CC BY
8УДК 546.19:504.4.064.47
А.Т. Исаханова, С.Р. Керимова
Электрокоагуляционная очистка природных вод от ионов мышьяка
Дагестанский государственный университет, г. Махачкала, Россия, ул. М. Гаджиева, 43 а, 367001; A.Isahanova@yandex.ru
Установлена возможность выделения мышьяка электрокоагуляционным методом в виде арсената цинка из модельных и природных вод. Предварительные эксперименты проводились в интервале рН 6-8. Растворы обрабатывались при разных плотностях тока в течение 15-120 минут. Через определенные промежутки времени отбирались пробы для анализа на мышьяк и цинк. Работа проводилась в стационарном режиме.
В электролизер помещали 150 мл исследуемого раствора и на расстоянии 0,5 см друг от друга два электрода: титановый катод и цинковый анод. Величину степени извлечения оценивали по уменьшению содержания ионов мышьяка до и после коагуляции. Оптимальные условия извлечения мышьяка электрокоагуляционным методом были применены к реальному объекту.
Объектом анализа была артезианская вода, содержащая 0,33 мг/л мышьяка. Показано, что остаточная концентрация мышьяка в природной воде после обработки значительно ниже предельно допустимых концентраций.
Ключевые слова: мышьяк, природная вода, электрокоагуляция, арсенат цинка.
Питьевая вода во все времена считалась источником здоровья. Именно в водной среде в нашей республике сложилась неудовлетворительная экологическая обстановка [1]. Беспокойство вызывает наличие в питьевой воде тяжелых металлов, к которым относят свинец, кадмий, цинк, железо хром, мышьяк [2-6]. Они имеют большой спектр действия, многие из них высокотоксичны, вызывают раковые заболевания и нарушения деятельности нервной системы. Кроме того, металлы обладают способностью накапливаться в организме, поэтому их действие проявляется не сразу, а после достижения определенной концентрации в организме. Обычно питьевую воду обеззараживают, но практически не очищают ее от вредных антропогенных ингредиентов.
Общее содержание мышьяка в незагрязненных природных водах составляет от 0,001 до 0,05 мг/л. В загрязненных водах может содержаться от 0,1 до 1 мг/л, в грунтовых - до 0,7 мг/л.
Существует много методов удаления мышьяка из растворов [7-10].
Целью настоящей работы явилась разработка эффективного способа удаления мышьяка из природных вод питьевого назначения методом электрокоагуляции.
Экспериментальная часть
В электролизер помещали 150 мл модельного раствора. Электрокоагуляцию проводили на модельных растворах, содержащих мышьяк в следующих концентрациях: 13,3, 40,0 и 67,0 мг/л. Два электрода (титановый катод и цинковый анод) были размещены на расстоянии 0,5 см друг от друга. Общая рабочая площадь поверхности каждого электрода составляла 33 см . Величину степени извлечения оценивали по уменьшению содержания ионов мышьяка в объеме раствора до и после электрокоагуляции методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе марки Contra 700 (Analytik Jena, Германия) и фотометрическим методом на спектрофотометре SPECORD 210 (Analytik Jena, Германия).
Результаты и обсуждение
Предварительные эксперименты проводили на модельных мышьяксодержащих растворах в интервале рН 6-8, т. к. большинство загрязненных мышьяком грунтовых вод имеет такую же кислотность.
Растворы в течение 15-120 минут обрабатывались при разных плотностях тока. Через определенные промежутки времени отбирались пробы для анализа на мышьяк и цинк. Определение мышьяка проводили в виде мышьякмолибденовой сини фотометрическим и атомно-абсорбционным методами, а цинка - трилонометрическим и атомно-абсорбционным методами. Работу проводили в стационарном режиме.
Электрокоагуляция протекает предположительно по следующей схеме: на катоде: 2Н2О +4 е = Н2Т+ 20Н-на аноде: Zn0 ^ Zn2+ +2 е в растворе: 3 Zn2+ + 2 AsО43- = Zn3(AsО4)2j
Zn2+ + 20Н- = Zn(OH)2| Так, как растворимость арсената цинка (ПР ^3(Аю4)2 = 1 • 10-27) намного ниже , чем
растворимость гидроксида цинка (ПР ^(он)2 = 110-17), в осадок выпадает, в первую
очередь, арсенат цинка.
На связывание одного арсенат-иона расходуется 1,5 г-моль ионов цинка, как видно из приведенного выше уравнения реакции. Чтобы реакция шла с достаточной скоростью, расходующийся металл (цинк) должен находиться в избытке и в растворе его остаточная концентрация не должна превышать ПДК (5 мг/л). Непрерывный контроль химического состава растворов показал, что превышение ПДК цинка в анализируемых пробах не наблюдается.
На процесс растворения электродов влияет активная реакция среды. Изучение влияния рН растворов на степень извлечения мышьяка (рис. 1) показало, что для достижения высокой степени удаления мышьяка оптимальной является величина рН воды, находящаяся в интервале 3-9. При соблюдении этих условий и исходной концентрации мышьяка до 13,3 мг/л степень очистки составляет более 85 %.
рн
Рис. 1. Зависимость степени извлечения мышьяка от рН исходного раствора i = 2,1 мА/см2;
CAs = 13,3 мг/л; т = 30 мин.; V = 150 мл
Изучено влияние времени обработки воды на степень извлечения мышьяка из модельных растворов. Уменьшение оптической плотности растворов после обработки свидетельствует о связывании мышьяка катионом цинка в осадок. Это подтверждается рисунком 2. Из этого рисунка видно, что после 30-минутной обработки раствора кон-
центрация мышьяка резко снижается. А через 60 минут она становится ниже значения ПДК для мышьяка.
