«Жесткость водопроводной воды в г. Невинномысске»

XXIII Ставропольская краевая открытая научная конференции школьников
Секция: Химия и химические технологии
Название работы: «Жесткость водопроводной воды в г. Невинномысске»
Автор работы:
Калошина Анастасия Сергеевна
Место выполнения работы
г. Невинномысск,
9Б класс, МБОУ СОШ № 8
Место выполнения работы:
г. Невинномысск,
МБОУ СОШ № 8, 9Б класс.
Научный руководитель:
Толкачёва Татьяна Вячеславовна,
учитель биологи и химии МБОУ СОШ № 8
Ставрополь, 2012
Оглавление
стр.
Введение……………………………………………………………3
Глава 1. Жесткость воды и методы её определения.
Накипь и её предотвращение.
1. 1. Жесткость воды……………………….………………………4
1. 2. Вред, наносимый накипью.…………………………………..4
1. 3. Предотвращение образования накипи………………………5
1. 4 Методы определения жесткости воды………………………7
Выводы по первой главе…………………………………………...7
Глава 2. Методы, материалы и методика исследований.
2. 1. Методы и материалы исследований………………………….8
2. 2. Методика исследований ………………………………………8
2. 3. Результаты исследования…………………..………………….8
Заключение……………………………………………………..……9
Литература…………………………………………………………..10
Приложение …………………………………………………………11
Введение
Чистой воды в природе практически нет. Она содержит в себе водорастворимые соли. Особое влияние на технические свойства воды оказывает наличие в ней солей кальция и магния. Они обуславливают жесткость воды.
Жесткость природных вод изменяется в широких пределах. Она различна в разных водоемах и водотоках, а в одной и той же реке изменяется в течение года.
Накипь – это твердые отложения на стенках труб (теплообменников, теплотрасс и т. д.), нагревательных элементов, образующиеся при нагревании воды вследствие выпадения содержащихся в ней примесей. При этом ухудшается теплоотдача. Накипь причиняет огромный ущерб. Растворенные в воде вещества могут оказывать очень сильное действие на материал нагревательных элементов, вызывать их быстрое изнашивание и даже полное разрушение. Повреждёнными оказываются стиральные машины и электрические чайники, посудомоечные машины и другая бытовая техника. Навязчивая реклама предлагает различные средства, предотвращающие образование накипи, но умалчивает о том, что использование их наносит вред окружающей среде и что эти средства применяются при жесткости воды не ниже 4 мг-экв/л; Целью моей работы является: собрать сведения о жесткости водопроводной воды в г. Невинномысске и выработать рекомендации по целесообразности использования средств, смягчающих воду.
В соответствии с целью исследования я поставила перед собой следующие задачи:
Взять сведения о жесткости воды в г. Невинномысске у специалистов ОАО «Водоканал»
Ознакомиться с литературой, содержащей сведения о жесткости воды и средствах, смягчающих воду
Изучить методы определения жесткости воды
Определить общую жесткость воды методом комплексонометрии
Дать практические рекомендации по использованию средств, смягчающих воду
Мною были использованы следующие методы исследования:
Определение общей жесткости воды комплексонометрическим методом
Изучение литературы и информации, выложенной на сайтах в Интернете
Интервьюирование
Глава 1. Жесткость воды и методы её определения. Накипь и её предотвращение.
1. 1. Жесткость воды.
Чистой воды в природе практически нет. Она содержит в себе водорастворимые соли.Жесткость воды - это совокупность свойств, обусловленная наличием в ней преимущественно солей кальция и магния. [3]
Различают временную и постоянную жесткость.
