Очистка воды от
неорганических загрязнителей

9 класс

Предлагаемый урок – второй в цикле «Очистка воды». Первый урок проводится в 8-м классе под названием «Проблема очистки воды» (см.: «Химия», № 18/2003), а третий урок – в 10-м классе под названием «Очистка воды от органических загрязнителей».

В предлагаемом уроке три части:

1. Информационная часть (рассказывает учитель или подготовившийся ученик).
2. Практическая работа.
3. Выводы.

ХОД УРОКА

1. Информационная часть

Загрязненные воды, которые должны быть удалены с территории населенных мест и промышленных предприятий, называют сточными водами.
Вода, использованная потребителем и не требующая больших затрат на восстановление, регенерируется и снова подается потребителю. Это – оборотная вода.

Сточные воды (по происхождению) подразделяют на:

• хозяйственно-бытовые,
• промышленные,
• атмосферные.

В зависимости от степени загрязнения и предъявляемых санитарных требований сточные воды могут быть спущены в водоем либо сразу, либо после очистки (механической, химической, биологической).
Бытовые сточные воды образуются в результате приготовления пищи, мытья посуды, уборки помещений, функционирования санитарных узлов, прачечных и бань. Такая вода представляет неустойчивую полидисперсную систему, в которой содержатся растворенные частицы – от грубых до высокодисперсных (молекулы и ионы). Относительно постоянный состав имеют загрязнения растительного и животного происхождения. Все это – органические вещества.
К неорганическим загрязнениям относят песок, глину, частицы руды, шлак, мел, минеральные соли, масла. Бытовые сточные воды содержат микроорганизмы. Это могут быть бактерии, дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли, яйца гельминтов, вирусы.
Атмосферные сточные воды образуются в результате выпадения атмосферных осадков. К ним кроме дождевых относятся воды, образующиеся при таянии снега, полива улиц. Загрязнены эти воды органическими и минеральными веществами, содержащимися в атмосфере и на грунте.
Промышленные сточные воды образуются в результате деятельности производственных предприятий. Каждое производство имеет индивидуальные загрязнители.
Например, сточные воды гальванических цехов содержат цианиды, ионы меди и хрома. Концентрация загрязнителей редко бывает ниже 10 мг/л. Иногда, если перед промывкой изделия не дают стекать электролиту, концентрация возрастает до 1000 мг/л (смертельная доза цианидов щелочных металлов – 1 мг на 1 кг массы организма).
Сточные воды кожевенных заводов опасны тем, что могут содержать споры возбудителей сибирской язвы. Споры сибирской язвы отличаются исключительной приспособляемостью и сопротивлением по отношению к химическим и физическим воздействиям. Они переносят нагревание при 100 °С в течение длительного времени. Обычные дезинфицирующие вещества – хлор и его производные, формальдегид, сулема, кислоты – убивают споры только после очень длительного воздействия и в высокой концентрации обеззараживающего агента.
По степени загрязненности сточные воды кожевенного завода, образующиеся при выработке 1 т шкур, эквивалентны бытовым водам населенного пункта с 5000 жителей.
Эти два примера показывают, что сточные воды промышленных предприятий многообразны по химическому составу и способы их очистки различны.
Стандартная схема очистных сооружений изображена на рис. 1. (Ребята уже видели эту схему в 8-м классе.)

Рис. 1. Очистные сооружения

Пояснения к  схеме

Осаждение фосфатов. Присутствие в сточных водах соединений фосфора способствует росту бактерий, что приводит к помутнению воды. Обычно сточные воды содержат 1,5–3,7 г фосфора в пересчете на одного человека в сутки. При обычной обработке эти примеси не удаляются. Одним из методов удаления фосфатов является их коагуляция соединениями алюминия и кальция. При этом протекают следующие реакции:

Аl(ОН)₃ + + 3Н⁺ + 4NаОН = NаАlО₂ + Nа₃РО₄ + 5Н₂О,

2Na₃PO₄ + 3СаСl₂ = Са₃(РО₄)₂ + 6NaCl.

Выпадающий фосфат кальция удаляют фильтрованием.
Удаление азота. В сточных водах содержится много связанного азота. Как и фосфаты, соединения азота ускоряют рост водорослей. Аммиак удаляется из сточных вод аэрацией (удается извлечь до 92% аммиака). Для очистки от нитратов применяют коагуляцию соединениями железа и известью с последующей фильтрацией осадков либо адсорбцию ионообменными смолами.
Бактериальные фильтры и водоросли для очистки от органических веществ. В фильтрах используют следующие бактерии: Proteus № 9, Saccharomyces Torulopsis (Candida Utilis), Trichosporan, Pseudomonas № 14, Rhodoturola. Обычно применяют смесь бактериальных фильтров, нанесенных на керамзит.
При очистке воды эффективны также водоросли, поглощающие из воды органические вещества: Ankystrodesmus, Pharmidium, Pediastrum.
Принцип очистки водорослями состоит в использовании питательных веществ, находящихся в сточных водах. Водоросли собирают с поверхности водоема и удаляют. Очищенная таким образом вода соответствует по своему качеству стандартам на питьевую воду.

Стерилизация. В сточных водах, прошедших очистку, могут содержаться дизентерийные бактерии, палочки Коха (возбудители туберкулеза, холеры), бациллы тифа и лихорадки, вирусы гепатита, полиомиелита, аденовирусы (глазные инфекции). Известно, что бактерии очень чувствительны к стерилизации, а вирусы очень стойки к действию окислителей.
Способы стерилизации: а) хлорирование; б) озонирование; в) ультрафиолетовое облучение;
г) электролиз (анод из Аg).
Лучший способ уничтожения вирусов – дать воде отстояться перед очисткой, при этом вирусы погибают, т. к. являются пищей для микроорганизмов. В очищенной от микробов воде вирусы могут жить долгое время.
Новые биологические методы очистки надо применять с учетом печального опыта других стран, например Японии. С загрязнением воды связана болезнь Минамата. В 1950-х гг. предприятие по переработке руды сбрасывало отходы, содержащие ртуть, в воды залива Минамата. В результате поглощения бактериями соединения ртути (СН₃)₂Hg (диметилртуть) получилась пищевая цепь: диметилртуть бактерии рыбы с содержанием ртути до 50 мг/г человек. Люди, питаясь рыбой, получали сильнейшие отравления. С 1955 по 1959 г. каждый третий ребенок рождался с психическими и физическими аномалиями. Рыбный промысел в заливе до сих пор запрещен. Полагают, что на дне залива находится около 600 т ртути. Это пример загрязнения и кумуляции ртути по цепи питания.

Методы очистки промышленных сточных вод

Промышленные сточные воды очищать гораздо сложнее, т. к. они содержат большее количество примесей, подавляющих рост бактерий. А ведь именно бактерии осуществляют процесс биологического распада в естественных условиях.Методы, применяемые для очистки
промышленных сточных вод те же, что и при очистке от бытовых загрязнителей: коагуляция, фильтрация, осаждение, биохимические методы. Однако при удалении отдельных веществ возникают особые трудности. К числу таких веществ относятся металлы, их соли, долгоживущие радиоактивные изотопы (рис. 2).

Очистка воды от ионов металлов

Ионы металлов Cr, Hg, Pb, Be весьма токсичны, поэтому необходимо удалять даже их следовые количества.
Осаждение. Основной принцип состоит в подборе реагентов, способных образовать нерастворяемые соли металлов. Для характеристики растворимости солей используют постоянную величину, называемую произведением растворимости (ПР). Произведение концентраций ионов малорастворимой соли в насыщенном при данной температуре растворе есть величина постоянная. Например, для соли A⁺B^– ПР = [A⁺]•[B^–], где концентрации ионов [A⁺] и [B^–] измеряются в моль/л.
Значения ПР при 10 °С для некоторых солей таковы:

Для более полного осаждения катиона A⁺ добавляют избыток аниона B^–.
Ионный обмен – с помощью катионитов можно удалить большинство металлов (Cd, Сu, Zn, Нg, Сr, Pb). Если концентрация металла мала, ионный обмен объединяют с методом осаждения.

Очистка воды от органических веществ
и растворов солей

Большинство органических веществ в растворах окисляют сильными окислителями до СО₂ и Н₂О, оксидов серы и азота. Сложные вещества, имеющие активные группы, удаляют адсорбцией активированным углем и кремнеземом. Для удаления масел и красок используют электрический ток. При пропускании тока образуется водород, который увлекает эти вещества на поверхность, где их легко собрать.

Очистка от радиоактивных отходов

Короткоживущие изотопы – вещества, их содержащие, концентрируют, оставляют на хранение под водой или в шахтах, чтобы активность упала до нуля.
Среднеживущие изотопы. Например, ⁹⁰Sr имеет период полураспада 23 года. Раствор, содержащий ⁹⁰Sr, концентрируют, а затем помещают в цилиндрические бочки, изготовленные из прочной нержавеющей стали. Бочки сбрасывают в океан на глубину 10 км. Подсчитано, что при медленном разрушении бочек только через 1000 лет содержимое бочки появится на поверхности океана. К тому времени изотопы распадутся и станут неопасными.
Долгоживущие радиоактивные отходы – на практике сбрасывают в открытый океан (метод бесконечного разбавления).

2. Практическая работа

Оборудование и реактивы. Колбы, воронки, фильтры, таблицы с произведениями растворимости; водопроводная вода с растворенной в ней солью (например, нитрат свинца, хлорид железа(III), хлорид цинка), взвесь глины в этой же воде.
Цель работы. Убрать два вида загрязнений: взвесь глины и ионы свинца.

Ход работы

Работают бригады по четыре человека. Задания у бригад могут повторяться, что позволяет посмотреть на разные решения и обсудить достоинства каждого.
На столе у преподавателя выставлены соли натрия (хлорид, сульфид, карбонат, сульфат) и щелочь (едкий натр). Каждая бригада составляет свой план решения и выбирает, каким реактивом будет осаждать катион.

Решение первой бригады

1. Профильтровали раствор, чтобы удалить взвесь глины.
2. Осадили ион свинца сульфид-ионом (ПР(PbS) = 1•10^–29).
3. Профильтровали, чтобы удалить осадок PbS.
Сделали вывод: в профильтрованной воде находятся анионы (нитрат, сульфид) и катионы натрия.

Решение второй бригады

1. Дали воде отстояться.
2. Слили чистый раствор так, что взвесь осталась на дне.
3. Осадили ион свинца хлорид-ионом (ПР(PbCl₂) = 1,7•10^–5).
4. Профильтровали, чтобы избавиться от осадка PbCl₂.
Сделали вывод: в профильтрованной воде находятся анионы (нитрат, хлорид) и катионы натрия.

Обсуждение

Первая бригада объясняет выбор реактива для нитрата свинца(II) (сульфид натрия): поскольку у сульфида свинца(II) очень малое значение ПР, то произойдет наиболее полное осаждение ионов свинца.
Вторая бригада объясняет свой ход очистки: отстаивание – наиболее дешевый способ удаления частиц глины, использование в качестве осаждающего реагента хлорида натрия безопасно для дальнейшей очистки воды, ведь воду потом на очистительных станциях очищают и от анионов.

Нужно учить детей рассуждать. Может быть, второй способ менее эффективен с точки зрения решения проблемы. Но ученики из второй бригады рассмотрели проблему шире. Они нашли экономичное решение на первом этапе. На втором этапе при очистке от катионов свинца они думают: а как дальше очищать воду, если вводить небезопасный для здоровья сульфид-анион?
Обязательно надо обсудить оба способа решения и отметить достоинства каждого.
При очистке от ионов железа и цинка порядок действий аналогичный.

3. Выводы

На примере очистки бытовых и промышленных сточных вод можно сделать следующее заключение.
Чистая вода – самая большая драгоценность в мире. К ней надо бережно относиться и понимать, что какую воду ты пьешь, такое имеешь здоровье.
Для сохранения водных богатств нужно создавать замкнутые циклы производства, когда вода используется многократно. Примером удачного использования оборотных вод в автохозяйстве служит замкнутая система «Кристалл». В ней использованная вода мойки автомашин подается на
вибрационные фильтры, где очищается от грубых взвесей и песка. Затем она поступает в фильтровальные колонны, заполненные синтетическим материалом сипроном, который поглощает нефтепродукты. Очищенная вода собирается в резервуары и вновь используется для мойки автомашин. Повторное использование доочищенных сточных вод в 20–25 раз снижает потребность в свежей воде и уменьшает сброс сточных вод в водоемы (рис. 3).

Рациональному использованию воды способствует объединение мелких предприятий в крупные производственные комплексы, где отходы одних могут служить сырьем для других. В таком случае не только сводится до минимума химическое загрязнение, но и повышается эффективность использования природных ресурсов. Пример производственного комплекса, на котором из апатитов получают соединения фосфора и фтора, из бокситов – алюминий, а из нефти – топливо и продукты оргсинтеза, изображен на рис. 4.

Новые возможности в области очистки вод предоставляют биологические методы. Некоторые микроорганизмы обладают способностью перерабатывать сложные соединения в простейшие вещества, накапливать металлы, радиоактивные отходы, делать растворимыми сульфиды никеля, урана, меди, создавая условия для извлечения этих металлов путем электролиза.

ЛИТЕРАТУРА

Возная Н.Ф. Химия воды и микробиология. М.: Высшая школа, 1979;
Чернова Н.М., Галушкин В.М., Константинов В.М. Основы экологии. Учебник для 10–11 классов. М.: Дрофа, 1999;
Мамедов Н.М., Суравегина И.Т., Глазачев С.Н. Основы общей экологии. М.: МДС, 1998; Химия окружающей среды. Под ред. Дж.О.М.Бокриса. М.: Химия, 1982;
Бабич Л.В., Балезин С.А., Гликина Ф.Б. и др. Практикум по неорганической химии.
М.: Просвещение, 1983.

М.А.АЛЕКСАНДРОВА,
учитель химии школы № 81
(Москва)