Аномальные свойства воды и состав природных вод

Вода обладает рядом аномальных свойств, определяющих боль­шинство физико-химических и биологических процессов на Земле. Это единственное соединение, которое в природных условиях сущест­вует в виде жидкости, твердого вещества (лед, снег) и газа (пары во­ды). Причиной аномальных свойств, отличающих воду от других жид­костей, является полярность молекул и ассоциативный характер ее строения: характерные для воды водородные связи[19] обуслов­ливают упорядоченное строение ассоциатов воды, как в составе льда, снега, так и в составе жидкости. Во льду каждая молекула воды свя­зана со всеми своими четырьмя соседями, образуя максимально воз­можное число водородных связей. В жидкой воде имеются ассоциаты, содержа­щие до девяти молекул (Н₂О)₉.

Температура кипения и замерзания воды аномальна по срав­нению с аналогичными показателями других гидридов элементов VI группы Периодической системы (табл. 23). Благодаря этому вода остается твердой или жидкой при значительно более высоких темпе­ратурах, не переходя в газообразное состояние и обеспечивая тем са­мым жизнь на Земле.

Таблица 23

Температура плавления и кипения гидридов элементов VI группы Периодической системы Д.И. Менделеева (Мешалкин, 2007)

Гидрид	Температура плавления, 0С	Температура кипения, 0С
H2Te	-51	-2
H2Se	-65,7	-41,4
H2S	-85,6	-60,35
H2O

Теплоемкость воды. Удельная теплоемкость воды выше, чем у всех твердых и жидких веществ, за исключением жидкого аммиака и водорода и при 0 ⁰С составляет 75,3 Дж/(моль*К), или 4,185 кДж/(кг*К). Благодаря огромной теплоемкости воды океаны сглаживают колебания температуры: перепад температур от экватора до полюса в Мировом океане составляет всего 30 °С. Теплоемкость воды, при которой требуются минимальные энергетические затраты для ее изменения, приходится на температуру 37 °С. Наверное, поэтому температура тела теплокровных существ близка к этому значению. Близость океана обусловливает мягкий морской климат, для ко­торого характерна небольшая разность температурных колебаний. В связи с удаленностью океана континентальный климат характери­зуется резкой сменой температур по временам года. Вследствие той же причины - большой теплоемкости воды - разница температур дня и ночи, очень резкая для стран с континентальным климатом, почти не­заметна на островах океана.

При замерзании воды происходит резкое увеличение ее объема, плавления воды. Образующийся при этом лед - твердая кристаллическая фаза воды - имеет плотность 0,92 кг/дм³, то есть он легче воды и поэтому будет плавать на ее поверхности. Лед и покрывающий его снег являются защитой водоема от промерзания, так как обладают малой теплопроводностью.

Аномальный вид температурной зависимости плотности воды. Плавление льда сопровождается не полным, а лишь частичным разрушением его кристаллической структуры; образовавшиеся мономерные молекулы заполняют пустоты в тетраэдрических структурах воды, приводя к увеличению плотности. Максимум плотности воды наблюдается при температуре около 4°С, при которой килограмм воды занимает минимальный объем (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость плотности воды от температуры

Так, при 0 °С дистиллированная вода имеет плотность 0,999 841 кг/дм³, при 25 °С - 0,9 977 047 кг/дм³, а при 4 °С плотность воды составляет 0,999 973 кг/дм³. Благодаря этому с наступлением морозов поверхностный слой воды, охлажденный до 4 °С, как более тяжелый, опускается на дно водоемов, вытесняя более теплые и легкие слои на поверхность. В дальнейшем, когда весь водоем охладится до 4 °С, будет охлаждаться только поверхностный слой, который, как более легкий, будет оставаться на поверхности водоема. Уменьшение плотности воды с ростом температуры обусловлено увеличением расстояния между ее молекулами.

Удельная энтальпия плавления. Значение удельной энтальпии плавления воды (ΔН_пл = 6,012 кДж/моль, или 332,4 кДж/кг при 273 К) является наиболее высоким среди твердых тел, за исключением ам­миака и водорода. Вода, снег и лед для перехода в другое агрегатное состояние требуют значительного расхода энергии, поэтому эти пере­ходы обычно растягиваются во времени. При замерзании одного ку­бометра воды выделяется столько же тепла, сколько образуется при сжигании около 10 кг угля. Благодаря высокой теплоте плавления во­ды на Земле сглаживаются сезонные переходы. Весну и осень в сред­них и высоких широтах можно рассматривать как сезон фазовых пере­ходов воды.

