Опыты по очистке воды

Качество питьевой воды – проблема, остро стоящая не только в нашей стране, но и во всем мире. Принятые в 2002 г. в России санитарные правила и нормы (СанПиН) определяют предельно допустимое содержание в воде бактерий, газов, органических и неорганических веществ. Обязательному контролю подлежат более 200 параметров из 2000 внесенных в реестр.

Несмотря на то, что большинство проб питьевой воды удовлетворяет требованиям СанПиН, проблему качества воды нельзя считать решенной. Например, при хлорировании воды хлор может вступать в реакцию с находящимися в ней органическими соединениями. Многие из образующихся хлорпроизводных (хлорфенол, хлороформ и др.) обладают канцерогенным и мутагенным действием. Конечно, концентрация этих веществ в воде очень мала, но они могут накапливаться в организме человека, оказывая токсическое действие спустя годы.

С учетом этого во многих странах нормы по предельно допустимым концентрациям (ПДК) хлорорганических соединений ужесточаются. Например, ПДК диоксинов в воде в России составляет 20 пг/л, тогда как в Германии всего 0,01 пг/л. Вторичное загрязнение воды может наблюдаться также из-за неудовлетворительного состояния водопроводных труб.

Самым радикальным способом очистки воды является ее дистилляция, когда в результате перегонки удаляются все примеси и растворенные соли. Но, как считают ученые-гигиенисты, постоянное употребление такой воды нежелательно, т.к. может привести к нарушению солевого баланса.

Задача улучшения качества питьевой воды может быть решена, если правильно использовать разнообразные фильтры для доочистки воды.

Большое распространение в быту получили фильтры-кувшины, в которых вода проходит через сменный картридж в нижний сосуд. Фильтрующий элемент картриджа содержит активированный уголь и гранулы ионообменной смолы.

Активированные угли являются универсальными сорбентами, применяемыми для удаления примесей различной химической природы. Традиционно лучшими для очистки воды считаются угли, полученные из скорлупы кокосового ореха. Количество пор на единицу площади в таком угле, например, в 4 раза больше, чем в березовом. В получении активированных углей выделяют две стадии – карбонизацию и активацию.

Карбонизация – это высокотемпературное разложение сырья при отсутствии кислорода. Такое нагревание без горения приводит к получению остатка, состоящего преимущественно из углерода.

После этого материал подвергают активации – обработке водяным паром или углекислым газом при температуре 800 °C. При этом частицы материала становятся похожими на хороший сыр – по всему объему их пронизывает разветвленная система пор, имеющих самый различный размер: от нескольких ангстрем до нескольких микрон. Таким образом, активированные углеродные материалы – это пористые углеродные материалы.

Активация позволяет получить сорбент с площадью пор около 1000–1500 м² на 1 г угля. Эти чрезвычайно большие величины и объясняют необычайно высокую эффективность активированных углей.

Каким образом активированные угли задерживают примеси?

В разветвленной системе пор активированных углей присутствуют центры, связывающие молекулы примесей. При этом пористая структура углей так разнообразна, что каждой молекуле находится подходящее посадочное место. Например, небольшие молекулы фенола и хлороформа сорбируются в самых мелких порах, более крупные – в порах среднего размера. Большие макропоры служат транспортными туннелями, по которым молекулы вредных примесей движутся к местам вечной стоянки.

Второй компонент фильтрующего элемента – синтетические ионообменные смолы, представляющие собой сшитые, нерастворимые в воде высокомолекулярные полиэлектролиты, ионы которых могут обмениваться при контакте с растворами электролитов.

Если вскрыть пластмассовый корпус картриджа, то мы увидим смесь измельченного угля и светлых гранул ионообменной смолы. С использованием данной смеси (будем называть ее сорбентом) можно провести некоторые опыты, демонстрирующие процесс очистки воды от различных примесей методами адсорбции и ионного обмена. Проведение опытов возможно в двух вариантах – статическом и динамическом.

В первом случае для очистки воды в нее засыпают сорбент (1–2 чайных ложки на 100 мл воды), перемешивают, через 4–5 мин. можно проводить химический анализ очищенной воды. Если загрязняющий фактор (например, растворы солей меди) имеет окраску, то о поглощении можно судить по изменению интенсивности окраски раствора.

Динамическая сорбция заключается в пропускании растворов через колонку, заполненную сорбентом. Для опытов можно взять старый фильтр-кувшин, не используемый в быту, или изготовить модель фильтра из одноразового шприца без поршня, положив на дно комочек ваты, а сверху слой сорбента высотой около двух сантиметров.

Зная чувствительность той или иной качественной реакции, можно количественно оценить эффективность поглощения различных веществ. Например, смоделируем загрязнение воды ионами свинца путем добавления в воду ацетата свинца (1 г на 200 мл воды). Используя для определения ионов свинца йодид калия в качестве реактива и зная, что чувствительность этого метода составляет 0,1 мг ионов свинца в 5 мл раствора, можно рассчитать, какая часть ионов свинца задерживается сорбентом (в фильтрате ионы свинца не обнаруживаются).

Опыты по очистке воды от ионов свинца можно провести отдельно с активированным углем без смолы (взяв аптечный препарат) и затем сравнить эффективность обоих методов.

На занятиях в рамках элективных курсов можно определить тип ионообменной смолы (катионит, анионит или амфолит), используя методы количественного анализа катионов и анионов до и после сорбции. Как правило, в бытовых фильтрах для очистки воды используются катионообменные смолы.

Данные опыты позволяют показать прикладной характер химической науки, необходимость и важность химических знаний в жизни человека, способствуют повышению интереса к предмету.

С.В.КУРЛЫКОВА
(г. Волгоград)