Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Химия / Научные работы / Научно-исследовательская работа "Определение общей жесткости воды"

Научно-исследовательская работа "Определение общей жесткости воды"

  • Химия

Название документа Н-и работа Определение жесткости.doc

Поделитесь материалом с коллегами:


Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Байлянгарская средняя школа имени Р.И.Зарипова» Кукморского муниципального района Республики Татарстан







Научно-исследовательская работа на тему:

Определение общей жесткости воды






Автор проекта:

Аминова Диля Ильдаровна,

учащийся 10 класса

Научный руководитель:

Гарифуллина Фарида Шараповна,

учитель биологии и химии








2016 год

Оглавление

стр.

I. Введение

1. Актуальность исследования -------------------------------------- 3

2. Цель работы и задачи исследования ------------------------------------- 4

II. Обзор литературы

3. Характеристика подземных вод ---------------------------------------- 4

4.Характеристика жесткости воды ---------------------------------------- 6

5. Методы умягчения воды ----------------------------------------- 9

6. Единица измерения, классификация и методы определения жесткости -- 11

II. Основная часть.

7. Методы исследования --------------------------------------- 12

8. Объект исследования -------------------------------------- 12

9. Геолого-геоморфологическая и гидрогеологическая характеристика объекта -------------------------------------- 13

10. Результаты исследования ------------------------------------ 14

III. Заключение ------------------------------------ 15

IV. Список использованной литературы ------------------------------------ 16

V. Приложения ------------------------------------ 17












Введение


Актуальность исследования


В настоящее время одной из актуальной экологической проблемой является качество пресной воды, в том числе и питьевой. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) объявила текущее десятилетие десятилетием питьевой воды. По данным ВОЗ, около 80% всех инфекционных болезней в мире связано с неудовлетворительным качеством питьевой воды и нарушениями санитарно-гигиенических норм водоснабжения. В мире 2 млрд. человек имеют хронические заболевания в связи с использованием загрязненной воды. Серьезную опасность для здоровья населения представляет химический состав воды.

Оценивая воду на содержание минеральных солей, отдельно выделяют концентрацию в ней солей кальция (Са2+) и магния (Мg 2+), говоря о степени жесткости воды.

Мыло в жесткой воде не мылится, овощи плохо развариваются, а при использовании такой воды в паровых котлах образуется накипь, которая снижает зффективность их работы и может привести к взрыву.

Однако для жизнедеятельности человеческого организма кальций и магний необходимы, так как играют важную роль в процессах формирования костей, свертываемости крови, сокращения сердечной мышцы, передачи нервных импульсов. Установлено, что в местностях с пониженным содержанием кальция в питьевой воде сердечные заболевания более распространены. В то же время употредление жесткой воды увеличивает опасность мочекаменной болезни, неблагоприятно влияет на состояние сосудов. Избыток ионов Са2+ в организме приводит к отложению солей в шейном, грудном, поясничном отделах позвоночника, суставах конечностей. Отсюда следует, что важно вести контроль за содержанием солей кальция и магния в питьевой воде.

Цель работы

Исследовать степень жесткости питьевой воды и выявить влияние её на организм человека.


Задачи исследования

  1. Изучить геоморфологическую и гидрогеологическую характеристику данной территории.

  2. Ознакомиться с химическим показателем жесткости воды, методом её определения и способами умягчения воды.

  3. Проанализировать полученные данные, установить соответствия качества воды по жесткости санитарным нормам.


Обзор литературы


Характеристика подземных вод


Вода, находящаяся в земной коре, называется подземной. Подземные воды отличаются большим разнообразием по форме нахождения в горных породах, способу образования, степени и составу растворенных веществ.

