Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СПОСОБА РЕДУЦИРОВАНИЯ ИОНОВ ПОЛИВАЛЕНТНЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ВОДНЫХ СРЕД

Федорова Е.А., Гудков А.А., Гейер Р.В., Плакина Н.Л.
Произведен выбор и разработаны технологии удаления ионов поливалентных металлов: железа Fe2+, Fe3+ и хрома Cr3+, Cr6+ из водных сред с реализацией полученных результатов при изготовлении локальных систем очистки сточных вод и бытовых водоочистителей
ионы поливалентных металлов
редуцирование
очистка водных сред
ions of polyvalent metals
reduction
clearing of water environments

По результатам объектного мониторинга природных вод г. Нижнего Новгорода и области за период 2005-2010 гг. установлено [1], что характерными загрязняющими веществами для водных объектов Нижегородской области остаются ионы поливалентных металлов (ИПМ): железа, хрома, меди, марганца и др. Отработанные растворы различных производств, содержащих ИПМ: Cu2+ Cu+, Fe2+, Fe3+, Cr3+, Cr6, подвергаются специальному обезвреживанию для удаления высокотоксичных компонентов, однако, накопление ряда ионов металлов в воде и донных отложениях природных водоемов Нижегородской области сохраняется с превышением ПДК разовыми концентрациями до 50-99 % [1].Увеличение антропогенной нагрузки, износ водоочистных сооружений и устаревшие коммуникации, часто являющиеся вторичными источниками загрязнений вод, также приводят к существенному снижению качества потребляемой воды. Отрицательное воздействие на организм человека могут оказывать и менее токсичные ИПМ, например, ионы железа Fe2+ и Fe3+, содержание которых в разных источниках водоснабжения значительно отличается как по форме соединений железа, так и по его суммарной концентрации.

Токсичность ионов поливалентных металлов в растворе часто зависит от степени их окисления, а сложность редуцирования из водных сред от форм соединений и  комплексов ИПМ с другими компонентами среды, поэтому целью данной работы явилось обоснование выбора способа извлечения ионов поливалентных металлов из природной, водопроводной и сточных вод в зависимости от природы и концентрации ИПМ в водной среде.

Обработке подвергались природная и водопроводная вода, содержащая ионы железа в формах Fe2+ и Fe3+ и в виде железо-органических комплексов, и производственные сточные воды, одновременно содержащие ионы Fe2+, Fe3+, Cr3+, Cr6+. Измерение массовой концентрации ионов железа Fe2+, Fe3+ в воде проведено фотоколориметрическим методом на приборе КФК-2 с орто-фенантролином согласно ГОСТ 4011-72 «Методы измерения массовой концентрации общего железа». Содержание ионов Cr3+ и Cr6+ в водных средах определялось на фотометре КФК-3 с добавлением соли железа (II).

Хромсодержащие стоки, содержащие высокотоксичные ионы хрома Cr6 (ПДК р/х = 0,02 мг/л), проявляющего канцерогенные и тетратогенные свойства, являются запрещенными к сбросу в природные водоемы. Это требует их обезвреживания, заключающегося, как правило, в восстановлении ионов хрома Cr6+ в менее токсичную  форму Cr3+ с ПДК р/х = 0,07 мг/л. Нами разработан [2,3] комплексный способ редуцирования ионов Fe2+, Fe3+, Cr3+, Cr6+ при их одновременном присутствии в кислых водных средах, включающий две стадии:

стадию электрохимического восстановления с использованием диафрагменного электролизера ионов Cr6+, при- сутствующих в кислом растворе в виде Сr2O7 2-, стандартный редокс-потенциал которых примерно на 0,6 В положительнее процесса превращения ионов Fe3+ до

– стадию физико-химического извлечения ионов железа в виде малорастворимого в кислой среде моногидрата сульфата железа (II) FeSO4H2O при понижении температуры раствора до 277...270 К.

Такой способ извлечения ионов поливалентных металлов обеспечивает снижение их концентрации в водных средах на 55–95 % (табл. 1).

Для удаления ионов и соединений железа из природной воды и промывных сточных вод применяются ионообменные смолы. Однако метод накладывает ограничения на содержание ионов железа Fe+3, которые быстро «забивают» катионит и плохо удаляются.