Удельная энтальпия испарения. Высокое значение удельной энтальпии испарения воды (ΔН_кип= 40,683 кДж/моль, или 2256 кДж/кг при 373 К) приводит к тому, что большая часть солнечной энергии, достигающей Земли, расходуется на испарение воды, препятствуя пе­регреву ее поверхности. Даже в самое жаркое время вода испаряется очень медленно, что способствует ее сохранению и, следовательно, сохранению жизни на Земле. При конденсации паров воды в атмосфе­ре происходит выделение этой энергии, которая может переходить в кинетическую энергию компонентов атмосферы, вызывая ураганные ветры.

Поверхностное натяжение воды является аномально высоким (σ = 71,9-10^-3 Дж/м² при 298 К), поэтому приводит к появлению ряби и волн уже при слабом ветре. В результате этого резко возрастает пло­щадь водной поверхности и интенсифицируются процессы тепло- и газообмена между атмосферой и гидросферой. С высоким поверхно­стным натяжением связаны и капиллярные силы, благодаря которым вода по капиллярам способна подниматься на высоту до 10-12 м от уровня грунтовых вод. Из всех жидких веществ поверхностное натяжение больше, чем у воды, только у ртути.

Аномально высока скорость распространения звука в воде. Она превышает его скорость распространения в воздухе почти в 6 раз.

Диэлектрическая проницаемость воды имеет также аномально высокое значение (78,3 при 298 К). Это определяет самую большую растворяющую способность воды по отношению к веществам с полярной и ионной структурой. Поэтому в природе нет химически чистой воды, а есть водные растворы. Как уже говорилось выше, каждая полярная молекула воды свя- зана прочной водородной связью с четырьмя другими молекулами и образует ажурную тетраэдрическую структуру. По-видимому, растворенного вещества, имеющие малый размер, размещаются в пустотах такой сетки и слабо влияют на структуру воды (гидрофобное внедрение). Ионы большого размера могут замещать водные молекулы в структурных узлах (гидрофильное внедрение). В результате взаимодействия ионов растворенного вещества с молекулами воды изменяются ее термодинамические свойства, нарушается ее упорядоченная структура в ближайшем окружении (увеличение энтропии) или, наоборот, происходит стабилизация структуры.

Действие ионов зависит не только от размеров, но и от их заряда и строения электронной конфигурации. Сильно гидратированные, особенно многозарядные ионы (РО₄^3-, SO₄^2-, F^-, А1³⁺, Мg²⁺, Li⁺ упорядочивают структуру воды и повышают ее вязкость; слабогидратированные, чаще всего однозарядные, ионы (К⁺, Сs⁺,I^-, Сl^-, NO₃^-, ClO₄^-) разупорядочивают структуру и понижают вязкость воды. Молекулы неэлектролитов также могут влиять на структуру воды.

Главнейшими природными соединениями, определяющими состав природных вод, являются галит - NаС1[20], гипс — СаSO₄*2Н₂O, кальцит – СаСО₃ и доломит – СаСО₃*МgСО₃. При контакте воды с этими соединениями образуются соответствующие растворы с концентрацией NаС1 до 400 г/л, а СаSO₄ - до 2-3 г/л[21].

Среди катионов, присутствующих в воде Мирового океана, преобладающими являются (в порядке убывания концентрации) Nа⁺ > Mg²⁺> Са²⁺ > К⁺. Среди анионов в воде Мирового океана преобладают Сl- > SO₄^2- > НСО₃^- > Вr^-.

В воде открытого океана, независимо от абсолютной концентрации, количественные соотношения между главными компонентами основного солевого состава всегда постоянны (закон Дитмара). Используя закон Дитмара, можно, определив экспериментально концентрацию одного компонента, рассчитать содержание остальных ионов. Ориентировочная суммарная концентрация солей в морской воде составляет около 35 г/л.

