ОКИСЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА(II) В ПОЛЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ВИБРОАКУСТИЧЕКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 66.084.6

Савина А.С., Пентюхин Е.И., Богатов Н.А., Зоткин А.П., Тихонравов А.А., Болдырев В.С.

ОКИС ЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА(П) В ПОЛЕ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ВИБРОАКУСТИЧЕКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Савина Анастасия Сергеевна - старший преподаватель кафедры физики; н.с. отдела Инжиниринг химико-технологических систем инжинирингового центра «Автоматика и робототехника»*; [email protected]; Пентюхин Егор Игоревич - лаборант кафедры физики; техник отдела Инжиниринга химико-технологических систем инжинирингового центра «Автоматика и робототехника»*;

Богатов Никита Алексеевич - старший преподаватель кафедры физики; н.с. отдела Инжиниринг химико-

технологических систем инжинирингового центра «Автоматика и робототехника»*;

Зоткин Александр Павлович - лаборант кафедры физики; инженер отдела Инжиниринг химико-

технологических систем инжинирингового центра «Автоматика и робототехника»*;

Тихонравов Александр Алексеевич - бакалавр 2-го года обучения кафедры изотопов и водородной

энергетики;

Болдырев Вениамин Станиславович - студент магистратуры факультета цифровых технологий и химического инжиниринга; к.т.н., доцент, доцент кафедры химии, заведующий отделом Инжиниринг химико-технологических систем инжинирингового центра «Автоматика и робототехника»*; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.

*ФГБОУ ВО «Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана», Россия, Москва, 105005, 2-ая Бауманская ул., дом 5, стр.1.

В представленной работе рассмотрен процесс окисления ионов железа (II) под действием низкочастотных виброакустических воздействий, приведена сравнительная характеристика с процессом окисления с помощью аэрации (барботажа). Установлено, что исследуемый способ демонстрирует схожие с барботажем результаты, но, в свою очередь, является менее энергозатратным. Метод является перспективным способом подготовки и очистки воды, а также может применяться в процессах подготовки поверхностей к нанесению лакокрасочным покрытий.

Ключевые слова: инфразвук, виброакустические воздействия, окисление железа, водоподготовка

IRON(II) OXIDATION IN THE LOW-FREQUENCY VIBRO-ACOUSTIC INFLUENCES FIELD

Savina A.S.12, Pentyukhin E.I.12, Bogatov N.A.12, Zotkin A.P.12, Tikhonravov A.A.1, Boldyrev V.S. 12

1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation

2 Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russian Federation

The process of iron (II) ions oxidation under the low-frequency vibroacoustic effects action is considered, a comparative characteristic of the process with oxidation by aeration (bubbling) is given. The proposed method demonstrates is established to result similar to bubbling, but, in turn, is more energy-efficient. The presented method is a promising way to prepare and purify water, and can be also used in the surfaces preparation before applying paint and varnish coatings.

Key words: infrasound, vibroacoustic effects, iron oxidation, water treatment

Введение

Проблема качества грунтовых вод Российской Федерации остается актуальной из-за содержания железа, превышающего ПДК у около 50% общего объема вод страны. Применение вод такого качества является неприемлемым для питьевых и бытовых нужд, поэтому на настоящий момент до сих пор остро стоит вопрос предварительной очистки грунтовых вод [1]. Помимо вреда здоровью человека, вода с повышенным содержанием железа способна приводить к преждевременной порче технологического оборудования, значительно уменьшая его срок службы, а также может служить питательной средой для скорейшего развития микроорганизмов в отложениях сантехнического оборудования [2].

