VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Введение

Стратегия охраны здоровья населения России сегодня претерпела существенные изменения, благодаря методологии и научным подходам, разработанным ведущими научными и практическими гигиеническими учреждениями страны. Суть этих изменений сводится к комплексному учету многочисленных факторов, влияющих на здоровье человека, с целью разработки системы мероприятий по профилактике и лечению заболеваний. При этом профилактическому направлению отдаются существенные приоритеты, учитывающие триаду факторов: генетические факторы, качество жизни, факторы среды обитания.

В Российской Федерации на протяжении ряда лет продолжает оставаться чрезвычайно актуальной проблема питьевого водоснабжения как одного из основных факторов среды обитания человека. Многолетнее ведение социально-гигиенического мониторинга по состоянию водных объектов показывает, что практически все водоисточники как поверхностные, так и подземные, подвергаются антропогенному и техногенному воздействию с различной степенью интенсивности. Стабильно высоким остается удельный вес проб воды из источников централизованного водоснабжения, а также проб воды из коммунальных и ведомственных водопроводов, не соответствующих гигиеническим нормативам по санитарно-химическим показателям.

Безопасность питьевого водоснабжения является одной из главных составляющих безопасности населения России.

Наиболее актуальны вопросы расширения использования подземных (пресных) вод для централизованного питьевого водоснабжения населения, а также совершенствования технологического процесса водоподготовки (очистка и обеззараживание) на водозаборах.

Сложившаяся за последние годы в Российской Федерации неблагоприятная ситуация в области хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования обосновывает актуальность развития теоретических и методических основ гигиенического регламентирования антропогенных и техногенных нагрузок на водные объекты, а также необходимость проведения комплексной гигиенической оценки и прогнозирования условий формирования качества воды.

На протяжении всего XX века и до сих пор хлор остается наиболее эффективным веществом для обеззараживания воды, благодаря эффекту его последействия, гарантирующему бактериальную безопасность обработанной воды в течение длительного времени.

Доказано, что обеззараживание воды окислителями - не только положительный фактор, способствующий снижению концентраций исходных веществ, но и негативный процесс, сопровождающийся образованием продуктов трансформации, ухудшающих органолептические свойства воды, санитарный режим водоемов, сообщающих ей токсичность и вызывающих отдаленные эффекты. Установлено, что продукты хлорирования органических химических соединений (фосфорорганические, ацетилацетонаты металлов и детергенты) представляют потенциальную опасность для здоровья населения.

Воды являются важнейшим компонентом окружающей природной среды, возобновляемым, ограниченным и уязвимым природным ресурсом, используются и охраняются в Российской Федерации как основа жизни и деятельности народов, проживающих на ее территории.

Водный кодекс РФ, введение

Уникальность воды

Три четверти поверхности нашего мира заняты водой - океанами, морями, озерами, реками, а пятая часть суши покрыта снегом и льдом. Пары воды присутствуют в атмосфере, сообщая ей влажность, формируют облака и тучи, проливаются на землю дождем. В почве и верхнем слое земной коры находятся подпочвенные воды и скрытые подземные водоемы. Наконец, животные и растения большей частью состоят из воды, в том числе и человек: вода составляет 70% массы нашего тела. Пожалуй, в распространенности воды заключается ее главнейшее уникальное свойство. Вторым по значению свойством является способность воды растворять вещества. Вода - универсальный растворитель. Благодаря этому ее состав не исчерпывается формулой Н₂0. В воде содержатся практически все элементы Периодической таблицы, а также газы, основания, кислоты, соли и органические вещества.[2]

Третье уникальное свойство воды заключается в том, что на Земле она присутствует одновременно в трех фазах - газообразной, жидкой и твердой, то есть в виде водяного пара, собственно жидкой воды и льда. Характеристики для воды мы знаем наизусть, ибо на них основана температурная шкала Цельсия: 0 °С - точка плавления льда, 100 °С - точка кипения воды. Как видим, вода - уникальная субстанция!

Состав воды

Нам уже известно, что вода - раствор, состоящий из множества химических веществ техногенного и природного, как правило, минерального происхождения. В воде присутствуют отдельные химические элементы (точнее, их ионы) - легкие металлы (литий, натрий, калий, магний, кальций), более тяжелые металлы (хром, марганец, железо, цинк, ртуть, свинец и многие другие) и даже серебро, золото и радиоактивные элементы. Есть углерод, фосфор, сера, йод и другие металлоиды; газы - кислород, озон, фтор и хлор; могут быть даже метан, сероводород и радиоактивный газ радон. Газы придают воде тот или иной запах; неорганические вещества - соли, кислоты, щелочи (основания)¹; органические вещества, которых очень много (гораздо больше, чем неорганики); одни из них для нас относительно безвредны, другие нежелательны, а третьи - настоящий яд; нерастворенные до конца механические примеси органического и неорганического происхождения (взвешенные вещества или взвеси) - песок, ил, ржавчина, частицы глины и так далее. Они сообщают воде мутность и при отстаивании дают осадок. В водах нашего современного мира, в которых могут присутствовать и присутствуют - не только естественные компоненты, но также бытовые и промышленные отходы вроде фенола, хлорорганики и прочего, о чем лет двести тому назад не было даже известно. [2]