В речной воде среди катионов наиболее распространены Са²⁺>Nа⁺ > Мg²⁺> К⁺, а среди анионов – НСО₃^- > SO₄^2- > Сl^-. В отличие от воды Мирового океана в речной воде, в зависимости от территориальных особенностей местности, наблюдаются значительные колебания как по солевому составу, так и по концентрации солей[22].

Изотопный состав природных вод. Вследствие наличия изотопов водорода ¹₁Н, ²₁Н (D—дейтерий) и ³₁Н (Т—тритий) и изотопов кислорода ¹⁴₈О, ¹⁵₈О, ¹⁶₈О, ¹⁷₈О, ¹⁸₈О имеется большое количество разновидностей изо­топной воды, из которых 9 состоит из стабильных изотопов и содер­жится в природной воде в следующих концентрациях, % мол.: Н₂¹⁶О -99,73; Н₂¹⁷О-0,04; Н₂¹⁸О-0,2; НD¹⁶O-0,03; НD¹⁷O-1,2* 10^-15; НD¹⁸O-5,7* 10^-5; D₂¹⁶O- 2,3*10^-6; D₂¹⁷O- 0,9*10^-9; D₂¹⁸O- 4,4*10^-9.

В тяжелой воде, содержащей изотоп дейтерий, замедляются не­которые химические реакции и биологические процессы. Она отрица­тельным образом влияет на организм человека. D₂O, имеющая моле­кулярную массу 20,03, кипит при температуре 101,42 °С, замерзает при температуре 3,81 °С, имеет максимальную плотность при 11,6 °С. В связи с более высокой температурой замерзания тяжелая вода быст­рее конденсируется на меньших высотах, а снег, образующийся на от­носительно больших высотах, содержит меньше тяжелой воды, чем дождевые капли. При электролизе в первую очередь разлагаются мо­лекулы «легкой» воды, а в остатке постепенно накапливается D₂O.Тяжелая вода используется как замедлитель нейтронов.

Третий изотоп водорода - тритий, в отличие от изотопов Н и D, радиоактивен и обнаружен в природе лишь в небольших ко­личествах. В пресноводных озерах соотношение Н:Т = равно 10¹⁸:1, а в поверхностных водах - 10¹⁹:1. По физическим свойствам вода, со­держащая тритий, еще больше, чем дейтериевая, отличается от обыч­ной воды.

 

Водопроводная вода

Россия богата водными ресурсами: в ней сосредоточено более 20 % мировых запасов пресных поверхностных и подземных вод. Источни­ками водоснабжения в большинстве регионов РФ являются поверхно­стные воды рек и озер, на долю которых приходится 65—68 % от обще­го объема водозабора. Подземные воды на территории РФ использу­ются достаточно неравномерно. Вода из артезианских скважин состав­ляет более 70 % общего водозабора в Брянской, Владимирской, Смо­ленской, Тульской, Орловской и некоторых других областях. Менее 20 % составляет водозабор подземных вод в Новгородской, Архан­гельской, Мурманской, Костромской, Ярославской и некоторых дру­гих областях с неблагоприятными для этого гидрогеологическими условиями.

Несмотря на богатые водные ресурсы, более половины населе­ния страны пользуется недоброкачественной питьевой водой, содер­жащей значительные количества 3В. Особенно тяжелое положение с загрязнением поверхностных источников сложилось в Астраханской, Кемеровской, Калининградской, Томской, Тюменской, Ярославской, Курганской областях и Приморском крае.

Получение питьевой воды. Технология очистки воды с забором из поверхностных источни­ков чаще всего включает последовательное проведение следующих стадий: а) предварительное хлорирование; б) реагентная обработка солевым коагулянтом и отстаивание; в) осветление (фильтрование) на песчаных фильтрах; г) хлорирование. С середины 1980-х годов па не­которых зарубежных водопроводных станциях Англии, Австралии и других стран стали включать обязательное фильтрование воды через загрузку с активированным углем, обеспечивающим удаление из воды органических примесей.

При заборе воды из подземных источников, имеющей, как пра­вило, незначительную мутность и повышенное солесодержание, не используют солевые коагулянты, а применяют специальные техноло­гические приемы (обезжелезивание, удаление сероводорода, деманганация и др.). Иногда подземные воды соответствуют нормативным требованиям, тогда процесс водоподготовки значительно упрощается.

