Строительство и архитектура/7. Водоснабжение и канализация
Студентка 4 курс,
Королева Е.А.
К.т.н., доцент, Чудновский С.М.
К.х.м., доцент, Воропай Л.М.
Вологодский
государственный технический университет, Россия
РАЗРАБОТКА НОВОЙ
ТЕХНОЛОГИИ И УСТАНОВКИ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ИЗ ВОДЫ ИОНОВ БАРИЯ.
Барий — элемент главной
подгруппы второй группы, шестого периода периодической системы химических
элементов Д. И. Менделеева. Он имеет атомный номер 56, атомную массу 137. [1]
В природе барий
встречается только в виде соединений. Наиболее распространенными бариевыми
соединениями являются сульфат бария (барит) и карбонат бария (витерит).
Частично барий попадает в окружающую среду в результате деятельности человека,
однако, для воды основной путь загрязнения барием - естественный, из природных
источников. Наибольшую опасность в воде представляют высокорастворимые
токсичные соли бария, которые имеют тенденцию переходить в менее токсичные и
слаборастворимые сульфаты и карбонаты. Водорастворимые соли бария считаются
опасными для человека. К ним относятся сульфиды, гидрокарбонаты, нитраты,
хлориды. Сульфаты и фосфаты бария практически безопасны, так как они
нерастворимы в воде.[1]
Барий в природной воде
обычно находится в небольших количествах, однако, и такие количества отрицательно
влияют на здоровье человека. Повышенные концентрации бария в воде приводят
к негативным последствиям,
заключающимся в повышении кровяного давления, проявлении мышечной слабости и
болями в брюшной области. Кроме того,
гидроксид бария оказывает сильное раздражающее действие на
воздушно-дыхательные пути, резкое прижигающее действие на кожу и роговицу
глаза. Хлорид бария повышает сосудистую
проницаемость, приводящую к кровоизлияниям и отекам, приводит к изменениям в
крови (анемия, лейкопения, лимфоцитоз). Фторид бария оказывает отрицательное действие на нервную систему и
мускулатуру. Негативную роль играют и анионы, взаимодействующие с катионами
бария в соединениях. Все эти соединения относят ко 2 классу опасности. [2]
По рекомендациям Всемирной Организацией Здравоохранения
предельно допустимая концентрация бария в питьевой воде должна быть не более
0,7 мг/л, а в соответствии с
российскими стандартами эта
концентрация не должна превышать 0,1 мг/л.
Подземные воды с повышенным содержанием бария встречаются
довольно часто. Так, например, только на территории Вологодской области в
настоящее время имеется около 600 скважин, в которых содержание бария превышает
нормативные требования. Таким образом, не менее 60 тыс. человек подвержены указанным выше заболеваниям.
Традиционные технологические схемы и установки для очистки вод от тяжелых
металлов катионы бария не удаляют или удаляют частично, что является
существенным недостатком. Поэтому
существует необходимость разработки дешевой и надежной технологии удаления
ионов бария из воды. Это актуальная задача, которая в настоящее время решается
нами в лабораториях кафедр химии и КИОПР Вологодского Государственного
Технического Университета.
Ранее в этих
лабораториях была разработана новая технология удаления железа из воды при помощи постоянного электрического
поля. [3] Одной из характерных особенностей этого способа является то, что под
действием слабого электрического тока в околокатодном пространстве образуются
гидратированные формы железа, которые, как известно, обладают адсорбционной
способностью по отношению к соединениям бария. Мы в своих исследованиях решили
использовать именно эту особенность для разработки новой технологии удаления из
воды ионов бария. Таким образом, целью данной работы является разработка нового
эффективного способа удаления бария под действием слабого электрического поля с использованием явления адсорбции.
Если обрабатывать воду,
в состав которой одновременно входят растворимые формы железа и бария, с
помощью постоянного электрического поля, то на первом этапе такой обработки
образуется осадок из соединений железа, который при дальнейшем воздействии
электрического поля поглощает своей поверхностью катионы бария.
Известно, что катионы
бария обладают подвижностью в постоянном электрическом поле. Их предельная
подвижность в водном растворе при 25 градусах Цельсия равна 63,63 Ом-1*см2*г-экв-1.
[4] Следовательно, скорость движения
ионов бария в воде при градиенте
потенциала, например, 2 В/см равна 5,3*10-5 м*с-1.
Значение стандартного электродного потенциала Ва составляет -2,9 эВ.
Следовательно, катионы бария не могут восстанавливаться на катоде, а
группируются в околокатодном пространстве. В большинстве случаев наличию бария
в подземных водах сопутствует наличие в них железа. Экспериментальным путем
установлено, что при контакте растворимых форм бария с гидратируемыми формами
железа в постоянном электрическом поле
происходит адсорбция бария с образованием нерастворимого комплекса
железа с барием.
Нами был проведен цикл
лабораторных экспериментальных исследований. Схема алгоритма эксперимента
представлена на рис.1.
Рис.1
Алгоритм эксперимента
В исходную воду
помещались инертные электроды, на которые подавалась постоянная разность
потенциалов. Вода обрабатывалась электрическим полем в течении 5, 10, 15 и
более минут, после чего определялась конечная концентрация содержания бария в
водном растворе с помощью фотоколометрического метода анализа. При этом, визуально наблюдалось образование гидратированных форм железа в
виде бурого осадка.
После фильтрования бурого осадка исследовался фильтрат на содержание бария в воде.
Результаты опытов свидетельствуют о том, что под действием электрического поля
происходит удаление железа с
одновременным удалением катионов бария. Для подтверждения образования
комплексов железа-бария осадок растворяется в растворе соляной кислоты и
анализируется на содержание железа и бария известными методами анализа.
Предварительные анализы показали, что
в состав околокатодного осадка
входят в связанном состоянии соединения железа и бария.
Таким образом,
предлагаемый нами способ очистки воды
обеспечивает одновременное удаление растворимых форм бария совместно с
удалением соединений железа.
Литература:
1. "Химическая энциклопедия", в 5-ти
томах, тт.1-3, М, Издательство "Советская энциклопедия", 1988-1992.
2. Фигуровский Н.А. Открытие химических элементов
и происхождение их названий. М., 1970.
3.
Способ обезжелезивания подземных вод и устройство для его осуществления.
Заявка RU 2012106325
4.«Курс
физической химии» под общей редакцией чл.-корр. АН СССР проф. Я.И.Герасимова.
Том II, издание второе, исправленное Издательство«Химия» 1973 Москва. – с. 404,
Таблица XVII,2. «Предельные подвижности ионов в воде при 25º С»