Исследовательская работа "Методы очистки питьевой воды. Эффективность бытовых фильтров в устранении жёсткости воды."

Муниципальное бюджетное муниципальное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 4

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Тема: Методы очистки питьевой воды.

Эффективность бытовых фильтров

в устранении жесткости воды.

Выполнила: Жвакина П.К.

10 класс

МОУ СОШ №4

Руководитель: Шуклина О.В.

МОЖГА 2016 г.

Оглавление

Введение………………………………………………………………..….2

1.Питьевое водоснабжение города Можги………………………………3

2. Методы очистки воды………………………………………………….4

2.1 Методы обеззараживания воды………………………………………4

2.2 Методы обезжелезивания воды……………………………………….5

2.3 Способы уменьшения жесткости воды……………………………….6

3. Современные фильтры очистки воды………………………………….6

4. Экспериментальная часть……………………………………………….11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………12

ПРИЛОЖЕНИЯ…………………………………………………………....13

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………….

Введение.

          Вода - одно из самых важных веществ в природе. Вода - добрый друг и помощник человека. Она – удобная дорога: по морям и океанам плавают корабли. Вода побеждает засуху, оживляет пустыни. Вода минеральных источников оказывает лечебное действие. Но самое главное – без воды человек не может прожить. Из курса школьной биологии мы все знаем, что наш организм на 60-70 % состоит из воды.

         Вода организму нужна без всяких примесей. То, что льется у нас из крана, очень сложно назвать даже водой, не то, что чистой. Мало того, что примерно 25-30 % проб из поверхностных источников не соответствует гигиеническим нормативам, так еще свою неприятную лепту вносят ржавые трубы, по которым вода поступает в дома.

          Цель моей работы заключается в том, чтобы рассмотреть показатели жесткости питьевой воды города Можга, Заводстветского микрорайона и рассмотреть эффективность работы бытовых фильтров очистки питьевой воды.

        Гипотеза: вода из под крана не соответствует стандарту по показанию жесткости; наиболее эффективным фильтром является трёхступенчатый фильтр очистки воды «Аквафор».

1. Питьевое водоснабжение города Можга.

         Обеспечение населения доброкачественной питьевой водой остается одной из главных проблем в обеспечении санитарно-эпидемиологического благополучия населения.

       Для хозяйственно питьевого водоснабжения населения города Можги используются в качестве источников водоснабжения артезианские скважины.

       Анализируя данные, предоставленные Территориальным отделом Управления Роспотребнодзора по УР в г. Можга (Приложение 1), можно сделать вывод, что состояние питьевого водоснабжения имеет низкий уровень качества и не отвечает требованием санитарных норм и правил.

        Население города Можга на 100% обеспечивается водой из подземных источников, является, прежде всего, ее высокая минерализация и жесткость.

        В 2014 году в системах питьевого водоснабжения города Можга было исследовано 494 проб воды, из них не отвечает по санитарно-химическим показателям 134(19%) и по микробиологическим показателям – 4.7%  

                 Проблема жесткости воды наиболее остро встает в городе Можга, потому что 33% проб  в водопроводной сети города не соответствует гигиеническим нормативам по показателям общей жесткости, находящейся в пределах 7,1 до 10,4 мг-экв./л., 7% проб воды не соответствовали гигиеническим нормативам по содержанию нитратов с превышением ПДК от 1,2 до 2 раз.

      В числе ведущих причин остаются продолжающееся антропогенное загрязнение поверхности вод, несоответствие качества исходной воды, отсутствие водоочистных сооружений, природное несоответствие качества воды гигиеническим нормам в ряде подземных источников водоснабжения .

      Артезианские скважины расположены в жилой зоне, не имеющей благоустройства, канализации, герметичных выгребов, водопроводы не имеют зон санитарной охраны.

             МУП ЖКХ в городе Можга проводится производственный лабораторный контроль за качеством питьевой воды в полном объеме. Весной и осенью хлорируют воду, однако, жесткость воды остается неизменной.

2. Методы очистки воды

2.1 Методы обеззараживания воды

      Сегодня наиболее распространенный метод обеззараживания воды –хлорирование с использованием газообразного хлора. Хлор обладает достаточно высокой эффективностью в отношении бактериальных загрязнений и пролонгированным действием, и в большинстве случаев – наиболее дешевое средство дезинфекции.  Но хлор не только быстро воздействует на микроорганизмы, но и активно вступает в реакции хлорирования с имеющимися в воде органическими соединениями. В результате реакции образуются хлорсодержащие органические вещества, ряд из которых обладает токсичными свойствами.

     Чем плохо хлорирование воды? При подобной обработке в воде образуются химические соединения, которых в природе просто не существует. И когда люди в течении долгого времени потребляют хлорированную воду, то у них в разы увеличивается вероятность серьезных хронических заболеваний, вплоть до онкологических.

    Озонирование – этот метод похож на предыдущий. Основное отличие в том, что здесь используется генератор озона, то есть реагент не привносится извне, а генерируется. Озонирование основано на свойстве озона разлагаться в воде с образованием кислорода, разрушающего ферментные свойства микробных клеток и окисляющего некоторые соединения, придающие воде неприятный запах.

 Этот метод не нашел широкого применения, потому что связан с большим расходом электроэнергии, использованием сложной аппаратуры и высококвалифицированного технадзора. Немаловажно и то, что озон вызывает коррозию водопроводных труб.

     Ультрафиолетовое излучение – этот метод очистки воды основан на обработке воды ультрафиолетовым излучением. Его основное преимущество в том, что в воду не привносятся никакие реагенты.

     Ультрафиолетовые лучи уничтожают не только вегетативные, но и споровые формы бактерий и не изменяют свойства воды.  Если в случае с хлорированием и озонированием при неправильном расчете дозы приходится убирать реагенты дополнительной стадией фильтрования, то ультрафиолетовое излучение в этом отношении абсолютно безопасно.

    В результате оценки различных методов дезинфекции принята двухстадийная технология обеззараживания: ультрафиолетовое излучение с последующим вводом низкоконцентрированного гипохлорита натрия. Двухстадийная технология обеззараживает сокращаемые размеры санитарно-защитной зоны сооружений, повышает степень промышленной безопасности, антитеррористической устойчивости объекта, сохранив при этом санитарно-гигенические показатели обрабатываемой воды.

2.2 Методы обезжелезивания.

    Удаление из воды железа – одна из самых сложных задач в водоочистке. Каждый из существующих методов применим только в определенных пределах, и имеет как достоинства, так и существенные недостатки. К существующим методам удаления железа можно отнести: оксисление, каталитическое окисление, ионный обмен, мембранные методы, дистилляция, фильтрация.

Метод окисления. Добавление специальных окислителей ускоряет процесс. Наиболее широко применяется хлорирование, так как параллельно позволяет решать проблему дезинфекции. Наиболее сильным окислителем на сегодняшний день является озон. Однако установки для его производства довольно сложные, дорогие и требуют значительных затрат электроэнергии, что ограничивает их применение. Необходимо отметить, что в концентрированном виде озон является ядом и требует внимательного отношения.

Частицы окисленного железа имеют достаточно малый размер и осаждаются достаточно долго, поэтому применяют специальные химические вещества – коагулянты, способствующие укрупнению частиц и их ускоренному осаждению.

Каталитическое окисление воды с последующей фильтрацией. Это наиболее распространенный на сегодняшний день метод удаления железа, применяемый в высокопроизводительных компактных системах. Суть метода заключается в том, что реакция окисления железа происходит на поверхности гранул специальной фильтрующей среды, обладающей свойствами катализатора. Железо быстро окисляется и оседает на поверхности гранул фильтрующей среды. Впоследствии большая часть окисленного железа вымывается в дренаж при обратной промывке. Таким образом, слой  гранулированного катализатора является одновременно и фильтрующей средой. Наиболее распространенным окислителем является перманганат калия  KMnO4, так как его применение не только активизирует реакцию окисления, но и компенсирует «вымывание» марганца с поверхности гранул фильтрующей среды, то есть регенерирует ее.  Все системы на основе каталитического окисления имеют и ряд общих недостатков.  Во-первых, они неэффективны в отношении органического железа. Во-вторых, системы этого типа все равно не могут справиться со случаями, когда содержание железа в воде превышает 10-15 мг/л. Присутствие в воде марганца только усугубляет ситуацию.

2.3 Способы уменьшения жесткости воды.

Всем известно, что в дождевой воде мыло хорошо пенится, а в ключевой – обычно плохо. Анализ жесткой воды показывает,  что в ней содержится значительные количества растворимых солей кальция и магния. Эти соли образуют с мылом нерастворимые соединения. Такая вода непригодна для охлаждения двигателей внутреннего сгорания и питания паровых котлов, так как при нагревании жесткой воды на стенках охладительных систем образуется накипь. Накипь плохо проводит теплоту; поэтому возможен перегрев моторов, паровых котлов, кроме того, ускоряется их изнашивание. Статистика показывает, что употребление воды с высоким содержанием солей кальция и магния ведет к желчекаменным и мочекаменным заболеваниям.

Какие же бывают виды жесткости?

Карбонатная, или временная, жесткость обусловлена присутствием гидрокарбонатов кальция и магния. Ее можно устранить следующими способами:

 1)кипячением:   Са(HCO3)2 = СаCO3 + H2O + CO2

                              Mg(HCO3)2 = MgCO3 + H2O + CO2

 2)действием известкового молока или соды:

CaCl2 + Na2CО3 = CaCO3 + 2NaCl

Са(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3 + 2H2O

Некарбонатная, или постоянная, жесткость обусловлена присутствием сульфатов и хлоридов кальция и магния. Ее устраняют действием соды.

Карбонатная и некарбонатная жесткости в сумме составляют общую жесткость воды.

3. Современны фильтры для очистки воды.

В современном мире проблема чистой воды становится все более актуальной. Очистка воды хозяйственно-бытового назначения и качественная очистка питьевой воды – это уже не роскошь, а жизненная необходимость.

 Существуют разнообразные типы фильтров:

 Фильтры для механической очистке воды:

Любая вода, будь то скважинная или водопроводная, содержит в своем составе: песок, механические примеси, ржавчина, подмотка с трубных соединений и т.п. В зависимости от концентрации этих взвесей и требуемой производительности используют следующие типы фильтров механической очистки:

Сетчатые фильтры для воды – это фильтры, в которых в качестве фильтрующего элемента используется сетка с размером ячеек от 20 до 500 мкм –выбирается в зависимости от степени загрязнения воды. В них можно выделить два типа:

Самопромывные – есть возможность промывки фильтра без его разборки и прекращения подачи воды.

Непромывные (или грязевики, чтобы провести их очистку нужно разобрать фильтр и почистить сетку вручную).

Особенность сетчатых фильтров для воды является небольшие габариты фильтра, необходимость периодически промывать сетку. Перед установкой желательно заранее предусмотреть наличие дренажной магистрали для слива воды в процессе промывки.

Патронные(картриджные) фильтры для воды – это фильтры, в которых в качестве фильтрующего материала используют сменный элемент (картридж), помещаемый в прочный корпус из пластика или стали. Степень очистки от 30 до 0,5 мкм.

Фильтры для очистки холодной воды чаще имеют корпус из прозрачного пластика, позволяющего визуально оценить степень загрязнения фильтрующего картриджа. Корпус фильтров для горячей воды, изготавливают из непрозрачного термоустойчивого пластика или нержавеющей стали.

Следует заметить, что эти фильтры преимущественно используют для небольших потоков, требующих более тонкой фильтрации воды по сравнению с сетчатыми фильтрами.  Патронные фильтры, предназначенные для фильтрации больших потоков воды, отличаются соответствующим увеличением габаритных размеров и стоимости.

Высокоскоростные напорные фильтры для воды – эти фильтры представляют собой специальные емкости, напоминающие по форме колонны, изготовленные из прочных антикоррозионных материалов и наполненные фильтрующим материалом. При прохождении через этот материал, происходит фильтрация воды – степень очистки до 30 мкм.

Этот фильтр эффективно используется при высоких концентрациях разнородных механических примесей в воде. В этом смысле это, пожалуй, наиболее универсальный тип механической очистки. Однако, для данного напорного фильтра необходимо иметь достаточно места для его размещения в отапливаемом помещении, а также должна быть предусмотрена дренажная магистраль для обеспечения режима регенерации.

Фильтры для уменьшения жесткости воды

    Существует довольно большое количество способов очистки воды от солей жесткости. Наиболее часто встречающимся способом очистки является фильтрация воды через ионообменную смолу. Пределы применимости этих фильтров определяются тремя параметрами:

-ионообменной емкостью (количеством солей жесткости, которое может принять на себя объем смолы до истощения);

-жесткостью исходной воды;

-требуемой производительностью фильтра.

Фильтры для удаления из воды солей жесткости по типу управления бывают двух типов:

-по расходу воды – используются преимущественно в бытовых условиях, так как регенерация по объему пропущенной воды позволяет  уменьшить расход соли.

-по времени – используются преимущественно в промышленности, так как позволяют добиться требуемого рабочего времени.

Сорбционные фильтры для воды     

          Обычно сорбционными фильтрами называют фильтры на основе активированного угля. Принцип работы угольных фильтров основан на явлении адсорбции. Адсорбция – задержание молекул загрязнителей внешней поверхностью твердого вещества.

          В качестве фильтрующей среды используются активированные угли из скорлупы кокосов, адсорбционная способность которых в 4 раза выше, чем угля, получаемого традиционными методами ( например, из древесины березы) и обладающего высокой абразивной скоростью. Фильтры этого типа предназначены для улучшения таких показателей воды  как: вкус, цвет, запах; удаление остаточного хлора, растворенных газов и органических соединений.

         Нужно помнить, что угольные фильтры очищают от сравнительно небольшого количества загрязнений, чтобы расширить спектр действия фильтров к углю добавляют ионообменные вещества. В этом случае они могут удалять из воды такие загрязнения, как тяжелые металлы, цисты бактерий, пестициды, гербициды, асбест, нефтепродукты.

         Недостаток угольных фильтров – они являются (вследствие адсорбции органики) благоприятной средой для размножения микроорганизмов и бактерий. В связи с этим их можно использовать только после предварительного обеззараживания воды.

С точки зрения конструкции бытовые фильтры для получения воды бывают трех типов  

-типа «кувшин»

ПЛЮСЫ: дешев, легок, не требует подключений к водопроводу – наливать в него воду можно и из ведра. Такой фильтр удобно брать на летнюю дачу, где нет водопровода.

МИНУСЫ: небольшой ресурс картриджа, очень низкая скорость фильтрации – для наполнения чайника нужно заранее наполнить фильтр водой. Картридж такого фильтра в промежутках между процессами фильтрации находится в непосредственном контакте с воздухом, что способствует ускоренному росту бактерий. На летних дачах реальное количество колодезной воды (или воды из неглубоких скважин ) резко ограничивает возможности использования кувшинов, поскольку такая вода может содержать микробиологические загрязнения.

РЕСУРС: в большинстве случаев от 150 до 300,00 л. Рекомендуемые сроки замены картриджей 1-2 месяца.

- типа «насадка на кран» - подключаемая непосредственно к изливу водопроводного крана. Такой фильтр крепится либо на самом кране, либо при больших размерах картриджа устанавливается на столешницу рядом с краном.

ПЛЮСЫ: относительно недороги, компактны, быстро фильтруют воду. Такой фильтр можно брать в поездки, где есть возможность подключить его к водопроводному крану.

МИНУСЫ: небольшой ресурс картриджа, худшее качество очистки воды из-за высокой скорости протока воды, невозможность пользоваться водопроводным краном для хознужд при включенном режиме фильтрации и необходимость переключения этих режимов.

РЕСУРС: несколько больше, чем у кувшинов при несколько худшей степени очистки – от 300 до 700 литров. Рекомендуемые сроки замены картриджей 2-3 месяца.

-типа «стационарный фильтр» - устанавливается под мойку и подключается непосредственно к водопроводу. Различаются, как правило, одно-, двух-, трехступенчатые системы очистки.

ПЛЮСЫ: имеют отдельный краник для питьевой воды, быстро фильтруют воду, имеют гораздо более высокий ресурс картриджей. Большинство таких фильтров используют единый международный типоразмер картриджей. То есть такие фильтры унифицированы, к ним подходят картриджи разных производителей в разных регионах России и разных стран мира. И еще: можно менять избирательность таких фильтров по отношению к отдельным видам загрязнений, применяя различные картриджи на разных ступенях очистки.

МИНУСЫ: дороже кувшинов, требуют квалифицированного монтажа.

РЕСУРС: от 5000 до 15000 литров при более высоком качестве очистки воды. Рекомендуемые сроки замены картриджей – каждые 6 месяцев.

Экспериментальная часть

        Для эксперимента мы взяли два фильтра очистки воды: «кувшин» и «стационарный фильтр». Эффективность фильтров мы рассмотрели по содержанию трех ингредиентов: общая жесткость, магний, кальций (результаты в приложении 3).

Определение общей жесткости воды

и раздельное определение жесткости за счет присутствия

ионов кальция и магния

Цель работы: определить общую и раздельную жесткость воды за счет присутствия ионов кальция и магния методом комплексонометрии.

Сущность работы. Общая жесткость воды определяется наличием в ней ионов Са2+ и Мg2+. В качестве рабочего вещества применяют  комплексон III (ЭДТА). При определении общей жесткости воды используют индикатор эриохром черный Т, а при определении жесткости за счет присутствия ионов Са2+ – мурексид. Определение общей и раздельной жесткости воды ведут в щелочной среде.

Mg2+ + HInd2– ⇄ MgInd– + H+,

MgInd– + Na2H2Y ⇄ Na2MgY + HInd2–  + H+

                        винно-красный                        синий

Жесткость воды обусловлена наличием в ней растворимых солей кальция и магния. Различают временную жесткость (за счет присутствия бикарбонатов кальция и магния) и постоянную (за счет присутствия сульфатов и хлоридов). Временную жесткость можно удалить кипячением:

Выпавшие в осадок CaCO3 и Mg(OH)2 понижают концентрацию ионов кальция и магния в воде и жесткость воды уменьшается. Жесткость воды выражают в ммоль/дм3 . В зависимости от величины жесткости различают:

• вода очень мягкая        – до 1,5 ммоль/дм3;
• мягкая                        – 1,5 – 3 ммоль/дм3;
• средней жесткости        – 3 – 6 ммоль/дм3;
• жесткая                        – 6 – 9 ммоль/дм3;
• очень жесткая                – более 9 ммоль/дм3.

Оборудование и реактивы: бюретка вместимостью 25,00 см3; воронка; мерный цилиндр вместимостью 10 см3; колба коническая для титрования; стакан для слива; стакан вместимостью 50 см3; пипетка вместимостью 10,00 см3; раствор ЭДТА, Сэкв(ЭДТА) = 0,0500 моль/дм3; индикаторы – эриохром черный Т и мурексид; аммиачно-аммонийный буферный раствор; раствор КОН, С(КОН) = 2 моль/дм3; анализируемая вода со средней жесткостью 3 – 6 ммоль/дм3.

Методика выполнения анализа

1. Определение общей жесткости воды.

Аликвотную часть анализируемой воды переносят в колбу для титрования, добавляют 5 см3 аммиачно-буферной смеси и индикатор эриохром черный Т. Затем титруют раствор комплексоном III до перехода окраски из винно-красной в ярко-голубую. Последние капли добавляют медленно, тщательно перемешивая раствор. Вычисление общей жесткости воды производят по формуле:

где        Сэкв.(ЭДТА) – молярная концентрация эквивалентов раствора ЭДТА, моль/дм3; V(ЭДТА) – средний объем ЭДТА, израсходованный на титрование, см3;
Vал.ч.(Н2О) – аликвотная часть анализируемой воды, см3.

2. Определение раздельной жесткости воды за счет присутствия в воде ионов Са2+ и Mg2+.

Аликвотную часть анализируемой воды переносят в колбу для титрования, добавляют 5 см3 раствора КОН и индикатор мурексид. Затем титруют медленно комплексоном III до перехода окраски раствора из ярко-розовой в лиловую. Рассчитывают жесткость воды за счет присутствия ионов кальция по формуле:

Расчет жесткости воды за счет присутствия ионов магния проводят по формуле:

где        Ж(Н2О) – общая жесткость воды, ммоль/дм3; Ж(Са2+) – жесткость воды за счет присутствия в воде ионов Са2+, ммоль/дм3.

         По результатам эксперимента можно сделать вывод, что вода из под крана жесткая, наиболее эффективным фильтром по уменьшению жесткости является фильтр типа «кувшин».

Заключение

        Для улучшения качества питьевого водоснабжения Территориальный отдел Управления Роспотребнодзора по УР в городе Можга выделяет необходимость проведения следующих мероприятий:

• Взять на баланс по обслуживанию бесхозных сетей и сооружений питьевого водоснабжения;
• Защитить оголовки устья скважин от возможности загрязнения питьевой воды;
• Проводить своевременную очистку, промывку и дезинфекцию водопроводных сооружений, водонапорных башен и водопроводов с проведением лабораторного контроля за качеством воды после проведенных мероприятий;
• Внедрять очистку подаваемой населению воды в случае несоответствия ее качества гигиеническим нормам;
• Увеличить темпы обновления устаревших сетей водопровода, бурения новых скважин.

       Ввиду того, что МУП ЖКХ города Можги не справляется с данной работой, рекомендуется купить фильтр для очистки воды. На мой взгляд, выгоднее приобрести фильтр типа « стационарный фильтр» трехступенчатой очистки воды. Эти фильтры имеют отдельный краник для питьевой воды, быстро фильтруют воду, имеют высокий ресурс картриджей. Также рекомендуются фильтры обратного осмоса, но эти фильтры более высокотехнологичны и стоят дороже обычных фильтров.

         По результатам экспериментальной части работы наиболее эффективным фильтром является фильтр типа «кувшин». Однако он предназначен только для очистки питьевой воды, а для бытовых нужд: стиральных машин, газового отопления, водонагревателей, газовых котлов необходимо использовать «стационарный фильтр» (Приложение 2 ).

Приложение 1

Данные о состоянии источников централизованного питьевого

водоснабжения за 2010-2014 г.г. по городу Можге.

Приложение 2

Приложение 3

Результаты эксперимента:

Эффективность уменьшение жесткости питьевой воды