Введение

Вода подземных источников, которая в дальнейшем будет использоваться как питьевая, практически всегда загрязнена. При этом причина загрязнений может быть связана как с геоморфологией тех слоев, через которые протекает вода источников, так и с антропогенными факторами, когда загрязненная поверхностная вода попадает в водоносные подземные слои.

Наиболее часто в качестве примесей металлов встречаются железо и марганец. Хотя железо и не является в полном смысле загрязнителем-токсикантом, его присутствие в воде проявляется в появлении бурого осадка на контактирующих с водой поверхностях; при этом ухудшаются органолептические свойства воды. Марганец является загрязнителем, имеющим 3- ю категорию опасности («опасные» вещества). Очевидно, что оба эти загрязнителя должны быть устранены из питьевой воды до необходимого уровня.

Прежде чем переходить к рассмотрению технологических приемов устранения железа и марганца из воды скважин, необходимо остановиться на химии взаимодействия озона с этими металлами.

Химия взаимодействия озона с железом и марганцем

Обычно эти два металла в виде простых двухвалентных ионов или более сложных комплексных соединений присутствуют в подземной воде совместно, поэтому имеет смысл рассмотреть их химию взаимодействия также совместно.

При этом необходимо разделить два случая:

а) взаимодействие с озоном при отсутствии органических соединений, в первую очередь гуминовых и фульвиевых;

6) взаимодействие с озоном в присутствии органических соединений.

Взаимодействие с озоном железа и марганца при отсутствии органических загрязнений Существует ряд исследований, где наблюдалась более сложная стехиометрия соотношения «озон/железо» до 2,5 в зависимости от времени реакции и рН. от 1,5

Таблица 6.7 Эффективность удаления органических загрязнений на различных этапах очистки воды

Озон легко окисляет растворенный марганец до нерастворимого диоксида марганца при нейтральных рН, однако избыточное количество озона приводит к образованию растворимого перманганата:

Более очевидным образом зависимость кинетики растворимо- го марганца от величины рН наблюдается на рис. 6.14 и 6.15.

Установлено, что константа окисления Мп+2 Мп растет +4 с ростом рН. Это говорит о сложности процесса окисления, происходящего, очевидно, в несколько стадий.

Из рис. 6.14 и 6.15 видно также, что наблюдается отклонение от кинетики второго порядка (первый по марганцу и первый по озону) в области завершения реакции (например, кривая при рН 6,35 на рис. 6.15. Наиболее простое объяснение заключается в протекании реакции (6.9), приводящей к образованию раство римого семивалентного марганца.

Согласно данным, приведенным на рис. 6.14 и рис. 6.15, не наблюдается большого влияния концентрации карбонатов в пре- делах 1-4 мг-эквивалента на 1 литр при рН 6,35.

Взаимодействие железа и марганца с озоном в присутствии органических загрязнений. Присутствие органических загрязнителей в питьевой воде совместно с железом и марганцем резко меняет всю картину очистки воды от этих загрязнителей.

Органические вещества могут влиять на природу действия оксидантов, выступая как промотор или ингибитор свободных радикалов, возникающих в процессе окисления.

Эти вещества трансформируют форму катионов металла за счет образования комплексов различной стабильности. Наконец, возможна прямая конкуренция в процессах окисления между металлом и органическим загрязнителем.

Известно, что гуминовые соединения и вещества типа фульвиевых кислот образуют прочные комплексы с железом и уменьшают возможность их окисления. При этом в воде остается определенная концентрация железа, не устраняемая даже высокими дозами озона. В этом случае образуются очень прочные железо-органические комплексы, которые в дальнейшем не окисляются.

Эти металлоорганические соединения достаточно хорошо убираются коагуляцией. Железо практически полностью устраняется при коагуляции и последующей фильтрации при рН 8,5, в то время как марганец удаляется лишь частично.

Эти авторы отмечают также, что увеличение уровня бикарбонатионов приводит к лучшему окислению марганца. Вероятно, это связано со стабилизирующим действием бикарбонатов на растворенный в воде озон.

Стехиометрия окисления железа и марганца озоном в присутствии органических соединений. Трудность окисле ния железа в присутствии фульвиевых и гуминовых соединений хорошо иллюстрирует рис. 6.16, а, б. Достаточно высокие дозы озона (до 5 мг/л) практически не оказывают влияния на окис ление железа (рис. 6.16, а). Более того, озон мало воздействует непосредственно на фульвиевые кислоты, о чем свидетельствует слабое изменение абсорбции при х

Несколько другая картина наблюдается при взаимодействии озона и гуминовых кислот. Здесь наблюдается окисление железа и органики при дозе озона выше 3 мг/л.

Данные, представленные на рис. 6.17, являются весьма показательными. Процесс окисления железа в присутствии фульвиевых кислот (4 мг/л) полностью ингибируется даже при дозе озона в 5 мг/л. Интересно, что сами фульвиевые кислоты разрушаются под действием озона как при отсутствии железа, так и при его наличии. Об этом свидетельствуют кривые абсорбции при А = 254 нм и х = 400 нм. В присутствии железа поглощение на этих длинах волн резко увеличивается, но процесс идет с той же интенсивностью кривые поглощения в обоих случаях практически параллельны.

Марганец ингибируется фульвиевыми и гуминовыми соединениями значительно слабее, чем железо. Необходимая доза озона для окисления марганца в присутствии органических соединений может превышать соответствующую величину при отсутствии органики в 2-5 раз в зависимости от уровня растворимых органических загрязнений (DOC) и концентрации бикарбонатов.

На рис. 6.18, а, б показана скорость окисления растворимого марганца в присутствии 2 мг/л DOC и 5 мг/л DOC. DOC аббревиатура растворенных органических соединений.

Чем выше концентрация карбонат/бикарбонатионов в растворе, тем легче проходит окисление марганца при той же дозе озона. Факт, что бикарбонат оказывает влияние на окисление Мn в присутствии фульвиевых и гуминовых соединений, говорит о том, что эти органические соединения выступают как промото- ры радикальных цепных реакций. Высокие уровни бикарбоната приводят к обрыву этих цепей и минимизируют образование непродуктивного в данном случае ОН-радикала.

При 5 мг/л DOC (рис. 6.18,6) наблюдается сходная с данными рис. 6.18, а картина, но при одной и той же концентрации карбонат-ионов доза озона, необходимая для достижения такого же уровня окисления, выше в случае концентрации DOC 5 мг/л.

Очевидно, что озон имеет значительное преимущество по скорости окисления как окислитель, не говоря уже об отсутствии продуктов распада самого окислителя, что всегда представляет определенную проблему.

Влияние карбонатов на уход растворимого марганца хорошо прослежено в работе. В экспериментах к лабораторной воде добавили гуминовые вещества, выделенные из природной воды. В работе варьировалось отношение фульвиевые кислоты/гуминовые кислоты (аббревиатура РА/НА).

На рис. 6.19 показано снижение уровня марганца в зависимости от дозы озона при постоянной концентрации карбоната. Небольшое увеличение остаточного марганца при дозе озона более 1 мг/л связано, очевидно, с появлением водорастворимого семивалентного марганца.

На рис. 6.20 хорошо иллюстрировано влияние дозы озона на остаточную концентрацию марганца при наличии или отсутствии гуминовых соединений и бикарбонатов. Очевидно, что бикарбонаты ускоряют уход марганца из воды, несмотря на присутствие гуминовых кислот.

Автор книги "Теория и практика получения и применения озона"
В.В. Лунин, Самойлович, В.Г., С.Н. Ткаченко, И.С. Ткаченко

По вопросам и предложениям свяжитесь с нами любым удобным способом

Телефон: 8 (800) 775-28-45
E-mail: info@ozonbox.pro
Соцсети: Вконтакте | Rutube