Загрязнение водоемов и их последствия

Конец 20-ого и начало 21-ого столетий характеризуются интенсивным ростом населения Земли, развитием урбанизации. Появились города-гиганты с населением более 10-ти млн. человек. Развитие промышленности, транспорта, энергетики, индустриализация сельского хозяйства привели к тому, что антропогенное воздействие на окружающую среду приняло глобальный характер.

Прежде всего, пагубно отражается это воздействие на водную среду. Важным обстоятельством, присущим водной среде, является то, что через нее в основном передаются инфекционные заболевания (примерно 80% всех заболеваний). С целью борьбы с распространением заболеваний через водную среду Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) объявила текущее десятилетие десятилетием питьевой воды. На Земле практически не осталось мест, где можно найти чистую природную воду, пригодную для питья.

В связи с чем замечено увеличение числа исследовательских работ, направленных на создание методик и технологий очистки пресных вод. Однако, по-нашему мнению, физико-химическим методам очистки воды не уделяется должного внимания, что понимается нами как проблема исследования.

Нахождение путей решения этой проблемы и стало целью нашего исследования. Объектом нашего исследования стала пресная вода. Предметом нашего исследования являются физико-химические методы очистки пресной воды.

Человечество слишком медленно подходит к пониманию масштабов опасности, которую создает легкомысленное отношение к окружающей среде.

За время своего существования и особенно в 20-ый век человечество ухитрилось уничтожить 70% всех естественных экологических систем на планете.

На данный момент складывается очень тяжелая ситуация в целом с гидросферой: реки, озера (источники пресной воды) делаются непригодными не только для их законных обитателей, но и для людей.

Вода – одна из наиболее важных жизнеобеспечивающих природных сред, образовавшихся в результате эволюции Земли. Она является составной частью биосферы и обладает целым рядом аномальных свойств, влияющих на протекающие в экосистемах физико-химические и биологические процессы.

К таким свойствам относятся очень высокие и максимальные теплоемкость, теплота плавления и теплота испарения, поверхностное натяжение, растворяющая способность и диэлектрическая проницаемость, прозрачность. Кроме того, для воды характерны повышенная миграционная способность, имеющая важное значение для ее взаимодействия с сопредельными природными средами.

Вышеуказанные свойства воды определяют потенциальную возможность накопления в ней очень высоких количеств самых разнообразных загрязняющих веществ, в том числе патогенных микроорганизмов, приводящих к различного рода заболеваниям.

Практика показала, что основной причиной большинства эпидемий являлось употребление зараженной вирусами, микробами воды для питьевых и других нужд.

Наиболее важными антропогенными процессами загрязнения воды являются стоки с промышленно-урбанизированных и сельскохозяйственных территорий, выпадение с атмосферными осадками продуктов антропогенной деятельности. Эти процессы загрязняют не только поверхностные воды (бессточные водоемы и внутренние моря, водотоки), но и подземную гидросферу (артезианские бассейны, гидрогеологические массивы), Мировой океан (в особенности акватории и шельфы).

Хлорированные углеводороды, широко применяемые в качестве средств борьбы с вредителями сельского и лесного хозяйства, с переносчиками инфекционных болезней, уже многие десятилетия вместе со стоком рек и через атмосферу поступают в Мировой океан. Они легко растворимы в жирах и поэтому накапливаются в органах рыб, млекопитающих, морских птиц. Кроме того, хлорированные углеводорода почти не разлагаются в природных условиях, а только накапливаются в Мировом океане. Вместе с тем они остротоксичны, влияют на кроветворную систему, подавляют ферментативную активность, сильно влияют на наследственность.

Набор веществ, загрязняющих воду, очень широкий, а формы их нахождения разнообразны. На территории Российской Федерации проблема загрязнения поверхностных и подземных вод соединениями азота становится все более актуальной. Эколого-геохимическое картирование центральных областей Европейского России показало, что поверхностные и грунтовые воды этой территории во многих случаях характеризуются высокими концентрациями нитратов и нитритов. Режимные же наблюдения свидетельствуют об увеличении этих концентраций во времени.

Сходная ситуация складывается с загрязнением подземных вод органическими веществами. Следствием этого является то, что загрязнение гидрогеохимических систем постепенно становится необратимым. На сельскохозяйственных территориях с высокой агронагрузкой выявлено заметное увеличение в поверхностных водах соединений фосфора, что является благоприятным фактором для эвтрофикации бессточных водоемов. Отмечается также возрастание в поверхностных и грунтовых водах устойчивых пестицидов. Таким образом, мы видим, что современное состояние пресной воды очень сложное, и требует тщательного решения проблемы загрязнения воды.

Методы очистки пресной воды.

Пресная вода хорошего качества требуется не только для питьевых и культурно-бытовых нужд, но и для многих отраслей промышленности. Рассмотрим способы очистки воды в этих сферах.

1 2. 1 В промышленной сфере

Я живу в городе Курчатове, на территории которого располагается Курская Атомная Электростанция. Город окружает огромное водохранилище с большими запасами пресной воды, использующимися на предприятии. На примере Курской АЭС мы и рассмотрим методы очистки пресной воды в промышленности.