На сегодняшний день известны несколько методов очистки воды от железа, в том числе, реагентные

методы, метод каталитического окисления, метод ионного обмена, мембранные методы и биологические (на основе применения микроорганизмов) [3]. Каждый из перечисленных методов обладает своими недостатками, например, высокой стоимостью, побочным образованием токсичных соединений, проблемами утилизации промывных вод, сложностью технологии реализации, общей ограниченностью применения метода и др. [3,

4]

Аэрационные методы представляются одними из самых экономически выгодных и простых методов очистки воды от двухвалентного железа. В процессе насыщения воды кислородом, происходит окисление ионов Fe2+ с последующим переходом в Fe3+. Последние, в свою очередь, образуют нерастворимые соединения, таким образом, от соединений Fe3+ проще избавиться на этапе фильтрации [3, 4].

Экспериментальная часть

В качестве метода определения двухвалентного железа в растворе был выбран метод перманганатометрии из-за способности перманганата калия окислять ионы Fe2+ и количественно отражать их содержание в растворе, что может отражать изменения, происходящие в системе.

Ввиду большого количества примесей в перманганате калия, невозможно получить раствор точно известной концентрации путем растворения сухого вещества в объеме воды. Для приготовления раствора, заданной концентрации, воспользовались методом стандартизации по щавелевой кислоте. Щавелевая кислота была перекристаллизована с целью очищения от примесей, далее был приготовлен 0,05н раствор кислоты, по которому оттитровывали заранее полученный раствор перманганата калия. По результатам титрования в присутствии 2н H2SO4 концентрация перманганата калия составила 0,05263 мольэкв/л.

Для исследования брали навеску 7-водного кристаллогидрата сульфата железа (II) массой 1,4 г и растворяли в 250 мл дистиллированной воды. Полученный раствор отфильтровывали и отбирали 3 пробы по 50 мл в мерные цилиндры, рассчитанные на 100 мл. По оставшемуся исходному раствору путем титрования определяли начальную концентрацию железа. Все цилиндры имели одинаковые линейные размеры для обеспечения одинаковой площади контакта с воздухом. Первая проба служила в качестве контрольного образца и не подвергалась дополнительному внешнему воздействию и изолирована от возможных источников виброакустического воздействия. Второй цилиндр фиксировался на столе, на дно сосуда погружали форсунку, подведенную от воздушного компрессора, который подключали к сети и производили барботаж в

течение 20 минут. Третий образец подвергался низкочастотному виброакустическому воздействию. В качестве источника инфразвуковых колебаний применялось ранее запатентованное устройство [5], представляющее собой линейный колебательный контур с зафиксированным на нем вибропоршнем. Вибропоршень погружали в реакционную среду так, чтобы объем воды, заключенный между нижним краем поршня и дном сосуда составлял 40 мл. Такая величина погружения поршня обеспечивает наилучший массобмен на границе раздела сред жидкость-газ [6-11]. Внутрь исследуемой среды подавалось воздействие частотой 15 Гц и амплитудой колебания вибропоршня 2,2 см.

По завершению эксперимента аликвотная часть объемом 10 мл каждого из образцов оттитровывалась стандартизированным раствором перманганата калия в кислой среде. Результаты титрования приведены в таблице 1.

По представленным результатам проведенного титрования для каждого случая была рассчитана масса железа(П):

2 _ (У^СН)кмп04 • Мэ(^е2+) • Кп

)_ 1000 Уа (г)

где, V - объем КМп04, пошедший на титрование пробы,

Сн - нормальная концентрация КМп04,

Мэ(^е2+) - эквивалентная молярная масса железа(11),

Va - объем аликвотной части,

Vп - объем пробы в мерном цилиндре.

Результаты расчетов для каждого эксперимента приведены в таблице 2.

Таблица 1.Результаты титрования экспериментальных образцов

VкмnO4, ушедший на титрование 10 мл р-ра, мл

№ опыта начальный контрольный образец барботаж инфразвуковое воздействие

1 3,50 3,50 3,40 3,40

2 3,60 3,60 3,45 3,50

3 3,60 3,60 3,50 3,50

Таблица 2. Расчет массы Ее2+ в образцах после проведения экспериментов

№ опыта m(Fe2+) • 103, г

начальный контрольный образец Барботаж инфразвуковое воздействие

1 51,44 51,44 49,97 49,97

2 52,91 52,91 50,70 51,44

3 52,91 52,91 51,44 51,44

Из представленных результатов следует, что в системе под действием низкочастотного воздействия происходит изменение содержания железа, схожие с процессом окисления с помощью аэрации (барботажа), что формирует фундаментальную возможность применения низкочастотных виброакустических воздействий инфразвукового и начала звукового диапазонов в качестве альтернативы барботажу с целью экономической и энергетической выгоды.

