очистку на угольном и ионообменном фильтрах [4].

1.3 Жесткость воды, влияние жесткости воды на ее качество

Одним из показателей качества питьевой воды является ее жесткость - совокупность свойств воды, обусловленная наличием в ней ионов кальция (кальциевая жесткость) и магния (магниевая жесткость). Один из возможных источников солей жесткости в природной воде - горные породы (известняки, доломиты), которые растворяются в результате контакта с природной водой [2].

Жесткость воды - это свойства, которые проявляет вода из-за присутствия в ней катионов кальция (Ca2+) и магния (Mg2+).

Все двухвалентные катионы оказывают влияние на жесткость, т.к. они взаимодействуют с анионами, образуя при этом соли, которые могут выпадать в осадок (соли жесткости). В таблице 2 представлены основные катионы металлов, которые вызывают жесткость, и анионы, с которыми они соединяются.

Таблица 2

Основные ионы, вызывающие жесткость воды

Катионы металлов

Анионы

Ca2+

HCO3-

Mg2+

SO42-

Sr2+

Cl-

Fe2+

NO3-

Mn2+

SiO32-

Таблица 3

Катионы, анионы и соединения, обуславливающие жесткость воды [1]

Катионы

Анионы

Соединения

Кальций (Ca2+)

Гидрокарбонат (HCO3-)

Ca(HCO3)2

Магний (Mg2+)

Сульфат (SO42-)

MgSO4

Стронций (Sr2+)

Хлорид (Cl-)

SrCl2

Железо (Fe2+)

Нитрат (NO3-)

Fe(NO3)2

Марганец (Mn2+)

Силикат (SiO32-)

MnSiO3

На практике не учитывают влияние катионов стронция, железа, марганца и бария, т.к. это влияние очень не значительное.

В результате растворения минералов и горных пород, содержащих кальций и магний, формируется жесткость природной воды. Кальциевая жесткость возникает при растворении известняка и мела, магниевая жесткость - при растворении доломита.

Различают следующие виды жесткости:

Общая жесткость - это суммарная концентрация ионов кальция и магния. Она состоит из карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости.

Карбонатная (временная) жесткость связана с наличием в воде карбонатов и гидрокарбонатов кальция и магния (при рН>8,3). Такая жесткость устраняется при кипячении воды, поэтому называется временной жесткостью. При нагревании воды гидрокарбонаты разлагаются до нестойкой угольной кислоты, карбоната кальция и гидроксида магния, выпадающих в осадок:

Ca2+ + 2HCO3- = CaCO3 + H2O + CO2

Некарбонатная (постоянная) жесткость при кипячении не устраняется и связана с наличием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной). При кипячении воды катионы кальция и магния и сульфат (хлорид) анионы не реагируют друг с другом и остаются в растворе.

Таблица 4

Классификация воды по жесткости

Вид воды по жесткости

ммоль/л СаСО3, в воде

Мягкая

до 4

Средней жесткости

от 4 до 8

Жесткая

от 8 до 12

Особо жесткая

свыше 12

В мировой практике приняты единицы измерения жесткости, которые определенным образом соотносятся друг с другом (таблица 5).

Таблица 5

Единицы жесткости воды

Российский

моль/м3(мг*экв/л)

Немецкий

градусdo

Французский

градусfo

Американский градус

ppm (мг/дм3)СаСО3

1,000

2,804

5,005

50,050

 Влияние жесткости на качество воды

Общая жесткость в питьевой воде должна быть не выше 10,0 ммоль/л. Вода с высокой жесткостью имеет горьковатый вкус и отрицательно влияет на органы пищеварения.

Рассмотрим влияние основных макроэлементов жесткости воды на организм человека.

Магний: активизирует ферменты углеводного обмена, участвует в образовании белков, регулирует хранение и высвобождение энергии АТФ, снижает возбуждение в нервных клетках, расслабляет сердечную мышцу. Суточная потребность взрослого человека — 500-700 мг. Недостаток магния является главным фактором развития заболеваний сердечно-сосудистой системы, гипертонической болезни, уролитиаза, судорог, различных кожных заболеваний и нарушений эмоциональной сферы.