По форме нахождения в горных породах вода подразделяется на парообразную, физически прочносвязанную или гигроскопическую, физически рыхлосвязанную или плёночную, капиллярную, гравитационную и кристаллизационную. В зависимости от происхождения также различаются несколько типов подземных вод: инфильтрационные, конденсационные, седиментогенные, ювенильные или магматогенные, дегидратационные. По условиям залегания и гидравлическим признакам различаются безнапорные и напорные или артезианские подземные воды. Безнапорные подземные воды, в свою очередь, подразделяются на верховодку, грунтовые воды и межпластовые воды.

Состав подземных вод очень разнообразен и зависит от их происхождения (остаточные морские, инфильтрационные, смешанные и др.), а также от характера взаимодействия с горными породами, по которым они протекают. В процессе движения подземных вод происходит выщелачивание горных пород и обогащение вод минеральными солями. Суммарное содержание растворенных солей в подземных водах называется общей минерализацией и выражается в граммах или миллиграммах на литр ( г/л, мг/л). По количеству растворенных веществ подземные воды подразделяются на ультрапресные ( 0,2 мг/л), пресные ( 0,2-0,5 мг/л), воды с относительно повышенной минерализацией ( 0,5-1,0 мг/л), воды повышенной солености ( 10-35 мг/л), переходные к рассолам ( 35-50 мг/л), рассолы ( 50-400 мг/л).

По содержанию преобладающих анионов и катионов и их сочетанию определяются гидрохимические типы подземных вод. Наиболее широко распространенными анионами являются НСО3--, SO42--, CI--, а из катионов – Ca2+, Mg2+, Na+. Сочетание этих основных шести компонентов определяет главные свойства подземных вод – щелочность, соленость и жесткость. По анионам выделяют три основных класса вод – гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные; промежуточные – гидрокарбонатно-сульфатные, хлоридно-сульфатные, сульфатно-хлоридные и еще более сложного состава.

Минерализованные подземные воды, оказывающие физиологическое воздействие на организм человека и используемые для лечебных целей, называют минеральными. Лечебные свойства их определяются повышенной температурой и содержанием некоторых химических компонентов – железа, брома, йода, радона, углекислоты, сероводорода и др. Они могут быть разными по степени минерализации. Наибольшее количество минеральных вод приурочено к молодым горным сооружениям (например, Кавказ) и к районам современной вулканической деятельности.




Характеристика жёсткости воды


Природная вода, содержащая большое количество растворенных солей кальция и магния, называется жесткой. Различают общую, временную и постоянную жёсткость воды. Общая жесткость обусловлена главным образом присутствием растворимых соединений кальция и магния в воде. Временная жесткость иначе называется устранимой или карбонатной. Она обусловлена наличием гидрокарбонатов кальция и магния. Постоянная или некарбонатная жесткость вызвана присутствием других растворимых солей кальция и магния.

Использование жестких вод для удовлетворения хозяйственно-бытовых и промышленных нужд приводит к весьма нежелательным последствиям.

1. Непроизводительный расход мыла при стирке. Это объясняется тем, что ионы кальция и магния с мылами, представляющими собой соли жирных кислот, образуют в воде нерастворимые осадки состава ( С15Н31СОО)2Са и

( С17Н35СОО)2Са , а также аналогичные соли магния. На каждый литр воды с жесткостью 7,1 мг-экв перерасходуется 2,4 г мыла.

2. Преждевременный износ тканей при стирке в жесткой воде. Волокно тканей адсорбируют кальциевые и магниевые мыла, а это делает их хрупкими и ломкими.

3. В жесткой воде мясо и бобовые плохо развариваются, при этом понижается также питательность продуктов. Вываренные из мяса белки переходят в нерастворимое состояние, плохо усваиваются организмом.

4. Усиление коррозии паровых котлов и теплообменников вследствие гидролиза магниевых солей и повышения концентрации водородных ионов в растворе:

Mg2+ + 2H2O Mg(OH)2 + 2H+

5.Отложение накипи на поверхности теплообменных аппаратов (котлов, холодильников и т.д.), которое снижает экономичность работы этих установок. Накипь обладает малой теплопроводностью и увеличивает непроизводительный расход топлива. Металл под накипью перегревается и размягчается. Это приводит к образованию вздутий и трещин в трубах паровых котлов. Отложившаяся накипь должна периодически удаляться из котла.