Заключение

На основании вышеизложенного, несмотря на то, что представленные результаты являются первичными и нуждаются в дальнейшем масштабировании, можно сделать вывод, что низкочастотные виброакустические воздействия способствуют окислению ионов Fe2+ и демонстрируют результаты, сопоставимые с барботажем. Предполагается дальнейшее исследование поведения реакционной среды под действием низкочастотных колебаний и сравнительный анализ с барботажем в случае увеличения объемов проб и варьирования содержания ионов Fe2+ в образцах. Описанная методика может рекомендовать себя в качестве энерго- и ресурсосберегающей технологии очистки воды от железа по сравнению с барботажем.

Список литературы

1. Вредные вещества в промышленности, т.Ш. Справочник для химиков, инженеров и врачей. Под ред. Н.В. Лазарева - Л., Химия, 1977. - 618с.

2. Быстрых В. В. Гигиеническая оценка влияния питьевой воды на здоровье населения // Гигиена и санитария. - 2001. - № 2. - С.20-22.

3. Аверина Ю.М., Аснис Н.А., Ваграмян Т.А., Меньшиков В.В. Исследование скорости окисления ионов Fe2+ в воде при барботировании воздуха // Теоретические основы химической технологии. 2018. Т. 52. № 1. С. 79-82.

4. Аверина Ю. М., Моисеева Н. А., Ветрова М. А. Зависимость скорости процесса окисления ионов железа (II) в природной воде при её

аэрации // Успехи в химии и химической технологии. — 2019. — Т. 33, № 3. — С. 10-12.

5. Патент на полезную модель № 213619 Ш Российская Федерация, МПК В0П 19/08, В06В 3/00. Устройство для акустической интенсификации физико-химических процессов в жидких растворах : № 2022111486 : заявл. 27.04.2022 : опубл. 19.09.2022 / Н. А. Богатов, В. С. Болдырев, А. С. Савина [и др.] ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана. - ББК 1ЬБУЯК.

6. Зоткин, А. П. Интенсификация массообменного процесса в системе "газ-жидкость" при помощи инфразвукового воздействия / А. П. Зоткин, Н. А. Богатов // Физическое образование в ВУЗах. - 2021. -Т. 27. - № S4. - С. 51-54. - Б01 10.54965/16093143_2021_27_Б4_51. - ББК 1УВБШ.

7. Болдырев В.С. Действие низкочастотных колебаний на биохимически активные структуры. Дис. ... канд. техн. наук. М., РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2013.

8. Фадеев Г.Н., Болдырев В.С., Ермолаева В.И. Биологически активные клатраты амилоиодин и амилопектоиодин в поле низкочастотных акустических воздействий // Доклады Академии наук. 2012. Т. 446. № 4. С. 466.

9. Фадеев Г.Н., Болдырев В.С., Богатов Н.А., Николаев А.Л. Особенности окислительно-восстановительного процесса в поле низкочастотного воздействия // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2020. № 1. С. 80-92.

10. Богатов Н.А., Меньшиков В.В., Фадеев Г.Н., Болдырев В.С., Савина А.С., Зоткин А.П. Влияние колебательных параметров низкочастотных малоэнергетических воздействий на кинетику деколоризации тиазинового красителя // Лакокрасочные материалы и их применение. 2021. № 7-8. С. 51-55.

11. Болдырев В.С., Кузнецов С.В., Меньшиков В.В. Инновационное развитие малотоннажных научно-производственных предприятий лакокрасочной отрасли. М., Пэйнт-Медиа, 2021. 184 с.