Очищение воды методом вымораживания

Санкт-Петербургский  Государственный университет

Геологический факультет

Кафедра гидрогеологии

2012 год

Курсовая работа на тему

«Очищение воды методом  вымораживания»

Студентки 2-го курса

Геологического  факультета

4-группы

Карачевой В.П.

Научный руководитель

Каюкова Е.П.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...3

Вода в жизни человека……………………………………………………………4

Стандарты на питьевую воду……………………………………………………5

Способы очистки воды…………………………………………………………...9

Очистка воды методом вымораживания……………………………………….12

Водоснабжение в г. Санкт-Петербурге и его проблемы………………………14

Заключение ………………………………………………………………………16

Литература……………………………………………………………………….17

Введение

Данная курсовая работа посвящена  методам очищения  воды, а именно методу вымораживания. Кроме того в работе представлена роль воды в жизнедеятельности человека, а так же её отрицательное воздействие на организм человека, если содержание в ней растворенных веществ не соответствует допускаемым нормам СанПиНа.

Выбором темы курсовой работы послужил тот факт, что вода – жизненно необходимый  для человека продукт. Продукт, который  нуждается в очистке, перед тем как он дойдет до потребителя.

Цели:

1. Ознакомиться с методами очистки питьевой воды.
2. Экспериментально проверить  эффективность очищения воды методом вымораживания.
3. Рассмотреть технологии и проблемы водоснабжения в  г. С-Петербурге.

Задачи:

1. Сравнить и найти способ очищения воды, который является наиболее качественным и доступным.
2. Собрать воду и исследовать её качества до очищения и после его.

Вода в жизни  человека

Вода - ценнейший природный ресурс. Она играет исключительную роль в  процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость  ее для бытовых потребностей человека, всех растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.

Рост городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства, значительное расширение площадей орошаемых  земель, улучшение культурно-бытовых  условий и ряд других факторов все больше усложняет проблемы обеспечения  водой.

Потребности в воде огромны и  ежегодно возрастают. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения  составляет 3300-3500 км3. При этом 70% всего  водопотребления используется в  сельском хозяйстве. Много воды потребляют химическая и целлюлозно-бумажная промышленность, черная и цветная металлургия. Развитие энергетики также приводит к резкому  увеличению потребности в воде. Значительное кол-во воды расходуется для потребностей отрасли животноводства, а также  на бытовые потребности населения. Большая часть воды после ее использования  для хозяйственно-бытовых нужд возвращается в реки в виде сточных вод.

Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все  более возрастающие потребности  промышленности и сельского хозяйства  в воде заставляют все страны, ученых мира искать разнообразные средства для решения этой проблемы.[3] 

Питьевая вода

Питьевая вода и чистая вода — не синонимы. Чистая вода, в отличие от воды питьевой, неопределенный термин.  Для химика «чистая вода» — дистиллят, свободный от примесей; для рыболова — вода, в которой водится рыба; для микробиолога — вода, в которой могут обитать бактерии, а для производственника — вода, которая годится для производственных процессов. Питьевая же вода всегда должна отвечать определённым установленным стандартам и ГОСТАм.

Стандарты на питьевую воду

Существует несколько  стандартов на питьевую воду:

-Российский стандарт, определяемый  соответствующими нормами и ГОСТами;

-Стандарт ВОЗ (Всемирной организации здравоохранения); 
-Стандарт США и стандарта стран Европейского союза (ЕС).

Российский ГОСТ на питьевую воду действует с 1982 г. Сейчас он дополнен более новым нормативом — Санитарные правила и нормы (СанПиН) 2.1.4.550-96 «Питьевая  вода».

В соответствии с действующими стандартами и нормами под термином питьевая вода высокого качества подразумевается: 
 
- вода с соответствующими органолептическими показателями — прозрачная, без запаха и с приятным вкусом;

- вода с рН = 7—7,5 и жесткостью  не выше 7 ммоль/л;

- вода, в которой суммарное  количество полезных минералов  не более 1 г/л;

- вода, в которой вредные  химические примеси либо составляют  десятые-сотые доли их ПДК,  либо вообще отсутствуют (то  есть их концентрации настолько  малы, что лежат за гранью возможностей  современных аналитических методов);

- вода, в которой практически  нет болезнетворных бактерий  и вирусов.

Краткий перечень неорганических и органических веществ, а также  бактерий и вирусов в питьевой воде, оказывающих неблаготворное влияние  на организм человека, представлен  в таблице 1.[2]

 
Таблица 1.  
Влияние неорганических и неорганических веществ, бактерий и вирусов на организм человека  
 

 
Опасные для здоровья человека химические вещества чаще всего вызывают рак либо воздействуют на печень и почки и как следствие – на кровь, поскольку почки и печень — “очистные органы человеческого организма”.

