Научная работа учащихся 9 класса "Фильтры и их повторное использование"

XVIII ГОРОДСКАЯ ОТКРЫТАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ УЧАЩИХСЯ

«ИНТЕЛЛЕКТУАЛЫ XXI ВЕКА»

Секция: Естествознание (химия)

«Фильтры и их повторное использование»

                                        Гриценко Кристина

                                       МОБУ «Лицей №1», 9 «А» класс

Научный руководитель:

Мозгунова Екатерина Михайловна, ассистент кафедры химии Оренбургского государственного университета.

                                                         Школьный учитель:

                                Стрижаков Дмитрий Владимирович (химия)

г. Оренбург, 2011 г.

Содержание

Введение……………………………………………………………………3

Способы очистки воды и принцип действия фильтра…………………..4

Исследование воды………………………………………………………...4

Очистка фильтров………………………………………………………….7

Выводы……………………………………………………………………..8

Список литературы………………………………………………………...9

Введение

Актуальность темы. Важная роль воды заключается в том, что она является основным элементом в поддержании жизни человека, то есть – непременная составляющая часть всего живого.

Вода – необыкновенный, уникальный минерал! Это единственный минерал, который бывает в твёрдом, жидком и газообразном состоянии.

По данным Всемирной Организации Здравоохранения вода содержит 13 тысяч потенциально токсичных элементов, 80% заболеваний передаётся водой. От них на планете ежегодно умирают 25 млн. человек.

Основные источники загрязнения водных ресурсов принесла цивилизация. Поверхностные воды России в наибольшей степени загрязнены нефтепродуктами, фенолами, легко окисляемыми органическими веществами, соединениями металлов, аммонийным и нитритным азотом, а также специфическими загрязняющими веществами, к которым относятся лигнин, ксантогенаты, формальдегид и другие, приносимые в водоемы сточными водами предприятий сельского и коммунального хозяйства.

Эксперты Всемирной организации здравоохранения установили, что очень многих болезней и смертей можно было бы избежать благодаря единственному недорогому средству – обеспечению населения чистой питьевой водой.

Какую же питьевую воду можно назвать биологически полноценной? Очевидно, что, с одной стороны, концентрация химических компонентов такой воды не должна превышать предельно-допустимых норм. С другой стороны, для ряда химических соединений есть и нижний порог безопасности. Постоянное употребление воды с дефицитом кальция, магния, углекислоты, йода, фтора также неблагоприятно влияет на организм и влечёт развитие различных болезней. Например, дефицит фтора ведёт к развитию кариеса, а недостаток йода способствует возникновению заболеваний щитовидной железы.

Сегодня вся питьевая вода очищается на станциях водоочистки, но многие предпочитают проводить дополнительную очистку в своем доме при помощи бытовых фильтров. После использования, эти фильтры утилизируют или сдают в пункты приемов (если такие есть в городе и до них не лень ехать). А почему компании собирают бывшие в употреблении фильтры? Можно ли их использовать заново?

Цель нашей работы – рассмотреть возможность очистки домашнего фильтра для воды и его повторного использования.

Способы очистки питьевой воды и принцип действия фильтров

Самый распространённый способ дезинфекции воды – кипячение. Как показывают данные последних исследований, этот старинный метод, действительно, убивает бактерии, но одновременно при кипячении увеличивается концентрация нитратов, соли, тяжёлых металлов. Кроме того, некоторые неорганические загрязнения, содержащиеся в водопроводной воде, при кипячении не разлагаются.

Важно и то, что при кипячении в осадок выпадают кальций, натрий, магний, фтор и другие необходимые организму биогенные химические элементы, которые содержатся в воде в растворённом виде. Таким образом, вода становится мёртвой, отчасти бесполезной для организма, который лишается жизненно необходимых химических элементов. Особенно опасно это для детей – ведь от этого зависит их рост, правильное развитие, костеобразование. Болезни костеобразования, кариес, остеохондроз, болезни пищеварения, крови, смещения кислотно–щелочного баланса, зоб и т.д. – всех этих проблем можно было бы избежать употреблением «правильной», живой воды.

Ещё один распространённый способ дезинфекции, который подразумевает использование хлора, также не лишён подводных камней. Как доказано современной наукой, хлор является опасным для здоровья человека, он образует в воде так называемые хлорорганические соединения, которые являются канцерогенами.

Использование домашних фильтров – один из надёжных способов очистки воды, но и в этом случае не мешает осторожность. Если фильтр низкого качества, то, проходя через него, вода может вместе с загрязнениями оставить в очистителе и полезные компоненты, а затем «попытается» снова забрать их из вашего организма.

Действие фильтра основано на явлении адсорбции. Это явления задержания веществ на поверхности адсорбирующего материала. Адсорбирующиеся примеси остаются в фильтре и когда все свободное место занимается ими, фильтр перестает очищать воду.

Исследование воды.

Для анализа работы фильтра решено использовать показатели качества воды, которая пропущена через фильтр. Таким образом мы отслеживали выполнение главной функции фильтра – задержание частиц.

Проводились исследования воды трёх разных эссенций: из-под крана, после прохождения через фильтр, крепящийся на кран (бывшего в употреблении) и из-под фильтра кувшинного типа.

Определение сухого остатка.

Определяется, для исследования разницы между выпадениями осадка в разных случаях.

Отбирают пипеткой 25 см3 фильтрата водной вытяжки, помещают в предварительно просушенную при температуре 105 оС и взвешенную с точностью до 0,001 г  фарфоровую чашку.  Чашку ставят на водяную баню и выпаривают фильтрат до влажных солей. Затем чашку помещают в термостат, выдерживают в нем в течение 3 часов при температуре 105 оС, охлаждают в эксикаторе и взвешивают с погрешностью не более 0,001 г.

 Расчет

                                           (m 1– m) ∙ 500

                                  Х =           25    

где         m  -  масса пустой чашки, г;

              m1  -  масса чашки с осадком, г;

              500 – коэффициент пересчета в проценты;

               25  - объем пробы вытяжки, см3

Вода из-под крана.

((55,9639 г – 48,8764 г) * 500) / 25 = 141,75 г/см3

Вода фильтра «Аквафор».

((55,9477 г – 48,8764 г) *500) / 25 = 141,426 г/см3

Вода из-под неизвестного фильтра.

(( 48,9134 г – 48,8764 г) * 500) / 25 = 0,74 г/см3

Определение  содержания  Cl-.

Пробу вытяжки объемом от 2 до 20 мл  отбирают пипеткой в коническую колбу, приливают дистиллированную воду до объема 20-30 мл, 1 мл 10 % раствора K2CrO4 и титруют 0,02 М раствором  азотнокислого серебра до перехода окраски от желтой к красно-бурой. Титрование проводят три раза (V1, V2, V3).

Одну пробу титруют раствором нитрата серебра до появления слабого оранжевого оттенка, вторую пробу используют в качестве контрольной. При значительном содержании хлоридов образуется осадок AgCl в количестве, мешающем определению. В этом случае к оттитрованной первой пробе приливают 2-3 капли титрованного раствора NaCl до исчезновения оранжевого оттенка, затем титруют вторую пробу, пользуясь первой как контрольной.                                                                                                                                                                                                                                  

Расчет

Количество эквивалентов иона хлорида (Х) моль вычисляют по формуле:

 где      V1 –объем раствора азотнокислого серебра, пошедший на

                     титрование, см3;

              С  - концентрация раствора азотнокислого серебра, ммоль/см3;

              500  - коэффициент пересчета на 100 г почвы;

               V – объем пробы водной вытяжки.

Массовую долю иона хлорида (Х1) в % вычисляют по формуле:

                       Х1 = Х ∙ 0,0355                        

Содержание хлорид ионов в воде вычисляют в мг/л.

 Вода из-под крана.

(1,35 мл * 0,02 * 500) / 20 мл = 0,675 мг/л

0,675 мг/л * 0,0355 = 0,0239625 мг/л

Вода из-под фильтра «Аквафор».

(1,3 мл * 0,02 * 500) / 20 = 0,65 мг/л

0,65 мг/л * 0,0355 = 0,023075 мг/л

Вода из-под неизвестного фильтра.

(1,18 мл * 0,02 * 500) / 20 = 0,59 мг/л

0,59 мг/л * 0,0355 = 0,020945 мг/л

Определение магния.

Отбирают пипеткой 10 мл анализируемой вытяжки в коническую колбу для титрования, при перемешивании приливают 50 мл дистиллированной воды, 0,5 мл 5 % раствора гидроксиламина гидрохлорида, 2 мл 2 М раствора NaOH, добавляют несколько кристаллов диэтилдитиокарбамата натрия и 5 капель 0,5 % раствора  хрома кислотного темно-синего. Титруют кальций 0,01 н раствором ЭДТА до перехода окраски от розовой к сиреневой и регистрируют расход титранта по бюретке.

Расчет

  Количество эквивалентов кальция или магния в анализируемой пробе(Х),

 ммоль·экв/100г, вычисляют по формуле:

                                      X = (V-V1)/V2 · c · 500,

         Где        V – объем раствора ЭДТА, израсходованный на титрование

                               кальция или магния, мл;

        V1 - объем раствора ЭДТА, израсходованный на титрование

                               кальция или магния в холостой пробе, мл;

        V2 – объем пробы анализируемой вытяжки,мл;

        с   -  концентрация раствора ЭДТА, ммоль·экв/мл;

        500 – коэффициент пересчета

Вода из-под крана.

(7,3 мл / 10 мл) * 0,05 ммоль*экв/мл * 500 = 18,25 ммоль*экв/мл

Вода из-под фильтра «Аквафор».

(4,5 мл / 10 мл) * 0,05 ммоль*экв/мл * 500 = 11,375 ммоль*экв/мл

Вода из-под фильтра неизвестного происхождения.

(5,7 мл / 10 мл) * 0,05 ммоль*экв/мл * 500 = 14,25 ммоль*экв/мл

Очистка фильтров

Для очистки фильтра необходимо было провести десорбцию (процесс «отлипания» частиц от фильтрующего материала) грязи, которая в нем находится и ее удаление. В промышленности такой процесс называется промывкой фильтров и происходит под большим давлением воды. После анализа литературы по вопросу адсорбции и десорбции, мы выбрали несколько действий.

Фильтры очищались двумя способами: горячей водой и уксусной кислотой. Так как уксусная кислота доступна для бытового применения, а ее соли растворимы. При необходимости очистку можно произвести в домашних условиях. После очистки, воду, очищенную после восстановленного фильтра определяют на содержание хлора и магния.

Определение сухого остатка.

((42,8878 г – 42,8686 г) * 500) / 25 = 0,384 г/см3

Определение хлора.

(3,3 мл * 0,02 * 500) / 20 мл = 1,65 мг/л

1,65 мг/л * 0,0355 = 0,058575 мг/л

Определение магния.

(3,4 мл / 10 мл) * 0,05 ммоль*экв/мл * 500 = 8,5 ммоль*экв/мл

Выводы

Мы провели исследовательскую работу по проблеме возможности повторного использования домашних фильтров. Для этого мы исследовали теорию принципа действия фильтров и  практически определили качество воды после фильтрования. Так же на практике мы предложили и реализовали способы очистки фильтрующего материала. Полученный результат можно считать успешным.

Фильтры можно использовать после восстановления. Лучше всего  для восстановления подходит уксусная кислота, так как большинство её солей растворимы и кроме процесса десорбции происходит растворение примесей. Фильтр можно использовать после пропускания некоторого количества воды для вымывания оставшейся кислоты. В данной работе объём воды составил 2 литра. Это было определено по отсутствию кислоты (по показанию рН метра) в воде после пропускания через очищенный фильтр.

Поэтому, в целях экономии средств, возможно использовать уксусную кислоту (столовую эссенцию) для восстановления фильтров. Перспективой работы является определения срока эксплуатации фильтров после очистки. Но это не входило в цель работы и требует значительного времени, так как заявленный производителем срок работы фильтра составляет 3-4 месяца.

Список литературы

•  В.Ф. Кожинов –  Очистка питьевой и технической воды, «Бастед», М. 2008 г.
•  http://watermarket.ru/articles/2788
•  http://nikken77.narod.ru/voda1.html
•  http://5ballov.qip.ru/referats/preview/82002