VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Содержание

	Введение
1	Теоретические аспекты исследования воды на содержание различных примесей
1.1	Значение воды для жизни
1.2	Виды источников. Содержание и виды примесей
1.3	Государственные стандарты и СанПиНы на содержание различных элементов, растворенных в воде. Показатели качества воды
2	Классификация методов очистки воды в зависимости от природы содержащегося в ней загрязнителя
2.1	Очистка воды от примесей І группы
2.2	Очистка воды от примесей II группы
2.3	Очистка воды от примесей III группы
2.4	Очистка воды от примесей ІV группы
2.5	Предварительная очистка воды
2.6	Очистка воды от железа
2.7	Очистка воды от солей жёсткости
2.8	Очистка воды обеззараживанием
2.9	Очистка воды на активированном угле
2.10	Очистка воды обратным осмосом
3	Экспериментальная часть Выводы
	Заключение
	Список используемых источников

Введение

Актуальность выбранной темы. ХХI век, век информации. Казалось бы, все изучили наши ученые для спокойного и долгого существования человека, придумали все для облегчения жизни. Но вопросы, касающиеся экологической сферы, так и остаются открытыми… Одной из главных является проблема качества воды, так необходимой для нашего существования, существования человечества. Трудно переоценить значение чистой воды для человека. Но, к сожалению, вода практически никогда не бывает чистой, то есть всегда содержит какие-то примеси и растворенные вещества. В ней растворено огромное количество химических веществ, как органических, так и неорганических. Некоторые из них сами по себе возможно не несут вред организму, или даже полезны для нас, но в сочетании с другими элементами могут оставлять последствия, далекие от понятия пользы. Другая разновидность примесей – микроорганизмы, которые вызывают массу заболеваний: бактерии, вирусы, грибы, простейшие и т.д. Поступление в организм с питьевой водой веществ, в концентрациях, превышающих норму, может вызвать необратимые изменения в работе важнейших систем жизнедеятельности человека. Существуют различные методы очистки воды для приведения ее к норме. Данная тема безусловно актуальна, актуальной будет всегда. Она затрагивает наше повседневное существование, влияет на здоровье нашего организма, поэтому несомненно заслуживает нашего внимания.

Объект исследования: Питьевая вода.

Предмет исследования: Методы очистки воды от различных примесей.

Цель исследования: Рассмотреть различные способы очистки воды и использовать их на практике.

Задачи исследования:

1. Выяснить значение и роль воды в жизни человека.

2. Изучить виды загрязнителей воды в различных литературных, интернет–источниках.

3. Изучить количественное содержание примесей в воде, допустимое государственным стандартом (ГОСТом) и СанПиНом.

4. Найти и рассмотреть различные методы очистки воды.

5. Разработать рекомендации для очистки воды в домашних условиях.

Гипотеза: Мы предположили, что вода может быть загрязнена различными примесями – это может навредить организму человека, а также, повлиять на правильную работу различных служб МТО. Существуют различные методы очистки воды от примесей.

Новизна исследования: Изучены методы очистки воды, различные стандарты содержания количественного состава примесей.

Практическая значимость: Выделены некоторые методы очистки воды, и на этой основе мы разработали мини–памятку по методам очистки воды в домашних условиях; написана научная публикация. Кроме этого в будущем планируется совместно с курсантами 2-го курса исследовать источник, находящийся недалеко от нашего института.

1 Теоретические аспекты исследования воды на содержание

различных примесей

1.1 Значение воды для жизни

Вода не имеет питательной ценности, но без сомнений является частью всего живого. Ни один из живых организмов нашей планеты не может существовать без воды. Из воды состоят все живые растительные и животные существа: рыбы – на 75 %; медузы – на 99 %; картофель – на 76%; яблоки – на 85 %; помидоры – на 90%; огурцы – на 95%; арбузы – на 96%. В целом организм человека состоит по весу на 50–86% из воды (86% у новорожденного и до 50% у пожилых людей). Содержание воды в различных частях тела составляет: кости – 20–30%; печень – до 69%; мышцы – до 70%; мозг – до 75%; почки – до 82%; кровь – до 85%. Этим фактом воспользовался писатель В. Савченко, заявив о том, что у человека “гораздо больше оснований считать себя жидкостью, чем, скажем, у 50%-ного раствора едкого натрия”. На протяжении всей своей жизни человек ежедневно имеет дело с водой. Он использует ее для питья и пищи, для умывания, летом – для отдыха, зимой – для отопления. Для человека вода является более ценным природным богатством, чем уголь, нефть, газ, железо, а все потому что она незаменима.

Без пищи человек может прожить около 50–ти дней, если во время голодовки он будет пить пресную воду, без воды он не проживет и неделю – смерть наступит через 5 дней. Суточная потребность взрослого человека в воде – 30–40 грамм на 1 кг веса тела. Приблизительно 40% ежедневной потребности организма в воде удовлетворяется с пищей, остальное мы должны принимать в виде различных напитков. Летом ежедневно нужно употреблять 2 – 2,5 литра воды. В жарких районах планеты – 3,5 – 5,0 л в сутки, а при температуре воздуха 38–40 °С и низкой влажности работающим на открытом воздухе потребуется в сутки 6,0–6,5 л воды [2]. Роль воды для человека огромна, поэтому нельзя оставлять этот вопрос без внимания.