Первая связана с присутствием в воде гидрокарбонатов, вторая — других солей (хлоридов и сульфатов магния и кальция). Временной жесткость называется потому, что её можно устранить кипячением. Временная и постоянная жесткость составляют общую жесткость воды. [5]
Жесткость природных вод изменяется в широких пределах. Она различна в разных водоемах и водотоках, а в одной и той же реке изменяется в течение года. Минимальной жесткость речной воды бывает во время паводка. В России в настоящее время жесткость воды определяется концентрацией миллиэквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся в 1 литре воды. Воды классифицируются на:
Очень мягкие - 0-1,5 мг-экв/л;
Мягкие - 1,5- 3,0 мг-экв/л;
Среднежесткие - 3,0- 4,5 мг-экв/л;
Довольно жесткие - 4,5 - 6,5 мг-экв/л;
Жесткие - 6,5 - 11,0 мг-экв/л;
Очень жесткие - свыше 11,0 мг-экв/л.[6.4]
В г. Невинномысске жесткость водопроводной воды в закубанской части города (Казьминский водозабор из реки Большой Зеленчук) при норме 7 колеблется от1,5 до 5,2 мг экв:дм3, (летом – 1,5 – 2). В правокубанской части города (водозабор из Кубани и Большого Ставропольского канала) колеблется от 1,5 до 3,6 мг*экв/л (смотри приложение 1. Интервью с начальником лаборатории ОАО «Водоканал» г. Невинномысска Голубь Е.В.).
1. 2. Вред, наносимый накипью
Одна из главных экологических проблем человечества - качество питьевой воды, которая напрямую связана с состоянием здоровья населения, экологической чистотой продуктов питания, с разрешением проблем медицинского и социального характера. [1]Использование жесткой воды приводит к осаждению твердого осадка (накипи) на стенках паровых котлов, теплообменников. В прачечных жесткая вода оставляет следы на ткани. Творожистые осадки или мыльные хлопья обесцвечивают краску и придают белому материалу серый или желтый оттенок. Творожистая мыльная масса осаждается на волокнах ткани, воздействует на её основу и уменьшает срок использования. Жесткая вода оставляет также следы на стеклянной и прочей посуде, формирует накипь и забивает трубы горячей воды. В целом же, жесткая вода способна свести на нет все усилия домохозяек. Потери от жесткости воды в быту – это перерасход на 30-50% моющих средств при стирке белья и купании, плохие потребительские свойства воды: при заваривании кофе или чая в такой воде может выпасть бурый осадок, при кипячении на поверхности образуется пленка, вода приобретает характерный привкус; в жесткой воде хуже разваривается мясо, потому что соли жесткости с белками мяса образуют нерастворимые соединения, что, в свою очередь приводит к снижению усвояемости белков.[2]
Жесткость воды влияет и на результат умывания и купания. Соли образуют с моющими веществами (мыло, шампунь, стиральный порошок) так называемые "мыльные шлаки” в виде пены, которая, высыхая, образует микроскопическую корку на коже и волосах, нанося существенный вред их здоровью. В результате появляется сухость кожи, ломкость волос, шелушение, зуд, перхоть. Одним из предвестников такого нежелательного воздействия является характерный "скрип” вымытой кожи и волос. А восстанавливать жировую пленку приходится косметическими кремами и масками. И наоборот, ощущение "мылкости” после мытья мягкой водой – это признак сохранения на коже защитной жировой пленки. Косметологи всего мира рекомендуют умываться мягкой (например, талой или дождевой) водой. [6.5]
Для бытовых приборов, связанных с подогревом или кипячением воды, будь то стиральная или посудомоечная машина, чайник или кофеварка, утюг, серьезной проблемой является отложение накипи. Причиной образования накипи на нагревательных элементах и внутренних частях водонагревательных приборов является чрезмерное количество растворенных в воде солей кальция и магния: чем больше этих солей, тем более «жесткой» является вода и тем больше проблем она создает для бытовой техники.
Образование накипи на водонагревательных элементах стиральных и посудомоечных машин, электрических чайников приводит к их поломке и дорогостоящему ремонту. [6.3]
1. 3. Предотвращение образования накипи.
Для предотвращения осаждения накипи в виде твердой кристаллической корки имеются следующие средства:
1) Механические, при помощи которых устраняют осаждение накипи на стенках котла с помощью вкладок, заставляя воду быстро циркулировать, или используя такие котлы, в которых осадки собираются лишь в особых сборниках.
