Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Темы, связанные с водой, - основные в курсе неорганической химии, так как вода участвует во многих реакциях, часто является их продуктом или растворителем многих веществ, т.е. средой протекания реакций. Кроме того, вода - самое ценное вещество на планете Земля, необходимое для жизни.

Учитывая огромное значение воды для жизнедеятельности человека, хочу обратить внимание на способы очистки воды от разных видов загрязнений.

1. Человек и вода. Водные ресурсы и проблема воды

Вода является одним из самых сложных веществ в природе как с химической, так и с физической точек зрения.

С учетом изотопов водорода и кислорода, существующих в природе, очевидно, что вода представляет собой смесь 18 различных веществ.

Физические константы воды отличаются большим количеством аномалий. Так, температура кипения воды в 100⁰С является завышенной из-за ассоциации молекул воды через водородные связи; при замерзании воды объем ее увеличивается; в твердой фазе вода имеет шесть аллотропных форм, одна из которых - лед; лед образуется из воды при 0⁰С, и плотность его равна 0,916 г/см³ (он легче воды); в определенных условиях при замерзании воды образуются снег или иней.

Сравнительно недавно предположили, что вода не всегда замерзает при низких температурах. «Новое состояние» воды открыто путем конденсации паров в кварцевых капиллярных трубках. Только при температуре -500⁰С такая вода переходит в стекловидное состояние. При нагреве до 700-800⁰С она распадается и превращается в обычную воду. Но в последствии существование такой воды было отвергнуто научным сообществом.

Вязкость воды также имеет аномалию: при повышении давления эта константа понижается, в отличие от других жидкостей; чистая вода растворяет и ионизирует ряд веществ. Она обладает способностью разрывать связи между катионами и анионами, т.е. вызывает электролитическую диссоциацию веществ. С другой стороны, вода обусловливает и химическое разложение веществ благодаря явлению гидролиза.

Вода является физико-химической средой, где происходят процессы обмена веществ, приводящие к разрушению и восстановлению живых тканей. Это прежде всего реакции окисления, в результате которых образуется вода. Например, у верблюда в результате окисления жиров в горбу может образовываться до 40 л воды; грызуны же, живущие в пустыне, могут обходиться без воды в течение полугода, что объясняется, по-видимому, ее образованием вследствие клеточного окисления.

Известно, что биологические растворы, присутствующие в организме животных как позвоночных, так и беспозвоночных, имеют ионный состав, очень сходный с составом морской воды. В принципе на этом основаны гипотезы о зарождении первых живых клеток именно в воде морей и океанов.

Запасы воды на земном шаре оценивают в 1,46ґ10⁹ км³, но 1,37ґ10⁹ км³ из них приходится на моря и океаны; около 60 млн. км³ на подземные, главным образом солоноватые, воды и всего лишь около 30,5 млн. км³ составляют пресные воды.

Практически все запасы пресной воды (97%) сосредоточены в горных ледниках и полярных шапках, которые находятся в отдаленных суровых и малолюдных просторах Земли и практически не используются человеком. Менее 3% от общего количества пресной воды, или 876000 км³, находится в реках, озерах и почве. Это всего 0, 06% всех водных ресурсов земного шара. Общий годовой сток всех рек мира составляет 37300 км³, включая около 1500 км³ воды, получаемой от таяния антарктических и арктических ледников, а также айсбергов.

Человечество ежегодно потребляет более 8000 км³ воды для удовлетворения своих потребностей и не должно было бы возникнуть никаких проблем. Но водные ресурсы по суше распределены крайне неравномерно. Это обусловлено неравномерным выпадением атмосферных осадков.

Ежегодно с поверхности морей и океанов испаряется 448 тыс. км³ воды, или слой толщиной в 1,2 м, а с поверхности суши - 71000 км³ воды. Таким образом, со всей поверхности земного шара испаряется 519 тыс. км³ воды, и такое же количество ее выпадает в виде осадков.

Существуют районы, где количество выпадающих ежегодно осадков превышает количество воды, испаряющейся с поверхности Земли (центральные и северные районы России, США, Европы, Канады, большинство областей тропической зоны Южной Америки, Азии и Африки и т.д.); наряду с избыточно увлажненными районами имеются обширные, т.н. аридные и полуаридные, засушливые области, где выпадает осадков значительно меньше, чем испаряется воды. Это районы, охватывающие многочисленные пустыни, полупустынные и засушливые территории, на которых годами не выпадает дождь (в Нубийской пустыне вблизи Вад-Хальфа, где находится Асуанская плотина, дожди не выпадают десятилетиями).