1.2 Виды источников. Содержание и виды примесей

По данным ВОЗ более 500 млн человек ежегодно страдают от болезней, возникновение которых связано с потреблением воды неудовлетворительного качества, около 80 % всех болезней в мире обусловлены контактом с инфицированной водой или нарушением санитарно–гигиенических норм при её использовании в процессе жизнедеятельности. Качество питьевой воды во многом определяется качеством воды источника водоснабжения. При неудовлетворительном природном составе воды или большом антропогенном загрязнении источника даже современные методы водоподготовки не могут гарантировать получение воды необходимого качества [1].

Важнейшими гигиеническими характеристиками источника водоснабжения являются качество воды, подверженность влиянию природных и социальных (техногенных) факторов и степень санитарной надёжности источника, т.е. устойчивость к влиянию природных и антропогенных факторов. Кроме того, большое значение для характеристики источника имеют его водообильность, соотнесённая с предполагаемыми потребностями в воде, а также доступность источника (рисунок 1).

Рисунок 1 – Залегание подземных вод: 1 – водоупорные слои; 2 – горизонт грунтовых вод; 3 – горизонт межпластовых безнапорных вод; 4 – горизонт межпластовых напорных вод; 5 – колодец, питающийся грунтовой водой; 6 – скважина, питающаяся из межпластового безнапорного горизонта; 7 – скважина, питающаяся из межпластового напорного (артезианского) горизонта.

Санитарная надёжность источника централизованного питьевого водоснабжения – способность источника сохранять постоянство качества его воды и достаточность дебита для обеспечения проектируемой или эксплуатируемой системы централизованного питьевого водоснабжения.

Химический состав подземных вод формируется под влиянием химических (растворение, выщелачивание, сорбция, ионный обмен, образование осадка) и физико-химических (перенос веществ фильтрующих пород, растворение, поглощение и выделение газов) процессов.

В подземных водах найдено около 70 химических элементов. Наибольшее значение для питьевого водоснабжения имеют фтор, железо, марганец и соли жёсткости (сульфаты, карбонаты и гидрокарбонаты магния и кальция). Реже встречаются бром, бор, бериллий, селен, стронций. В межпластовых водах нет растворенного кислорода, но микробиологические процессы существенно влияют на их состав. Серобактерии окисляют сероводород и серу до серной кислоты, железобактерии образуют конкреции железа и марганца, которые частично растворяются в воде; некоторые виды бактерий способны восстанавливать нитраты с образованием азота и аммиака.

1.3 Государственные стандарты и СанПиНы на содержание различных элементов, растворенных в воде. Показатели качества воды

Под качеством воды в целом понимается характеристика её состава и свойств, определяющая пригодность воды для конкретных видов водопользования (ГОСТ 17.1.1.01–77. «Охрана природы. Гидросфера. Использование и охрана вод»), при этом критерии качества представляют собой признаки, по которым производится оценка качества воды. Под качеством природной воды в целом понимается характеристика её состава и свойств, определяющая пригодность воды для конкретных видов водопользования (ГОСТ 17.1.1.01–77), при этом критерии качества представляют собой признаки, по которым производится оценка качества воды.

Качество воды – это сочетание химического и биологического состава и физических свойств воды, определяющее её пригодность для конкретных видов водопользования, в зависимости от назначения воды и особенностей технологического процесса.

Требования к качеству всех видов вод, кроме сточных, устанавливаются отечественными государственными стандартами.

Качество воды определяется по следующим признакам:

• Прозрачность воды

• Запах

• Вкус

• Цвет

• Минерализация

• Жесткость

• Окисляемость

Содержание в воде взвешенных примесей, измеряемое в мг/л, даёт представление о загрязнённости воды частицами в основном условным диаметром более 1·10^–4 мм (таблица 1):

Таблица 1 – Характеристика вод по содержанию взвешенных примесей

Размер частиц (приблизительный), мм	Гидравлическая крупность (скорость осаждения в лабораторном цилиндре в течение 2 ч), мм/с	Примесь (условно)	Время осаждения частиц на 1 м
1,0	100	Крупный песок	10 с
0,5	53	Средний песок	20 с
0,1	6,9	Мелкий песок	2,5 мин.
0,050–0,027	1,7–0,5	Крупный ил	10–30 мин.
0,010–0,005	0,070–0,017	Мелкий ил	4–18 час
0,0027	0,005	Крупная глина	2 сут.
0,0010–0,0005	0,00070–0,00017	Тонкая глина	0,5–2 мес.
0,0002–0,000001	0,000007	Коллоидные частицы	4 года

Жёсткость воды обусловливается наличием в воде ионов кальция (Са²⁺), магния (Mg²⁺). Общее содержание в природных водах ионов кальция и магния несравнимо больше содержания всех других ионов – и даже их суммы.

Поэтому под жёсткостью понимают сумму количеств ионов кальция и магния – общая жёсткость, складывающаяся из значений карбонатной (временной, устраняемой кипячением) и некарбонатной (постоянной) жёсткости.

Первая вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, вторая наличием сульфатов, хлоридов и нитратов этих металлов. Однако при значении жёсткости воды более 9 ммоль/л нужно учитывать содержание в воде стронция и других щелочноземельных металлов.

По стандарту ИСО 6107–1–8:1996, включающему более 500 терминов, жёсткость определяется как способность воды образовывать пену с мылом.

В жёсткой воде обычное натриевое мыло превращается (в присутствии ионов кальция) в нерастворимое «кальциевое мыло», образующее бесполезные хлопья. И, пока таким способом не устранится вся кальциевая жёсткость воды, образование пены не начнётся. На 1 ммоль/л жёсткости воды для такого умягчения воды теоретически затрачивается 305 мг мыла, практически – до 530. Имеет место проблема образования накипи.

По значению общей жёсткости природные воды делят на группы (табл. 2):

Таблица 2 – Классификация воды по жёсткости

Группа воды	Единица измерения, ммоль/л
Очень мягкая	До 1,5
Мягкая	1,5–4
Средней жёсткости	4–8
Жёсткая	8–12
Очень жёсткая	Более 12

Предельно-допустимыми концентрациями являются (таблицы 3, 4, 5):

Таблица 3 – Требования СанПиН: Предельно-допустимые концентрации

Показатели воды, единицы измерения	Предельно-допустимые концентрации (СанПиН 2.1.4 1074–01)
рН	6–9
Запах (20/60°С), баллы	2
Мутность, единицы мутности по формазину, ЕМФ	2,6
Цветность, градусы	20
Общая минерализация (сухой остаток), мг/л	1000
Жёсткость общая, мг экв/л	7
Окисляемость перманганатная, мг/л	5
Щёлочность гидрокарбонатная, мг/л	1000
Железо общее, мг/л	0,3
Нитраты, мг/л	45
Марганец, мг/л	0,1
Нефтепродукты, суммарно, мг/л	0,1
Поверхностно–активные вещества (ПАВ), мг/л	0,5
Фенольный индекс, мг/л	0,25

Таблица 4 – Предельно допустимые концентрации содержания химических элементов основных неорганических веществ в питьевой воде

Основные химические элементы	Предельно-допустимые концентрации
Алюминий (Al)	0,5 (мг/дм3)
Барий (Ba)	0,1 мг/л
Бериллий (Be)	1 мкг/л
Бор (B)	0,5 мг/дм3
Ванадий (V)	0,1 мг/л
Висмут (Bi)	0,1 мг/л или 100 мкг/л
Вольфрам (W)	0,05 мг/дм3
Европий (Eu)	0,3 мг/л
Железо (Fe)	0,3 мг/л
Кадмий (Cd)	0,001 мг/дм3
Серебро (Ag)	0,05 мг/дм3

Органические примеси. Перечень органических примесей в воде, приведенный в СанПиН 2.1.4.1074–01, содержит сотни веществ. Приведём показатели, характеризующие предельные концентрации основных природных и искусственных органических веществ, влияющих на качество воды (мкг/дм³):

Таблица 5 – Предельные концентрации основных природных и искусственных органических веществ, влияющих на качество воды (мкг/дм³)

Вещество	ПДК (мкг/дм3)
Четыреххлористый углерод	6
Дихлорметан	7,5
1,1,1–дихлорэтан	10000
Винилхлорид	50
Бензол	10
Толуол	500
Бенз(a)пирен	0–5
Монохлорбензол	20
1,2–дихлорбензол	2
Трихлорбензол	30
Диалкилолово (соединения)	2
Тетраэтилолово	0,2
Трибутилметакрилатолово	0,2
1,2–дихлорпропан	400
1,3–дихлорпропен	400
Гептахлор и гептахлорэпоксид	50
Хлорфеноксигербициды (помимо 2,4–Д и MCPA)	2,4–ДВ 90 – 500

2 Классификация методов очистки воды в зависимости от природы содержащегося в ней загрязнителя

Методы очистки воды – способы отделения воды от нежелательных примесей и элементов.

Существуют несколько методов очистки и все они входят в три группы методов:

• механические

• физико-химические

• биологические

Наиболее дешевая – механическая очистка – применяется для выделения взвесей. Основные методы процеживание, отстаивание и фильтрование. Применяются, как предварительные этапы.

Химическая очистка применяется для выделения из природной воды растворимых неорганических примесей. При обработке природной воды реагентами происходит их нейтрализация, выделение растворенных соединений, обесцвечивание и обеззараживание.

Физико-химическая очистка применяется для очистки воды от грубо- и мелкодисперсных частиц, коллоидных примесей, растворенных соединений. Высокопроизводительный, но в то же время дорогой способ очистки.

Биологические методы применяются для очистки от растворенных органических соединений. Метод основан на способности микроорганизмов разлагать растворенные органические соединения.

Каждому фазово-дисперсному состоянию примесей воды соответствуют определенные методы воздействия с целью их удаления. Согласно классификации Л.А. Кульского по каждой группе примесей можно указать методы очистки воды от них [5].

2.1 Очистка воды от примесей І группы

Процессы: осветление (удаление взвешенных веществ), обеззараживание или дезинфекция (прекращение жизнедеятельности бактерий).

Способы очистки:

1) Механическая очистка воды от примесей

• Отстаивание (седиментация) – удаление взвесей в гравитационном поле (под действием сил тяжести). Этим методом удаляется крупная взвесь.

• Центрифугирование – удаление взвесей в поле центробежных сил, создаваемых вращением воды в гидроциклонах или центрифугах). При этом изымается грубая и средняя взвесь.

• Флотация – прикрепление частиц к пузырькам газа с последующим всплытием образовавшихся агрегатов на поверхность воды и удалением пены. Способ применяется для удаления гидрофобных взвешенных частиц, планктона, чаще – нефтепродуктов, масел, жиров, поверхностно–активных веществ (ПАВ).

• Фильтрование – пропускание воды через пористый слой для изъятия из воды планктона, крупной и мелкой взвеси.

2) Физико-химическая очистка воды от примесей – агрегация (укрупнение) примесей путем коагуляции или флокуляции с последующим отстаиванием, флотацией или фильтрованием. Этим методом удаляются тонкодисперсные взвеси.

3) Бактерицидная очистка воды от примесей.

Методы предназначены для нарушения обменных процессов в клетках микробов (метаболизма), что вызывает их гибель.

• Обработка воды окислителями (хлором, озоном).

• Обработка воды ионами тяжелых металлов (серебро, медь, свинец и пр.).

• Облучение воды ультрафиолетовыми лучами, ультразвуком, ионизирующими излучениями.

• Термообработка (кипячение).

4) Биологическая очистка воды от примесей заключается в разведении рыб и моллюсков для уничтожения водорослей и планктона.

2.2 Очистка воды от примесей II группы

Процессы: обесцвечивание, окисление органики, обеззараживание.

Способы очистки:

1) Физико-химические:

• Агрегация коллоидных примесей агрегацией или флокуляцией с последующим отстаиванием, флотацией, фильтрованием.

• Адсорбция.

• Воздействие сильными окислителями (хлором, озоном, перманганатом калия), разрушающими органические коллоидные соединения.

2) Вирулицидная обработка – уничтожение вирусов. Осуществляется методами бактерицидной очистки.

3) Биохимическая очистка воды от примесей – окисление органических примесей с переводом их в минеральные соединения в процессе жизнедеятельности специально культивируемых микроорганизмов.

2.3 Очистка воды от примесей III группы

Процессы: окисление органики, дезодорация (устранение запахов), дегазация (удаление газов).

Способы очистки:

1) Физико-химические

• Окисление органических примесей.

• Адсорбция молекулярных примесей на активированном угле, силикагеле и других сорбентах.

• Экстракция примесей с помощью различных экстрагентов.

• Эвапорация – отгонка летучих примесей “острым” (высокотемпературным) паром.

• Ультрафильтрация через мембраны с порами, пропускающими молекулы воды и задерживающими более крупные молекулы примесей.

2) Аэрирование – создание большой поверхности контакта воды с воздухом засчёт:

• Барботажа (продувки слоя воды воздухом);

• Разбрызгивания воды в атмосфере.

Аэрирование применяется в основном для удаления растворенных газов.

3) Биохимическая очистка.

2.4 Очистка воды от примесей ІV группы

Процессы: деминерализация (удаление растворенных солей), опреснение (неглубокая очистка от солей до состояния пресной воды), обессоливание (глубокая очистка от солей), умягчение (устранение жесткости), подщелачивание и подкисление, нейтрализация, обезжелезивание и др.

Способы очистки:

1) Физико-химические

• Обработка реагентами с переводом ионов в малодиссоциированные соединения.

• Ионный обмен с помощью ионитов, извлекающих из воды ионы растворенных солей.

• Электродиализ воды – разделение катионов и анионов в постоянном электрическом поле.

• Гиперфильтрация (обратный осмос) – продавливание под большим давлением воды с ионными примесями через полупроницаемые мембраны, которые пропускают воду и задерживают ионы солей.

2) Физические методы

• Термический – нагрев воды для выделения солей карбонатной жесткости.

• Изменение фазового состояния воды для ее обессоливания

– перевод в газообразное состояние с последующей конденсацией (дистилляция).

– перевод в твердую фазу вымораживанием с последующим оттаиванием и разделением на лед и рассол; образованием газгидратов обработкой жидкими газами–хладагентами (метан, фреон) при определенных температуре и давлении.

• Магнитная обработка

3) Биохимическая очистка воды от примесей (ионов железа, сульфатов, хроматов и нитратов) специфическими бактериями.

Если в основу классификации методов очистки воды брать не свойства примесей, а тип воздействия на них, то способы очистки можно разделить на следующие группы:

– механическая очистка (процеживание, седиментация)

– физические методы (дистилляция, вымораживание, агрегирование)

– химические методы (нейтрализация, ионный обмен),

– физико-химические методы (коагуляция, адсорбция),

– биохимическая, биологическая и биоцидная очистка.

К отмеченным процессам можно добавить вспомогательные, сопутствующие очистке: смешение, хлопьеобразование, диффузия, обезвоживание, сушка, охлаждение (рисунок 2).

2.5 Предварительная очистка воды

Если в качестве источника водоснабжения для приготовления питьевой воды используются поверхностные и подземные воды, требуется проведение тщательной предварительной очистки, которая включает в себя:

• первичное отстаивание с применением или без применения реагентов, в зависимости от состава исходной воды.

• коагуляция (т.е. введение в обрабатываемую воду солей алюминия, железа или полиэлектролитов), для укрупнения взвешенных и коллоидных частиц и перевода их в фильтруемую форму.

• механическая очистка воды с помощью фильтрования. Очистка воды с помощью фильтрования применяется для самых различных целей. В качестве фильтрующего материала в зависимости от целей фильтрации применяется кварцевый песок, антрацит, доломит.

Рисунок 2 – Стадии техпроцесса обработки природной воды.

2.6 Очистка воды от железа

Решение проблемы очистки воды от железа – довольно сложная и комплексная задача. Наиболее часто используемыми методами при очистке воды от железа являются:

• аэрация, т. е. нагнетание воздуха и интенсивный процесс окисления в емкости. Расход воздуха для насыщения воды кислородом составляет около 30 л/м³.

• обработка воды сильными окислителями – озон, хлор, гипохлорит натрия, перманганат калия.

• фильтрование через модифицированную загрузку (пропускание воды через материалы для удаления железа, которые осуществляют не только очистку воды от окисленного железа (осадка), но и от растворенного железа с помощью химического взаимодействия).

Все многообразие методов, применяемых в технологии очистки воды от железа, можно свести к двум основным типам – реагентные (для восстановления фильтрующих свойств загрузки используется дополнительный реагент) и безреагентные (для восстановления фильтрующих свойств загрузки используется промывка водой). Очистку от железа поверхностных вод можно осуществлять лишь реагентными методами, а в очистке от железа подземных вод распространение получили оба метода.