1 2. 1. 1. Химическое обессоливание на ионообменных смолах

Основным методом очистки вод от растворенных примесей на Курской АЭС является химическое обессоливание на ионообменных смолах-ионитах.

Иониты – вещества, нерастворимые в воде, способные к реакциям ионного обмена. Иониты делятся на катиониты и аниониты. Аниониты представляют собой высокомолекулярные полимерные соединения трехмерной гелевой структуры, содержащие функциональные группы основного характера.

Катиониты – высокомолекулярные полимерные соединения трехмерной гелевой структуры, содержащие функциональные группы кислотного характера, способные к реакциям катионного обмена. Необходимо уделять особое внимание физико-химическим и эксплуатационным показателям ионообменных фильтрующих материалов, поскольку от качества ионообменных материалов зависят основные технологические параметры работы ионообменной установки: качество очищенного фильтрата, фильтроцикл, перепад давления на фильтре, расход реагентов на регенерацию и объем отмывочных вод, срок службы ионитов и др.

Сущность химического обессоливания состоит в способности ионитов вступать в реакцию обмена с ионами водорастворимых солей. Все растворенные в воде соли диссоциированы на катионы (Ca2+, Mq2+, Na+ и др. ) и анионы (HCO3-, Cl-, SO42-, HSIO3- и др. ). Следовательно, ионообменное обессоливание воды должно предусматривать освобождение ее и от катионов, и от анионов.

При контакте воды с ионитами начинается обмен ионами, который заканчивается на определенной глубине, называемой работающим слоем или зоной обмена. При работе фильтра верхний слой ионита теряет способность к ионному обмену, истощается. Далее в работу вступают нижележащие слои ионита, таким образом, работающий слой передвигается вниз. Через определенное время, после включения фильтра, в слое ионита образуется работающая зона, зоны истощения и свежего ионита.

Когда в ионите все обменные ионы заменены на растворенные ионы, то произойдет "проскок", т. е. вытесненный ион поступит в обрабатываемую воду. В Н-катионитовом фильтре обменным ионом является катион Н+. В результате фильтрования воды через Н-катионитовый фильтр происходит новый обмен между катионом смолы Н+ и катионами солей. При этом катион Н+, соединяясь с анионами солей, образует кислоту:

Na2SO4 + 2HR = 2NaR + H2SO4; (1)

MqSO4 + 2HR = MqR2 + H2SO4; (2)

NaCl + HR = NaR + HCl; (3)

Mq (NO3)2 + 2HR = MqR2 + 2HNO3; (4) т. о. ,после Н-катионитового фильтра частично очищенная вода имеет кислую реакцию.

В ОН-анионитовом фильтре обменным ионом является анион ОН-. В результате фильтрования воды через ОН-фильтр происходит ионный обмен анионом смолы ОН- и анионами кислот и солей. При фильтровании воды через ОН-фильтр протекают реакции:

HNO3 + ROH = RNO3 + H2O; (7)

H2SO4 + 2ROH = R2SO4 + 2H2O; (8)

NaCl + ROH = RCl + NaOH; (9)

Na2SO4 + 2ROH = R2SO4 + 2NaOH. (10) и с другими анионами – аналогично. Таким образом, если на ОН-фильтр поступает подкисленная вода (после Н-фильтра), то после ОН-фильтра получаем обессоленную воду, если же ОН-фильтр работает без Н-фильтра, то после него получаем воду со щелочной средой.

Химическая лаборатория Курской АЭС

Химическая лаборатория Курской АЭС

2 2. 1. 2 Очистка воды от механических примесей, нефтепродуктов (масел) и мелкодисперсных продуктов коррозии

Для удаления механических примесей, нефтепродуктов, мелкодисперсных продуктов коррозии воды на Курской АЭС проходят очистку на намывных фильтрах.

Намывные фильтры состоят из намывных патронов, расположенных в фильтре вертикально, на патронах имеются канавки и на них навита тонкая стальная проволока с зазором 0,1мм (щели). Вода на намывные фильтры поступает под давлением снизу вверх, просачивается через щели патронов, и все продукты коррозии, масло, находящиеся в воде, осаждаются на пульпе.

Удаление сработанной пульпы с патронов производится с помощью "шоковой регенерации". Для этого снимают давление поступающей воды, а сверху резко подается вода, получается как бы гидроудар, и грязная пульпа спадает с патронов.

3 2. 1. 3 Очистка воды от растворенных газов (деаэрация)

Деаэрация – удаление растворенных в воде газов – осуществляется в деаэраторах. Растворенные в воде кислород и двуокись (диоксид) углерода СО2 ускоряет коррозию металла, поэтому при использовании воды в системах АС необходима очистка от растворенных газов. По законам физической химии растворимость газов в воде зависит от температуры и давления. При увеличении давления увеличивается растворимость газов в воде, при уменьшении давления растворимость уменьшается, на этом основан процесс вакуумной деаэрации. При снижении температуры воды растворимость газов увеличивается, при повышении – уменьшается. На этом основана термическая деаэрация. Регулируя подачу пара в деаэратор, добиваются необходимой степени деаэрации.

4 2. 1. 4 Термическое обессоливание воды

Способ получения обессоленной воды испарением исходной воды с последующей конденсацией пара называется термическим обессоливанием и основывается на том, что при испарении с паром уносится лишь очень небольшое количество капель исходной воды (т. н. капельный унос), а все примеси остаются в упариваемом растворе.

Процесс получения обессоленной воды из трапных вод с высоким солесодержанием и активностью осуществляется в выпарных аппаратах, которые имеют конструкцию, предотвращающую капельный унос. Ряд соединенных между собой выпарных аппаратов составляет выпарную установку.

Для получения воды особой чистоты конденсат проходит дальнейшую очистку на угольном и ионообменных фильтрах.

5 2. 1. 5 Водоподготовительная установка Курской АЭС (ХВО)

Водоподготовительная установка (ХВО) предназначена для получения обессоленной воды, используемой в контурах отдельных блоков АС для восполнения возможных потерь теплоносителя. Кроме того, обессоленная вода необходима при эксплуатации некоторых вспомогательных схем станции.

ХВО выполнена по схеме трехступенчатого обессоливания с предварительным известкованием и коагуляцией в осветлителях и очисткой на механических фильтрах. Значения показателей качества обессоленной воды на выходе установки химводоочистки (ХВО) после фильтров смешанного действия (ФСД) должны обеспечивать качество воды заполнения и подпиточной воды и соответствовать требованиям, указанным в таблице.

Наименование Значения показателей качества показателя

Диагностические

1. Водородный показатель pH 5,8 - 7,2

2. Удельная электрическая проводимость, 0,3

мкСм/см, не более

3. Массовая концентрация натрия, мкг/дм3, не более10

4. Массовая концентрация хлорид-ионов, 10

мкг/дм3, не более

5. Массовая концентрация кремниевой кислоты, 30

мкг/дм3, не более

Водоочистительная установка Курской АЭС

Водоочистительная установка Курской АЭС

2 2. 2 В бытовой сфере

Ученые считают, что питьевая вода хорошего качества увеличила бы среднюю продолжительность жизни современного человечества на 20-25 лет. Все больше людей в России понимают это, и поэтому не употребляют в пищу воду из-под крана, а либо покупают фильтры для воды, либо пользуются бутилированной водой.

Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека констатирует низкое качество питьевой воды в России. Около 19% проб воды из водопроводной сети не соответствует требованиям нормативов по санитарно-химическим и около 8% - по бактериологическим показателям. В целом по стране до 30% проб воды поверхностных водоисточников не соответствует гигиеническим нормативам по санитарно-химическим и до 25% - по бактериологическим показателям.

Серьезной проблемой являются водоразводящие сети, от 40% до 70% которых требуют замены. Как говорится в сообщении службы от 18 марта 2005 года, “в связи с этим аварии на сетях и вторичное микробное загрязнение питьевой воды представляют эпидемическую опасность”.

Из сообщения следует, что из общего числа зарегистрированных в 2004 году вспышек заболеваний, 77,3% носили “водный” характер и были связаны с неудовлетворительным состоянием систем водоснабжения. (РИА “Новости”)

1 2. 2. 1 Схема очистки питьевой воды системой муниципальных водоканалов России

1. Отстой

2. Коагуляция (связывание и осаждение примесей) сульфатом алюминия или другими коагулянтами.

3. Пропускание через песок с обратной промывкой.

4. Обработка ультрафиолетовыми лампами для уничтожения микроорганизмов.

5. Хлорирование с целью избежать дальнейшего бактериологического заражения воды, проходящей часто по старым и ржавым трубам от станций водоочистки до потребителя.

Часто станции очистки воды используют сокращенную схему – либо без отстоя, либо без коагуляции, либо без песчаных фильтров, либо без ультрафиолета; при этом воду хлорируют всегда.

Даже непрофессионалу ясно, что эффективно очистить воду, взятую из загрязненных источников (в Неву до сих пор сбрасывают неочищенные стоки, периодически происходят нефтеразливы или аварийные сбросы, и при этом Нева – один из наиболее чистых источников питьевой воды в России) по вышеуказанной схеме нельзя.

Вода считается питьевой, соответствующей требованиям СанПина, если содержание загрязнений (органика, железо, мутность и др. ) не превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК).

Следует учесть, что требования СанПина сильно занижены, они подогнаны под тот уровень очистки, который технически достижим Водоканалами. Нельзя же ведь, в самом деле, объявить, что в дома подается заведомо непитьевая вода!

Но и при этом 80% воды в России не соответствует даже таким заниженным требованиям.

2 2. 2. 2 Почему нельзя пить воду из-под крана?

Правда о бутилированной воде.

Воду бутилируют во всем мире. Качественная бутилированная вода, взятая из чистых природных источников, таких, как тающие ледники, стоит 40-60 руб. за литр, что значительно дороже, например, бензина.

В России в любом магазине продается бутилированная вода по цене примерно 5 руб. за литр. Раньше производители писали на бутылках, что это вода – ключевая, сейчас обычно пишут честно – очищенная. Что же означает – очищенная?