2) Приемы, посредством которых значительно уменьшают количество образующейся накипи: использование веществ (например, жиров, дегтя, нефтяных масел и т. п.) предлагают для смазывания стенок котла с целью устранить прилипание к ним накипи. Другие (например, кислоты, нашатырь) - для переведения нерастворимых веществ в растворимые. Наконец, третьи - для получения накипи в виде рыхлого осадка, легко удаляемого из котла. Почти все они при прибавлении в паровой котел приносят ему огромный вред.
3) Прибавление различных веществ в воду для предотвращения осаждения накипи на нагревательных элементах в виде твердой корки.
В продаже имеются средства для предотвращения накипи. В их состав входят следующие вещества: силикат, полифосфат, цитрат, сульфат и карбонат натрия, комплексообразователи, ПАВ. [10]
4) Предварительное химическое очищение воды до поступления ее в котел от всех веществ, образующих накипь.
Временную жесткость можно устранить следующими способами:
Кипячением воды: Са(НСО3)2 = СаСО3 + Н2О + СО2
Известковый способ: Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСО3 + 2Н2О
Содовый способ: Са(НСО3)2 + Na2CO3 = СаСО3 + 2NaНCO3
Натронный способ: Са(НСО3)2 + 2NaOН = СаСО3 + Na2CO3+ 2Н2О
Постоянную жесткость можно устранить следующими способами:
Содовый метод: СаSО4 + Na2CO3 = СаСО3 + Na2SO4
Фосфатный метод: 3СаSО4 + 2 Na3РO4 = Са3(РO4)2 + 3Na2SO4 [3]
В настоящее время широко используют ионообменные смолы. Это полимерные электролиты, которые способны химически связывать ионы солей, содержащихся в воде. Существует 2 вида ионообменных смол: катиониты и аниониты. Катиониты связывают катионы, аниониты – анионы. Ионообменная очистка позволяет извлекать и утилизировать широкий спектр загрязняющих веществ: тяжелые металлы, хром, нитраты и нитриты, ПАВ, цианистые соединения, радиоактивные вещества, а также смягчает и обезжелезивает воду. При этом достигается высокая степень очистки (до уровня ПДК). [8]. Кроме того иониты используются для обессоливания воды в процессе водоподготовки
СаSО4 + 2HKt = Ca(Kt)2 + H2SO4
H2SO4 + 2AnOH = An2SO4 + 2H2O
Ионообменные смолы находятся в фильтрах для очистки воды[9].
5) Наряду с описанными выше широко распространенными традиционными способами развивались и безреагентные способы противонакипной обработки воды - магнитная обработка и акустическая (ультразвуковая) [6.1]
Мягкая вода может, с другой стороны, иметь низкую буферную емкость и поэтому будет в большей степени вызывать коррозию водопроводных труб. Важно отметить, что мягкая вода может не только приводить к коррозии трубопроводов и водопроводного оборудования, но, кроме того, усиливает токсичность тяжелых металлов, содержащихся в воде (например, цинка). Некоторые вещества, смягчающие воду (например, ПАВ), могут вызывать загрязнение окружающей среды. [6.2]
1. 4 Методы определения жесткости воды.
Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27.12.2002г.№ 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила применения национальных стандартов РФ – ГОСТ Р 1.0 – 2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения».
В настоящем стандарте учтены нормативные положения следующих международных стандартов ИСО:
1) ИСО 6059-1984 «Качество воды. Определение суммарного содержания кальция и магния. Титриметрический метод с применением ЭДТА». Ионы алюминия, кадмия, свинца, железа, кобальта, меди, марганца, олова и цинка влияют на установление эквивалентной точки и мешают определению. Ионы ортофосфата и карбоната могут осаждать кальций в условиях титрования. Могут мешать и некоторые органические вещества. Если мешающее влияние невозможно устранить, определение жесткости воды рекомендуется проводить методами атомной спектрометрии.
2) ИСО 7980-1986 «Качество воды. Определение кальция и магния. Атомно-абсорбционный спектрометрический метод».
3) ИСО 11885-1996 «Качество воды. Определение 33 элементов атомной эмиссии с индуктивно связанной плазмой». [7]
Выводы по первой главе:
Перед тем, как смягчать воду в определенных целях, необходимо узнать жесткость воды в ОАО «Водоканал».
Глава 2. Методы, материалы и методика исследований.
2. 1. Методы и материалы исследований
Мною были использованы следующие методы исследования:
Изучение литературы
Изучение информации, выложенной на сайтах в Интернете
Определение общей жесткости воды методом комплексонометрии
Интервьюирование
Материалом исследования является водопроводная вода правокубанской части города (водозабор из Кубани и Большого Ставропольского канала).
2. 2. Методика исследований [7]
Работа проводилась в лаборатории ОАО «Водоканал» 5 октября 2011г (смотри приложение 2. Фото 1, 2, 3).
Жесткость воды мною была определена комплексонометрический методом. Он
основан на образовании комплексных соединений трилона Б (смотри приложение 4,
формула 1) с ионами щелочноземельных элементов. Этот метод не требует сложного
оборудования. Нет мешающих факторов, при которых этот метод неприменим.
Определение проводят титрованием пробы раствором трилона Б при рН=10 в присутствии индикатора. Наименьшая определяемая жесткость воды - 0,1 Ж.
Ход работы:
1. Мерной колбой отмерить 100 мл исследуемой Н2О и перелить ее в коническую колбу.
2. Добавить к воде 5 мл аммиачно-буферной смеси (растворяют 10 г хлорида аммония в 50 мл 25 %-го раствора аммиака), затем 7 – 8 капель спиртового раствора индикатора эриохрома черного Т (смотри приложение 4, формула 2).
3. Тщательно перемешать, раствор окрасится в винно-красный цвет.
4. Смесь оттитровать 0,05н раствором Трилона Б. К концу титрования раствор Трилона Б добавлять по каплям, встряхивая смесь в колбе после добавления каждой капли.
5.Титрование можно считать законченным, если после добавления очередной капли окраска раствора приобретает синий цвет с зеленоватым оттенком и с добавлением лишней капли раствора комплексона не изменяется.
6. Определить объем Трилона Б, израсходованного на титрование.
7.Титрование повторить 2-3 раза и для расчета взять среднее значение.
8. Произвести расчет общей жесткости воды.
2. 3. Результаты исследования
Величину общей жесткости воды (Ж0) в мг*экв/л вычисляют по формуле:
Жо =   М*F*K*Vтр,
Vпргде М – коэффициент пересчёта, равный 2Стр, где Стр – концентрация раствора Трилона Б, моль/м3, (как правило, М = 50)
F – множитель разбавления исходной пробы при консервировании (как правило, F = 1)
К – коэффициент поправки к концентрации раствора Трилона Б, вычисленный по формуле: К = 10/V, где V – объём раствора Трилона Б, израсходованный на титрование, мл, 10 – объём раствора ионов магния, мл)
Vтр - объем раствора Трилона Б, израсходованный на титрование, мл;
Vпр - объем проб воды, взятой для анализа, мл.
V1= 1,9 мл
V2= 1,8 мл
V3= 1,9 мл
Vср= 1,87 мл Жо =   50*1*1*1,87
100 Жо = 0,94 мг*экв/л Заключение
В соответствии с данными таблицы 1 жесткость водопроводной воды в правокубанской части города (водозабор из Кубани и Большого Ставропольского канала) в 2010г изменялась от 0,81 до 2,23 мг*экв/л, достигая максимального значения марте и минимального – в августе. 5 октября 2011г общая жесткость воды составила 0,94 мг*экв/л. (смотри приложение 3. Таблица 1. Жесткость воды из Кубани и Большого Ставропольского канала в 2010г)Воду с такой жесткостью не надо смягчать в бытовых целях: для стирки, мытья посуды, автономных систем горячего водоснабжения и отопления, новейших образцов сантехники. Для питья её необходимо отстаивать не менее 4 часов для удаления остаточного хлора.
Литература
Ахманов М.С. Вода, которую мы пьем. СПб.,- 2002, 192 с.