Типичная картина, которая наблюдается при подъеме железистой воды из скважины, такова: вначале вода, выкачанная из скважины, абсолютно прозрачна и кажется чистой, но проходит несколько десятков минут и вода мутнеет, приобретая специфический желтоватый цвет. Через несколько часов муть начинает оседать, образуя рыхлый осадок. Процесс осаждения может длиться несколько дней. Скорость осаждения зависит от температуры и состава воды. Наличие железа можно определить и на вкус. Начиная с концентрации 1,0–1,5 мг/л вода имеет характерный неприятный металлический привкус. Игнорирование проблемы железа в воде оканчиваются плохо, и стоит дорого: потеря «белизны» ванн, отказ импортной бытовой техники, систем отопления и нагрева воды. В системе горячего водоснабжения проблемы, обусловленные повышенным содержанием железа, многократно возрастают. Уже при концентрации 0,5 мг/л идет интенсивное появление хлопьев, образующих рыхлый шлам, который забивает теплообменники, радиаторы, трубопроводы, сужает их проходное сечение.

2.7 Очистка воды от солей жесткости

Накипь в чайнике – типичное проявление действия солей жесткости. В жесткой воде хуже пенится стиральный порошок и мыло. Жесткая вода не годится при окрашивании тканей водорастворимыми красками, в пивоварении, производстве водки, негативно влияет на стабильность майонезов и соусов. Чай и кофе тоже лучше заваривать мягкой водой.

Жесткость воды определяется суммарным содержанием в ней растворенных солей кальция и магния. Гидрокарботаны кальция и магния образуют карбонатную или временную жесткость воды, которая полностью устраняется при кипячении воды в течение часа. В процессе кипячения растворимые гидрокарбонаты переходят в нерастворимые карбонаты, выпадающие в виде белого осадка или накипи, с выделением при этом углекислого газа. Соли же сильных кислот, например, сульфаты и хлориды кальция и магния – образуют некарбонатную или постоянную жесткость, не изменяющуюся при кипячении воды.

Высокая гидрокарбонатная (временная) жесткость воды делает её непригодной для питания газовых и электрических паровых котлов и бойлеров. Стенки котлов постепенно покрываются слоем накипи. Слой накипи в 1,5 мм снижает теплоотдачу на 15 %, а слой толщиной 10 мм – снижает теплоотдачу уже на 50 %.

Снижение теплоотдачи ведет к увеличению расхода топлива или электроэнергии, что в свою очередь ведет к образованию прогаров, трещин на трубах и стенках котлов, выводя преждевременно из строя системы отопления и горячего водоснабжения.

В тех случаях, когда вода слишком жесткая и её необходимо умягчить, применяют следующие методы очистки воды:

• термический, основанный на нагревании воды

• дистилляция или вымораживание

• реагентный

• ионообменный

• обратный осмос

• электродиализ

• комбинированный, представляющего собой различные сочетания перечисленных методов.

Термоумягчение. Основан на кипячении воды, в результате термически нестойкие гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи:

Ca(HCO₃₎₂ → CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O.

Кипячение устраняет только временную (карбонатную) жёсткость.

Реагентное умягчение. Метод основан на добавлении в воду кальцинированной соды Na₂CO₃ или гашёной извести Ca(OH)₂. При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок. Например, добавление гашёной извести приводит к переводу солей кальция в нерастворимый карбонат:

Ca(HCO₃₎₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O

Лучшим реагентом для устранения общей жесткости воды является ортофосфат натрия Na₃PO₄, входящий в состав большинства препаратов бытового и промышленного назначения:

3Ca(HCO₃₎₂ + 2Na₃PO₄ → Ca₃(PO₄₎₂↓ + 6NaHCO₃

3MgSO₄ + 2Na₃PO₄ → Mg₃(PO₄₎₂↓ + 3Na₂SO₄

Ортофосфаты кальция и магния очень плохо растворимы в воде, поэтому легко отделяются механическим фильтрованием. Этот метод оправдан при относительно больших расходах воды, поскольку связан с решением ряда специфических проблем: фильтрации осадка, точной дозировки реагента.

Катионирование. Метод основан на использовании ионообменной гранулированной загрузки (чаще всего ионообменные смолы). Такая загрузка при контакте с водой поглощает катионы солей жёсткости (кальций и магний, железо и марганец). Взамен, в зависимости от ионной формы, отдавая ионынатрия или водорода. Эти методы соответственно называются Na-катионирование и Н-катионирование. При правильно подобранной ионообменной загрузке жёсткость воды снижается при одноступенчатом натрий–катионировании до 0,05–0,1 °Ж, при двухступенчатом – до 0,01 °Ж. В промышленности с помощью ионообменных фильтров заменяют ионы кальция и магния на ионы натрия и калия, получая мягкую воду.

Обратный осмос. Метод основан на прохождении воды через полупроницаемые мембраны (как правило, полиамидные). Вместе с солями жёсткости удаляется и большинство других солей. Эффективность очистки может достигать 99,9 %. Этот метод нашёл наибольшее применение в бытовых системах подготовки питьевой воды. В качестве недостатка данного метода следует отметить необходимость предварительной подготовки воды, подаваемой на обратноосмотическую мембрану.

Электродиализ. Основан на удалении из воды солей под действием электрического поля. Удаление ионов растворенных веществ происходит за счёт специальных мембран. Так же как и при использовании технологии обратного осмоса, происходит удаление и других солей, помимо ионов жёсткости.