Природные воды — сложные многокомпонентные системы, со­держащие частицы различной дисперсности (взвесь, коллоиды, моле­кулы, ионы). В зависимости от природы содержащихся в воде приме­сей различают мутные и цветные воды. В мутных водах преобладают неорганические примеси (кремниевая кислота, алюмосиликаты), нахо­дящиеся во взвешенном (дисперсном) состоянии. Цветность природ­ных вод обусловлена присутствием солей железа гуминовых и фульвокислот, находящихся в коллоидном или истинно растворенном со­стоянии.

Осветление воды производится с использованием коагулянтов[23].

Обработкой во­ды коагулянтами можно также устранить до 80-90 % веществ, обу­словливающих цветность воды, видимо, за счет их сорбции на поверх­ности продуктов гидролиза коагулянтов.

В качестве коагулянтов в водоподготовке применяют соли по­ливалентных металлов - сернокислый алюминий А1₂(SO₄)₃*18Н₂O, сульфат закисного железа FеSO₄*7Н₂O, хлорное железо FеСl₃*7Н₂О и некоторые другие. Попадая в воду, солевые коагулянты гидролизуются с образованием труднорастворимых оснований или основных солей, например:

FеСl₃ + 3Н₂О Fе(ОН)₃+ 3НС1

Fе³⁺ + 3Н₂О Fе(ОН)₃ + 3Н⁺

Процесс гидролизасолевого коагулянта сопровождается вы­делением кислоты, которая для смещения равновесия должна быть связана. В природной воде связывание ионов водорода происходит согласнореакции:

Н⁺ + НСО^3- CO₂ + Н₂О

Наличие бикарбонат-ионов в воде является необходимым усло­вием для обеспечения глубокого протекания процесса гидролиза. При малой щелочности исходную воду подщелачивают известью, едким натром или содой.

Агрегативная устойчивость коллоидных систем объясняется су­ществованием двойного электрического слоя ионов и скачка потен­циала на границе раздела фаз. Возникновение заряда у коллоидных частиц обусловливается избирательной адсорбцией ионов определен­ного знака из дисперсионной среды или же диссоциацией поверхност­ных молекул, образующих частицу. Обычно ядро коллоидной частицы адсорбирует ионы, в составе которых находятся элементы или атом­ные группировки, имеющиеся в веществе ядра частицы (правило Пес­кова-Фаянса).

Коллоиднаячастица (мицелла) в целом электронейтральна, таккак к ней притягиваются ионы противоположного знака. Таким обра­зом, вокруг частицы возникает двойной электрический сдой, внутрен­няя обкладка которого расположена на поверхности частицы, а внеш­няя граничит с жидкостью, окружающей частицу. Этот внешний слой называется диффузным, причем его заряд будет равен и противополо­жен по знаку заряду частицы. Концентрация противоионов макси­мальна у поверхности (плотный ионный слой) и убывает с увеличени­ем расстояния от поверхности частицы. Структуру мицеллы Fе(ОН)₃, образовавшуюся при гидролизе FеС1₃ (слабокислая или нейтральная среда), можно представить формулой

Гидроксиды железа или алюминия, образовавшиеся в результате протекания гидролиза и находящиеся вначале в коллоидном состоя­нии, имеют положительно заряженные частицы (гранулы). Основная масса коллоидных частиц природной воды имеет отрицательный за­ряд. За счет взаимной нейтрализации частиц нарушается их агрегатив­ная и кинетическая устойчивость, происходит слипание и седимента­ция (взаимная коагуляция коллоидов).

Процесс коагуляции имеет две стадии - скрытую и явную.Наскрытой стадии происходит формирование коллоидного раствора Fе(ОН)₃ и образование микрохлопьев. Именно на этой стадии коагу­ляции вода в основном и очищается от первичных коллоидных приме­сей; на следующей, второй, стадии процесса, образуются крупные хло­пья (флокулы) размером 1-3 мм, которые, обладая высокой сорбционной способностью, дополнительно извлекают примеси из воды.

