Знезалізнення води

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Управління освіти
Адміністрації Радянського району м. Мінська
Наукова робота
Знезалізнення води
Автор:
Цирульнікова
Марія Анатоліївна
Мінськ, 2005

Зміст
Введення
Глава I. Теоретична частина
1. Проблема підвищеного вмісту заліза у питній воді на території Білорусі
2. Дія надлишкової кількості заліза на організм людини
3. Форми існування заліза в залізовмісних природних водах
4. Методи знезалізнення води
Глава II. Експериментальна частина
1. Експериментальне вивчення ефективності дії різних фільтруючих завантажень в процесі знезалізнення води
а) Отримання марганцевого каталізатора
б) Завантаження на основі катіоніту
в) Завантаження на основі піску
2. Приготування і експлуатація установки знезалізнення води
3. Економічна оцінка пропонованої нами установки знезалізнення води
Висновки
Список використовуваних джерел інформації
Програми

Введення
Дане дослідження проводилося в рамках шкільного хіміко-біологічного проекту «Багатолике залізо».
Проект реалізується протягом навчального року силами учнів десятих та одинадцятих класів нашої школи і представляє собою серію досліджень, присвячених проблемі дефіциту і передозування заліза в людському організмі.
Одним з факторів, що сприяють накопиченню заліза в організмі людини, є питна вода з підвищеним вмістом цього елемента.
У даній роботі представлені результати наших дослідів зі створення найпростішої установки для знезалізнення питної води.
Актуальність теми. Тривале вживання води з вмістом заліза більше 0,3 мг / л призводить до захворювань печінки, збільшує ризик інфарктів, негативно впливає на центральну нервову систему і репродуктивну функцію організму [1,3,6]. Підвищений вміст заліза надає воді бурувате забарвлення, неприємний смак, запах, викликає заростання водопровідних мереж, є причиною шлюбу в текстильній, харчовій, паперовій і косметичної галузях промисловості [8, 10].
Знезалізнення води є одним з пріоритетних напрямків республіканської програми щодо забезпечення населення чистою водою (Державна програма «Чиста вода», термін реалізації з 2001 по 2005 р). В рамках дії даної програми в багатьох містах і міських селищах Білорусі були побудовані і модернізовані станції знезалізнення води.
У сільській місцевості була зроблена спроба покращити водопостачання населення за рахунок буріння свердловин на воду, але при цьому існує серйозна проблема локальної доочистки води від заліза, тому що дві третини підземних джерел Білорусі характеризуються підвищеним вмістом цього елемента [9]. Монтаж і обслуговування фірмового обладнання для очищення води вимагає спеціальних навичок і великих матеріальних витрат, тому розробка найпростішої установки знезалізнення води, доступної сільському населенню, є актуальною проблемою.
Мета і завдання дослідження. Метою роботи є створення простої ефективної установки для знезалізнення води. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі завдання:
1) вивчити літературу з проблеми знезалізнення води і вибрати найбільш прийнятний для відтворення в шкільній лабораторії спосіб очищення води від заліза;
2) приготувати розчин з відомим вмістом Fe 2 +, а також серію стандартних розчинів Fe 3 + для колориметричного експрес-аналізу очищеної води;
3) приготувати ряд фільтруючих завантажень і вивчити ефективність їх дії;
4) вивчити можливість отримання завантаження з каталітичною дією з речовин, доступних сільському населенню;
5) виробити рекомендації для населення з приготування та експлуатації установки знезалізнення води.

Глава I. Теоретична частина
1. Проблема підвищеного вмісту заліза у питній воді на території Білорусі
Наявність заліза в підземних водах пов'язано з широким розповсюдженням цього елементу в природі. Залізо становить 4,56% маси всієї земної кори, займаючи четверте місце серед 107 елементів. Вміст заліза пов'язане з регіональними, кліматичними, ландшафтними та гідрологічними особливостями зони нашого проживання, вплинути на яке ми не можемо. Саме тому надлишкове залізо присутній повсюдно, охоплюючи майже всі водоносні горизонти прісних вод, незалежно від приналежності до того чи іншого артезіанського басейну.
В основних напірних горизонтах залізо часто перевищує гранично допустимі концентрації (ГДК 0,3 мг / л) у 5-20 разів і більше, а у грунтових водах це перевищення іноді зростає в 40-60 разів (до 12-18 мг / л). Хоча навіть такі низькі концентрації, як 0,3-0,4 мг / л, можуть викликати появу плям на раковинах, посуді, тканини та інших поверхнях. Більш високі концентрації додають воді характерний металевий присмак і можуть змінити смак і зовнішній вигляд чаю, кави та інших напоїв.
При проходженні води по трубах залізо осідає на них у вигляді пластівців, званих шламом, що призводить до швидкого приходу в непридатність сантехнічного обладнання. При нагріванні води процес помітно прискорюється. Освіта шламу відбувається, в тому числі, і через наявність у воді особливих різновидів бактерій типу Leptothrix і Gallionella, які присутні скрізь, де тільки є залізо, їм необхідні також кисень і температура 20 о - 40 о С. Природно, водопровід і система опалення - прекрасні умови для активного розмноження цього виду бактерій, особливо, якщо використовувана в них вода береться з підземних джерел, багатих залізом. У результаті життєдіяльності цих бактерій утворюється маса бурого кольору, яка осідає на стінках трубопроводу, таким чином, засмічуючи його. Нерідко це є основною причиною аварій. Термін служби сантехнічного обладнання знижується в кілька разів [15].
Підвищений вміст заліза надає воді бурувате забарвлення, неприємний смак, запах, є причиною шлюбу в текстильній, харчовій, паперовій і косметичної галузях промисловості. Таким чином, боротьба з надлишковою залізом в господарсько-побутових водопроводах є постійною технологічної, економічної, екологічної та соціальною проблемою. Недарма знезалізнення води є одним з пріоритетних напрямків республіканської програми щодо забезпечення населення чистою водою.
Державна програма з водопостачання та водовідведення «Чиста вода» реалізується у строки з 2001 по 2005 р. В рамках цієї програми побудований ряд артезіанських водозаборів і кілька станцій знезалізнення (м. Крупки, м. Копиль, г.Черіков, г.п. Дрібін і ін). Удосконалено роботу станцій знезалізнення у м. Новополоцьку і в г.п. Бігосово. Там застосовується високоефективний біологічний метод очищення води від заліза. Була зроблена спроба поліпшити водопостачання білоруських сіл за рахунок буріння свердловин на воду, але виникла нова проблема - дві третини підземних джерел характеризуються підвищеним вмістом заліза. У Поліссі проблема посилюється наявністю заліза в органічній формі («гуматних» залізо). Вода з підземних джерел, а тим більше вода з колонок і колодязів у сільській місцевості часто взагалі не піддається ніякій обробці, завдаючи тим самим непоправної шкоди здоров'ю людей [7].
У таблиці 1 наведені дані по вмісту заліза у воді групових водозаборів по областях і основним водоносним горизонтам Білорусі [9].
Таблиця 1. Вміст заліза в підземних водах Білорусі з адміністративним областям і основним експлуатованим обріїв.
