Изучение качества воды в скважинах и родниках Солнечногорского района Московской области

Изучение качества воды в скважинах и родниках

Солнечногорского района Московской области

Авторы:

Латынцева Элина,

Зеленоград, ГБОУ СОШ №718,

10  класс

Руководитель:

Третьякова Ирина Васильевна,

учитель химии ГБОУ Школа №718

Москва, 2015 год

СОДЕРЖАНИЕ

     Введение                                                                             2-3

1. Значение воды в жизни человека. Источники

загрязнения воды.                                                                4-9

2. Качественное обнаружение анионов

и катионов в природной воде.                                                10-12

3. Количественное обнаружение анионов

и катионов в природной воде.                                                13-16

4. Результаты исследований.                                                17-21

Заключение                                                                        22

Список литературы                                                        23

Приложения                                                                        24-29

Введение.

Состояние здоровья населения является одним из показателей благополучия общества и государства. С 1991 года у россиян наблюдается рост количества  заболеваний сердечно - сосудистой, эндокринной, мочевыводящей систем, развитие новообразований. Врачи утверждают, что наибольшая доля влияния на заболевания кроется в качестве питьевой воды.

         По заключению специалистов, в отдельных районах земли 80% всех болезней вызваны именно недоброкачественной водой.  В связи с этим многие люди используют воду из источников (родники, скважины).

Химический состав воды подземных источников и степень ее загрязнения зависят от многих причин: от глубины, с которой забирается вода, попадания в водоносный слой загрязнения от промышленных предприятий, свалок, сельскохозяйственных полей и т.д.

Важными характеристиками качества воды являются жесткость воды, водородный показатель рН воды, общая минерализация, содержание катионов тяжелых металлов, анионов, микробиологические и органолептические показатели.

        Цель работы: исследование химического состава природной воды скважин и родников Солнечногорского района Московской области и его сравнение с нормативами Сан ПиН 2.1.4.1175-02 «Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения».

        Пробы воды для исследования были взяты в населенных пунктах д.Андреевка, пос. Алабушево, пос. Поварово.

Задачи исследования:

1. Изучить литературу по физико-химическим методам исследования.

 2. Определить методы исследования и использовать их  для определения

состава     природной воды в  пробах.

 3. Определить качество природной воды в пробах.

      Методы: 

1. Изучение качества воды химическими и физико-химическими методами - вольтамперометрии и потенциометрии.
2. Количественная и качественная оценка содержания вредных примесей.
3. Сравнение качества исследуемой воды с нормативами Сан ПиН 2.1.4.1175-02 «Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения».

Гипотеза:

вода в родниках и скважинах  Солнечногорского района Московской области соответствует нормам Сан ПиН 2.1.4.1175-02 «Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения».

Значение воды в жизни человека. Источники загрязнения воды.

Вода – самое распространенное природное богатство на земном шаре. Она обладает особыми свойствами, без которых ни возникновение, ни существование организмов не было бы возможным.

Вода – основной растворитель в человеческом организме. Благодаря воде переносятся все вещества – соли, кислород, ферменты, гормоны. Она участвует в важнейших реакциях обмена и выделения из организма продуктов обмена. Без пищи человек может существовать около 40 дней, а вот без воды – гораздо меньше: всего 8 дней.

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) водой передается 85% известных болезней, от которых ежегодно умирает 25 миллионов человек. Кроме того, загрязненная вода на 30% ускоряет процесс старения.

В зависимости от происхождения воды и ее состава, она может принести как пользу нашему здоровью, так и вред.

Загрязнителей воды существует очень много, но условно их можно разделить на несколько групп. Так, по физическому состоянию выделяются нерастворимые, коллоидные и растворенные примеси. Кроме того, загрязнения делятся на минеральные, органические, бактериальные и биологические.

Минеральные загрязнения обычно представлены песком, глинистыми частицами, частицами руды, шлака, минеральных солей, растворами кислот, щелочей и другими веществами.

