Очищение воды. Как из пресной получить питьевую



В статье анализируются способы очищения пресной воды, практическое применение методов очищения для получения питьевой воды с выявлением оптимального метода.

Согласно исследованиям, в пресной воде содержание солей не превышает 0.1 %. Однако отсутствие солевых примесей еще не означает, что эта вода является питьевой.

Питьевой считается вода, не опасная для здоровья человека и соответствующая установленным стандартам качества. Основной объём пресной воды в России добывают из поверхностных источников — водохранилищ, рек и озер. Небольшая часть пресной воды извлекается из недр земли — колодцев, артезианских скважин, родников. Из-за стремительного развития человеческой деятельности большая часть воды становится непригодной для людей, растений и животных. Несмотря на огромный объем воды, чистой остается лишь небольшая часть, которая каждый день подвергается загрязнению.

Объект исследования: пресная вода.

Проблема: как из разных источников пресной воды получить питьевую воду?

Предмет: способы очищения образцов пресной воды, взятых из озера, артезианской скважины и водопровода.

Цель работы: научиться очищать пресную воду различными способами и выбрать наиболее оптимальный для каждого образца воды.

Задачи исследования :

1. Изучить вопрос актуальности темы.
2. Изучить способы очищения пресной воды.
3. Взять образцы из озера, артезианской скважины и водопровода. Провести с ними эксперименты.
4. Выявить оптимальные способы очищения пресной воды.

Гипотеза: любую пресную воду можно очистить до качества питьевой, просто для каждого вида нужны разные способы очистки.

Актуальность выбранной темы:

– природные источники пресной воды загрязняются пестицидами и удобрениями с ферм, неочищенными сточными водами и промышленными отходами;

– износ водопроводных систем, свинец и различные вредные соединения, которые содержатся в трубах, а также необходимость хлорирования делают водопроводную воду малопригодной для питья;

– неочищенная или некачественно очищенная вода становится причиной многих серьезных заболеваний;

– более 12 млн жителей России не имеют доступа к центральному водоснабжению и пользуются водой из колодцев и скважин, часто пренебрегая дополнительной очисткой воды;

– отправляясь в поход или оказавшись вдали от цивилизации, необходимо знать, как очистить воду и сделать ее безопасной и пригодной для питья.

Методы исследования: изучение источников информации о нормах питьевой воды и способах ее очистки; эксперименты, связанные с очисткой воды; анализ и сравнение результатов экспериментов различных источников пресной воды.

1.1 Теоретическое исследование

1.2 Описание объекта исследования с научной точки зрения

Основным источником питьевой воды является природная вода, которую очищают и обеззараживают муниципальные службы, осуществив все этапы водоподготовки и водоочистки, необходимые для получения сначала технической, а после водопроводной воды. В России основными являются водохранилища, реки, озера. Доля подземных вод не велика.

Питьевая — это пресная вода, безопасная для употребления человеком в качестве питья и для приготовления пищи. Она должна соответствовать официально регламентированным нормам и стандартам качества. Питьевая вода должна быть чистой, безопасной для здоровья и, ни в коем случае, не должна содержать вредные примеси или микроорганизмы.

Источники пресной воды можно разделить на: дождевая и талая вода, подземные источники (колодцы, артезианские скважины, родники и т. д.), вода из водохранилищ, рек, озёр и т. п., вода из айсбергов.

1.3 Физические свойства питьевой воды

Прозрачность воды : питьевая вода должна быть такой, чтобы через слой ее в 30 см можно было прочесть печатный шрифт.

Цветность питьевой воды : вода должна быть бесцветной. Наличие окраса у воды может говорить о проблемах с качеством воды.

Вкус и запах питьевой воды : причиной запаха и привкуса питьевой воды может быть загрязнение и промышленными сточными водами. Привкус и запахи некоторых подземных вод объясняются наличием большого количества растворенных в них минеральных солей и газов, например хлоридов, сероводорода.