Большое влияние на процесс коагуляции оказывает температура и режим перемешивания. При повышении температуры увеличивается скорость и глубина гидролиза, скорость формирования и отделения твердой фазы, что в конечном результате ускоряет и углубляет коагу­ляцию примесей. Для интенсификации процесса коагуляции в обрабатываемую воду вводят специальные вещества - флокулянты. Сущность процесса флокуляции состоит в том, что агрегация коллоидных частиц в этом случае происходит не только непосредственно, но и через молекулы флокулянта. В качестве флокулянтов используют неорганические (ак­тивная кремнекислота) или органические высокомолекулярные соеди­нения, среди которых наиболее широкое применение получил полиакриламид.

За счет отстаивания (седиментации) не удается получить воду с концентрацией твердой фазы менее 10 мг/л, поэтому воду дополни­тельно подвергают фильтрованию через насыпные фильтры. В качест­ве фильтрующих материалов чаще всего используют кварцевый песок. После насыщения фильтра взвесью его регенерируют (промывают) обратным током воды.

Обеззараживание воды. Опасность заболеваний человека от микробиологического за­грязнения воды многократно выше, чем при ее загрязнении химиче­скими веществами различной природы. Большинство микроорганиз­мов безвредно для человека, а некоторые из них даже полезны. Однако в воде существуют микробы и вирусы, являющиеся причиной тяжелых инфекционных заболеваний (брюшной тиф, дизентерия, холера, ви­русный гепатит, полиомиелит, менингит, сибирская язва и др.), а так­же яйца гельминтов. Чаще всего ими бывают богаты канализационные сточные воды, а кишечная палочка, живущая в кишечнике человека, является индикатором загрязнения воды канализационными стоками, так как она наименее чувствительна к обеззараживающим агентам по сравне­нию с возбудителями инфекционных заболеваний.

На завершающем этапе очистки питьевой воды, в целях обес­печения эпидемической безопасности, ее подвергают обеззараживанию. Наиболее стойкими к обеззараживающим факторам, по сравне­нию с бактериями и вирусами, являются не так давно открытые гигие­нистами простейшие Гьярдия и Криптоспоридия, а также инфици­рующие цисты. Следует отметить малую эффективность применяемых методов обеззараживания против энтеровирусов.

Обеззараживание воды осуществляют с помощью химических реагентов, чаще всего окислителей (галогены и их соединения, озон, пероксид водорода, перманганат калия, ионы серебра, меди и др.), с помощью физических факторов, а также с помощью получивших ши­рокое развитие в последнее время мембранных методов очистки воды.

Несмотря на разнообразие обеззараживающих средств, во всем мире в 99 случаях из 100 для дезинфекции воды используют хлор или хлорсодержащие продукты. Никакой другой метод не оказывает тако­го длительного бактерицидного действия (см. лаб. работу «Определение остаточного хлора»).

Кроме хлора и его соединений для обеззараживания могут быть использованы другие галогены - бром, йод и их соединения. Бром обеспечивает высокую степень дезинфекции, не дает неприятных за­пахов, эффективен против водорослей, не раздражает глаза, не образу­ет тригалометанов, удачно подходит для обеззараживания воды бас­сейнов. ПДК для образующегося в процессе дезинфекции бромид-иона 0,2 мг/л, его токсическая доза для человека - около 3 г, леталь­ная — более 35 г. В относительно высоких концентрациях бромид-ионы угнетают деятельность щитовидной железы.

Йод аналогичен по дезинфицирующему действию брому. В воде он гидролизуется гораздо меньше, чем хлор: I₂ + Н₂О = HIО + HI. Не­обходимая для обеззараживания доза йода при рН<7 составляет 0,3-1 мг/л, а неприятный запах йода в воде обнаруживается при его концентрации лишь более 1,5 мг/л. Наличие в воде органических ве­ществ, аммиака или аммонийных солей мало снижает бактерицидные свойства йода, так как последний не образует йодаминов и очень мед­ленно реагирует с органическими веществами природных вод. Йод является жизненно важным элементом и обладает высокой биологиче­ской активностью. ПДКрх для йодид-иона составляет 0,4 мг/л; порог токсичности йода равен 5 мг/сутки. Дезинфекция йодом, однако, об­ходится в 15-20 раз дороже, чем дезинфекция хлором.

