CC BY
42
УДК 628.1
Аверина Ю.М., Моисеева Н.А., Ветрова М.А.
ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ ПРОЦЕССА ОКИСЛЕНИЯ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА (II) В ПРИРОДНОЙ ВОДЕ ПРИ ЕЁ АЭРАЦИИ
Аверина Юлия Михайловна - к.т.н., доцент каф. ИМиЗК, председатель ОСМУСС РХТУ имени Д.И. Менделеева, e-mail: avcri naj m@mail. ru
Моисеева Надежда Анатольевна - магистрант Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева
Ветрова Маргарита Александровна - магистрант кафедры инновационных материалов и защиты от коррозии РХТУ им. Д. И. Менделеева
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева 125190, Москва, Миусская пл., 9
В работе показано, что скорость процесса окисления ионов Fe2+ в воде при барботировании воздуха определяется скоростями двух параллельно протекающих процессов: гомогенного процесса окисления растворенным в воде кислородом и гетерогенного процесса окисления ионов Fe2+ на границе раздела фаз «вода-воздух». Установлена зависимость скорости гетерогенного и суммарного процессов окисления Fe2+ от удельной поверхности контакта фаз «вода-воздух».
Ключевые слова: вода, железо, аэрация, барботаж, скорость процесса окисления.
DEPENDENCE OF THE SPEED OF THE PROCESS OF IRON (II) IONATION IN NATURAL WATER UNDER ITS AERATION
Averina Yu.M., Moiseeva N.A., Vetrova M.A.
Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
It was shown that the rate of the oxidation of Fe2 + ions in water during air bubbling is determined by the speeds of two processes running in parallel: a homogeneous oxidation process with oxygen dissolved in water and a heterogeneous oxidation process of Fe2 + ions at the water-air interface. The dependence of the rate of heterogeneous and total oxidation of Fe2 + on the specific surface of the contact between the "water-air" phases is established. Keywords: water, iron, aeration, sparging, oxidation rate.
Актуальность проблемы качества воды сложно переоценить. Около 50% вод России содержат железо в концентрациях, во много раз превышающих ПДК. Так при норме 0,3 мг/л, в основных напорных горизонтах превышение в 5-10 раз, а в грунтовых водах это превышение иногда более чем в 40 раз [1,2]. Поэтому для питьевых целей без предварительной очистки применение таких вод невозможно.
Длительное использование воды с повышенным содержанием железа:
• наносит вред здоровью человека;
• приводит к порче технологического и сантехнического оборудования в несколько раз уменьшая его срок службы и учащая аварии;
• системы с железистыми отложениями могут служить питательной средой для развития микроорганизмов.
Технологии обезжелезивания воды применяют свыше ста лет, и выбор метода зависит от многих факторов, такие как форма нахождения железа в воде, количество растворенного кислорода
и диоксида углерода, солевой состав, величина pH [3-5].
Реагентные методы очистки, применяются в тех случаях, когда удалить металлы другими методами не удается или эффективность процесса их удаления очень низка. На практике, в основном, используют такие реагенты как хлор, перманганат калия, двуокись хлора, хлорная известь, озон. Существенными недостатком этих реактивов, является их дороговизна и способность загрязнять воду образованием соединений повышенной токсичности [6, 8].
Метод каталитического окисления с фильтрацией заключается в том, что железо на поверхности катализатора быстро окисляется и оседает на гранулах фильтрующей среды. Впоследствии большая часть окисленного железа вымывается в дренаж при обратной промывке, что приводит к проблеме утилизации образующихся шламов и промывных вод.
В методе ионного обмена используются как природные иониты, так и синтетические ионообменные смолы. На практике, возможность применения катионообменных смол по железу
сильно затруднена. Объясняется это тем, что при катионном обмене удаляются и соли жесткости, что не всегда требуется и ионообменные смолы очень критичны к наличию в воде трехвалентного железа, которое "забивает" смолу.
Мембранные методы различны [10]. Хотелось бы отметить, что микрофильтрационные пригодны для удаления уже окисленного трехвалентного железа, ультрафильтрационные и нанофильтрационные мембраны также способны удалять коллоидное и бактериальное железо, а обратноосмотические мембраны удаляют даже растворенное железо. Однако, если мембранные методы не способны удалить двух валентное железо, то необходимы дополнительные методы очистки.
Кроме того мембранные, особенно обратноосмотические, чувствительны к
"зарастанию" органикой и забиванию поверхности нерастворимыми частицами.
Биологическое обезжелезивание,
основывается на использовании микроорганизмов. Эти бактерии переводят железо Fe2+ в Fe3+. Сами по себе эти бактерии не представляют опасности для организма человека, однако продукты их жизнедеятельности токсичны, к тому же данный метод применяется в основном на очень большие производительности [7, 9].
Аэрационные методы, не решают задачу отделения окисленной формы железа, но представляют собой наиболее простой прием обезжелезивания природных вод, заключающийся в насыщении воды кислородом воздуха с целью окисления железа II в трех валентное.
Суммарное уравнение реакции окисления
-с 2+
ионов Fe можно представить в виде:
4Ъе2+ + О2 + 80Ы" + 2Н2О = 4Ъе(0Н)з (1)
Скорость данной реакции в основном зависит от значения рH воды, количества железа в воде и концентрации растворенного кислорода [1113].
В настоящее время не существует методов
-С 2+
оценки изменения скорости окисления Ъе для конкретного состава воды, параметров режима (межфазная поверхность, размер пузырьков, газосодержание и т.д.) и производительности обработки. Отсутствие корреляции между формулами скорости процесса окисления и экспериментальными данными при интенсификации аэрации, объясняется тем, что в уравнение входит концентрация кислорода, растворенного в воде, которая остаётся постоянной при различной
интенсивности аэрации. Было выдвинуто
2+
предположение, что окисление ионов Fe протекает не только в объеме жидкой фазы, но и на границе раздела фаз «вода-воздух», от величины которой, в том числе, зависит скорость процесса.
Таким образом, исследование зависимости
2+
скорости окисления ионов Fe в воде от удельной поверхности контакта фаз «вода-воздух» является
чрезвычайно важным для создания эффективного технологического процесса очистки воды.
Эксперименты были направлены на
изучение влияния удельной поверхности границы
2+
«вода-воздух» на скорость процесса окисления Ъе с учётом, как гомогенной, так и гетерогенной составляющих.
Вычитая убыль концентрации ионов Fe2+ за счет гомогенной составляющей из суммарной убыли, можно определить вклад только гетерогенной составляющей процесса окисления.
Таким образом, были построены зависимости
2+
снижения концентрации ионов Fe от продолжительности процесса для различных удельных площадей межфазной границы при различных начальных концентрациях железа: а) 5 мг/л; б) 10 мг/л; в)15 мг/л. Рассчитанные удельные поверхности раздела фаз составили, 150 м2/м3, 250 м2/м3, 400 м2/м3, 650 м2/м3, 800 м2/м3 и 1000 м2/м3.
Ниже приведены полученные зависимости
2+
скорости окисления ионов Ъе при удельной площади контакта фаз 150 м2/м3 и 1000 м2/м3 (рисунки 1, 2).
Рисунок 1. Зависимость скорости окисления ионов Ее + при удельной площади контакта фаз «вода-воздух»150 м2/м3.
а)
4
а.Ь *
2
ш 1
0,5
О
б)
в)
1.1 11 10
к
&
4 1
Ч —угэмег-
> Уг#тер.■ -
<м> ч.« I I,..;
Цр' .'МН Е, МИН
О 0,1 (1,4 V,« 0,9 I 1,1
Время 1г мин
Рисунок 2. Зависимость скорости окисления ионов Fe2+ при удельной площади контакта фаз «вода-воздух» 1000 м2/м3.
Во всех случаях наблюдается закономерность полученных кривых скоростей окисления, демонстрирующих вклад её составляющих.
С увеличением начальной концентрации ионов Fe2+ и удельной площади межфазной поверхности гетерогенная составляющая процесса растёт. При более низких начальных концентрациях ионов железа, вклад гомогенной составляющей более значительный. Таким образом, наблюдается зависимость: чем больше начальная концентрация
-с 2+
ионов ге , тем существеннее влияет гетерогенная граница, и тем интенсивнее идет окисление, что особенно наблюдается при больших удельных площадях поверхности границы фаз.
Исследование убыли концентраций
позволило более подробно изучить скорость
2+
окисления ионов ге только за счет гетерогенной составляющей данного процесса. Это необходимо для решения ключевой задачи, которой является
математическое моделирование истинного процесса
2+
окисления ионов ге с учетом влияния доказанной выше гетерогенной составляющей.
Работа выполнена при финансовой поддержке РХТУ им. Д.И. Менделеева (проект № Х032-2018)
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. Золотова Е.Ф., Асс Г.Ю. Очистка воды от железа, марганца, фтора и сероводорода - М: стройиздат, 1975 - 176с.
4. Аверина Ю.М., Сальникова О.Ю., Труберг
A.А., Терпугов Г.В., Кабанов О.В., Кацерева О.В, Комляшов Р.Б. Обезжелезивание природных вод с применением наномембран // Успехи в химии и хим. технологии - 2009. - Том. XXIII, №2 (95) - С. 14-17.
5. Аверина Ю.М., Меньшиков В.В. Практическое изучение основ технологии обезжелезивания природных вод до питьевого качества различными режимами фильтрации с применением керамических мелкопористых трубчатых мембран// Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Том. XXIX, №1 (160) - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2015. - С. 82-85.
6. Николадзе Г.И. Обезжелезивание минеральных вод - Тр.Моск.инж.- строит.ин-т им
B.В. Куйбышева: Вопросы гидравлики и водоснабжения, №174, 1980, 177-181.
7. Аверина Ю.М., Аснис Н.А., Ваграмян Т.А.,
Меньшиков В.В. Исследование скорости
2+
окисления ионов ге в воде при барботировании воздуха//Теоретические основы химической технологии. 2018. Т. 52. № 1. С. 79-82.
8. Терпугов Г.В. Очистка сточных вод и технологических жидкостей машиностроительных предприятий с использованием неорганических мембран./ Рос. хим.-технол. ун-т. им. Д.И. Менделеева. М., 2000.- 95 с.
9. Ничипор В.В. Рациональные методы и режимы обезжелезивания подземных вод - Мн.: БелНИИНТИ, 1991 - 20 с.
10. Интенсификация процесса аэрации при удалении ионов железа из воды. Аверина Ю.М. автореферат дис. ... кандидата технических наук / Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева. Москва, 2016
11. Аверина Ю. М., Павлов Д. В., Вараксин С. О. Обезжелезивание воды с замкнутым циклом водопользования // Вода: химия и экология. — 2011. — № 2. — С. 18-22.
12. Аверина Ю.М., Павлов Д.В., Вараксин С.О. Комплексный подход к проблеме обезжелезивания воды//Водоочистка. 2010. № 12. С. 23-26.
13. Курбатов А.Ю., Аверина Ю.М., Меньшиков В.В., Аснис Н.А., Ваграмян Т.А., Юрьева Г.А., Мамателашвили М.Т.Окисление двухвалентного железа в различных водных средах //Xимическая промышленность сегодня. 2013. № 10. С. 36-41.
