Практико-ориентированный проект "Оценка эффективности самодельных фильтров для воды и возможность их практического использования"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №1 г. Пушкино

 Практико-ориентированный  проект  

Оценка эффективности самодельных фильтров для воды

и возможность их практического использования

                                                                Выполнил: Голубь Алексей, 7 «Б» класс

                                                                    Руководитель: Салин А. А., учитель ОБЖ

Пушкино, 2015г.

1. Введение

В настоящее время очень актуальна проблема очистки воды. Несколько лет назад люди даже представить себе не могли, что  будут покупать питьевую воду в магазинах. Чистой питьевой воды становиться всё меньше. Это происходит из-за хозяйственной деятельности человека, неэффективности  способов переработки отходов, загрязнения рек сточными водами и других факторов.  

В государственном докладе «Вода питьевая» отмечено, что около 70 % рек и озер страны утратили свое качество как источники водоснабжения, а приблизительно 30 % подземных источников подверглись природному или антропогенному загрязнению. Около 22 % проб питьевой воды, отбираемых из водопроводов, не отвечают гигиеническим требованиям по санитарно-химическим нормам, а более 12 % – по микробиологическим показателям.[1]

 Питьевая вода – это важнейший фактор здоровья и благополучия человека.

      Гипотеза:   с помощью самодельного  многослойного фильтра можно очистить воду и сделать ее пригодной для технического использования.  

      Цели:

       - проверить эффективность очистки воды самодельными фильтрующими устройствами;

       - разработать памятку населению в зоне затопления по очистке воды.  

      Задачи:

       - провести эксперимент и доказать эффективность очистки воды самодельными фильтрами.

        - разработать собственный фильтр для очистки воды из подручных материалов, проверить его эффективность.

      Методы:

- анализ доступной  информации;

- эксперимент

Глава 1.

Основные источники воды, требующие предварительной обработки

         В настоящее время в Московской области ежегодно происходят наводнения из-за паводка в окрестностносях  рек: Волга, Ока, Москва, Клязьма и Пахра. Наводнения повреждают все коммуникации: от водоснабжения до электропитания. Люди оказываются без доступных источников питьевой воды. Такая же ситуация может застать грибников, заблудившихся в лесу. В этой ситуации людям необходимо знать простейшие способы очистки воды, которые помогут им сохранить жизнь и здоровье в экстренной ситуации.

        Пресную воду можно получать из  природных водоисточников: атмосферных осадков, открытых водоёмов и подземных вод. Эти источники значительно различаются как по количеству получаемой из них воды, так и по качественному её составу.

        Вода, собираемая из атмосферных осадков (дождевая, снеговая), отличается очень низкой степенью минерализации и приближается к дистиллированной, в связи с чем,  она рекомендуется для хозяйственных и технических нужд. Низкое содержание минеральных солей не даёт возможности постоянно использовать эту воду для питья. При длительном употреблении такой воды возникают желудочно-кишечные расстройства и могут возникнуть различные нарушения обменных процессов в организме, так как вода  является поставщиком многих необходимых организму химических элементов, которые в атмосферных водах отсутствуют.

        Использование атмосферных осадков в качестве постоянного источника водоснабжения чрезвычайно затруднено из-за непостоянства: невозможно заранее предугадать, когда и в каком количестве выпадут атмосферные осадки. Использование атмосферных осадков в качестве источника водоснабжения осложняется из-за громоздкости сооружений для сбора воды: требуется сооружение водосборников, имеющих очень большую горизонтальную поверхность.

        Степень чистоты атмосферных осадков может резко меняться в зависимости от состояния атмосферы, степени загрязнённости воздуха в той местности, где выпадают осадки, силы и направления ветра, длительности выпадения осадков, их интенсивности и других факторов. Как правило, первые порции воды больше загрязнены по сравнению с последующими. Наиболее чистыми являются последние порции. Естественно, что микробная загрязнённость атмосферных осадков также непостоянна и зависит от перечисленных выше факторов. Чистота собираемой атмосферной воды зависит также от состояния водосборников и резервуаров для хранения: степень их загрязнения при длительных перерывах между выпадением осадков может быть значительной.