Адміністративні області
Експлуатовані водоносні горизонти
Кількість групових водозаборів
Вміст заліза (мг / л)
Брестська
четвертинний
палеоген-неогенових
Юрського-крейдяний
протерозойський
2
1
21
16
0,2-0,4
0,3-2,8
0,4-7,5
0,4-4,8
Вітебська
четвертинний
девонський
4
33
0,3-3,2
0,2-7,1
Гомельська
четвертинний
палеогеновий
крейдяний
девонський
5
24
2
1
0,5-8,0
0,4-4,5
0,3-13,8
1,2-3,8
Гродненська
четвертинний
Юрського-крейдяний
протерозойський
22
12
2
0,4-2,3
0,3-2,0
0,5-1,2
Мінська
четвертинний
девонський
протерозойський
59
10
16
0,3-7,5
0,7-1,4
0,6-2,8
Могилевська
палеогеновий
крейдяний
девонський
1
7
33
0,2-0,5
0,2-0,4
0,5-8,8
2. Дія надлишкової кількості заліза на організм людини
Залізо - давно відомий засіб від недокрів'я. Цей елемент є найважливішим компонентом гемоглобіну - речовини крові, що переносить кисень до всіх кліток тіла. Однак як живильна речовина залізо є палицею з двома кінцями. Занадто багато корисного може бути дуже шкідливим. Ці слова з повним правом можна сказати про залізо: потрапивши в організм, воно виявляється в «безвихідному» положенні. Основна частина заліза не виводиться і не витрачається, а використовується організмом повторно. Із сечею, потім, відмерлими клітинами шкіри виводиться лише незначна кількість заліза. Втрачається залізо і при деяких хворобах, в основному за рахунок кровотеч.
При хронічній перевантаження організму залізом відбувається його відкладення в тканинах, яке носить вогнищевий або генералізований характер (гемосидероз). Якщо загальний вміст заліза в організмі перевищує 15 г, то уражаються внутрішні органи. Такий стан називається гемохроматозом.
Надлишок заліза у воді вносить свій внесок у розвиток багатьох захворювань. Цей елемент здатний накопичуватися до токсичної концентрації в органах і тканинах, включаючи суглоби, печінка, ендокринні залози і серце. Залізо може створювати сприятливе середовище для зростання шкідливих мікроорганізмів і клітин злоякісних пухлин, а також додатково стимулювати канцерогенну дію вільних радикалів. Високі концентрації заліза виявляються в мозку людей, які страждають на хворобу Паркінсона. Надлишок заліза порушує функцію центральної нервової системи, посилюючи психічні розлади [1].
Занадто велика кількість заліза в організмі літніх чоловіків та жінок сприяє накопиченню вільних радикалів, може прискорити розвиток загального старіння. Тому дорослим чоловікам і жінкам після настання у них клімаксу препарати заліза слід приймати вкрай обережно, тільки за наявності відповідних показань. Залізо стимулює окислення «поганого» холестерину (ЛПНЩ), що обумовлює прогресування атеросклерозу, і вдруге - ішемічної хвороби серця. Гемохроматоз зазвичай розвивається в середньому і старшому віці. При цьому захворюванні виникає бронзове забарвлення шкіри, розвивається цироз печінки, цукровий діабет, уражається серце. Останнє проявляється кардіомегалією, серцевою недостатністю, аритмією, порушенням провідності. Часто відзначаються гормональні порушення - гипофизарная недостатність, атрофія яєчок з втратою лібідо. Можуть виникнути болі в животі, артрити і хондрокальциноз [3].
Нерозуміння важливості проблеми передозування заліза і пов'язаної з нею необхідності знезалізнення води призводить до появи в ЗМІ публікацій, що вводять в оману широкі верстви населення. Наприклад, у статті Є. Мойсеєвої [12] рекламується користь «залізною» води і рекомендується постійно вживати її без будь-якого очищення. Навряд чи населення відчує користь від використання води з надмірним вмістом заліза, а шкода здоров'ю від постійного вживання такої води може бути дуже великим.
3. Форми існування заліза в залізовмісних природних водах
Вихідним матеріалом для утворення та накопичення заліза в природних водах є водовмещающіх породи і породи, з якими вода контактує в процесі своєї міграції. До їх числа відносяться піщано-гравійні і глинисті матеріали, що містять велику кількість залізистих сполук. Виявлення форм вмісту заліза у воді є дуже важливим завданням, розв'язання якого дозволить визначити метод його видалення.
Залізо в природних водах може перебувати у вигляді двох-і тривалентних іонів, колоїдів органічного та неорганічного походження, таких як Fe (OH) 3, FeS, Fe (OH) 2, комплексних сполук з гумату та фульвокислот, а також у вигляді тонкодисперсної суспензії.
Колоїдна гідроокис заліза утворюється при рН вище 3, а осад - при рН вище 4,5 (як правило, в окислювальному середовищі). У природних водах значення рН зазвичай коливається в межах 6,2-7,5, тому в них не може міститися тривалентне залізо, але може бути присутнім (наприклад, в підземних водах при відсутності розчиненого у воді кисню і інших окислювачів) двовалентне залізо у вигляді іонів або у складі солей. У поверхневих водах залізо зазвичай зустрічається у вигляді органічних комплексних сполук, або колоїдних або тонкодисперсних суспензій [13].
Форми, у яких залізо знаходиться в природних водах, в даний час недостатньо вивчені. Однак, очевидно, що переважною формою існування заліза в підземних водах є гідрокарбонат двовалентного заліза, який стійкий лише при наявності великих кількостей вуглекислоти і відсутності розчиненого кисню. При зменшенні концентрації вуглекислоти, тобто при підвищенні рН і появі у воді розчиненого кисню або інших окислювачів, відбувається процес гідролізу, і залізо переходить в малорозчинний гідроксид двовалентного заліза:
Fe 2 + + 2HCO 3 - + 2H 2 O → Fe (OH) 2 + 2H 2 CO 3 (1)
При цьому утворюється ряд проміжних сполук, і в воді одночасно присутні як недиссоциированной молекули, так і іони: Fe (HCO 3) 2, Fe (OH) 2, Fe 2 +, Fe (OH) +. Далі відбувається окислення за рівнянням:
4Fe (OH) 2 + О 2 + 2Н 2 О → 4Fe (OH) 3 (2)
Тут також одночасно присутні проміжні сполуки, такі, як Fe (OH) 2 + і Fe (OH) 2 +. Процес окислення двовалентного заліза в тривалентне в багатьох випадках у природних умовах протікає за участю мікроорганізмів - залізобактерій, які використовують енергію, що виділяється при окисленні заліза (II).
Утворений при окисленні гідроксид заліза (III) мало розчинний у воді. Так, при рН = 4 у воді може міститися до 0,05 мг / л Fe (OH) 3, а при більш високих значеннях рН - тисячні і ще менші частки мг / л. Гідроксид заліза (III) може бути присутнім у воді в колоїдному стані, який є однією з основних форм існування заліза в поверхневих водах. Стійкість колоїдного заліза в значній мірі підвищується завдяки захисній дії гумусових речовин. Залізо може бути переведено з цього комплексу в осад двома шляхами: природним - за участю бактерій, що руйнують органічну речовину, і штучним - за допомогою сильних окисників, знищують захисні колоїди, або під дією коагулянтів, наприклад, золів кремнієвої кислоти [13].
Виявлення форм вмісту заліза у воді є дуже важливим завданням, вирішення якої дозволяє визначити метод його видалення.
4. Методи знезалізнення води
Вибір методу видалення заліза з природних вод залежить від форм, кількості заліза і буферних властивостей вихідної води. За півтора століття існування технології знезалізнення води було запропоновано та впроваджено велику кількість методів видалення заліза, все різноманіття яких можна звести до двох основних типів: реагентні і безреагентниє (фізичні).