Кальций: контролирует ритм сердца, используется в процессе свертывания крови, фильтрации мочи, формировании и поддержке костей и зубов, необходим для сокращения и расслабления мышц, в том числе и сердечной, влияет на секрецию инсулина, обладает антигистаминными свойствами при аллергических реакциях, повышает иммунитет, поддерживает кислотно-щелочной баланс организма. Недостаток кальция является одной из причин мужского бесплодия, нарушается процесс оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом. Этот макроэлемент способствует омоложению организма, придавая упругость коже, блеск волосам и красоту ногтям, увеличивает устойчивость организма к стрессам. Суточная потребность для взрослого человека от 600 до 1000 мг.

Но как гласит русская пословица: все хорошо в меру. Для того чтобы организм мог воспользоваться природными минеральными веществами из питьевой воды, их количество должно быть в пределах физиологической нормы, без излишков. Постоянное употребление жесткой питьевой воды может негативно повлиять на пищеварительную систему человека и способствовать образованию мочекаменной болезни. В противоположность дистиллированная вода, полностью лишенная природной минерализации, создает предпосылки для сердечно-сосудистых заболеваний, многие врачи считают, что ее постоянное употребление приводит к нарушению солевого баланса и вымыванию из организма необходимых веществ. Менее полезна и искусственно минерализованная вода после очистки воды методом обратного осмоса[5].

Как следует из доклада руководителя Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, Главного государственного санитарного врача РФ, Г.Г. Онищенко «О состоянии и мерах по обеспечению безопасности хозяйственно-питьевого водоснабжения населения Российской Федерации» на Международной конференции «Чистая вода» в Москве,  «около 28% населения страны потребляет воду с уровнем общей минерализации питьевой воды от 1,6 до 10,0 г/л, что повышает риск заболевания населения сердечно-сосудистой патологией и мочекаменной болезнью (гг. Таганрог, Каменск, Азовский район Ростовской области)».

Бороться с избыточной жесткостью можно с помощью специальных кассет БАРЬЕР, которые так и называются «Жесткость» (Барьер-6).  Помимо умягчения воды, кассеты очищают воду от хлора и хлорорганических соединений, нефтепродуктов, тяжелых металлов, улучшает вкус воды.Такая вода безопасна и полезна для здоровья[6]!

При стирке в воде происходит взаимодействие солей жесткости с моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) и образуется мыльная пена - шлаки. После высыхания, мыльная пена остается в виде налета на коже и волосах человека, белье, сантехнике. Эти шлаки разрушают жировую пленку, которой покрыта нормальная кожа головы человека, и забивают ее поры. Это можно определить по характерному "скрипу" чисто вымытой кожи или волос, после использования мягкой воды появляется чувство "мылкости", следовательно, защитная жировая пленка на коже осталась неповрежденной и скользит. После использования жесткой воды нужны лосьоны и увлажняющие кремы.

Так как накипь может выводить технику из строя, к технической воде предъявляют особые требования. Воду проверяют на жесткость перед использованием в агрегатах, где ее будут кипятить или нагревать. Жесткость так же влияет на коррозийную активность воды, поэтому проводят дополнительную обработку технической воды.

II. Экспериментальная часть

Нет чётких нормативов на состав питьевой воды (солевой, микроэлементный, микробиологический), характеризующий ее биологическую активность.В настоящее время существуют пять основных условных показателей, определяющих качество питьевой воды[7]:

1.Химические. По ним определяется состав и количество химических веществ и элементов, которые образовались после обработки воды перед подачей её в водопроводы. В частности определяется содержание в воде остаточного свободного хлора, серебра и хлороформа.

2.Органолептические. Этот вид показателей отвечает за вкусовые показатели: запах, цвет, мутность.

3.Токсикологические. С их помощью контролируется отсутствие или наличие в воде в пределах допустимых норм таких опасных веществ как фенолов, свинца, алюминия, мышьяка, пестицидов.

4.Микробиологические. По ним производят определение отсутствия в воде опасной микрофлоры.

5.Общие, в первую очередь влияющие на органолептические качества воды. С их помощью определяются такие параметры как общая жёсткость, отсутствие нефтепродуктов, допустимые пределы по: железу, нитратам, марганцу, кальцию, магнию, сульфидам, значениюpH.