Мнение об озонировании, как о более безвредном способе обез­зараживания воды, которым механически можно заменить хлорирова­ние, поверхностно и ошибочно. Продукты реакций озона с органиче­скими веществами представляют собой альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и-другие небезобидные соединения, обусловливающие вторичное загрязнение воды. Фенолы под действием озона расщепля­ются с образованием альдегидов, глиоксаля, щавелевой и дикарбоновых кислот. Выделяющиеся при озонировании органические соедине­ния являются питательной средой для микроорганизмов, которые, по­падая в системы распределения воды, при этом бурно размножаются. Озонирование также требует дополнительной очистки от образую­щихся побочных продуктов и не обеспечивает защиту от повторного загрязнения.

Из препаратов индивидуального обеззараживания воды наиболее распространены органические хлорамины и йодорганические соединения. К хлораминам относится пантппид, одна таблетка которого содержит 3 мг активного хлора и при растворении обеззараживает около 750 мл прозрачной воды в течение- 30 минут. Значительно эф­фективнее пантоцида йодорганические соединения в смеси с виннокаменной кислотой. Для обеззараживания небольших количеств воды могут быть использованы также пероксид водорода Н₂О₂ или перманганат калия КМnO₄. Дезинфицирующее действие перманганата калия значительно слабее, чем хлора из-за его активного взаимодействия с органическими и неорганическими веществами.

Обеззараживание под действием физических факторов (кипяче­ние, облучение ультрафиолетом, обработка ультразвуком) исключает введение химических веществ в очищаемую воду и характеризуется во всех случаях отсутствием пролонгированного обеззараживающего эффекта. Достаточно широко используемое УФ-облучение эффектив­но только при обеззараживании прозрачной воды, не содержащей взвесей.

Кипячение воды связано с большими энергозатратами, обуслов­ленными фазовым переходом жидкость - пар. Кипячение жесткой во­ды с последующим ее охлаждением и отстаиванием, помимо обезза­раживающего эффекта, приводит к образованию осадка карбонатов кальция и магния в соответствии с уравнениями реакций:

Са(НСО₃)₂=СаСО₃↓ +СО₂↑ + Н₂О

Mg(НСО₃)₂=MgСО₃↓ +СО₂↑+ Н₂О

Образующиеся осадки имеют высокоразвитую поверхность; они адсорбируют и увлекают с собой ионы тяжелых металлов (Fе, Ni, Рb и др.) и многие другие микропримеси, обеспечивая эффективную очист­ку воды и ее умягчение (на 25-35 % и более) без применения, каких-либо дорогостоящих материалов и приспособлений. Явным показате­лем очистки воды от ионов железа является рыжеватый цвет отстояв­шегося осадка или отложившейся накипи.

При относительно небольших расходах воды в последнее время для ее очистки широко используют фильтрование через мембраны с различными размерами пор.

Микрофильтрацня обеспечивает удаление из воды только взве­шенных веществ, ультрафильтрация - коллоидных частиц и макромо­лекул (белки, полисахариды и др.), обратный осмос - удаление до 99 % солей и молекул органических веществ. Учитывая относительно большие размеры бактерий (300-10 000 нм), а также то, что вирусы (30-300 нм) чаще всего находятся в адсорбированном состоянии на поверхности бактерий или взвешенных частиц, мембранные техноло­гии обеспечивают стерилизацию воды одновременно с ее очисткой. Обеззараживающий эффект возрастает с уменьшением пор в исполь­зуемых мембранах в ряду микро-, ультра- и гиперфильтрации.

Для осуществления фильтрационных процессов широко исполь­зуются полимерные, а также более долговечные керамические мем­браны. Необходимое для фильтрования давление колеблется в преде­лах от 10—60 (обратный осмос) до 2 и менее атмосфер (микрофильтра­ция). При использовании мембранных технологий исключаются мно­гие технологические недостатки, как хлорирования, так и других мето­дов обеззараживания.

Обезжелезивание воды (см.лаб. работу «Определение железа»).

Удаление марганца. Марганец в природных водах может находиться в виде различ­ных соединений. В подземных водах он преимущественно находится в виде бикарбоната Мn(НСО₃)₂, хорошо растворимого в воде. Концен­трация ионов Мn²⁺ в подземных водах обычно колеблется в пределах от 0,5 до 2-3 мг/л. В поверхностных водах, содержащих гумусовые соединения, марганец может образовывать комплексные органические соединения, в том числе и в коллоидной форме. Содержание марганца в поверхностных водоемах обычно незначительно, однако вследствие загрязнения промстоками может достигать 3-4 мг/л. ПДК марганца для питьевой воды и воды рыбохозяйственных водоемов составляет 0,1 и 0,01 мг/л соответственно.

