Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 34 имени Амелина Станислава Александровича» Индивидуальный проект обучающегося 10 класса в соответствии с ФГОС ООО «ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ВОДЫ» Автор: ученик 10А класса Судник Владислав Владимирович Руководитель проекта Овчинников Сергей Викторович, учитель физики Кемерово, 2024 г. Оглавление ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................. 3 ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ............................................................. 5 1.1. Физические свойства воды ........................................................................................... 5 1.2. Стандарты качества питьевой воды ...................................................................... 6 1.4. Методы очистки воды ...................................................................................................... 9 1.6. Примеры фильтров ......................................................................................................... 12 ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ .............................................................. 15 1.1. Чертеж фильтра ................................................................................................................. 15 1.2. Сборка фильтра ................................................................................................................. 16 1.3. Проверка фильтра ............................................................................................................ 19 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 24 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ .................................................................................................... 25 2 ВВЕДЕНИЕ Вода — это главный элемент в живой природе, который невозможно заменить ни на что другое. Она создает оптимальные условия для развития жизни на планете и способствует химическим реакциям, необходимым для существования всех существ. Уникальные свойства воды делают ее неотъемлемым компонентом в природе, позволяющим переносить различные вещества и обеспечивать необходимые процессы. Однако, согласно последним данным, запасы пресной воды стремительно уменьшаются, что создает серьезные Промышленные отходы проблемы и для жизни на Земле. неочищенные сточные воды регулярно сбрасываются в русло пресноводных вод, что создает серьезные последствия. Большая проблема заключается в том, что используемые фильтры и дезинфицирующие соединения не всегда обеспечивают достаточную эффективность и безопасность. Обеспечение населения питьевой водой, соответствующей стандартам, требует комплексного и эффективного подхода. Эта исследовательская работа посвящена решению проблемы, связанной с созданием фильтра, способного повысить качество питьевой воды или устранить возможные загрязнения. Возможно ли создать фильтр для очистки воды во время похода вручную, когда доступны ограниченные ресурсы и компоненты, чтобы успешно очищать воду и делать ее безопасной для питья? Гипотеза: Понимая, что вода из непроверенного источника, требует определенной подготовки перед употреблением. Предполагаем, что даже в ограниченных условиях можем обеспечить себя чистой или условно чистой водой. Цель работы: Разработка фильтра для очистки воды во время похода при ограниченных ресурсах и компонентах, а также проверка его эффективности 3 Задачи: 1. Изучение технологий очистки воды в современное время 2. Ознакомление с стандартами чистой питьевой воды 3. Примеры очистного оборудования 4. Изготовление фильтра для воды в походных условиях Предмет исследования: вода Объект исследования: чистая питьевая вода Методы исследования: изучение научной литературы по проблеме, анализ, систематизация знаний Актуальность: проблема обеспечения доступа к качественной питьевой воде является одной из наиболее насущных и важных проблем современности. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, запасы пресной воды на планете быстро уменьшаются, и свыше 2 миллиардов людей по всему миру сталкиваются с нехваткой чистой питьевой воды. 4 ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1. Физические свойства воды Чистая вода — это бесцветная, легкоподвижная жидкость без вкуса и запаха. Плотность жидкой воды при 4 градуса Цельсия составляет 1 г/см³. При атмосферном давлении 101,3 кПа и температуре 100 градусов Цельсия вода переходит в парообразное состояние, которое составляет важную часть атмосферы. При нулевой температуре вода кристаллизуется и превращается в лед. Вода обладает высокой теплоёмкостью - 42Дж/г*град, что обуславливает ее медленный нагрев и остывание, делая ее эффективным теплоносителем. Водные резервуары способствуют регуляции температуры на Земле, предотвращая ее перегрев летом и обеспечивая тепло материкам зимой. Водяные капли, рассеянные в атмосфере, защищают планету от космического холода. Кроме того, вода является растворителем, способным растворять множество веществ. 