0^ п
О -I-,-,-,-,-,-,-,
О 10 20 30 4-0 50 60 70
Время, мин.
Рис. 2. Зависимость оптической плотности растворов от времени электрообработки: i = 1,5 мА/см2, CAs = 13,3 мг/л, V = 150 мл
На процесс растворения цинкового электрода влияет плотность тока. Из зависимости степени извлечения мышьяка от плотности тока (табл. 1) видно, что с увеличением плотности тока степень извлечения мышьяка возрастает и становится максимальной при плотностях тока 0,6-2,1 мА/см2 .
Таблица 1. Влияние плотности тока на степень извлечения мышьяка CAs = 13,3 мг/л,
т = 30 мин., V = 150 мл
i, А/см2 0,15 0,3 0,6 1,5 2,1
Степень извлечения, % 9,7 31,7 88,12 91,89 92,0
Рис. 3. Зависимость степени извлечения мышьяка от концентрации исходного раствора и времени электролиза: I = 0.6 мА/см2, V = 150 мл, 1 - СА = 13,3 мг/л; 2 - СА = 40 мг/л;
3 - САц = 67,0 мг/л
Из рис. 3 видно, что с увеличением концентрации мышьяка в растворе степень извлечения мышьяка несколько уменьшается.
Оптимальные условия извлечения мышьяка электрокоагуляционным методом были применены к реальному объекту. Объектом анализа стала артезианская вода селения Бабаюрт. Предварительный анализ этой воды показал, что содержание мышьяка составляет 0,33 мг/л, что превышает ПДК в 6,5 раз. Полученные после электрокоагуляци-онной обработки этой воды результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2. Результаты анализа природной воды (сел. Бабаюрт) после ее электрокоагуляционной обработки и = 7 В, V = 150 мл, т = 30 мин.
Плотность тока, мA/см2 0,6 1,5 2,1
CAs, мг/л Не обнаружен Не обнаружен Не обнаружен
Czn, мг/л 0,365 0,565 1,391
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что мышьяк в природной воде после электрообработки практически полностью связывается катионами цинка и переходит из раствора в осадок в виде арсената цинка, а остаточная концентрация ионов цинка в воде не превышает ПДК для цинка.
Литература
1. СанПин 2.1.41074-0. Питьевая вода и водоснабжение населенных мест. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. - М.: Минздрав России, 2002.
2. Гаджидадаев И.Г., Ахмедов М.И., Омардибиров О.М. Пути реализации программы «Чистая вода России» // Мат. II школы молодых ученых. Актуальные проблемы возобновляемых энергоресурсов. - Махачкала, 2008. - С.177-178.
3. Исаханова А.Т. Проблема качества питьевой воды в Дагестане // Мат. Межд. научно-практической конференции «Проблемы рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды. Экологические и правовые аспекты». - М.: РПА Минюста России, 2010. - С. 264-266.
4. Исаханова А.Т., Сахавова М.С. Использование железных стружек для осаждения мышьяка из природных вод // Вестник Дагестанского государственного университета. - 2007. - Вып. 4. Естественные науки. - С. 82-85.
5. Янксин Ванг, Тенг Ма, Рыженко Б.Н., Лиманцева О.А., Черкасова Е.В. Модель формирования загрязнения подземных вод мышьяком 1. Провинция Датун (Китай) // Геохимия. - 2009. - № 7. - С. 757-768.
6. Рыженко Б.Н., Черкасова Е.В., Лиманцева О.А. Модель формирования загрязнения подземных вод мышьяком 3. Причины загрязнения // Геохимия. - 2010. - № 7. -С. 773-778.
7. Мельников И.О., Подобедов Р.Е., Зайцева Н.В., Родионова С.А. Микроструктура и сорбционные свойства мышьякселективных сорбентов для очистки питьевой воды // Вода: химия и экология. - 2012. - № 9. - С. 70-75.
8. Мальцев Г.И., Романова В.В., Кручинина Н.Е. Удаление мышьяка из растворов экстракцией аминами // Экология и промышленность России. - 2012. - № 11.- С. 36-39.
9. Мальцев Г.И., Романова В.В. Кинетика экстракции арсенит-ионов алкиламина-ми // Известия вузов. Химия и хим. технология. - 2013. - Т. 56, № 1. - С. 47-52.
10. Иванина А.В., Шуваева О.В. Применение бактериальной биосенсорной системы для определения мышьяка в природных водах // Журнал аналитической химии. - 2009. - Т. 64, № 3. - С. 323-328.
Поступила в редакцию 2 июля 2014 г.
UDC 546.19:504.4.064.47
Electrocoagulation removal of arsenic ions from natural water
A.T. Isakhanova, S.R. Kerimova
Dagestan State University, Makhachkala, Russia, st. M. Gadzhieva, 43 а, 367001; A. Isahanova@yandex. ru
The possibility of arsenic removal from model and natural waters by electrocoagulation method as zinc arsenate has been studied. Preliminary experiments were carried out in the pH range 6-8. The solutions were treated with different current densities for 15-120 minutes. After certain intervals samples were taken for analysis of arsenic and zinc. The work was carried out in the stationary mode.
150 ml of the test solution and two electrodes at a distance of 0.5 cm from each other was placed in the electrolytic cell: a titanium cathode and zinc anode. The quantity of extraction degree was evaluated by reduction content of arsenic ions before and after coagulation. Optimal conditions of the arsenic extraction by electrocoagulation method have been applied to a real object. The object of the analysis was the artesian water containing 0,33 mg / L of arsenic. It is shown that the residual concentration of arsenic in natural water after treatment is significantly lower than the maximum allowable concentration.
Keywords: arsenic, natural water, electrocoagulation, zinc arsenate.
Received 2 July, 2014