Дефицит в пресной воде на сегодняшний день испытывает большинство промышленно развитых стран мира.

Одним из вариантов решения проблемы водного голода может быть эффективная очистка сточных вод и их повторное использование.

Есть вариант решения проблемы обеспечения водой населения и промышленности - использование арктических и антарктических ледовых материков.

Практически неограниченное количество пресной воды, необходимой для хозяйственно-питьевых целей промышленности и ирригации, можно получить путем опреснения соленой воды Мирового океана, а также подземной минерализованной воды.

Каждая технология предъявляет к воде свои требования. Так, в производстве синтетического каучука применяют умягченную и частично обессоленную воду с удельным электрическим сопротивлением, превышающим 1.10⁵ Ом/см; при получении особо качественных сортов каучука используют глубокообессоленную воду.

Самые высокие требования к обессоленной воде, перекрывающие требования всех других отраслей промышленности, предъявляют производства электронной техники. В производстве электронных приборов применяют обессоленную воду трех марок - А, Б, В. Воду марки А принято называть особо чистой. Ее, как и воду марки Б, получают путем дополнительной, т.н. финишной очистки воды марки В. Воду марки В получают на установках централизованной подачи воды. В зависимости от производительности различают установки УЦ-2, УЦ-10, УЦ-25. Основные характеристики названных вод приведены в таблице 1:

Таблица 1

Характеристика воды	Марка воды А Б В
Уд. эл. объемное сопротивление при 2020С, Мом.см, не менее	18	10	1
Перманганатная окисляемость в пересчете на О2, мг/л, не более	1	1	1,5
Содержание, мг/л: Кремниевой кислоты Меди Железа	0,01 0,005 0,03	0,05 0,005 0,03	0,2 0,005 0,03
Содержание микрочастиц, 20 мкм	отсутствие	отсутствие	не регламентирован
рН	5,8-7,0	5,8-7,0	-

Воды открытых водоемов обычно загрязнены органическими веществами природного происхождения и отходами, попадающими с бытовыми и промышленными сточными водами. Состав воды открытых источников также подвержен сезонным колебаниям, особенно во время паводков. Поэтому вода, получаемая из таких источников, хотя и соответствует требованиям ГОСТа на питьевую воду, часто недостаточно свободна от примесей, мешающих получению особо чистой обессоленной воды. Предприятиям, применяющим в своей технологии высокоомную обессоленную воду, рекомендуется в качестве источника для ее получения использовать подземные (артезианские) воды, качество которых более стабильно. Тем не менее, артезианские воды весьма разнообразны, и каждое предприятие (особенно таких точных отраслей промышленности, как производство кинопленки, радио или электронная) для многих технологических процессов вынуждено создавать свою систему водоснабжения, отдельную от коммунального хозяйства.

2. 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.

Кипячение

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.

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.

Вымораживание

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 (последнее дадим на заметку поклонникам дистиллированной воды).

Многие под данным способом понимают следующее: налить воду в посуду и поставить ее в холодильник до появления льда, после вынуть посуду из холодильника и разморозить ее для питья. Сразу заметим, что эффект очистки воды вышеприведенным способом равен нулю, поскольку вымораживание - очень сложный и долгий процесс, эффективность которого целиком зависит от точного следования разработанным методикам. Данный способ основывается на химическом законе, согласно которому при замерзании жидкости сначала в наиболее холодном месте кристаллизуется основное вещество, а уж в последнюю очередь в наименее холодном месте затвердевает все, что было растворено в основном веществе. Данное явление можно наблюдать на примере свечи. В потухшей свече подальше от фитиля получается чистый прозрачный парафин, а в середине, где горел фитиль, собирается сажа и воск получается грязным). Этому закону подчиняются все жидкие вещества. Главное здесь - обеспечить медленное замораживание воды и вести его так, чтобы в одном месте сосуда его было больше, чем в другом.

Способы водоподготовки и методы очистки воды

Способов водоподготовки и методов очистки воды придумано уже немало. Причин загрязнений питьевой воды существует множество. Однако все они, так или иначе, связаны с источниками воды. Каждый тип источника имеет свои характерные причины, вызывающие загрязнение воды. Решением проблем, связанных с загрязнениями воды, является ее очистка. На сегодняшний день имеется ряд способов водоподготовки и методов очистки воды, позволяющих получить высокое качество питьевой воды практически из любого источника.

Периодически возникающие аварийные ситуации приводят к существенному ухудшению качества воды природных источников и соответственно качества питьевой воды. Только в последние годы отмечались резкое снижение её качества и появление в ней фенолов в количествах, превышающих ПДК в 100 и 1000 раз в промышленных районах России. В подземных водах часто обнаруживаются марганец, амины, нефтепродукты.

Барьерная роль существующих водопроводных очистных сооружений не велика, и в питьевой воде, потребляемой населением, содержатся практически те же загрязнения, что и в природной воде. Одним из наиболее реальных и высокоэффективных методов очистки воды от указанных загрязнений является озонирование. Озонирование воды позволяет существенно улучшить качество питьевой и очищенной сточной воды и решить проблемы: здравоохранения и экологии.

Озонирование воды позволит кроме решения основных задач по улучшению качества очищенных сточных вод, упростить технологию подготовки природных вод. Наиболее широкое применение технология озонирования получила в области подготовки питьевой воды. В существующем многообразии методов и способов решения проблемы качественной очистки и обеззараживания воды озонирование является предпочтительным, что вызвано:

трудностями решения проблем, связанных с образованием в очищенной воде в результате её хлорирования токсичных хлорорганических соединений;

недостаточным количеством хлорреагентов, выпускаемых российской промышленностью;

возможностью получения озона на месте применения;

высокой активностью озона в отношении обеззараживания воды от бактерий и вирусов.

Озонирование можно применять как альтернативный метод очистки воды взамен традиционного хлорирования, в сочетании с хлором, перекисью водорода и другими окислителями, вместе с УФ-облучением, обработкой ультразвуком, фильтрацией с использованием песка, активированного угля, ионообменных смол. Наиболее традиционным является использование озона в конце технологической схемы. Для эффективного обеззараживания при этом необходимо создать концентрацию озона 0.4-1 мг/л и поддерживать её в течение 4 минут. Озон можно использовать для предварительной обработки воды с целью перевода растворённых веществ в коллоидную форму с последующим осаждением на фильтрах, так как он обладает флокулирующим эффектом.

Преимущество озонирования состоит в том, что под действием озона одновременно с обеззараживанием происходит обесцвечивание воды, а также устраняются запахи и привкусы воды и вообще улучшаются её вкусовые качества. Озон не изменяет натуральные свойства воды, так как его избыток (не прореагировавший озон) через несколько минут превращается в кислород. С одной стороны, это вызывает некоторые технические трудности, а с другой - создаёт определённые преимущества, так как даже при некотором передозировании остаточные количества его не могут быть велики и не требуют устранения. Остаточный озон в количестве 3.5-5 мг/л в течение 30 минут снижается до 0.2-0.3 мг/л.

Озонная обработка удаляет земляной привкус воды в результате снижения концентрации геосмина в 5-10 раз. Несмотря на появление у воды после обработки озоном нового вкусового компонента, суммарные вкусовые качества озонированной воды улучшаются.

Озон начали применять для дезинфекции питьевых вод раньше, чем хлор. Но несмотря на это озон ещё не нашёл достаточного распространения в технике водоподготовки, особенно в России. Основными причинами этого являлась, по видимому, нехватка электроэнергии, а также то, что химические и физические свойства водного раствора озона ещё мало изучены. В настоящее время на ряде водоподготовительных установок в теплоэнергетике возникла также проблема интенсивного зарастания ионообменных фильтров биомассой. Не изменяя ионообменных свойств загрузки, биомасса увеличивает сопротивление загрузки, что приводит к существенному снижению скорости фильтрования.

3. Методические разработки по теме «очистка воды»

вода дефицит очистка методический

Проблема очистки воды

Цели. Обобщить знания о воде, полученные ранее в курсе природоведения и географии. Формировать умение рассуждать, прогнозировать результаты воздействия деятельности человека на живую природу. Рассмотреть два способа очистки воды: применяемый человеком и существующий в природе.

Оборудование и материалы. Рисунок «Увеличение годового расхода воды», схемы «Основные производства, загрязняющие природные водоемы», «Оборотное водоснабжение с повторным использованием очистных сточных вод», «Очистные сооружения».

