Анализ воды из природных источников

«Анализ   воды из   природных  источников» 
 
 
 

                        Проблема:

Высокая жесткость природных вод, наблюдается  во многих регионах, серьезно затрудняет водопользование. Жесткость природных вод (особенно из подземных источников) обусловлена наличием в них повышенного содержания ионов кальция или магния. Жесткая вода неблагоприятна для пищеварения и приводит к накоплению солей в организме человека. Наконец, жесткую воду затруднительно использовать для гигиенических целей, так как ионы кальция или магния соединяясь с мылом, образуют жесткий нерастворимый осадок.  

                                                   Цель:

Качественное  и количественное определение ионов  калия, свинца, кальция, железа, хлорид-ионов, сульфат-ионов, фосфат-ионов в природных  водах, кислотности природной воды. 
 

                                                    Задачи: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    В большинстве  случаев загрязнение пресных  вод остаётся невидимым, поскольку  загрязнители растворены в воде. Но есть и исключения: пенящиеся  моющие средства, а также плавающие  на поверхности нефтепродукты  и неочищенные стоки. Есть несколько  природных загрязнителей. Находящиеся  в земле соединения алюминия  попадают в систему пресных  водоёмов в результате химических  реакций. Паводки вымывают из  почвы лугов соединения магния, которые наносят огромный ущерб  рыбным запасам. Однако объём  естественных загрязняющих веществ  ничтожен по сравнению с производимыми  человеком. Ежегодно в водные  бассейны попадают тысячи химических  веществ с непредсказуемым действием,  многие из которых представляют  собой новые химические соединения. В воде могут быть обнаружены  повышенные концентрации токсичных  тяжелых металлов (как кадмия, ртути,  свинца, хрома), пестициды, нитраты  и фосфаты, нефтепродукты, поверхностно-активные  вещества (ПАВы). Как известно, ежегодно  в моря и океаны попадает  до 12 млн. тонн нефти. Определенный вклад в повышение концентрации тяжелых металлов в воде вносят и кислотные дожди. Они способны растворять в грунте минералы, что приводит к увеличению содержания в воде ионов тяжелых металлов. С атомных электростанций в круговорот воды в природе попадают радиоактивные отходы. Сброс неочищенных сточных вод в водные источники приводит к микробиологическим загрязнениям воды. По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) 80 % заболеваний в мире вызваны неподобающим качеством и антисанитарным состоянием воды. В сельской местности проблема качества воды стоит особенно остро — около 90 % всех сельских жителей в мире постоянно пользуются для питья и купания загрязненной водой.

        Наиболее опасными загрязнителями промышленного происхождения являются тяжёлые металлы: кадмий, свинец и цинк. Другой серьёзный источник загрязнения пресных вод — кислотные дожди, вызываемые транспортно-промышленными выбросами.

Основные  загрязнители питьевой воды

Основными загрязнителями питьевой воды в России являются тяжeлыe металлы, продукты коррозии, соли (сульфаты, хлориды, соли жесткости), галоформные соединения, образующиеся при обеззараживании воды хлором, вирусы, возбудители паразитарных заболеваний.

Для отдельных  регионов выявлена возможность загрязнения  питьевой воды фенолами и диоксинами, отмечена ее мутагенная активность. Выявлен новый класс биологически активных загрязнений микробного происхождения - так называемые фракции ДВ-молекул, образующихся при хлорировании и длительном кипячении воды и проявляющие свои сильные иммунодепрессивные и мутагенные свойства.

Ведущей причиной такого положения является резко  растущее загрязнение водных источников. Качество воды от 50 до 75% всех водных объектов России - ее рек и озер - не отвечает современным нормативным требованиям.

Длительное использование  питьевой воды с нарушением гигиеничecкиx требований по химическому составу обусловливает развитие различных заболеваний у населения. Неблагоприятное биологическое воздействие избыточного поступления в организм ряда химических веществ проявляется не только в повышении общей или специфической заболеваемости, но и в изменении отдельных показателей здоровья, свидетельствующих о начальных - предпатологических или уже патологических сдвигах в организме человека.

Соединение канализационных  вод с выбросами предприятий  дает серьезный добавочный эффект: к перечисленным выше химическим cоставляющим питьевой воды добавляются и патогенные микроорганизмы - кишечные палочки, холерный вибрион, вирус гепатита А.

