Российский национальный юниорский водный конкурс

Исследовательская работа

"Анализ и сравнение способов очистки воды "

(номинация «Вода и мир»)

Работу выполнили:

ученики 11класса ГБОУ НАО "СШ п. Искателей"

Тачков Максим и Трусов Александр

Руководитель проекта:

учитель химии   ГБОУ НАО "СШ п. Искателей"

Молчанова Евгения Петровна

пос. Искателей

2017

Содержание

Введение

Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы с ней сравниться по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических процессов. Не только земная поверхность, но и глубокие – в масштабе биосферы – части планеты определяются, в самых существенных своих проявлениях, её существованием и её свойствами.

                В.И.Вернадский.        

Вода — это самый драгоценный подарок природы, который обеспечивает жизнь на Земле. Вода —активный творец нашей планеты, один из основных “строительных материалов” любого живого организма, в том числе и человеческого. Однако чистая вода далеко не всегда доступна нам. На пути из скважины или источника к потребителю вода загрязняется, появляются механические и биологические примеси, а также хлористые соединения. Поэтому одним из главных вопросов для многих стал, как очистить воду из-под крана в домашних условиях, сделав ее пригодной для употребления. 

Наш организм на 80% состоит из воды. Ни для кого не секрет, что человек может жить несколько недель без еды, но только несколько дней без воды. Необходимо не меньше 3,8 литра воды в день на человека, чтобы он чувствовал себя бодрым, энергичным, здоровым. От качества употребляемой нами воды зависит обмен веществ, иммунитет, микрофлора, состояние кожи и даже психическое здоровье. Зачастую мы тратим немалые средства на водопроводную очистку с помощью фильтров, но есть много простых способов очистки воды в домашних условиях без особых затрат.

Мы выбрали тему "Анализ и сравнение способов очистки", т.к. хотим выяснить какой способ очистки воды в домашних условиях наиболее эффективный.

Цель работы: определить, какой метод очистки воды в домашних условиях эффективнее.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить и проанализировать информацию в СМИ и в научной литературе о способах очистки питьевой воды;
2. Провести социологический опрос среди населения с целью выяснения мнения жителей поселка по поводу очистки воды;
3. Исследовать качество водопроводной питьевой воды в посёлке Искателей, профильтрованной разными способами, по некоторым органолептическим и химическим показателям;
4. Сделать соответствующие выводы по рассматриваемым вопросам.

Объект исследования- питьевая вода п. Искателей.

Предмет исследования– способы очистки питьевой воды п. Искателей.

Гипотеза: очистить воду можноc помощью народных средств, не прибегая к покупке фильтра.

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Из истории очистки воды

Проблема качества воды и ее очистки затрагивает очень многие стороны жизни человеческого общества в течение всей истории его существования. История фильтрования воды началась еще в Древнем Египте. Там для механической очистки воды применяли песок, толченую пемзу, губки, шерсть, хлопок-сырец, ткани, кору. Первое время стоял разве что вопрос придания питьевой воде дополнительных качеств. Мутную воду отстаивали, а в некоторых случаях даже приправляли ягодами, орехами, лепестками цветов, что ароматизировало ее и давало приятный вкус.         

Со временем люди научились и стали применять простые химические препараты для очистки воды.         

Примером первых систем очистки воды является использование китайцами, пропитанной коагулянтом, тростинки камыша, помешивая которую, они добивались того, что различные примеси, например, глиняная муть, слеплялись и выпадали в осадок, а вода благодаря такой системе очистки становилась пригодной для питья.
В античном мире также были свои системы очистки воды. Фильтрование воды с помощью тканевых мешочков (рукавов) широко применялось в этот период. Один из таких приборов очистки воды вошел в историю медицины под названием «рукав Гиппократа». Эта система очистки воды документально зафиксирована историческими источниками и историей медицины, которые датируются V-VI веками до н. э. С давних времен дошли свидетельства об использовании систем очистки воды с применением кипячения воды (дезинфекции), воздействия солнечных лучей, металлов с бактерицидными свойствами. Интересно, что подобные технологии в системах очистки воды применяли в давние времена и народы, которые жили на территории Украины.         