Процесс образования накипи связан с термическим разложением гидрокарбонатов, гидролизом карбонатов, а также с уменьшением растворимости в горячей воде сернокислого кальция, гидроокиси магния и силикатов кальция и магния. Концентрация этих веществ увеличиваются в паровых котлах при испарении воды. Кроме того, при высоких температурах возможно образование дополнительных количеств силикатов кальция и магния за счет реакции обмена:

CaSO4 + Na2SiO3 CaSiO3 + Na2SO4

В образовании накипи принимают участие соли железа, марганца, алюминия, взвешенные и коллоидные вещества, содержащиеся в воде. Иногда слой накипи бывает настолько большим, что он почти целиком заполняет все сечение трубы.

По своему характеру котельные накипи делятся на три группы:

1. Сульфатная накипь, содержащая до 95% CaSO4, обладающая относительно высокой теплопроводностью.

2. Карбонатная накипь с содержанием до 90-95 % СаСО3, с теплопроводностью меньшей, чем у сульфатной.

3. Силикатная накипь с содержанием до 45 - 48 % SiO2 обладает малой теплопроводностью.

Разрушение металла в случае образования накипи объясняется следующим химическим процессом. При высыхании слой накипи дает трещины, в образующиеся поры проникает водяной пар, который взаимодействует с материалом котла по уравнению

2Fe + 3H2O Fe2O3 + 3H2

В результате на стенках образуются свищи. Выделяющийся водород восстанавливает сульфаты до H2S, который вступает во взаимодействие с материалом котла и усиливает коррозию аппаратуры.


Методы умягчения воды


Процесс, приводящий к снижению жесткости воды, называется её умягчением. Умягчение сводится к уменьшению концентрации кальциевых и магниевых солей в воде. Умягчению подвергают воду, идущую для питания паровых котлов.

Существующие способы умягчения можно разделить на три группы: реагентные методы умягчения воды, умягчения воды методом обмена ионов, и термическое умягчение воды.

Реагентные методы умягчения воды.

Содово-известковый метод. При введении в воду гашеной извести Са(ОН)2 кальциевые соли осаждаются в виде СаСО3 :

Ca(HCO3)2 + Са(ОН)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O

а гидрокарбонат магния, реагируя с известью, выпадает в осадок в виде гидроокиси магния Mg(OH)2 :

Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2Mg(OH)2↓ + Ca(HCO3)2

а образовавшийся Ca(HCO3)2 реагирует с известью по приведенной реакции.

Некарбонатная жесткость удаляется введением в воду соды Na2CO3 :

CaSO4 + Na2CO3CaCO3↓ + Na2SO4

Умягчение воды едким натром. Едкий натр связывает катионы кальция и магния по уравнениям:

Ca(HCO3)2 + 2NaOH CaCO3 ↓ + Na2CO3 + 2H2O

Mg(HCO3)2 + 4NaOH → Mg(OH)2 + 2Na2CO3 + 2H2O

Образующаяся сода реагирует с некарбонатной жесткостью, частично удаляя её из воды:

CaSO4 + Na2CO3CaCO3 ↓ + Na2SO4

Следовательно, едким натром удаляется карбонатная жесткость и часть некарбонатной в количестве, эквивалентном образовавшемуся углекислому натрию.

Умягчение воды бариевыми солями. Этот метод аналогичен содово-известковому, но имеет перед ним то преимущество, что образующиеся при реакции продукты нерастворимы в воде. Содержание солей, обусловливающих жесткость воды, при этом методе понижается, и умягчение идет гораздо полнее. Кроме того, нерастворимость ВаСО3 не требует строгих дозировок, процесс может протекать автоматически.

