Экологический проект "Анализ качества питьевой воды"

Муниципальное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №5

с.Новоромановское

Арзгирского района

Ставропольского края

Экологический проект

                                                  Автор: Булавина Алина Сергеевна,

                                                    ученица 8Б класса МОУ СОШ №5

                                                  Руководитель: Булавина Светлана    

          Васильевна,

                                                      учитель биологии МОУ СОШ №5,    

            тел.:56-2-74

2011г.

Содержание

Введение………………………………………………………………………3

1.Обзор литературы и обоснование исследования……………………….....4

1.1. Значение воды в природе………….………………………………...4                                                                  1.2.Причины загрязнения воды………………………………………….4

1.3. Влияние качества воды на здоровье человека……………………...5

1.4. Методы улучшения качества воды …………………..……………..6

1.5.О содержании железа в питьевой воде………………………………7

2. Место, материал и методика исследования………………………………..8

2.1. Методика исследования……………………………………………..8

2.1.1.Определение  качества воды из разных водных источников..8

2.1.2. Определение жесткости воды…………………………………9

3. Результаты исследования…………………………………………………..10

Выводы и предложения……………………………………………………….13

Литература……………………………………………………………………..14

Введение

         На долю воды приходиться примерно 70% поверхности земного шара, а мир страдает от жажды, потому что основная масса воды солёная.  В ней столько соли, что можно покрыть всю сушу слоем 200м. Пресной же воды совсем немного.

         Вода - важнейший минерал на Земле, который нельзя заменить никаким другим веществом. Вода – основа всех жизненных процессов, единственный источник кислорода в процессе фотосинтеза. Вода является средой обитания многих организмов, определяет климат и изменение погоды, способствует очищению атмосферы от вредных веществ, растворяет, выщелачивает горные породы и минералы и транспортирует их из одних мест в другие.

    Роль воды в живых организмах очень велика. Она является универсальным растворителем, обеспечивает приток и удаление веществ в клетках, обеспечивает теплорегуляцию. Поэтому особенно актуальным в последнее время стал вопрос о качестве используемой воды.

      В естественном состоянии вода никогда не свободна от примесей. В ней растворены газы и соли, находятся твердые взвешенные частички. Это природная жесткость воды. Понятие жесткости воды мы встречаем не только в спелеологии и в геологии, а, вообще, повсеместно – в химии, технике и даже в быту. И поэтому это понятие очень важно для определения качества воды. Кроме природных примесей на качество воды оказывают влияние условия формирования поверхностного или наземного водного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ – загрязнителей, ухудшающих качество воды.

       Цель моей работы: определить качество воды, используемой в селе Новоромановском.

Для  достижения цели мною поставлены задачи:

- изучить литературные данные о значении воды и ее загрязнителях;

-сравнить качество воды из разных источников по физико-химическим параметрам;

-определить жесткость воды.

1.Обзор литературы и обоснование направления исследования

1.1. Значение воды в природе

Вода - важнейший минерал на Земле, который нельзя заменить никаким другим веществом. Вода – основа всех жизненных процессов, единственный источник кислорода в процессе фотосинтеза. Вода присутствует во всей биосфере: в водоемах, воздухе, почве. Она составляет большую часть любых организмов , как растительных , так и животных, в частности, у человека на её долю приходится 60-80% массы тела.  Потери 10-20% воды живыми организмами к их гибели. С появлением фотосинтезирующих живых организмов парниковый эффект на нашей планете стал гаситься, за счёт выделения кислорода из океана сине-зелеными водорослями и поглощения углекислого газа из атмосферы. Это послужило катастрофой к переходу восстанавливающей атмосферы в окислительную, что вызвало к жизни новые формы организмов. Вода – причина эволюции на Земле. Вода является средой обитания многих организмов, определяет климат и изменение погоды, способствует очищению атмосферы от вредных веществ, растворяет, выщелачивает горные породы и минералы и транспортирует их из одних мест в другие[4].