Органические загрязнения подразделяются по происхождению на растительные и животные. Растительные органические загрязнения представляют собой остатки растений, плодов, овощей, злаков, растительного масла и др. Загрязнения животного происхождения – это физиологические выделения людей и животных, остатки тканей животных, клеевые вещества и др.

Бактериальные биологические загрязнения свойственны, главным образом, бытовым сточным водам и стокам некоторых промышленных предприятий. Среди последних – бойни, кожевенные заводы, фабрики первичной обработки шерсти, меховые производства, биофабрики, предприятия микробиологической промышленности.           

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), а также национальные стандарты различных стран устанавливают параметры качества питьевой воды (таблица 1).

Таблица 1. Нормы качества воды

В настоящее время при обосновании гигиенических нормативов качества питьевой воды проводят её всесторонние комплексные исследования.

Для бытовых нужд и приготовления пищи на своих дачных участках мы используем воду из подземных источников - скважин и родников. Родники и скважины представляют собой грунтовые воды, разница состоит в том, что скважина – это горная выработка круглого сечения, пробуренная с поверхности земли или с подземной выработки без доступа человека к забою под любым углом к горизонту.

Химический состав воды подземных источников и степень ее загрязнения зависят от многих причин: от глубины, с которой забирается вода, попадания в водоносный слой загрязнения от промышленных предприятий, свалок, сельскохозяйственных полей и т.д.

        Для исследований мы использовали пробы воды из родников и скважин в населенных пунктах – д.Андреевка, пос. Алабушево, пос. Поварово.

Вода в исследуемых нами источниках может быть загрязнена за счёт антропогенного воздействия. Рядом с этими источниками пролегает Октябрьская железная дорога,  следовательно, в воде могут содержаться взвешенные частицы, нефтепродукты, бактериальные загрязнения, кислоты, щёлочи, поверхностно - активные вещества (ПАВ).

В Поварово находится машиностроительный завод. Основными загрязнителями красильных производств машиностроительных предприятий являются лакокрасочные материалы и их составляющие: синтетические смолы, органические растворители, пластификаторы, катализаторы и инициаторы пленкообразования, неорганических пигментов.

         Вблизи Андреевки находится завод по изготовлению стеклопластика. В подземных водах могут содержаться такие металлы, как кадмий, медь, ртуть, свинец  и цинк, а так же нитраты.

В пос. Алабушево размещается  асфальтобетонный завод, а также много стихийных свалок. Загрязнителями воды могут быть тяжелые металлы, нитраты и фосфаты.

В природных водах азот встречается в виде ионов NH4 +, NO2 , NO3-. Соединения азота в больших количествах поступают в воду, в том числе питьевую, в основном при нарушении агрохимических приемов работы.        

Предельно допустимая концентрация в питьевой воде нитратов – 45 мг/л.

Фтор может присутствовать в природных водах в виде бесцветного аниона F-. Попадая в организм, фтор отлагается в костях. Избыток его в питьевой воде вызывает повреждение эмали на зубах. Большие дозы подавляют образование коллагена.

        Источниками поступления фтора в окружающую среду являются предприятия электронной промышленности.

        Предельно допустимая концентрация фторид-ионов  в воде составляет 1,5 мг\л.

В природных водах сера чаще всего присутствует в виде сульфат-аниона  SO4 2- и сульфид-аниона S 2-. Сульфид-ион на порядок токсичнее сульфат-иона. При попадании в организм он вызывает нарушение функций печени.

        Источниками его поступления в воду являются процессы анаэробного разложения белка, деятельность некоторых микроорганизмов, рудные и сточные воды предприятий цветной металлургии.

        Предельно допустимая концентрация сульфид-аниона в воде составляет 0,05 мг\л.

В природных водах   фосфор присутствует в виде растворенных неорганических орто-, мета-, ди- и полифосфатов и органических фосфатов.

        Значительные количества фосфорсодержащих соединений попадают в воды в результате стока фосфорных удобрений с полей, коммунально-бытовые стоки, содержащие полифосфаты, входящие в состав моющих средств, умягчителей воды.

Присутствие в воде солей тяжелых металлов недопустимо, так как они все токсичны и могут накапливаться в организме человека. С этой точки зрения особую опасность представляют соли ртути, свинца, кадмия, меди и хрома.           

Свинец является одним из основных загрязнителей окружающей среды.

Он обладает способностью поражать центральную и периферическую нервные системы, костный мозг и кровь, сосуды, генетический аппарат, нарушая синтез белка, вызывает малокровие и параличи. Свинец способен замещать кальций в костях, что уменьшает их прочность.

Основными источниками загрязнения являются выхлопные газы автотранспорта, свинцовые трубы, аккумуляторы, краски (свинцовый сурик, белила) и сточные воды различных производств.

Допустимая концентрация свинца в воде - 0,03 мг/л.

Кадмий относится к наиболее токсичным металлам. Накопление в организме кадмия приводит к образованию камней в почках, гипертонии, уменьшению гемоглобина в крови, разрушению нервной системы.

Основными источниками поступления кадмия в окружающую среду являются кадмиевые покрытия, аккумуляторы, сигаретный дым.

        Предельно допустимая концентрация кадмия в природной воде составляет 0,001 мг\л.

Ртуть может находиться в растворе в виде ионов Hg2+ и Hg22+ . При определенных условиях ион способен диспропорционировать:

Hg22+  =  Hg2+  +  Hg

        Пары ртути накапливаются в головном мозге, почках и других органах.

Отравления соединениями ртути вызывают паралич конечностей, затруднение дыхания, смерть.

        Источниками поступления ртути в окружающую среду являются ртутные батареи и электроды, вышедшие из строя лампы дневного света, краски, пестициды.

        Предельно допустимая концентрация ртути в природной воде составляет 0,0005 мг\л.

Медь присутствует в воде в виде катиона. Накопление избытка меди в организме ведет к нарушению функций печени.

        Источниками поступления меди в воду могут служить сточные воды гальванического производства, продукты коррозии медьсодержащих сплавов.

           Предельно  допустимая концентрация меди в воде 1 мг/л.

В природных водах содержатся в основном соли трехвалентного железа. Степень токсичности железа по сравнению с другими катионами низкая, но высокое содержание его в питьевой воде может вызывать разрушение центральной нервной системы, повышать восприимчивость организма к инфекциям, приводить к повреждению печени, болезням желудочно-кишечного тракта.

        Источниками поступления железа в воду являются ржавые трубы, металлолом.

Предельно  допустимая концентрация общего железа в воде водоёмов и питьевой воде 5 мг/л.

4. Качественное обнаружение анионов и катионов в природной воде.

1. Качественное определение анионов в воде.

1. Качественное определение нитрат-ионов дифениламином (C6H5)2NH.

На часовое или предметное стекло помещается 3 капли раствора дифениламина, приготовленного на концентрированной серной кислоте, и 1-2 капли исследуемой воды.  Рядом наносится 1 капля анализируемого раствора и перемешивается с помощью стеклянной палочки. В присутствии нитрат - ионов появляется синее окрашивание, интенсивность которого зависит от их концентрации.

2. Качественное определение фторид – ионов.

           В пробирку отбирают 5 мл исследуемой воды и добавляют 3 капли 10% - ного раствора хлорида бария.

           Наличие фторид-ионов определяют по образованию объемного белого осадка   фторида бария  BaF2 , растворимого в минеральных кислотах и солях аммония:

Ba2+  +  2F-   = BaF2

3. Качественное определение сульфид - ионов.

              В пробирку вносят 5 мл исследуемой воды и добавляет 1 каплю раствора соли кадмия. Наличие сульфид-ионов определяют по образованию желтого осадка  сульфида кадмия:

Cd 2+  +  S 2-  = CdS

4. Качественное определение фосфат - ионов.