З застосовуваних у даний час методів знезалізнення води перспективними є:
Безреагентниє методи:
1) спрощена аерація (і фільтрування);
2) глибока аерація (з подальшим відстоюванням і фільтруванням);
3) «суха фільтрація";
4) фільтрування на каркасних фільтрах;
5) електрокоагуляція;
6) подвійна аерація, обробка в шарі зваженого осаду і фільтрування;
7) фільтрування в підземних умовах з попередньою подачею в пласт окисленої води;
8) аерація і двоступенева фільтрування.
Реагентні методи:
1) спрощена аерація, окислення, фільтрування;
2) напірна флотація з вапнуванням і наступним фільтруванням;
3) вапнування, відстоювання в тонкошаровому відстійнику і фільтрування;
4) аерація, окислення, вапнування, коагулювання, флокулірованіе з наступним відстоюванням або обробкою в шарі зваженого осаду і фільтрування;
5) фільтрування через модифіковану завантаження;
6) катіонуванням.
Знезалізнення поверхневих вод можна здійснити лише реагентними методами, а для видалення заліза з підземних вод найбільшого поширення набули безреагентниє методи, зокрема метод глибокої аерації, який широко застосовується як у нашій країні, так і за кордоном. З реагентних методів найбільш поширений метод коагулювання сульфатом алюмінію з попередніми хлоруванням, а іноді і вапнуванням з подальшим відстоюванням.
Різноманіття методів знезалізнення води виключає їх рівноцінність щодо надійності, технологічності, економічної доцільності, простоти, області застосування й т.п. Ступінь дослідженості того чи іншого методу різна. Найбільш глибоким і всеосяжним дослідженням були піддані методи глибокої аерації, спрощеної аерації, коагуляції та вапнування. Решта методів з різних причин мають обмежене застосування або недостатньо вивчені для широкого впровадження в практику [13].
В літературі [11] є дані про застосування для знезалізнення води спеціального «чорного» піску. Цей пісок складається з мінералу пиролюзита MnO 2 і має здатність при фільтруванні через неї швидко і ефективно очищати воду від двовалентного заліза. Пиролюзит можна замінити більш доступною фільтруючої завантаженням, отриманої штучним шляхом.
Сутність цього методу полягає в попередньому формуванні на поверхні зерен фільтруючого завантаження (кварцовий пісок, керамзит і ін) каталітичної плівки, що складається в основному з оксиду марганцю MnO 2.
При фільтруванні води оксид марганцю (IV) окисляє двовалентне залізо, відновлюючись при цьому до нижчих ступенів окислення, а потім знову окислюється розчиненим у воді киснем або іншим окислювачем при регенерації.
Процес можна описати наступними реакціями:
4Fe (HCO 3) 2 +3 MnO 2 +10 H 2 O → 4 Fe (OH) 3 + MnO + Mn 2 O 3 + 8 H 2 O + 8CO 2 ↑ (3)
3 MnO + 2KMnO 4 + H 2 O → 5 MnO 2 + 2KOH (4)
3 Mn 2 O 3 + 2KMnO 4 + H 2 O → 8 MnO 2 + 2KOH (5)
Каталітичне дія оксиду марганцю настільки велике, що процес окислення заліза (II) завершується в шарі завантаження товщиною 10-15 см при фільтруванні обезжелезіваемой води зі швидкістю 10 м / год. Таким чином, на поверхні плівки відбувається окислення заліза (II), адсорбція його іонів і найдрібніших агрегатів гідроксиду заліза (III).
У міру фільтрування все нових і нових порцій води у складі плівки зменшується вміст оксиду MnO 2 і зростає кількість оксиду Mn 2 O 3. Окислювальна здатність плівки вичерпується при переважанні в її складі оксиду Mn 2 O 3 та блокуванні активної поверхні в результаті адсорбції сполук заліза. Зазначений метод знезалізнення доцільно використовувати при низьких значеннях рН води, невеликому вмісті сірководню і солей амонію [13].
Метод фільтрування через фільтруючу завантаження з каталітичною дією не набув широкого поширення в нашій країні через відносно високу вартість хлориду марганцю і перманганату калію, необхідних для регенерації та приготування фільтруючого завантаження. Проте варіанти цього методу використовуються деякими фірмами з виробництва фільтрів для очищення води.
Наприклад, компанія «Евровода» (м. Мінськ, Партизанський пр-т, 144-38) рекламує фільтри з різними типами завантажень [9]. Завантаження Greensand (пісок з зеленокам'яних порід) є сильним каталізатором окислення заліза і сірководню, не критична до рівня кислотно-лужного балансу (pH). Крім того, завантаження має величезний ресурс роботи, не втрачає свої розміри, не вимивається з фільтруючих систем. Одним з недоліків даної завантаження вважається необхідність періодичного відновлення марганцевокислим калієм.
Завантаження Pyrolox також є сильним каталізатором окислення розчиненого заліза, може працювати при низьких значеннях рН. Безсумнівна перевага цієї завантаження це те, що її використання не вимагає застосування хімічних реагентів за винятком подачі невеликої кількості повітря в мережу перед фільтром.
Мультимедійна завантаження (кварцовий пісок високої чистоти і вугілля) за наявності невеликої кількості повітря успішно бореться не тільки з підвищеним вмістом заліза, але також з мутністю, кольоровістю і запахом.
Компанія «Амазон» (м. Мінськ, вул. Я. Коласа, 21) пропонує фільтри для очищення і пом'якшення води, де робочим елементом є іонообмінні смоли [16].
Технологія приготування фірмових завантажень засекречена. Фірми мають свої «ноу-хау», тому нам вдалося відшукати в літературі досить обмежені відомості про методики приготування завантажень з каталітичною дією.

Глава II. Експериментальна частина
1. Вивчення ефективності дії різних фільтруючих завантажень в процесі знезалізнення води
Для створення найпростішої установки знезалізнення води ми вибрали метод фільтрування через фільтруючу завантаження з каталітичною дією.
Пробні досліди проводили в малому масштабі, використовуючи як ємності для фільтрування краплинні воронки об'ємом 50 мл. Обсяг фільтруючого завантаження становив 30 мл. Робочим розчином був 0,0005 М розчин солі Мора, який готували безпосередньо перед експериментом, щоб уникнути окислення заліза киснем повітря (методика приготування розчину дана в додатку 1). Розчин мав кислотність рН ~ 4-5 і містив 28 мг / л Fe 2 +, що приблизно в 100 разів перевищує ГДК (у питній воді ГДК 0,3 мг / л) і приблизно в 10 разів вище вмісту заліза в підземних джерелах (см . таблицю 1).
Наявність двох-і тривалентного заліза у воді після фільтрування визначали за допомогою крапельного аналізу (методика аналізу дана в додатку 2).
а) Отримання марганцевого каталізатора
Для отримання фільтруючого завантаження з каталітичною дією треба було вибрати спосіб формування каталітичного шару на носії. В літературі [8] пропонуються такі реакції для отримання марганець (IV) оксиду: t
Mn (NO 3) 2 → MnO 2 + 2NO 2 ↑ (6)
2KMnO 4 + 3C 2 H 5 OH → 2MnO 2 + 2H 2 O + 2KOH + 3CH 3 CHO (7)
2KMnO 4 + 3 MnSO 4 + 2H 2 O → 2MnO 2 + K 2 SO 4 + 2H 2 SO 4 (8)
Перша реакція - розкладання марганець (II) нітрату (рівняння 6) - проводиться при сильному нагріванні і супроводжується виділенням токсичного газоподібного оксиду азоту (IV), з цих причин використання її в побутових умовах неприйнятно. У другій реакції - окислення етанолу - також утворюється токсичний продукт ацетальдегід (рівняння 7). Крім того, ми враховували, що використання етилового спирту для очищення води може викликати нерозуміння у пересічного споживача.
