Учебный центр «Крисмас+»

Исследование эффективности очистки водопроводной воды минералом шунгитом

Борисюк Сергей, школа №252, Санкт-Петербург.
Руководитель работы: Михеева Оксана Сергеевна, учитель химии высшей категории школы №252, Санкт-Петербург

Работа посвящена исследованию гидрохимических показателей, на основе которых оценивалась эффективность очистки питьевой воды шунгитом. Описаны многочисленные эксперименты, сделаны исчерпывающие выводы по ним. Большинство гидрохимических показателей исследовано с помощью тест-комплектов производства ЗАО "Крисмас+".

Цель работы:
- исследование эффективности очистки водопроводной воды минералом шунгитом, оценка пригодности данной воды для питьевого водоснабжения.

Задачи исследовательской работы:
- овладение методами и методикой исследования химического состава воды
- сравнение химического состава водопроводной воды до и после кипячения
- сравнение химического состава водопроводной воды до и после контакта с шунгитом
- определение эффективности очистки воды от тяжёлых металлов и активного хлора
- сравнение химического состава воды, подвергшейся отстаиванию с шунгитом и без него
- определение эффективности очистки воды в течение 5 месяцев

В ходе исследования использовались такие методы, как титриметрический, визуально-колориметрический, турбидиметрический, потенциометрический, кондуктометрический и спектроскопический (атомно-абсорбционная спектроскопия). В ходе работы использовались приборы: pH-метр и кондуктометр (в составе одного прибора), атомно-абсорбционный спектрометр КВАНТ-2А. Определялись следующие характеристики воды: минерализация, водородный показатель, содержание общего железа, общая жёсткость, активный хлор (свободные и связанные формы), удельная электролитическая проводимость, наличие и количественный состав ионов: HCO₃^-, CO₃^2-, Cl^-, SO₄^2-, NH₄⁺, NO₃^-, Fe²⁺, Fe³⁺, Cu²⁺, Al³⁺. Для анализа отбиралась вода из централизованного источника питьевого водоснабжения Красносельского района. Анализ воды проводился с интервалом в 1 месяц. Для более точного анализа фильтрованная вода один раз исследовалась на катионы Cu²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺ в СЭС Красносельского района.

Шунгит – уникальный природный материал. Он необычен по происхождению, структуре входящего в его состав углерода и структуре самих пород. Шунгитовый углерод — это окаменевшая древнейшая нефть, или аморфный, некристаллизирующийся, фуллереноподобный (т.е. содержащий определённые регулярные структуры) углерод. Его содержание в породе около 30%, а 70% составляют силикатные минералы — кварц, слюды. Кроме углерода в состав шунгита входят также SiO₂ (57,0%), TiO₂ (0,2%), Al₂O₃ (4,0%), FeO (2,5%), MgO (1,2%), К₂О(1,5%), S (1,2%). [6]

Методы исследования показателей качества воды
В процессе исследования химического состава воды применялись следующие методы:
▪ визуально-колориметрический
▪ турбидиметрический
▪ титриметрический
▪ кондуктометрический
▪ потенциометрический
▪ атомно-абсорбционная спектроскопия

Результаты анализа нефильтрованной водопроводной воды.
Минерализация водопроводной воды равна 142,5 мг/л.
По результатам исследования невская водопроводная вода является ультрапресной, мягкой, гидрокарбонатно-натриево-калиевой. Химический состав воды, отобранной в разные периоды, близок, но не является одинаковым. Все показатели соответствуют нормативам качества питьевой воды (СанПиН 2.1.4.559-96), невскую водопроводную воду можно употреблять для питья и приготовления пищи.

Результаты анализа некипячёной и кипячёной водопроводной воды.
Химический состав кипячёной воды практически не отличается от некипячёной. Существенное отличие в показателях перманганатной окисляемости. Минерализация нефильтрованной кипячёной водопроводной воды равна 142,5 мг/л. Следовательно, при кипячении минеральный состав водопроводной невской воды не изменился. В связи с этим было принято решение о нецелесообразности дальнейшего исследования кипячёной водопроводной воды. Для анализа исследовалась водопроводная некипячёная вода и вода, находившаяся в контакте с шунгитом в течение 2 суток.

Результаты анализа водопроводной воды до и после контакта с шунгитом.
Химический состав воды после фильтрования изменяется. Изменения фиксируются в показателях pH, общего железа, сульфатов, общей жёсткости:
- pH воды после фильтрования понизился, что говорит о повышении кислотности среды
- концентрация катионов железа повысилась, что связано с содержанием катионов железа в составе шунгита

В источниках информации о применении шунгита говорится о высокой сорбционной способности к катионам многих металлов, в частности к железу. Но в результате исследования фиксируется незначительное увеличение концентрации общего железа. По данным дополнительного исследования атомно-абсорбционным спектрометром, железо в фильтрованной воде присутствует в основном в виде двухвалентной формы. Следовательно, можно сделать вывод о том, что при контакте с шунгитом катионы железа не сорбируются, а поступают в воду.
Концентрация суммарного содержания калия и натрия вычисляется расчётно. Но при вычислении концентраций в фильтрованной воде были получены отрицательные значения, что, скорее всего, связано с тем, что при контакте с шунгитом в воду поступают не только катионы, но и анионы (об этом говорит минерализация – 180 мг/л). Можно предположить, что при контакте с шунгитом в воду поступают силикат-ионы, так как на 68% шунгит состоит из силикатных пород.
Шунгит использовался повседневно в течение 5 месяцев. В среднем, в неделю отстаивалось 2-3 порции воды. За 5 месяцев не зафиксировано значительных «скачков» в изменении характеристик воды после отстаивания с шунгитом, то есть после остаивания воды с шунгитом концентрации ионов, цветность, перманганатная окисляемость и pH изменялись одинаково. Можно сделать вывод о том, что со временем «ресурс» шунгита, т.е. способность изменять химический состав воды, не уменьшается.

Результаты анализа водопроводной воды, находящейся в контакте с шунгитом в течение 7 дней.
Результаты анализа воды показали, что при контакте воды с шунгитом в течение 7 дней происходит значительное изменение минерализации воды, что связано с десорбцией катионов металлов из шунгита. Можно прийти к выводу, что превышение времени контакта воды с шунгитом может привести к превышению ПДК по некоторым компонентам и невозможности употребления такой воды для питья. Следует соблюдать рекомендации по применению шунгита.

Результаты исследования сорбционной способности шунгита.
В связи с тем, что при контакте водопроводной невской воды с шунгитом сорбционной способности минерала не наблюдалось, было принято решение о создании пробных растворов. Для рассмотрения эффективности удаления тяжёлых металлов и активного хлора из воды были приготовлены контрольные растворы с определённой концентрацией загрязнителей: в одну пробу добавили раствор сульфата меди, а в другую – раствор гипохлорита натрия. Далее были проведены измерения и зафиксированы примерные значения концентраций загрязнителей. Через определённые промежутки времени проводились анализы воды.
Контрольный раствор, загрязнённый гипохлоритом натрия, был оставлен на 3 дня в открытом сосуде. Значительного изменения концентрации активного хлора через 3 дня по сравнению с начальной концентрацией нет, поэтому улетучивание хлора незначительное и не сказывается на результатах исследования шунгита на поглощение активного хлора из воды.
Так как тест-системы не дают точного результата, то на контрольной шкале выбирался наиболее похожий окрас индикаторной бумаги, и фиксировалось примерное значение концентрации загрязнителя.


По результатам исследования отмечается снижение концентраций компонентов: меди на 33%. Концентрация активного хлора под действием шунгита уменьшается в два раза. Метод отстаивания воды (без шунгита) не даёт такого эффекта (результаты исследования представлены в таблице №6). Через пять суток концентрация загрязнителей больше не уменьшилась.

Результаты исследования воды до и после отстаивания.
Чтобы выделить из воды взвешенные вещества, ее отстаивают. Взвешенные вещества выпадают в осадок и скапливаются на дне сосуда с водой.
Для оценки эффективности очистки воды методом отстаивания (без шунгита) в сосуд было помещено 500 мл. воды и оставлено для отстаивания в течение 2 дней. Для анализа брался верхний слой воды, чтобы в пробу не попали вещества, которые могли осесть на дне сосуда после отстаивания воды.
Можно сделать вывод о том, что отстаивание воды не изменяет химический состав воды значительно – зафиксировано незначительное уменьшение концентрации гидрокарбонат- и сульфат-ионов, а также значение перманганатной окисляемости, что может быть связано с погрешностями при выполнении анализа.

Выводы
1. Невская водопроводная вода соответствует нормативам качества, пригодна для питьевого водоснабжения.
2. Кипячёная вода по составу мало отличается от некипячёной.
3. При использовании шунгита изменяется химический состав воды:
- повышается минерализация, общая жёсткость, концентрация катионов железа и сульфат-ионов
- понижается pH.
4. Использование шунгита в качестве фильтра для водопроводной воды нецелесообразно. Шунгит можно использовать для увеличения минерализации воды.
5. Шунгит уменьшает концентрацию катионов меди и активного хлора в контрольных растворах.
6. Отстаивание воды без шунгита незначительно изменяет химический состав воды.
7. «Ресурс» шунгита, т.е. способность изменять химический состав воды, за 5 месяцев не уменьшился.

Источники информации в литературе и Интернете
1. Лосев К.С. Вода. – Ленинград: Гидрометеоиздат, 1989.
2. Муравьёв А.Г. Руководство по определению показателей качества воды полевыми методами. – СПб: Крисмас+, 2004.
3. Муравьёв А.Г. Экологический практикум для школьников. - СПб: Крисмас+.
4. Никаноров А.М., Посохов Е.В. Гидрохимия. – Ленинград: Гидрометеоиздат, 1985.
5. http://www.aquafilter.ru/water.htm (декабрь, 2008г.)
6. http://www.promc.ru/shungit/ (ноябрь, 2008г.)
7. http://www.newchemistry.ru (ноябрь, 2008г.)
8. http://www.ecoinstrument.ru/ (декабрь, 2008г.)

Рис. 1. Химический состав водопроводной воды (источник – р. Нева)

Рис. 2. Химический состав водопроводной воды после контакта с шунгитом

Рис. 3. Изменение гидрохимических показателей питьевой воды до и после контакта с шунгитом

Рис. 4. Анионы и другие характеристики

Рис. 5. Эффективность очистки воды от загрязнителей

Рис. 6. Внешний вид шунгита

Рис. 7. Помещённый в воду шунгит

Рис. 8. Определение pH воды с помощью pH-метра

Рис. 9. Оборудование для определения химического состава воды

Рис. 10. Определение перманганатной окисляемости

Рис. 11. Использование визуально-колориметрического метода (определение рН)

Рис. 12. Использование визуально-колориметрического метода (определение содержания алюминия)

См. также

Учебное оборудование производства ЗАО «Крисмас+» для исследования водоемов и воды

Путеводитель по выбору оборудования для учебно-исследовательских работ

Этот материал опубликован в Сборнике тезисов победителей IV Межрегионального конкурса «Инструментальные исследования окружающей среды»