Определение кофеина в энергетических напитках

ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЕ ВОДЫ

Научно-исследовательский проект

Ученица: Игнатьева Афина КГУ гимназии №24 Класс: 9 «А»

Руководитель: Ерболатова А.Т.

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 1. ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЕ ВОДЫ

1.1. Проблема повышенного содержания железа в питьевой воде на территории Казахстана

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 Leptothrix и Gallionella, которые присутствуют везде, где только есть железо, им необходимы также кислород и температура 20^о - 40^оС. 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. Кокшетау, г. Костанай, г. Шымкент, г.п. Мерке и др.). Усовершенствована работа станций обезжелезивания в г. Нурсултан и в г.п. Тулкибас. 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].

1.2. 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].

Слишком большое количество железа в организме пожилых мужчин и женщин способствует накоплению свободных радикалов, может ускорить развитие общего старения. Поэтому взрослым мужчинам и женщинам после наступления у них климакса препараты железа следует принимать крайне осторожно, только при наличии соответствующих показаний. Железо стимулирует окисление «плохого» холестерина (ЛПНП), что обусловливает прогрессирование атеросклероза, и вторично - ишемической болезни сердца. Гемохроматоз обычно развивается в среднем и старшем возрасте. При этом заболевании возникает бронзовая окраска кожи, развивается цирроз печени, сахарный диабет, поражается сердце. Последнее проявляется кардиомегалией, сердечной недостаточностью, аритмией, нарушением проводимости. Часто отмечаются гормональные нарушения - гипофизарная недостаточность, атрофия яичек с утратой либидо. Могут возникнуть боли в животе, артриты и хондрокальциноз [3].

Непонимание важности проблемы передозировки железа и связанной с ней необходимости обезжелезивания воды приводит к появлению в СМИ публикаций, вводящих в заблуждение широкие слои населения. Например, в статье Е. Моисеевой [12] рекламируется польза «железной» воды и рекомендуется постоянно употреблять ее без какой-либо очистки. Вряд ли население ощутит пользу от использования воды с избыточным содержанием железа, а вред здоровью от постоянного употребления такой воды может быть очень большим.

1.3. Формы существования железа в железосодержащих природных водах

Исходным материалом для образования и накопления железа в природных водах являются водовмещающие породы и породы, с которыми вода контактирует в процессе своей миграции. К их числу относятся песчано-гравийные и глинистые материалы, содержащие большое количество железистых соединений. Выявление форм содержания железа в воде является очень важной задачей, разрешение которой позволит предопределить метод его удаления.

Железо в природных водах может находиться в виде двух- и трехвалентных ионов, коллоидов органического и неорганического происхождения, таких как Fe(OH)₃, FeS, Fe(OH)₂, комплексных соединений с гуматами и фульвокислотами, а также в виде тонкодисперсной взвеси.

Коллоидная гидроокись железа образуется при рН выше 3, а осадок - при рН выше 4,5 (как правило, в окислительной среде). В природных водах значение рН обычно колеблется в пределах 6,2-7,5, поэтому в них не может содержаться трехвалентное железо, но может присутствовать (например, в подземных водах при отсутствии растворенного в воде кислорода и других окислителей) двухвалентное железо в виде ионов или в составе солей. В поверхностных водах железо обычно встречается в виде органических комплексных соединений, либо коллоидных или тонкодисперсных взвесей [13].

Формы, в которых железо находится в природных водах, в настоящее время недостаточно изучены. Однако, очевидно, что преобладающей формой существования железа в подземных водах является гидрокарбонат двухвалентного железа, который устойчив только при наличии больших количеств углекислоты и отсутствии растворенного кислорода. При уменьшении концентрации углекислоты, т.е. при повышении рН и появлении в воде растворенного кислорода или других окислителей, происходит процесс гидролиза, и железо переходит в малорастворимый гидроксид двухвалентного железа:

Fe²⁺ + 2HCO₃^- + 2H₂O > Fe(OH)₂ + 2H₂CO₃ (1)

При этом образуется ряд промежуточных соединений, и в воде одновременно присутствуют как недиссоциированные молекулы, так и ионы: Fe(HCO₃)₂, Fe(OH)₂, Fe²⁺, Fe(OH)⁺. Далее происходит окисление по уравнению:

4Fe(OH)₂ + О₂ + 2Н₂О > 4Fe(OH)₃ (2)

Здесь также одновременно присутствуют промежуточные соединения, такие, как Fe(OH)²⁺ и Fe(OH)₂⁺. Процесс окисления двухвалентного железа в трехвалентное во многих случаях в естественных условиях протекает при участии микроорганизмов - железобактерий, которые используют энергию, выделяемую при окислении железа (II).

Образующийся при окислении гидроксид железа (III) мало растворим в воде. Так, при рН = 4 в воде может содержаться до 0,05 мг/л Fe(OH)₃, а при более высоких значениях рН - тысячные и еще меньшие доли мг/л. Гидроксид железа (III) может присутствовать в воде в коллоидном состоянии, которое является одной из основных форм существования железа в поверхностных водах. Устойчивость коллоидного железа в значительной степени повышается благодаря защитному действию гумусовых веществ. Железо может быть переведено из этого комплекса в осадок двумя путями: естественным - при участии бактерий, разрушающих органическое вещество, и искусственным - с помощью сильных окислителей, уничтожающих защитные коллоиды, либо под действием коагулянтов, например, золей кремниевой кислоты [13].

Выявление форм содержания железа в воде является очень важной задачей, разрешение которой позволяет предопределить метод его удаления.

1.4. Методы обезжелезивания воды

Выбор метода удаления железа из природных вод зависит от форм, количества железа и буферных свойств исходной воды. За полтора столетия существования технологии обезжелезивания воды было предложено и внедрено большое число методов удаления железа, все многообразие которых можно свести к двум основным типам: реагентные и безреагентные (физические).

Из применяемых в настоящее время методов обезжелезивания воды перспективными являются:

Безреагентные методы:

1) упрощенная аэрация (и фильтрование);

2) глубокая аэрация (с последующим отстаиванием и фильтрованием);

3) «сухая фильтрация»;

4) фильтрование на каркасных фильтрах;

5) электрокоагуляция;

6) двойная аэрация, обработка в слое взвешенного осадка и фильтрование;

7) фильтрование в подземных условиях с предварительной подачей в пласт окисленной воды;

8) аэрация и двухступенчатое фильтрование.

Реагентные методы:

1) упрощенная аэрация, окисление, фильтрование;

2) напорная флотация с известкованием и последующим фильтрованием;

3) известкование, отстаивание в тонкослойном отстойнике и фильтрование;

4) аэрация, окисление, известкование, коагулирование, флокулирование с последующим отстаиванием или обработкой в слое взвешенного осадка и фильтрование;

5) фильтрование через модифицированную загрузку;

6) катионирование.

Обезжелезивание поверхностных вод можно осуществить лишь реагентными методами, а для удаления железа из подземных вод наибольшее распространение получили безреагентные методы, в частности метод глубокой аэрации, который широко применяется как в нашей стране, так и за рубежом. Из реагентных методов наиболее распространен метод коагулирования сульфатом алюминия с предварительным хлорированием, а иногда и известкованием с последующим отстаиванием.

Многообразие методов обезжелезивания воды исключает их равноценность в отношении надежности, технологичности, экономической целесообразности, простоты, области применения и т.п. Степень изученности того или иного метода различна. Наиболее глубоким и всеобъемлющим исследованиям были подвергнуты методы глубокой аэрации, упрощенной аэрации, коагуляции и известкования. Остальные методы по разным причинам имеют ограниченное применение или недостаточно изучены для широкого внедрения в практику [13].

В литературе [11] есть данные о применении для обезжелезивания воды специального «черного» песка. Этот песок состоит из минерала пиролюзита MnO₂ и обладает способностью при фильтровании через него быстро и эффективно очищать воду от двухвалентного железа. Пиролюзит можно заменить более доступной фильтрующей загрузкой, полученной искусственным путем.

Сущность этого метода заключается в предварительном формировании на поверхности зерен фильтрующей загрузки (кварцевый песок, керамзит и др.) каталитической пленки, состоящей в основном из оксида марганца MnO₂.

При фильтровании воды оксид марганца (IV) окисляет двухвалентное железо, восстанавливаясь при этом до низших степеней окисления, а затем вновь окисляется растворенным в воде кислородом или другим окислителем при регенерации.

Процесс можно описать следующими реакциями:

4Fe(HCO₃)₂+3MnO₂ +10H₂O> 4 Fe(OH)₃ +MnO + Mn₂O₃ + 8 H₂O + 8CO₂^ (3)

3 MnO + 2KMnO₄ + H₂O > 5 MnO₂ + 2KOH (4)

3 Mn₂O₃ + 2KMnO₄ + H₂O > 8 MnO₂ + 2KOH (5)

Каталитическое действие оксида марганца столь велико, что процесс окисления железа (II) завершается в слое загрузки толщиной 10-15 см при фильтровании обезжелезиваемой воды со скоростью 10 м/час. Таким образом, на поверхности пленки происходит окисление железа (II), адсорбция его ионов и мельчайших агрегатов гидроксида железа (III).

По мере фильтрования все новых и новых порций воды в составе пленки уменьшается содержание оксида MnO₂ и растет количество оксида Mn₂O₃. Окислительная способность пленки иссякает при преобладании в ее составе оксида Mn