Способы удаления из воды железа и марганца.

Задание:

1. Составить конспект.

2. К темам 36–38 составить шесть (минимальный ответ) – девять контрольных вопросов. Составленные вопросы с ответами к ним прислать.

Методы удаления из воды железа сводятся к окислению двухвалентного железа в трехвалентное и осаждению его в виде гидроокиси железа (III).

Если железо содержится в воде в виде гидрокарбоната, то его можно удалить аэрацией. Эта соль, образованная слабой кислотой и слабым основанием, гидролизуется по уравнению

Fe (НСО₃)₂ + 2HOH═Fe (ОН)₂ + 2Н₂СО₃

H₂CО₃═H₂О + СО₂

Двуокись углерода удаляется дегазацией, поэтому процесс гид­ролиза можно довести до конца. Гидроокись железа (II) Fe(ОH)₂ при окислении кислородом воздуха переходит Fe(OH)₃ по уравне­нию

4Fe (ОН)₂ + 2Н₂О + О₂═4Fe (ОН)₃

Этим методом можно снизить концентрацию железа до 0,1—0,3 мг/л. Процессу осаждения железа мешает присутствие в воде гуминовых веществ, они являются защитными коллоидами по отноше­нию к гидроокиси железа (II). В этих случаях воду обрабатывают хлором. Последний окисляет железо (II) в железо (III) и разруша­ет гуминовые вещества.

Сернокислое железо удаляют известкованием:

FeSО₄ + Са (OH)₂═Fe (ОН)₂ + CaSО₄

и далее

4Fe (ОН)₂ + 2Н₂О + О₂═4Fe (ОН)₃

Также можно удалять железо, марганец и крем­ниевую кислоту смешанным коагулянтом, состоящим из алюмина­та натрия и хлорного железа (оптимальное молярное соотношение NaA1О₂ и FeCl₃ 1:1). Концентрация остающегося в воде железа не превышает 0,3 мг/л. Этим методом можно коагулировать железо, входящее в состав как органических, так и неорганических соеди­нений.

Еще одним из методов удаления железа является пропускание воды через взвешенный слой высокодисперсной суспензии мела и гидро­окиси алюминия. Соли железа переводятся мелом в карбонат желе­за:

FeSО₄ + CaCО₃→FeCО₃ + CaSО₄

который гидролизуется в гидроокись двухвалентного железа:

FeCО₃ + 2H2О═Fe (ОН)₂ + Н₂СО₃

затем двухвалентное железо окисляется в трехвалентное:

4Fe (ОН)₂ + 2Н₂О + О₂═4Fe (ОН)₃

Все реакции можно выразить одним суммарным уравнением

4СаСО₃ + 4FeSО₄ + 6Н₂О + О₂═4Fe (ОН)₃ + 4CaSО₄ + 4СО₂

Гидроокись железа (III) задерживается взвешенным фильтром, который содержит на 100 вес. ч. СаСО₃ 16 вес. ч. А1(ОН)₃. Ско­рость восходящего потока через взвешенный фильтр лежит в пре­делах от 0,15 до 0,48 мм/с. Этим методом удаляют до 95% находя­щегося в воде железа.

Ионы железа можно удалить из воды методом катионного об­мена. Например, при фильтровании воды через катионит кальция:

3CaR + Fe₂ (SО₄)₃ ═ Fe₂R₃ + 3CaSО₄

Этот метод дает снижение железа до 0,05 мг/л и ниже.

Метод окисления железа по зернистой нагрузке происходит при фильтровании воды через зернистый слой (без предварительного окисления железа). Этот процесс сопровождается образованием на загрузке пленки из гидрата окиси железа, которая играет роль катализатора. Следовательно, в основе очистки воды от железа мето­дом фильтрования лежит автокаталитический процесс.

Обезжелезивание воды подземных источников производят филь­трованием в сочетании с одним из способов предварительной обра­ботки воды: упрощенной аэрацией, аэрацией, введением реагентов-окислителей в сочетании с аэрацией или без нее.

