Управление образования
Администрации Советского района г. Минска
Научная работа
Обезжелезивание воды
Автор:
Цырульникова
Мария Анатольевна
Минск, 2005
Содержание
Введение
Глава I. Теоретическая часть
1. Проблема повышенного содержания железа в питьевой воде на территории Беларуси
2. Действие избыточного количества железа на организм человека
3. Формы существования железа в железосодержащих природных водах
4. Методы обезжелезивания воды
Глава II. Экспериментальная часть
1. Экспериментальное изучение эффективности действия различных фильтрующих загрузок в процессе обезжелезивания воды
а) Получение марганцевого катализатора
б) Загрузка на основе катионита
в) Загрузки на основе песка
2. Приготовление и эксплуатация установки обезжелезивания воды
3. Экономическая оценка предлагаемой нами установки обезжелезивания воды
Выводы
Список используемых источников информации
Приложения
Введение
Данное исследование проводилось в рамках школьного химико-биологического проекта «Многоликое железо».
Проект реализуется в течение учебного года силами учащихся десятых и одиннадцатых классов нашей школы и представляет собой серию исследований, посвященных проблеме дефицита и передозировки железа в человеческом организме.
Одним из факторов, способствующих накоплению железа в организме человека, является питьевая вода с повышенным содержанием этого элемента.
В данной работе представлены результаты наших опытов по созданию простейшей установки для обезжелезивания питьевой воды.
Актуальность темы. Длительное употребление воды с содержанием железа более 0,3 мг/л приводит к заболеваниям печени, увеличивает риск инфарктов, негативно влияет на центральную нервную систему и репродуктивную функцию организма [1,3,6]. Повышенное содержание железа придает воде буроватую окраску, неприятный вкус, запах, вызывает зарастание водопроводных сетей, является причиной брака в текстильной, пищевой, бумажной и косметической отраслях промышленности [8, 10].
Обезжелезивание воды является одним из приоритетных направлений республиканской программы по обеспечению населения чистой водой (Государственная программа «Чистая вода», срок реализации с 2001 по 2005 г). В рамках действия данной программы во многих городах и городских поселках Беларуси были построены и модернизированы станции обезжелезивания воды.
В сельской местности была предпринята попытка улучшить водоснабжение населения за счет бурения скважин на воду, но при этом существует серьезная проблема локальной доочистки воды от железа, так как две трети подземных источников Беларуси характеризуются повышенным содержанием этого элемента [9]. Монтаж и обслуживание фирменного оборудования для очистки воды требует специальных навыков и больших материальных затрат, поэтому разработка простейшей установки обезжелезивания воды, доступной сельскому населению, является актуальной проблемой.
Цель и задачи исследования. Целью работы является создание простой эффективной установки для обезжелезивания воды. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1) изучить литературу по проблеме обезжелезивания воды и выбрать наиболее приемлемый для воспроизведения в школьной лаборатории способ очистки воды от железа;
2) приготовить раствор с известным содержанием Fe2+, а также серию стандартных растворов Fe3+ для колориметрического экспресс-анализа очищенной воды;
3) приготовить ряд фильтрующих загрузок и изучить эффективность их действия;
4) изучить возможность получения загрузки с каталитическим действием из веществ, доступных сельскому населению;
5) выработать рекомендации для населения по приготовлению и эксплуатации установки обезжелезивания воды.
Глава I. Теоретическая часть
1. Проблема повышенного содержания железа в питьевой воде на территории Беларуси
Наличие железа в подземных водах связано с широким распространением этого элемента в природе. Железо составляет 4,56 % массы всей земной коры, занимая четвертое место среди 107 элементов. Содержание железа связано с региональными, климатическими, ландшафтными и гидрологическими особенностями зоны нашего проживания, повлиять на которое мы не можем. Именно поэтому избыточное железо присутствует повсеместно, охватывая почти все водоносные горизонты пресных вод, независимо от принадлежности к тому или иному артезианскому бассейну.
В основных напорных горизонтах железо часто превышает предельно допустимые концентрации (ПДК 0,3 мг/л) в 5-20 раз и более, а в грунтовых водах это превышение иногда возрастает в 40-60 раз (до 12-18 мг/л). Хотя даже такие низкие концентрации, как 0,3-0,4 мг/л, могут вызвать появление пятен на раковинах, посуде, ткани и других поверхностях. Более высокие концентрации придают воде характерный металлический привкус и могут изменить вкус и внешний вид чая, кофе и других напитков.