Если не касаться грязных стоков и ядовитых сливов, то воды издревле разделяются на соленые и пресные. В соленых водах, по сравнению с пресными, содержится повышенная концентрация солей, прежде всего натриевых. Для питья и промышленного использования они не пригодны, но отлично подходят для купания и водного транспорта. Пресная вода содержится не только в реках и озерах, но еще в атмосфере (в виде водяного пара), в морских, речных и озерных льдах, в снегах и ледниках Антарктиды, Гренландии и других северных или гористых регионов, в почве (особенно в зоне вечной мерзлоты) и в подземных водных бассейнах. Пресные воды в зависимости от состава делятся на две большие группы: обычная вода и минеральная, то есть вода с повышенным содержанием полезных неорганических компонентов.

Наша хозяйственная и бытовая деятельность добавляет к составу естественных пресных вод тысячи веществ, характеристика которых варьируется от термина «нежелательная примесь» до определения «яд». Во-первых, это та часть бытовых отходов, поступающих в канализацию, которая называется ПАВ - поверхностно активные вещества, входящие в состав синтетических моющих средств и стиральных порошков (обычное мыло большого вреда не приносит). Во-вторых, промышленные сливы предприятий, прежде всего химических и металлургических, которые могут содержать ртуть, мышьяк, радиоактивные компоненты, кислоты, фенол и множество иных вредных примесей. В-третьих, остатки пестицидов, которые переносятся с полей в водоемы талыми и подпочвенными водами. Пестициды - химические средства, часто токсичные, применяемые в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и сорняками. [3]

Кроме органических и неорганических веществ, в воде присутствуют также болезнетворные микробы (бактерии) и вирусы. Бактерии и вирусы - два разных болезнетворных начала, они различаются по одному параметру: размер бактерий - 1-100 мкм, а вирусов - 0,2-1,2 мкм. Эти микроорганизмы активно размножаются в городских канализационных водах.[9]

Чем грозит заражение питьевой воды

Чистая вода и питьевая вода - отнюдь не синонимы. Чистая вода, в отличие от воды питьевой, неопределенный термин. С питьевой водой проще: она должна отвечать стандартам.

Таблица 1. Влияние неорганических и органических веществ, бактерий и вирусов на организм человека (при их попадании из питьевой воды)

Название вещества, бактерии или вируса	Органы и системы, на которое данное вещество, бактерия или вируса отрицательно влияют
Неорганические вещества
Бериллий	Желудочно-кишечный тракт
Кадмий	Почки
Медь	Почки, печень (при длительном воздействии)
Мышьяк	Кожа, кровеносная система; канцерогенен
Нитраты и нитриты	Смертельно опасны для младенцев
Ртуть	Почки
Свинец	Почки, у детей замедленное развитие
Селен	Система кровообращения
Таллий	ЖКТ, кровь, почки, печень
Цианид	Нерваня система, щитовидная железа
Органические вещества
Бензол	Канцерогенен
Бенз(а)пирен	Канцерогенен
Пестициды (алахлор, гептахлор, ДЦТ и некоторые другие)	Канцерогены
Соединения хлора (винилхлорид, дихлорэтан и др.)	Система кровообращения, почки, печень, некоторые соединения канцерогенны
Соединения хлора с фенолом	Печень, почки; канцерогенны
Толуол	Нервная система, почки, печень
Бактерии и вирусы
Колиформы (бактерии группы кишечных палочек)	ЖКТ
Энтеровирусы	ЖКТ
Вирус гепатита	Печень

Комментарии к таблице 1:

1. В таблицу не включены, например, сера, хлор, железо, так как вред, наносимый ими, намного меньше по сравнению с воздействием мышьяка, ртути, свинца и других приведенных выше веществ. При избытке хлора или сернистых соединений водопроводная вода имеет неприятный запах. Естественно, такая вода для питья не годится, ее следует очищать с помощью фильтра или покупать питьевую воду в магазине. Избыток железа - «ржавая» вода - тоже не слишком годится для питья; ее также следует очищать. Кроме того, придется очищать от ржавчины раковину и ванну.

2. Пестициды - группа разнообразных веществ, используемых в сельском хозяйстве для борьбы с сорняками, насекомыми и грызунами, включает более сорока наименований. Среди пестицидов есть сравнительно безвредные, но все в той или иной степени ядовиты, и, по крайней мере, четыре пять из них способствуют возникновению рака (канцерогенны).