Реакции, протекающие при умягчении бариевыми соединениями, можно представить схемами:

1) CaSO4 + Ba(OH)2 Ca(OH)2 + BaSO4

2) MgSO4 + Ba(OH)2 → Mg(OH)2↓ + BaSO4

3) Ca(HCO3)2 + Ba(OH)2 CaCO3↓ + BaCO3↓ + 2H2O

4) Mg(HCO3)2 + 2Ba(OH)2 → Mg(OH)2 + 2BaCO3 ↓ + 2H2O

5) BaCO3 + CaSO4 CaCO3↓ + BaSO4

6) Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O

При умягчении бариевыми солями реакции приводят не к замене одной соли другой, а к полному удалению их из воды. В этом большое преимущество умягчения бариевыми солями. К недостаткам этого метода относятся высокая стоимость бариевых солей и медленное течение реакции с карбонатом бария ВаСО3.

Умягчение воды фосфатами. В практике умягчения применяют тринатрийфосфат Na3PO4 , который образует труднорастворимые соли с кальцием и магнием:

3CaSO4 + 2Na3PO4Ca3(PO4)2↓ + 3Na2SO4

Этот метод применяется для доумягчения воды, когда большая часть жесткости устранена, например содово-известковым методом. Тринатрийфосфат дает хорошие результаты, но соли фосфорной кислоты дороги, поэтому их используют в тех случаях, когда нужно производить глубокое умягчение воды.

Умягчение воды методом обмена ионов. Вещества, способные к сорбционному обмену ионов с раствором электролита, называются ионитами. Иониты – это твердые зернистые вещества, набухающие в воде, но нерастворимые в ней. По составу основного скелета, который связывает воедино ионогенные группы, ионообменные сорбенты делятся на минеральные и органические. К первым относятся многочисленные алюмосиликаты, силикаты, гидрат окиси алюминия, фосфат циркония и тому подобные материалы. Ко вторым относятся продукты химической переработки угля или лигнина либо полученные синтетическим путём высокомолекулярные органические соединения, содержащие ионогенные группы. Применяемые при очистке воды иониты бывают естественного и искусственного происхождения. Примером первых могут быть глаукониты и гумусовые угли, а примером вторых – сульфированные угли и синтетические ионообменные смолы.

Термический метод умягчения воды. При нагревании воды до кипения происходит превращение гидрокарбонатов кальция и магния в карбонаты по следующим схемам:

Ca(HCO3)2CaCO3↓ + CO2 + H2O

Mg(HCO3)2MgCO3↓ + CO2 + H2O

Эти обратимые процессы можно почти целиком сместить вправо за счет кипячения воды, так как при высоких температурах растворимость двуокиси углерода понижается. Однако полностью устранить карбонатную жесткость нельзя, так как углекислый кальций хотя и незначительно, но растворим в воде. Растворимость MgCO3 достаточно высока, поэтому при длительном кипячении он гидролизуется с образованием малорастворимой гидроокиси магния:

MgCO3 + H2OMg(OH)2↓ + CO2

Кипячением частично устраняется сульфатная жесткость, так как растворимсть сульфата кальция падает с увеличением температуры. Этот метод может применяться для умягчения воды, содержащей преимущественно карбонатную жесткость и идущей для питания котлов низкого и среднего давления.


Единица измерения, классификация и методы определения жесткости


Единой международной единицы измерения жесткости не существует. Различные страны условно принимают свои единицы. В нашей стране жесткость измеряется в миллиграмм-эквивалентах на литр воды.

Общая жесткость варьирует в широких пределах в зависимости от типа пород и почв, слагающих бассейн водосбора, а также от сезона года. По жесткости воду делят на шесть классов:

1) очень мягкая (жесткость от 0 до 1,5 мг-эквл);

2) мягкая (жесткость от 1,5 до 3,0 мг-эквл);

3) средней жесткости (жесткость от 3,0 до 4,5 мг-эквл);

4) довольно жесткая (жесткость от 4,5 до 6,0 мг-эквл);

5) жесткая (жесткость от 6,0 до 10 мг-эквл);

6) очень жесткая (жесткость свыше 10 мг-эквл).