        Таким образом, воду из атмосферных осадков в обычных условиях используют лишь эпизодически для хозяйственных нужд. Однако в местностях, где получение пресной воды из других источников затруднено, необходимо максимально использовать все возможности для сбора и сохранения воды из атмосферных осадков. Для питья такую воду можно использовать только после обеззараживания. Из методов обеззараживания при централизованном сборе воды и водоснабжении наиболее доступно хлорирование, причём необходимую дозу хлора нужно устанавливать после каждого сбора воды. В индивидуальном хозяйстве такую воду можно употреблять после кипячения. При длительном использовании атмосферной воды для питья в неё необходимо добавлять определённое количество минеральных солей, состав и количество которых для этих целей регламентированы техническими условиями.

        Вторая группа источников водоснабжения - открытые водоёмы (ручьи, реки, озёра, пруды и др.), может использоваться для хозяйственных, технических и для питьевых целей.
Открытые водоёмы подвержены значительному загрязнению извне (пылью из воздуха, непосредственно людьми и животными и особенно разнообразными стоками с поверхности почвы). Поэтому вода из открытых источников может использоваться в питьевых целях только после специальной обработки (очистки и обеззараживания). Количество воды в открытых водоёмах, степень её минерализации и загрязнённости подвержены значительным колебаниям. После выпадения осадков степень минерализации воды в водоёмах снижается, количество её  увеличивается; при этом резко возрастает загрязнённость воды в результате обильных стоков в водоём с поверхности земли. При длительном отсутствии осадков уменьшается количество воды, увеличивается степень её минерализации в результате испарения и впитывания в почву, снижается загрязнённость благодаря процессам самоочищения, которые постоянно протекают в водоёмах (естественное отстаивание, окисление и минерализация органических веществ и т.д.).

        Подземные воды вытекают на поверхность естественным путём (родники) либо их добывают посредством сооружения различного рода колодцев. Подземные воды располагаются послойно, пропитывая рыхлые (водоносные) породы земли, которые располагаются между водоупорными слоями, состоящими из плотных пород (глина, камень, известняк). Просачиваясь через слои земных пород, вода постепенно очищается от взвешенных в ней частиц, в том числе и от микроорганизмов, и растворяет содержащиеся в породах минеральные соли. Поэтому такая вода содержит очень мало  примесей, т.е. является наиболее чистой по сравнению с водой, получаемых из других источников, но отличается более высокой степенью минерализации. Атмосферные осадки оказывают значительно меньшее влияние на количество и свойства воды в подземных источниках по сравнению с открытыми водоёмами, причём степень изменения свойств воды в подземных источниках зависит от глубины залегания водоносного слоя. В первом, наиболее поверхностном, водоносном слое вода ещё значительно загрязнена, и поэтому без специальной обработки пользоваться ею для питья не рекомендуется. Вода из средних слоёв (второго, третьего) довольно чистая и характеризуется средней степенью минерализации. Поэтому её можно использовать как в качестве питьевой, так и для хозяйственных нужд.

        Подземные воды, за исключением самых поверхностных (из первого водоносного слоя), при правильном устройстве и содержании водозаборных сооружений могут быть использованы для питья без дополнительной обработки. Они обладают хорошими физико-химическими свойствами, содержат незначительное количество микроорганизмов, среди которых патогенные обычно не обнаруживаются.

        Поскольку добыча большого количества воды из подземных источников является делом дорогостоящим и затруднительным, для централизованного снабжения водой крупных населённых пунктов обычно используют открытые водоёмы. В таких случаях на водопроводных станциях перед подачей воды в сеть производят специальную её обработку. Обработку воды необходимо производить также при временном водоснабжении в полевых условиях и в любых других случаях, когда нельзя гарантировать чистоту и безопасность потребляемой воды.

         Наиболее распространённые методы обработки воды - очистка (освобождение от взвешенных частиц) и обеззараживание (уничтожение патогенной микрофлоры). [2]

1.  Способы очистки воды

1.     Механические методы очистки воды являются наиболее дешевыми и применяются для выделения взвесей. Применяемые методы являются предварительными этапами очистки воды такими как: процеживание, фильтрование, отстаивание.

2.     Химические методы очистки воды используются для нейтрализации в сточных водах неорганических примесей. Сточные воды при обработке реагентами проходят нейтрализацию растворенных соединений, обесцвечивание и обеззараживание.                                
3.     Биологические методы очистки воды используются для нейтрализации растворенных органических соединений. Метод использует способности микроорганизмов разлагать растворенные органические соединения. [4]

*Примечание:   надо помнить, что фильтрация не очищает воду  полностью, она лишь удаляет из нее механические примеси и взвеси.

2. Фильтры для очистки воды

     Приведем описание нескольких самодельных фильтров, часто встречающихся в специальной литературе, посвященной выживанию в экстремальных условиях природной среды.

• Тренога   

     Связываются три жерди в треножник и натягиваются между ними три тканевых полотнища. Первое наполняется травой, второе песком, третье древесным углём. Вода наливается в фильтр сверху, ёмкость ставится снизу.  

   Достоинства: простота изготовления, устойчивая конструкция, относительная доступность материалов, многослойность, поэтапная очистка воды.

   Недостатки: Не рациональное использование площади фильтра, громоздкий, невозможность транспортировки.

• Угольный фильтр  

     Обычно фильтр собирается на основе пластиковой бутылки. Уголь для него берётся из обгоревших дров из костра. Завернуть древесный уголь из костра в матерчатый мешочек и раздробить его до однородности. После этого уголь готов, теперь нужно взять любую пластиковую бутылку, можно 5-ти литровую и отрезать дно, а в крышке наделать множество отверстий, чтобы очищенная вода просачивалась через них.

    Пробка закручивается на место, бутылка переворачивается пробкой вниз и на дно укладывается какой-либо материал. Например,  вата, синтепон, или марля (бинт), или любая подходящая ткань. Это материал нужен чтобы уголь не вымывался вместе с водой. Далее на материал насыпается заготовленный угольный порошок. Слой по усмотрению, но примерно на треть бутылки. Можно сделать несколько слоёв и каждый слой прокладывать материалом, так вода будет быстрее просачиваться.

   Сверху уголь нужно засыпать речным песком. Песок будет очищать воду от более крупных песчинок, а уголь от мельчайших песчинок, также древесный уголь обладает обеззараживающим действием, вода после такого фильтра будет намного безопаснее. [6]

    Достоинства: Возможность транспортировки, очищает от некоторых химических веществ, простота изготовления, подходит для дачного использования, многослойность, поэтапная очистка воды, устойчивая конструкция,  надёжность.

   Недостатки:  Частая замена «картриджа», недоступность материалов в полевых условиях.

• Простейший фильтр

     Простейший фильтр представляет собой пустую консервную банку или пластиковую бутылку с двумя-тремя небольшими отверстиями, пробитыми в днище (пробке) и на две трети заполненную мелким песком, на дно банки или горлышко бутылки предварительно выкладывается кусок материи. Вода заливается сверху и, пройдя сквозь толщу песка, вытекает в отверстия. Для большей надежности процесс фильтровки лучше повторить многократно. Если вода очень загрязнена, песок следует периодически менять на более чистый. [3]

        Достоинства: Возможность транспортировки, простота изготовления, надёжность, полная доступность материалов.

        Недостатки: Очищает воду только от больших частиц, мало слоев, частая замена «картриджа», плохая очистка воды.

• Ватный фильтр

         Для его изготовления нам понадобится бутылка объемом 5л и пластиковая труба   (небольшого диаметра), вата и бумажные салфетки. Отрезаем от бутылки дно. Находим на крышке  середину, вырезаем отверстие, чтобы труба плотно прилегала к её стенкам. В пластиковую трубу кладём слои ваты, перекрывая их бумажными салфетками. Наливаем в бутылку грязную воду и ждём пока она очистится, лучше повторить этот процесс несколько раз.

       Достоинства: надёжность, подходит для больших объемов воды, возможность использования для дачи, хорошая очистка от взвеси.