Таким чином, найбільш прийнятним способом отримання є взаємодія між перманганатом калію і солями двовалентного марганцю (наприклад, рівняння 8).
б) Завантаження на основі катіоніту
За літературними даними [11] марганцевий каталізатор окислення можна приготувати на основі будь-якого катіоніту в Mn 2 + - формі, пропускаючи через нього розчин перманганату калію. Ми випробували в якості першої фільтруючого завантаження полістирольний сульфокатіоніт КУ-2-8, який був у шкільній лабораторії.
Обмінна ємність катіоніту складає 1,65 мекв / мл [5]. Теоретично за рахунок іонного обміну порція об'ємом 30 мл може поглинути 1386 мг заліза.
m (Fe 2 +) = 1,65 мекв / мл · 30 мл · 28 мг / мекв = 1386 мг
Така маса заліза міститься в 49,5 літрах нашого робочого розчину. Нас цікавило, чи доцільно використовувати катионит в якості носія каталізатора, або краще використовувати його за прямим призначенням, тобто для іонообмінного вилучення катіонів металів з води.
Для формування каталітичного шару ми обробили катионит наступним чином: пропустили через нього 3-кратний обсяг 1 М розчину MnCl 2 (перевели в Mn 2 + - форму), потім пропустили такий же обсяг 0,5%-ного розчину перманганату калію і промили водою (4 рази по 50 мл). У результаті поверхня катіоніту покрилася шаром оксиду марганцю, на якому повинно було відбуватися прискорене окислення міститься у воді заліза і утримування його в фільтруючому шарі у вигляді осаду Fe (OH) 3.
еоретіческі можливу кількість марганець (IV) оксиду на поверхні катіоніту становило:
m (MnO 2) = 1,65 мекв / мл · 30 мл · 87 мг / мекв: 2 = 2153 мг
Через модифікований катионит ми пропустили 6,5 літрів води до проскакування тривалентного заліза (див. таблицю 2). Кількість виходить тривалентного заліза поступово збільшувалася. Двовалентне залізо виявилося дещо пізніше, що, швидше за все, пояснюється більш низькою чутливістю крапельного аналізу на Fe 2 + (див. додаток 2).
Таким чином, на катіонні, модифікованому марганцевим каталізатором, вдалося затримати 28 мг / л · 6,5 л = 182 мг заліза, тобто в 7,6 рази менше теоретично можливого іонообмінного поглинання.
У кінці досліду поверхню катіоніту покрилася рихлим чорним шаром. Окислювальна здатність плівки вичерпалася, швидше за все, за рахунок блокування активної поверхні в результаті адсорбції сполук заліза.
Описана в літературі [11] методика регенерації каталітичного шару шляхом промивання 0,1%-ним розчином перманганату калію не привела до відновлення реакційної здатності нашого катіоніту, а навпаки погіршила його дію (див. таблицю 2).
Після проведених дослідів ми прийшли до наступного висновку:
використання катіоніту як носія каталітичного шару недоцільно, тому що, по-перше, не вдається регенерувати каталізатор;
по-друге, об'єм очищеної води виявився значно нижчим, ніж розрахункова кількість для іонообмінного поглинання, по-третє, катіоніт - це спеціальна речовина, малодоступні населенню, а нам хотілося зробити установку з речовин, доступних пересічному споживачеві.
Таблиця 2. Очищення води шляхом фільтрування через катионит з каталітичним шаром (обсяг завантаження 30 мл).
Обсяг фільтрованої води
Зміст Fe 3 +
в момент проскакування
Зміст Fe 2 +
в момент проскакування
6,4 л
6,5 л
6,6 л
6,7 л
-
~ 0,3 мг / л
~ 0,5 мг / л
~ 1 мг / л
-
-
-
-
Після регенерації каталізатора 0,1%-ним розчином KMnO 4
0,1 л
0,2 л
0,3 л
0,4 л
0,5 л
~ 1 мг / л
~ 2 мг / л
~ 3 мг / л
~ 3 мг / л
~ 5 мг / л
≤ 3 мг / л
~ 4 мг / л
~ 5 мг / л
~ 5 мг / л
~ 6 мг / л
в) Завантаження на основі піску
Основну частину наших дослідів ми провели, використовуючи як фільтруючого завантаження звичайний силікатна будівельний пісок. Перед використанням пісок ретельно відмивали від дрібних частинок багаторазовим взмучивания і зливанням каламутної води. Потім пісок сушили і просівали через сито.
Для формування шару марганцевого каталізатора спочатку ми випробували описану в літературі [11,13] систему «відновник MnCl 2 - окислювач KMnO 4», а також готовий препарат MnO 2. Потім почали шукати заміну хлориду марганцю в реакції з марганцівкою, так як цю сіль можна дістати тільки в хімічній лабораторії. Основним критерієм відбору речовини-відновника була його загальнодоступність, а також відсутність психологічного відторгнення (хіміофобіі), так як ця речовина має використовуватися населенням в процесі очищення питної води.
З доступних речовин на роль відновника годяться залізний купорос FeSO 4 · 7H 2 O (продається в господарських магазинах), етиловий спирт С 2 Н 5 ОН і аскорбінова кислота С 6 Н 8 Про 6 (вітамін С, продається в аптеці).
Ми вирішили, що використання залізного купоросу в процесі знезалізнення води викличе психологічне відторгнення у споживачів (хоча в літературі описана робота установки [9], в якій використовується система «відновник FeSO 4 - окислювач KMnO 4»). У реакції окислення етилового спирту перманганатом калію утворюється токсичний альдегід. У результаті наш вибір зупинився на аскорбінової кислоти.
Окислення аскорбінової кислоти перманганатом калію є багатостадійним і складним процесом [17] (див. додаток 7). Склад продуктів окислення залежить від умов реакції та кількісного співвідношення компонентів, але в будь-якому випадку вони не токсичні для організму людини.
Ми проробили ряд дослідів, щоб підібрати оптимальне співвідношення між компонентами окислювально-відновної реакції.
При надлишку аскорбінової кислоти відбувається відновлення перманганату до двовалентного марганцю, при цьому розчин миттєво знебарвлюється. При нестачі відновника утворюється червоно-коричневий розчин K 2 MnO 4.
Досвідченим шляхом ми встановили, що для утворення MnO 2 треба взяти розчини аскорбінки і марганцівки з однаковою масовою часткою, наприклад, 0,5% або 1%, і змішати їх в рівних об'ємних відносинах.
Процес окислення при цьому можна описати наступною схемою:
2H + + MnO 4 - + C 6 H 8 O 6 → C 6 H 6 O 6 + MnO 2 ↓ + 2H 2 O (9)
аскорбінова дегідроаскорбінової
кислота кислота
Для формування на поверхні піску шару марганцевого каталізатора були використані різні технологічні прийоми:
1) послідовне пропускання розчинів через фільтруючу завантаження;
2) ретельне змішування сухого оксиду марганцю з піском;
3) змішування фільтруючого завантаження з свежеполученний суспензією MnO 2;
4) послідовне додавання розчинів окислювача і відновника до піску з ретельним перемішуванням і відстоюванням.
При будь-якому способі обробки пісок сильно темнів і ставав коричневим за рахунок утворення шару MnO 2. При фільтруванні води в міру витрачання оксиду марганцю пісок освітлюються. У момент проскакування в шарі піску було видно лише невеликі темні зони. Видаленню каталізатора з носія сприяла підвищена кислотність нашого робочого розчину (рН ~ 4-5), а також те, що залізо присутнє в сульфатної формі, а не в карбонатної формі, як у більшості підземних вододжерел.
