Очистка воды от железа

Роль железа в жизни человека

Железо, являясь составной частью миоглобина и гемоглобина, входит в состав цитохромов и ферментов, принимающих участие в окислительно-восстановительных реакциях, а так же участвует в процессах кроветворения и внутриклеточного обмена: обеспечивает транспортировку кислорода в организме, нормализует работу щитовидной железы, влияет на метаболизм витаминов группы В, входит в состав некоторых ферментов (в том числе рибонуклеотид-редуктаз, который участвует в синтезе ДНК).

В нашем теле содержится от 2 до 5 г железа в зависимости от уровня гемоглобина, веса, роста, пола, возраста. Особенно его много в гемоглобине крови - 2/3 от общего количества, остальное запасено в тканях и внутренних органах, в основном в печени.

В случае недостатка железа наблюдаются такие симптомы как: ломкость ногтей, депрессия, нервные расстройства, выпадение и поседение волос, ожирение. Однако не следует забывать и о том, что при необходимости и важной роли железа в нашем организме, его переизбыток ведет к повреждению печени, почек и сердца.

Суточная потребность взрослого человека в этом элементе обычно не превышает 10-20 мг. Избыток железа в организме может привести к дефициту меди, цинка, хрома и кальция, а также к избытку кобальта. Повышенная чувствительность к холоду, ухудшение мозговой активности, пищеварительные расстройства, воспалительный процесс в полости рта, снижение функции щитовидной железы – все это последствия переизбытка железа в организме человека. Основными источниками железа для человека являются пища и вода. Поскольку контролировать количество железа попадающего через пищу проще, то отсюда следует вывод о том, что необходимо контролировать его содержание в бытовой и особенно в питьевой воде.

Основные формы существования железа в природных водах

Явление повышенного содержания железа в природных водах - довольно распространенная проблема для многих регионов земного шара. Железосодержащие воды можно встретить как в Северной и Центральной Европе, так и в Америке и на Юге Африки.

Поверхностные воды содержат железо в виде органических и минеральных комплексных соединений, а так же в виде коллоидных и тонкодисперсных взвесей.

Подземные воды характеризуются преобладающим количеством бикарбоната железа II, устойчивость которого зависит напрямую от значительных количеств углекислоты и отсутствия растворенного кислорода. В то же время железо может находиться в виде сульфида, сульфита, хлорида, карбоната и сульфата железа II, комплексных соединений с гуматами и фульвокислотами.

И так, в природных водах встречается несколько форм железа, к каждой из которых необходимо применять свою специфику очистки.

Элементарное железо (Fe⁰). В воде не растворяется, в присутствии кислорода воздуха или влаги окисляется до Fe₂O₃, образуя ржавчину.
Железо двухвалентное (Fe²⁺). Преимущественно бывает там, где нет кислорода воздуха и довольно высокое содержание углекислоты, т.е. в основном в подземных водах. Его соединения хорошо растворимы. При окислении выпадает в красно-бурый осадок.
Гидроксид железа (III). При нейтральном pH и выше нерастворим в воде, может находиться как в коллоидном состоянии, так и выпадать в осадок красно-бурого цвета.
Хлорид железа (FeCl₃), сульфат железа (Fe₂(SO₄)₃) – соли железа III, хорошо растворимы в воде.
Органическое железо. Наибольшую роль в образовании органического железа играют гумусовые вещества, образуя с ним сложные комплексы и коллоидные структуры. Очистка от коллоидного железа представляет наиболее трудную задачу из всех прочих.

Рассмотрим основные методы промышленной и бытовой очистки воды от железа, или деферизации.

Методы обезжелезивания воды на модифицированных загрузках

Применимы как в промышленности, при обезжелезивании подземных вод, так и в небольших системах очистки воды для загородных домов. Обезжелезивание проходит на колонных фильтрах, небольших бытовых и магистральных фильтрах на каталитической загрузке.

Каталитическая загрузка в общем случае представляет собой гранулированный материал природного происхождения, поверхность которого в своем составе имеет диоксид марганца, при контакте с которым в присутствии окислителей идет катализ окисления растворенного двухвалентного железа в трехвалентное и дальнейшее его задержание в среде загрузки.