5 универсальным 1.2. Стандарты качества питьевой воды В дома и предприятия поступает централизованная вода, которая делится на две категории: питьевую и техническую. Питьевая вода предназначена для употребления людьми, в то время как техническая используется в промышленных процессах. Качество обеих вод различно, особенно важно соблюдать стандарты и нормы для питьевой воды, так как она напрямую связана с организмом человека. Важной характеристикой питьевой воды является водородный показатель (pH), который контролирует баланс щелочей и кислот в организме человека. От pH зависит осуществление химических реакций и биологических процессов в клетках. Границы допустимых значений водородного показателя определяет СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода». Согласно данному документу, норма pH питьевой воды из-под крана не должна выходить за рамки 6-9 баллов 6 Также одной из характеристик питьевой воды является электропроводность. Электропроводностью воды называют ее способность проводить электрический ток. Выражается показатель в числовых значениях. Это свойство зависит от концентрации в жидкости растворенных минеральных солей. 7 В Российской Федерации стандарты качества питьевой воды устанавливаются согласно санитарным правилам, изложенным в документе СанПиН 2.1.4.1074-01.2.1.4. Эти правила требуют, чтобы питьевая вода была безопасной с точки зрения эпидемиологии и радиации, не содержала вредных химических веществ и обладала приятными вкусовыми свойствами. Качество воды должно соответствовать гигиеническим нормам перед ее поступлением в систему водоснабжения и в точках взятия образцов внутренней и внешней водопроводной сети. Существует множество параметров, которые определяют качество питьевой воды, но основные из них вывел в виде таблиц. 8 1.4. Методы очистки воды Классификацию методов очистки можно представить следующим образом: Физические методы очистки воды; Химические методы очистки воды; Физико-химические методы очистки воды; Биологические методы очистки воды. Физический метод очистки воды В основе физического метода очистки воды лежат всевозможные физические явления. Этот метод используется наиболее часто для очистки воды от больших и жестких крайне нерастворимых частиц. Ключевые методы очистки воды включают в себя следующее Кипячение — это процесс, при котором происходит интенсивное испарение жидкости и образование пара, что приводит к разрушению вредоносных микроорганизмов и удалению растворенных газов. Кипячение воды в большинстве случаев считается наиболее эффективным способом дезинфекции. Отстаивание — это простой и доступный способ очистки воды от механических примесей, таких как песок, глина и другой мелкий мусор. Для этого воду наливают в емкость и оставляют на некоторое время, чтобы осадок успел осесть на дно. Затем чистую воду аккуратно сливают с осадка, используя шланг или специальную трубку Фильтрование — способ механической очистки, при котором очищаемая жидкость проходит через слой фильтрующего пористого материала, где задерживаются частицы определенного размера. Дистилляция — это процесс, при котором происходит испарение 9 воды и последующая конденсация пара. В процессе дистилляции соли и другие примеси дистиллированная остаются вода в изначальной содержит воде, гораздо в меньше то время таких как веществ. Химический метод очистки воды Этот метод основан на содействии некоторых химических реагентов с загрязнителями. В следствии чего, вещества образуют нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок. Ряд способов очистки: Озонирование — это один из самых эффективных и доступных способов очистки, который способен значительно улучшить качество питьевой воды и решить проблемы здравоохранения и экологии. Метод основан на взаимодействии химических реагентов с загрязнителями, что приводит к образованию нерастворимых соединений, выпадающих в осадок. Хлорирование — это механизм бактерицидного действия хлора, который заключается во взаимодействии с составными частями клеток микроорганизма, что приводит к нарушению обмена веществ и гибели микроорганизмов. Физико-химическая метод очистки воды Методы физико-химической очистки воды являются важным инструментом в борьбе с загрязнениями в сточных водах. Существует несколько распространенных способов очистки: Адсорбция воды — способ очистки, при котором адсорбенты поглощают вредные вещества и убирают ароматические примеси. Флотация — способ очистки, при котором осуществляется чистка воды путем пропуска грязной воды через пузырьки воздуха 10 Биологические способы очистки воды Биологическая чистка чаще всего применяется в особых местах таких как: в биофильтрах, биологических прудах, полях орошения и т.д. Существуют такие методы биологической очистки воды, как: Применение активированного угля для очистки воды позволяет эффективно удалять хлорсодержащие соединения, неприятные запахи и изменять цвет воды. Этот метод также способен эффективно устранять растворенные газы и органические вещества, что делает его высокоэффективным. Йодирование нередко используют для очищения воды, которой заполняют бассейны. Существуют специальные йодсодержащие таблетки, которые применяют для дезинфекции воды в походах, экспедициях и т. Д Уничтожение бактерий и вирусов — это одно из преимуществ обработки воды ультрафиолетовым излучением. Этот метод очистки воды считается эффективным благодаря способности уничтожать разнообразные микроорганизмы. 