вернуться к статьям

Методы обезжелезивания воды

05 июня 2007

Повышенное содержание железа в воде придает ей буроватую окраску, характерный металлический привкус, вызывает зарастание водопроводных сетей и, что самое важное, вредно для здоровья человека. При продолжительном потреблении воды с повышенным содержанием железа, избыток его накапливается в печени, вызывая со временем ее разрушение.

В поверхностных водах железо чаще всего присутствует в виде органических (фульваты, гуматы) и минеральных комплексных соединений, либо в коллоидной форме. В подземных водах железо представлено в основном бикарбонатом железа (II), в меньшей степени сульфидами, карбонатами и сульфатами. Одной из основных форм существования железа в воде является также коллоидный гидроксид железа. Количество коллоидного гидроксида железа зависит от наличия в воде гумусовых веществ, которые способствуют устойчивости гидроксидной формы. Железо может переведено из этого комплекса в осадок двумя путями: [list] естественным – при участии бактерий, разрушающих органическое вещество искусственным – с помощью сильных окислителей, уничтожающих защитные коллоиды гумусовых веществ.

Многообразие форм и концентраций железа, встречающихся в природных водах, вызвало необходимость разработки целого ряда методов и технологических схем обезжелезивания воды.

[h2]Безреагентные методы обезжелезивания

Эти методы могут быть применены, когда исходная вода характеризуется: рН – не менее 6,7; щелочностью – не менее 1 мг-экв/л; перманганатная окисляемость – не более 7 мг О[sub]2[/sub]/л. По стехиометрии на окисление 1 мг железа (II) расходуется 0,143 мг растворенного в воде кислорода, щелочность воды при этом снижается на 0,036 мг-экв/л. Метод окисления железа путем упрощенной аэрации основан на способности воды, содержащей двухвалентное железо и растворенный кислород, при фильтровании через зернистый слой железо осаждается на поверхности зерен, образуя каталитическую пленку из ионов и оксидов двух- и трехвалентного железа.

4Fe[sub]2[/sub]+ + O[sub]2[/sub] + 8HCO[sub]3[/sub]- +2H[sub]2[/sub]O =4Fe(OH)[sub]3[/sub] + 8CO[sub]2[/sub]

Эта пленка, ускоряет процесс окисления и осаждения железа из воды. В самом начале процесса обезжелезивания при поступлении на фильтр первых порций воды, когда загрузка еще чистая, адсорбция соединений железа на ее поверхности происходит в мономолекулярном слое т.е имеет место физическая адсорбция. После образования мономолекулярного слоя процесс выделения соединений железа на зернах песка не прекращается, а наоборот, усиливается, вследствие того, что образовавшийся монослой химически более активен, чем чистая поверхность загрузки. Пленка представляет собой очень сильный адсорбент губчатой структуры. Одновременно, она же является катализатором окисления поступающего в загрузку железа (II). В связи с этим эффект очистки воды зернистым слоем несравненно выше, чем это могло бы быть в гомогенном слое.

[h2]Реагентные методы обезжелезивания

Дозирование хлора или перманганата калия применяется при низких значениях рН, высокой окисляемости, нестабильности воды. По стехиометрии на окисление 1 мг железа (II) расходуется 0,64 мг хлора; щелочность воды при этом снижается на 0,018 мг-экв/л. Реакция окисления протекает по следующему уравнению:

2Fe[sub]2[/sub]+ +Cl[sub]2[/sub] + 6HCO[sub]3[/sub]- = 2Fe(OH)[sub]3[/sub] +2Cl- + 6CO[sub]2[/sub]

При обработке воды перманганатом калия реакция окисления и последующего гидролиза протекает по уравнению:

4Fe[sub]2[/sub]+ + MnO[sub]4[/sub]- + 8HCO[sub]3[/sub]- +2H[sub]2[/sub]O =4Fe(OH)[sub]3[/sub] + MnO[sub]2[/sub] + 8CO[sub]2[/sub]

По стехиометрии на окислении 1 мг железа(II) расходуется 0,71 мг перманганата калия; щелочность воды при этом уменьшается на 0,036мг-экв/л. Сам метод заключается в пропорциональном дозировании того или иного реагента в воду и осаждении, выпадающих в осадок (окисленных) соединений железа, на осадочном фильтре или фильтре обезжелезивания со специальной загрузкой.