У очищеної воді рН підвищувався до 6, отже, частина кислоти витрачалася на розчинення відновлених оксидів марганцю.
Mn 2 O 3 + 6H + → 2Mn 3 + + 3H 2 O (10)
або MnO + 2H + → Mn 2 + + H 2 O (11)
У таблиці 3 представлені результати дослідів по використанню завантажень на основі піску для очищення води від заліза.
З отриманих даних випливає, що технологічні прийоми формування каталітичного шару не впливають на ефективність роботи фільтруючих завантажень.
Обсяг очищеної води залежить від кількості оксиду марганцю, що знаходиться у фільтруючому шарі. За нашою оцінкою в завантаженнях на основі піску об'ємом 30 мл містилося приблизно 300 мг MnO 2, тобто в ~ 7 разів менше, ніж на катіонні такого ж об'єму, тому і об'єм води, очищеної на піщаних фільтрах, був на порядок менше, ніж при використанні катіоніту.
Можна було б зробити висновок про доцільність застосування в якості фільтруючого завантаження чистого препарату MnO 2, проте це речовина є дрібнодисперсним порошком, і для використання його в якості фільтруючого завантаження необхідно гранулювання оксиду або використання крупнодісперсной природного мінералу (піролюзит), щоб швидкість фільтрування була прийнятною для експерименту.
Таблиця 3. Очищення води шляхом фільтрування через завантаження на основі силікатного піску.
Фільтруюча завантаження об'ємом 30 мл
Обсяг фільтрованої води до проскакування Fe 3 +
Обсяг фільтрованої води до проскакування Fe 2 +
Чистий пісок
-
0,1 л
Пісок, оброблений послідовно пропусканням розчинів 1М MnCl 2 і 0,5%-ним KMnO 4
0,5 л
0,6 л
Пісок, що містить 5% за об'ємом оксиду MnO 2
0,65 л
0,8 л
Пісок, змішаний з суспензією MnO 2, отриманої з 10 мл етилового спирту і 10 мл 0,5%-ного розчину KMnO 4
0,35 л
0,5 л
Пісок, змішаний з 20 мл 0,5%-ного розчину KMnO 4 і 20 мл 0,5%-ного розчину аскорбінової кислоти
0,55 л
0,65 л
Наш робочий розчин за складом не відповідав білоруським природним залізовмісних вод, так як містив сульфатне, а не гідрокарбонатне залізо, мав підвищену кислотність та концентрацію заліза на порядок вище, ніж у підземних водозаборах. Тим не менш, певний об'єм води очищався дуже якісно.
Логічно зробити висновок, що, якщо розчин ефективно очищається від сульфатного заліза, то від гидрокарбонатного він повинен очищатися ще ефективніше [11,13]. Ми вирішили укрупнити масштаб експерименту та перевірити цей висновок на практиці.
2. Приготування і експлуатація установки знезалізнення води
Пропонована нами установка по знезалізнення води може використовуватися в сільській місцевості, на дачі, в поході, тобто, в тих випадках, коли необхідна локальна очищення води від надлишку заліза.
Необхідні речовини і матеріали:
1) порожня 2-літрова пластикова пляшка з пробкою;
2) марлевий тампон;
3) відмитий і просіяний пісок - об'єм 0,5 л;
4) 2 пів-літрові банки або пляшки для приготування розчинів;
5) 1 пакетик перманганату калію, маса 5 г, ціна - 80 рублів;
6) 2 пакетика аскорбінової кислоти, маса 1 пакету 2,5 г, ціна - 240 рублів.
7) паличка або ложка для перемішування;
8) стакан для вимірювання об'єму розчинів;
9) ємність для очищеної води.
У пластикової пляшки акуратно відрізати дно на висоті приблизно 4-5 см. З відрізаного дна виходить гарна кришка від пилу. Щоб вона добре одягалася, треба зробити на основній частині пляшки декілька вертикальних розрізів довжиною приблизно 1 см. У горлечко пляшки щільно вставити марлевий тампон.
Пляшку закріпити шийкою вниз за допомогою дроту або мотузяною петлі. Закрутити пробку, засипати в пляшку півлітра підготовленого піску.
Приготувати розчини. Для цього в одній банці розчинити пакетик марганцівки в півлітрі води, а в іншій - два пакетики аскорбінової кислоти в такому ж об'ємі води.
Вилити в пляшку з піском склянку розчину марганцівки, перемішати паличкою для рівномірного розподілу розчину по всьому об'єму. Додати туди ж склянку розчину аскорбінової кислоти і відразу ж ще раз перемішати. Залишити суміш на півгодини для формування каталітичного шару. Пісок повинен придбати темно-коричневе забарвлення.
Відкрити пробку в нижній частині пляшки, злити надлишок рідини до рівня піску. Залити в пляшку воду для очищення від заліза. Система готова для фільтрування. Перший літр води треба вилити, а наступні можна використовувати для пиття і приготування їжі.
Ознакою відпрацювання каталізатора (закінчення його дії) є освітлення піску, особливо у верхній частині завантаження.
У цьому випадку треба злити воду до поверхні піску і регенерувати каталітичний шар, тобто повторити обробку розчином марганцівки і аскорбінової кислоти, при цьому треба зменшити обсяги розчинів вдвічі (на півсклянки розчину марганцівки - півсклянки розчину аскорбінової кислоти). Після регенерації фільтруючу завантаження треба промити 1 літром води. Після промивання установка готова до експлуатації.
У таблиці 4 представлені дані по роботі нашої установки до і після регенерації каталітичного шару.
Таблиця 4. Очищення води шляхом фільтрування через пісок з марганцевим каталізатором (обсяг завантаження 500 мл).
Обсяг фільтрованої води
Зміст Fe 3 +
в момент проскакування
Зміст Fe 2 +
в момент проскакування
8,0 л
8,5 л
9,0 л
9,5 л
10,0 л
-
-
-
-
-
-
≤ 3 мг / л
~ 5 мг / л
~ 7 мг / л
~ 10 мг / л
Після регенерації каталізатора
7,0 л
7,5 л
8,0 л
8,5 л
9,0 л
-
-
-
-
-
-
≤ 3 мг / л
~ 4 мг / л
~ 4 мг / л
~ 7 мг / л
3. Економічна оцінка пропонованої нами установки знезалізнення води
З даних, представлених в таблиці 4, слід, що наша установка за один цикл очищає приблизно 7-8 літрів води, що містить спочатку 28 мг / л двовалентного заліза. При фільтруванні природної води об'єм очищеної води може істотно збільшитися, так як вміст заліза в природних джерелах в декілька разів менша (див. таблицю 1). Таким чином, при отриманій продуктивності установки можна розрахувати її собівартість і порівняти її з ціною фільтрів, що надходять у продаж.
Сумарна вартість реагентів для приготування розчинів дорівнює:
80 руб. (5 г KMnO 4) + 240 руб. (2,5 г С 6 Н 8 Про 6) + 240 руб. (2,5 г С 6 Н 8 Про 6) = 560 крб.
Цієї кількості вистачає на три цикли, тобто приблизно для отримання 25 літрів води. В даний час один з найдешевших фільтрів в Центральному універмазі м. Мінська коштує 20 тисяч 130 рублів (фільтр «Аквафор»). Його ресурс - 1000 літрів води. Розрахунок показує, що для очищення 1000 літрів нашого робочого розчину на нашій установці треба витратити 22 тисячі рублів, для природної води ця сума може бути набагато менше. Отже, з економічної оцінки наша установка може успішно конкурувати з фірмовими фільтрами.