Полностью очистить воду от солей жёсткости можно дистилляцией.

Жёсткость пресных природных водоемов меняется в течение года, имея минимум в период паводка. Артезианская вода, как правило, более жёсткая, чем вода из поверхностных источников. В Подмосковье жёсткость артезианских вод меняется от 3 до 15–20 мэкв/л в зависимости от места и глубины скважины.

2.8 Очистка воды обеззараживанием

Обеззараживание питьевой воды имеет важное значение в общем цикле очистки воды и почти повсеместное применение, так как это последний барьер на пути передачи связанных с водой бактериальных и вирусных болезней. Обеззараживание воды является заключительным этапом подготовки воды питьевой кондиции. Использование для питья подземной и поверхностной воды в большинстве случаев невозможно без обеззараживания.

Обычными методами обеззараживания при очистке воды являются:

• хлорирование путем добавления хлора, диоксида хлора, гипохлорита натрия или кальция;

• озонирование воды;

• ультрафиолетовое облучение.

Другие способы обеззараживания (воздействие ионов благородных металлов, ультразвук, радиоактивное излучение) крайне редко применяются в централизованных системах водоснабжения.

2.9 Очистка воды на активированном угле

Очистка воды на активированном угле чаще всего применяется на одной из последних ступеней очистки и является одним из классических способов получения питьевой воды. Такую дополнительную очистку воды необходимо в тех случаях, когда требуется устранить незначительные нарушения показателей цветности, вкуса и запаха воды. Активные угли также используются для очистки муниципальной водопроводной воды от хлора и хлорсодержащих соединений.

2.10 Очистка воды обратным осмосом

С помощью этого метода можно проводить глубокую очистку воды. При оптимальных значениях температуры и давления подаваемой воды, степень очистки воды обратным осмосом составляет 95–98%. Разделение воды и содержащихся в ней веществ достигается с помощью полупроницаемой мембраны. Сами мембраны изготавливаются из различных материалов, например, полиамида или ацетатцеллюлозы и выпускаются в виде полых волокон или рулонов. Через микроскопически малые поры этих мембран (размер порядка 0,0001 микрона), могут пройти только молекулы воды и кислорода, а микроорганизмы, растворенные в воде соли и органические соединения и т.п. задерживаются мембраной.

Степень очистки воды и связанная с этим производительность зависит от различных факторов, прежде всего от общего солесодержания сырой воды, а также солевого состава, давления и температуры.

На стадии предварительной очистки воды следует ее отфильтровать и при необходимости очистить от хлора. Особые преимущества обратного осмоса заключаются в его высокой экологической безопасности.

Таблица 6 – Типы загрязняющих веществ в воде и методы очистки

Тип загрязняющих веществ	Группа загрязнений	Методы очистки сточных вод
Грубодисперсные взвешенные вещества	Взвешенные вещества с размером частиц более 0,5 мм	Просеивание Первичное отстаивание без реагентов Фильтрация
Грубодисперсные эмульгированные частицы	Капельные загрязнения, органические вещества, не смешивающиеся с водой	Гравитационная сепарация Фильтрация Флотация Электрофлотация
Микрочастицы	Взвешенные вещества с размером частиц более 0,01 мм	Фильтрация Коагуляция Флокуляция Напорная флотация
Стабильные эмульсии	Нефтепродукты в количестве > 5 мг/л, вещества, экстрагируемые серным эфиром	Тонкослойная седиментация Напорная флотация Электрофлотация
Коллоидные частицы	Размер частиц от 0,1 до 10 мкм	Микрофильтрация Электрофлотация
Агрессивность среды	pH, общая щелочность, общая кислотность	Нейтрализация
Масла	Концентрация масел более 10 мг/л	Гравитационная сепарация Флотация Электрофлотация
Фенолы	Концентрация фенолов 0,5–5 мг/л	Биологическая очистка + озонирование Сорбция на активированном угле
	Концентрация фенолов 5–500 мг/л	Биологическая очистка Флотация + Биологическая очистка Коагуляция + озонирование
Ионы тяжелых металлов	Концентрации Cu2+, Zn2+, Ni2+, Feобщ, Cd2+ 5–100 мг/л	Электрофлотация Реагентный + отстаивание Электродиализ Электрокоагуляция
Хром (VI)	Концентрации Cu2+, Zn2+, Ni2+, Feобщ, Cd2+ 0,5–5 мг/л	Ультрафильтрация Ионный обмен
	Концентрация Cr6+ 1–100 мг/л	Химическое восстановление + Электрофлотация Электрохимическое восстановление Электрокоагуляция
Хром (III)	Концентрация Cr3+ 5–100 мг/л	Осаждение +Фильтрация Электрофлотация
Сульфаты	Концентрация Cr3+ 0,5–5 мг/л	Ионный обмен Ультрафильтрация
Хлориды	Концентрация SO42– > 2000 мг/л	Реагентный + отстаивание + Фильтрация Вакуумное выпаривание
	Концентрация SO42– < 2000 мг/л	Нанофильтрация Обратный осмос
Общее солесодержание	Концентрация Cl– > 300 мг/л	Обратный осмос Вакуумное выпаривание Электродиализ
		Нанофильтрация Обратный осмос Вакуумное выпаривание Электродиализ
Поверхностно–активные вещества	Анионные и неионогенные ПАВ	Флотация Электрофлотация Сорбция на активированном угле
	Анионные, катионные и неионогенные ПАВ	Ультрафильтрация Нанофильтрация Озонирование

3 Экспериментальная часть

Определение качества питьевой воды проводится по соответствующим методикам, описанным в следующих ГОСТах:

ГОСТ 4192-82 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ. ВОДА ПИТЬЕВАЯ. Методы определения минеральных азотсодержащих веществ.