3. Хлор. Хлором обеззараживают воду, поскольку этот газ мощный окислитель, способный уничтожать болезнетворные микроорганизмы. Однако в реках и озерах, откуда ведется водозабор, присутствует множество веществ, попавших туда со сточными водами, и с некоторыми из них хлор вступает в реакцию. Результат - гораздо более неприятные субстанции, чем сам хлор. Например, соединения хлора с фенолом; они придают воде неприятный запах, влияют на печень и почки, но в малых концентрациях не очень опасны. Однако возможны соединения хлора с бензолом, толуолом, бензином и так далее с образованием диоксина, хлороформа, хлортолуола и других канцерогенных веществ. [2]

Стандарты на питьевую воду

Нормативы на питьевую воду стран ЕС (Западная Европа), рекомендации Всемирной организации здравоохранения и отечественные стандарты сведены воедино в таблицу 2. Эта таблица определяет термин «питьевая вода», указывая, какие компоненты могут присутствовать в воде и в каких количествах. Напомню, что эти количества примесей вредных веществ и полезных субстанций (которые при превышении норматива тоже становятся вредными) называются ПДК - предельно допустимой концентрацией. Параметры питьевой воды делятся на три группы: органолептические свойства, показатели бактериального и санитарно химического загрязнения. ПДК на бактериальное загрязнение выглядит исключительно простым: нормативы ЕС и ВОЗ определяют, что его вообще не должно быть. Российский стандарт дает такие цифры: не более ста микроорганизмов на один кубический сантиметр и не более трех бактерий типа кишечных палочек в одном литре воды. По сути дела, отечественные и зарубежные требования одинаковы, если учесть ничтожный размер бактерий и вирусов и практическую невозможность убедиться, что они полностью и с гарантией отсутствуют в воде. Таким образом, мы сосредоточимся на химии, которую на глаз, без трудоемких анализов, не определить.

Таблица 2. Стандарты на питьевую воду

Параметр	ПДК, микрограмм на литр (мкг/л)
	ВС	ВОЗ	Россия
рН (в ед. рН)	6,5-9,5	6,5-8,5	6,0-9,0	Орг-леп
Акриламид	0,1	0,5	-
Полиакриламид	-	-	2000
Алюминий	200	200	500	Орг-лепт
Барий	-	700	100*
Банз(а)пирен	0,01	0,7	0,005*
Бензол	1	0,7	-
Бериллий	-	-	0,2
Бор	1000	500	500*
Бромат	10	25	-
Виниохлорид	0,5	10	-
Дихлорэтан	3	30	-
Железо	200	300	300	Орг-леп
Кадмий	5	3	1*
Калий	-	-	50000*	Орг-леп
Кремний	-	-	10000*	Орг-леп
Магний	-	-	40000*	Орг-леп
Марганец	50	500	100	Орг-леп
Медь	2000 нед.	2000	1000	Орг-леп
Молибден	-	70	250
Мышьяк	10	10	50
Натрий	200000	2000000	120000*	Орг-леп
Никель	20 нед.	20	100*
Нитраты	50000	50000	45000
Нитриты	500	3000	3300*
ПАВ	-	-	-
ПАУ	0,1	-	-
Пестициды (яд.)	0,1	-	-
Пестициды (общ.)	-	-	-
Ртуть	1	1	0,5*
Свинец	10 нед.	10	30
Селен	10	10	10
Серебро	-	-	50*
Стронций	-	-	7000
Сульфаты	250000	250000	500000	Орг-леп
Сурьма	5	5	-
Таллий	-	-	-
Тетра- и трихълорэтилен	10	40	-
Фтор	1500	1500	700-1500
Хлориды	250000	250000	350000	Орг-леп
Хлороформ	-	200	200*
Хром	50	50	50*
Цианид	50	70	-
Цинк	5000	3000	5000	Орг-леп

Примечания.

1. ПАУ - полициклические ароматические углеводороды, близкие к бенз(а)пирену.

2. В данных ЕС сокращением «нед.» («неделя») помечена средняя недельная доза вещества, которая с гарантией не наносит вреда человеческому организму.

3. Значком «звездочка» помечены те значения ПДК в российских стандартах, которые взяты из научных статей или новых Санитарных правил и норм. Остальные величины указаны в ГОСТе.

4. «Орг-леп» - так помечены вещества, не опасные или не слишком опасные, но в значительных концентрациях влияющие на органолептические свойства воды, придающие ей неприятный запах, дурной вкус и лишающие воду прозрачности.

Основные понятия в обеззараживании

Обеззараживание заключается в инактивации патогенных организмов, переносимых водой: бактерий, вирусов, паразитов. Его следует отличать от стерилизации, которая направлена на полное удаление микроорганизмов. Антимикробное действие обеззараживающих веществ основано на окислительно-восстановительных процессах. Таким образом, эффективность химического дезинфектанта непосредственно связана с его окисляющей способностью, которая в свою очередь зависит от температуры и величины рН.

Способ действия обеззараживающего вещества зависит от природы микроорганизма и его химической структуры. Как правило:

-при удалении бактерий воздействие окислителя увеличивает проницаемость клеточной мембраны и бактерии распадаются на макромолекулы нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), препятствуя размножению этих микроорганизмов;

- при уничтожении вирусов окислитель проникает внутрь тела вируса и разрушает белки ДНК и РНК.

При оценке качества обеззараживания учитывают:

-последствие окислителя;

-оживление микроорганизмов в результате развития механизмов восстановления.[1]

Окислители и средства обеззараживания

В таблицах 3 и 4 сравнивается реакционная способность основных окислителей, используемых в настоящее время в обработке воды, а также рассматриваются отрицательные последствия их применения. [1]

Эффективность и побочные эффекты использования каждого окислителя зависят от многих взаимодействующих между собой факторов:

-качество обрабатываемой воды определяет природу потенциально возможных конкурирующих реакций;

-доза применяемого реагента должна соответствовать скоростям реакции различных удаляемых загрязнений.