Таблица 1 Содержание ионов железа и хрома, присутствующих в концентрированных и промывных сточных водах до и после обработки

 

Сточная вода

Исходная концентрация, г/л

После обработки, г/л

[Cr6+]

[Cr3+]

[Fe3+]

[Fe2+]

[Cr6+]

[Cr3+]

[Fe3+]

[Fe2+]

Промывная

0,25

0,44

1,8

0,38

0,012

0,076

0,48

0,08

Концентрированная

8

14

40

10

0,40

8,5

18

0,75

К экологически безопасным и экономичным методам водоподготовки воды в локальных очистителях, как показали проведенные нами экспериментальные исследования и промышленные испытания, можно отнести извлечение ионов Fe+2 и Fe+3 из водопроводной и природной воды под действием постоянных магнитов. Количественный анализ воды на содержание ионов Fe2+ и Fe3+ до и после магнитной обработки (табл. 2) показал, что в магнитном активаторе происходит значительное снижение на 78–92 % концентрации железа (II) и железа общего с достижением требований ПДК для питьевой воды (ПДКFe = 0,3 мг/л).

Таблица 2 Содержание ионов железа, присутствующих в природной и водопроводной воде до и после магнитной обработки

 

Питьевая вода

Исходная концентрация, мг/л

После обработки, мг/л

[Feобщ]

[Fe2+]

[Fe3+]

[Feобщ]

[Fe2+]

[Fe3+]

Природная

1,05

0,90

0,15

0,23

0,18

0,15

Водопроводная

0,38

0,20

0,18

0,05

0,03

0,02

За счет силы Лоренца, создаваемой постоянными магнитами разной полярности, в магнитном активаторе протекает процесс электрохимического окисления ионов Fe2+ до ионов Fe3+. Ионы Fe3+ в кислой и нейтральной водной среде в интервале рН = 2,5-4,1 выпадают в осадок в виде коллоидных хлопьев гидроксида Fe(OН)3, которые затем извлекаются из воды с помощью механического или сорбционного фильтра.

Предприятием «Омнимед» (г. Н. Новгород) разработаны две модели магнитно-механических фильтров, используемых в качестве бытовых водоочистителей для снижения концентрации ионов железа в природной и водопроводной воде [4, 5].

Для очистки природных вод (болотистых, торфяных), содержащих гуминовые кислоты и железо-органические комплексные соединения, сотрудниками ООО «Омнимед» предложена модель сорбционно-ионообменно-механического фильтра, содержащего слои каталитической загрузки: йодсодержащая смола + пиролюзит + катионообменная смола в Na-форме + уголь БАУ, обеспечивающие редуцирование металлоорганических примесей.

Таким образом, определяющими при выборе способа редуцирования ИПМ из вод ных сред могут служить следующие факторы: степень окисления ионов металлов, их окислительно-восстановительная способность и электрохимическая активность, а также основные физико-химические свойства соединений этих металлов, присутствующих в водной среде

Список литературы

  1. Обзоры состояния загрязнения природной среды на территории Нижегородской области в 2005-2010 гг. // Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Н.Новгород, 2010. 238 c.
  2. Федорова Е. А., Бакаев В.В., Исаев В.В. Способ регенерации отработанных электролитов полирования и травления сталей // Патент РФ № 2175025, 2001. Бюл. № 29.
  3. Гудков А.А., Федорова Е.А. Локальные системы обезвреживания сточных вод предприятий приборостроения // Проблемы безопасности жизнедеятельности и промышленной экологии: матераалы III Междунар. конф.(Ульяновск, 3-4 июня 2010 г.) -Ульяновск, 2010. С. 116-120.
  4. Магнитный активатор / Н.А. Лаврентьева, В.Г. Лаврентьев, Н.Л. Табакова, Н.В. Мокеева // Патент РФ на полезную модель № 86583, 2009. Бюл. 19.
  5. Фильтр магнитно-механический для очистки воды ФММ-01 // Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99.37.369.Д.010122.09.08. ТУ 3697-046-43018878-2008.

Рецензенты:

  • Копейкин В.Н., д.м.н., зав. кафедрой детских болезней ГОУ ВПО «Нижегородская государственная медицинская академия Минздравсоцразвития», г. Нижний Новгород;
  • Бодров В.И., д.т.н., профессор, зав. кафедрой  «Отопление и  вентиляция» ГОУ ВПО «Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета», г. Нижний Новгород.

Работа поступила в редакцию 15.03.2011


Библиографическая ссылка

Федорова Е.А., Гудков А.А., Гейер Р.В., Плакина Н.Л. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СПОСОБА РЕДУЦИРОВАНИЯ ИОНОВ ПОЛИВАЛЕНТНЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ВОДНЫХ СРЕД // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 8-2. – С. 410-412;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=27973 (дата обращения: 14.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074