Изучение параметров очистки воды при помощи кувшинных фильтров различных марок

Изучение параметров очистки воды при помощи кувшинных фильтров различных марок  

Авдеев Всеволод, Бекешев Егор, Ермолов Владимир,

Иванов Лев, Ускова Владислава

Цель работы: сравнение разных кувшинных фильтров для воды по потребительским характеристикам

Задачи:

• Собрать информацию по способам очистки воды в домашних условиях и параметрам качества очистки
• Освоить доступные методы анализа качества воды
• Изучить изменение качества очистки воды фильтрами различных марок в зависимости от времени работы фильтра
• Изучить соответствие рекламных данных о ресурсе каждого фильтра реальному ресурсу
• Сравнить различные типы фильтров по возможности очистки от органических загрязнений
• Сравнить фильтры по критерию «цена/качество»

Обзор информации

Академик А.Е.Ферсман называл воду " самым важным минералом на земле, без которого нет жизни ", а немецкий физиолог Эмиль Дюбуа писал: «Жизнь – это одушевленная вода». Действительно, биологическое значение воды невозможно переоценить. Вода является той физико-химической средой, в которой осуществляется большинство реакций обмена веществ. Организм человека на 60-70% состоит из этой жидкости, она содержится во всех органах и тканях, включая даже зубную эмаль.

С водой в организм поступают многочисленные полезные микроэлементы, и насыщают клетки влагой, благодаря этому вода способствует улучшению здоровья и внешнего вида. Кроме этого, вода помогает выводить из организма, попадающие в него с пищей или другими напитками, токсины. Работа сердечной мышцы тоже зависит от потребления достаточного количества воды, при ее нехватке существует риск возникновения сердечно-сосудистых заболеваний. А на суставы и мышцы вода действует как природная «смазка», то есть облегчает их работу и уменьшает «истираемость».  Вода поддерживает в норме пищеварение и иммунитет, участвует в поддержании оптимальной температуры тела.  

Недостаток воды часто проявляется в том, что у человека ухудшается внимание, память и может появиться головная боль, поэтому при возникновении головной боли врачи рекомендуют не сразу пить болеутоляющие таблетки, а сначала выпить чистой, прохладной воды.

Но какую же воду можно считать чистой, пригодной для питья?

В разных странах существуют различные требования к чистоте воды. Санитарные правила и нормы, принятые в нашей стране, в целом менее жесткие, чем европейские. Например, общее содержание растворенных веществ (Total dissolved solids (TDS)) в России допускается до 1000 мг/л, выше этого показателя вода уже имеет выраженный горько-соленый вкус. Европейскими же нормами вода с TDS выше 500 мг/мл признаётся негодной к употреблению для питья, а хорошей считается вода с этим показателем порядка 50-150 мг/мл.

Контролируются также такие показатели качества воды, как запах, мутность, цветность, величина рН, жесткость, содержание нитратов и нитритов, железа, а также остаточного хлора (для водопроводной воды) и целого ряда других веществ.

Люди издревле понимали необходимость употребления именно чистой воды. При отсутствии источников такой воды её очищали различными способами. С давних времен дошли свидетельства об использовании систем очистки воды с применением кипячения воды, воздействия солнечных лучей, металлов с бактерицидными свойствами

Изобретение первого фильтра приписывают Гиппократу – конусообразный мешочек и нескольких слоёв плотной ткани. Но ещё в Древнем Египте, подобными устройствами пользовались жрецы, запечатлённые на фресках храмов и гробниц с конусообразным ведёрком зачерпывающими воду из Нила. Там же, были построены песчаные дамбы, перед накопителями питьевой воды, древние аналоги современных фильтров.  

 Первый современный фильтр-кувшин был выпущен Хенкеммером, основателем компании «Brita», в 1966 году в Германии. Он придумал эргономичную форму бытового фильтра, удобную в эксплуатации и достаточно прибыльную для развития бизнеса: замена фильтрующих элементов (картриджей) приносит достаточно серьезный доход. В 90-е годы эта технология очистки воды в домашних условиях проникла в Россию, и появился ряд производителей подобных фильтров, торгующих своей продукцией на территории РФ.