Некоторые соединения таблицы 1, например, медь и селен в малых  концентрациях необходимы организму  в качестве микроэлементов, в большой  концентрации – яды.

Многие вещества как сера, хлор, железо, не рассмотрены в таблице, поскольку 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 из-за наличия хлорноватой и сернистой  кислот. Такая вода для питья не годится, ее следует очищать с помощью фильтра или покупать бутилированную питьевую воду в магазине.

Избыток железа — «ржавая» вода тоже не пригодна для питья; ее также следует очищать.

Очень опасно присутствие  в питьевой воде микроорганизмов, особенно бактерий из группы кишечных палочек и энтеровирусы, поражающих желудочно-кишечный тракт, а также вирус гепатита. Они попадают в воду из городских канализаций, разносятся сточными водами с полей, удобряемых навозом. Дожди и разливы рек смывают навоз в водоемы, где микрофлора начинает бурно размножаться. Чтобы обеззаразить воду от микроорганизмов, её хлорируют.

В таблицу 1 также не включено множество органических соединений, вредных в той или иной степени. От некоторых может случиться расстройство желудка, аллергия. Другие, как например, бензин, ядовитые продукты выхлопных газов, пестициды грозят гораздо более серьезными расстройствами.

Пестициды - это группа разнообразных  веществ, используемых в сельском хозяйстве для борьбы с сорняками, насекомыми и грызунами, включает около пятидесяти 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). С полей они попадают в водоёмы, а оттуда могут проникнуть в питьевую воду. Если концентрации самых опасных пестицидов очень малы, порядка нанограмм-микрограмм на литр, они не наносят организму существенного вреда.

Другое соединение - хлор. Хлором обеззараживают воду, поскольку  хлор — 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. В результате образуются гораздо более неприятные соединения, 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, с образованием диоксина, хлороформа, хлортолуола и других канцерогенных веществ.

Обеззараживать воду без  хлора экономически нецелесообразно, поскольку альтернативные методы обеззараживания  воды, связанные с использованием серебра для этой цели дорогие. Был  предложен альтернативный хлорированию метод обеззараживания воды с  помощью озона, но оказалось, что  озон тоже вступает в реакцию со многими веществами в воде — с фенолом, и образовавшиеся в результате продукты еще токсичнее хлорфенольных.

Другой интересный метод - обеззараживать воду с помощью  ультрафиолетового излучения. Но этот метод также не дешёвый. Он сейчас внедряется в Петербурге, и есть надежда, что через несколько лет проблемы, связанные с применением хлора, фтора и озона, уйдут в прошлое.[4]

Способы очистки  воды

Бытовые способы  очистки воды

Для очистки воды в бытовых условиях люди используют разные способы. Однако далеко не все знают, как правильно  их необходимо осуществлять и какой  может при этом возникнуть побочный эффект.

Все способы очистки воды можно  условно разделить на две группы: очистка без использования фильтров и очистка с использованием фильтров.

Очистка воды без использования  фильтров.

Данный вариант наиболее распространен  и доступен, поскольку для очистки  воды не требуется приобретение дополнительных устройств, кроме как обычной  кухонной посуды. К наиболее распространенным способам относятся:

• Кипячение
• Отстаивание
• Вымораживание

Кипячение

Все мы с детства знаем, что сырую  воду пить нельзя, но только кипяченую. Кипячение используют для уничтожения  органики (вирусов, бактерий, микроорганизмов  и др.), удаления хлора и других низкотемпературных газов (радон, аммиак и др.). 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.

Как известно, соли имеют тенденцию  накапливаться в организме, что  приводит к самым различным заболеваниям, начиная от болезней суставов, образованию  камней в почках и окаменению (циррозу) печени, и заканчивая артериосклерозом, инфарктом и мн. др. Кроме того, многие вирусы могут легко перенести  кипячение воды, поскольку для  их уничтожения требуются намного более высокие температуры. Также заметим, что при кипячении воды удаляется только газообразный хлор. В лабораторных исследованиях был подтвержден тот факт, что после кипячения водопроводной воды образуется дополнительный хлороформ (вызывает раковые заболевания), даже если перед кипячением воды была освобождена от хлороформа продувкой инертным газом.

Вывод:

После кипячения мы пьем "мертвую" воду, в которой присутствуют мелкая взвесь и механические частицы, соли тяжелых металлов, хлор и хлорорганика (хлороформ), вирусы и др.

Отстаивание.

Отстаивание используют для удаления из воды хлора. Как правило, для этого  водопроводную воду наливают в большое  ведро и оставляют в нем  на несколько часов. Без перемешивания  воды в ведре удаление газообразного  хлора происходит примерно с 1/3 глубины  от поверхности воды, поэтому для  получения сколь-либо заметного  эффекта необходимо следовать разработанным  методикам отстаивания.