При прохождении воды по трубам железо оседает на них в виде хлопьев, называемых шламом, что приводит к быстрому приходу в негодность сантехнического оборудования. При нагревании воды процесс заметно ускоряется. Образование шлама происходит, в том числе, и из-за наличия в воде особых разновидностей бактерий типа Leptothrixи Gallionella, которые присутствуют везде, где только есть железо, им необходимы также кислород и температура 20о – 40оС. Естественно, водопровод и система отопления – прекрасные условия для активного размножения данного вида бактерий, особенно, если используемая в них вода берется из подземных источников, богатых железом. В результате жизнедеятельности этих бактерий образуется масса бурого цвета, которая оседает на стенках трубопровода, таким образом, засоряя его. Нередко это является основной причиной аварий. Срок службы сантехнического оборудования снижается в несколько раз [15].
Повышенное содержание железа придает воде буроватую окраску, неприятный вкус, запах, является причиной брака в текстильной, пищевой, бумажной и косметической отраслях промышленности. Таким образом, борьба с избыточным железом в хозяйственно-бытовых водопроводах является постоянной технологической, экономической, экологической и социальной проблемой. Недаром обезжелезивание воды является одним из приоритетных направлений республиканской программы по обеспечению населения чистой водой.
Государственная программа по водоснабжению и водоотведению «Чистая вода» реализуется в сроки с 2001 по 2005 г. В рамках этой программы построен ряд артезианских водозаборов и несколько станций обезжелезивания (г. Крупки, г. Копыль, г.Чериков, г.п. Дрибин и др.). Усовершенствована работа станций обезжелезивания в г. Новополоцке и в г.п. Бигосово. Там применяется высокоэффективный биологический метод очистки воды от железа. Была предпринята попытка улучшить водоснабжение белорусских сел за счет бурения скважин на воду, но возникла новая проблема – две трети подземных источников характеризуются повышенным содержанием железа. В Полесье проблема усугубляется наличием железа в органической форме («гуматное» железо). Вода из подземных источников, а тем более вода из колонок и колодцев в сельской местности зачастую вообще не подвергается никакой обработке, нанося тем самым непоправимый вред здоровью людей [7].
В таблице 1 приведены данные по содержанию железа в воде групповых водозаборов по областям и основным водоносным горизонтам Беларуси [9].
Таблица 1. Содержание железа в подземных водах Беларуси по административным областям и основным эксплуатируемым горизонтам.
| Административные области | Эксплуатируемые водоносные горизонты | Количество групповых водозаборов | Содержание железа (мг/л) |
| Брестская | четвертичныйпалеоген-неогеновыйюрско-меловойпротерозойский | 212116 | 0,2-0,40,3-2,80,4-7,50,4-4,8 |
| Витебская | четвертичныйдевонский | 433 | 0,3-3,20,2-7,1 |
| Гомельская | четвертичныйпалеогеновыймеловойдевонский | 52421 | 0,5-8,00,4-4,50,3-13,81,2-3,8 |
| Гродненская | четвертичныйюрско-меловойпротерозойский | 22122 | 0,4-2,30,3-2,00,5-1,2 |
| Минская | четвертичныйдевонскийпротерозойский | 591016 | 0,3-7,50,7-1,40,6-2,8 |
| Могилевская | палеогеновыймеловойдевонский | 1733 | 0,2-0,50,2-0,40,5-8,8 |
2. Действие избыточного количества железа на организм человека
Железо – давно известное средство от малокровия. Этот элемент является важнейшим компонентом гемоглобина – вещества крови, переносящего кислород ко всем клеткам тела. Однако как питательное вещество железо является палкой о двух концах. Слишком много полезного может быть очень вредным. Эти слова с полным правом можно сказать о железе: попав в организм, оно оказывается в «безвыходном» положении. Основная часть железа не выводится и не расходуется, а используется организмом повторно. С мочой, потом, отмершими клетками кожи выводится лишь незначительное количество железа. Теряется железо и при некоторых болезнях, в основном за счет кровотечений.
При хронической перегрузке организма железом происходит его отложение в тканях, которое носит очаговый или генерализованный характер (гемосидероз). Если общее содержание железа в организме превышает 15 г, то поражаются внутренние органы. Такое состояние называется гемохроматозом.
Избыток железа в воде вносит свой вклад в развитие многих заболеваний. Этот элемент способен накапливаться до токсической концентрации в органах и тканях, включая суставы, печень, эндокринные железы и сердце. Железо может создавать питательную среду для роста вредных микроорганизмов и клеток злокачественных опухолей, а также дополнительно стимулировать канцерогенное действие свободных радикалов. Высокие концентрации железа обнаруживаются в мозге людей, страдающих болезнью Паркинсона. Избыток железа нарушает функцию центральной нервной системы, усугубляя психические расстройства [1].