    Вода весьма распространенное на Земле вещество. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и озера. Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха. Количество примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1% (масс.). Вода, содержащая значительное количество солей кальция и магния, называется жесткой в отличие от мягкой воды, например дождевой. Жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов образует накипь. Чтобы освободить природную воду от взвешенных в ней частиц, ее фильтруют сквозь слой пористого вещества, например, угля, обожженной глины и т. п. Фильтрованием можно удалить из воды только нерастворимые примеси. Растворенные вещества удаляют из нее путем перегонки (дистилляции) или ионного обмена. Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались. бы до 0°С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0°С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотность вода достигает при 4 °С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания. Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода. обладает аномально высокой теплоемкостью [4,18 Дж/(гК)], Поэтому .в ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким образом, регулятором температуры на земном шаре. В связи с тем, что при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, давление понижает температуру плавления льда. Эта вытекает из принципа Ле Шателье. Действительно, пусть. лед и жидкая вода находятся в равновесии при О°С. При увеличении давления равновесие, согласно принципу Ле Шателье, сместится в сторону образования той фазы, которая при той же температуре занимает меньший объем. Этой фазой является в данном случае жидкость. Таким образом, возрастание давления при О°С вызывает превращение льда в жидкость, а это и означает, что температура плавления льда снижается. Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине ядро атома кислорода, Межъядерные расстояния ОН близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм. Из восьми электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды  
 
 
Основные типы загрязнения воды и методы их удаления

Типы  загрязнений и  очистка воды 
 
Значение чистой воды для человека трудно переоценить. Вода, соприкасаясь со многими средами, растворяет в себе огромное количество химических веществ, как органических, так и неорганических. Некоторые из них сами по себе возможно и не очень вредны для организма, но становятся вредными при контакте с другими. Другие же полезны, но сочетания могут приносить вред, в целом не сравнимый с пользой. Так же в воде присутствует множество микроорганизмов, которые могут вызвать массу заболеваний. Известно, что поступление в организм с питьевой водой веществ, в концентрациях выше предельно-допустимых, может вызвать необратимые изменения в работе важнейших систем жизнедеятельности человека. 
 
Минерализация - при повышенном общем солесодержании наблюдается перераспределение воды в организме, напряжение механизмов в регуляции водно-солевого гомеостаза, нарушение кислотно-щелочного равновесия, развитие различных функциональных сдвигов в зависимости от ионного состава воды. 
 
Жесткость - повышенная жесткость воды приводит к отложению солей в мочевыводящих путях, гиперкальцурие, изменению водно-солевого и белково-липидного обменов.  
 
Сульфаты - установлена связь повышенного содержания сульфатов в воде с функциональным состоянием желудочно-кишечного тракта (секреторной деятельностью желудка, процессами переваривания и всасывания пиши) - понижение кислотности желудочного сока. 
 
Хлориды - влияют на водно-солевой обмен, при повышенном содержании возможно развитие гипертензивного синдрома. 
 
Кальций - при его избытке происходит отложение солей в почках и мочевыводящих путях, отмечаются ранее обызвествление костей и очаги обызвествления в стенках сосудов, остановка роста скелета. 
 
Натрий - избыток натрия приводит к задержке воды в организме, повышению возбудимости миокарда, появлению гипергензивных состояний. 
 
Фтор - при повышенной концентрации появляется крапчатость эмали зубов, увеличивается выведения кальция с мочой, уменьшается содержания кальция и фосфора в костях, понижается синтез мукополисахаридов, подавляется активность ряда протоплазматических ферментов, подавление иммунной реактивности, морфофункциональные изменения в почках и печени. 
 
Железо - длительное употребление железистой воды способствует возникновению болезней крови, развитию инфарктов, заболеванию печени, оказывает негативное влияние на репродуктивную функцию организма. 
 
Марганец - повышенное содержание марганца в воде приводит к анемии, нарушению функционального состояния ЦНС. 
 
Существуют различные методы очистки воды для приведения ее к нормам, установленным СанПиН. Рассмотрим наиболее распространенные из них: 
 
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. Для очистки воды, подаваемой из общественных водопроводных сетей, как правило, применяется тонкое фильтрование с использованием в качестве элементов очистки сеток и картриджей со степенью фильтрации от 5мкм до 1см, в зависимости от уровня загрязнений.

 
Очистка воды от железа 
 
Типичная картина, которая наблюдается при подъеме железистой воды из скважины, такова: вначале вода, только что выкачанная из скважины, абсолютно прозрачна и кажется чистой, но проходит несколько десятков минут и вода мутнеет, приобретая специфический рыжеватый цвет. 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 приводит к потере «белизны» ванн и раковин, выхода из строя импортной сантехники, появление в системе водопровода железобактерий, коррозии труб. 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. 
По российским санитарным нормам содержание железа в питьевой воде не должно превышать 0,3 мг/л. В подземной же воде содержание его колеблется в пределах от 0,5 до 20 мг/л.  
Решение проблемы очистки воды от железа представляется довольно сложной и комплексной задачей, в связи с этим вряд ли возможно установить какие-либо универсальные правила очистки. 
 
Наиболее часто используемыми методами при очистке воды от железа являются:

• аэрация, т. е. нагнетание воздуха и интенсивный процесс окисления в емкости.
• обработка воды сильными окислителями - озон, 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).

 
Очистка воды от солей  жесткости 
 
С жесткой водой сталкивался, наверное, каждый человек, достаточно вспомнить о накипи в чайнике. 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. На процесс типографской печати жесткость воды оказывает очень серьезное влияние. Ионы Ca и Mg вступают в нежелательные реакции с жирными кислотами печатных красок и образуют мыльные соединения, которые имеют свойство выпадать в осадок на форме, красочном и увлажняющем валике, что ведет при печати к тенению. На валиках, офсетном полотне и печатной форме появляется совершенно излишний известковый налет.

 
Жесткость воды зависит от суммарного содержанием в ней растворенных солей кальция и магния. Гидрокарбонаты 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. Соли же сильных  кислот, например, сульфаты и хлориды  кальция и магния - образуют некарбонатную  или постоянную жесткость, не изменяющуюся при кипячении воды.

 
Жесткость пресных природных водоемов меняется в течение года, имея минимум  в период паводка. Артезианская вода, как правило, более жесткая, чем  вода из поверхностных источников.

 
По американской классификации (для  питьевой воды) при содержании солей  жесткости менее 2 мг-экв/л вода считается "мягкой", от 2 до 4 мг-экв/л - нормальной (повторяем, для пищевых целей!), от 4 до 6 мг-экв/л - жесткой, а свыше 6 мг-экв/л - очень жесткой. По российским нормам для питьевых нужд жесткость не должна превышать 7 мг-экв/л! Почувствуйте разницу!!! 
 
В ряде случаев жесткость может создать проблемы. При принятии ванны, мытье посуды, стирке, мытье машины жесткая вода гораздо менее эффективна, чем мягкая. И вот почему:

• При использовании мягкой воды расходуется в 2 раза меньше моющих средств;
• Жесткая вода, взаимодействуя с мылом, образует "мыльные шлаки", которые не смываются водой и оставляют малосимпатичные разводы на посуде и поверхности сантехники;
• "Мыльные шлаки" также не смываются с поверхности человеческой кожи, забивая поры и покрывая каждый волос на теле, что может стать причиной появления сыпи, раздражения, зуда.
• При нагревании воды содержащиеся в ней соли жесткости кристаллизуются, выпадая в виде накипи. Накипь является причиной 90% отказов водонагревательного оборудования. Поэтому к воде, подвергаемой нагреву в котлах, бойлерах и т.п., предъявляются на порядок более строгие требования по жесткости. Для различных марок котлов жесткость не должна превышать 0,01 - 0,05 мг-экв/л.
• Во многих промышленных процессах соли жесткости могут вступить в химическую реакцию, образовав нежелательные промежуточные продукты.

 
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.

 
Улучшение органолептических  показателей воды 
 
Улучшение органолептических показателей воды проводится на активированном угле, чаще всего применяется на одной из последних ступеней очистки и является одним из классических способов получения питьевой воды. Практически каждая бутилированная вода проходит через угольный фильтр. Такая дополнительная очистка воды необходима в тех случаях, когда требуется устранить незначительные нарушения показателей цветности, вкуса и запаха воды. Активированный уголь также используется для очистки муниципальной водопроводной воды от хлора и хлорсодержащих соединений. Высокая эффективность активированного угля связана с его высокой сорбционной емкостью, увеличенной за счет оптимального размера гранул. 
 
Обеззараживание 
 
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 питьевого назначения. Использование для питья 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.

Конкретный способ обеззараживания определяется с  учетом производительности и затрат.