ГОСТ 4388-72 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ. ВОДА ПИТЬЕВАЯ. Методы определения массовой концентрации меди.

ГОСТ 18165-89 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ. ВОДА ПИТЬЕВАЯ. Метод определения массовой концентрации алюминия.

ГОСТ 3351-74 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ. ВОДА ПИТЬЕВАЯ. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности.

ГОСТ 18826-73 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ. ВОДА ПИТЬЕВАЯ. Методы определения содержания нитратов.

ГОСТ 31868-2012 Вода. Методы определения цветности.

ГОСТ 31859-2012 Вода. Метод определения химического потребления кислорода.

ГОСТ 18309-72 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ. ВОДА ПИТЬЕВАЯ. Метод определения содержания полифосфатов.

ГОСТ 31940-2012 ВОДА ПИТЬЕВАЯ. Методы определения содержания сульфатов.

ГОСТ 4386-89 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ. ВОДА ПИТЬЕВАЯ. Методы определения массовой концентрации фторидов.

ГОСТ 6709-72 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР. ВОДА ДИСТИЛЛИРОВАННАЯ. Технические условия.

ГОСТ 31957-2012 Вода. Методы определения щелочности и массовой концентрации карбонатов и гидрокарбонатов.

ГОСТ 31954-2012 Вода питьевая. Методы определения жесткости.

ГОСТ 18164-72 Вода питьевая. Метод определения содержания сухого остатка.

ГОСТ 18190-72 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ. ВОДА ПИТЬЕВАЯ. Методы определения содержания остаточного активного хлора.

ГОСТ 55684-2013 Вода питьевая. Метод определения перманганатной окисляемости.

Обнаружение отдельных ионов в воде.

Налить в пробирку 0,5 мл воды и добавить несколько капель раствора качественного реактива, отметить эффект реакции и сравнить его с данными таблицы № 1.

Таблица 1

Сводная таблица качественных реактивов, уравнений реакций, эффектов реакций для обнаружения некоторых катионов и анионов, растворённых в воде

Ион	Реактив, условия	Уравнения реакции	Эффект реакции
Pb2+	NaOH KI (частный)	Pb2+ + 2OH–  Pb(OH)2 Pb2+ + 2 I–  PbI2	белый осадок ярко-жёлтый осадок
Hg2+	NaOH KI (частный)	Hg2+ + 2 OH–  Hg(OH)2 Hg2+ + 2I–  HgI2	жёлтый осадок ярко-оранжевый осадок
Са2+	NaOH Na2CO3 (частный)	Ca2+ + 2OH–  Ca(OH)2 Ca2+ + CO32–  CaCO3	белый осадок белый осадок
I–	Hg2(NO3)2	Hg22+ +2I–  Hg2I2	серый осадок
Fe3+	NaOH KSCN (частный)роданид калия	Fе3+ + 3 OH-  Fe(OH)3 Fe3++3SCN- Fe(SCN)3	бурый осадок кроваво-красный раствор

Органолептические методы определения запаха.

Органолептическими методами определяют характер и интенсивность запаха.

Аппаратура, материалы

Для проведения испытаний используют следующую аппаратуру:

- тколбы плоскодонные с притертыми пробками по ГОСТ 1770, вместимостью 250–350 см³;

- стекло часовое;

- баню водяную.

Проведение испытания

Характер запаха воды определяют ощущением воспринимаемого запаха (землистый, хлорный, нефтепродуктов и др.).

Определение запаха при 20 °С.

В колбу с притертой пробкой вместимостью 250–350 см³ отмеривают 100 см³ испытуемой воды с температурой 20 °С. Колбу закрывают пробкой, содержимое колбы несколько раз перемешивают вращательными движениями, после чего колбу открывают и определяют характер и интенсивность запаха.

Определение запаха при 60 °С.

В колбу отмеривают 100 см³ испытуемой воды. Горлышко колбы закрывают часовым стеклом и подогревают на водяной бане до 50–60 °С.

Содержимое колбы несколько раз перемешивают вращательными движениями.

Сдвигая стекло в сторону, быстро определяют характер и интенсивность запаха.

Интенсивность запаха воды определяют при 20 и 60 °С иоценивают по пятибалльной системе согласно требованиям табл. 1.

Таблица 1

Интенсивность запаха	Характер проявления запаха	Оценка интенсивности запаха, балл
Нет	Запах не ощущается	0
Очень слабая	Запах не ощущается потребителем, но обнаруживается при лабораторном исследовании	1
Слабая	Запах замечается потребителем, если обратить на это его внимание	2
Заметная	Запах легко замечается и вызывает неодобрительный отзыв о воде	3
Отчетливая	Запах обращает на себя внимание и заставляет воздержаться от питья	4
Очень сильная	Запах настолько сильный, что делает воду непригодной к употреблению	5

Органолептический метод определения вкуса.

Органолептическим методом определяют характер и интенсивность вкуса и привкуса.

Различают четыре основные вида вкуса: соленый, кислый, сладкий, горький.

Все другие виды вкусовых ощущений называются привкусами.

Проведение испытания

Характер вкуса или привкуса определяют ощущением воспринимаемого вкуса или привкуса (соленый, кислый, щелочной, металлический и т.д.).

Испытываемую воду набирают в рот малыми порциями, не проглатывая, задерживают 3–5 с.