       Недостатки: очистка только механическая, трудоёмкий процесс изготовления.

• Фильтр из природных материалов

        Для его изготовления понадобится: найти широкий лист лопуха, мох, речной песок и древесина лиственных деревьев. Для изготовления древесного угля необходимо вырыть яму, развести огонь, плотной накрыть эту яму хворостом и землёй для предотвращения поступления воздуха. Таким способом через несколько часов мы получим готовый для использования древесный уголь, который в дальнейшем использовать в качестве одного из компонентов фильтра. Или можно использовать уголь из костра. Далее широкий лист лопуха сворачиваем в воронку, в горлышко кладём мох, сверху насыпаем древесного угля, ещё слой мха, сверху слой речного песка и закрываем ещё одним слоем мха. Фильтр готов, через эту воронку процеживаем воду.

        Достоинства: Полная доступность материалов, многослойность, очистка от химических и механических загрязнений, простое изготовление, подходит для больших объемов воды.

        Недостатки: Маленькая надёжность, не подходит для больших объемов воды, неустойчивость конструкции.

         Итак, исходя из анализа информации, можно сделать предварительный вывод:  все рекомендованные самодельные фильтры являются многослойными (композитными), что обеспечивает улучшение параметров очистки воды. Совершенствование конструкции самодельных фильтрующих устройств также должно идти в этом направлении.

Глава 2.

Сравнительный анализ эффективности самодельных фильтрующих устройств.   

         Сравним  три варианта  композитных фильтров:

         1. Бытовой фильтр: пластик (корпус), активированный уголь (наполнитель), фильтрующая мембрана.

         2. Угольный фильтр из обучающих программ по выживанию: бутылка (корпус), ткань или бинт (наполнитель), уголь из костра (наполнитель):

- отрезаем у бутылки дно;

- в краях бутылки делаем отверстия для подвешивания;

- в горлышко бутылки, изнутри, вставляем ватно-марлевый тампон;

- засыпаем толченым древесным углем на 2/3 объема;

- сверху укладываем ткань, пропускающую воду.

          3. Самодельный угольный фильтр улучшенной модификации (самостоятельная  разработка): корпус из пластиковой бутылки, наполнитель -  древесный уголь, песок, ткань;    Картридж должен занимать примерно 2\3 объема бутылки:

            -  вырезаем у бутылки дно, проделываем в каждой «ножке» небольшие отверстия, таким образом, мы получаем крышку-уплотнитель для верхнего слоя картриджа;

             -  в горлышко бутылки с внутренней стороны, вставляем ватно-марлевый тампон;  

            -  сверху засыпаем песком – 3см, перекладываем слоем ткани (марля или бинт);

            -  засыпаем слоем толченого древесного угля – 3см, и также перекладываем слоем ткани (марля или бинт);

            -  снова засыпаем песком – 3см, сверху укладываем слой ткани (марля или бинт);

            - вставляем в  бутылку уплотнитель, сделанный  из отрезанного донышка с отверстиями.

     Для сравнения необходимо провести анализ воды, пропущенной через фильтры. Чтобы приблизиться к экстремальной ситуации возьмём воду из природного водоема (река в черте города) и сделаем качественный химический анализ на наличие в воде железа, солей хлора, кальция, сульфатов и анализ на pH (кислотность).

     Прежде, рассмотрим опасность, которую может таить в себе избыток данных химических соединений.[1]

      Регулярное употребление воды с повышенным содержанием железа, нередко становится причиной развития дерматитов, аллергических реакций, заболеваний печени и почек, а также увеличению риска инфарктов и повреждения тканей при инсультах.

      Избыток соединений хлора может   вызвать онкологические заболевания, нарушение зрения и работы нервной системы.

       Сульфаты (соединения серы) оказывают физиологическое воздействие на организм     человека – они обладают слабительными свойствами.

       Избыток кальция в воде может вызвать снижение или потерю аппетита, появление тошноты, рвоты, жажды.