Значение общей жесткости в источниках централизованного водоснабжения допускается до 7 мг-экв./ л, в отдельных случаях, в том числе и в нашем районе, по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы – ло 10 мг экв./ л.

Общая жесткость определяется комплексонометрическим методом титрованием пробы трилоном Б при рН 10 в присутствии индикатора. Этот метод основан на свойстве трилона Б давать прочные комплексные соединения с ионами кальция и магния.



Основная часть


Методы исследования


  1. Изучение геоморфологической и гидрогеологической характеристики данной территории.

  2. Ознакомление по литературе с характеристикой жесткости воды.

  3. Лабораторные исследования общей жесткости питьевой воды.



Объект исследования


Населенный пункт Байлянгар расположен в 12 км от р.п. Кукмор, от ближайшей железнодорожной станции Кукмор в 12 км и от ближайшей пристани Вятские Поляны в 22 км.

Объектом исследования является питьевая вода четырёх артезианских водоскважин и родника, которыми пользуются жители населенного пункта Байлянгар. Скважина №1 размещена на правобережном склоне р. Нурминка в юго-восточной части деревни в 400 м от ферм КРС на ровной площадке. Скважина №2 расположена на правобережном склоне р. Нурминка на южной окраине населенного пункта Байлянгар в 150 м от жилых построек, на ровной площадке, на месте, лишенном источников загрязнения. Скважина №3 находится на левобережном склоне р. Нурминка в северной части населенного пункта в 250 м от жилых построек. Скважина расположена на всхолмленной равнине на средней части холма. Скважина №4 размещена на правобережном склоне р. Нурминка на юго-западной части деревни в 200 м от жилых построек. Родник находится на левобережном склоне р. Нурминка в 45 м от реки. Родник вытекает из известняков, песка, глины. Источник нисходящий, вытекающий. Санитарное состояние родника удовлетворительное. Вода родника используется для питьевых целей жителями деревни.


Геолого-геоморфологическая и гидрогеологическая характеристика


В геолого-структурном плане данная территория приурочена к Нижне-Шуньскому валу сводовой части Северо-Татарского свода, верхняя часть геологического разреза которого образована карбонатно-терригенными отложениями казанского яруса верхней перми. Коренные отложения перекрыты маломощным (до 10 м) чехлом делювиальных суглинков четвертичного возраста.

В многослойной толще различных по своим водно-физическим свойствам пород сформировалось несколько гидравлически связанных между собой водоносных свит.

Первой от поверхности выше абсолютных отметок +60 м залегает локально-водоносная верхнеказанская карбонатно-терригенная свита, подземные воды которой практически полностью сдренированы местной речной сетью, вследствие чего свита не имеет практического значения для целей водоснабжения.

Основным источником водоснабжения является нижезалегающая водоносная нижнеказанская карбонатно-терригенная свита. Водовмещающими породами являются трещиноватые песчаники, известняки, вскрытая мощность которых составляет 8-13 м. Кровля их залегает на глубине 55-85 м. Воды напорные, пьезометрический уровень их в естественных условиях устанавливается на глубине 32-38 м, что соответствует абсолютной отметке 93-85 м. Химический состав подземных вод нижнеказанской свиты на данной территории гидрокарбонатно-сульфатный магнево-кальцевый. Водоносная свита защищена от поверхностного загрязнения прослоями глин верхнеказанского подъяруса и четвертичных суглинков суммарной мощностью порядка 25-30 метров.

