Минеральные образования торфяных болот в технологиях очистки воды

Минеральные образования торфяных болот в технологиях очистки воды

Приведены результаты исследований сорбционных свойств болотных железомарганцевых руд с целью оценки возможности использования их для очистки природной питьевой воды из подземных источников от ионов марганца и железа. Изучены механизм и кинетика процесса извлечения из водных растворов ионов этих металлов исследуемым сорбентом. Показано, что исследованный природный материал является эффективным сорбентом для извлечения ионов марганца и железа из подземных вод без применения дополнительных реагентов.

Аннотация статьи
торфяные болота
природные сорбенты
болотная железомарганцевая руда
очистка воды
адсорбция
кинетика процесса адсорбции
Ключевые слова

Торфяные болота встречаются на всех континентах [2]. В областях распространения торфяников подземные воды по химическому составу обычно характеризуются повышенным содержанием многих веществ, чаще всего ионов железа и марганца, что препятствует использованию их для питьевого и промышленного водоснабжения. Существующие технологии водоподготовки подземных вод для питьевых целей с использованием традиционных методов аэрации, дегазации, фильтрования через инертную загрузку, предварительно обработанную реагентами, обсуждены во многих работах. Реализация таких методов требует сложного аппаратурного оформления, большой трудоемкости, значительных расходов реагентов. Основной сложностью в процессе очистки подземных вод от ионов железа и марганца является их окисление до малорастворимых соединений. Эффективность этого процесса определяется равновесным значением рН раствора. Заметное увеличение скорости окисления двухвалентных ионов марганца до Mn(III) и Mn(IV) устанавливается при рН≥9,5, процесс обезжелезивания улучшается при уменьшении рН [1, с. 221].

В последние годы при доведении подземных вод по содержанию ионов железа и марганца до питьевого качества наблюдается тенденция внедрения технологий, основанных на применении сорбционно-фильтрующих загрузок, обладающих каталитическими свойствами и способностью ускорять реакции окисления ионов Fe(II) и Mn(II) до малорастворимых соединений. В таком качестве широкое применение при водоподготовке получили импортные фильтрующие каталитические материалы Aqua-mandix (Аква-мандикс) и Pyrolox (Пиролокс) на основе измельченной природной пиролюзитсодержащей руды, содержащей 78-80 мас.% MnO2. Действие таких сорбционно-фильтрующих материалов основано на катализе реакции окисления Fe(II) и Mn(II) без дополнительных добавок и реагентной обработки и осаждении образующегося малорастворимого осадка в гранулах фильтроматериала. Однако, возможность широкого применения таких материалов для их использования в качестве сорбционно-каталитической и фильтрующей загрузки для очистки от ионов марганца и железа питьевой воды из подземных источников в системах водоподготовки небольшой производительности, что характерно для малочисленных населенных пунктов на территориях заболоченных регионов, ограничена их высокой стоимостью и малой доступностью.

В настоящей работе обобщены результаты исследования хемосорбционной способности болотных железомарганцевых руд в отношении ионов железа и марганца и рассмотрены перспективы их использования при водоподготовке питьевой воды из подземных источников с повышенным содержанием двухвалентных ионов марганца и железа в качестве сорбционно-фильтрующей загрузки и катализатора процесса окисления этих ионов до малорастворимых соединений.

Выбор сорбента обусловлен тем, что по гранулометрическому и химическому составу болотная железомарганцевая руда объединяет в себе свойства применяемых в качестве сорбционно-каталитической и фильтрующей загрузки природных минеральных материалов. Каталитические свойства фильтрующей загрузки зависят от содержания марганца в руде и крупности зернового состава. В эксперименте использована болотная железомарганцевая руда, образцы которой представлены, в основном, бернесситом, с содержанием марганца в среднем 57,98 at.% [5, с. 1065-1067]. В исходном состоянии рудные образцы темно-коричневого цвета, имеют рыхлую механическую структуру.

Процесс извлечения ионов железа и марганца из подземных вод может быть представлен в виде совокупности реакций, происходящих в системе руда-водный раствор. На основании литературных данных [3] при фильтровании воды из подземных источников с повышенным содержанием двухвалентных ионов марганца и железа через загрузку на поверхности зерен марганцевой руды образуется слой из отрицательно заряженного осадка оксигидрата марганца Mn(ОН)4, который адсорбирует ионы Mn2+.

Гидролизуясь, эти ионы вступают в реакцию с осадком, образуя Mn2О3, хорошо окисляемый до оксигидрата марганца (IV), действующего в процессе окисления в качестве катализатора:

Mn(ОН)4 + Mn(ОН)2 → Mn2О3 + 3Н2О;

2Mn2О32 + 8Н2О → 4Mn(ОН)4↓.

Извлечение ионов железа основано на реакции окисления Fe(II) до Fe(III) с образованием малорастворимого осадка гидроксида железа (III), описываемой уравнением:

MnO2 + 2Fe2+ + 5H2O → MnO + 2Fe(OH)3↓ + 4H+.

Для исследований исходную болотную железомарганцевую руду измельчали до размера естественных гранул, рудную составляющую отделяли от песчано-глинистой составляющей ситовым методом. Подготовленные таким образом образцы болотной руды рассматривались как исходные. Для сорбции ионов марганца и железа использовали рудную составляющую, представленную смесью фракций класса крупности 0,16 – 1,25 мм. Сорбцию ионов марганца и железа болотной рудой изучали в статическом режиме при температуре 25ОС с использованием модельных растворов, приготовленных на дистиллированной воде, и природных подземных вод при соотношении твердой (Т) и жидкой (Ж) фаз 1:100. Эффективность сорбции в каждом конкретном случае оценивали путем сравнения значения исходной концентрации определяемых ионов в растворе с остаточной концентрацией после контакта раствора с сорбентом. Контроль содержания ионов марганца и железа в исходных и равновесных растворах осуществляли фотометрическим методом на фотоколориметре КФК-2МП по стандартным методикам. Интерпретацию полученных экспериментальных данных проводили построением графической зависимости изменения концентрации остаточного содержания определяемых ионов в растворе от продолжительности контакта раствора с сорбентом τ в координатах Сτ = f(τ) в программе МS Excell. Для исследования кинетики процесса сорбции готовили модельные растворы с фиксированной концентрацией ионов железа 2 мг/дм3 и марганца 1 мг/дм3. Эффективность использования природного материала в его естественном состоянии оценена на анализируемых пробах воды, отобранных из шахтных колодцев, с содержанием ионов двухвалентного марганца в интервале от 0,356 мг/дм3 до 1,920 мг/дм3 и ионов железа от 0,410 мг/дм3 до 1,926 мг/дм3.

Анализируя полученные результаты установлено, что характер сорбционной активности определяемых ионов идентичен, максимальные скорости извлечения ионов марганца и железа из раствора отмечаются на начальных стадиях сорбции в интервале первых минут контакта раствора с сорбентом. Степень извлечения ионов марганца в течение первых 5 мин контакта раствора с сорбентом достигает 76,1 %, а через 30 минут составила 86,3 %, достигая в течение 90 мин 91,5 %. Степень извлечения ионов железа в данном диапазоне продолжительности сорбции составила 90,8%, 96,4% и 98,4% соответственно. Адсорбционную активность болотных железомарганцевых руд по извлечению ионов марганца и железа из природной подземной воды изучали в аналогичных условиях эксперимента. Степень извлечения определяемых ионов при продолжительности контакта воды с сорбентом в течение 90 мин в анализируемых пробах в зависимости от исходной концентрации составила: ионов марганца 94,5 – 96,2 %; ионов железа 97,7 - 98,8 %. Остаточная концентрация определялась в интервале концентраций ионов марганца 0,020 – 0,086 мг/дм3, ионов железа 0,007 – 0,035 мг/дм3, что не превышает установленные нормативы к составу питьевой воды (ПДКMn = 0,1 мг/дм3; ПДКFe= 0,3 мг/дм3). Исследования основных адсорбционных характеристик образцов болотной железомарганцевой руды по отношению к ионам марганца и железа выполнены в работе [4].

Таким образом, при доведении природных подземных вод до питьевого качества по содержанию ионов марганца и железа с использованием в системах водоподготовки болотной железомарганцевой руды остаточная концентрация определяемых ионов не превышает установленные нормативы (СанПиН 2.1.4.1074-01, СанПиН 2.1.4.1075-02). Анализ полученных результатов и сравнительные данные показателей с известными образцами сорбционно-каталитических материалов позволяют считать перспективным использование болотных железомарганцевых руд в процессах водоподготовки подземных вод с повышенным содержанием ионов марганца и железа.

Текст статьи
  1. Гасанов М. А. Адсорбционная очистка артезианской воды от железа и марганца с использованием воздействий электрических зарядов // Ползуновский альманах. 2004. № 4. С. 221-223.
  2. Марков В. И., Волкова Н. И. Торф – возобновляемый ресурс у нас под ногами // Экология и промышленность России. 2014. № 1. С. 58-60.
  3. Пушкарева Г.И., Скитер Н.А. Возможность использования марганцевых руд при водоподготовке // ФТПРПИ. 2002. № 6. С. 103-107.
  4. Фоменко А.И., Соколов Л.И. Исследование сорбционных свойств болотных руд для извлечения ионов марганца и железа из подземных вод // Журнал прикладной химии. 2019. Т. 92. № 2. С. 257-263. DOI: 10.1134/S004446181902018Х [Fomenko A. I., and Sokolov L. I. Study of Sorption Properties of Bog Ores for Extraction of Manganese and Iron Ions from Ground Water // Russian Journal of Applied Chemistry. 2019. V. 92. N. 2. P. 288-294. DOI: 10.1134/S1070427219020186].
  5. Chuev A. A., Fedorchuk N. M., Petrova M. V. Investigation of the Composition and Structure of Ferrous and Manganese-Ferrous Minerals out of Lake-Marsh Ores // J. Chem.Chem. Eng. 2012. N. 6. Р. 1061-1068.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 01 декабря по 15 декабря
Осталось 14 дней до окончания
Препринт статьи — после оплаты
Справка о публикации
сразу после оплаты
Размещение электронной версии
19 декабря
Загрузка в elibrary
19 декабря
Рассылка печатных экземпляров
23 декабря