    Роль воды в живых организмах очень велика. Она является универсальным растворителем, обеспечивает приток и удаление веществ в клетках, обеспечивает теплорегуляцию[10].

      В естественном состоянии вода никогда не свободна от примесей. В ней растворены газы и соли, находятся твердые взвешенные частички[1].

1.2.Причины загрязнения воды.

        Водоём или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного или наземного водного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ – загрязнителей, ухудшающих качество воды. Загрязнения, поступающие в водную среду, классифицируют по-разному, в зависимости от подходов, критериев и задач. Так, обычно выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнения[6].

       Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств воды за счёт увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щёлочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические остатки, поверхностно-активные вещества, пестициды). Основными неорганическими (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод являются разнообразные химические соединения. Это соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора. Большинство из них попадает в воду в результате человеческой деятельности. В связи с быстрыми темпами урбанизации несколько замедленным строительством очистных сооружений или их неудовлетворительной эксплуатацией водный бассейн и почва загрязняются бытовыми отходами[2].

Жёсткость воды - это свойство воды (не мылиться, давать накипь в паровых котлах), связанное с содержанием растворимых в ней соединений кальция и магния, это параметр, показывающий содержание катионов кальция, магния в воде[7]. Накипь на стенках нагревательных котлов, батареях  и отложения солей на бытовой технике (например, в чайниках), белые хлопья в воде, пленка на чае и т.д. - все это показатели жесткой воды. Жесткость - это особые свойства воды, во многом определяющие её потребительские качества и потому имеющие важное хозяйственное значение. Жесткая вода мало пригодна для стирки. Накипь на нагревателях стиральных машин выводит их из строя, она ухудшает еще и моющие свойства мыла. Катионы Ca2+ и Mg2+ реагируют с жирными кислотами мыла, образуя малорастворимые соли, которые создают пленки и осадки, в итоге снижая качество стирки и повышая расход моющего средства, т.е. жесткая вода плохо мылится.  В настоящее время известна взаимосвязь жесткости воды и образования камней в почках. Жесткость питьевой воды по действующим стандартам должна быть не выше 7 мг-экв/л, и лишь в особых случаях допускается до 10 мг-экв/л. Для производственных целей использование жесткой воды недопустимо[10].           

1.3.Влияние качества воды на здоровье человека

        В жесткой воде хуже развариваются продукты, в результате этого снижается усвояемость белков. Это связано с тем, что соли жесткости вступают в реакцию с животными белками.

        Повышенная жесткость воды негативно сказывается на здоровье человека при умывании. Соли жесткости взаимодействуют с моющими веществами и образуют нерастворимые шлаки. Эти шлаки высыхают и остаются в виде микроскопической корки на кожном и волосяном покрове человека. Разрушается естественная жировая пленка кожного и волосяного покрова человека, забиваются поры, появляется сухость, шелушение, перхоть. Признак повышенной жесткости воды – скрип чисто вымытой кожи и волос. Чувство повышенной мылкости, признак того, что защитная пленка на коже невредима, и жесткость воды небольшая[9].