Широко известен только один метод глубокой очистки воды – так называемый «обратный осмос». Вода продавливается через мельчайшие мембраны, которые буквально отдирают от воды практически все растворенные соли и другие вещества, как полезные, так и вредные. В результате такой очистки получается дистиллированная или почти дистиллированная вода.

Многие люди ошибочно полагают, что дистиллят – это и есть идеальная питьевая вода.

На самом деле дистиллированная вода – это сильнейший яд.

Человек может годами пить грязную воду с многократным превышение ПДК по меди, железу, даже ртути (посадить печень не так-то просто!), но с гарантией умирает в течение недели, если будет пить дистиллированную воду. Почему? Потому что вода, лишенная всех растворенных веществ, крайне активно начинает вымывать их из организма.

О том, что в настоящее время в России производится и реализуется большое количество не соответствующей установленным требованиям питьевой воды, расфасованной в емкости, в том числе и для детского питания, говорится в постановлении от 6 апреля 2005 г. «Об усилении надзора за производством и оборотом минеральной и питьевой воды», подписанном главным санитарным врачом РФ Геннадием Онищенко и опубликованном на официальном сайте Федеральной службы по надзору в Сфере защиты прав потребителей и благополучия человека.

3 2. 2. 3 Фильтры для очистки питьевой воды

До недавнего времени лучшим сорбентом для очистки и доочистки питьевой воды являлся активированный уголь, в том числе лучший из промышленно производимых активированных углей – американский гранулированный активированный кокосовый уголь (ГАУ).

Так, в рекламе некоторых известных фильтров, указывается, что угольный фильтр способен в 100 раз уменьшить содержание в воде органических примесей. А на самом деле, новый угольный фильтр способен уменьшить содержание такого рода примесей только в два раза. Мельчайшую ржавчину (коллоидное трехвалентное железо) и остаточный алюминий активированный уголь не сорбирует, но об этом умалчивается. Горячую воду уголь не очищает вообще.

Старый, долго использовавшийся, угольный фильтр начинает не очищать, а загрязнять воду: на входе вода лучше, чем на выходе. Так происходит потому, что из угольной массы начинает вымываться ранее скопившаяся в ней грязь.

Уголь обладает еще одной неприятной особенностью – в нем хорошо размножаются бактерии. Именно поэтому производители угольных фильтров рекомендуют сохранять свою продукцию в холодильнике. Если бы уголь мог глубоко очистить воду, никто бы не прибегал к «обратному осмосу».

ГЛАВА 3. Курчатовский водоканал

1 3. 1 Водоснабжение

Система водоснабжения города Курчатова базируется на использовании подземных вод Курчатовского и Дичнянского водозаборов, расположенных на расстоянии 14км друг от друга. Суммарная производительность двух подземных водозаборов составляет 33тыс. м3/сут. Система централизованного коммунального водоснабжения города представлена следующими сооружениями:

▪ 18 артскважин Дичнянского водозабора;

▪ 43 артскважины Курчатовского водозабора;

▪ 6 резервуаров чистой воды, емкостью 2000м3 каждый;

▪ насосная станция II-го подъема;

▪ водоводы D=400мм, 2хD=250мм, D=500мм;

▪ магистрально-разводящие сети, диаметром от 100мм до 500мм.

Водопроводная сеть состоит в основном из стальных труб. Протя-женность водопроводной сети по состоянию на 01. 01. 2003 года со-ставила 141,5км. Степень износа сетей водопровода составляет 80%. Контроль качества воды осуществляется лабораторией МУП «Водоканал», которая в соответствии с рабочей программой, согласованной с Госсанэпиднадзором выполняет физико-химический анализ качества питьевой воды.

физико-химические исследования воды в Курчатовском водохранилище

№ Определяемые Результаты исследований ПДК;

п/п показатели ед. измерения подводящий канал сбросной канал

1 pH 7,24 ± 0,7 8,03 ± 0,8 6,5 – 8,5

2 Температура 8,0 ± 0,8 12,8 ± 1,3 Градусы Цельсия

3 Запах 0 0 2 балла

4 Цветность 22,6 ± 2,3 24,0 ± 2,4 40 градусов

5 Азот: аммиака 0,144 ± 0,01 0,15 ± 0,02 1,5 мг/дм3 по N/л

6 нитритов 0,036 ± 0,004 0,042 ± 0,004 3,3 мг/дм3 по N/л

7 нитратов 0,42 ± 0,04 0,51 ± 0,05 45,0 мг/дм3 по NO3-2

8 Сульфаты 18,0 ± 21,8 21,0 ± 2,1 500 мг/дм3

9 Фосфаты 0,132 ± 0,01 0,128 ± 0,01 3,5 мг/дм3

10 Хлориды 14,5 ± 1,5 16,0 ± 1,6 350 мг/дм3

11 Окисляемость 6,2 ± 0,6 6,44 ± 0,6 30,0 мгO2/дм3

12 Сухой остаток 329,0 ± 32,9 453,0 ± 45,3 1000 мг/дм3

(лабораторные испытаний проводились СанПином)

2 3. 2 Водоотведение

Городская канализация обеспечивает отвод сточных вод со всей территории города и их очистку перед выпуском в водоем. На территории города расположены 5 канализационных насосных станций, предназначенных для приема хоз-бытовых сточных вод от потребителей и перекачки их на городские ОСК. Очистные сооружения канализации расположены на расстоянии около 6км западнее г. Курчатова. Первые очистные сооружения города были построены в 1969году. По мере развития городской инфраструктуры осуществлялось строительство новых городских очистных сооружения канализации.