Интересные факты дошли до нас из Средневековья, когда увеличение населения и потребности в чистой питьевой воде подтолкнули европейских изобретателей к созданию фильтров по очистке воды. В этих фильтрах вода очищалась, проходя через слои песка, щебня и древесного угля. Например, такого типа фильтрование применил венецианский изобретатель в одной из первых действующих систем очистки воды, о чем оставил письменные свидетельства. Он указал, что пытался лишь воспроизвести в системе очистительные процессы, которых испытывает вода в природе. Подобные очистные системы применяли и инки. Со временем, когда губительное антропогенное воздействие на водные источники возросло, этого уже стало мало, и человечество стало искать решения, которые удосконалили бы системы очистки воды и улучшили бы качество питьевой воды.

В разных частях мира началось строительство специальных сооружений, предназначенных для накопления, хранения и очистки воды.

В европейских странах использовали "фильтровальные камни" - песчаники. В конце XVII в. в Европе воду стали очищать для общественного пользования. Угольный фильтр для очистки воды изобрели в Петербурге, а использовать стали на 20 лет позже, чем в Европе. В 1788 г. петербургский ученый немецкого происхождения, будущий академик Товий Ловиц открыл фильтрующие свойства измельченного дубового и березового угля, а в 1790 г., после испытаний, доложил об открытии Вольному экономическому обществу. В английском флоте переносные водоочистные устройства появились в 1791 г. [2]

1.2. Методы очистки воды

1.    Наиболее простым и известным способом очистки воды является ее кипячение. Когда высокая температура действует на воду, происходит ее стерилизация и вода очищается от микроорганизмов (вирусов, микробов) – такой эффект можно получить только при кипячении воды в течение четверти часа, не накрывая крышкой, чтобы с паром удалялись вредные соединения.

2. Не менее простым методом очистки воды является ее банальное отстаивание. Просто налили в посудину воду, дали ей постоять 8 часов – за это время летучий хлор вместе с другими летучими примесями испарится (хорошо, если будете периодически помешивать воду – это поможет процессам «улетучивания» происходить интенсивнее). Однако соли тяжелых металлов из отстоянной воды никуда не денутся, в лучшем случае они оседают на дно. Потому, когда будете использовать эту воду, выливайте 2/3 ее содержимого, не взбалтывая, чтобы осадок на дне не смешался с более-менее очищенной водой.
3. Заморозка – сегодня это все более популярный метод очищения воды, который, к тому же, считается еще и самым эффективным. В емкость наливается вода (кто использует кастрюлю, кто пластиковые контейнеры, но не используйте стекло), причем не наливайте воду «с верхом», оставьте свободным небольшое пространство, так как вода при замерзании способна увеличиваться в объеме.

Чистая пресная вода замерзнет быстрее, чем вода с примесями солей. Потому следите, когда в емкости наполовину вода замерзнет, незамерзшую воду вылейте (в ней все вредные примеси), а замороженную воду растопите – ее можно пить и применять для приготовления еды.

4. Для очистки воды можно воспользоваться активированным углем. Ведь в основе большинства фильтров применяют именно уголь. Это средство является не только прекрасным нейтрализатором неприятных запахов (старых ржавых труб, к примеру, или хлорки), но и, подобно губке, уголь может впитывать вредные вещества из водопроводной воды.Просто оберните в марлю таблетки активированного угля (в расчете 1 таблетка на 1 литр воды) и поместите в посудину с водой. Уже следующим утром (спустя 8 часов) у вас будет готова чистая вода.
5. Остальные варианты очищения воды: бытовой фильтр в виде кувшина (в нем используют фильтр угольно-кремниевый), способный убрать из воды хлорку и токсичные металлы, при условии, что картриджи вы меняете ежемесячно, различные насадки и, конечно, стационарные фильтры. [3]

Глава 2. Результаты исследования

2.1. Социальный опрос

Для оценки информированности населения п. Искателей о качестве питьевой воды было опрошено 180 человек.  

Результаты анкетированияпредставлены на диаграммах.

Вывод:в ходе опроса мы выяснили, что 71% опрошенных считают, что наиболее эффективным способом очистки воды является кипячение, и 23% - очистка активированным углем. На счет второго вопроса мнения разделились: одна половина опрошенных считают выгодным самим фильтровать воду, а другая – покупать готовые фильтры.

2.2. Определение органолептических показателей воды

2.2.1. Определение цвета

Цветность – естественное свойство природной воды, обусловленное присутствием гуминовых веществ и комплексных соединений железа. Цветность воды может определяться свойствами и структурой дна водоема, характером водной растительности, прилегающей к водоему почв, наличием в водосборном бассейне болот и торфяников и др. [1]

Ход работы: в стеклянные цилиндры высотой 20 см налили исследуемую воду до высоты 10-12 см, снизу положили лист белой бумаги (в качестве фона). Определили цветность воды, рассматривая воду сверху при достаточном боковом освещении. Выбрали наиболее подходящий оттенок из таблицы 2 (ГОСТ 1030) (приложение 1).

Вывод: питьевая вода п. Искателей -слабожелтая, устранить цвет воды удалость только с помощью замораживания. Результаты визуального определения цвета представлены в таблице 6(приложение 3).

2.2.2. Качественное определение мутности воды

Мутность воды обусловлена содержанием взвешенных в воде мелкодисперсных примесей – нерастворимых или коллоидных частиц различных происхождением. [1]

Ход работы: для качественного определения мутности воды заполнили пробирку водой до высоты 10-12 см. Определили мутность воды, рассматривая пробирку сверху на темном фоне при достаточном искусственном освещении. Выбрали наиболее подходящий оттенок из таблицы 4 (приложение 2)

Вывод: питьевая вода п. Искателей не мутная. Результаты определения мутности представлены в таблице 6(приложение 3).

2.2.3. Определение характера и интенсивности запаха

Запах воды обусловлен наличием в ней летучих пахнущих веществ, которые попадают в воду естественным путем либо со сточными водами. Практически все органические вещества имеют запах и передают его воде. [1]

Ход работы: запах воды определяли в помещении, где нет посторонних запахов. Кроме того, важно, чтобы запах одной и той же пробы воды определяли несколько человек.

Заполнили колбу водой на 1/3 объема и закрыли. Взболтали содержимое колбы вращательным движением руки. Открыли колбу и сразу же определили характер и интенсивность запаха по пятибалльной шкале таблица 3 (приложение1).

Вывод: питьевая вода п. Искателей имеет тухлый запах. Лучше всего устраняют неприятный запах такие способы очистки воды как замораживание, фильтрование бытовым фильтром, очистка активированным углем. Результаты определения запаха представлены в таблице 6(приложение 3).

2.2.4. Определение характера и интенсивности вкуса и привкуса

Оценка вкуса воды проводят при отсутствии у питьевой воды природной воды при отсутствии подозрений на ее загрязненность. Различают 4 вкуса: соленый, кислый, горький, сладкий. Остальные вкусовые ощущения считаются привкусами (солоноватый, горьковатый, металлический, хлорный и т.п.) [1]

Ход работы: для определения вкуса и привкуса анализируемую воду набрали в рот, и задержали, на 3-5 сек, не проглатывая.

Интенсивность вкуса и привкуса оценили по 5-бальной шкале, приведенной в таблице 1. (ГОСТ 3351) (приложение 1)

Вывод: питьевая вода п. Искателей имеет заметный вкус. Устранить неприятный вкус воды удалось с помощью очистки активированным углем, замораживания, фильтрования бытовым фильтром, а также неприятный вкус удалось частично устранить с помощью отстаивания. Результаты определения вкуса представлены в таблице 6(приложение 3).