Висновки
Таким чином, в результаті проведеної роботи:
1) обраний спосіб знезалізнення води, найбільш прийнятний для відтворення в шкільних і побутових умовах;
2) відпрацьована методика крапельного аналізу для визначення наявності заліза в очищеній воді;
3) вивчена ефективність дії фільтруючих завантажень з марганцевим каталізатором на основі катіоніту та силікатного піску;
4) вивчено можливість формування каталітичного шару на силікатному піску з речовин, доступних пересічному споживачеві;
5) вироблені рекомендації для населення з приготування та експлуатації найпростішої установки знезалізнення води.

Список використовуваних джерел інформації
1. Аткінс Р. Біодобавки. Природна альтернатива ліків. ТОВ «Попурі», Мінськ, 2004.
2. Белянин Б.В., Еріх В.М. Технічний аналіз нафтопродуктів і газу. Вид. «Хімія», Ленінград, 1975.
3. Горбачов В.В., Горбачова В.М. Вітаміни. Макро-і мікроелементи. Довідник. Книжковий Дім Інтерпрессервіс, Мінськ, 2002.
4. Горошко М.М., Цобкало Ж.А., Ільїна Н.І. Методичні рекомендації з підготовки до практичного туру олімпіади з хімії. Журнал «Хімія: праблеми викладання», № 2, 2005.
5. Грищенко М., Квітінскій А. Вплив сорбції метилоранжа на обмінну ємність сульфокатионитами. Науково-дослідна робота з хімії. СШ № 64, Мінськ, 2002 р.
6. Казьмін В. Йод і залізо для вашого здоров'я. Вид. БАРОпресс, Ростов-на-Дону, 2005.
7. Яка ситуація з питною водою в Білорусі в цілому? Журнал «Вода», червень, 2004.
8. Карякін Ю.В., Ангелів І.І. Чисті хімічні речовини, «Хімія», Москва, 1974 р.
9. Ковальов А.Я.. Ще раз про знезалізненні води. Журнал «Вода», вересень, 2003.
10. Ковальов А.Я. Знезалізнення води - що це? Журнал «Вода», липень, 2003.
11. Кульський Л.А. та ін Довідник за властивостями, методів аналізу та очищення води. Частина 2. Вид. «Наукова думка», Київ, 1980.
12. Моїсеєва Є. Ковток води під час спеки річного. Газета «Мінський кур'єр», № 195 (707), 25.08.05.
13. Николадзе Г.І. Знезалізнення природних і оборотних вод. Стройиздат, Москва, 1978.
14. Рабинович В.А., Хавін З.Я. Короткий хімічний довідник. Вид. «Хімія», Санкт-Петербург, 1994.
15. Самойлов І.В. Як очистити воду. Вид. «Фенікс», Ростов-на-Дону, 2000.
16. Фільтри різні потрібні. Газета «Комсомольська правда в Білорусі», 28 вересня 2005
17. Хімічна енциклопедія, том 1. Вид. «Радянська енциклопедія», Москва, 1988.


Додаток 1
Методика приготування робочого розчину [12]
Для приготування 0,1 М розчину треба в розчин 50 мл концентрованої сірчаної кислоти в 200 мл води внести 40 г солі Мора Fe (NH 4) 2 (SO 4) 2 · 6H 2 O, після розчинення розбавити водою до 1 літра.
Для приготування 0,0005 М розчину (робочий розчин) треба відміряти піпеткою 5 мл 0,1 М розчину і розбавити водою до 1 літра.

Додаток 2
Методика кількісного визначення концентрації розчину Fe 3 + [14]
Визначення з (Fe 3 +) грунтувалося на знаходженні кількості вільного йоду, що виділяється при окисленні іонами заліза (III) йодид-іонів:
FeCl 3 + KI = KCl + FeCl 2 + 1/2I 2, або
Fe 3 + + I - = Fe 2 + + 1/2I 2
за допомогою розчину тіосульфату натрію:
Na 2 S 2 O 3 + 1/2I 2 = 1/2Na 2 S 4 O 6 + NaI, або
S 2 O 3 2 - + 1/2I 2 = 1/2S 4 O 6 2 - + I -.
Розрахунок концентрації с (Fe 3 +) проводився за формулою:
с (Fe 3 +) = с (Na 2 S 2 O 3) · V ср (Na 2 S 2 O 3) / V (Fe 3 +),
де V ср - середнє арифметичне з трьох паралельних вимірювань.
Перед початком аналізу необхідно було стандартизувати розчин тіосульфату по приготовленого фіксанала розчину дихромата калію, тобто треба було визначити за допомогою даного розчину тіосульфату кількість вільного йоду, що виділяється при окисленні йодид-іонів стандартним розчином дихромата калію. c (K 2 Cr 2 O 7) дорівнює 0,01667 моль / л.
K 2 Cr 2 O 7 + KI + 7H 2 SO 4 = Cr 2 (SO 4) 3 + 3I 2 + 4K 2 SO 4 + 7H 2 O
2Na 2 S 2 O 3 + I 2 = Na 2 S 4 O 6 + 2NaI
Розрахунок концентрації с (Na 2 S 2 O 3) проводився за формулою:
з (Na 2 S 2 O 3) = 6 · c (K 2 Cr 2 O 7) · V (K 2 Cr 2 O 7) / V ср (Na 2 S 2 O 3),
де V ср - середнє арифметичне з трьох паралельних вимірювань.
Експериментальні дані
Аналіз тіосульфату натрію.
Реагенти: 0,05 М розчин H 2 SO 4, 5%-ний розчин KI, 0,01667 М розчин K 2 Cr 2 O 7, 0,5% розчин крохмалю, ~ 0,02 М розчин Na 2 S 2 O 3 .
Хід аналізу: У колбу для титрування внести 10 мл розчину сірчаної кислоти, потім 5 мл розчину KI і 2 мл розчину K 2 Cr 2 O 7. Колбу помістити в темне місце на кілька хвилин до закінчення реакції, а потім відтитрувати тіосульфатом до знебарвлення крохмалю. (Крохмаль додавати, коли тітруемих розчин стане блідо-жовтим)
Наші результати: 1 досвід - 10 мл розчину Na 2 S 2 O 3
2 досвід - 10,1 мл розчину Na 2 S 2 O 3
3 досвід - 10 мл розчину Na 2 S 2 O 3
V ср (Na 2 S 2 O 3) = 10 мл
Таким чином,
з (Na 2 S 2 O 3) = 6 · 0,01667 · 0,002 / 0,01 = 0,02 моль / л.
Аналіз сульфату заліза (III).
Реагенти: 0,05 М розчин H 2 SO 4, 5%-ний розчин KI, 0,001 М розчин Na 2 S 2 O 3, 0,5% розчин крохмалю, ~ 0,005 М розчин Fe 2 (SO 4) 3.
Хід аналізу: У колбу для титрування внести 10 мл розчину сірчаної кислоти, потім 5 мл розчину KI і 5 мл розчину Fe 2 (SO 4) 3. Колбу помістити в темне місце на кілька хвилин до закінчення реакції, а потім відтитрувати тіосульфатом до знебарвлення крохмалю . (Крохмаль додавати, коли тітруемих розчин стане блідо-жовтим)
Наші результати: 1 досвід - 43,4 мл розчину Na 2 S 2 O 3
2 досвід - 43,0 мл розчину Na 2 S 2 O 3
3 досвід - 43,8 мл розчину Na 2 S 2 O 3
V ср (Na 2 S 2 O 3) = 43,4 мл
Таким чином, з (Fe 3 +) = 0,001 · 0,0434 / 0,005 = 0,0087 моль / л.
Краплинний аналіз
Для визначення концентрації заліза в очищеній воді ми використовували краплинний аналіз на порцелянових пластинках з поглибленнями.
Для проведення аналізу необхідно було отримати шкалу порівняння, тобто приготувати серію розчинів з відомою концентрацією Fe і Fe 3 + 2 +.
а) Приготування шкали порівняння для аналізу концентрації Fe 3 + [15]
Вихідний розчин сульфату тривалентного заліза містив 0,0087 моль / л Fe 3 +, тобто 487 мг / л іонів Fe 3 +. Для одержання розчину, що містить 10 мг / л Fe 3 +, треба взяти 20,5 мл вихідного розчину і розбавити водою до 1 літра. Для отримання розчинів меншої концентрації треба взяти відповідно: 7 мг / л - 14,4 мл 0,0087 М розчину і розбавити до 1 літра;
5 мг / л - 10,3 мл 0,0087 М розчину і розбавити до 1 літра;
3 мг / л - 6,2 мл 0,0087 М розчину і розбавити до 1 літра;
1 мг / л - 2,1 мл 0,0087 М розчину і розбавити до 1 літра;
0,5 мг / л - 100 мл розчину з концентрацією 5 мг / л і розбавити до 1 літра;
0,3 мг / л - 100 мл розчину з концентрацією 3 мг / л і розбавити до 1 літра;
0,1 мг / л - 100 мл розчину з концентрацією 1 мг / л і розбавити до 1 літра.
Для колориметричного визначення тривалентного заліза у воді використовувалася здатність іонів Fe 3 + утворювати в присутності надлишку роданида амонію (калію) ряд железороданових комплексів, починаючи з [Fe (CNS)] 2 + і закінчуючи [Fe (CNS) 6] 3 -. Ці комплекси надають розчину забарвлення від жовтувато-рожевого до червоного на залежності від концентрації заліза в розчині. За інтенсивністю забарвлення можна зробити висновок про наближеному змісті кількості заліза в воді. Для крапельного аналізу використовувався 50%-ний розчин КCNS.
Хід аналізу концентрації Fe 3 +:
У поглиблення краплинної платівки вноситься 2 краплі досліджуваного розчину і туди ж додається 2 краплі 50%-ного розчину КCNS. У сусідні поглиблення краплинної платівки вноситься по 2 краплі розчинів з відомим вмістом заліза, туди також додається розчин роданида калію. Шляхом порівняння інтенсивності фарбування робиться висновок про зміст заліза в воді.
Наша шкала порівняння для аналізу змісту тривалентного заліза виглядала приблизно таким чином:
~ 10 мг / л ~ 5 мг / л ~ 3 мг / л ~ 1 мг / л ~ 0,5 мг / л ≤ 0,3 мг / л


б) Приготування шкали порівняння для аналізу концентрації Fe 2 + [15]
Вихідний розчин солі Мора містив 28 мг / л Fe 2 +. Для одержання розчину, що містить 20 мг / л Fe 2 +, треба взяти 71,4 мл вихідного розчину і розбавити водою до 100 мл. Для отримання розчинів меншої концентрації треба взяти відповідно:
15 мг / л - 53,6 мл вихідного розчину і розвести до 100 мл;
10 мг / л - 35,7 мл вихідного розчину і розвести до 100 мл;
7 мг / л - 25 мл вихідного розчину і розвести до 100 мл;
5 мг / л - 17,8 мл вихідного розчину і розвести до 100 мл;
4 мг / л - 14,3 мл вихідного розчину і розвести до 100 мл;
3 мг / л - 10,7 мл вихідного розчину і розвести до 100 мл;
1 мг / л - 3,6 мл вихідного розчину і розвести до 100 мл;
Для колориметричного визначення двовалентного заліза у воді використовувалася здатність червоної кров'яної солі, гексаціаноферрата (III) калію K 3 [Fe (CN) 6], утворювати у присутності іонів Fe 2 + комплексне з'єднання темно-синього кольору - турнбулевої синь. Реакція є найбільш чутливою на іони Fe 2 + і фармакопейної, однак вона не дозволяє визначати двовалентне залізо на рівні ГДК 0,3 мг / л.
Гексаціаноферрат (III) калію утворює червоно-коричневі кристали, що переходять при розтиранні в жовтий порошок, легко розчинний у воді з зеленуватим фарбуванням рідини. Для крапельного аналізу використовувався 25%-ний розчин K 3 [Fe (CN) 6].
Хід аналізу концентрації Fe 2 +:
У поглиблення краплинної платівки вноситься 2 краплі досліджуваного розчину і туди ж додається 2 краплі 25%-ного розчину K 3 [Fe (CN) 6]. У сусідні поглиблення краплинної платівки вноситься по 2 краплі розчинів з відомим вмістом заліза, туди також додається розчин гексаціаноферрата (III) калію. Шляхом порівняння інтенсивності фарбування робиться висновок про зміст двовалентного заліза у воді.
Наша шкала порівняння для аналізу змісту двовалентного заліза виглядала приблизно таким чином:
~ 20 мг / л ~ 15мг / л ~ 10 мг / л ~ 7 мг / л ~ 3 мг / л ≤ 1 мг / л
Схема окислення аскорбінової кислоти

Аскорбінова кислота (формула 1) - відновник. У водних розчинах окислюється оборотно до дегідроаскорбіновоїкислоти (формула 2) і далі необоротно до 2,3-дікетогулонову (формула 3), а потім до щавлевої кислот (формула 4). У результаті щавлева кислота окислюється до вуглекислого газу і води.
В організмі людини і тварин аскорбінова кислота проходить ті ж стадії перетворення, що і при її окисленні.
Схема відновлення перманганату калію
KMnO 4 → K 2 MnO 4 → MnO 2 → Mn 2 O 3 → MnO
Оксиди марганцю MnO 2, Mn 2 O 3, MnO нерозчинні у воді. Оксид MnO володіє слабоосновнимі властивостями і в кислому середовищі утворює солі Mn (II).
Оксид Mn 2 O 3 під дією розбавлених сірчаної або азотної кислот переходить в MnO 2 і сіль Mn (II).
Діоксид MnO 2 - найпоширеніше з'єднання марганцю в природі (мінерал піролюзит). Активний MnO 2, одержуваний взаємодією водних розчинів MnSO 4 і KMnO 4, - окислювач в органічній хімії [16].
Марганець - найважливіший мікроелемент
Марганець необхідний для життєдіяльності організмів. Недолік марганцю в організмі людини може викликати ряд захворювань. Мінімальна добова доза становить 4 мг, лікувальна доза від 5 до 35 мг [1, 16].
Марганець - важливий антиоксидант. Відзначено здатність марганцю захищати клітини від руйнівного впливу надлишку заліза, що породжує величезну кількість вільних радикалів. Марганець зміцнює тканини артерій, роблячи їх більш стійкими до утворення холестеринових атеросклеротичних бляшок. Дефіцит марганцю викликає підвищену вірогідність розвитку раку і тенденцію до суїцидальної поведінки.
Прийом марганцю покращує баланс глюкози в крові на цукровий діабет. Майбутнім батькам марганець необхідний для нормальної рухливості сперматозоїдів. При нестачі марганцю в організмі вагітних підвищується ймовірність аномалій розвитку плоду, у тому числі дефектів нервової трубки, з якої формується нервова система дитини. Для профілактики і лікування захворювань кісток марганець має не менше значення, ніж кальцій.
Марганець необхідний для росту, розмноження, загоєння ран, максимально продуктивної роботи мозку, а також нормального метаболізму цукрів, інсуліну і холестерину. При відсутності в організмі оптимальних запасів цього мікроелемента підвищується ймовірність розвитку ревматоїдного артриту, катаркти, множинного склерозу та епілепсії.
Недолік марганцю в грунті призводить до його нестачі в продуктах харчування. Ще одна причина нестачі марганцю - прийом заліза і кальцію, що діють як антагоністи марганцю [1].
Зразки фільтруючих завантажень
Катіоніт КУ-2-8 Катіоніт КУ-2-8 після обробки з марганцевим розчином FeSO 4 каталізатором
Силікатна пісок Силікатна пісок без каталізатора з марганцевим каталізатором
Набір реагентів для приготування установки знезалізнення води
1 пакет KMnO 4, ціна 80 рублів
2 пакети аскорбінової кислоти, ціна 240 Ч 2 = 480 рублів

Додаток 3
Досвід з очищення природної води
Для досліду використовували воду з села Кургани Мінського району.
Наявність заліза в даній воді визначався за допомогою крапельного аналізу. За нашою оцінкою первинного змісту двовалентного заліза становило приблизно 3 мг / л, а тривалентного - приблизно 0,5 мг / л.
Необхідні речовини і матеріали:
1) порожня 1-літрова пластикова пляшка з пробкою;
2) марлевий тампон;
3) відмитий і просіяний пісок - обсяг 0,25 л;
4) 0,1 л 0,5%-ного розчину перманганату калію;
5) 0,1 л 0,5%-ного розчину аскорбінової кислоти;
6) паличка для перемішування;
7) мірний циліндр для вимірювання об'єму очищеної води;
8) фарфорові пластинки для крапельного аналізу;
9) 50%-ний розчин калій роданида;
10) 25%-ний розчин гексаціаноферрата (III) калію.
Опис досвіду:
У спеціально підготовлену пляшку, закріплену в кільці штатива, внесли 0,25 л піску, потім влили 0,1 л 0,5%-ного розчину перманганату калію, суміш перемішали, додали 0,1 л 0,5%-ного розчину аскорбінової кислоти , ще раз ретельно перемішали і залишили суміш на 30 хвилин для формування каталітичного шару.
Через нижній отвір злили надлишок рідини, додали двічі по 0,5 л води для промивання завантаження.
Після промивання завантаження почали очищення природної води від заліза. Швидкість пропускання води через установку становила 1 л / год.
У нашому розпорядженні було 2 л природної води. Проби очищеної води для крапельного аналізу відбирали через кожні 0,25 л. За допомогою крапельного аналізу залізо у пробах не було виявлено.
Вгорі: фільтруюча завантаження на основі катіоніту;
внизу: фільтруюча завантаження на основі піску.

Додаток 4
Методика приготування робочого розчину [15]
Для приготування 0,1 М розчину треба в розчин 50 мл концентрованої сірчаної кислоти в 200 мл води внести 40 г солі Мора Fe (NH 4) 2 (SO 4) 2 · 6H 2 O, після розчинення розбавити водою до 1 літра.
Для приготування 0,0005 М розчину (робочий розчин) треба відміряти піпеткою 5 мл 0,1 М розчину і розбавити водою до 1 літра.
Методика кількісного визначення концентрації розчину Fe 3 + [4]
Визначення з (Fe 3 +) грунтувалося на знаходженні кількості вільного йоду, що виділяється при окисленні іонами заліза (III) йодид-іонів:
FeCl 3 + KI = KCl + FeCl 2 + 1/2I 2, або
Fe 3 + + I - = Fe 2 + + 1/2I 2
за допомогою розчину тіосульфату натрію:
Na 2 S 2 O 3 + 1/2I 2 = 1/2Na 2 S 4 O 6 + NaI, або
S 2 O 3 2 - + 1/2I 2 = 1/2S 4 O 6 2 - + I -.
Розрахунок концентрації с (Fe 3 +) проводився за формулою:
с (Fe 3 +) = с (Na 2 S 2 O 3) · V ср (Na 2 S 2 O 3) / V (Fe 3 +),
де V ср - середнє арифметичне з трьох паралельних вимірювань.
Перед початком аналізу необхідно було стандартизувати розчин тіосульфату по приготовленого фіксанала розчину дихромата калію, тобто треба було визначити за допомогою даного розчину тіосульфату кількість вільного йоду, що виділяється при окисленні йодид-іонів стандартним розчином дихромата калію. c (K 2 Cr 2 O 7) дорівнює 0,01667 моль / л.
K 2 Cr 2 O 7 + KI + 7H 2 SO 4 = Cr 2 (SO 4) 3 + 3I 2 + 4K 2 SO 4 + 7H 2 O
2Na 2 S 2 O 3 + I 2 = Na 2 S 4 O 6 + 2NaI
Розрахунок концентрації с (Na 2 S 2 O 3) проводився за формулою:
з (Na 2 S 2 O 3) = 6 · c (K 2 Cr 2 O 7) · V (K 2 Cr 2 O 7) / V ср (Na 2 S 2 O 3),
де V ср - середнє арифметичне з трьох паралельних вимірювань.
Експериментальні дані
Аналіз тіосульфату натрію.
Реагенти: 0,05 М розчин H 2 SO 4, 5%-ний розчин KI, 0,01667 М розчин K 2 Cr 2 O 7, 0,5% розчин крохмалю, ~ 0,02 М розчин Na 2 S 2 O 3 .
Хід аналізу: У колбу для титрування внести 10 мл розчину сірчаної кислоти, потім 5 мл розчину KI і 2 мл розчину K 2 Cr 2 O 7. Колбу помістити в темне місце на кілька хвилин до закінчення реакції, а потім відтитрувати тіосульфатом до знебарвлення крохмалю. (Крохмаль додавати, коли тітруемих розчин стане блідо-жовтим)
Наші результати: 1 досвід - 10 мл розчину Na 2 S 2 O 3
2 досвід - 10,1 мл розчину Na 2 S 2 O 3
3 досвід - 10 мл розчину Na 2 S 2 O 3
V ср (Na 2 S 2 O 3) = 10 мл
Таким чином, з (Na 2 S 2 O 3) = 6 · 0,01667 · 0,002 / 0,01 = 0,02 моль / л.
Аналіз сульфату заліза (III)
Реагенти: 0,05 М розчин H 2 SO 4, 5%-ний розчин KI, 0,001 М розчин Na 2 S 2 O 3, 0,5% розчин крохмалю, ~ 0,005 М розчин Fe 2 (SO 4) 3.
Хід аналізу: У колбу для титрування внести 10 мл розчину сірчаної кислоти, потім 5 мл розчину KI і 5 мл розчину Fe 2 (SO 4) 3. Колбу помістити в темне місце на кілька хвилин до закінчення реакції, а потім відтитрувати тіосульфатом до знебарвлення крохмалю . (Крохмаль додавати, коли тітруемих розчин стане блідо-жовтим)
Наші результати: 1 досвід - 43,4 мл розчину Na 2 S 2 O 3
2 досвід - 43,0 мл розчину Na 2 S 2 O 3
3 досвід - 43,8 мл розчину Na 2 S 2 O 3
V ср (Na 2 S 2 O 3) = 43,4 мл
Таким чином, з (Fe 3 +) = 0,001 · 0,0434 / 0,005 = 0,0087 моль / л.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Наукова робота
125.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Фізіологічне та гігієнічне значення води Гігієнічні вимоги до питної води
Стічні води
Споживання води 2
Мінеральні води
Підземні води 2
Підземні води
Артезіанські води Артезіанські води
Енергетика води
Гігієна води
© Усі права захищені
написати до нас