Результаты исследования


Для оценки степени жесткости питьевой воды артезианских водоскважин и родника населенного пункта Байлянгар 5 октября 2016 года взяли пробы воды из четырёх водоскважин и родника в объеме 250 мл каждое и определели общую жесткость комплексонометрическим методом - титрованием трилоном Б при рН 10 в присутствии индикатора в двух повторностях. Этот метод основан на свойстве трилона Б давать прочные комплексные соединения с ионами кальция и магния. Пробу для анализа брали 50 мл, разбавили её 50 мл дистиллированной воды, прибавили 5 мл буферного раствора и 5-7 капель индикатора жесткости и сразу же титровали 0,05 н раствором трилона Б до изменения разовой окраски в эквивалентной точке в синий с зеленоватым оттенком. Общую жесткость воды в мг-экв л вычислили по формуле

Х = ν · 0,05 · К · 1000 V ,

где ν – количество раствора трилона Б, израсходованное на титрование, мл;

К – поправочный коэффициент к нормальности раствора трилона Б;

V – объем воды, взятый для определения, мл.

При исследовании общей жесткости воды мы получили следующие результаты:

Объект

исследования

Скважина

1

Скважина

2

Скважина

3

Скважина

4

Родник

Результаты

исследования

мг-экв л


7,4


8,3



12


8,8


5,8


По результатам исследования вода родника относится к довольно жесткой, вода скважин № 1,2,4 - к жесткой, а вода скважины №3 - к очень жесткой воде. Жители северного района деревни пользуются водой скважины №3. Однако для питья они используют родниковую воду. Жесткость воды данных водоисточников зависит от типа пород, слагающий бассейн водосбора. На данной территории водовмещающими породами являются известняки, доломиты, песчаники. Употребление жесткой воды увеличивает опасность мочекаменной болезни, неблагоприятно влияет на состояние сосудов. Использование такой воды для удовлетворения хозяйственно-бытовых нужд приводит к весьма нежелательным последствиям:

1) непроизводительный расход мыла и преждевременный износ тканей при стирке;

2) плохое разваривание мяса и бобовых, что приводит к понижению питательности продуктов;

3) отложение накипи на поверхности хозяйственной посуды, котлов, холодильников и т.д.


Заключение

Питьевая вода артезианской водоскважины населенного пункта Байлянгар по своему химическому составу является гидрокарбонатно-сульфатным магнево-кальцевым.

При исследовании общей жесткости питьевой воды выявили, что питьевая вода артезианской скважины №3 не соответствуют нормам СанПиН 2.1.4.-1074-01. Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что вода остальных источников пригодна для использования жителями деревни. Однако необходимо применить методы умягчения, т.е. снижения жесткости воды (например, реагентным методом – содово-известковым или термическим методом). Что касается воды скважины №3, то необходимо известить об этом специалистов Центра гигиены и эпидемиологии в РТ в Кукморском районе и отправить воду скважины №3 на полный анализ.



Список использованной литературы


1. Н.Ф. Ввозная «Химия воды и микробиология». Москва «Высшая школа», 1979, стр. 118-120, 185-201.

2. Государственные стандарты СССР. «Вода питьевая. Методы анализа». Москва, 1984, стр.21-25.

3. Государственный доклад « О состоянии окружающей природной среды Республики Татарстан в 2000г.». Казань. Природа, 2001, стр. 24-50

4.«Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» Минздрав России. Москва ,2002.

5. «Рабочий проект на бурение в н.п. Байлянгар ООО Агрофирма Нур Кукморского района РТ» г. Казань, 2000г.

6. Н.И. Речкалова, Л.И.Сычоева. «Какую воду мы пьём». «Химия в школе» №3, 2004, стр. 10

7. Т.Х.Чен, Е.Ю.Раткевич, Е.А.Алферова «Методика определения общей жесткости воды», «Химия в школе» №5, 2000, стр. 80.















Автор
Дата добавления 07.11.2016
Раздел Химия
Подраздел Научные работы
Просмотров12
Номер материала ДБ-329477
Получить свидетельство о публикации
Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх