<<
>>

Соединения железа в природных водах

Многие природные воды содержат железо в концентрациях более высоких, чем предусмотрено стандартами ряда стран. Например, в табл. 5.3, в которой приведен элементный состав подмосковной артезианской воды, концентрация железа в отдельных пробах превышала значения ПДК в 3 — 19 раз.

Следует учесть, что при транспортировке воды по трубопроводам концентрация железа многократно увеличивается за счет попадания в воду продуктов коррозии. Железо отнесено к разряду токсичных элементов. Различные организации, и страны устанавливают жесткие стандарты на содержание железа в воде (табл. 5.5).

Таблица 5.5. Предельно допустимые концентрации железа (мг/л) в природной питьевой воде по стандартам ряда стран и организаций

ВОЗ

U.S.EPA

ЕС

СанПин

ПДК (рыбохоз.)

0,3

0,3

0,2

0,3

0,1

Примечания: ВОЗ — Всемирная организация здравоохранения; U.S.EPA — Агентство по охране окружающей среды США (U.S. Environments Protection Agency); ЕС — Европейское сообщество (European Community, ЕС).

Таким образом, для того чтобы обеспечить выполнение экологических стандартов, требуется проводить очистку природной воды от соединений железа.

Одной из причин, обусловливающих сложность решения этой проблемы, является многообразие форм существования соединений железа в природной воде как по химическому составу, так и по агрегатному состоянию.

По химическому составу следует различать: двухвалентное железо (Fe2+) и его соединения в виде солей и гидроксидов; трехвалентное железо (Fe3+) в виде солей и гидроксидов; химические соединения, в состав которых железо входит в виде аниона (FeO^); органические соединения железа — комплексы, которые ионы железа образуют с органическими веществами, находящимися в воде (гуминовые кислоты, танины, лигнин и т.д.); бактериальное железо, которое входит в состав особого вида бактерий.

По агрегатному состоянию железо может присутствовать в воде: в виде растворенных соединений; в составе неорганической взвеси (в основном гидроксидов); в форме коллоидных растворов.

Трехвалентное железо присутствует в поверхностных водах в форме неорганических солей и органических коллоидов. Количество оксидного железа редко превышает несколько миллиграммов на литр. При достижении концентрации 4,2 —4,5 мг/л появляются коллоидные растворы, а при концентрации более 6,0 мг/л образуются взвешенные частицы.

Закисное железо в природных водах встречается обычно в ионной форме и в концентрациях более высоких, чем оксидное железо. Его содержание в природных водах может достигать нескольких десятков миллиграммов на литр, а в кислых водах — десятков миллиграммов на литр.

В промышленности используют несколько методов очистки воды от соединений железа: фильтрация, мембранные методы, ионный обмен, реагентные (химические) методы в зависимости от формы его существования в растворе.

Железо, которое находится в коллоидном состоянии, удаляют путем коагуляции, флокуляции или фильтрации. Для удаления железа в составе комплексного соединения (диспергированное состояние) предварительно проводят окисление и разрушение комплекса.

Реагентные методы обработки связаны с окислением двухвалентного железа и используют в качестве окислителей кислород воздуха, хлор или озон. Частицы окисленного железа имеют малый размер и долго осаждаются, поэтому необходимо применение коагулянтов. Химические методы обработки характеризуются сложностью, высокой стоимостью и экологически опасны. Хлор и озон — токсичные газы. Применение кислорода в качестве окислителя не всегда возможно. Поэтому для вод, содержащих повышенные концентрации железа, важно определение условий проведения реагентной обработки.

Одним из путей для решения этого вопроса может быть использование диаграммы Пурбе.

Бельгийский ученый Пурбе предложил метод изучения равновесий в системах элемент-вода.

Суть метода состоит в исследовании всех возможных реакций в системе и представлении полученных результатов в виде табличных данных или графических зависимостей в координатах рЕ — pH (диаграмм Пурбе).

На рис. 5.3 приведена диаграмма Пурбе, полученная при исследовании состава соединений железа в воде при осаждении его гидроксидных форм при общем содержании железа 2 • 10-4 М. Как видно из рисунка, форма существования соединений железа определяется величинами окислительно-восстановительного потенциала рЕ (ОВП) и pH. Окислительно-восстановительный потенциал является мерой химической активности элементов или их

Рис. 5.3. Диаграмма Пурбе для определения состава соединений железа

в воде

соединений в обратимых химических процессах, связанных с изменением зарядов ионов в растворе. Значение ОВП представляет собой -log числа электронов, участвующих в обмене в ходе окислительно-восстановительной реакции.

В природных водах значение потенциалов чаще всего колеблется от -400 до +700 мВ, что определяется совокупностью происходящих в ней окислительных и восстановительных процессов. Значение ОВП более +(100— 150) мВ указывает на присутствие в воде свободного кислорода, а также ряда элементов в высшей форме окисленности (например, Fe3+). Эта ситуация наиболее часто наблюдается в поверхностных природных водах. При значениях ОВП от 0 до +100 мВ отмечается неустойчивый гидрохимический режим. В этих условиях протекает как слабое окисление, так и слабое восстановление ряда металлов. Если ОВП lt; 0, то водная среда является восстановительной. Она типична для подземных вод, где присутствуют металлы низкой валентности (например, Fe2+).

Диаграмма состоит из областей, отделенных кривыми равновесия, называемых областями преобладания того или иного устойчивого соединения. Точкам, лежащим в той или иной области, отвечает одна из термодинамически устойчивых фаз.

Штриховые линии обозначают границы устойчивости воды. Выше верхней штриховой линии происходит разложение воды с образованием кислорода, ниже нижней штриховой линии — разложение воды с выделением водорода.

В областях диаграммы, расположенных между штриховыми линиями, возможно осуществление различных реакций с участием ионов железа.

Рассмотрим более подробно диаграмму Пурбе. Ионы Fe2+ могут существовать в широком диапазоне pH от 2 до 10,5 и значениях ОВП от +0,77 до -0,5 В. При низких значениях ОВП Fe2+ могут восстанавливаться до металлического железа. При ОВП gt; +0,77 В Fe2+ окисляется. Продукт окисления определяется значением pH: при pH lt; 3 ион Fe2' переходит в ион Fe3+, при 3 lt; pH lt; 10,5 — в гидратированные формы трехвалентного железа Fe(OH)2+, Fe(OH)2 и Fe(OH)+. Переход двухвалентного железа в трехвалентный ион железа возможен только в кислых растворах. Для большинства природных вод такое значение pH не характерно.

Примечательно, что непосредственного окисления Fe2+ в Fe(OH)3 не происходит. Образование гидроксида железа протекает через ряд последовательных реакций. Промежуточные продукты окисления могут переходить в устойчивые формы сложных оксидно-гидроксидных соединений. Эти соединения осаждаются на поверхности смол и забивают поры мембран. Они мало растворимы и инертны в химическом отношении. С этим связаны трудности проведения очистки воды от соединений железа методом ионного обмена.

При pH lt; 3 возможна очистка воды от железа на ионообменных смолах. В этих условиях не образуется твердых осадков, основная масса железа находится в виде ионов, что обусловливает высокую степень сорбции и очистки. Однако на практике при этих условиях трудно реализовать выбор ионообменной смолы.

В области pH 3 — 6 особенно важно значение ОВП. По мере повышения значений pH окислительный потенциал уменьшается и становится соизмеримым со значениями, которые наблюдают в естественных условиях в природных водах.

В правой части диаграммы при высоких значениях pH находится область ОВП, которая часто реализуется на практике и где возможно образование гидроксида трехвалентного железа.

Эта область наиболее удобна для проведения реагентной очистки. При этом необходимо контролировать значения pH и ОВП.

Традиционно на практике осаждение железа проводят путем окисления двухвалентного железа с применением окислителей. В этом случае повышают значение окислительного потенциала, т.е. переводят процесс в верхнюю часть диаграммы, не изменяя значения pH. В качестве окислителей используют кислород, озон или хлор.

Процесс осаждения железа можно проводить без применения окислителей за счет повышения pH. При этом должен образовы-

Рис. 5.4. Зависимость содержания железа от pH воды (20 °С) в пробах

воды:

1 — г. Фрязино; 2 — г. Электросталь; 3 — р. Печоры

ваться гидроксид трехвалетного железа. Дополнительным стимулом для смещения реакций в сторону образования гидроксида трехвалентного железа является образование твердой фазы. Известно существенное различие в растворимости соединений Fe2+ и Fe3+ (см. табл. 5.10). Например, при pH 10 остаточная концентрация Fe2+ будет составлять 10~2 мг/л, a Fe3+— около 10“17 мг/л.

На рис. 5.4 приведены экспериментальные данные, полученные при проведении процесса безокислительного осаждения железа в природных водах подземных источников г. Электросталь и г. Фрязино Московской области и поверхностного источника — воды р. Печоры.

Экспериментальная проверка безокислительного метода очистки воды от железа показала, что процесс необходимо вести в присутствии флокулянта для увеличения скорости осаждения твердой фазы.

Можно констатировать, что полностью очистить воду от соединений железа не удалось. Однако остаточная концентрация железа была получена на уровне 0,05 — 0,08 мг/л, что удовлетворяет требованиям экологической безопасности. 

<< | >>
Источник: Семенова И. В.. Промышленная экология : учеб, пособие для студ. высш. учеб, заведений. 2009

Еще по теме Соединения железа в природных водах:

  1. 3.2. Природные ресурсы
  2. VI. 2.4. Вопросы качества вод суши
  3. Газообразные неорганические соединения и кислоты
  4. КАЛЬЦИЯ ФТОРИД ИЗ ФОСФАТСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД
  5. Экологическое воздействие предприятия на окружающую природную среду
  6. Кремнезём в природных водах
  7. § 1. Показатели качества природных вод
  8. Состав природных вод
  9. Соединения кремния в природных водах
  10. Соединения железа в природных водах
  11. Биологические составляющие воды
  12. Сточные воды энергетических предприятий
  13. Качество вод. 
  14. 6.2.1. Природные биогеохимические циклы химических элементов и их техногенное нарушение. 
  15. Природные источники тяжелых металлов и формы их нахождения в компонентах экосистемы
  16. СОСТАВЛЯЮЩИЕ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА