Научно-практическая конференция учащихся и педагогов
Первые шаги в науку
МБОУ «Гимназия№3»
Исследовательская работа по экологии:
«Влияние жесткости воды на затраты электроэнергии»
Выполнила:
Камышева Екатерина
Ученица 9В класса
Руководитель:
, учитель химии
г. Брянск 2012г.
Содержание
1. Введение……………………………………………………………………………3
2. Объект и предмет исследования……………………………………………….....3
3. Цель, задачи, методы исследования……………………………………………...3
4. Обзор литературы по выбранной теме:
4.1. Что такое жесткая вода…………………………………………………......4
4.2. Виды жесткости…………………………………………………………….4-5
4.3. Происхождение жесткости……………………………………………........5
4.4. Влияние жёсткой воды на работу бытовых приборов ……………5-6
4.5. Способы устранения жесткости………………………………………..6-7
5. Описание методики работы
5.1. Методика по определению жесткости…………………………………….7
6. Содержание практической части работы. Результаты исследований
6.1. Приготовление реактивов………………………………………………7-8
6.2. Лабораторные исследования по определению жесткости…………........8
6.3. Влияние жесткости воды на затраты электроэнергии………………...8-10
7. Выводы……………………………………………………………………………..10
8. Список литературы..................................................................................................10
Приложение представлено в отдельном документе
Введение
Тема моей исследовательской работы: «Влияние жесткости воды на затраты электроэнергии». Объект изучения - водопроводная вода.
Гипотеза, выдвинутая мной - вода по своему химическому составу жёсткая. Жесткая вода негативно влияет на бытовые электроприборы, сокращая их срок службы, и вызывает дополнительные материальные затраты на электроэнергию.
Вода в микрорайоне Новостройка Володарского района г. Брянска жесткая.
Объект и предмет исследования
Объект исследования:
Образцы воды, взятые из гимназии №3
Предмет исследования:
· Образец №1 – водопроводная вода, взятая в гимназиии№3
· Образец№2 – с котла школьной столовой
Цель, задачи и методы исследования
Цель работы:
Выяснить влияние жесткости воды на работу электроприборов и на затраты электроэнергии.
Задачи:
· Изучить методики по определению жесткости воды
· Изучить нормативы на жесткость
· Проанализировать результаты и сделать выводы
Методы исследования:
· Наблюдение
· Химический эксперимент
4.Обзор литературы по выбранной теме
В ходе работы были изучены публикации отечественных и зарубежных авторов по проблемам жесткой воды, свойств жесткости воды, а также влияния жесткой воды.
4.1 Что такое жесткая вода?
Жесткостью воды называют соли кальция и магния, растворенные в воде. Источником этих солей являются не станции обеззараживания или котельные, а сама природа.
Жесткая вода - определенное свойство воды, которое связывают с растворенными в ней соединениями магния и кальция, то есть наличием в воде катионов этих элементов (при повышении температуры соли этих металлов выпадают в осадок и образуют весьма прочные отложения). Возникновением накипи мы «благодарны» именно жесткой воде.
Степень жесткости зависит от наличия в воде солей кальция и магния(соли жесткости) и измеряется в миллиграмм – эквивалент на литр(мг-экв/л).
Жесткость может создать проблемы: при принятии ванны, мытье посуды, стирке, мытье машины жесткая вода гораздо менее эффективна, чем мягкая.
Общую жесткость воды можно вычислить по формуле:
Жесткость воды во многом определяет пригодность воды для использования, как в промышленных, так и в бытовых целях.
4.2 Виды жесткости
Общая жесткость. Определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости.
Карбонатная жесткость. Обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8.3) кальция и магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния.
Некарбонатная жесткость. Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость).
4.3 Происхождение жесткости
Источником ионов кальция и магния являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Ионы кальция и магния поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с минералами и при других процессах растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов могут служить также микробиологические процессы, протекающие в почвах на площади водосбора, в донных отложениях, а также сточные воды различных предприятий.
Жесткость поверхностных вод меньше жесткости вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой. Морская и океанская вода имеют очень высокую жесткость (десятки и сотни мг-экв/дм3)
4.4. Влияние жесткой воды на работу бытовых приборов.