Вывод. Эффективность данного способа  очистки воды оставляет желать лучшего. После отстаивания необходимо кипятить воду.

Минерализация

Обычную воду можно превратить в целебную, опустив в нее минерал — кремень или шунгит. Несколько небольших кусочков кремня, который продается под названием «опал халцедоновый», уничтожают все болезнетворные бактерии. Залейте их водой из-под крана и настаивайте 2-3 дня. Приготовленная таким образом вода поможет вам значительно улучшить работу желудочно-кишечного тракта, укрепит организм, повысит его сопротивляемость к болезням.

Намного быстрее действует  шунгит. Очищенная с его помощью вода незаменима для ингаляций и полосканий. А если принять ванну с небольшим камешком шунгита, то кожа очистится и станет гладкой.

Специалисты рекомендуют  пить кремневую и шунгитовую воду сразу и впрок ее не заготовлять.

Электрохимическая очистка

С помощью специального прибора, состоящего из неэлектропроводной емкости, электродов и мембраны, через воду пропускают постоянный ток. В результате получают два типа аноды — «живую» (щелочную) и «мертвую» (кислотную). «Живая» обладает свойством ускорять рост клеток. Она незаменима для полива растений, ее применяют в косметических, а иногда и в лечебных целях. «Мертвая» же, будучи мягко действующим антисептиком, эффективно справляется с любыми микробами.

Хранить воду — не более 6 часов.

Очистка фильтром

Наиболее эффективно очистить воду в домашних условиях можно с помощью мембранного фильтра, установленного на кухне. Он работает по многоступенчатому принципу. Сначала вода проходит через механические и угольные фильтры, затем поступает на полупроницаемую синтетическую мембрану, мельчайшие поры которой пропускают только молекулы Н2О.

Не забывайте вовремя  менять картриджи в домашних фильтрах. Иначе вредные вещества, накопленные в них, будут вторично загрязнять воду, делая ее не просто грязной, а ядовитой. [3]

Очистка воды методом  вымораживания

Данный способ применяют для  эффективной очистки воды с помощью  ее перекристаллизации. Данный способ намного эффективнее кипячения  и даже перегонки, поскольку фенол, хлорфенолы и легкая хлорорганика (ряд хлорсодержащих соединений - страшнейший яд) перегоняются вместе с водяным паром.

В физической химии известен закон, согласно которому при замерзании жидкости сначала в наиболее холодном месте кристаллизуется основное вещество, а уж в последнюю очередь (т.е. в наименее холодном месте) затвердевает все, что было растворено в основном веществе: всякие примеси, газы, растворенный воздух, грязь. Наверняка вы видели, как замерзает молоко: ближе к  стенкам пакета или кастрюли намерзает  чистая вода, а в середине (куда мороз  добрался в последнюю очередь) скапливаются жир и другие компоненты молока.

Этому закону подчиняются  все жидкие вещества: расплавленные  металлы и соли, нефть и прочие жидкости, в том числе, конечно, и  вода. На этом законе основано производство сверхчистых полупродниковых материалов (кремния, германия) «способом зонной плавки». Вот и сверхчистую воду можно получать из водопроводной воды, если использовать способ направленной кристаллизации. Главное здесь – обеспечить медленное замораживание воды и вести его так, чтобы в одном месте сосуда мороза было больше, чем в другом; тогда в самом холодном месте намерзнет чистейшая вода, а грязь и примеси соберутся там, где мороза было меньше. Кастрюлю следует держать в морозильнике столько времени, чтобы вода успела замерзнуть примерно наполовину или на две трети (для 3-литровой кастрюли это как раз сутки).

Когда вода в кастрюле замерзнет, воочию можно убедиться, что по краям лед чист, как алмаз, а незамерзшая вода в середине так грязна, что напоминает по цвету спитый чай. Лед над этой грязной водой не очень чист и протыкается даже пальцем. Этот лед надо вырезать ножом и слить всю грязную воду. Если Вы вытащили кастрюлю поздно, так что вода промерзла полностью, тогда возьмите чайник с крутым кипятком и лейте струю в середину кастрюли – кипяток за полминуты «вымоет» весь грязный лед с середины, оставив кругляк чистейшего льда. Чистый лед оставьте на оттаивание.

Мы решили на личном опыте  проверить эффективность метода вымораживания. Для этого мы набрали воды из-под крана в пяти литровую эмалированную кастрюлю с крышкой и поместили её в морозильную камеру холодильника.

Затем собрали первый лед ,объем которого составил 0,545 л, а позже собрали незамерзшую тяжелую воду, объемом 0,285л.

Собранную воду, а так  же воду из под крана мы отнесли в лабораторию и уже там изучили и на основании полученных результатов, которые приведены в таблице 2, сделали вывод, что химический состав воды первого льда соответствует  составу дистиллированной воды. В воде, которая не успела замерзнуть, сконцентрировались вещества, которые первоначально находились во всем объеме воды. На основании проведенного опыта можно сделать вывод, что метод вымораживания является эффективным и доступным для использования в бытовых условиях. Качество очищенной воды соответствует СанПиН 2.1.41074-01 для централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Таблица 2.Химический анализ воды.

 Общий V воды – 5 л, V талой воды – 0,545, V тяжелой воды – 0,285 л.

 
Водоснабжение в  г. Санкт-Петербурге и его проблемы

Технологии очистки

Технологический процесс  водоподготовки включает следующие  основные этапы:

аммонирование воды (используется сульфат аммония)

обеззараживание воды (используется гипохлорит натрия)

коагуляция загрязняющих веществ (используется сульфат алюминия)

флокуляция (используется катионный флокулянт)

фильтрация через песчаную загрузку на контактных осветлителях (одноступенчатая схема очистки)

отстаивание и фильтрация через песчаную загрузку на скорых фильтрах (двухступенчатая схема очистки)

обеззараживание УФ-излучением

 
С 2007 года в Водоканале действует  уникальная двухступенчатая технология комплексного обеззараживания питьевой воды на водопроводных станциях Санкт-Петербурга.  
Она включает в себя использование высокоэффективного и одновременно безопасного реагента - гипохлорита натрия (химический метод) и ультрафиолетовую обработку воды (физический метод). Эта комбинация позволяет полностью гарантировать эпидемиологическую безопасность водоснабжения Санкт-Петербурга, а также полное соответствие микробиологических показателей качества воды действующим нормативам.

Петербург стал первым мегаполисом, в котором вся питьевая вода проходит обработку ультрафиолетом и который  полностью отказался от использования  жидкого хлора для обеззараживания  воды.  
Еще одна технология, вот уже более двух лет используемая Водоканалом, – это система дозирования порошкообразного активированного угля (ПАУ), обеспечивающая удаление запаха и нефтепродуктов.

Гордость Водоканала –  уникальная система биомониторинга качества воды. Ее принцип действия основан на диагностике функционального состояния речных раков и рыб.  
Метод, разработанный в Научно-исследовательском центре экологической безопасности РАН, предусматривает измерение кардиоритма аборигенных

речных раков и анализ поведения рыб. Если в воде, которую  берут из Невы, окажутся токсичные  вещества, у раков участится сердцебиение, а у рыб резко изменится  поведение. Сейчас система биомониторинга используется на всех водопроводных станциях города.  
На Главной водопроводной станции в «штате» - 12 речных раков.  
Рабочий график: двое суток в аквариуме под наблюдением, затем – четверо суток отдыха и активной еды.  
На службу в Водоканал принимают раков только мужского пола.

 Как утверждают работники  водоканала: вода потребителям подаётся  абсолютно чистая, значит, она претерпевает  изменения в трубах. Что тоже  является не маловажной проблемой  водоснабжения населения. [1]

Вывод

Методов для очищения воды существует немало, у каждого есть свои плюсы и недостатки. Бытовые  методы отличаются тем, что они подходят для применения какой-то конкретной части населения. Мы не можем, допустим, использовать метод заморозки для  снабжения водой города или целого мегаполиса. Во-первых, это не выгодно, во-вторых, это нерационально, в-третьих, пользы от воды, лишенной солей, для организма человека не так уж и много.

Что касается очищения воды при помощи кипячения, то тут тоже есть свои сложности. При кипячении, так же как и при вымораживании  из воды удаляются различные химические элементы. Человеческому организму необходимо восполнять тот запас солей и элементов, который заложен природой. В кипяченой воде многие соли выпадают в осадок в виде накипи, следовательно, человек, потребляя такую воду получает от неё немного пользы. Так как он пьет, по сути «мертвую воду».

Электрохимическая очистка  воды, так же имеет узкий спектр использования. Кроме того срок хранения воды, очищенной данным методом достаточно мал.

В процессе работы были проведены  анализы собранной воды и экспериментально установлено, что метод вымораживания является эффективным.  Качество очищенной воды соответствует СанПиН 2.1.41074-01 для централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Литература

1) http://www.vodokanal.spb.ru/ сайт ГУП Водоканала в Санкт-Петербурге.(дата обращения 12.03.12) [1]

2) СанПиН 2.1.4.1074-01 Питьевая вода . Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.[2]

3)  Пап Л. Концентрирование вымораживанием. 1982, - 360с.[3]

4) Скоробогатов Г.А., Калинин А.И. - СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2003,- 240 c.[4]