11 ультрафиолета 1.6. Примеры фильтров Фильтр воды — это устройство для очистки воды от различных примесей, хлора и его производных, а также от вирусов, бактерий, тяжёлых металлов и т.д. Существует множество способов очистки воды от различных загрязнений, включая фильтрацию через специальные устройства, удаление хлора и других вредных веществ. Бытовые фильтры для воды можно разделить на три основные категории, каждая из которых обладает своими преимуществами и недостатками. Например, обратноосмотические фильтры считаются наиболее эффективными и современными в сфере водоочистки. С другой стороны, насадки и кувшины являются более простыми в использовании и более доступными в плане цены. Повышение применения качества различных питьевой фильтров, воды достигается которые удаляют с помощью нежелательные параметры и улучшают ее характеристики. Фильтры способны избавить воду от мутности, послевкусия, запаха, цветности, тяжелых металлов, нежелательных солей, продуктов органического распада и микроорганизмов. В бытовых условиях применяются различные виды водяных фильтров, которые отличаются по конструкции, принципу работы и количеству ступеней очистки. Фильтры грубой очистки - устанавливают на трубах для удаления из жидкости нерастворимых крупных частиц. Актуально использование таких приборов для загородных домов, где вода поступает напрямую из скважины 12 Фильтры первичной очистки предназначены устранения песка, для ржавчины и крупных частиц, но не способны удалять тяжелые металлы, хлор и микроорганизмы из жидкости. Эти устройства помогут предварительно очистить воду перед ее подачей в стиральные и посудомоечные машины, а также в нагревательные и сантехнические приборы. Система очищения воды с использованием фильтров обратного осмоса обеспечивает удаление примесей на 99%, что приводит к получению высококачественной воды, не отличающейся от бутилированной. Фильтры обратного представляют собой осмоса устройства с многоступенчатой системой очистки жидкости. 13 Также рассматривая тему фильтров для воды, нельзя не упомянуть один из самых доступных и простых фильтров для очистки воды — это фильтр «Кувшин». Принцип работы фильтра очень прост: вода проливается через отверстие в кувшин и, проходя через фильтрующий картридж, очищается, а затем накапливается в емкости. Основной элемент работы кувшина — это его сменный картридж. Наполнитель сменного картриджа содержит самые разные вещества. На дне картриджа находится чаще всего находится инертный материал с дренажной функцией. Также для поглощения органических элементов, хлора и пестицидов используется активированный уголь, в то время как каталитические материалы быстро окисляют марганец и железо, устраняя металлический привкус воды. Ион-обменная смола смягчает воду, предотвращая образование накипи и обеспечивая безопасный натрий на поверхности. Фильтр кувшин предоставляет широкий спектр применения, подходя для использования как в доме, так и в офисе или на даче. Однако, использование данного фильтра имеет свои недостатки. Например, ограниченная пропускная способность в пределах 100-300 литров, а также постоянная необходимость в смене картриджей и неспособность полностью удалить все соединения из воды. 14 ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Рассматривая способы очистки воды, мы пришли к мнению что самый доступный и простой это фильтр для очистки воды — фильтр «Кувшин». Именно основываясь на его принципе, мы и будем собирать свой собственный фильтр. 1.1. Чертеж фильтра Создание фильтра для воды необходимо было начать с создания рисунка, который станет основой для изготовления фильтра. Рисунок будет служить своего рода чертежом для последующего изготовления фильтра. На нем должны быть отражены материалы, расположение и размеры конечного продукта. Первым шагом в создании фильтра для воды был выбор материалов, таких как две пластиковые бутылки, медицинский бинт и активированный уголь. Эти материалы были выбраны с учетом нескольких факторов. Прежде всего, прототип фильтра предназначен для использования в условиях похода и на улице, где доступ к центральному водоснабжению отсутствует. Кроме того, В походе обычно у человека есть автомобильная аптечка с медицинским бинтом и несколько пластиковых бутылок. Поэтому я выбрал конфигурацию фильтра из-за удобства доступа к необходимым компонентам. Активированный уголь можно найти в ней. Вот фильтра примерный для очистки вид воды, который подходит не только для использования во время походов, но также легко можно собрать и разобрать в любое время. 15 1.2. Сборка фильтра После размещения компонентов внешнего и вида, установки структуры и материалов фильтра, мы начали процесс его сборки. Вначале мы взяли пластиковую бутылку объёмом 1,25 литра и разрезать ее по горизонтали примерно на две равные половины Затем была взята пластиковая крышка с исходной бутылки, в которой было сделано отверстие для отфильтрованной воды. 16 стекания В качестве нижнего фильтрующего материала было использовано бинта, несколько которые слоев укладывался перед крышкой бутылки После наложения бинтов мы покрыли измельченным углем. 