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) FeSO4H2O 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
- 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.
- Федорова Е. А., Бакаев В.В., Исаев В.В. Способ регенерации отработанных электролитов полирования и травления сталей // Патент РФ № 2175025, 2001. Бюл. № 29.
- 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.
- Магнитный активатор / Н.А. Лаврентьева, В.Г. Лаврентьев, Н.Л. Табакова, Н.В. Мокеева // Патент РФ на полезную модель № 86583, 2009. Бюл. 19.
- 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