Интенсивность вкуса и привкуса определяют при 20 °С и оценивают по пятибалльной системе согласно требованиям табл. 2.

Таблица 2

Интенсивность вкуса и привкуса	Характер проявления вкуса и привкуса	Оценка интенсивности вкуса и привкуса, балл
Нет	Вкус и привкус не ощущаются	0
Очень слабая	Вкус и привкус не ощущаются потребителем, но обнаруживаются при лабораторном исследовании	1
Слабая	Вкус и привкус замечаются потребителем, если обратить на это его внимание	2
Заметная	Вкус и привкус легко замечаются и вызывают неодобрительный отзыв о воде	3
Отчетливая	Вкус и привкус обращают на себя внимание и заставляют воздержаться от питья	4
Очень сильная	Вкус и привкус настолько сильный, что делают воду непригодной к употреблению	5

Определение общей жёсткости воды

Мерным цилиндром отмерить объём 50 мл воды. Перелить содержимое цилиндра в колбу для титрования на 250 мл, сюда же добавить 8–10 мл аммиачного буферного раствора и 7–8 капель индикатора – кислотного хрома тёмно-синего.

Заполнить бюретку рабочим раствором – трилоном Б и титровать им смесь, находящуюся в колбе, до перехода вишнёво-красной окраски (начальная окраска) в фиолетовую (промежуточная окраска). Последние капли рабочего раствора прибавлять ОЧЕНЬ медленно, всё время тщательно перемешивая раствор. На ваших глазах фиолетовая окраска раствора должна превратиться в СИНЮЮ – это конечная окраска раствора.

При титровании в растворе происходит основная реакция метода титрования ионов Са²⁺ и Mg²⁺ трилоном Б (комплексоном):

Са²⁺ + [Н₂Тr]^2–  [CaTr]^2– + 2 Н⁺

Определить объём рабочего раствора, пошедшего на титрование. Результат записать в лабораторную тетрадь. Титрование выполнить второй раз, взяв тот же объём воды. Затем выполнить расчёты:

1. Рассчитать средний объём рабочего раствора

V₁ + V₂

Vcp =–––––––––––––; (мл)

2

2. Определить общую жёсткость воды по формуле

V_cp(Tp) ∙ N_(Тр) ∙ 1000

Ж Н₂О = –––––––––––––––––––, (м экв/л), где

VH₂O

ЖН₂O – общая жёсткость воды, м экв/л;

Vcp.Tp – средний объём рабочего раствора, мл;

Nтр – нормальная концентрация рабочего раствора (трилона Б);

1000 коэффициент пересчёта;

V(H₂O) – объём исследуемой воды, мл.

Мягкая вода 4 мэкв/л

Средняя жёсткость 4–8 мэкв/л

Жёсткая вода > 8 мэкв/л

Определение растворённого в воде кислорода.

а) Мерным цилиндром отмерить 250 мл воды. Перелить содержимое в коническую колбу. Сюда же при помощи бюреток последовательно прилить растворы: 1 мл MnCl₂, 10 мл H₂SO₄, 4 мл KI. Содержимое перемешать.

б) В колбу для титрования мерным цилиндром отмерить 50 мл приготовленной смеси растворов и оттитровать 0,01н раствором тиосульфата натрия до светло-жёлтой окраски. Затем добавить 2–3 капли раствора крахмала и титровать дальше до бесцветной окраски, содержания растворённого кислорода рассчитать по формуле:

8 VNa_2S2O₃*NNa_2S2O₃

С(О₂) = -------------------------------- * 1000 (мг/л), где

V_H2O

8 – молярная масса эквивалента кислорода

V_Na2S2O3 – объём рабочего раствора, пошедшего на титрование (среднее значение)

N_Na2S2O3 – нормальная концентрация рабочего раствора

V_H2O – объём исследуемого раствора (воды)

По ГОСТу растворённого кислорода должно быть не менее 4–5 мг/л.

Выводы

Мы выяснили значимость и роль в жизни человека воды. Были изучены различные виды загрязнителей воды в различных литературных, интернет-источниках. Мы изучили количественное содержание допустимое согласно государственным стандартам (ГОСТам) и СанПиНам, исследовали различные классификации и методы очистки воды от нежелательных элементов. Также мы выяснили, что все методы очистки они делятся на 3 типа, зависят от природы загрязняющего вещества, нашли различные методы очистки воды по природе их происхождения и типу. Кроме этого мы разработали рекомендации (разъяснения) для очистки воды в домашних условиях.

Заключение

Закончить хотелось бы словами Антуана де Сент-Экзюпери: «Вода… Ты не имеешь ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать – тобой наслаждаешься, не ведая, что ты такое. Ты не просто необходима для жизни, ты и есть сама жизнь. Ты божество, ты совершенство, ты самое большое богатство на свете, ее Величество – Вода!» Пейте чистую воду.

Список используемых источников

1. Вода // Интернет-ресурс http://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7_%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%8B

2. Значение воды // Интернет-ресурс

http://www.istok–penza.ru/root/encyclopedia/water/meaning

3. Методы очистки воды // Интернет-ресурс

http://ru.m.wikipedia.org/wiki/Методы_очистки_воды

4. Научно-исследовательская работа «Формирование экологической компетентности будущих специалистов служб МТО при изучении экологии в военном вузе». Вольск, 2014

5. Основные загрязнители и их удаление // Интернет-ресурс http://www.rusfilter.ru/support/info/ochistka–vody–osnovnye–tipy–zagrjaznenii–i–metody–ih–udalenija/

Код для цитирования: Скопировать