        А) В пробирку вносят 5 мл исследуемой воды и добавляют несколько капель гидроксида аммония  и  2-3 капли раствора соли хлорида бария. Наличие фосфат-ионов определяют по образованию белого осадка  фосфата бария, растворимого в соляной кислоте:

3Ba 2+  +  2PO4 3-   =  Ba 3 (PO4)2

        Б) В пробирку вносят 5 мл исследуемой воды и добавляют несколько капель раствора нитрата серебра. Наличие фосфат-ионов определяют по образованию желтого осадка  фосфата серебра, растворимого в азотной кислоте:

                                          3Ag +   +  PO4 3-  = Ag 3 PO 4

2. Качественное определение катионов тяжелых металлов в воде.

        Находящиеся в питьевой воде и в поверхностных водах примеси тяжёлых металлов, как правило, имеют очень малые концентрации. При выполнении качественных реакций необходимо строго придерживаться условий, при которых данная реакция протекает и даёт заметный аналитический эффект.

5. Обнаружение ионов свинца.

           В пробирку вносят 5 мл исследуемой воды и добавляют несколько капель   раствора хромата калия. Наличие ионов свинца определяют по образованию желтого осадка  хромата свинца:

Pb 2+  +  CrO4 2-   =  PbCrO4

6. Обнаружение ионов кадмия.

В пробирку вносят 5 мл исследуемой воды и добавляют несколько капель раствора сульфида натрия. Наличие ионов кадмия определяют по образованию желтого осадка  сульфида кадмия, растворимого в концентрированной соляной кислоте:

Cd 2+  +  S 2-   =  CdS

5.2.3. Обнаружение ионов ртути.

В пробирку вносят 5 мл исследуемой воды и добавляют несколько капель раствора иодида калия. Наличие ионов ртути определяют по образованию оранжевого осадка  иодида ртути:

Hg2+  + 2I-  =   HgI2

5.2.4.   Обнаружение   ионов  меди.

В пробирку вносят 5 мл исследуемой воды и добавляют осторожно по каплям раствор гидроксида аммония до образования осадка. Затем добавляют избыток реагента и наблюдают растворение осадка и образование раствора комплексного соединения меди сине-фиолетового цвета.

5.2.5.   Обнаружение   ионов   железа.

А) Гексоцианоферрат (ΙΙ) калия К4[ Fe(CN)6 ] в слабокислой среде с катионом железа (ΙΙΙ) образует тёмно-синий осадок берлинской лазури.

4Fe 3+  + 3[Fe(CN)6] 4-  =  Fe4 [Fe(CN)6]3

           К 1 мл исследуемой воды прибавить 1-2 капли раствора соляной кислоты и 2 капли раствора реактива.

Б) Роданид калия KSCN образует в кислой среде с катионом железа (ΙΙΙ) роданиды железа, окрашенные в кроваво-красный цвет.

Fe 3+  + 6(CNS)-  =  Fe(CNS)63-

           К 1 мл исследуемой воды прибавить 2-3 капли раствора соляной кислоты и 2-3 капли раствора реактива.

3. Количественное обнаружение анионов и катионов в природной воде.

1. Потенциометрическое определение ионов в природной воде.

        Ионометрический метод определения ионов в природной воде основан на измерении величины равновесного потенциала ионоселективного мембранного электрода, погруженного в раствор анализируемого иона. Потенциал измеряют относительно электрода сравнения, снабженного солевым мостиком, заполненного 1М раствором соли, с помощью иономера.

        В последнее время в потенциометрии широко применяются ионоселективные электроды, позволяющие избирательно измерять активную концентрацию определяемых ионов в растворе в присутствии посторонних ионов, мешающих определению (Таблица 3).

Таблица 3. Основные характеристики ионоселективных электродов.

        Помимо высокой избирательности ионоселективные электроды отличаются большой чувствительностью:  10 -4  - 10 -5 моль\л, а в некоторых случаях и 10 -7 моль\л.

        Концентрацию анализируемого иона находят по калибровочному графику(рис.1), который строят в координатах Е – (-lgC).

1. Определение хлорид-ионов и нитрат-ионов.

        Снимают зависимость потенциала ионоселективного электрода от концентрации хлорида калия и строят калибровочный график. Измерения проводят в порядке возрастания концентрации стандартных растворов хлорида калия.

        Измеряют значения равновесных потенциалов анализируемых растворов. Определяют концентрацию хлорид-ионов в пробах воды, пользуясь построенным калибровочным графиком.

        Концентрацию хлорид-ионов вычисляют в граммах по формуле

Х (г)  = С (моль\л)* М Cl-

Концентрацию нитрат-ионов вычисляют в граммах по формуле

Х (г)  = С (моль\л)* М NO3-

Рисунок 1. Калибровочный график

2. Водородный показатель.

           Питьевая воды должна иметь нейтральную реакцию (рН около 7). Величина рН воды водоемов хозяйственного, питьевого, культурно-бытового назначения регламентируются в пределах 6,5-8,5. В большинстве природных вод водородный показатель соответствует этому значению и зависит от соотношения концентраций свободного диоксида углерода и гидрокарбонат-иона. На величину рН влияет содержание карбонатов, гидроксидов, солей, подверженных гидролизу, гуминовых веществ и др.

           Оценивать величину рН можно разными способами.

А) Приближенное значение рН.

В пробирку наливают 5 мл исследуемой         воды, 0,1 мл универсального индикатора, перемешивают и по  окраске раствора оценивают величину рН:  

розово-оранжевая - рН около 5,

светло-желтая - 6,

светло-зеленая - 7,

зеленовато-голубая - 8.

    Б) Наиболее точно значение рН (с точностью до + 0,02 единицы рН) можно определить на иономере методом прямой потенциометрии. Датчиком, регистрирующим величину рН раствора, является стеклянный электрод, электродом сравнения – хлоридсеребряный.

Проверку электродов и настройку иономера проводят по буферным растворам (рН – 1,68; 6,86; 9,18).

В пробы воды погружают электроды и фиксируют значение рН, по которому вычисляют концентрацию ионов Н+ и ОН- в растворе.

2. Определение содержания токсичных ионов тяжелых металлов в природной воде методом инверсионной вольтамперометрии

Количественно определить содержание токсичных ионов тяжелых металлов (цинка, кадмия, свинца, меди) можно методом инверсионной вольтамперометрии.

        Сущность этого метода состоит в определении и интерпретации вольт-амперных кривых, полученных  при анализе раствора в электрохимической ячейке с помощью электродов – рабочего и электрода сравнения.

        Зависимость тока от потенциала для элемента имеет форму пика для инверсионной вольтамперометрии.

        Измерения проводят с помощью ВА-анализаторов. Программа измерений включает съемку вольт-амперных кривых пробы стандартного раствора, расчет концентрации и погрешности измерений. В современных ВА-комплексах эти данные обрабатываются с помощью компьютера.

        Общая схема ВА-анализа показана на рис 2.

Для определения концентрации ионов используется метод добавок. Он основан на зависимости анодного тока от концентрации:

I =  K*C,

где К – константа, зависящая от условий опыта.

        Из анализируемого раствора Сх готовят раствор с известной добавкой определяемого вещества Сх + Сдоб  и снимают вольтамперограммы обоих растворов.

Рисунок 2. Общая схема ВА-анализа.

Находят:

Ix  = K*Cx                                  Iдоб = К*Сдоб

Сх  = Сдоб * Ix/Iдоб,

где Ix – максимальный анодный ток анализируемого раствора, Iдоб – ток добавки.

        Добавка усиливает значения тока и на вольтамперограмме видны сигналы веществ с самой незначительной концентрацией. Чувствительность данного метода составляет 10-9 моль\л.

4. Результаты исследований.

4.1.Результаты  качественного обнаружения  в  пробах воды  ионов.

Таблица 4. Результаты качественного обнаружения в пробах воды ионов.

В родниковой воде пос. Поварово качественно обнаружены нитрат-ионы и фосфат-ионы, что может объясняться агрохимическими работами, проводимыми на участках; в пробах, взятых из скважин обнаружены ионы железа.

4.2.Результаты количественного определения ионов в пробах воды.

По стандартным растворам был построен калибровочный график (Приложение 1), сняты значения электродных потенциалов в пробах воды (Приложение 2), рассчитаны концентрации хлорид-ионов в пробах (Таблица 5).