Химические показатели воды:

1.Определение pH универсальным индикатором;

2.Определение общей жесткости воды;

3.Определение окисляемости воды;

4.Определение концентрации катионов железа; 

5.Определение сульфатов;

6.Определение ионов свинца;

7.Определение ионов меди;

8.Определение концентрации активного хлора в свободной и связанной формах;

9.Определение органических веществ в воде;

10.Определение концентрации нитрат-аниона.

2.1 Оборудование, приборы и материалы

2.1.1 Физико-химическое исследование воды

Для проведения работы были использованы реактивы и оборудование.

Колбы 250 см3 с пробками, пробирки, штатив для пробирок, набор цилиндров Несслера вместимостью 100 см3, мерная пипетка (на 10 см3), колориметрическая пробирка, фарфоровая чашка для выпаривания, водяная баня, термостат.

Реактивы: дихромат калия, сульфат кобальта, концентрированная серная кислота, концентрированная азотная кислота, раствор универсального индикатора, 50% раствор роданид калия, 24% раствор соляной кислоты, сульфат калия, хлорид бария, нитрат серебра, образцы питьевой и водопроводной воды, дистиллированная вода.

2.1.2 Определение жесткости воды

Бюретка, пипетка или мерный цилиндр, коническая колба, мерные колбы и весы, концентрированная соляная кислота, метиловый оранжевый, дистиллированная вода, пробы исследуемой воды.

2.2 Порядок выполнения работы

2.2.1 Физико-химическое исследование водопроводной и питьевой воды

1) Определение запаха (органолептический метод)

Запах воды определяем ощущением воспринимаемого запаха (землистый, хлорный, нефтепродуктов).Немаловажной проблемой производственного контроля являются вопросы определения и классификации запахов природной и питьевой воды. Согласно рекомендациям ВОЗ привкус и запах питьевой воды не должны вызывать неприятных ощущений у потребителя. При этом для привкуса и запаха питьевой воды не предлагается никакой конкретной величины по показаниям их влияния на здоровье. По отечественным нормативным документам запах и привкус питьевой воды строго нормируются и единственный метод определения данных показателей - органолептический. Характер запаха воды предлагается определять "ощущением воспринимаемого запаха". Без строгой стандартизации метода определения и перечня характеров запахов, в такой ситуации существенно возрастает роль субъективного фактора при оценке качества питьевой воды. Получаемые результаты трудно воспроизводятся в рамках одной лаборатории между отдельными испытателями и практически не воспроизводятся между различными лабораториями даже в рамках единого предприятия. Поэтому, на сегодняшний день с учетом ужесточения требований к качеству питьевой воды вопросы методологии контроля органолептических показателей требуют серьезного пересмотра[7].

Таблица 6

Определение запаха воды

Характеристика запаха

Интенсивность запаха (балл)

Отсутствие ощутимого запаха

0

Очень слабый запах – не замечается потребителями, но обнаруживается специалистами

1

Слабый запах – обнаруживается потребителями, если обратить на это внимание

2

Запах легко обнаруживается

3

Отчетливый запах – неприятный и может быть причиной отказа от питья

4

Очень сильный запах – делает воду непригодной для питья

5

Отмерив 100 см3 испытуемой воды с температурой 200С в колбу, закройте ее пробкой, содержимое колбы несколько раз перемешайте вращательными движениями, после чего откройте и определите характер и интенсивность запаха. Сравниваем полученные данные с таблицей 6. Свои наблюдения вносим в итоговую таблицу.

2) Определение цветности

Цветность воды определяем фотометрическим – путем сравнения проб испытуемой жидкости с растворами, имитирующими цвет природной воды.

- Приготовление основного стандартного раствора (раствор № 1): 0,0875 г K2Cr2O7(дихромата калия), 2,0 г сульфата кобальта (СoSO4∙7H2O) и 1 мл серной кислоты (ρ = 1,84 г/мг3) растворить в дистиллированной воде и довести объем раствора до 1 дм3. Раствор соответствует цветности 5000.

- Приготовление разбавленной серной кислоты (раствор № 2): 1 мл концентрированной серной кислоты H2SO4плотностью ρ = 1,84 г/мг3 доводят дистиллированной водой до 1 дм3. для приготовления шкалы цветности используют набор цилиндров Несслера вместимостью 100 см3. В каждом цилиндре смешать раствор № 1 и раствор № 2 в соотношении, указанном на шкале Цветности.

Таблица 7

Р - р №1, см3

0

1

2

3

4

5

6

8

10

12

14

Р – р № 2, см3

100

99

98

97

96

95

94

92

90

88

85

Цветность, градусы

0

5

10

15

20

25

30

40

50

60

70

- Проводим свои наблюдения и вносим данные цветности воды в итоговую таблицу.

3) Определение водородного показателя рН

В пробирку наливаем 5 мл исследуемой воды, помещаем полоску универсального индикатора, по окраске индикаторной бумажки оцениваем величину рН.

Таблица 8

Приближенное определение величины рН

Окраска

Величина рН

Розово-оранжевая

5

Светло-желтая

6

Светло-зеленая

7

Темно-зеленая

8

Вносим свои показания в итоговую таблицу.

4) Для определения содержания в воде железа нам потребуется 50% раствор KNCS и 24% раствор HCl.

Таблица 9

Приближенное определение ионов железа (III) Fe3+

Окрашивание, видимое при рассмотрении пробирки сверху вниз на белом фоне

Примерное содержание ионов железа Fe3+

Отсутствие

Менее 0,05

Едва заметное желто-розовое

От 0,05 до 0,1

Слабо желтовато-розовое

От 0,1 до 0,5

Желтовато-розовое

От 0,5 до 1,0

Желтовато-красное

От 1,0 до 2,5

Ярко-красное

Более 2,5

К 10 мл исследуемой воды прибавляем 1-2 капли HCl и 0,2 мл (4 капли) 50 % - ного раствора KNCS. Перемешиваем и наблюдаем за развитием окраски. Примерное содержание железа находим по таблице № 9.

Уравнение реакции:Fe3+ + 3 NCS- = Fe(NCS)3

Результаты заносим в итоговую таблицу.

5) Определение сульфатов

- Приготовление основного стандартного раствора сульфата калия: 0,9071 г К2SO4 растворить в мерной колбе вместимостью 1 дм3 в дистиллированной воде и довести объем раствора дистиллированной водой до метки. 1 см3 раствора содержит 0,5 мг сульфат-иона.

- Приготовление рабочего стандартного раствора сульфата калия: основной раствор разбавить 1:10 дистиллированной водой. 1 см3 раствора содержит 0,05 мг сульфат-иона.

- Приготовление 5 %-ного раствора хлорида бария: 5 г BaCl2 растворить в дистиллированной воде и довести объем до 100 см3.

- Приготовить 1,7 %-ого раствора нитрата серебра:

8,5 г AgNO3 растворить в 500 см3 дистиллированной воды и подкислить 0,5 см3 концентрированной HNO3.

Теперь в колориметрическую пробирку диаметром 14-15 мм наливаем 10 см3 исследуемой воды, добавляем 0,5 см3 соляной кислоты (1:5). Одновременно готовим стандартную шкалу. Для этого в такие же пробирки наливаем 2; 4; 8 см3 рабочего раствора сернокислого калия и 1,6; 3,2; 6,4 см3 основного раствора K2SO4 и доводим дистиллированной водой до 10 см3,получая, таким образом, стандартную шкалу с содержанием: 10, 20, 40, 80, 160, 320 мг/дм3сульфат-иона. Прибавляем в каждую пробирку по 0,5 см3 соляной кислоты (1:5), затем в исследуемую воду и образцовые растворы по 2 см3 5 %-ного раствора хлорида бария, закрываем пробками, перемешиваем и сравниваем со стандартной шкалой.

6) Определение хлорида натрия в воде (приближенная оценка)

Наливаем 10 мл исследуемой воды в коническую колбу и добавляем 2 капли калий-хроматного индикатора. Из бюретки оттитровать хлорид-ион раствором AgNO3, постоянно встряхивая коническую колбу. В конечной точке титрования осадок AgCl окрашивается в красный цвет. Дважды повторяем титрование с 10 мл исследуемой воды. Подсчитываем среднее количество израсходованного раствора AgNO3. Объем израсходованного раствора AgNO3 приблизительно равен содержанию хлоридов в пробе воды.