        При большой жесткости необходимо пользоваться лосьонами, увлажняющими кремами, чтобы создать искусственную защитную пленку для кожи и волос. Поэтому косметологи советуют умываться дождевой или талой водой. С точки зрения применения воды для питьевых нужд, ее приемлемость по степени жесткости может существенно варьироваться в зависимости от местных условий. Порог вкуса для иона кальция лежит (в пересчете на мг-эквивалент) в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния и того ниже. В некоторых случаях для потребителей приемлема вода с жесткостью выше 10 мг-экв/л. Высокая жесткость ухудшает органолептические свойства воды, придавая ей горьковатый вкус и оказывая отрицательное действие на органы пищеварения[7]. Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека. Вместе с тем, в зависимости от рН и щелочности, вода с жесткостью выше 4 мг-экв/л может вызвать в распределительной системе отложение шлаков и накипи (карбоната кальция), особенно при нагревании. Именно поэтому нормами Котлонадзора вводятся очень жесткие требования к величине жесткости воды, используемой для питания котлов (0.05-0.1мг-экв/л). Кроме того, при взаимодействии солей жесткости с моющими веществами (мыло, стиральные порошки, шампуни) происходит образование "мыльных шлаков" в виде пены. Это приводит не только к значительному перерасходу моющих средств. Такая пена после высыхания остается в виде налета на сантехнике, белье, человеческой коже, на волосах[4].Вместе с тем, необходимо упомянуть и о другой стороне медали. Мягкая вода с жесткостью менее 2 мг-экв/л имеет низкую буферную емкость (щелочность) и может, в зависимости от уровня рН и ряда других факторов, оказывать повышенное коррозионное воздействие на водопроводные трубы. Поэтому, в ряде применений (особенно в теплотехнике) иногда приходится проводить специальную обработку воды с целью достижения оптимального соотношения между жесткостью воды и ее коррозионной активностью[10].

                                         1.4. Методы улучшения качества  воды

Вода, поступающая в водопроводную сеть должна соответствовать ГОСТ стандарту: она не должна содержать вредных микробов, вредных минеральных и органических веществ. Она должна быть прозрачной, бесцветной, без вкуса и запаха, кислотность 6,5-9,5 рН. Содержание катионов железа может быть до 0,3 мл/г; хлорид ионов до 350 мл/г.

        Если вода жесткая, применяют методы умягчения воды. Умягчение воды – процесс снижения жесткости воды, т.е. уменьшение концентрации ионов кальция и магния[5]. Жесткая вода негативно сказывается на здоровье человека, на работе сантехнического и котельного оборудования. Применяются несколько методов умягчения воды:

1. Реагентное умягчение воды, при этом способе очистки воды ионы Ca+2 и Mg+2 связываются различными веществами в нерастворимые соединения.
2. Электромагнитное воздействие на воду.
3. Диализ.
4. Химическое умягчение воды - снижение жесткости воды: известковый и известково-содовый. Данные методы очистки воды основаны на переводе ионов Са2+ и Мg2+ в соединения с ограниченной растворимостью: карбонат кальция СаСО3 и гидроксид магния Мg(ОН)2.
5. Безреагентное умягчение воды – магнитное воздействие предотвращает выпадение накипи, карбонатных отложений.
6. Кипячение. Чтобы избавиться от временной жесткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды, гидрокарбонатные анионы вступают в реакцию с катионами и образуют с ними очень мало растворимые карбонатные соли, которые выпадают в осадок.
                                Ca  + 2HCO3 = CaCO3      + H2O +  CO2

С ионами железа реакция протекает сложнее из-за того, что FeCO3
неустойчивое в воде вещество. В присутствии кислорода конечным продуктом цепочки реакций оказывается Fe(OH)3, представляющий собой темно-рыжий осадок. Поэтому, чем больше в воде железа, тем сильнее окраска у накипи, которая осаждается на стенках и дне сосуда при кипячении.

1. Вымораживание льда- метод борьбы с постоянной жесткостью. Необходимо просто постепенно замораживать воду. Когда останется примерно 10 % жидкости от первоначального количества, необходимо слить не замершую воду, а лед превратить обратно в воду. Все соли, которые образую жесткость, остаются в не замершей воде.
2. Перегонка, то есть, испарение воды с последующие ее конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим соединениям, они остаются, а вода испаряется. Но такие методы, как замораживание и перегонка пригодны только для смягчения небольшого количества воды[9].

1.5.О содержании железа в питьевой воде

        Высокое содержание железа в воде вызывает отложение осадка в трубах и их зарастание, а также ухудшает вкус питьевой воды (присутствует привкус ржавчины), а также после "железной" воды остаются желтые разводы на сантехнике и пятна на одежде. Железо практически всегда встречается в поверхностных и подземных скважинных водах. Также вследствие коррозии труб ржавчина попадает в питьевую воду. Соединения железа в воде присутствуют в растворенной и нерастворенной форме.