1.4 Химический состав питьевой воды

Вода содержит в себе множество растворенных элементов:

1) Железо

2) Соли кальция и магния

3) Хлор

4) Сульфаты

5) Фтористые соединения

Железо. Железо находится в подземных водах, при контакте воды с воздухом железо окисляется, образуя гидроксид железа, придающий воде мутность и бурую окраску. При содержании в воде подземных источников железа в концентрации более 0,3–0,5 мл/л органолептические свойства воды ухудшаются, а при концентрации железа свыше 1–2 мг/л вода, кроме мутности и окраски, приобретает неприятный вяжущий привкус. Содержание железа в водопроводной воде не должно превышать 0,3 мг/л, а в воде местных источников водоснабжения — 1 мг/л.

Жесткость воды: соли кальция и магния. Наличие солей кальция и магния обусловливает жесткость воды (моль/л). Воду с жесткостью до 1,75 моль/л, считают мягкой, от 1,75 до 3,5 — средней жесткости, от 3,5 до 7 — жесткой, выше 7 моль/л — очень жесткой. С увеличением жесткости воды ухудшается разваривание мяса и бобовых, увеличивается расход мыла, усиливается образование накипи в паровых котлах и радиаторах, приводящее к излишнему расходу топлива и необходимости частой очистки котлов. В соответствии с требованиями стандарта жесткость питьевой воды не должна превышать 3,5 моль/л (7 мг-экв/л).

Хлориды (хлор-ион). Согласно стандарту, СанПиН 2.1.4.1074–01, уровень хлоридов в централизованном водоснабжении не должен превышать 350 мг/л. В свою очередь, рекомендуемая концентрация хлора в питьевой воде составляет 200 мг/л. Важно соблюдать эти нормы для обеспечения безопасности употребления питьевой воды и здоровья людей. Воды, содержащие хлориды в количестве, превышающем 350–500 мг/л, имеют солоноватый привкус и неблагоприятно влияют на здоровье человека. Повышенный хлор в воде может стать причиной тяжелых заболеваний. Хлор также негативно влияет на состояние кожи и волос. Важно очищать воду от хлора не только для питья, но и для остальных бытовых нужд. Поэтому по ГОСТу 2874–82 содержание хлоридов в водопроводной воде не должно превышать 350 мг/л.

Сульфаты в количестве, превышающем 500 мг/л, придают воде горько-соленый вкус, неблагоприятно влияют на желудочную секрецию и могут вызвать диспепсические явления (особенно при одновременно большом содержании магния в воде) у людей, не адаптированных к употреблению воды подобного состава.

Фтористые соединения вымываются водой из почвы и горных пород. Ион фтора, входящий в эти соединения в небольших количествах, способствует развитию и минерализации костей и зубов. При прочих равных условиях заболеваемость населения кариесом зубов снижается с повышением концентрации фтора в воде до 1 мг/л. Однако при содержании в воде больше 1,5 мг/л фтора возникает другое заболевание зубов — флюороз. На эмали зубов появляются мелоподобные или пигментированные (желтого или коричневого цвета) пятна. В тяжелых случаях возможно разрушение эмали. Оптимальным содержанием фтора в питьевой воде считают 0,7–1,0 мг/л.

Токсичные вещества. Присутствие в воде токсичных веществ связано главным образом со сбросом в водоем промышленных сточных вод. В этих случаях ознакомление с технологией производства позволяет решить вопрос, какими исследованиями необходимо дополнить обычный анализ воды. В воду могут попадать также смываемые осадками с сельскохозяйственных полей устойчивые к разложению пестициды.

1.5 Способы очищения пресной воды

Питьевая вода в Российской Федерации должна соответствовать официально утвержденным стандартам качества. К ним относятся:

1) СанПиН 1.2.3685–21 (вода питьевая централизованного водоснабжения, вода водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования)

2) СанПиН 2.1.4.1116–02 (с изм. на 28.06.2010 г.) (первая категория с учетом СанПиН 1.2.3685–21.

Основными способами очистки пресной воды являются:

– Механический (осуществляется при помощи различных фильтров).

– Физический (агрегатное состояние жидкой среды изменяется, микроорганизмы уничтожаются, например, заморозка и кипячение).

– Химический (проводится в лабораторных условиях при участии химических реагентов).

– Физико-химический (сочетает физический и химический методы).

Для очистки пресной воды используют следующие методы:

– Отстаивание пресной воды в прохладном тёмном месте, что обеспечивает оседание тяжёлых примесей на дно ёмкости, а также осветление её массы.

– Кипячение — самый распространённый бытовой способ, когда водопроводная вода подвергается нагреву до температуры 100 С, что обеспечивает уничтожение в ней большинства болезнетворных микроорганизмов, бактерий и вирусов.

– Заморозка, то есть кристаллизация жидкости при экстремально низких температурах, что также способствует её биологическому очищению.

– Фильтрация с использованием различных бытовых систем очистка (фильтр-кувшин, фильтр с обратным осмосом)

– Дистилляция — данный способ чаще всего используется в лабораториях, когда вода выпаривается от повышенной температуры, а затем снова конденсируется после сепарации вредных примесей.

Для очистки воды от вредных примесей применяются разные виды фильтров и другое оборудование, а именно:

– Фильтры со сменными картриджами.

– Обратный осмос с многоступенчатой очисткой механическим, биологическим способом, смягчения жидкости активными порошковыми веществами с требуемым рН.

– Нагревательные приборы, обеспечивающие кипячение воды.

– Морозильные камеры, которые помогают заморозить жидкость.

– Лабораторные агрегаты, которые гарантируют глубокую биологическую очистку водной среды от примесей.

Большинство очистных бытовых приборов вполне доступны, и каждый может приобрести их, чтобы обеспечить самое высокое качество питьевой воды.

Чтобы быть уверенным в качестве воды, рекомендуется провести его биохимический анализ. Любая вода, если она поднимается из скважины или колодца, забирается из водоёмов или из труб центрального водоснабжения, может иметь разную степень загрязнения, что требует применения различной техники очистки, фильтрации и обеззараживания.

2. Экспериментальные исследования

2.1 Описание места и условий проведения исследований

Все мы знаем: человек на 60–70 % состоит из воды. Если он весит 60 килограмм, воды в нём содержится 36 литров, если 70 килограмм — 42 литра, если 80 килограмм — 48 литров. Звучит невероятно, но это действительно так.

Человек не может жить без воды. Если он совсем перестанет пить, продолжительность его жизни составит 3 дня, в исключительных случаях — от 8 до 10 дней. Казалось бы, нужно просто пить воду! Но и здесь всё далеко не так просто, как кажется на первый взгляд. Человеческому организму не подходит любая вода. С морской водой в чистом её виде всё очевидно: в ней содержатся соли и сульфат магния, которые приведут к обезвоживанию и интоксикации организма. Но что не так с пресной водой? Здесь роль играет степень её очищения.

Чтобы очистить воду используют специальные устройства и установки. Некоторые из них присутствуют в каждом доме, другие, более сложные, находятся в специально отведённых для них местах.

Для исследования мы решили воспользоваться самыми доступными для нас способами очистки пресной воды. В качестве образцов мы отобрали три пробы воды: из озера, артезианской скважины и водопровода. Для чистоты эксперимента все три пробы были взяты на севере Московской области: водопроводная вода — в г. Долгопрудный, артезианская — из скважины в д. Аббакумово, а озерная — из озера «Круглое» (расположено недалеко от г. Лобня).

2.2 Описание способа определения качества воды. Оценка проб воды до очистки

2.2.1 Органолептический метод

2.2.2

Воду мы исследовали на прозрачность, цветность, запах и наличие осадка.

Результаты органолептического метода оценки проб воды до очистки.

Место взятия проб	Прозрачность	Цветность	Запах	Осадок
Водопровод	В норме	В норме	Присутствует	Отсутствует
Артезианская скважина	В норме	В норме	В норме	Присутствует
Озеро	В норме	В норме	В норме	Присутствует

Выводы: у образцов из озера и скважин, присутствует некоторый осадок, а у водопроводной — запах.

2.2.3 Физико-химический и микробиологический методы

Для определения качества воды в домашних условиях лучше всего подойдут тест полоски и специальные приборы.

В качестве полосок были выбраны следующие

Тестирование осуществляется по 16 элементам: -кислотность pH(ph) — общая щелочность, нитраты, нитриты, общий хлор, остаточный свободный хлор, жесткость, ртуть, медь, бром, хром, свинец, железо, фторид, карбонаты, циануровая кислота. Инструкция по использованию: необходимо опустить тест-полоску для анализа качества воды в исследуемый образец, вынуть и подождать 30–60 секунд. Затем сверить цвет полоски с индикаторной шкалой и интерпретировать результат.

В качестве прибора выбрали: Тестер качества воды Xiaomi.

При помощи него можно измерять уровень минеральных солей, органических веществ и нерастворимых крупных веществ. Тестер считывает все значения и показывает, насколько пригодна вода. Значение 50 и ниже говорит об очень хорошем качестве воды, от 50 до 200 пригодная для питья, если показатели выше стоит воздержаться от употребления такой воды, без предварительной очистки.

Мы провели анализ качества взятых нами образцов с помощью ТДС- тестера, тест-полосок, лакмусовой бумаги и протестировали воду на наличие болезнетворных бактерий.

Опустили ТДС-тестер в образцы воды и сверили результаты с референсными значениями.

Тест-полоски, согласно инструкции, мы опустили в образцы воды, затем сверили полученный результат с индикаторной шкалой.

Для проведения теста на наличие болезнетворных бактерий мы залили 40 мл озерной в пробирку с порошком-реактивом. Тщательно перемешали и сверили результат через 48 часов с цветовым кодом на пробирке.

Результаты оценки качества проб воды до очистки с помощью ТДС тестера, тест-полосок, лакмусовой бумаги и теста на наличие болезнетворных бактерий в воде.

Место взятия проб	ТДС тестер, ppm	Тест-полоски	Кислотность, ph	Тест на наличие болезнетворных бактерий
Водопровод	163	Повышенный уровень хлора	7,5	Не обнаружено
Скважина	235	Повышенный уровень железа	7	Не обнаружено
Озеро	85	В норме	6,5	Обнаружено

Выводы: ТДС тестер выявил повышенное содержание минеральных солей в воде из скважины. Тест-полоски показали повышенный уровень хлора в водопроводной воде, а в воде из скважины — повышенный уровень железа. Тест на микробиологию выявил наличие болезнетворных бактерий в воде из озера. Кислотно-щелочной баланс на всех трех образцах в пределах нормы.

2.3 Проведение опытов

2.3.1 Опыт 1. Очищение образцов воды с применением шунгита

Шунгит — это уникальный темно-серый минерал, известный способностью очищения воды с помощью своей песчаной структуры и химического состава. Считается, что происходит это благодаря фуллерену — глобулярной форме углерода, способной притягивать и удерживать различные вредные вещества (хлор, тяжелые металлы, летучие органические соединения). Именно поэтому существует мнение, что шунгит может использоваться для очистки воды от различных примесей. Некоторые люди полагают, что настоянная на этой породе вода и вовсе обладает уникальными лечебно-профилактическими свойствами: помогает справиться с аллергическим, мышечными и суставными, желудочно-кишечными проблемами и многими другими.

Мы проверили способность шунгита очищать воду на всех трех образцах. Исследование проводилось из расчета использования 100 граммов шунгита на один литр воды. Замеры были сделаны нами на 2, 5 и 7 сутки при помощи ТДС тестера и тест-полосок. В ходе эксперимента результаты не изменились.

Результаты оценки качества после очистки воды с помощью шунгита.

Место взятия проб	2 суток	5 суток	7 суток
Водопроводная вода	TDS — 163 ppm	TDS — 163 ppm	TDS — 163 ppm
Вода из скважины	TDS — 235 ppm Тест полоски — железо	TDS — 235 ppm Тест полоски — железо	TDS — 235 ppm Тест полоски — железо
Вода из озера	TDS — 85 ppm Тест-полоски — в пределах нормы	TDS — 85 ppm Тест-полоски-в пределах нормы	TDS — 85 ppm Тест-полоски — в пределах нормы

Результат: шунгит на качество воды никак не повлиял.

Выводы: использовать шунгит в качестве фильтра нельзя.

2.3.2 Опыт 2. Очистка воды при помощи бытового фильтра

Бытовые фильтры — это, пожалуй, самый популярный способ очистки воды. Они оснащаются специальными картриджами, выполняющими различные функции: удаление лишнего количества хлора, железа, механических примесей, улучшение вкуса и запаха воды. Однако нужно помнить, что периодическая замена картриджей является необходимым условием для поддержания эффективности очистки воды и обеспечения ее высокого качества.

В рамках исследования для чистоты эксперимента мы использовали два идентичных картриджа для очищения разных образцов (из водопровода и из скважины). Озёрную воду мы проверять не стали, так как все её параметры, кроме микробиологических показателей, были в норме. Далеко не все бытовые фильтры способны очистить воду от различных бактерий и паразитов.

Место взятия проб	ТДС	Тест-полоски	Органолептические показатели
Водопровод	До очищения: 163 ppm После очищения: 110 ppm	Хлор отсутствует	Запаха нет
Скважина	До очищения: 235 ppm После очищения: 150 ppm	Железо отсутствует	Осадка нет

Вывод: после очистки бытовым фильтром показали воды значительно улучшились.

2.3.3 Опыт 3. Очистка образцов воды методом дистилляции

Метод дистилляции обычно используют в лабораторных условиях, однако, мы попробовали собрать систему дистилляции также из подручных средств.

Взяли электрический чайник. В горлышко герметично вставили трубку, которую пропустили через бутылку с холодной водой. Конец трубки опустили в банку. Вода, нагреваясь испаряется. Пар, проходя по трубке через бутылку, охлаждается и в виде конденсата стекает в банку. Опыт был проведен со всеми образцами воды. Полученные результаты (таблица ниже) показали, что после дистилляции вода из водопровода, скважины и озера пригодна для питья, но пить такую воду на постоянной основе нельзя, так как в ней отсутствуют все необходимые для организма минералы. Ее, как и воду после очистки обратным осмосом, необходимо искусственно минерализовать. Сам метод хоть и является эффективным, но требует специального оборудования и знаний техники дистилляции.

2.3.4 Опыт 4. Очистка образца озерной воды при помощи самодельного фильтра и обеззараживание

Место взятия проб	ТДС до дистилляции	ТДС после дистилляции	Тест полоски	Тест на микробиологию
Водопровод	163	10	Хлор отсутствует	-
Скважина	235	12	Железо отсутствует	-
Озеро	85	10	-	Не обнаружено

Фильтрация и обеззараживание — обязательные этапы очистки даже самой прозрачной природной воды. В походных условиях достаточно сложно постоянно перевозить с собой заранее очищенную питьевую воду. Необходимо знать и уметь очищать воду с помощью доступных материалов. Проанализировав различные способы очищения воды, мы решили собрать наиболее оптимальный фильтр из подручных средств.

Фильтр собрали из пластиковой бутылки, марли, березового угля, речного песка и мелких камней. Все составляющие этого фильтра легко доступны в походных условиях. Через этот фильтр мы пропустили озерную воду. Очищенная фильтром вода не имела осадка, показатели ТДС-тестера остались фактически без изменений.

Собранный нами фильтр способен очистить даже сильно загрязненную воду. Это подтвердилось, когда для чистоты эксперимента мы искусственно загрязнили грунтом озерную воду и пропустили ее через фильтр. Полученная после фильтрации вода соответствовала всем органолептическим нормам. Самый простой и надёжный способ обеззаразить природную воду — прокипятить ее минимум 5 мин. Что мы и сделали. Очищенную нашим фильтром озерную воду мы кипятили 5 минут. Остудили. После чего сделали анализ на наличие микроорганизмов. Результат анализа — отрицательный, вредоносных бактерий не обнаружено.

Озерная вода	Осадок	ТДС	Тест-полоски	Микробиология после кипячения
До фильтрации	Присутствует	85	В норме	Не обнаружено
После фильтрации	Отсутствует	87	В норме	Не обнаружено

Вывод: не смотря на полученные хорошие результаты, надо помнить, что подобный способ очищения природной воды является первичной очисткой и требует обязательной термической обработки. Именно при кипячении уничтожается большинство бактерий, вирусов и других патогенных микроорганизмов, делая воду безопасной для употребления.

2.4 Выводы

Чтобы подтвердить или опровергнуть полученные нами результаты посредством ТДС-тестера, тест — полосок и теста на наличие болезнетворных бактерий, мы отправили взятые нами пробы воды на анализ в лабораторию химического факультета МГУ им. Ломоносова. Анализ проводился под руководством доцента кафедры химического факультета Ивана Владимировича Михеева.

Также мы получили от него приглашение на экскурсию в саму лабораторию. Во время нашей встречи он показал нам все оборудование, посредством которого проводят анализ воды, рассказал принцип его работы. Также дал ценные рекомендации по методам очистки каждого образца.

С учетом рекомендаций мы пришли к следующим выводам:

1. Водопроводная вода оказалась довольно хорошего качества, но небольшой избыток хлора требует дополнительной очистки бытовым фильтром с подходящим картриджем.
2. В воде из скважины завышены показатели железа и незначительно увеличен уровень лития. Возможно использовать 2 варианта очистки:

а) установить фильтр с картриджем для очистки железа, т. к. превышение уровня лития в воде совсем незначительное, и, в данном случае, оставить природную минерализацию воды является более предпочтительным;

б) установить фильтр с обратным осмосом, с последующей искусственной минерализацией воды, так как отдельного картриджа на удаление лития не существует.

3. Озерная вода не содержит в себе тяжелых металлов, а также других нерастворенных твердых веществ, является довольно чистой по лабораторным показателям химического анализа. Но из-за наличия болезнетворных бактерий ее нельзя считать питьевой и требуется дополнительная очистка специальным антибактериальным фильтром. В походных условиях, используя знания и смекалку, можно собрать фильтр из подручных средств для удаления примесей, а полученную очищенную воду кипятить не менее 5 минут для обеззараживания.

Таким образом, наша гипотеза подтвердилась: любую пресную воду действительно можно очистить до питьевой, но для каждого источника воды нужно использовать подходящие способы очистки.

Заключение

– Изучили физические и химические свойства питьевой воды.

– Изучили способы очищения пресной воды.

– Научились использовать приборы оценки качества воды.

– Научились очищать пресную воду.

– Посетили лабораторию химического факультета МГУ и получили ценные рекомендации от доцента кафедры И. В. Михеева.

Литература:

1. Волович В. Г. Человек в экстремальных условиях природной среды, М.: Мысль, 1980г.
2. Терехов Л., Воловник Г., Терехова Е., Методы очистки воды. Учебное пособие.
3. Новикова А. Е., Руина К. С. Современные методы очистки воды. Вестник науки, 2021г.
4. Нормы качества питьевой воды — основные требования к составу. [Электронный ресурс]. URL: https://altair-aqua.ru/tekhnicheskaya-informatsiya/blog/normy-kachestva-pitevoj-vody.
5. Способы очистки воды — интересные статьи на сайте — VIONE! [Электронный ресурс]. URL: https://vione.ru/blog/vse-o-vodorodnoy-vode/sposoby-ochistki-vodi/.
6. Скоробогатов Г. А., Калинин А. И. Осторожно! Водопроводная вода! Ее химические загрязнения и способы доочистки в домашних условиях. СПб.: Изд-во С.-Петербург. ун-та, 2003г.
7. Быстрых В. В. Гигиеническая оценка влияния питьевой воды на здоровье населения // Гигиена и санитария. — 1998г. — № 6.