Таблица 3. Возможные области применения основных окислителей

Таблица 4. Потенциальные области применения основных дезинфектантов.

Диаграммы, приведенные на рисунке 1, иллюстрируют преимущества и пределы применения наиболее употребительных в настоящее время окислителей.[1]

Рисунок 1.

Окисление и обеззараживание хлором

Хлорирование вод производится либо газообразным хлором, либо гипохлоритами натрия и кальция (последние более удобны в использовании).[6]

При добавлении гипохлорита, так же как и хлора, в воде образуется хлорноватистая кислота. Однако в реакции с гипохлоритами продуцируются гидроксид-ионы, повышающие величину рН раствора:

NaOCl+H₂O=HOCl+Na⁺+OH^-;

Ca(OCl)₂+2H₂O=2HOCl+Ca²⁺+2OH^-.

Гипохлорит натрия NaOCl образуется при растворении газообразного хлора в растворе едкого натра при избытке последнего:

2NaOH+Cl₂=NaOCl+NaCl+H₂O.

Коммерческий водный раствор гипохлорита натрия, известный под названием «жавелевая вода», представляет собой зеленовато-желтую жидкостьс величиной рН от 11,5 до 13. [1]

Гипохлорит кальция Ca(OCl)₂ используется в виде таблеток, гранул или порошка. В основном его получают при реакции известкового молока с хлором.

Среди факторов, от которых зависит эффективность воздействия хлора, решающее значение имеют величина рН и температура воды (рисунок 2):

-величина рН влияет на образование хлорноватистой кислоты и ее аниона (эта кислота, считающаяся самым сильным бактерицидным агентом, преобладает в кислой среде); именно это является обоснованием для корректировки величины рН в случае применения гипохлорита;

- с возрастанием температуры увеличивается скорость инактивации микроорганизмов.

Рисунок 2.

Расчет реактора для хлорирования воды осуществляется на основе параметра СТ - остаточной концентрации обеззараживающего средства С (мг/л), умноженной на время контакта Т (мин). [1]

Этот параметр устанавливается для каждого патогенного микроорганизма в зависимости от температуры и величины рН (таблица 5):

Содержание свободного хлора в распределительной сети должно быть достаточным для того, чтобы помешать оживлению бактерий и развитию мельчайших беспозвоночных.

Помимо обеззараживания питьевой воды хлор используют и в других случаях обработки вод, общие условия которых приведены в таблице 6:

Хлор, имеющий химическую формулу Сl₂, при нормальных температуре и давлении находится в газообразном состоянии.[8]

Таблица 7. Свойства хлора

Молярная масса, гмоль	70,906
Физическое состояние при 15°С	Газ желто-зеленого цвета
Температура, °С: -плавления -кипения -критическая	-101,00 -34,05 144,00
Критическое давление, кПа	7710,83
Плотность газа по отношению к плотности воздуха	2,491
Плотность при 0°С, гл	3,222
Растворимость в воде при 20°С, гл	7,3

При введении хлора в воду он очень быстро в ходе эндотермической реакции образует хлорноватистую и хлористо-водородную кислоты:

Cl₂+H₂O=HOCl+HCl.

Гидролиз хлора завершается в течение нескольких десятых долей секунды. Затем происходит диссоциация хлорноватистой кислоты:

HOCl=H⁺+OCL^-.

Таким образом, растворение хлора в воде приводит к образованию хлорноватистой кислоты и аниона гипохлорита, соотношение между которыми зависит от величины рН среды при температуре 15°С.

Хлор можно вводить в воду как в газообразном виде, так и в форме гипохлорита.[5] При этом величина рН среды определяет характер образующихся форм. Для практических целей применяют следующие показатели:

-содержание свободного хлора, равное сумме концентраций хлорноватистой кислоты и гипохлорита, определяемых аналитическим методом;

-содержание свободного активного хлора, присутствующего в форме хлорноватистой кислоты;

-хлорметрический градус раствора гипохлорита, соответствующий концентрации раствора, который под действием соляной кислоты при нормальных условиях температуры и давления выделяет 1 л газообразного хлора; 1 хлорметрический градус эквивалентен содержанию 3,17 гл активного хлора;

-содержание хлора, показывающее эквивалентную концентрацию свободного хлора в гипохлорите: 1 г гипохлорита натрия эквивалентен 0,95 г активного хлора.

Хлор взаимодействует со многими соединениями, причем в зависимости от величины рН среды он вступает в реакцию в форме хлорноватистой кислоты иили иона гипохлорита.

Хлорирование может приводить к образованию из присутствующих в воде загрязнений различных соединений (хлорамины, бромат-ионы), считающихся вредными для здоровья и в связи с этим регламентируемых различными нормативными документами. Присутствие в хлорированной воде этих вторичных загрязнений главным образом определяется значением рН среды, дозой введенного хлора и временем реакции.