17 поверхность активированным После укладки измельченного слоя активированного угля, мы заложили в воронку бутылки еще один слой бинта Далее после укладки всего необходимого в воронку бутылки мы взяли другую бутылку схожую по объёму в качестве резервуара куда бы стекала отфильтрованная жидкость Вот так и был изготовлен самодельный водный фильтр для походов 18 1.3. Проверка фильтра Пройдя через наш фильтр, речная вода значительно улучшила свой вид, став чище и прозрачнее, что свидетельствует о том, что фильтр работает правильно. В рамках данного проекта, мы контроля качества очищенной для воды использовали исследовательский комплект «Экологический патруль», включающий датчика для водной среды.. 19 в себя два мониторинга Давайте поговорим про первый из них. Это датчик электропроводности, который позволит узнать содержание солей в воде. Но само по себе значение электропроводности не позволит нам оценить, насколько благоприятна или неблагоприятна водная среда. Нам важно построить градировочную кривую пересчитать и значение электропроводности в интересующие нас параметры Второй датчик, который также будет полезен нам при оценке состояния водной среды, это датчик кислотности. Измерять мы её будем с помощью pH-метра или датчика pH. Где также будем строить градировочную значение pH кривую в и узнавать интересующих нас параметрах Для проведения лабораторных исследований мы использовали программу Practicum, которая помогла нам построить градировочные кривые, провести измерения и протестировать оборудование. Важно было проанализировать пробы, собранные из реки и прошедшие фильтрацию, в день сбора. Процедура начиналась с запуска компьютера, включения программы и подключения датчика. Первым измерением мы решили изучить электропроводность. Затем датчик успешно подключился к компьютеру, и мы поместили его в колбу с материалом. 20 После этого мы начали выполнение измерений. Для повышения точности мы осуществляли измерения в течение 20-30 секунд. По истечении указанного времени мы прекратили измерения и сохранили полученные данные. Затем мы проанализировали данные двух образцов с учетом критерия электропроводности для оценки эффективности работы фильтра. 21 Из двух графиков было видно, что уровень электропроводности значительно снизился, что указывало на существенное снижение содержания солей и других веществ, способствующих проводимости электричества. После проверки работоспособности фильтра, мы приступили к оценке уровня кислотности pH. Для этого мы подключили датчик к компьютеру, поместили его в пробирку и запустили процесс измерения. Измерения проводились в течение 20-30 секунд. По завершении измерений мы сохранили полученные данные и приступили к сравнению уровня pH двух проб. 22 Несмотря на незначительные изменения в показателях pH, были отмечены положительные изменения, что свидетельствует об эффективности фильтра. Также важно помнить, что даже при подтвержденной эффективности фильтрации, необходимо кипятить воду после процесса фильтрации для полного уничтожения бактерий и вирусов. 23 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В рамках исследовательского проекта «Технологии очистки питьевой воды» были проведены эксперименты с целью разработки портативного фильтра для очистки воды в условиях похода. Также было проведено исследование, направленное на оценку эффективности данного фильтра путем проверки качества очищенной воды через серию тестов. Полученные данные позволили сделать вывод, что создание фильтра для очистки воды в походных условиях с ограниченными ресурсами и компонентами является вполне выполнимой задачей. В результате экспериментов было установлено, что разработанный портативный фильтр способен эффективно очищать воду, делая ее пригодной для питья. Это значительно снижает риск заболеваний, передаваемых через загрязненную воду, и повышает общий уровень безопасности в походе. В дальнейшем возможно будет возобновлена работа по расширению спектра очищаемых загрязнителей и усовершенствованию технологии очистки воды в походных условиях, что уже будет являться темой уже для другой проектной работы. Проектная работа показала множество увлекательных фактов и новых знаний о питьевой воде. 24 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Соколов, Михаил Павлович Очистка - сточных вод: учеб.пособие.17.02.2006 – 5-17 с. 2. Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. – М.: ДеЛи принт, 2004. – 328 с. 3. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. 4. Г.А. Скоробогатов, А.И. Калинин “Водопроводная вода. Ее химические загрязнения и способы доочистки в домашних условиях” - СПб/издательство С.-Петерб., 2003 5. Аюкаев Р. И., Мельцер В. 3. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды. Л., 1985. 6. И.И. Новошинский, Н.С. Новошинская Учебник для 9 кл. общеобразовательных учреждений/ 4-е изд. М.:ООО ТИД “Русское слово”, 2009 7. Самое важное об анализе бутилированной воды: для чего необходим, виды и что определяют в процессе [Электронный ресурс] Режим доступа :https://aikidzin.ru/analiz-butilirovannoj-pitevoj-vody-cto-vyavlautpri-issledovanii-kakie-vidy-byvaut-gde-mozno-zakazat-i-stoimostprocedury/ 8. Водоснабжение. Фильтрование воды [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-15/87.htm 9. Основные показатели питьевой воды [Электронный ресурс] Режим доступа:https://oskada.ru/analiz-i-kontrol-kachestva-vody/osnovnyepokazateli-pitevoj-vody-chto-znachit-xoroshaya-vodoprovodnaya-voda.html 25