Практическая часть

К настоящему моменту основными торговыми марками, предствленными на отечественном рынке являются «Брита» (Германия), «Аквафор» (Россия), «Барьер» (Россия), «Гейзер» (Россия), «BWT» (Австрия).  В большинстве случаев они предназначены для доочистки водопроводной воды.

В данной работе изучалась очистка воды при помощи фильтрующих картриджей четырех торговых марок: «Брита», «Барьер», «Аквафор», «Ашан» (вариант фильтра «Аквафор» для торговой сети «Ашан»). Для исследования были выбраны картриджи классического типа (для воды без повышенных показателей по жесткости, содержанию железа и т.п.).

Была произведена внешняя оценка картриджей и информации на упаковке. Результаты приведены в табл.1.

Таблица 1. Сравнение внешних характеристик исследуемых картриджей

Из таблицы видно, что, хотя картриджи «Аквафор» и «Ашан» произведены одним предприятием, они отличаются по массе картриджа и цене.

Также была произведена оценка наполнителя каждого картриджа при помощи бинокулярного микроскопа с 20-кратным увеличением. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2. Особенности наполнителя исследуемых картриджей.

После обработки картриджей в соответствии с рекомендациями производителя (табл.1), были замерены характеристики профильтрованной воды при помощи тест-полосок, предназначенных для определения качества водопроводной воды. Результаты измерений приведены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты определения параметров воды после очистки различными типами картриджей (6-ой литр после начала работы)

Из представленных данных видно, что свежие картриджи практически не отличаются по представленным показателям в диапазоне измерений, доступном для данного метода.

          Через каждый картридж было пропущено 180 литров воды с периодическим (через каждые 5 литров) измерением параметров фильтрации. Измерялась скорость фильтрации, разница содержания растворенных веществ в исходной и профильтрованной воде, рН. Результаты для каждого картриджа представлены на графиках.

        Из графика значений рН видно, что очищенная вода во всех случаях является более кислой, чем исходная, причем наибольшее снижение рН наблюдается для картриджа Брита, что может быть связано с действием ионообменных смол, которые находятся в наполнителе в большом количестве.

        Время фильтрации одного литра увеличивается по мере работы фильтров для всех картриджей, однако для марок «Аквафор» и «Ашан» это происходит быстрее, увеличиваясь за время работы почти в 2 раза, в то время как «Барьер» и «Брита» снизили скорость фильтрации в среднем в 1,3 раза.

О ресурсе фильтров можно приблизительно судить по изменению показателя TDS по сравнению с исходной водой (в среднем TDS для исходной воды составлял 150 мг/л). Из графика видно, что для всех картриджей этот показатель довольно быстро снижается, однако для фильтра «Барьер» разница между очищенной и неочищенной водой становится меньше 10 мг/л уже после фильтрации 80 литров, при заявленном ресурсе в 200 литров. Картриджи «Аквафор» и «Ашан» показывают тот же результат после 130 литров при заявленном ресурсе 180 литров. Картридж «Брита» сохраняет разницу порядка 20 мг/л вплоть до 180 литров, что еще далеко до заявленного ресурса в 300 литров. Однако, экстраполируя график изменения разницы TDS, можно предположить, что разница снизится до 10 мг/л около 240-250 литров.

Возможно, что такие результаты по ресурсу частично связаны с условиями эксперимента, когда в сутки через фильтры пропускалось 20-30 литров воды. Допускаем, что в более щадящих условиях эксплуатации (не более 5 – 7 литров в день) ресурс оказался бы ближе к заявленному.

Показатель мутности отфильтрованной воды на первом этапе резко падает, что связано с удалением мелких частиц наполнителя (для чего и рекомендуется сливать первые порции фильтрованной воды), а затем не очень значительно растет. Следовательно, от взвешенных частиц данные картриджи освобождают воду и когда ресурс практически исчерпан, хотя следует отметить, что «Барьер» по данному показателю несколько проигрывает, а самые лучшие результаты даёт картридж «Аквафор».

После пропускания 180 литров воды через каждый из картриджей, ее показатели вновь были оценены при помощи тест-полосок. Полученные результаты представлены в таблице 5. Параметры, изменившиеся за время работы картриджа, выделены цветом.

Таблица 5. Параметры воды после очистки различными типами картриджей (180-ый литр после начала работы) в сравнении с началом работы

        Данные таблицы согласуются в целом с представленными графиками.  Здесь особенно интересны значения содержания ионов железа. Видно, что к концу исследования продолжал заметно удалять железо только картридж «Брита».

        На основании данных о наблюдаемом ресурсе картриджей была вычислена уточненная стоимость литра очищенной воды. Данные приведены в таблице 6.

Таблица 6. Уточненная стоимость литра фильтрованной воды

        На этом этапе исследований казалось, что «Брита», несмотря на высокую стоимость картриджа, выигрывает у картриджей «Аквафор» и «Ашан», учитывая качество очистки, скорость работы и больший ресурс.  

Однако далее нами была оценена способность данных картриджей очистить воду от органических примесей. Стандартной моделью таких примесей является краситель метиленовый синий. Раствор этого красителя был пропущен через свежие картриджи. Степень очистки оценивалась визуально в цилиндре с высотой столба жидкости 40 см. Результаты представлены в таблице 7.

Таблица 7. Результаты очистки воды от метиленового синего

Из данных таблицы 7 видно, что хорошо очистить воду от красителя удалось только картриджам «Аквафор» и «Ашан». Окраска фильтрованной воды была практически незаметной. Стоит отметить разницу в оттенке красителя в фильтрованной воде, несмотря на то, что картриджи изготовлены на одном производстве. Картриджи «Брита» и «Барьер» не смогли задержать значительную часть органики, причём фильтрация через «Барьер» происходила крайне медленно и остановилась после 0,5 литра. Разный оттенок профильтрованной воды связан, с разным значением рН фильтрата, что было показано путем подкисления и подщелачивания разбавленного исходного раствора метиленового синего (см.рис.1).

Таким образом, картридж «Брита» уступил по степени очистки от органических примесей более дешёвым «Аквафору» и «Ашану».

Выводы:

1. Изученные картриджи постепенно теряют возможность освобождать воду от растворённых веществ, а процесс фильтрации занимает всё больше времени (в особенности у картриджей марки «Аквафор/Ашан»).
2. Ресурс картриджей «Аквафор/Ашан» и «Брита» в условиях эксперимента составил 70 -80% от заявленного, а для картриджа «Барьер» не достиг и 50%.
3. Хорошо очищают воду от органических загрязнений картриджи «Аквафор/Ашан» в отличие от фильтров остальных марок.
4. По критерию «цена/качество» изученные картриджи можно расположить в следующем порядке от лучшего к худшему: «Ашан»-«Аквафор»-«Брита»-«Барьер».
5. С учётом всех факторов можно было бы рекомендовать покупать более дешёвые картриджи из нашей подборки и чаще производить их замену.

Список использованных источников информации:

1. Ахманов М.: Вода, которую мы пьем. Качество питьевой воды и ее очистка с помощью бытовых фильтров -М: Эксмо, 2007 г.
2. Габриелян О.С., Попкова Т.Н., Сладков С.А.: Химия. Вода в нашей жизни. Дополнительные материалы к учебникам О.С. Габриеляна "Химия.8-9 классы" –М: Дрофа, 2011 г.
3. Тимофеев И.В. Как очистить воду -  Ростов-на-Дону: Феникс. 2000
4. Показатели качества питьевой воды:https://strojdvor.ru/vodosnabzhenie/pokazateli-kacestva-vody-pri-zelanii-mozno-slit-s-sanpin-vodosnabzenie/
5. История возникновения фильтров для воды: https://mylektsii.ru/12-14369.html
6. Фильтр-кувшины: история развития: http://www.ler.by/прессцентр/390/
7. Как выбрать кувшинный фильтр: https://club.dns-shop.ru/blog/t-202-filtryi-dlya-vodyi/16609-kak-vyibrat-kuvshinnyii-filtr/
8. Лучшие кувшинные фильтры для воды: https://expertology.ru/luchshie-filtry-kuvshiny-dlya-vody/
9. Метиленовый синий как модель органических загрязнений воды: https://melscience.com/RU-ru/experiments/pure-water_carbon-filter/