Действие хлора на органические соединения носит селективный характер.

Он воздействует на некоторые предпочтительные центры (восстановительные группы, ненасыщенные и нуклеофильные связи) и вызывает модификацию структуры с образованием более окисленных иили замещенных соединений (хлорорганические соединения). В результате этого хлорирование воды питьевого назначения может приводить к образованию соединений, придающих воде вкус и запах (альдегиды, хлорфенолы), а также токсичных иили потенциально канцерогенных соединений (трихлорметаны и другие галоидорганические соединения). Как и в случае неорганических соединений, присутствие в хлорированной воде этих вторичных загрязнений определяется значением рН среды, дозой введенного хлора и временем реакции. Нежелательные побочные продукты образуются главным образом в присутствии свободного хлора, т.е. при дозе хлора свыше критической точки (см.рисунок 3).[1]

Аммонийный азот взаимодействует с хлором, образуя газообразный азот:

2NH₄⁺+3HOCl=N₂+3HCl+H₂O+2H₃O⁺.

Рисунок 3.

Дозу введенного хлора, соответствующую стехиометрической дозе, называют точкой перегиба. На кривой поглощения хлора эта критическая точка С соответствует полному превращению (между В и С) образовавшихся хлораминов (между А и В) и началу появления свободного хлора (D). При хлорировании природной воды кривая поглощения смещается вправо: присутствие органических веществ обусловливает немедленное поглощение хлора, что и смещает критическую точку в область свыше 10 мг на 1 мг аммонийного азота.

Хлор (особенно хлор, находящийся в форме хлорноватистой кислоты) является мощным биоцидным реагентом. Таким образом, для нормального обеззараживания необходимо перейти через критическую точку.

Таблица 8. Реакции хлора с неорганическими соединениями.

Таблица 9. Взаимодействие хлора с органическими соединениями

Эффективность хлора как бактерицидного реагента общепризнанна. Заметно также его противовирусное действие, выражающееся в инактивации патогенных энтервирусов. Вместе с тем действие хлора на паразитарные организмы, в частности на инцистированные, пренебрежимо мало.

Общая концентрация хлорорганических веществ (или общая концентрация окисленных галогенсодержащих соединений) возрастает после хлорирования воды и должна быть снижена насколько возможно до поступления воды в кран потребителя.[5]

Природные органические вещества не опасны для здоровья человека, но представляют собой помеху для всех технологий обработки питьевой воды. В частности, они являются основой для появления нежелательных субпродуктов окисления, таких как три-галогенметаны, галогенуксусные кислоты и галоацетонитрилы, образующиеся при хлорировании.

Внесение реагента в воду может вызвать две формы загрязнения: примеси из самого реагента и продукты его реакции с присутствующими в воде органическими веществами.[1]

В зависимости от способа получения жидкий хлор может содержать различные примеси: Br₂, CCl₄, CHCl₃, HCl, гексахлорэтан, гексахлорбензол, соли железа.

Гипохлорит натрия также содержит хлораты.

Как отмечено, внесение хлора в качестве обеззараживающего средства при его реакции с ОВ в воде приводит к появлению побочных продуктов окисления, одни из которых опасны для здоровья человека (канцерогенное или мутагенное действие), а другие придают воде неприятные запахи и привкусы. В основном это относится к хлору и гипохлориту, но нет ни одного окислителя, не дающего побочных продуктов окисления.

Реакция образования тригалогенметанов может происходить при непосредственном воздействии либо хлора, находящегося в воде в форме ClO^- , либо другого галогена (брома или йода) в форме XO^- , который потом может быть замещен хлором согласно общей реакции:

Углеродными ОВ, вступающими в эту реакцию, являются в основном метилкетоны или, по сути, все органические соединения, дающие при окислении метилкетоны. Большинство этих предшественников тригалогенметанов поступают в воду из гумуса и продуктов разложения водорослей.

Хлорирование органических веществ приводит к образованию и других соединений, на сегодняшний день пока еще не идентифицированных (рисунок 4):

В настоящее время эти побочные продукты окисления систематически изучаются, а их содержание в питьевой воде ограничивается национальными нормами.

Дехлорирование воды

Использование хлорированной водопроводной воды вызывает неприятные ощущения у многих людей и совершенно недопустимо для многих технологических процессов. [3]

Однако для дезинфекции воды ее обрабатывают большими дозами хлора, который затем необходимо извлечь.

Излишки активного хлора, превышающие ПДК, удаляются дехлорированием. При небольшом избытке хлор можно удалить аэрированием (безнапорной аэрацией воды), а при высоких концентрациях остаточного хлора следует использовать метод дозирования в воду химических реагентов: тиосульфата (гипосульфита) натрия, сульфита натрия, аммиака, сернистого газа (оксид серы (IV)), которые свяжут активный хлор, или обработать воду на фильтрах с активным углем.При реагентной обработке хлорированной воды следует использовать установки пропорционального дозирования растворов химических веществ на основе насосов-дозаторов с контроллерами и датчиками по активному хлору.[9]

Простые способы очистки воды

Слив застоявшейся воды. Воду для питья лучше набирать впрок в количестве 5-10 литров вечером, в период максимального водозабора, когда вода не застаивается в трубах.

Отстаивание воды. Отстаивание используют для удаления из воды хлора. Как правило, для этого водопроводную воду наливают в большую емкость и оставляют в ней на несколько часов. Без перемешивания воды в ведре удаление газообразного хлора происходит примерно с 1/3 глубины от поверхности воды.Эффективность данного способа очистки воды оставляет желать лучшего.

Кипячение воды. Кипячение действительно помогает в некоторой степени очистить воду, однако данный процесс имеет ряд побочных эффектов. Первый - при кипячении изменяется структура воды, т.е. она становится "мертвой", поскольку происходит испарение кислорода. Чем больше мы кипятим воду, тем больше погибает в ней патогенов, но тем более она становится бесполезной для организма человека. Второе - поскольку при кипячении происходит испарение воды, то концентрация солей в ней увеличивается. Они отлагаются на стенках чайника в виде накипи и извести и попадают в организм человека при последующем потреблении воды из чайника. При кипячении воды удаляется только газообразный хлор. В лабораторных исследованиях был подтвержден тот факт, что после кипячения водопроводной воды образуется дополнительный хлороформ, даже если перед кипячением воды была освобождена от хлороформа продувкой инертным газом.

Замораживание-оттаивание. Данный способ применяют для эффективной очистки воды с помощью ее перекристаллизации. Техника получения талой воды заключается в различных скоростях замерзания чистой воды и воды, содержащей примеси. Этот способ намного эффективнее кипячения и даже перегонки, поскольку фенол, хлорфенолы и легкая хлорорганика перегоняются вместе с водяным паром.[2]

Методы очистки воды с помощью специальных материалов и устройств

Традиционных способов имеется три: механический, ионообменный и сорбционный.

Механический способ фильтрации. В качестве фильтрующего материала используется полипропиленовое волокно – виде блока-картриджа, который подлежит замене по истечению его ресурса.

В зависимости от того, частицы какого размера могут быть задержаны, механическую фильтрацию делят на:

-ультрафильтрацию (задерживается 95% частиц размером 0,2-0,5 мкм);

-два класса микрофильтрации (задерживается 95% частиц размером 0,5-5 мкм и 5-15 мкм);

-два класса макрофильтрации (задерживается 95% частиц размером 15-50 мкм и более 50 мкм).

Следовательно, механический фильтр способен задерживать крупные и мелкие частицы взвеси, бактерии и, с некоторой вероятностью успеха, вирусы и крупные органические молекулы. Что касается газов, металлов, хлорорганики, то они ему «не по плечу»; борьба с ними – не его задача.[2]

Метод сорбционной фильтрации. Сорбцией называется поглощение растворенных в воде веществ поверхностью твердого сорбента. [8]От механической фильтрации этот процесс отличается тем, что материал механического фильтра инертен, а сорбционного – активен: он захватывает примеси и удерживает их силами молекулярного притяжения.

Ионообменный метод фильтрации. Требует для своей реализации ионитов – ионообменных (катионных и анионных) смол или искусственных материалов с такими же свойствами. Эти свойства состоят в том, что ионообменный материал способен захватывать из воды одни ионы, насыщая ее другими ионами, входящими в его состав, то есть обменивать «свои» ионы на «чужие».

Химический способ дехлорирования воды

Наиболее распространенным способом дехлорирования воды является введение в воду сернистого ангидрида SO₂. В этом случае имеет место реакция:

SO₂+Cl₂+2H₂O=2HCl+H₂SO₄

Образовавшийся в результате этой реакции соляная и серная кислоты нейтрализуются естественной щелочностью воды.[3]

Необходимое количество сернистого ангидрида составляет 0,905 мг на 1 мг снимаемого избыточного хлора.

Этот метод дехлорирования достаточно перспективен. [8]

Если дехлорирование воды осуществляется при помощи гипосульфита, т.е. серноватистокислого натрия Na_2S2O₃, то реакция протекает по уравнению:

2Na_2S2O₃+4Cl₂+5H₂O=6HCl+2H₂SO₄+2NaCl

При избытке тиосульфата реакция протекает по уравнению:

Na_2S2O₃+Cl₂= Na_2S4O₆+2NaCl

При малом количестве тиосульфата реакция протекает с образованием коллоидной серы

Na_2S2O₃+Cl₂+H₂O= Na₂SO₄+2HCl+S

В этом случае, кроме соляной и серной кислот образуется еще и поваренная соль. Доза Na_2S2O₃ должна быть 0,85 кг на 1 мг снимаемого избытка хлора. Количество активного тиосульфата натрия в товарном продукте 30-50%.

Устройство дехлорирующей установки является несложным. В бак для приготовления концентрированного раствора наливают подогретую воду, в которой размешивают гипосульфит. Затем готовят 1-2%-ный раствор, который и добавляют в воду. Раствор гипосульфита вводят в резервуар чистой воды или в трубопровод, отводящий из него воду. Необходимо иметь ввиду, что избыточная доза гипосульфита придает неприятный привкус воде.[6]

Экспериментальная часть

Цель работы: определить количественное содержания хлоридов (Cl^-) в питьевой воде и рассмотреть способ удаления избыточного активного хлора бытовым способом.

План исследования:

1. Определение содержания хлоридов (Cl^-) в питьевой воде;

2. Определение содержания хлоридов (Cl^-) в питьевой воде, очищенной фильтром «Brita»;

3. Определение содержания хлоридов (Cl^-) в питьевой воде, очищенной фильтром «Барьер»;

4. Определение содержания хлоридов (Cl^-) в питьевой воде, очищенной фильтром «Аквафор».

Теоретическая часть

Титриметрические определения хлоридов основаны на реакциях образования осадков малорастворимых соединений. Не все реакции сопровождающиеся выпадением осадков применимы в объемном анализе. В этих реакциях пригодны только некоторые реакции, удовлетворяющие определенным условиям. Реакция должна протекать строго по уравнению и без побочных процессов. Образующийся осадок должен быть практически нерастворимым и выпадать достаточно быстро, без образования пересыщенных растворов. К тому же необходимо иметь возможность определять конечную точку титрования с помощью индикатора. Наконец, явления адсорбции (соосаждения) должны быть выражены при титровании настолько слабо, чтобы результат определения не искажался.[9]

Аргентометрия - объемный аналитический метод, основанный на реакциях осаждения ионов галогенов катионами серебра с образованием малорастворимых галогенидов:

Cl^- + Ag⁺ = AgCl↓

Наиболее распространено аргентометрическое определение хлора по методу Мора. Сущность его состоит в прямом титровании жидкости раствором нитрата серебра с индикатором хроматом калия до побурения осадка.

Индикатор метода Мора - раствор К₂СгО₄ дает с нитратом серебра красный осадок хромата серебра Ag₂CrO₄, но растворимость осадка (6,2ּ10^-3моль/л) гораздо больше растворимости хлорида серебра (1,33ּ10^-5 моль/л). Поэтому при титровании раствором нитрата серебра в присутствии хромата калия красный осадок хромата серебра появляется лишь после добавления избытка ионов Ag⁺, когда все хлорид-ионы уже осаждены. При этом всегда к анализируемой жидкости приливают раствор нитрата серебра, а не наоборот.[9]

Ход исследования

Отбираем необходимое количество водопроводной воды для исследования. Готовим четыре пробы объемом 500,0 мл: первую пробу оставляем без изменений, для трех следующих используем фильтры различных марок (см.табл.1):

-фильтры компании «Brita» (Германия) – фирма-первопроходец в деле очистки воды. Во всех кувшинах используется единый картридж, содержащий кокосовый активированный уголь с добавкой серебра и ионообменный синтетический полимерный материал, который является секретом компании. В нашей работе используется «Brita Aluna»;

- фильтры компании «Барьер» производятся российской компанией «МЕТТЭМ-Технология» совместно с Ракетно-космической корпорацией «Энергия». Выпускаются кувшинные фильтры со сменными картриджами «Барьер-3», «Барьер-4» и «Барьер-5». В нашей работе используется «Барьер-3». В «Барьере-3» использована комбинация нескольких методов очистки;

-фильтры компании «Аквафор». Российско-американская компания-производитель сорбционных фильтров, которые выпускаются в различных вариантах, от небольших насадок до трехуровневых стационарных систем очистки воды, ее умягчения и предварительной фильтрации. В нашей работе используется фильтр «Аквафор В500»

Таблица 10. Сравнительная характеристика фильтров, используемых в ходе работы.

Название	Класс	Ресурс, л	Сменный картридж	Регенерация картриджа	Цена фильтра, руб	Цена картриджа, руб
Аквафор В500	Насадка	1000	Нет	Нет	70-95	-
Барьер-3	Кувшин	350	Есть	Нет	230	170
Brita Aluna	Кувшин	100-400	Есть	Нет	300-350	125

Качественное определение Сl^-.В колориметрическую пробирку наливаем 5 мл воды и добавляем три капли раствора нитрата серебра с массовой долей 10 %. Примерное содержание хлор-иона определяем по осадку или мути в соответствии с требованиями таблицы 2.

Таблица 11. Качественное определение содержания Сl^- в воде.

Характеристика осадка или мути	Содержание Сl-, г/л
Опалесценция или слабая муть	0,001÷0,01
Сильная муть	0,01÷0,05
Образуются хлопья, осаждаются не сразу	0,05÷0,1
Белый объемный осадок	Более 0,1

Наблюдения: При добавлении к воде нитрата серебра наблюдается – муть, т.е. содержание хлор-иона в воде находится в пределах 0,01÷0,05 г/л.

Количественное определение Сl^-. Отбираем 100,0 мл испытуемой воды в коническую колбу и прибавляем 1 мл раствора хромата калия. Пробу титруем раствором нитрата серебра до появления слабого оранжевого оттенка.

Обработка результатов. Массовую концентрацию хлор-иона (С_Cl^-), г/л, вычисляем по формуле:

где T_AgNO3/Cl^- - титр AgNO₃ по Сl^- (количество хлор-иона, соответствующее 1 мл раствора нитрата серебра), г/мл;

К - поправочный коэффициент к титру раствора нитрата серебра;

V(AgNO₃) - количество нитрата серебра, израсходованное на титрование,мл;

V_ПР - объем пробы, взятый для определения, мл.

Исходные данные: T _AgNO3/Cl^- = 0,0005 г/мл; К = 0,9345;

V_ПР = 100,0 мл;

Полученные данные:

1. Таблица 12. Расход AgNO₃ на титрование питьевой воды:

№ пробы	1	2	3	Среднее значение
V(AgNO3), мл	8,62	8,59	8,65	8,62

Расчет:

C_Cl^{-=0,0005×0,9345×8,62×1000,0100,0}=0,040 г/л

2. После пропускания воды через фильтр «Brita», ионов хлора в исследуемой пробе обнаружено не было.

3. Таблица 13. Расход AgNO₃ на титрование питьевой воды, очищенной фильтром «Барьер»

№ пробы	1	2	3	Среднее значение
V(AgNO3), мл	4,75	4,71	4,69	4,72

Расчет:

C_Cl^{-=0,0005×0,9345×4,72×1000100,0}=0,022 г/л.

4. Таблица 14. Расход AgNO₃ на титрование питьевой воды, очищенной фильтром «Аквафор»

№ пробы	1	2	3	Среднее значение
V(AgNO3), мл	3,15	3,12	3,21	3,16

Расчет:

C_Cl^{-=0,0005×0,9345×3,16×1000100,0}=0,014 г/л.

Заключение. Определения хлор-ионов основаны на реакциях осаждения. Изменения концентрации и формы нахождения хлор-ионов вызывает изменение свойств системы, которые регистрируются как аналитический сигнал.

Мы использовали аргентометрическое определение хлор-иона по методу Мора. При проведении качественного определения установили, что содержание хлор-иона в воде находится в пределах 0,01÷0,05 г/л. Следовательно, по ГОСТ 4245 при содержании хлор-иона от 0,01 г/л и выше титрование проводят нитратом серебра в присутствии хромата калия в качестве индикатора.

По нормативам содержание хлоридов (Сl^-) в питьевой воде не должно превышать 0,35 г/л. Проведя анализы и обработав результаты, установили, что содержание хлор-иона в питьевой воде 0,040 г/л, что соответствует нормам ГОСТа.

При исследовании эффективности очистки воды фильтрами разных марок были получены следующие результаты:

Заключение

Самым известным и распространенным способом обеззараживания в России является хлорирование. Его популярность связана с тем, что он обеспечивает микробиологическую безопасность воды в любой точке распределительной сети в любой момент времени благодаря эффекту последствия. Все остальные методы обеззараживания воды не обеспечивают обеззараживающего последствия. Между тем хлорирование имеет массу недостатков, в частности хлорированные воды токсичны, поскольку хлор образует хлопроизводные с другими химическими веществами, которые не удаляются традиционными методами дехлорирования, накапливаются в водных объектах, поступают в питьевую воду, являются потенциальными мутагенами и канцерогенами.

Изучив в ходе данной работы способы удаления избыточного активного хлора, можно сделать вывод, что современные бытовые способы очистки питьевой воды удаляют лишь часть активного хлора, причем чрезвычайно токсичные хлорорганические соединения остаются в воде и, связи с этим, необходим поиск альтернативных, более безопасных для человека методов обеззараживания воды.

Список используемой литературы

1. Технический справочник по обработке воды: в 2 т. Т.1: пер. с фр. – СПб.: Новый журнал, 2007

2. Ахманов М. Вода, которую мы пьем. Качество питьевой воды и ее очистка с помощью бытовых фильтров.-СПб.: «Невский проспект», 2002 г. - 192 с.3. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. Учебное пособие для вузов. - М.: МГУ, 1996. - 680 с., 178 ил.4. СанПиН 2.1.4.559-96 Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.5. Алексеев Л.C. Контроль качества воды. Учебник/-4-е изд., перераб. и доп.-М.: ИНФРА-М, 2009. — 159 с. 6. Таубе П.Р., Баранова А.Г. Химия и микробиология воды-М.: Высшая школа, 1983. -280 с.

7. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: В 3-х т. – Т. 2. Очистка и кондиционирование природных вод / Научно-методическое руководство докт. техн. наук, проф. Журбы М.Г. Вологда-Москва: ВоГТУ, 2001. – 324 с.

8. Мазаев В.Т., Корлёв А.А., Шлепнина Т.Г. Коммунальная гигиена / Под ред. В.Т. Мазаева. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2005. – 304с.

9. Бокарева Е.А., Алдажаров Т.М., Аринов А.Б., Утегенова М.Е. Определение содержания хлоридов (Cl-) в питьевой воде (аргентометрия)

10. ГОСТ 4245-72. Вода питьевая. Методы определения содержания хлоридов.

1^ В водном растворе вещества, состоящие из нейтральных молекул, диссоциируют соли - на ион металла и кислотный остаток, кислоты - на ион водорода и кислотный остаток, а основания - на ион металла и гидроксильную группу.

Код для цитирования: Скопировать