Двухвалентный марганец медленно окисляется кислородом, раство­ренным в воде, до 3- или 4-валентного состояния. 3- и 4-валентный марга­нец гидролизуется с образованием осадков, соответственно Мn(ОН)₅ и Мn(ОН)₄ (точнее МnО_2*хН₂О), растворимость которых в воде при рН>7 не превышает 0,01 мг/л.

Скорость окисления Мn²⁺ растворенным кислородом в очень сильной степени зависит от значения рН воды. При рН<8 без катали­заторов окисление Мn²⁺ практически не происходит, а достаточно бы­строе окисление наблюдается лишь при значениях рН>9,5. Процесс окисления 2-валентного марганца резко ускоряется при контакте аэри­рованной воды с дробленным пиролюзитом, марганцевым катионитом или осадком Мn(ОН)₂, предварительно окисленным аэрацией.

При фильтровании аэрированной и предварительно подщело­ченной воды, содержащей ионы Мn²⁺, через насыпной песчаный фильтр, поверхность песчинок которого покрыта отрицательно заря­женным осадком Мn(ОН)₄, последний адсорбирует ионы Мn²⁺. Эти ионы гидролизуются и реагируют с ранее выпавшим осадком, образуя Мn₂O₃:

Мn(ОН)₄+ Мn(ОН)₂ Мn₂O₃+ 3Н₂О

Последний легко окисляется растворенным в воде кислородом с образованием Мn(ОН)₄, который снова участвует в процессе окисле­ния, являясь катализатором:

2 Мn₂O₃ + 8 Н₂О + О₂ 4Мn(ОН)₄

Одновременная очистка воды от ионов марганца и железа может быть осуществлена ее обработкой перманганатом калия, в резуль­тате которой образуются осадки, соответственно МnО_2*хН₂О и Fе(ОН)₃:

3Мn²⁺ + 2МnO₄^- + 2Н₂О 5МnO₂ ↓ + 4H⁺

3Fе²⁺ + МnO₄^- + 7 Н₂О 3 Fе(ОН)₃ ↓ + МnO₂ ↓ + 5H⁺

Марганец относится к важнейшим биогенным микроэлементам, входя в состав множества ферментов и участвуя в выполнении разнооб­разных функций в организме (синтез и обмен нейромедиаторов, обеспе­чение стабильности клеточных мембран, функционирование мышечной ткани, обмен гормонов щитовидной железы и др.). Среднесуточная по­требность человека в марганце составляет 2—5 мг. Оптимальная интен­сивность поступления марганца в организм - 3-5 мг/день; уровень, при­водящий к дефициту, и порог токсичности оценивается в 1 и 40 мг/день соответственно. Период полувыведсния марганца из организма составля­ет 4-40 суток.

Обесфторивание и фторирование воды. Избыток фтора в питьевой воде (ПДК=1,5 мг/л) при длительном ее употреблении вызывает флюороз зубов. В районах недостаточного поступления йода в ор­ганизм человека избыток фтора в питьевой воде может вызывать забо­левание щитовидной железы в результате вытеснения фтором йода в ее тканях. При многолетнем использовании воды с содержанием фто­ра более 5 мг/л, особенно в условиях жаркого климата, может про­изойти обызвествление сухожилий и связок (флюороз скелета). Опти­мальной концентрацией ионов фтора в питьевой воде считается 1 мг/л.

Содержание фтора в природных водах чаще всего колеблется в пределах 0,3-0,4 мг/л, но может достигать и 12 мг/л.

Удаление ионов фтора за счет образования осадков малораство­римых фторидов является безуспешным в связи с относительно высо­кой растворимостью последних.

Методы обесфторивания воды основаны на использовании селективных по отношению к фтор-ионам анионитов (активированная окись алюминия, гидроксилапатит) или сорбентов (свежевыделенные осадки гидроксидов магния, алюминия или фосфата кальция). Наи­лучшие результаты обесфторивания имеют место при использовании активированной окиси алюминия.

В процессе обесфторивания воды на активированной сернокис­лым алюминием окиси алюминия происходит ионный обмен в строго эквивалентных соотношениях по следующим схемам:

[Аn]₂SO₄ + 2F^- = 2[Аn]F + SO₄^2-

[Аn]₂SO₄ + 2НСО₃^- = 2[Аn]НСО₃^-+ SO₄^2-

Благодаря селективным свойствам активированной окиси алю­миния поглощение фтор-ионов происходит гораздо интенсивнее, чем бикарбонат-ионов, несмотря на то что концентрация последних значи­тельно выше.

Фтор жизненно необходим для нормального роста и развития организма. При недостатке фтора в рационе людей наблюдается рас­пространение кариеса, приводящего к потере зубов. Содержание фто­ра в теле взрослого человека составляет около 2,6 г, причем 99 % его количества приходится на кости и зубную эмаль. Среднесуточное по­ступление фтора с пищей составляет 0,5—1,5 мг. Токсическая доза фтор-ионов для человека составляет 20 мг, летальная - около 2 г. Пе­риод полувыведения фтора из организма составляет 808 суток.

Удаление сероводорода. Сероводород содержится в некоторых подземных водах, придавая им неприятный запах при концентрации Н₂S более 0,5 мг/л. В зависимо­сти от величины рН сероводород в водных растворах находится в виде молекулярного Н₂S или ионов НS^- при значениях рН более 10 в воде по­являются ионы S^2-. Предельно допустимые концентрации Н₂S и НS^- для питьевой воды соответственно равны 0,003 и 3,0 мг/л.

Вода, содержащая Н₂S, обладает повышенной коррозионной актив­ностью по отношению к металлическим трубам и бетону. Сероводород образует с кальцием, содержащимся в бетоне, растворимый Са(НS)₂, который вымывается водой. При взаимодействии продуктов окисления серово­дорода с кальцием образуется сульфоалюминат кальция, удельный объем которого многократно превышает удельный объем бетона, что также при­водит к его разрушению.

Для очистки воды от сероводорода могут быть использованы че­тыре варианта осуществления технологических процессов:

1) физический метод - аэрация;

2) химические методы, основанные на окислении Н₂S, осаждении сульфида железа или использовании окислительно-восстановительных анионитов;

3) физико-химические методы, основанные на подкислении во­ды и последующей аэрации;

4) биохимический метод с использованием бактерий, окисляю­щих сероводород в процессе своей жизнедеятельности.

Применение аэрации для очистки эффективно при значениях рН менее 5, когда сероводород находится в молекулярной форме, так как ионы НS^-непосредственно аэрацией не удаляются. В связи с переходом молекул Н₂S из жидкой фазы в газообразную при аэрационной очистке воды происходит загрязнение сероводородом атмосферного воздуха.

Наряду с десорбцией при аэрации также происходит окисление части Н₂S до серы: 2 Н₂S + О₂ 2S↓ + 2Н₂О

Процесс окисления может в небольшой степени идти и дальше до образования тиосульфатов S₂O₃^2-; дальнейшее окисление S₂O₃^2- до сульфитов и сульфатов аэрацией при отсутствии серных бактерий обычно не идет. Способность к окислению различных форм сероводо­рода уменьшается с ростом значения рН, и окисление до сульфатов идет только в кислой среде.

Аэрацию воды целесообразно применять при содержании Н₂S до 2-3 мг/л и значениях рН < 6,5-7, тогда его концентрация снижается до 0,3-0,5 мг/л. Окончательную очистку воды можно произвести путем окисления Н₂S, например, хлором, озоном, пероксидом водорода, перманганатом калия. Окислители обычно используются для очистки во­ды, содержащей небольшие концентрации сероводорода.

При высоких концентрациях Н₂S (более 200 мг/л) для очистки может быть использована суспензия Fе(ОН)₃, при добавлении которой в воде выпадает осадок FеS:

3Н₂S + 2Fе(ОН)₃ 2FеS ↓ + S↓ + 6Н₂О

3НS^- + 2Fе(ОН)₃ + 3Н⁺ 2FеS↓ + S↓ + 6Н₂О

После осветления воды, например в отстойниках, осадок FеS может быть регенерирован продувкой воздухом и вновь использован:

4FеS + 3О₂ + 6Н₂O 4Fе(ОН)₃ ↓ + 4S ↓ (Мешалкин, 2007)

 

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: