МБОУ «Гимназия№3»
НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ШКОЛЬНИКОВ
«ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУКУ»
Исследовательская работа:
«Влияние жесткости воды на затраты электроэнергии»
(Область физики)
Выполнила:
Камышева Екатерина
Ученица 10Б класса
Руководитель:
, учитель химии
г. Брянск 2014г.
Содержание
1. Введение……………………………………………………………………………3
2. Объект и предмет исследования………………………………………………….3
3. Цель, задачи, методы исследования……………………………………………3-4
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
5. Описание методики работы
5.1. Методика по определению жесткости…………………………………….6
6. Содержание практической части работы. Результаты исследований
6.1. Как жёсткость воды связана с геологическим строением территории Володарского района…………………………………………………………………7
6.2. Приготовление реактивов……………………………………………...…7-8
6.3. Выводы по результам лабораторных исследований…………................8-9
6.4. Влияние жесткости воды на затраты электроэнергии………………...9-10
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, из горводоканала и разных районов города
Предмет исследования:
· Образец №1 – водопроводная вода, взятая в гимназии №3
· Образец№2 – из котла школьной столовой
Образцы из районов города:
· Образец№1- Советский район
· Образец№2-Бежицкий район
· Образец№3- Фокинский район
Образцы взятые из горводоканала
· Образец№1-на входе в горводоканал
· Образец№2- на выходе из горводоканала
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 было изучено множество литературы 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.
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.
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. 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. Затраты на электроэнергию увеличиваются на 33 %,при толщине слоя 3мм 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
Катионирование.Метод основан на использовании ионообменной гранулированной загрузки (чаще всего ионообменные смолы). Такая загрузка при контакте с водой поглощает катионы солей жёсткости
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
6.1 Как жёсткость воды связана с геологическим строением территории Володарского района
Появление жесткости можно объяснить, изучая геологическое строение данной территории. Если рассматривать геологическое строение территории Володарского района можно увидеть, что территория сложена девонскими отложениями, имеющими широкое распространение на территории области.
На рисунке мы можем увидеть геологическое строение Брянщины, а именно Володарского района (он отмечен на карте точкой). Анализируя карту, можно сказать, что территория Володарского района сложена песками с фосфоритами, перекрытыми мелом, мергелем.
Действительно, в древнейшие времена территория области на северо-востоке была покрыта мелководным морем. Меловые отложения на территории Брянщины распространены повсеместно. Песчаные по составу почвы способствуют быстрому проникновению воды вглубь и частичному вымыванию, и растворению кальцийсодержащих минералов и горных пород. Это приводит к тому, что Ca выносится в глубинные подземные воды.
Источником ионов Ca и Mg являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. Известно, что вода в микрорайоне Новостройка подпитывается подземными водами. Действительно, по своему химическому составу она жесткая. Это мы объяснили с точки зрения геологического строения территории Володарского района.
6.2. 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.
Образцы(из гимназиии) | Жёсткость, мг-экв/л |
Образец №1 | 16,2 |
Образец № 2 | 10 |
Образцы из районов | |
Образец№1(Советский район) | 8 |
Образец№2(Бежицкий район) | 6,5 |
Образец№3(Фокинский район) | 10 |
Образцы из горводоканала | |
Образец№1(на входе) | 10,7 |
Образец№2(на выходе) | 9,1 |
6.3. Выводы по результам лабораторных исследований.
1. Вода в микрорайоне Новостройка Володарского района г. Брянска жесткая, превышает норму в 2,5 раза.
2. Жесткость устраняется кипячением. (Образец №2 - после кипячения).
3.Образцы №1,2,3 из районов г. Брянска взяты для сравнения, жесткость воды соответсвует норме. Вода в водопроводную сеть в этих районах поступает после очистки из р. Десна.
4. Пробы воды, взятые на входе и выходе станции обеззжелезивания, расположенной на территории Володарского района превышают нормы по жесткости в 1,5 раз.
5. Вода, пройдя по трубам в городскую сеть, насыщается солями жесткости
6.4. 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)
Стоимость израсходованной энергии вычисляют по формуле A=N ● t
Стоимость =тариф● А, где А – работа тока. Стоимость одного кВт – 2 р. 90 коп. (ноябрь – декабрь 2013 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 | 40,02 |
После чистки котла | 0,58 | 15 | 600 | 8,7 | 25,23 |
Затраты электроэнергии и денежных средств после чистки котла меньше, чем до чистки на 15рублей 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
1. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши, под ред. . Л., 1977
2. Унифицированные методы исследования качества вод. ч. 1. Методы химического анализа вод. кн. 1, 2, 3 изд.. М., 1977
3. , Аналитическая химия промышленных сточных вод. М., 1984. .
4. «Лабораторные опыты и практические работы по химии» (учебное пособие) – М., «Аквариум», 1997
5. Энциклопедия по экологии. – М., Аванта плюс, 2003.