На всех этапах очистки сточных вод и обработки осадков организован лабораторно-производственный контроль. Контроль осуществляет персонал лаборатории ОСК по схеме согласованной с Госсанэпиднадзором и Инспекцией аналитического контроля г. Курска. Городские канализационные сети состоят из чугунных, асбестоцементных и стальных труб. Степень износа канализационных сетей составляет 60%.

3 3. 3 Энергосбережение

МУП «Водоканал», являясь одним из самых энергоемких предприятий жилищно-коммунального хозяйства города, проводит постоянную работу по энергосбережению. На Курчатовуском водозаборе выполняются работы по созданию автоматизированной системы диспетчерского контроля и управления (АСДКУ), что позволит обеспечить работу оборудования арскважин, электрооборудования сооружений в экономном режиме, и наиболее быстро и оперативно устранять нештатные ситуации. Большое внимание руководство предприятия и администрация города уделяют рациональному использованию питьевой воды, обепечению надежного и бесперебойного водоснабжения, качеству очистки сточных вод и предотвращения загрязнения поверхностных водоемов. Ежегодно из городского бюджета выделяются средства на реконструкцию и капитальный ремонт магистральных водопроводных сетей.

4 3. 4 Школьные исследования питьевой воды

Взяв пробу питьевой воды, мы с моим научным руководителем провели ее физико-химическое исследование в школьной лаборатории.

Проведение исследований в нашей школьной лаборатории

Получили следующие данные:

№ Определяемые Результаты исследований: ПДК;

п/п показатели ед. измерения

1 Запах 0 2балла

2 Цветность 15,0 ± 1,5 40 градусов

3 Общая жесткость 1,2 ± 0,1 7,0 мг-экв/дм3

4 pH 7,0 ± 0,6 6,0 – 9,0

5 Железо 0,05 ± 0,005 0,3 мг/дм3

6 Хлориды 16,5 ± 1,6 350 мг/дм3

7 Сульфаты 20,0 ± 3,6 500 мг/дм3

8 Сухой остаток 170,0 ± 34,0 1000 мг/дм3

Исследования проводились следующими способами:

1. Определения запаха (органолептический метод)

Запах воды определяем ощущением воспринимаемого запаха (землистый, хлорный, нефтепродуктов и так далее). Мы определяем запах при 20о С. В колбе с притертой пробкой вместимостью 250 см3 отмериваем 100 см3 испытуемой воды с температурой 20о С. Колбу закрываем пробкой, содержимое колбы несколько раз перемешиваем вращательными движениями, после чего открываем и определяем характер и интенсивность запаха.

2. Определение цветности

Цветность воды определяем фотометрически – путем сравнения проб испытуемой жидскости с растворами, имитирующих цвет природной воды.

Приготовление основного стандартного раствора (раствор №1):

0,0875 г K2Cr2O7 (дихромата калия), 2,0 г сульфата кобальта (CoSO4 × 7 H2O) и 1 мл серной кислоты (ρ = 1,84 г/мг3) растворяем в дистиллированной воде и доводим объем раствора до 1 дм3. Раствор соответсвует цветности 500о.

Приготовление разбавленной серной кислоты (раствор №2):

1 мл концентрированной H2SO4 плотностью 1,84 г/мг3 доводят дистилированной водой до 1 дм3. Для приготовления шкалы цветности используем набор цилиндров Несслера вместимостью 100 см3. В каждом цилиндре смешиваем раствор №1 и раствор №2 в соотношении, указанном на шкале светности.

Раствор №1, см3 0

Отсутствие Менее 0,05

Едва заметное желтовато-розовое От 0,05 до 0,1

Слабое желтовато-розовое От 0,1 до 0,5

Желтовато-розовое От 0,5 до 1,0

Желтовато-красное От 1,0 до 2,5

Ярко-красное Более 2,5

К 10 мл исследуемой воды прибавляем 1-2 капли HCl и 0,2 мл (4 капли) 50%-ного раствора KNCS. Перемешиваем и наблюдаем за развитием окраски. Примерное содержание железа находим по таблице.

Fe3+ + 3NCS- = Fe(NCS)3

В наших лабораторных исследованиях окрашивание было едва заметным, желтовато-розовым.

5. Определение сульфатов

Приготовление основного стандартного раствора сернокислого калия:

0,9071 г K2SO4 растворяем в мерной колбе вместимостью 1 дм3 в дистиллированной воде и доводим объем раствора дистиллированной водой до метки. 1 см3 раствора содержит 0,5 мг сульфат-иона.

Приготовление рабочего стандартного раствора сернокислого калия:

Основной раствор разбавляем 1 : 10 дистиллированной водой. 1 см3 раствора содержит 0,05 мг сульфат-иона.