2.3. Определение качества водопроводной воды методами химического анализа.

2.3.1. Определение рН воды

Водородный показатель характеризует концентрацию свободных ионов водорода в воде. В зависимости от величины pH может изменяться скорость протекания химических реакций, степень коррозионной агрессивности воды, токсичность загрязняющих веществ и т.д. Контроль за уровнем рН особенно важен на всех стадиях водоочистки, так как его отклонения в ту или иную сторону могут не только существенно сказаться на запахе, привкусе и внешнем виде воды, но и повлиять на эффективность водоочистных мероприятий. Для питьевой и хозяйственно-бытовой воды оптимальным считается уровень рН в диапазоне от 6,0 – 9,0 (СанПин). [1]

Ход работы: для определения водородного показателя анализируемых проб мы использовали тест-комплект для анализа воды и водных вытяжек "рН" фирмы "Крисмас+". Колориметрическую пробирку сполоснули несколько раз анализируемой водой. Налили в пробирку 5 мл анализируемой воды, добавили 3-4 капли универсального индикатора метиловый оранжевый, встряхнули пробирку. Окраску раствора сразу же сравнили с контрольной шкалой, выбирая ближайший по характеру окраски образец шкалы.

Вывод: показатель pH питьевой воды п. Искателей оказался в норме. Примененные методы очистки воды не изменили показателя pH.Результаты определения pHпредставлены в таблице 7(приложение 3).

2.3.2. Определение жесткости воды.

Ход работы: жесткость воды определили с помощью прибора TDS метр или солемер. Замер делали так: включили прибор, он показывал 000, опустили электроды в воду и смотрели значение.        

Индикация трехсегментная, если значение больше 999, то внизу появляется знак х10. Прибор измеряет в американских единицах измерения ppm, у нас в России принята единица миллиграмм-эквивалент на литр, мг-экв/л. 1 мг-экв/л=50,05 ppm        Согласно Санитарным нормам и правилам за номером СанПиН 2.1.4.1074-01        максимально допустимая концентрация равна 7 мг-экв/л. или 350ppm. (см. рис.4) (приложение 2). [4]                

Вывод: питьевая вода п. Искателей оказалась жесткой. Значительно понизить жесткость воды до приемлемого уровня удалость только с помощью заморозки. Также было замечено, что при кипячении жесткость воды повышается и вода становится уже непригодной для питья. При кипячении воды жесткость повышается, т.к. уменьшается концентрация воды, следовательно, повышается концентрация солей. Результаты определения жесткости представлены в таблице 7(приложение 3).

2.3.3. Определение общей концентрации железа в воде.

Ход работы: для определения общей концентрации анализируемых проб мы использовали тест-комплект для анализа воды и водных вытяжек "Железо" фирмы "Крисмас+". К 10 мл пробы воды, доведенной рН до 4-5, добавили 4-5 капель раствора солянокислого гидроксиламина, встряхнули. Затем поочередно добавили 1 мл ацетатного буферного раствора и 0,5 мл раствора орто-фенантролина. После каждого прибавления склянку встряхивали для перемешивания. Раствор оставили на 20 минут для полного развития окраски, а затем провели визуальное колориметрирование пробы и определили соответствующее ему значение концентрации железа общего в мг/л. [1]

Вывод: содержание железа в питьевой воде п. Искателей оказалось незначительно превышено, однако устранить это не удалось ни каким способом очистки воды. Результаты определения концентрации железа представлены в таблице 7(приложение 3).

2.3.4. Электролиз.

Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, который протекает на электродах при прохождении постоянного электрического тока через питьевую воду. На отрицательно заряженном электроде — катоде происходит электрохимическое восстановление частиц (атомов, молекул, катионов), а на положительно заряженном электроде — аноде идет электрохимическое окисление частиц (атомов, молекул, анионов).

Ход работы: Для визуального определения качества воды провели электролиз отобранных проб, который позволяет судить об уровне загрязненности воды. В процессе электролиза растворенные в воде химические примеси вступают в реакцию, образуя осадки различного цвета. По цветам образовавшихся осадков можно приблизительно определить, какие вещества присутствуют в воде:

Чёрными хлопьями выпадают тяжелые металлы;

Синий цвет дают нитраты, нитриты и пестициды;

Рыжий цвет говорит об избытке железа в воде;

Зеленый указывает на избыток органических веществ

В стакан с исследуемой водой поместили два электрода — катод, анод и пропустили электрический ток.

Вывод: при пропускании тока через неочищенную воду наблюдали образование много темно-зеленого осадка (избыток органических веществ), а также немного рыжего (избыток ионов железа). При пропускании тока через очищенную воду наблюдалось меньше зеленого осадка. При пропускании тока через очищенную с помощью заморозки воду зеленого осадка не наблюдалось вообще, однако остался рыжий осадок. Результаты визуального определения наличия примесей в воде с помощью электролиза представлены в таблице 7(приложение 3).

Заключение

В результате проведенной нами работы качественного и количественного анализа воды очищенной различными способами, с определением кислотности, жесткости воды, общего содержания железа, мы пришли к выводу, что наиболее эффективно устраняет неприятный запах, цвет, вкус, уменьшает жесткость, уменьшает концентрацию солей и органических веществ способ очистки воды заморозкой. Так же наше исследование показывает, что качество воды, очищенной покупными фильтрами, не сильно отличается от качества воды, очищенной народными средствами.

 В ходе наших исследований мы улучшили навыки проведения лабораторных анализов в условиях школьной лаборатории. Это дало нам возможность расширить наши знания по аналитической химии, раскрыть её особенности и тонкости.

Работа по изучению методов очистки воды в домашних условиях оказалась интересной и полезной не только для нас и наших семей, но и для наших друзей. В будущем можно исследовать влияние воды в нашей местности на здоровье населения.

Рекомендации очистки питьевой воды в домашних условиях методом заморозки:

В каждом доме найдется невысокая кастрюля объемом до 3 литров с широкой горловиной. Заполните ее на две трети водопроводной водой, прикройте крышкой, поставьте в морозильную камеру на подкладку из фанеры. Времени на замерзание примерно половины исходного объема воды потребуется около 12 часов. Это позволит повторить цикл в сутки еще раз и получить до 6 литров пресного льда, вполне достаточно для 3-4 человек. Еще удобнее использовать пластиковые бутылки из-под минеральной воды. Тогда можно получить гораздо больший объем талой воды, так как бутылки удобно размещать в морозильной камере.

Если же у вас есть время и желание получить и употреблять идеальную «живую» талую воду, есть рецепт для гурманов - поставьте контейнер в морозилку и подождите примерно час-два, пока сверху не образуется тонкий слой льда. Это так называемое место дейтерия, где скапливаются все возможные тяжелые элементы, его удаляют. Точно также и вынимайте воду чуть раньше, чтобы она замерзла не совсем. В центре бутылки остался небольшой участок незамерзшей воды, где концентрируются возможные примеси, ножом пробивают отверстие и эту воду тоже сливают, оставшийся лед растаивают и получают талую воду.

Литература

1. Муравьев А.Г. Руководство по определению показателей качества воды полевыми методами. – СПб.: "Крисмас+", 1998. -224 с.

интернет – источники:

2. www.ecoz.ru
3. www.fitdeal.ru  
4. www.mysku.ru

Приложения

Приложение 1

Таблица 1. Таблица для определения характера и интенсивности вкуса и привкуса

Таблица 2. Цветность воды

Таблица 3. Таблица для определения характера и интенсивности запаха

Приложение 2

Таблица 4. Мутность воды

                                                                               Рис.1 Результаты электролиза

Рис. 2Определение рН водыРис. 3 Определение общей концентрации железа в воде

Рис. 4 Шкала жесткости.

Приложение 3

Таблица 6. Полученные результаты

Таблица 7. Полученные результаты