 Ход эксперимента:

       Изготовив фильтры из подручного материала, мы профильтровали речную воду с высоким содержанием органических веществ, взятую из городского водоема (р. Серебрянка).  Вода городской реки очень похожа, по составу, на воду в зоне чрезвычайной ситуации (наводнения), так как в ней, возможно, находятся сточные воды, нефтепродукты и другие загрязнители.

       Вода была пропущена через экспериментальные фильтры и бытовой. Полученный фильтрат был исследован в школьной химической лаборатории на наличие различных примесей. Для выявления этих примесей были использованы доступные реактивы [1]:

   AgNO3 (нитрат серебра) – выявление хлоридов;

   KCNS (роданид) – выявление соединений железа;

   Na2CO3 (карбонат кальция) – выявление солей кальция;

   BaCl2 – выявление сульфатов (соединений серы)

   Тест на pH – кислотность воды.    

 Таблица 1.   Результаты эксперимента        

*Примечание: визуальный анализ представлен по 10-ти балльной шкале.

По результатам проведённых исследований можно сделать следующие выводы:

1.     Бытовой фильтр очищает воду от запаха и делает её прозрачной.

Визуальный  анализ:  показал себя как лучший из выборки.  

Качественный анализ:   присутствие железа осталось прежним; содержание хлоридов не изменилось; но, кальция и сульфатов стало меньше.

2.     Угольный фильтр.

Визуальный анализ: запах и мутность уменьшились, посторонних включений почти нет.  Качественный анализ: увеличилось количество сульфатов,  железо и хлориды остались прежними, кальций – следы.

3.      Угольный фильтр улучшенной модификации.  

Визуальный анализ: вода практически прозрачна, без видимых включений, запаха почти нет.

Качественный анализ: железо и кальций удалены, уменьшено количество хлоридов,  но,  по сульфатам изменений нет.  

          Таким образом, анализируя результаты эксперимента, мы можем сделать вывод, что самодельный композитный угольно-песчаный фильтр довольно хорошо очищает грязную воду от посторонних примесей.

                                           Заключение

          В ходе эксперимента мы подтвердили гипотезу о том, что многослойный (композитный) фильтр хорошо очищает воду.  Он вполне может быть рекомендован к использованию в экстремальных ситуациях (Приложение 1. «Памятка населению  по  водообеспечению при ЧС природного характера»). Исходя из полученных результатов, мы можем сделать следующие выводы:

          1. При наличии небольшого количества подручных материалов, в экстремальных условиях возможно изготовить фильтрующее устройство с помощью которого можно очищать загрязнённую воду до приемлемого уровня.

          2. Самодельные фильтры значительно очищают воду, но и после фильтрации эту воду необходимо кипятить и по возможности употреблять её для бытовых нужд, для экономии питьевой воды. Пить такую воду можно только в экстренных ситуациях, когда нет доступа к чистой питьевой воде.

          3. Композитные самодельные водные фильтры можно рекомендовать населению для использования при ЧС природного характера (наводнения, подтопления) а также для частичной очистки водопроводной воды плохого качества (на дачах, в частном секторе и т.п.).

Список источников

 1.   Анализ воды (методические рекомендации). [Электронный ресурс] режим доступа –

http://www.max-geo.ru/analys/health/#Na

2.    Гигиеническая характеристика источников водоснабжения и основные методы очистки воды). [Электронный ресурс] режим доступа - http://doctorvic.ru/info/popular-about/gigienicheskaya-kharakteristika-istochnikov-vodosnabzheniya-i-osnovnye-metody-ochistki-vody

3.   Как очистить воду в полевых условиях. [Электронный ресурс] режим доступа – http://www.hunting.ru/blogs/view/53238/

4.    Классификация методов и способов очистки воды. [Электронный ресурс] режим доступа –

http://www.ozonika.ru/2008/10/klassifikacija-metodov-i-sposobov-ochistki-vody

5.   Современные способы дезинфекции питьевой воды, Вестник-юг, № 4 (2007). [Электронный ресурс] режим доступа - http://www.xn----8sbebnbtbqnqpzjefgfdd2s.xn--p1ai/archive/articles/996.html

6.    Фильтр для очистки воды. [Электронный ресурс] режим доступа – http://www.otchelniki.ru/filtr.html