Водоснабжение и канализация/Экология

К.т.н. Квартенко А.Н. Национальный университет водного хозяйства и природопользования, г. Ровно, Украина

К.х.н. Грюк И.Б. Тернопольский национальный педагогический университет им. В. Гнатюка, г. Тернополь, Украина

 

Теоретические основы механизмов химических реакций

в технологических схемах обезжелезивания слабокислых, низкощелочных  природных вод с  использованием щелочных реагентов

 

Известно, что железо в природных водах может находиться в виде двух и трехвалентных ионов, гидрокарбонатов, комплексных соединений с гуминовыми и фульвокислотами, коллоидов как органического, так и минерального происхождения [1-3]. В слабокислых водах с низким щелочным резервом и присутствием растворенной органики железо находится в виде стабильных железоорганических комплексов. Использование  методов упрощенной либо глубокой аэрации  для разрушения и окисления, последних не дает надлежащих результатов [1,3]. Традиционной для очистки таких вод является технологическая схема аэрация  ®  подщелачивание  ®  отстаивание  ®  фильтрование c последовательным использованием процессов окисления – гидролиза – подщелачивания – коагуляции – отстаивания – фильтрования [1,2,4,5]. Рассмотрим развитие механизмов химических реакций в технологических схемах реагентного обезжелезивания природных вод при использовании некоторых щелочных регентов.

Схема реакции с использованием в качестве подщелачивающего реагента раствора гашеной извести :

     (1)

Полное молекулярно-ионное уравнение процесса:

 (2)

В результате реакции происходит увеличение концентрации ионов гидроксильной группы , вводимых в водную систему извне, приводящее к нарушению ее равновесия, повышению величины рН и гидратной щелочности.  Согласно принципу Ле Шателье – Брауна измененное таким образом состояние равновесия системы приводит к ускорению процессов перехода растворимой формы железа в осадок .

Проанализировав вышесказанное, можно сделать следующий вывод: для ускорения процесса окисления растворенной формы  при обезжелезивании слабокислых природных вод с низким щелочным резервом процесс аэрации следует проводить в присутствии щелочного реагента.

Схема реакции с использованием в качестве подщелачивающего реагента раствора кальцинированной соды:

(7)

В водной среде кальцинированная содадиссоциирует:

                                                                   (3)

с последующим гидролизом по аниону:

                                                   (4)

Тогда полное молекулярно-ионное уравнение процесса гидролиза кальцинированной соды имеет вид:

                         (5)

Полное молекулярно-ионное уравнение реагентного процесса обезжелезивания по данной схеме:

   (6)                Сокращенное молекулярно-ионное уравнение процесса:

                       (7)

В результате реакции происходит повышение гидрокарбонатной щелочности воды, необходимой для нормального прохождения процесса окисления ионов  в природных водах с низким щелочным резервом и образуется однородный осадок , что позволяет упростить технологическую схему очистки: аэрация  ®  подщелачивание  ®  фильтрование.

Рассмотрим теоретические аспекты химического механизма процесса реагентного обезжелезивания природных вод по схеме: подщелачивание  ® аэрация  ®отстаивание  ®  фильтрование. Согласно данной схеме на первом ее этапе одновременно происходят процессы диссоциации и гидролиза гидрокарбоната железа (II) и гашеной извести:

                                        (8)

                                    (9)

                                            (10)

                (11)

                                                (12)

Присутствие в воде ионов гидроксильной группы  сдвигает равновесие реакции гидролиза соли железа  в сторону образования продуктов реакции (8).  Известно, что гидрокарбонат железа – кислая соль, образованная слабым основанием и слабой угольной кислотой  - гидролизуется полностью и по катиону, и по аниону. В присутствие ионов гидроксильной группы , введенных с раствором извести , гидролиз ускоряется и идет до конца. Реакция сопровождается выделением углекислоты, которая, связываясь в щелочной среде с катионами , образует осадок:

                      (13)

Суммарное уравнение реакции гидролиза:

               (14)

Полное молекулярное уравнение обезжелезивания воды согласно рассматриваемой схеме:

   (15)

С последующей стадией окисления:

                             (16)

Однако, как следует из полного молекулярного уравнения реакции (15), в результате параллельного гидролиза как исходных, так и вводимых в систему извне компонентов, происходит  выпадение осадка карбоната кальция, что в свою очередь приводит к усложнению технологических процессов из-за необходимости введения перед процессом окисления блока раздела фаз.

Использование кальцинированной соды в качестве подщелачивающего реагента по данной схеме реагентного обезжелезивания природных слабокислых вод [6] позволяет отказаться от блока разделения фаз и рассматривать протекание комплекса химических реакций по следующему механизму: диссоциация соединений  с последующим их гидролизом, вывод продуктов гидролиза из зоны реакции с последующим окислением соединений кислородом воздуха:

1этап: диссоциация соединений :

                                (17)

2 этап: гидролиз по аниону:

  (18)

3 этап: диссоциация кислой соли :

                            (19)

4 этап: гидролиз  гидрокарбоната железа (II) по катиону:

     (20)

  гидролиз гидрокарбоната железа (II) по аниону:

 (21)

Полное молекулярно-ионное уравнение реакции:

 (22)

Сокращенное молекулярно-ионное уравнение реакции:

          (23)

Поскольку в результате гидролиза в воде одновременно присутствуют ионы и, параллельно происходит процесс образования мало диссоцированного вещества – воды:  , что выводит продукты гидролиза из зоны реакции и способствует более полному протеканию процесса образования  с его последующим окислением кислородом воздуха:

                                          (24)   

Таким образом обеспечивается непрерывность прохождения химических реакций гидролиза с последующим окислением продуктов реакции и как следствие достигается интенсификация процесса реагентного обезжелезивания природных вод без кардинальных капитальных затрат в  существующих  технологических процессах.

Литература:

1.      Николадзе Г.И. Обезжелезивание природных и оборотных вод / Г.И.  Николадзе - М.: Стройиздат, 1978. – 160 с.

2.      Золотова Е.Ф., Асс Г.Ю. Очистка воды от железа, марганца, фтора и сероводорода /  Е.Ф. Золотова – М.: Стройиздат, 1975. - 176 с.

3.      Николадзе Г.И. Улучшение качества подземных вод / Г.И.  Николадзе – М.: Стройиздат, 1987. – 240 с.

4.      Милов М.А. Исследование процесса очистки вод с высоким содержанием железа методом фильтрования: автореф. дисс. … канд. техн. наук / М.А. Милов.– Новосибирск: НИСИ, 1975. – 31 с.

5.      Журба М.Г., Говорова Ж.М. Водоснабжение. Улучшение качества воды: Учебник для вузов: В 3-х тт. / М.Г. Журба - Том 2.– М.: Изд-во АСВ, 2008. – 544 с.

6.     Квартенко А.Н. Характеристика подземных вод Северо-Западных областей Украины и технологические схемы их кондиционирования // Проблеми водопостачання, водовідведення та гідравліки: Науково-технічний збірник / А.Н. Квартенко - Вип. 16. – К.: КНУБА, 2011. - С. 32-41.