7) Определение сухого остатка (без добавления соды)

250 см3 водопроводной воды выпариваем в предварительно высушенной до постоянной массы фарфоровой чашке. Выпаривание ведем на водяной бане с дистиллированной водой. Затем чашку с сухим остатком помещаем в термостат при 1100 и сушим до постоянной массы.

Обработка результатов: сухой остаток Х (мг/см3) вычисляем по формуле:

,

где m – масса чашки с сухим остатком в мг,

m1 – масса пустой чашки в мг;

V – объем воды, взятой для определения в см3.

Таблица 10

№ образца

1

2

3

4

5

6

m-m1 (мг)

200

90

400

80

70

150

Х (мг/см3)

800

360

1600

320

280

600

2.2.2 Определение карбонатной (временной) жесткости воды

Возьмем пробы воды: из крана, из бутылки, из аппарата разливной питьевой воды по 50 мл.

Приготовим раствор соляной кислоты 0,05 М. В литровую колбу внести 3,98 мл (приблизительно 4 мл) концентрированной кислоты (38 %-ной с плотностью 1,19 г/мл) и доливаем дистиллированную воду до метки на горловине колбы.

Раствором соляной кислоты заполняется бюретка.

Для приготовления раствора метилового оранжевого 0,1 г его растворяем в 100 мл дистиллированной воды.

Проведем анализ пробы воды. В коническую колбу (200 – 250 мл) наливаем 50 мл анализируемой воды. Добавляем 3-4 капли раствора метилового оранжевого. Далее проводим титрование раствором кислоты из бюретки до изменения окраски индикатора с желтой на розовую. Определяем объем раствора кислоты, использованного на титрование Vк (в мл) по бюретке.

Проводим расчет карбонатной жесткости воды (Х) по формуле:

,

где Ск – молярная концентрация раствора соляной кислоты (0,05 М);

Vк – объем раствора кислоты, использованный на титрование (мл);

Vв – объем воды, взятой для титрования (50 мл).

Результаты заносим в таблицу 12.

2.3 Результаты работы

2.3.1 Физико-химическое исследование водопроводной и питьевой воды

Исследуемые образцы воды, взятые для анализа:

1 – образец водопроводной воды (Калуга, ул. Московская 311);

2 – разливная питьевая вода «Ключ здоровья»;

3 – вода бутилированная «Ессентуки 17»;

4 – бутилированная негазированная вода «Архыз»;

5 – бутилированная негазированная вода «Пилигрим»;

6 – образец водопроводной воды (Калуга, ул. Кибальчича 19).

Таблица 11

Результаты наблюдений при исследовании образцов воды

№ п/п

Определяемые показатели

Результаты исследований

ПДК; ед. измерения

1

2

3

4

5

6

1

Запах

4

0

5

0

1

2

не более 2 баллов

2

Цветность

15

15

5

0

15

20

Не более 20 градусов

3

рН

8

8

7

7

6

7

6-9

4

Железо

0

0

0

0

0

0,5-1,0

0,5 мг/дм3

5

Сульфаты

40

10

50

10

10

40

100 мг/дм3

6

Хлориды

0,3

0,25

1

0,3

0,1

0,2

350 мг/дм3

7

Сухой остаток

(общая минерализация)

800

360

1600

320

280

600

1000-1500 мг/дм3

2.3.2 Определение карбонатной (временной) жесткости воды

Таблица 12

Определение карбонатной жесткости исследуемых проб воды

№ образца

Объем раствора кислоты, использованный на титрование, мл

Карбонатная жесткость

ммоль/л

Вид воды

Примечание

1

6,2

6,2

водопроводная

Средней жесткости

2

3,0

3,0

питьевая на розлив

Мягкая

3

8,4

8,4

Лечебная минеральная

Жесткая

4

3,1

3,1

бутилированная питьевая

Мягкая

5

2,7

2,7

бутилированная питьевая

Мягкая

6

5,4

5,4

водопроводная

Средней жесткости

 

 

 

 

 

 

Выводы

Для проведения исследования нами были взяты шесть образцов воды: два образца водопроводной воды с разных площадок, разливная питьевая вода «Ключ здоровья», два образца питьевой негазированной бутилированной воды «Архыз» и «Пилигрим» и минеральная лечебная вода «Ессентуки 17».

В ходе исследования запаха образцов воды органолептическим методом было выявлено, что образцы № 1 (4 балла) и № 3 (5 баллов) не проходят по ПДК (2 балла). Но образец № 3 – это лечебная вода и содержит много минеральных солей, наличие запаха этим и объясняется.

Далее мы провели исследование образцов воды по шкале цветности,определяли цветность фотометрическим – путем сравнения проб испытуемой жидкости с растворами, имитирующими цвет природной воды. В ходе исследования мы выяснили, что цветность всех образцов не превышает ПДК (20 градусов).

Измерение водородного показателя образцов также показало, что вся вода имеет рН в пределах ПДК (6-9).

Содержание железа превышено в образце № 6 (водопроводная вода с ул. Кибальчича 19), а содержание хлоридов и сульфатов во всех образцах в пределах нормы.

Общая минерализация во всех образцах, кроме № 3 (Ессентуки 17) в пределах нормы.

Исследование образцов воды на временную (карбонатную) жесткость показало, что мягкая вода № 2, 4, 5, средней жесткости - № 1, 6, а № 5 – жесткая вода.

Заключение

Вода является важнейшим ресурсом для поддержания жизни и источником всего живого на Земле. Её неравномерное распределение на континентах не раз становилось причиной кризисов и социальных катастроф. Дефицит пресной питьевой воды в мире знаком человечеству с древнейших времён, и с последнего десятилетия двадцатого века он постоянно рассматривается как одна из глобальных проблем современности. При этом, по мере роста населения нашей планеты, значительно увеличивались масштабы водопотребления, и, соответственно, вододефицита, что впоследствии стало приводить к ухудшающимся условиям жизни и замедлило экономическое развитие стран, испытывающих дефицит воды.

Питьевая вода - это вода, которая предназначена для ежедневного неограниченного и безопасного потребления человеком и другими живыми существами. Главным отличием от столовых и минеральных вод является пониженное содержание солей (сухого остатка), а также наличие действующих стандартов на общий состав и свойства (СанПиН 2.1.4.1074-01 — для централизованных систем водоснабжения и СанПиН 2.1.4.1116-02 — для вод, расфасованных в ёмкости).

Вода многих открытых источников пресной воды непригодна для употребления людьми, так как может служить источником распространения болезней или вызывать серьезные проблемы со здоровьем, если она не отвечает определённым стандартамкачества. Вода, которая не вредит здоровью человека и отвечает требованиям действующих стандартов качества называетсяпитьевой водой. В случае необходимости, чтобы вода соответствовала санитарно-эпидемиологическим нормам, её очищают, «подготавливают» с помощью установок водоподготовки[8].

Среди основных показателей качества питьевой воды выделяются[8]: механические загрязнения, органолептические свойства, химические свойства, бактериологические, вирусологические, паразитарные, радиологические.

В данной работе приведены результаты физико-химического исследования качества (определение запаха, цветности, водородного показателя, содержания железа, хлоридов, сульфатов, сухого остатка)питьевой (бутилированной)и водопроводной воды, а так же определение жесткости питьевой и водопроводной воды. В результате проведенной работы установлено, что практически все исследуемые показатели образцов воды находятся в пределах нормы.Однако следует отметить, что воду, поступающую из водопроводной системы, следует обязательно подвергать кипячению перед употреблением в пищу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ // Молодежный научный форум: Естественные и медицинские науки: электр. сб. ст. по материалам VIII студ. междунар. заочной науч.-практ. конф. — М.: «МЦНО». — 2014 —№ 1(8) / [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://nauchforum.ru/archive/MNF_nature/1(8).pdf
2. Роева Н.Н., Кривов С.И., Громова Ю.С. Краткий курс экологии. Учебно-практическое пособие для бакалавров. - М.: Издательство "Эйдос", 2011. - 144 с.

3. Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования - М.: ДеЛипринт, 2004. - 328 с.

4. Шапошникова И.А. Металлы в живых организмах. 10-11 классы. Метапредметный лабораторный практикум / Под общей редакцией к.п.н. Габриеляна О.С. - М.: Издательство БИНОМ, 2013. - 408 с.

5. http://rodnik.perm.ru/water-and-health/hardness-of-water/

6. http://www.zdorovieinfo.ru/

7. http://www.o8ode.ru/

8.https://ru.wikipedia.org/

Просмотров работы: 22