CC BY
6УДК 546.19:504.4.064.47 А. Т. Исаханова, З.М. Алиев
Утилизация соединений мышьяка из природных вод электролизом раствора
хлорида кальция
Дагестанский государственный университет; Россия, 367001, г. Махачкала, ул. М. Гаджиева, 43 а; A.Isahanova@yandex.ru
Показана возможность удаления мышьяка из модельных и природных вод электрохимическим методом в виде арсената кальция. Исследования проводились в диапазоне рН 6-8. Водные растворы, содержащие мышьяк в виде арсенат-ионов, обрабатывали при различной плотности тока в течение 15-120 минут. В качестве электродов использовали титановый катод и окисно-рутениево-тиановый анод (ОРТА). Межэлектродное расстояние составляло 0,5 см. Через определенные интервалы времени отбирали пробы для определения содержания мышьяка и кальция. Электролиз проводился в стационарном режиме. Количественно степень извлечения оценивали по содержанию ионов мышьяка до и после электролиза. Определены оптимальные условия электрохимического удаления мышьяка. В качестве природной воды использовали артезианскую воду, содержащую 0,177 мг/л мышьяка. Установлено, что остаточная концентрация мышьяка в природной воде после обработки значительно ниже предельно допустимой концентрации.
Ключевые слова: электролиз, мышьяк, природная вода, арсенат кальция.
Загрязнение наземных водоемов и невозможность использования из них воды для питья и других производственных целей является одной из актуальных проблем в республике.
Во многих водах источников питьевого водоснабжения в Северных районах Дагестана превышен порог содержания загрязняющих веществ, в том числе и мышьяка, в несколько раз [1-3]. Особенно актуальной для этих районов является проблема мышьяковистого загрязнения, так как артезианские воды здесь являются основным и зачастую единственным источником питьевого водоснабжения [4]. Использование таких вод представляется опасным в связи с тем, что все соединения мышьяка ядовиты: поражают желудочно-кишечный тракт, сосудистую и нервную системы [5].
В настоящее время существует много методов устранения мышьяка из воды [6-9]. В нашей работе применен электрохимический метод, который позволил одновременно получать ряд ценных компонентов. Причем для этих целей был использован отход содового производства - раствор хлорида кальция.
Целью настоящей работы явилась разработка эффективного способа удаления мышьяка из природных вод питьевого назначения с помощью отхода содового производства - хлорида кальция.
Экспериментальная часть
Для выполнения экспериментальных исследований использовали лабораторную двухкамерную электролитическую ячейку (рис. 1). Катионитовая мембрана МК-40 разделяла ячейку на катодную и анодную камеры. Материалом анода служил окисно-рутениевый электрод на титановой основе (ОРТА), материалом катода - титан. Объем растворов равнялся 0,20 л. Электроды были размещены на расстоянии 0,5 см дру 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 спек-
троскопии на приборе марки Contra 700 (Analytik Jena, Германия) и фотометрическим методом на спектрофотометре SPECORD 210 (Analytik Jena, Германия).
Результаты и обсуждение
В работе были использованы модельные растворы, содержащие мышьяк в концентрациях до 200 мкг/л.
В катодную камеру помещали раствор, имитирующий природную мышьяксодер-жащую воду. Анодную камеру заполняли 20 %-ным раствором хлорида кальция. Процесс электролиза сопровождается переносом через катионообменную мембрану в катодную камеру ионов кальция, которые принимают участие в образовании арсената кальция, выпадающего в осадок. Через определенные промежутки времени отбирали пробы на анализ. Контроль проводился по мышьяку. Уменьшение оптической плотности растворов после обработки свидетельствует о связывании мышьяка катионами кальция в осадок.
Схема процесса следующая:
На катоде: 2Н2О + 4е = Н2 | + 2ОН-.
На аноде: 2CI- - 2е = CI2 t
В растворе: 3 Ca2+ + 2AsO43- = Cas(AsO4)2 j.
Модельные растворы обрабатывались при разных плотностях тока. Эксперимент проводился в интервале рН 6-8, т. к. большинство загрязненных мышьяком вод имеют такую кислотность.
CU
Ca3 (AsO4)2^
3
2
Рис. 1. Схема двухкамерного электролизера: 1 - катод (титан), 2 - анод (ОРТА), 3 - катионооб-менная мембрана
2
1
Модельные растворы обрабатывались при разных плотностях тока. Эксперимент проводился в интервале рН 6-8, т. к. большинство загрязненных мышьяком вод имеют такую кислотность. Как видно из приведенной выше схемы, таким способом можно получать также на катоде водород, а на аноде - хлор, которые являются ценными промышленными продуктами.
На рис. 2 показана зависимость остаточной концентрации мышьяка от времени электролиза. Установлено, что резкое снижение концентрации мышьяка уже происходит через 30 минут и концентрация мышьяка становится ниже ПДК [10].
Результаты выполненных исследований позволили выбрать оптимальный режим электродиализа и применить эти условия к реальному объекту. Реальным объектом выбрана природная вода поселка Богатыревка. Для анализа была взята вода, содержащая 177.8 мкг/л мышьяка объемом 200 мл, которая обрабатывалась в течение 45-60 мин. Анализ на мышьяк проводился разными методами: фотометрическим и атомно-ад-сорбционным. Полученные данные сведены в табл. 1.
200
160 -
120 -
80
время, мин
Рис. 2. Зависимость концентрации мышьяка от времени проведения электролиза (/ = 0.01 А/см2, и = 10 В)
Таблица 1. Влияние времени электрообработки на степень очистки природной воды от мышьяка (i = 0,01 А/см2, CAs = 177,8 мг/л)
Время, мин Концентрация мышьяка после электролиза, мкг/л Степень очистки воды, %
15 123,8 33,43
30 44,8 74,80
45 25,9 85,43
60 4,6 97,41
Как видно из таблицы 1, концентрация мышьяка со временем понижается и после 30-минутной обработки степень очистки от ионов мышьяка составила 74,80 %, а через 60 минут - 97,41 %.
Полученный продукт - Caз(AsO4)2 можно практически использовать как гербицид и инсектицид.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что мышьяк в природной воде после электрообработки практически полностью связывается катионами кальция и переходит из раствора в осадок в виде арсената кальция. Помимо очистки от мышьяка в ходе эксперимента на катоде и аноде выделились вторичные продукты: хлор и водород соответственно.
Литература
1. Исаханова А. Т. Проблема качества питьевой воды в Дагестане // Материалы Международной научно-практической конференции «Проблемы рационального использования природных ресурсов и охрана окружающей среды. Экологические и правовые аспекты». - М., 2010. - С. 264-266._
2. Рихави А. Качество воды в экологически неблагополучных районах Дагестана // сб. статей 4-х ежегодных студенческих научных чтений. - Махачкала: Алеф, 2013. -С. 90-94.
3. Янксин Ванг, Тенг Ма, Рыженко Б.М., Лиманцева О.А., Черкесова Е.В. Модель формирования загрязнения подземных вод мышьяком. Провинция Датун (Китай) // Геохимия. - 2009. - № 7. - С. 757-768.
4. Алхасов А.Б. Геотермальная энергетика: проблемы, ресурсы, технологии. -М., 2008. - 57 с.
5. Наход А.А., Поздняков А.М., Щербак Н.П. Соединения мышьяка и его действие на организм // Успехи современного естествознания. - 2013. - Вып. 9. - С. 119-120.
6. Переломов Л.В., Переломова И.В., Левкин Н.Д. и др. Адсорбция и окисление соединений мышьяка минералами железа и в биоминеральных системах // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. - 2012. - Вып. 3. - С. 231-241.
7. Мельников И.О., Подобедов Р.Е., Зайцева Н.В. 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 алкиламинами // Известия вузов. Химия и хим. технология. - 2013. - Т. 56, № 1. - С.47-52.
10. Сан Пин. Питьевая вода и водоснабжение населенных мест. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. - М.: Минздрав России, 2002.
Поступила в редакцию 25 ноября 2015 г.
UDC 546.19:504.4.064.47
Removal of arsenic compounds from natural water by electrolysis of a solution of calcium chloride
A. T. Isakhanova, Z.M. Aliev
Dagestan State University; Russia, 367001, Makhachkala, M. Gadzhiev st., 43 a; A. Isahanova@yandex. ru
The possibility of arsenic removal from model and natural waters by electrochemical method of calcium arsenate is studied in the article. Preliminary experiments were carried out in the pH range 68. The aqueous solutions with arsenate ions were treated at various current density for 15-120 minutes.
After certain intervals samples were taken for analysis of arsenic and calcium. The electrolysis was carried out in the stationary mode. 200 ml of the test solution was placed in the electrolytic cell and two electrodes: a titanium cathode and DSA anode at a distance of 0.5 cm from each other. The quantity of extraction degree was evaluated by reduction content of arsenic ions before and after coagulation. Optimal conditions of the arsenic extraction by electrochemical method were determined. The object of the analysis was the artesian water containing 0,177 mg/l of arsenic. The study has shown the residual concentration of arsenic in natural water after treatment is significantly lower than the maximum allowable concentration.
Keywords: electrolysis, arsenic, natural water, calcium arsenate.
Received 25 November, 2015