Приготовление 5%-ого раствора хлористого бария:

5 г BaCl2 растворяем в дистиллированной воде и доводим объем до 100 см3

Приготовление 1,7%-ого раствора азотнокислого серебра:

8,5 г AgNO3 растворяем в 500 см3 дистиллированной воды и подкисляем 0,5 см3 концентрированной азотной кислоты.

Теперь в калометрическую пробирку диаметром 14-15 мм наливаем 10 см3 исследуемой воды, добавляем 0,% см3 соляной кислоты (1 : 5). Одновременно готовим стандартную шкалу. Для этого в такие же пробирки наливают 2,4,8 см3 рабочего раствора сернокислого клаия и 1,6; 3, 2; 6, 4 см3 основного раствора K2SO4 и доводим дистиллированной водой до 10 см3, получая таким образом стандартную шкалу с содержанием: 10, 20, 40, 80, 160, 320 мг/дм3 сульфат-иона. Прибавляем в каждую пробирку по 0,5 см3 соляной кислоты (1:5), затем в исследуемую воду и образцовые растворы по 2 см3 5%-ного раствора хлористого бария, закрываем пробками, пееремешиваем и сравнваем со стандартной шкалой.

6. Определение хлорида натрия в воде (приближенная оценка)

Наливаем 10 мл исследуемой воды в коническую колбу и добавляем 2 капли калий-хроматного индикатора. Из бюретки оттитровают хлорид-ион раствором AgNO3 постоянно втряхивая коническую колбу. В конечной точке титрования осадок AgCl окрашивается в красный цвет. Дважды повторяем титрования с 10 мл исследуемой воды. Подсчитываем среднее количество израсходованного AgNO3. Объем израсходованного AgNO3 приблизительно равен содержанию хлоридов в пробе воды.

7. Определение сухого остатка (без добавления соды)

250 см3 водопроводной воды выпаривают в предварительно высушенной до постоянной массы фарфоровой чашке. Выпаривание ведут на водяной бане с дистиллированной водой. Затем чашку с сухим остатком помещают в термостат при 110о и сушат до постоянной массы. Обработка результатов: сухой остаток (Х) мг/дм3 вычисляют по формуле: X = (m-m1) * 1000 / V (где m – масса чашки с сухим остатком в мг, m1 – масса пустой чашки в мг, V – объем воды, взятой для определения в см3)

Наши вычисления: X = (12500 – 12457,5) / 0,25 = 170 мг/см3.

Подведем итог. Проанализировав результаты физико-химических исследований воды в Курчатовском водохранилище СанПина и проведя лабораторные исследования питьевой воды, убеждаемся, что эффективно, с пользой для человека использовать эту воду нельзя. Говоря о стране в целом, запасы пресной воды в России очень велики и большинство из них используются в промышленности, после чего повторное использование в быту невозможно, а очистки пресной воды обычными фильтрами недостаточно. Поэтому я предлагаю новый метод очистки пресной воды с дальнейшим её использование в быту. Этот метод получил свое развитие благодаря новому этапу технологической революции – нанотехнологии.

ГЛАВА 4. Нанотехнологии в очистке воды.

Нанотехнологии – новая область науки, возникшая сравнительно недавно и сейчас находится в стадии становления. Вашему вниманию хочу предоставить метод очистки воды, непосредственно связанный с нанотехнологиями. А точнее произвести аналитический обзор этого метода.

1 4. 1 Что такое УСВР?

Как известно, углерод является самым распространенным элементом на Земле. До недавнего времени наука знала три модификации углерода – это графит (уголь), алмаз и так называемые карбины.

УСВР – четвертая модификация углерода, не встречающаяся в природе и не известная людям до ее создания в 1997 году академиком РАЕН Виктором Ивановичем Петриком. Кристаллические решетки всех перечисленных материалов построены из одного и того же химического элемента – углерода. Различия между углем, УСВР и алмазом определяются принципиально различной их внутренней структурой.

2 4. 2 Метод получения УСВР из слоистых углеродных соединений (СУС), разработанный В. И. Петриком

Приставка «нано» обозначает размер порядка 10-9 метра. Углеродный нанослой – это слой, толщина которого составляет около 10-9 метра. Такой атомарный углеродный слой называют графеном.

Строение графита очень похоже на хорошо известный нам предмет, а именно – на обыкновенную настольную книгу, только страницами в случае графита являются графены.

Атомы углерода в графенах расположены в виде шестиугольников (гексагоналов), поэтому и говорят, что графены имеют гексагональную структуру.

Структура графита

Связи между графенами – слабые (когда мы пишем карандашом, то разрываем эти связи), их называют ван-дер-ваальсовыми связями.

Связи между атомами в гексагоналах – сильные. Физики долгое время не верили, что В. И. Петрику удалось разорвать межатомарные (или, как их называют, ковалентные) связи, т. к. считалось, что они реально могут быть разорваны только в эпицентре ядерного взрыва.

В. И. Петриком было синтезировано химическое соединение, способное к взрывообразному разложению. Это соединение способно проникать путем обычного смачивания в межслоевые пространства графита (СУС) и находиться в таком состоянии сколь угодно долго, никак себя не проявляя. Однако, достаточно взорвать некоторое критическое количество молекул этого соединения, и начнется настоящая цепная реакция.

Выглядит фантастически, когда в результате неуправляемой(!) холодной(!) цепной реакции происходит радикальная деструкция СУС, и объем СУС (графита) увеличивается в 500 раз.

Процесс получения УСВР из СУС путем неуправляемой холодной цепной реакции

Кусок графита превращается в легчайший черный пух, содержащий до 20% наноструктур.

Наноструктуры, содержащиеся в УСВР – это не только графены, но и нанотрубки, ветвящиеся нанотрубки, нанокольца, нанофракталы.

Взрывы молекул химического соединения разрывают не только ван-дер-вальсовы связи между графенами (в результате чего графит «распушается», увеличиваясь в 500 раз в объеме), но они также частично разрывают ковалентные связи между атомами углерода в самих графенах, в результате чего в массе УСВР образуется огромное количество свободных радикалов – ненасыщенных атомарных связей.

Именно открытие нанотрубок японским ученым Иджима является началом открытия наномира. Обладая уникальными электрическими, химическими и механическими свойствами, нанотрубки создали целые направления в материаловедении, наноэлектронике, прикладной химии.

В научной литературе приводятся наглядные примеры некоторых экзотических свойств нанотрубок. Например, нанотрубка в 50-100 тысяч раз тоньше человеческого волоса, и при этом, как показывают расчеты, канат из нанотрубок, протянутый от Земли до Луны, мог бы обеспечить прочностные характеристики для того, чтобы его использовать в качестве кабеля пассажирского лифта. А кабель от Земли до Луны из одиночной

3 4. 4 УСВР как сорбент

Частично разорванные ковалентные связи образуют в массе УСВР огромное количество ненасыщенных межатомарных углеродных связей по периметру гексогоналов углерода.

Эти ненасыщенные межатомарные углеродные связи (свободные радикалы) при контакте с очень широкой группой веществ удерживают их в массе УСВР, пропуская молекулы воды. Лучше всего удерживаются примеси, родственные УСВР по химическому составу (основа – углерод), например, нефтепродукты и эфирорастворимые вещества.

Очень важно, что УСВР не вступает в химические реакции с сорбируемыми веществами, иными словами, в отфильтрованной воде не может быть никаких веществ, которых не было на входе. Связь УСВР и сорбируемых примесей достаточно прочная для того, чтобы их задержать в массе УСВР, но при этом достаточно слабая, чтобы при определенных условиях отделить примеси от УСВР.

4 4. 5 Уникальные сорбционные свойства УСВР

В 2004 году лаборатория Sierra Analitical Labs. Inc. (США, Калифорния) провела сравнительный анализ сорбционной емкости УСВР и лучшего вида кокосового гранулированного активированного угля (ГАУ) из активированных углей, представленных на американском рынке.

Вещество Сорбционная емкость 1 г УСВР Сорбционная емкость 5 г активированного угля

Ацетонитрил 32,1 1,22

Бензол 31,63 1,36

Хлороформ 24,55 1,32

Сырая нефть* 74,51 0,95

Дихлорметан 32,76 1,02

Дизельное топливо 36,65 1,11

Бензин 29,76 1,4

Гексан 27,54 1,31

Изопропиловый спирт 22,79 1,06

Керосин 40,16 1,12

Неорганические спирты 29,21 0,94

Лигроин (гарное масло) 24,14 1,01

Азотная кислота 51,33 1,04

Фосфорная кислота 60,28 1,16

Серная кислота 36,54 1,09

Тетрахлорэтан 38,22 1,41

Толуол 34,89 0,95

Скипидар 26,68 0,89

Ксилол 38,61 0,97

*Сорбционная емкость зависит от вязкости вещества.

Из таблицы видно, что 1 грамм УСВР превосходит 5 граммов ГАУ по сорбционной емкости в среднем более чем в 30 раз!

Работа УСВР в ипостаси фильтра позволяет – и многим это кажется парадоксальным – очищать воду от микроорганизмов – бактерий и вирусов.

Дело в том, что микроорганизмы не могут плавать в воде подобно рыбам или пловчихам в бассейне, им обязательно нужно «сесть» на микроплотик – какую-нибудь мелкую взвесь. Поскольку УСВР удерживает любые, даже самые мелкие взвеси, то вместе с ними удерживаются и любые микроорганизмы: они остаются в толще УСВР, а вода очищается от любых бактерий и вирусов. Однако, микроорганизмы, находящиеся в разветвлённой структуре УСВР, могут продолжать размножаться. Поэтому для того, чтобы микроорганизмы не размножались в толще УСВР, следует применить те или иные меры, например – как это делается в УСВР-фильтрах для питьевой воды – посеребрить УСВР.

УСВР в качестве и сорбента, и фильтра наголову превосходит всё известное в мире в области водоочистки.