Жесткая вода несет проблемы. Оседая на стенках трубопровода, накипь вызывает коррозию и закупоривает его, снижая теплопроводность. 60% электроэнергии уходит на то, чтобы нагреть отложившуюся накипь. Теплопроводность извести в 20 раз меньше, чем стали. В результате образования известкового налета потери электроэнергии в системе центрального отопления могут составлять до 60%, а денежные затраты увеличиться до 30%. Чем толще слой накипи, тем выше затраты на электроэнергию.
Cлой накипи толщиной 1мм увеличивает сумму счетов за электроэнергию на 10%
Жесткая вода образует накипь в устройствах, таких как водонагреватель. Для сравнения, при толщине накипи на нагревательном элементе около 3 мм, затраты на электроэнергию увеличиваются на 33 %. Дополнительная энергия необходима для нагрева сначала самой накипи, а только потом самой воды.
Бытовая техника служит на четверть меньше срока.
Известковый налет сокращает срок эксплуатации бытовой техники на 25%.Средний срок службы посудомоечной машины составляет 12 лет, но из-за образования накипи он сокращается до 9 лет.
Используя фильтр, вода будет мягкой, а техника будет долго служить.
4.5. Способы устранения жесткости
Термоумягчение. Основан на кипячении воды, в результате термически нестойкие гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи:
Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + CO2 + H2O.
Кипячение устраняет только временную (карбонатную) жёсткость. Находит применение в быту.
Реагентное умягчение. Метод основан на добавлении в воду кальцинированной гашёной извести Ca(OH)2. При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и выпадают в осадок.
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O
Лучшим реагентом для устранения общей жесткости воды является ортофосфат натрия Na3PO4, входящий в состав большинства препаратов бытового и промышленного назначения:
3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + 6NaHCO3
3MgSO4 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓ + 3Na2SO4
Ортофосфаты кальция и магния очень плохо растворимы в воде, поэтому легко отделяются механическим фильтрованием.
Катионирование. Метод основан на использовании ионообменной гранулированной загрузки (чаще всего ионообменные смолы). Такая загрузка при контакте с водой поглощает катионы солей жёсткости (кальций и магний, железо и марганец).
Обратный осмос. Метод основан на прохождении воды через полупроницаемые мембраны.
Электродиализ. Основан на удалении из воды солей под действием электрического поля.
По статистике в городах жесткость воды считается средней, так как при повышенности ионов кальция и магния, трубы горячего водоснабжения покрываются слоем накипи.
5. Описание методики работы
5.1. Методика по определению жёсткости воды
В коническую колбу вносят 100 мл отфильтрованной испытуемой воды или меньший объём, разбавленный до 100 мл дистиллированной воды. Затем прибавляют 5 мл буферного раствора, 5-7 капель индикатора хромтёмно-синего или 0,1 г сухой смеси индикатора хромоген-чёрного с сухим хлористым натрием и сразу же титруют при сильном взбалтывании 0,05 н раствора трилона Б до изменения окраски (окраска должна быть синей с зеленоватым оттенком)
6. Содержание практической части работы.
Результат исследования
6.1. Приготовление реактивов
Реактивы для анализа
Трилон Б, аммоний хлористый, аммиак водный, 25%-й раствор, натрий хлористый, индикатор хромтёмно-синий, этиловый спирт
Отбор проб
1. Объём пробы воды для определения общей жёсткости должен быть не менее 250 мл
2. Если определение жёсткости не может быть проведено в день отбора пробы, то отмеренный объём воды, разбавленный дистиллированной водой 1:1, допускается оставлять для определения до следующего дня.
3. Пробы воды, предназначенные для определения общей жёсткости, не консервируются.
4. Нормативы общей жёсткости: не более 7,0 мг – экв/л (ГОСТ 2874-82.Вода питьевая).
Для выяснения влияния жёсткости воды на затраты электроэнергии, я провела 2 этапа исследований
I этап – проведение анализа на жесткость воды. Результаты эксперимента представлены в таблице №1
II этап – проведение замеров времени кипячения воды в котле столовой гимназии №3. Результаты эксперимента представлены в таблице №2.
6.2. Лабораторные исследования по определению жёсткости
Вода в гимназии и в микрорайоне Новостройка является жёсткой, так как превышает норму в 2,5 раза. Образец №2 взят из котла в школьной столовой после кипячения. В результате кипячения временная жёсткость устраняется.
Ca(HCO3) 2 (t0)→ CaCO3 ↓+ CO2+H2O
Однако на стенках котла оседает известковый налёт, который уменьшает теплопроводность.
6.3. Влияние жёсткости воды на затраты электроэнергии
-проведение замеров времени кипячения воды в котле столовой гимназии №3 до чистки котла и после чистки котла.
Воду в котле школьной столовой кипятят каждый день. После каждого кипячения на стенках котла образовывалась накипь, из-за которой время кипячения воды увеличивалось. Я заметила, что в чистом котле вода закипала быстрее, чем в котле с накипью.
Затраты электроэнергии и денежных средств (чистящие предметы) после чистки котла меньше, чем до чистки.
-расчёт затраты электроэнергии на кипячение воды в котле.
Зная мощность электрического котла и время, я рассчитала, какое количество электроэнергии затрачено на кипячение воды. (Объём воды был постоянным)
A=N ● t
Стоимость израсходованной энергии вычисляют по формуле
Стоимость =тариф● А, где А – работа тока. Стоимость одного кВт – 2 р. 55 коп. (ноябрь – декабрь 2012 г.)
Используя все данные, была составлена расчетная таблица №2
Время наблюдения | Время, ч | Мощность, кВт | Объём, л | Затрачено электроэнергии, кВт▪ч | Стоимость, руб. |
До чистки котла | 0,92 | 15 | 600 | 13,8 | 35,19 |
После чистки котла | 0,58 | 15 | 600 | 8,7 | 22,185 |
Затраты электроэнергии и денежных средств после чистки котла меньше, чем до чистки на 23рубля в день
-расчёт материальной затраты на приобретённые чистящие средства в столовой гимназии №3
В роли моющих средств, которыми чистят котлы в нашей гимназии, выступают «Пемолюкс» Цена одной упаковки около 40 руб. Её обычно хватает на 2 недели. Денежные затраты (5 лет) на моющие средства составят около 3164 руб.
7.Выводы
1.Жёсткая вода сильно влияет на затраты электроэнергии. После кипячения воды образуется накипь, которая требует лишних затрат времени на её нагревание. Накипь резко сокращает срок службы бытовых приборов.
2.Бытовая техника служит на четверть меньше срока из–за образовавшейся накипи. Для устранения накипи необходимо пользоваться чистящими средствами, что влечёт дополнительные материальные затраты.
3.Сэкономить электроэнергию, затраченную на кипячение жёсткой воды, позволит механическая очистка котлов, использование кальцинированной соды или фильтров для воды, а также комплексное устранение жёсткости воды в системе водозаборов и горводоканала.
8. Список литературы
- Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши, под ред. . Л., 1977
- Унифицированные методы исследования качества вод. ч. 1. Методы химического анализа вод. кн. 1, 2, 3 изд.. М., 1977
- , Аналитическая химия промышленных сточных вод. М., 1984. .
- «Лабораторные опыты и практические работы по химии» (учебное пособие) – М., «Аквариум», 1997
- Энциклопедия по экологии. – М., Аванта плюс, 2003.
Фотографии объектов исследования
до очистки котел
после чистки котел
чайник до очистки
Расчетные таблицы
Показатели по затратам электроэнергии для электрического чайника
Дата | Время | Мощность, кВт | Объём, л | Затрачено электроэнергии, Квт·ч | Стоимость, Руб. |
28.10.12 | 11 мин 35 с | 2 | 2 | 0,386 | 0,9843 |
30.10.12 | 11 мин 40 с | 2 | 2 | 0,388 | 0,9894 |
01.11.12 | 12 мин 10 с | 2 | 2 | 0,405 | 1,03275 |
02.11.12 | 12 мин 15 с | 2 | 2 | 0,408 | 1,0404 |
03.11.12 | 12 мин 25 с | 2 | 2 | 0,413 | 1,05315 |
04.11.12 | 12 мин 30 с | 2 | 2 | 0,416 | 0,3723 |
Показатели по затратам электроэнергии для электрического котла
Время наблюдения | Время | Мощность, кВт | Объём, л | Затрачено электроэнергии, Квт·ч | Стоимость, руб. |
Контрольный | 34 мин | 15 | 600 | 8,5 | 21,675 |
Начало недели | 35 мин | 15 | 600 | 8,75 | 22,3125 |
Конец недели | 39 мин | 15 | 600 | 9,75 | 24,8625 |
Начало недели | 36 мин | 15 | 600 | 9 | 22,95 |
Конец недели | 41 мин | 15 | 600 | 10,25 | 26,1375 |
Начало недели | 37 мин | 15 | 600 | 9,25 | 23,5875 |