Балуев П.А., Осокина Д.Н. Все мы дома химики. М.,- 1980.- 240с.
Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 3CD – ROM, М. 2006
Журнал аналитического контроля ОАО «Водоканал» г. Невинномысска
Ильяшенко М.П. и др. Универсальный современный справочник школьника. М., - 2004.- 1296с.
Интернет – ресурсы:
6.1 http://www.aqa.ru/wiki/index.php
6.2 http://www.rosveter.ru/.../banbas-hursh_water.shtml.htm
6. 3 http://eona.ru/o_kompanii/proizvodstvo/
6.4 http://festival.1september.ru/articles/525263/ 6.5 http://water.ucoz.ua/index/0-64
Национальный стандарт Российской Федерации. Вода водопроводная. Методы определения жесткости. М., 2006г.-9с.
Общая и неорганическая химия 10 – 11 классы CD – ROM, М., 2003г
Харламнович Т.Д., Семенов А.С. Многоликая химия. - М., 1992.- 160с.
Хомченко Г.П. Химия. М.- 1989.- 404с.
Приложение 1
Интервью с начальником лаборатории ОАО «Водоканал» г. Невинномысска Голубь Е.В.
Анастасия: - Елена Владимировна, откуда поступает вода для нужд г.Невинномысска?
Елена Владимировна: - Вода поступает в закубанскую часть города из реки Большой Зеленчук, этот водозабор называется Казьминским. В Правокубанскую часть города ведется водозабор из Кубани и Большого Ставропольского канала.
Анастасия: - Какова норма жесткости воды?
Елена Владимировна: - Норма 7.
Анастасия: - Какова жесткость водопроводной воды в нашем городе?
Елена Владимировна: - В г. Невинномысске жесткость водопроводной воды в закубанской части города (Казьминский водозабор из реки Большой Зеленчук) колеблется от1,5 до 5,2 мг экв:дм3, (летом – 1,5 – 2). В правокубанской части города (водозабор из Кубани и Большого Ставропольского канала) колеблется от 1,5 до 3,6 мг экв:дм3
Анастасия: - Стоит ли смягчать воду для бытовых нужд?
Елена Владимировна: - Поздней весной, летом и ранней осенью такой необходимости нет, я вообще бы рекомендовала не использовать бытовые фильтры, если только вода, проходя по трубам, не получает вторичные загрязнения.
Анастасия: - Стоит ли кипятить или фильтровать воду для питья?
Елена Владимировна: - Качество воды соответствует ГОСТу, нет необходимости кипятить или фильтровать воду для питья. Можно отстаивать воду около 4 часов для удаления остаточного хлора.
Анастасия: - Есть ли необходимость использовать такое популярное средство, как «Cаlgon» при стирке?
Елена Владимировна: - Это средство рекомендуется использовать при жесткости воды не менее 4, поэтому это средство нужно использовать в закубанской части города в марте – апреле, когда жесткость воды превышает это значение.
Анастасия: - Спасибо, всего доброго.
Приложение 2
Фото 1. Инструктаж по технике безопасности проводит лаборант Супрунова А.С.

Фото 2. Подготовка воды к титрованию.

Приложение 2
Фото 3.Титрование.

Приложение 3
Таблица 1. Жесткость воды из Кубани и Большого Ставропольского канала в 2010г, мг*экв/л [4]
Месяц Исходная вода Фильтрованная вода
Январь 2,01 2,01
Февраль 1,81 1,84
Март 2,32 2,23
Апрель 2,07 2,06
Май 1,24 1,22
Июнь 0,91 0,81
Июль 0,83 0,81
Август 0,81 0,79
Сентябрь 0,82 0,75
Октябрь 1,06 0,96
Ноябрь 1,11 1,01
Декабрь 1,31 1,25
Приложение 4
Формула 1. Трилон Б(2-водная динатриевая соль этилендиамин – тетрауксусной кислоты)
эмпирическая: C10H14O8N2Na2•2H2O
структурная:
Формула 2. Индикатор эриохром черный Тэмпирическая: C20H12N3NaO7S
структурная: