Научная работа: Обезжелезивание воды
Основную часть наших опытов мы провели, используя в качестве фильтрующей загрузки обыкновенный силикатный строительный песок. Перед использованием песок тщательно отмывали от мелких частиц многократным взмучиванием и сливанием мутной воды. Затем песок сушили и просеивали через сито.
Для формирования слоя марганцевого катализатора первоначально мы испытали описанную в литературе [11,13] систему « восстановитель MnCl2 – окислитель KMnO4 », а такжеготовый препарат MnO2 .Затем стали искать замену хлориду марганца в реакции с марганцовкой, так как эту соль можно достать только в химической лаборатории. Основным критерием отбора вещества-восстановителя была его общедоступность, а также отсутствие психологического отторжения (химиофобии), так как это вещество должно использоваться населением в процессе очистки питьевой воды.
Из доступных веществ на роль восстановителя годятся железный купорос FeSO4 · 7H2 O (продается в хозяйственных магазинах), этиловый спирт С2 Н5 ОН и аскорбиновая кислота С6 Н8 О6 (витамин С, продается в аптеке).
Мы решили, что использование железного купороса в процессе обезжелезивания воды вызовет психологическое отторжение у потребителей (хотя в литературе описана работа установки [9], в которой используется система « восстановитель FeSO4 – окислитель KMnO4 »). В реакции окисления этилового спирта перманганатом калия образуется токсичный альдегид. В результате наш выбор остановился на аскорбиновой кислоте.
Окисление аскорбиновой кислоты перманганатом калия является многостадийным и сложным процессом [17] (см. приложение 7). Состав продуктов окисления зависит от условий реакции и количественного соотношения компонентов, но в любом случае они не токсичны для организма человека.
Мы проделали ряд опытов, чтобы подобрать оптимальное соотношение между компонентами окислительно-восстановительной реакции.
При избытке аскорбиновой кислоты происходит восстановление перманганата до двухвалентного марганца, при этом раствор мгновенно обесцвечивается. При недостатке восстановителя образуется красно-коричневый раствор K2 MnO4 .
Опытным путем мы установили, что для образования MnO2 надо взять растворы аскорбинки и марганцовки с одинаковой массовой долей, например, 0,5% или 1%, и смешать их в равных объемных отношениях.
Процесс окисления при этом можно описать следующей схемой:
2H+ + MnO4 − + C6 H8 O6 → C6 H6 O6 + MnO2 ↓ + 2H2 O(9)
аскорбиновая дегидроаскорбиновая
кислота кислота
Для формирования на поверхности песка слоя марганцевого катализатора были использованы различные технологические приемы:
1) последовательное пропускание растворов через фильтрующую загрузку;
2) тщательное смешивание сухого оксида марганца с песком;
3) смешивание фильтрующей загрузки со свежеполученной суспензией MnO2 ;
4) последовательное добавление растворов окислителя и восстановителя к песку с тщательным перемешиванием и отстаиванием.
При любом способе обработки песок сильно темнел и становился коричневым за счет образования слоя MnO2 . При фильтровании воды по мере расходования оксида марганца песок осветлялся. В момент проскока в слое песка были видны лишь небольшие темные зоны. Удалению катализатора с носителя способствовала повышенная кислотность нашего рабочего раствора (рН ~ 4-5), а также то, что железо присутствовало в сульфатной форме, а не в карбонатной форме, как в большинстве подземных водоисточников.
В очищенной воде рН повышалось до 6, следовательно, часть кислоты тратилась на растворение восстановленных оксидов марганца.
Mn2 O3 + 6H+ → 2Mn3+ + 3H2 O(10)
или MnO + 2H+ → Mn2+ + H2 O(11)
В таблице 3 представлены результаты опытов по использованию загрузок на основе песка для очистки воды от железа.
Из полученных данных следует, что технологические приемы формирования каталитического слоя не влияют на эффективность работы фильтрующих загрузок.
Объем очищенной воды зависит от количества оксида марганца, находящегося в фильтрующем слое. По нашей оценке в загрузках на основе песка объемом 30 мл содержалось примерно 300 мг MnO2, то есть в ~ 7 раз меньше, чем на катионите такого же объема, поэтому и объем воды, очищенной на песчаных фильтрах, был на порядок меньше, чем при использовании катионита.
Можно было бы сделать вывод о целесообразности применения в качестве фильтрующей загрузки чистого препарата MnO2, однако это вещество является мелкодисперсным порошком, и для использования его в качестве фильтрующей загрузки необходимо гранулирование оксида либо использование крупнодисперсного природного минерала (пиролюзит), чтобы скорость фильтрования была приемлемой для эксперимента.
Таблица 3. Очистка воды путем фильтрования через загрузки на основе силикатного песка.
| Фильтрующая загрузка объемом 30 мл | Объем фильтрованной воды до проскока Fe3+ | Объем фильтрованной воды до проскока Fe2+ |
|
Чистый песок | − | 0,1 л |
| Песок, обработанный последовательно пропусканием растворов 1М MnCl2 и 0,5%-ным KMnO4 | 0,5 л | 0,6 л |
|
Песок, содержащий 5% по объему оксида MnO2 | 0,65 л | 0,8 л |
| Песок, смешанный с суспензией MnO2 , полученной из 10 мл этилового спирта и 10 мл 0,5%-ного раствора KMnO4 | 0,35 л | 0,5 л |
| Песок, смешанный с 20 мл 0,5%-ного раствора KMnO4 и 20 мл 0,5%-ного раствора аскорбиновой кислоты | 0,55 л | 0,65 л |
Наш рабочий раствор по составу не соответствовал белорусским природным железосодержащим водам, так как содержал сульфатное, а не гидрокарбонатное железо, имел повышенную кислотность и концентрацию железа на порядок выше, чем в подземных водозаборах. Тем не менее, определенный объем воды очищался очень качественно.