Таблица 5. Результаты количественного определения хлорид-ионов в пробах воды методом потенциометрии.

Во всех пробах воды концентрация хлорид-ионов меньше, чем допустимая в Сан Пин 2.1.4.1175-02 «Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения».

По стандартным растворам был построен калибровочный график (Приложение 3), сняты значения электродных потенциалов в пробах воды (Приложение 4), рассчитаны концентрации нитрат-ионов в пробах (Таблица 6).

Таблица 6. Результаты количественного определения нитрат-ионов в пробах воды методом потенциометрии.

Во всех пробах воды концентрация нитрат-ионов меньше, чем допустимая в Сан Пин 2.1.4.1175-02 «Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения».

По стандартным растворам был построен калибровочный график (Приложение 5), сняты значения электродных потенциалов в пробах воды (Приложение 6), рассчитаны рН в пробах (Таблица 7).

Таблица 7. Результаты определения рН в пробах воды методом потенциометрии.

Значения рН исследуемых проб находятся в пределах 7,8-8,5 и соответствуют нормам Сан ПиН 2.1.4.1175-02 «Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения».

        Сняты показания измерений определения тяжелых металлов в воде (Приложения 7,8), результаты оформлены в таблице 8.

Таблица 8. Результаты количественного определения ионов тяжелых металлов в пробах воды методом инверсионной вольтамперометрии.

        Во всех пробах воды содержание ионов тяжелых металлов ниже или приближено к ПДК, содержание ионов соответствует нормам Сан ПиН 2.1.4.1175-02 «Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения».

Таблица 9. Результаты мониторинга природной воды Солнечногорского района Московской области.

По результатам исследований можно сделать вывод о соответствии химического состава анализируемой природной воды нормам Сан ПиН 2.1.4.1175-02 «Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения».

   Заключение.

 Сохранение запасов питьевой воды, ее экономное использование – одна из актуальных проблем, решение которой является важной государственной задачей, но, вместе с тем, в значительной степени зависит от каждого из нас.

Исследования проводились на основе наиболее чувствительных и надежных методов анализа, химическими и инструментальными методами по методикам, разработанным на кафедре Общей химии и экологии НИУ МГИЭТ (Лабораторный практикум по курсам «Экология» и «Химия окружающей среды», МИЭТ, 2005).

        По результатам исследований сделан вывод о соответствии химического состава анализируемой природной воды нормам Сан ПиН 2.1.4.1175-02 «Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения».

Вода, в основном, пригодна к употреблению, так как наличие в ней катионов и анионов соответствует нормам ПДК.

Список литературы.

1. А. С. Степановских. Прикладная экология: охрана окружающей среды, «Юнити-Дана», 2002.
2. Информационный выпуск «О состоянии природных ресурсов и окружающей среды Московской области в 2013 году», Министерство экологии и природопользования Московской области, 2014.
3. Л. И. Губарева, О. М. Мизирева.  Практикум «Экология человека», М., «Владос», 2007.
4. Лабораторный практикум по курсам «Экология» и «Химия окружающей среды», М., МИЭТ, 2005.

Приложения.

Приложение 1. Калибровочный график – определение хлорид-ионов в природной воде.

Приложение 2. Значения электродных потенциалов в пробах воды.

Приложение 3. Калибровочный график – определение нитрат-ионов в природной воде.

Приложение 4. Значения электродных потенциалов в пробах воды.

Приложение 5. Калибровочный график – определение рН в природной воде.

Приложение 6. Значения электродных потенциалов в пробах воды.

Приложение 7. Протокол исследования пробы воды из родника в Алабушево методом  инверсионной  вольтамперометрии.

Наименование пробы: Определение Zn, Cd, Pb, Cu в роднике Алабушево

Дата проведения анализа        - 23.11.2014г.         Время   - 15:46:01

Регистрационные номера проб        - 120, 121, 122

Элемент(ы)        -  Zn , Cd , Pb , Cu

Приложение 8. Вольтамперограмма определения тяжелых металлов в пробе воды (Алабушево, родник).