На столах: пластиковые бутылки (одна - с плоским дном), ножницы, фломастер, промытый гравий и мелкий речной песок, бутылка с мутной водой, линейка, прозрачный полиэтиленовый пакет, резиновое кольцо, белый картон, простые карандаши, ручка с черными чернилами.

ХОД УРОКА

Учитель. Вспомните, в каком виде может находиться вода на планете Земля?

Ученик. Вода бывает атмосферной, подземной, поверхностной, в составе сложных минералов.

Учитель. Где используется вода?

Ученик. Для питья, хозяйственных и технических целей, поливки, охлаждения, лечения.

Учитель. Как вы думаете, какие требования предъявляются к воде, используемой в разных областях человеческой деятельности? Рассмотрим кратко эти требования.

Ученик. Питьевая вода, используемая в пищевой отрасли промышленности, не должна содержать легко разлагающиеся органические вещества, наличие солей - минимальное; для пивоваренного производства необходимо полное освобождение от сульфата кальция, для винокуренного - освобождение от хлоридов кальция и магния.

Хозяйственная вода, используемая в паросиловом хозяйстве, должна иметь возможно меньшую общую жесткость в пределах 0,17-0,64 мг/л, меньше содержать кремниевой кислоты, в ней должны отсутствовать масла, кислород и углекислый газ, свободные кислоты, хлорид ртути (II).

Вода, используемая для охлаждения (элементов конструкций, жидких и газообразных продуктов в холодильниках и конденсаторах), должна иметь возможно более низкую температуру, невысокую жесткость, возможно меньшее содержание органических веществ.

Вода для поливки (огородов, садов) не должна содержать солей более 1,5 г/л (иначе растения плохо растут).

Вода, используемая для различных производств:

кожевенное производство - отсутствие гнилостных бактерий и грибов;

производство искусственного волокна - низкая жесткость 0,17-0,64 мг/л, содержание кислорода не более 2 мг/л;

отделка натурального хлопчатобумажного волокна - отсутствие железа и органических веществ.

Учитель. Посмотрим, как возрастает потребность человечества в воде. Потребность в воде, причем не просто в воде, а достаточно чистой, у человечества все время растет. Откуда взять чистую воду? Можно ли использовать воду, которая уже побывала в производстве?

Чистой воды на Земле почти нет. Производства, загрязняющие воду, - те самые основные производства, без которых человечество уже не может существовать. Вот и возникает проблема: загрязняют воду многие предприятия, которым необходима достаточно чистая вода. Что же делать?

На сегодняшний день наиболее реальны два пути решения проблемы:

бережное расходование очищенной воды;

безотходное производство (очистка сточных вод и повторное их использование в условиях того же производства).

Вы никогда не задумывались, сколько труда надо затратить для очистки воды, чтобы можно было открыть водопроводный кран и без риска для здоровья просто выпить стакан воды?

Очистка речной воды включает несколько стадий:

удаление грубодисперсных веществ (отстаивание, фильтрация);

коагулирование - укрупнение частиц с целью ускорить их осаждение (удаление мелкодисперсной взвеси);

обеззараживание с целью удалить патогенные микроорганизмы (хлорирование, озонирование, применение ионов серебра);

стабилизация воды (удаление веществ, вызывающих коррозию металла и бетона);

дегазация (удаление углекислого газа, кислорода, сероводорода);

дезодорация (удаление запахов);

умягчение и обессоливание;

перевод временной жесткости в постоянную;

опреснение (дистилляция, вымораживание, ионообменный метод);

корректирование содержания железа, марганца, кремниевой кислоты;

очистка от радиоактивных веществ.

Такую очистку проходит вода, которую используют для хозяйственных нужд и питья. Для промышленных целей необязательна такая степень очистки. Однако очень важно, чтобы сточные воды любого предприятия не наносили вреда окружающей среде.

Наиболее эффективный путь защиты водоемов от загрязнения - безотходное производство, когда отходы одной ступени производства используются как сырье для другой. Однако пока не существует универсальной бессточной системы, пригодной для различных отраслей народного хозяйства.

Наибольшее распространение получила очистка сточных вод, из которых, используя современные методы, можно удалить различные примеси на 95-96%. Часто этого недостаточно, но для дальнейшей очистки воды необходимо строить дорогие очистные сооружения, что экономически невыгодно. Сточные воды многих предприятий сложно, дорого, а иногда невозможно очистить до такой степени, чтобы они стали безвредными для растений, животных и человека, поэтому их очищают частично и используют в замкнутых оборотных системах.

В зависимости от степени и характера загрязнения используют различные методы очистки сточных вод: механические, химические и биологические.

Механические методы - удаление грубых примесей осуществляется с помощью решеток, сит, фильтров, отстойников, нефтеловушек. Таким образом удается избавиться от нерастворимых примесей из бытовых стоков - до 60%, из промышленных - до 95%.

Химические методы - добавление реагентов для образования осадков из растворов.

Биологические методы бывают двух видов.

В искусственных условиях - это биофильтры, состоящие из кирпича или бетона (главное - пористость материала). На них нанесена пленка из бактерий и простейших, которые в процессе жизнедеятельности поедают и разлагают органические вещества.

В естественных условиях - это специальные поля орошения или поля фильтрации. Создается сеть каналов и площадок, окруженных земляными валами. Каналы и площадки периодически заполняются сточными водами. Под действием солнечного света, воздуха, микроорганизмов воды очищаются и просачиваются в грунт. На поверхности площадок образуется перегной. Через несколько лет после прекращения слива сточных вод поля фильтрации используют для выращивания трав, кормов, овощей.

Практическая работа

«Самоочищение воды в естественных условиях»

Степень очистки воды с помощью фильтров, имитирующих дно водоемов и водостоков, можно продемонстрировать, определяя прозрачность воды до и после фильтрации. Определение прозрачности основано на поглощении света взвешенными частицами.

Цель работы

Показать, как природная вода способна самоочищаться в результате физического процесса - фильтрации.

Подготовка к работе.

1. Для изготовления фильтра разрежьте бутылку на две части на высоте трети от дна.

2. Проделайте отверстие в крышке. Переверните верхнюю часть бутылки и вставьте ее в нижнюю часть.

3. Для определения прозрачности воды отрежьте верх пластиковой бутылки так, чтобы в оставшуюся часть можно было налить воды на высоту не менее 25 см. Сделайте риску или кольцевую отметку на этом уровне.

4. Для шкалы прозрачности вырежьте круг из картона по размеру дна бутылки. Напишите на нем по кругу цифры 1, 2, 3 и т.п. одинакового размера, но с постепенным увеличением насыщенности цвета. Цифра «1» должна быть менее яркой, а последующие - все более яркими.

Ход работы

Очистка воды при фильтрации через породы, слагающие речное дно

1. Поместите на дно перевернутой верхней части бутылки крупный гравий так, чтобы песок, который будет насыпан сверху гравия, не смывался в нижний сосуд.

2. На крупный гравий насыпьте мелкий, затем - речной песок. На песок положите небольшой камень.

3. На камень налейте мутной воды так, чтобы она просачивалась сквозь песок и гравий и тоненькой струйкой стекала в нижнюю часть бутылки.

Вопросы

Что происходит с водой в процессе фильтрации?

Может ли гравий сам по себе обеспечить такой эффект?

Определение прозрачности воды

1. Вставьте бутылку в полиэтиленовый пакет. Подложите картон шкалой вверх под дно бутылки и закрепите пакет на бутылке прозрачным резиновым кольцом.

2. Налейте в бутылку до метки природную мутную воду, затем прозрачную (профильтрованную).

3. Посмотрите на шкалу сверху сквозь слой воды и определите, какие цифры видны. Чем прозрачнее вода, тем больше видно цифр.

Выводы урока

o Запасы воды на Земле значительны, но остро встала проблема чистой воды из-за ее загрязнения.

o На сегодняшний день есть два пути решения этой проблемы: бережное отношение, учет и создание безотходных технологий.

o Методы очистки воды выбирают в зависимости от загрязняющих веществ и требований, предъявляемых разными производствами при использовании природной воды. (Здесь можно логически перекинуть мостик на тему в 9-м классе «Жесткость воды».)

o Природная вода обладает способностью к самоочищению - восстановлению первоначальных свойств, в результате естественных биологических, химических и физических процессов. К физическим процессам относится фильтрация, происходящая, в частности, в породах, слагающих речное дно. На очистных сооружениях фильтрация составляет одну из стадий очистки сточных вод.

Литература

1. Возная Н.Ф. Химия воды и микробиология. М.: Высшая школа, 1979.

2. Чернова Н.М., Галушин В.М., Константинов В.М. Основы экологии. 10-11 классы. М.: Дрофа, 1999,

3. Вестник АсЭкО, 1997, вып. 1-2.

Размещено на Allbest.ru