        1. Для удаления нерастворенного железа (ржавчины) используют так называемые "механические" фильтры. Фильтрующие элементы представлены в виде промывающейся сетки из нержавеющей стали, также используются кварцевый песок, керамическая крошка.

        2. Растворенное железо бывает в трехвалентной (Fe3+) в двухвалентной (Fe2+) формах. Трехвалентная форма Fe3+ - это желтый раствор, двухвалентная Fe2+ - бесцветный раствор. В присутствии кислорода в воде двухвалентное железо очень быстро переходит в трехвалентную форму (Fe3+) и образует малорастворимый гидроксид железа (коричневый осадок).

                    4Fe 2+ + 8HCO3- + O2 +2H2O = 4Fe(OH)3 + 8CO2

        Также вместо кислорода воздуха для перевода Fe2+ в Fe3+ можно использовать и другие окислители, например, перманганат калия. При этом ионы железа и марганца выделяются в виде труднорастворимых соединений Fe(OH)3 и MnO2 [9].

2.Место, материал и методика исследования.

Исследования проводились в селе Новоромановском Арзгирского района. Материалом для исследования служила вода, взятая из разных источников.

Исследовательская работа проводилась по двум направлениям:

1. Сравнение образцов воды по некоторым параметрам: цвет, запах, рН среды, наличие осадка после отстаивания, наличие некоторых катионов и анионов.

2. Определение жесткости воды.

2.1. Методика исследования.

 2.1.1.Определение  качества воды из разных водных источников.

Цель работы: определить качество воды из разных водных источников.

Материалы: образцы воды из близлежащих природных источников (пруд); водопроводная вода, фильтрованная вода, химические стаканы (200 мл); индикаторная бумага, тиоцианат аммония, азотная кислота (концентрированная), нитрат серебра, перекись водорода, хромат калия.

Ход работы:

1). Наливаем в пронумерованные пробирки воду: из водоема (пруд), из водопровода, прошедшую очистку фильтром.

2). Оцениваем запах воды по шкале (см. приложение, таблица1).

Различают травянистый, болотный, гнилой, тухлый, затхлый, землистый запах. Запахи химических веществ: хлора, горюче-смазочных материалов.

3). Оцениваем цвет и прозрачность: если видны изменения в цвете воды (стакан ставят на чистый лист белой бумаги), то их описывают словами: зеленоватый, светло-коричневый и т.д. Прозрачность зависит от количества взвешенных частиц органических и неорганических. Определяют следующим образом: на дно цилиндра кладут кольцо из проволоки (или рисуют черным карандашом на белой бумаге) и доливают воду до тех пор, пока кольцо видно. Высота столба в (см), при котором кольцо становиться невидным и является мерой прозрачности.

4). Определяем рН среду: для определения используют индикаторную бумагу. Цветность определяют в сравнении с эталоном чистой воды (после фильтрации).

5). Определение катионов железа (III).

1.1. 20 г. тиоцината аммония растворить в дистиллированной воде и довести до 100 мл.

2. К 10 мл. пробы воды прибавить одну каплю азотной кислоты, затем 2-3 капли перекиси водорода и ввести 0,5 тиоцината аммония.

3. При концентрации катионов железа (III) более 2,0 мг/л - розовое окрашивание содержимого пробирки. При концентрации катионов железа (III) более 10 мл/г - красное. Fe3++ ЗСNS Fe(СNS)з красный.

Определение катионов железа также проводим по визуальным наблюдениям. Высокое содержание железа в воде вызывает отложение осадка в трубах и их зарастание, а также ухудшает вкус питьевой воды (присутствует привкус ржавчины), а также после "железной" воды остаются желтые разводы на сантехнике и пятна на одежде.

6). Определение хлорид-ионов.

      1. К 10 мл пробы воды добавляют 3-4 капли азотной кислоты и приливают 0,5 мл раствора нитрата серебра.

      2. Если концентрация хлорид-ионов более 100 мг/л, то образуется белый осадок. При концентрации >10 мг/л - помутнение раствора. Cl- + Ag+ > AgCl (белый осадок).

7). Определение катионов свинца:

      1. 10 г К2СrO4 растворяют в 90 мл дистиллированной воды.

      2. В пробирку помещают 10 мл пробы воды, прибавляют 1 мл раствора реагента.

      3. Если в результате реакции образуется желтый осадок, то содержание катионов   свинца более 20 мг/л.    Рb2+ + СrО2- > РbСrO4 желтый.

2.1.2. Определение жесткости воды.

1. Определение общей жесткости воды мыльным раствором.

Цель работы: сравнить жесткость различных образцов воды.

Материалы: образцы воды различной степени жесткости: водопроводная кипяченная и некипяченая, кусочки хозяйственного мыла, пробирки.

Ход работы:

1). В пронумерованные пробирки наливают три образца воды по 10-15 мл. 1 пробирка - водопроводная некипяченая вода. 2 - водопроводная кипяченая вода.

2). В каждую пробирку кидают кусочек мыла и сильно встряхивают пробирку (около 5 минут). Дают отстояться и описывают внешний вид полученных растворов: есть ли осадок в виде хлопьев, много осадков или мало, раствор почти прозрачный и т.д.

3). Результаты занести в таблицу.

2.Определение гидрокарбонатной жесткости воды

Цель работы: по количеству затраченной кислоты определить гидрокарбонатную жесткость воды.

Материалы и оборудование: бюретка, коническая колба на 200 мл (250 мл), мерная колба на 100 мл, образцы воды различной степени жесткости: водопроводная кипяченная и некипяченая, реактивы: стандартизированный раствор HCl; 0,01%-ный раствор метилоранжа;

 Ход работы:

1).Мерной колбой отобрать 100 мл анализируемой воды, перенести в коническую колбу для титрования.

2).Добавить 3-4 капли метилоранжа и титровать раствором HCl (в бюретке) до перехода окраски из желтой в оранжевую. Титрование проводят 3 раза до получения сходящихся результатов (отличающихся на 0,1 мл).

3).Вычислить средний объем соляной кислоты Vсред(HCl).

4).Рассчитать гидрокарбонатную жесткость воды в моль/л.

                                                 сн (НСl) · Vсред(HCl) · 1000

                        Жводы =                                 Vводы

3. Результаты исследования

    Исследовательская работа проводилась по двум направлениям:

1. Сравнение образцов воды по некоторым параметрам: цвет, запах, рН среды, наличие осадка после отстаивания, наличие некоторых катионов и анионов.

2. Определение жесткости воды.

 В ходе исследований по первому направлению было проведено сравнение качества воды из разных источников, результаты занесены в таблицу1.  Сравнение результатов производили с контрольным образцом – вода питьевая столовая.

                                                                                                              Таблица 1.

                                    Сравнение образцов воды

Прудовая вода имеет отчетливый запах, коричневатый оттенок, прозрачность 50 см, кислотность 8,0 рН, содержание катионов железа более 2 мг/л, хлорид ионов более 100 мг/л, обнаружены катионы свинца их концентрация более 100 мг/л, так как после проведения качественной реакции, полученный раствор был желтого цвета. Этот образец воды не соответствует государственному стандарту по следующим параметрам: запах, цвет, прозрачность, содержание катионов железа, свинца.

Водопроводная вода имеет заметный запах, бесцветна, прозрачность более 100 см, кислотность 7,0 рН. Содержание катионов железа более 10 мг/л, хлорид-ионов более 100 мг/л, содержание катионов свинца не обнаружено. Этот образец воды не соответствует государственному стандарту по следующим параметрам:  запах и содержание катионов железа.

Фильтрованная вода имеет  очень слабый запах, бесцветна, прозрачность более 100 см, кислотность 6,0. Содержание катионов железа более 10 мг/л, хлорид-ионов менее 100 мг/л, содержание катионов свинца не обнаружено. Этот образец воды  не соответствует государственному стандарту по следующим параметрам:  запах и содержание катионов железа.

      По второму направлению было проведено определение жесткости воды двумя методами. Результаты занесены в таблицу 2.

                                                                                                             Таблица 2

Результаты исследования жесткости воды мыльным раствором

   Определение жесткости мыльным раствором показало, что наибольшее количество мыльного раствора требуется для прудовой и водопроводной воды, что свидетельствует об их наибольшей  жесткости.

      Определение гидрокарбонатной жесткости производилось раствором соляной кислоты. Результаты определения гидрокарбонатной жесткости ( таблица 4) позволяют сделать вывод, что наибольший объем соляной кислоты требуется для титрования  водопроводной воды, наименьший – для питьевой столовой.

                                                                                                               Таблица 4

Результаты определения гидрокарбонатной жесткости

Вычислив по расчетной формуле жесткость воды и сравнив показатели  с данными значениями общей жесткости (см. приложение, таблица 5), определили тип образцов воды: фильтрованная вода и питьевая столовая является мягкой, прудовая- средней жесткости, водопроводная – жесткой.

Выводы и предложения

 1. В ходе исследования были изучены литературные данные о значении воды и ее загрязнителях

2. Проведено сравнение качества воды из разных источников по физико-химическим параметрам.

3.Определена жесткость воды.

 Проведенные исследования качества воды, используемой в селе Новоромановском, показывают, что ни одна из проб воды взятых из разных источников для исследования не соответствует государственному стандарту. Употребление такой питьевой воды может серьезно отразиться на здоровье людей.

Прудовая вода не соответствует государственному стандарту по следующим параметрам: запах, цвет, прозрачность, содержание катионов железа и свинца.

Водопроводная вода не соответствует государственному стандарту по следующим параметрам:  запах и содержание катионов железа.

Фильтрованная вода не соответствует государственному стандарту по следующим параметрам:  запах и содержание катионов железа.

Решение проблемы плохого качества питьевой воды имеет две стороны.

Во-первых, сюда относится экологические и социальные проблемы села, большое  количество бытовых отходов  сбрасывается жителями в пруд. Чтобы улучшить положение необходимы целенаправленные и продуманные действия администрации села.

Во-вторых, существует проблема устаревших коммуникаций – ржавые трубы. Вода, прошедшая очистку в очистных сооружениях, проходя по таким трубам, снова загрязняется. Поэтому нужна замена старых труб на новые по всему селу.

В результате проведенной работы было аргументировано доказано, что вода, поступающая в водопровод не пригодна для питья. Она может быть использована только в технических целях. Для питья необходимо водопроводную воду  фильтровать или кипятить.

Литература

1. Габуда С.П. «Связанная вода. Факты и гипотезы», Новосибирск, Наука, 1982г.
2. Медовар А.М. «Охрана водоёмов от химического загрязнения», М, ЦНИИСП,

1986г.

3. Очкин А.В., Фадеев Г.Н.  «Химия защищает природу», М, Просвещение, 1984г.
4. Петрянов И.В. «Самое необыкновенное вещество в мире», М, Педагогика, 1975г.
5. Садовничая Л.П. «Биофизическая химия», Киев, Высшая школа, 1986г.
6. Синюков В.В. «Вода известная и неизвестная», М, Знание, 1987г.

      7.  Шпаусус З. Путешествие в мир химии – М.: Просвещение, 1967. –

           431с.
     8. Харлампович Г.Д. и др. Многоликая химия.– М.: Просвещение,

          1992.-159с
     9.    Хомченко Г.П. Учебник химии – М.: Новая волна, 1996. – 304с.

     10.   Интернет -источники:

                 www.tehbez.ru/Docum/DocumShow_DocumID

                 www.aquakultura.ru/articles/details

                 www.o8ode.ru/article/answer…pitevoi_vody

Приложение

                                                                                                         Таблица 5

Типы природной воды по значению общей жесткости