При однократной фильтрации питьевой воды мутность уменьшается в 25-60 раз, количество взвешенных частиц – в 10-30 раз, достигается высокая степень удаления сульфатов, сульфидов, фторидов, хлоридов, нитритов, аммонийного азота, железа, цинка, меди, алюминия, марганца, свинца, молибдена, свободного хлора. УСВР обладает уникальным свойством: после прохождения раствора через слой УСВР толщиной в 10-15 см, такой важный показатель, как биологическое потребление кислорода (БПК) уменьшается в два раза. При очистке УСВР-фильтрами промышленных стоков было установлено, что они поглощают нефтепродукты и эфирорастворимые вещества до уровней, ниже, чем уровень ПДК (кратность очистки более 1000).

5 4. 6 Действие УСВР на организм человека

УСВР-фильтры обеспечивают принципиально новый уровень водоочистки, при котором вода становится не только кристально чистой, но и приобретает целебные свойства.

Доказано, что УСВР оказывает лечебное воздействие не только при нанесении на раны, ожоги, трофические язвы, но и при приеме внутрь.

В Российском кардиологическом центре Министерства здравоохранения РФ были проведены испытания сорбционных свойств УСВР в процессе очистки плазмы крови.

Ранозаживляющий эффект порошка УСВР приводит к значительному снижению летальных исходов, к сокращению сроков острого воспаления, к созданию раневой среды, неблагоприятной для активной вегетации микробной флоры.

Специальные исследования, проведенные в Санкт-Петербургском научно-исследовательском институте физической культуры, показали, что вода, получаемая путем УСВР-фильтрации обыкновенной водопроводной воды, приобретает «нечислящиеся» как за водопроводной, так и за бутилированной водой свойства: повышать работоспособность, способствовать процессам эффективного восстановления энергетики организма после физических нагрузок, повышать иммунитет организма.

Люди, систематически принимающие обычную водопроводную воду после УСВР-фильтрации, практически перестают болеть гриппом и другими инфекционными заболеваниями (следствие повышения иммунитета), у них нормализуется давление. У некоторых людей даже – пока не известно, почему – улучшается слух!

6 4. 7 Области применения УСВР

Сегодня определены области применения УСВР, где ее превосходство над конкурирующими материалами безусловно и, в ряде случаев, достигает порядковых величин.

• обезвреживание токсичных отходов и деструкция боевых отравляющих веществ;

• высококачественная очистка питьевой воды;

• локализация и тушение пожаров токсичных и горючих жидкостей на суше и водной поверхности;

• ликвидация аварийных проливов нефти и нефтепродуктов на суше и водной поверхности, соответствующая рекультивация грунтов;

• создание медицинских препаратов;

• удаление из табачного дыма полиароматических углеводородов, которые являются сильнейшими канцерогенами;

• влагоудержание в песчаных и солонцовых почвах;

• тепловая и антикоррозийная защита тепловых магистралей и котлового оборудования;

• очистка сточных вод.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ (ВЫВОДЫ)

Ускоренное развитие отраслей мирового хозяйства в XX веке привели к резкому повышению потребления пресной воды. Изменение климата – к исчезновению многих водоемов. В мире ощущается нехватка пресной воды. Водопроводная вода не соответствует санитарным нормам, что приводит к вспышкам инфекционных заболеваний желудочно-кишечного тракта. Свое исследование мы посвятили проблеме очистки пресной воды водоемов и водопроводной воды. Поставленная цель нашей работы - нахождение оптимальных, дешевых и наиболее доступных способов очистки пресной воды – выполнена.

Нами было изучено большое кол-во исследовательский работ, направленных на создание методик и технологий очистки пресной воды: в промышленности, в городских водоканалах, с помощью фильтров и так далее.

Однако, по нашему мнению, методам очистки воды не уделяется должного внимания, а такими физическими методами, как отстаивание, фильтрация, хлорирование, сорбирование не удается достичь желаемого результата.

Мы пришли к выводу, что сохранить запасы пресной воды и очистить её можно только с помощью нанотехнологий, благодаря которым очищенная вода становится не только кристально чистой, но и приобретает целебные свойства. Она способная очищать загрязненную воду от бактерий и вирусов; ионов и солей; и даже от нефтепродуктов. Ранозаживляющий эффект очищенной воды приводит к значительному снижению летальных исходов, к сокращению сроков острого воспаления, повышению иммунитет организма. Люди, систематически принимающие обычную водопроводную воду после УСВР-фильтрации, практически перестают болеть гриппом и другими инфекционными заболеваниями, у них нормализуется давление. Вода, очищенная с помощью нанотехнологий, может увеличить среднюю продолжительность жизни человечества до 20-25 лет.

В заключении хотелось бы отметить, что задачи нашего исследования решены.

Во-первых, обоснована необходимость очистки промышленных вод для решения проблемы питьевой воды на современном этапе.

Во-вторых, изучены методики очистки пресной воды.

В-третьих, выявлены современные и качественные методы очистки пресной воды.

В-четвертых, мы пришли к выводу, что нанотехнологии – технологии будущего и я хотел бы связать свою будущую профессиональную деятельность с этой отраслью науки и продолжить свою исследовательскую работу будучи уже студентом.