Процесс окисления железа(II) высшими оксидами марганца, которые далее восстанавливаются до низших ступеней окисления и затем вновь окисляются растворенным в воде кислородом, описывается уравнениями:

4Fe(HCO₃)₂ + 3MnO₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃↓ + MnO + Mn₂O₃ + 8CO₂↑,
3MnO + 2KMnO₄ + H₂O → 5MnO₂ + 2KOH,
3Mn₂O₃ + 2KMnO₄ + H₂O → 8MnO₄ + 2KOH.

Суть метода обезжелезивания на модифицированных каталитических загрузках заключается в том, что бы катализировать процесс окисления железа(II) в железо(III), даже при низких значениях pH, а затем, переведенное в форму гидроксида, задержать в объеме фильтра.

На данное время в мире производят довольно много катализаторов, отличающихся по своим свойствам и условиям работы. Но все они работают по принципу окисления растворенного в воде железа высшими оксидами марганца. В качестве примера можно привести дробленый пиролюзит, «черный песок» (песок, покрытый пленкой оксидов марганца, которые образуются в результате разложения 1%-ного раствора перманганата калия, подщелоченного до pH ∼ 8,5…9 водным раствором аммиака) и сульфоуголь, покрытый пленкой оксидов марганца (для его получения сульфоуголь обрабатывают 10%-ным раствором MnCl₂, а затем через слой образовавшегося Mn-катионита фильтруют 1%-ный раствор KMnO₄. Калий вытесняет марганец, который окисляется и осаждается на поверхности угля в виде пленки оксидов марганца). Для более оптимальной работы окисления железа(II) вода должна фильтроваться со скоростью 10м/ч через слой каталитической загрузки высотой 1м.

В данный момент на рынке представлен довольно широкий ряд различных модифицированных загрузок отечественных и зарубежных производителей для удаления из воды железа. Все они отличны по ряду факторов: условиями работы, эффективностью, долговечностью, цене. В каждом конкретном случае необходимо выбирать ту модифицированную загрузку для обезжелезивания воды, которая бы наиболее эффективно справлялась со своей задачей в заданных условиях работы.

Вы можете ознакомиться с предлагаемыми нашей компанией модифицированными загрузками, их свойствами и условиями работы, пройдя по ссылке обезжелезивание и деманганация.

Обезжелезивание воды катионированием

Применяется в том случае, если необходимо убрать либо остатки ионов железа (II), либо в процессе общего умягчения воды.

В общем случае, обезжелезивание поверхностных вод происходит при одновременном их осветлении и обесцвечивании. Находящееся в воде железо в виде коллоидов, тонкодисперсных взвесей и комплексных соединений удаляется обработкой воды коагулянтами (солями алюминия или железа). Для разрушения же комплексных органических соединений железа воду обрабатывают сильными окислителями: озоном, хлором, перманганатом калия. Применяя в качестве коагулянта соль железа происходит наиболее полное удаление железа из воды вследствие интенсивной адсорбции ионов железа на хлопьях Fe(OH)₃. Оптимальное значение pH в случае применения в качестве коагулянтов, как солей алюминия, так и железа, лежит в интервале 5,7…7,5.

Промышленные методы очистки

В зависимости от форм железа, его количества и буферных свойств воды следует использовать один из нескольких методов промышленной очистки. Все многообразие методов можно подразделить на два типа: безреагентные – используются для очистки подземных вод, и реагентные – для очистки поверхностных вод.

Безреагентные методы очистки подземных вод в промышленности

Как говорилось выше, подземные воды характеризуются повышенным содержанием железа II, находящимся в форме бикарбоната, карбоната и сульфата.
Такая вода может быть очищена безреагентными методами при условиях:

pH не менее 6,7;
щелочность не менее 1мг-экв/л;
перманганатная окисляемость не более 7 мг O₂/л;
содержание железа (III) не более 10% от общего;
преобладание железа (II) в бикарбонатной или карбонатной формах.

При содержании железа до 3 мг/л и производительности до 1000 м³/сут применим метод фильтрования на каркасных фильтрах. Суть метода заключается в том, что бы перевести железо (II) в железо (III), которое осаждается на намывном патроне. В процессе фильтрования в самом начале решающую роль играет различие в зарядах керамического патрона, ионов железа (II) и хлопьев железа (III).

В начале процесса идет нарастание слоя гидроксида железа на патроне фильтра, при этом происходят как химические, так и физические процессы. Постепенное закупоривание пор фильтрующей перегородки характеризуется достижением определенного соотношения объема твердых частиц, задержанных в порах, к объему самих пор. При полном закупоривании заканчивается первая стадия процесса и начинается вторая – образование первоначального слоя осадка. На этом этапе завершается процесс зарядки фильтра и начинается фильтрование с целью обезжелезивания воды.