Упрощенная аэрация осуществляется при высоте излива 0,5— 0,6 м над уровнем воды в фильтре. Ее рационально применять при содержании общего железа до 10 мг/л, в том числе закисного долж­но быть не менее 70%, так как в его отсутствие пленка на загрузке не образуется. Процессу обезжелезивания этим методом мешают се­роводород и углекислота, низкое значение pH, высокая окисляемость. Содержание кислорода должно быть оптимальным (для не­которых вод около 0,6 мг/л), так как излишек и недостаток его в воде ухудшают процесс обезжелезивания. При содержании в воде свободной углекислоты выше 50 мг/л железистая пленка на зернах загрузки не образуется, потому что все закисное железо будет на­ходиться в виде растворимой соли Fe(HCО₃)₂. Наличие в воде H₂S связывает растворенный в воде кислород, что также не способству­ет образованию пленки. При низком значении pH происходит быст­рое окисление двухвалентного железа в трехвалентное.

Исследования показали, что только присутствие закисного же­леза в воде, поступающей на фильтр, обеспечивает образование пленки и высокий эффект обезжелезивания. Например, если в воде все железо закисное, то пленка образуется через 5,5 суток, а если 64% от общего — через 12 суток, при отсутствии закисного железа она не образуется совсем.

Сущность методов удаления марганца из воды сводится к окислению двухвалентного иона в четырехвалентный. Этот процесс нельзя осуществить кислородом воздуха, для этого требуется более энергичный окислитель. Воду обрабатывают известью в присутст­вии пиролюзита или кварцевого песка с нанесенной пленкой МnО₂. Кислородом воздуха марганец в щелочной среде окисляется из че­тырехвалентного до шестивалентного, так как окислительный потен­циал превращения МnО₂ в МnО₄^2- равен 0,60 В, а у растворенного в воде кислорода он равен 0,83 В. Окислительный потенциал превращения Мn(ОН)₂ в МnО₂ в ще­лочной среде равен 0,05 В.

Марганец можно удалить окислением на фильтрах с пленкой МnО₂, полученной путем обработки сульфоугля 1,2—3%-ным раст­вором КМnО₄. Загрузка регенерируется 0,25%-ным раствором КмnО₄.

Текущие санитарные нормы ограничивают предельно допустимое содержание марганца в хозяйственной и питьевой воде – допустимая норма составляет 0,1 мг/л. В некоторых европейских странах требования еще жестче – до 0,05 мг/л. Если содержание элемента выше, страдают органолептические свойства воды, появляется неприятный привкус, на сантехнике образуются характерные пятна, а на трубах собирается осадок (он имеет вид черной пленки). В подземных водах элемент содержится в виде растворимых солей Mn2+. Чтобы очистить воду от марганца, его сначала нужно перевести окислением в нерастворимое состояние, после чего начнутся процессы гидролизации с образованием нерастворимых гидроксидов Mn(OH)3, Mn(OH)4. При осаждении на загрузке фильтра начинает проявлять каталитические свойства, ускоряя окисление двухвалентного марганца кислородом. Для эффективного окисления элемента кислородом нужно, чтобы значение рН воды, которая проходит очистку, находилось в районе 9.5-10.0. Перманганат калия, гипохлорит натрия или хлор, озон позволяют вести процессы демаганации при меньших показателях рН – например, 8.0-8.5. Для окисления 1 мг марганца, растворенного в воде, требуется около 0.291 мг кислорода.

Железо и марганец – самые распространенные загрязнители водных источников. Вода просачивается через грунтовые минеральные отложения и насыщается катионами данных металлов. Если норма железа превышается, то и содержание марганца часто оказывается критическим. Для исправления ситуации проводится деманганация (процесс удаления марганца из воды). Марганец, как и железо, может пребывать в двух состояниях – растворенном и окисленном. В подземных источниках кислорода нет, поэтому марганец содержится в них в растворенном виде. Для удаления его из воды в данном случае применяются те же методики, что при обезжелезивании. То есть сначала нужно будет окислить марганец, а затем уже убрать взвеси из воды.

Избыток марганца придает воде характерный желтый оттенок и вяжущий привкус. От такой воды на трубах и сантехнике появляются темные пятна и черные наросты. Но главное даже не это, а то, что постоянное употребление в пищу тяжелых металлов чревато очень неприятными последствиями (они склонны накапливаться). Негативно влияет избыток марганца на работу ЦНС, состояние сердечно-сосудистой системы и скелета. Во время беременности данный элемент особенно опасен, поскольку он сказывается на развитии ребенка.