Обезжелезивание воды на марганцевом песке. Для быстрого окисления железа (II), даже при низких значениях рН, применяют загрузку с нанесенным на нее катализатором. В качестве катализатора чаще всего используют оксиды марганца в высших степенях окисления, которые в виде пленки покрывают зерна загрузки. Процесс окисления железа (II) высшими оксидами марганца, которые при этом восстанавливаются до низших ступеней окисления, а затем вновь окисляются перманганатом калия, при промывке загрузки. Эти процессы описываются уравнениями:

4Fe(HCO[sub]3[/sub])[sub]2[/sub] +3MnO[sub]2[/sub] +2H[sub]2[/sub]O =4Fe(OH)[sub]3[/sub] + MnO + Mn[sub]2[/sub]O[sub]3[/sub] + 8CO[sub]2[/sub] 3MnO + 2KMnO[sub]4[/sub] +H[sub]2[/sub]O = 5MnO[sub]2[/sub] + 2KOH 3Mn[sub]2[/sub]O[sub]3[/sub] + 2KMnO[sub]4[/sub] +H[sub]2[/sub]O = 8MnO[sub]2[/sub] + 2KOH

[h2]Деманганация воды

Наиболее эффективным и технологически простым методом удаления марганца из вод поверхностных и подземных источников в настоящее время является - обработка их перманганатом калия.

3Mn[sub]2[/sub]+ + 2MnO[sub]4[/sub]- + 2H[sub]2[/sub]O = MnO[sub]2[/sub] + 4H+

Очень важным аспектом применения перманганата калия для очистки воды от марганца является образование дисперсного осадка оксида марганца MnO[sub]2[/sub], который, имея большую удельную поверхность порядка 300 м[sup]2[/sup]/г, является эффективным сорбентом. В водах с повышенным содержанием органических веществ железо и марганец образуют устойчивые органические соединения (комплексы), медленно и трудно удаляемые при обычной обработке хлором. Применение перманганата калия, сильного окислителя, позволяет разрушить эти комплексы с дальнейшим окислением ионов марганца (II) и железа (II) и коагуляцией продуктов окисления. Кроме того, коллоидные частички гидроксида марганца Mn(OH)[sub]4[/sub] в интервале рН=5….11 имеют заряд, противоположный зарядам коллоидов коагулянтов Fe(OH)[sub]3[/sub] поэтому добавление перманганата калия в воду интенсифицирует процесс коагуляции. На удаление 1 мг Mn(II) расходуется 1,88 мг. KMnO[sub]4[/sub]. Таким образом, перманганат калия, оказывая совокупное действие как окислителя, сорбента и вспомогательного средства коагуляции, является высокоэффективным реагентом для очистки воды от целого ряда загрязнений, в том числе и от марганца.

Использование катализаторов окисления марганца. Установлено, что предварительно осаженные на поверхности зерен фильтрующей загрузки оксиды марганца оказывают каталитическое влияние на процесс окисления иона марганца (II) растворенным в воде кислородом. При фильтровании аэрированной и подщелоченной воды, содержащей марганец, через песчаную загрузку по прошествии некоторого времени на поверхности зерен песка образуется слой, состоящий из отрицательно заряженного осадка гидрокисида марганца Mn[sub]2[/sub]O[sub]3[/sub], который адсорбирует положительно заряженные ионы марганца (II). Гидролизируясь, эти ионы реагируют с осадком Mn(OH)[sub]4[/sub], образуя хорошо окисляемый полутораоксид Mn[sub]2[/sub]O[sub]3[/sub] по реакциям:

Mn(OH)[sub]4[/sub] + Mn(OH)[sub]2[/sub] = Mn[sub]2[/sub]O[sub]3[/sub] + 3H[sub]2[/sub]O 2Mn[sub]2[/sub]O[sub]3[/sub] + O[sub]2[/sub] + 8H[sub]2[/sub]O = Mn(OH)[sub]4[/sub]

Таким образом, в результате снова образуется гидроксид марганца (IV), который опять участвует в процессе окисления в качестве катализатора. Использование этого свойства оксидов марганца дало возможность применить в практике кондиционирования воды метод ее фильтрования через песок, зерна которого предварительно покрыты пленкой оксида марганца (так называемый «зеленый марганцевый песок»).