При содержании железа до 5мг/л можно применять метод «сухой фильтрации». Суть метода заключается в том, что бы фильтровать воздушно-водяную эмульсию через незатопленную зернистую загрузку путем образования в ней вакуума или путем нагнетания больших количеств воздуха с последующим отсосом из поддонного пространства.

Особенностью процесса является образование дегидратированной пленки на зернах загрузки (песок, керамзит, антрацит, винипласт, полистирол, полиметилметакрилата пр.) состоящей из магнетита, сидерита, гетита и гематита. Эти соединения характеризуются плотной структурой и объемом в 4..5 раза меньше, чем объем пленки из гидроксида железа.

При содержании железа от 5 до 10 мг/л следует применять метод упрощенной аэрации с одноступенчатым фильтрованием. При данном методе предусматривается как напорный, так и безнапорный вариант фильтрования, в зависимости от требуемой производительности. Метод основан на том же принципе обезжелезивания, что и метод «сухой фильтации» - на зернистой поверхности образуется каталитическая пленка из ионов и оксидов двух- и трехвалентного железа. Процесс обезжелезивания с образованием пленки является гетерогенным автокаталитическим процессом, в результате которого обеспечивается непрерывное обновление пленки как катализатора непосредственно при работе фильтра.

При содержании железа от 10 до 20 мг/л применяется метод аэрации с двухступенчатым фильтрованием. Сущность процесса аналогична вышеописанной. На поверхности загрузки образовывается мономолекулярный слой, состоящий из шаровых молекул гидроксида железа и прочих соединений, как железа (III), так и железа (II).
Вследствие своей хорошей адсорбционной способности, высокой удельной поверхности и наличия большого количества связанной воды (до 20%), такая пленка представляет собой очень сильный адсорбент губчатой структуры. Одновременно пленка является катализатором окисления поступающего в загрузку железа (II).
В свою очередь, присутствие в воде таких веществ, как аммиак, сероводород, свободная углекислота, коллоидная кремнекислота, являются «ядами» для адсорбционной структуры. Вследствие того, что молекулы этих веществ имеют по паре свободных электронов, они могут участвовать в образовании ковалентных связей с поверхностью катализатора, что при значительных концентрациях этих соединений снижает активность поверхности.

При концентрациях от 20 до 30 мг/л – рекомендуется метод с использованием вакуумно-эжекционных аппаратов. Проходя через воздух железо (II) окисляется, переходя в окисное железо с образованием коллоида гидроксида железа, коагулируется при pH = 6,8…7 и выделяется в осадок в виде бурых хлопьев.

Реагентные методы очистки вод в промышленности

Как правило, применяются к поверхностным водам где: низкие значения pH, высокая окисляемость, нестабильность воды.

При этом при содержании сернокислого или карбонатного железа, либо комплексных железоорганических соединений в концентрациях:

до 10 мг/л и перманганатной окисляемости до 15 мг O₂/л рекомендуется применять фильтрование через модифицированную загрузку.

Загрузку модифицируют путем последовательной обработки 1,5%-ным раствором серно-кислого железа (II), а затем 0,5% раствором перманганата калия.

После модифицирования загрузки увеличиваются силы адгезии, и адсорбция ионов железа происходит наиболее полно.

до 15 мг/л и перманганатной окисляемости до 15 мг O₂/л предпочтительно применять метод, предусматривающий упрощенную аэрацию, обработку сильным окислителем и фильтрованием через загрузку высокой грязеемкости.

Суть метода заключается в том, что бы удалить избыток углекислоты и обогатить воду кислородом воздуха при аэрации, далее добавить более сильного окислителя (хлора, озона, перманганата калия и т.п.). Это будет способствовать повышению pH и окислению комплексных железоорганических соединений. Соединения закисного и окисного железа извлекаются из воды через зернистую загрузку.

свыше 10 мг/л и перманганатной окисляемости более 15 мг O₂/л имеет смысл применять напорную флотацию с предварительным известкованием и последующим фильтрованием.

Метод основан на действии молекулярных сил, способствующих слипанию отдельных частиц гидроксида железа с пузырьками тонкодиспергированного в воде воздуха и последующем всплывании образующихся при этом агрегатов на поверхность воды.
При этом снижение окисляемости зависит от количества воды, подвергаемой насыщению воздухом, дозы извести и давления насыщения.