Государственное автономное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования Владимирской области «Владимирский институт развития образования имени Л.И. Новиковой

VI областная научно-практическая конференция школьников

«Вектор познания»

СЕКЦИЯ ХИМИИ

Очистка воды

 с высоким содержанием железа

Исследовательская работа

Выполнила:

Логинова Юлия Александровна,

 обучающаяся 9 класса

МОУ Новкинская ООШ

Камешковский район

Руководитель:

Матвиенко Татьяна Александрована,

 учитель биологии и химии

МОУ Новкинская ООШ

Новки, 2021

Оглавление

 Введение…………………………………………….…………………………...3

Анализ проблемы с химической точки зрения……….………………………..3

Способы  очистки воды от повышенного содержания железа …….………4

Аэрационный способ очистки воды……………………………………………5

Принцип  работы установки……………………………….……………….....6

Расчет размера колонн …………………..……………………………………....7

Наполнители  колонны-обезжелезивателя……………………………………8

Расчет промывки………………………………………………………..………..8

Заключение………………………………………….……………….………….8

Литература……………………………………………………………………..10

Приложения …………………………………………………………………...11

Введение

Проблема  чистой природной воды волнует многих. Есть она и в Камешковском районе. В воде наблюдается повышенное содержание железа, особенно на участках с болотистой местностью.

Совсем недавно  районный центр стал полностью снабжаться чистой водой, а до этого прозрачная вода из водопровода при нагревании становилась коричневой. Белье после стирки имело темные разводы. На белоснежной сантехнике появлялся ржавый налет. Употреблять в пищу такую воду было невозможно из-за высокого содержания железа. Люди использовали различные способы нахождения чистой питьевой воды. Кто-то ходил на колодцы,  другие ездили на родники, третьи умудрялись очищать воду из водопровода. Но проблема со стиркой и принятием ванны оставалась нерешенной. В настоящее время в городе этот вопрос решен. Но проблема появляется  у некоторых владельцев домов частного сектора. Пробурив скважину, они узнают о том, что вода имеет повышенное содержание железа.

С такой проблемой столкнулась моя семья. Вода в скважине оказалась непригодной не только для питья, но и для технического использования, так как она имела запах железа, а при нагревании  и отстаивании приобретала рыжий цвет. Анализ воды, проведенный ООО «Владимирские мембранные технологии», показал, что количество общего железа в воде превышает содержание нормы ПДК по Сан Пин 2.1.4.1175-02  в 37 раз (Приложение 1). Частный дом оснащен санузлом, современной техникой, водопроводом, поэтому нужна очистка воды в масштабах, необходимых для технического и питьевого использования семьи из пяти человек.    

Цель: найти способ очистки воды от повышенного содержания железа, подходящий  для частного дома.  

Задачи:

1. Провести анализ проблемы с химической точки зрения.
2. Изучить способы очистки воды от повышенного содержания железа.
3. Подобрать  наиболее подходящий способ очистки воды для частного дома.
4. Произвести необходимые расчеты.
5. Составить и собрать систему очистки воды.

Анализ проблемы с химической точки зрения

 В воде железо находится в двух основных формах: двухвалентном и трехвалентном состояниях. Двухвалентное железо растворимо в воде, не имеет окраски. Вода, содержащая двухвалентное железо, прозрачная, но только  первое время после набора. Через час-два появляется бурое окрашивание. Причина – в окислении двухвалентного железа воздухом и переход его в трехвалентное нерастворимое состояние  в виде желтовато-бурого осадка.  

Рыжий цвет воды обусловлен осадком – гидроксидом железа. Если убрать осадок трехвалентного железа, вода будет бесцветной и прозрачной. Уравнения реакции:

4Fe2+ + O2 +2H2O =4Fe3+   + 4OH–

 Fe3+ +3H2O =  Fe(OH)3 + 3H+

 Основой большинства способов очистки воды от повышенного содержания железа являются реакции перехода двухвалентного железа в трехвалентное с последующим отделением осадка на фильтре.

  Способы  очистки воды от повышенного содержания железа

Способов очистки воды от повышенного содержания железа много.

Отстаивание. Используется открытый резервуар, в котором при контакте воды с воздухом образуется осадок. Бак должен быть объемом,  превышающим суточные затраты семьи. В резервуаре предусматривается кран для слива надосадочного объема жидкости. Данный метод позволяет отделить надосадочную чистую воду от осадка. Осадок необходимо сливать раз в неделю.

Аэрация. Ускоренное окисление двухвалентного железа до трехвалентного с  образованием осадка. Окисление может проводиться под напором с использованием компрессора и без напора, при распылении воды. По окончании окисления образовавшийся осадок задерживается на фильтре. Требуется промывка системы.

Озонирование. Данный метод основан на использовании озона как окислителя для перехода двухвалентного железа в трехвалентное. Для получения озона необходимо специальное оборудование – озонатор, который стоит дорого и требует знаний об использовании. Используется на промышленных очистных комплексах

2Fe+2 + O3 + H2O → 2Fe+3 + O2 + 2OH-

Fe+3 + 3H2O → Fe(OH)3↓ + 3H+

Хлорирование. В качестве окислителя используется гипохлорит натрия. Все железо окисляется, переходит в осадок, который осаждается на фильтрах. В данное время такой метод требует точного расчета и дозации гипохлорита натрия.

2 Fe(HCO3)2 + NaClO + H2O = 2 Fe(OH)3↓ + 4 CO2↑ + NaCl 

Ионный обмен. Используется наполнитель насыщенный ионами. В качестве наполнителя служат гранулированные полимерные материалы. На поверхности гранул находятся ионы натрия, которые затем обмениваются на ионы железа. Сорбент поглощает все железные примеси. Требуется замена сорбента один раз в 1,5 месяца.

Все методы были проанализированы по критериям: возможность компактного устройства оборудования, большой срок обслуживания, отсутствие специальных знаний при установке, возможность установки в частном доме, недостатки. Данные представлены в таблице.

Таблица 1

По всем критериям для частного жилого дома  подходит аэрационный способ очистки железа, на котором и решено было остановиться.

Аэрационный способ очистки воды

Окисление железа кислородом ускоряется на катализаторе.  По теории адсорбционных катализаторов Фрумкина А.Н. поверхность  катализатора адсорбирует растворенный кислород в виде атомов, отрицательно заряженных ионов, а так же в других формах, в которых кислород является активным окислителем:

Fe2+  + О = Fe3+  + О–

Fe2+  + О– = Fe3+  + О2–

3Н2О = 3Н+ + 3ОН–

Fe3+  +3ОН– = Fe(ОН)3 

2Н+   + 3О2–   =  Н2О

Продукты окисления задерживаются на фильтрующем наполнителе.

Схема установки показана на рисунке.

Рис. 1 Схема установки

1. Аэрационная колонна;
2. Колонна-обезжелезиватель;
3. Компрессор;
4. Воздухо-отделительный клапан;
5. Наполнители: сорбент, кварцит, гравий.

Принцип  работы установки

Аэрационная колонна изготовлена из материала, выдерживающего высокое давление (от 2 до 6 атм.). Она всегда наполнена водой под давлением. Внутри расположены две трубки: первая, длиной на 1/3 от длины колонны, вторая  достигает дна.

Аэрационная колонна является емкостью для контакта кислорода воздуха с водой. При водоразборе в колонну поступает вода из скважины, очищенная от механических примесей. По первой трубке в аэрационную колонну из воздушного компрессора подается воздух под давлением (в соответствии с давлением подачи воды). Воздух насыщает воду кислородом. Это способствует окислению железа (переход из двухвалентного в трехвалентное), а также выветривает газы. Избыток воздуха сбрасывается через воздухо-отделительный клапан. Окисленная вода под давлением  по второй трубке поступает во вторую колонну-обезжелезиватель с фильтрующим материалом. В качестве фильтрующего материала используется: сорбент, кварцит (дробленый горный кварц) и гравий. Сорбент фракцией 0,3-0,7 является катализатором окисления в реакциях взаимодействия растворенного кислорода с растворенными в воде соединениями железа. В результате образуется гидроксид железа (III), который является нерастворимым соединением, выпадает в осадок и задерживается на поверхности фильтрующего материала (сорбента). Гравий фракцией 5-10 мм и кварцит фракцией  0,1-0,4 мм  обеспечивают двухуровневую очистку воды от взвешенных частиц (гидроксида железа), но при этом очищенную воду они пропускают.

Недостатком процесса является забивание межзернового пространства взвешенными частицами, что делает песчаный слой из гравия и кварцита непригодным для фильтрации. Необходима регулярная очистка фильтрующего слоя промывкой. Этот процесс должен происходить с определенной периодичностью.

Перед установкой и использованием необходимо знать размер колонн, количество наполнителей колонны-обезжелезивателя, периодичность промывки.

Расчет размера колонн 

В семье имеется 8 точек водоразбора: 2  унитаза, 1 мойка, 2 умывальника, посудомоечная машина, стиральная машина, душ. Одновременно может включаться не более четырех приборов:  мойка, стиральная машина (или посудомоечная машина), унитаз и душ.

Таблица 2

Используя данные таблицы, суммируем расход (0,7+0,7+0,4+0,7=2,5), получаем, что максимальный водоразбор составляет 2,5 м3 в час.

Таблица 3

Таким образом, в соответствии с табличными данными необходимы колонны диаметром 13 дюймов (333мм/1479мм).

Наполнители  колонны-обезжелезивателя

Наполнитель колонны-обезжелезивателя должен занимать 70-75%  от  объема колонны. На долю сорбента должно приходиться 70% от всего объема наполнителя, остальное на гравий и кварцит. Объем колонны рассчитаем по формуле:

 V= R2h, (диаметр 333 мм или 33,3 см, то  R=16,65см; h= 147,9см)

V= 3,14*16,652 *147,9=129*103 мл или 129 л (объем колонны)

Объем наполнителя: 129*0,7=90,3л

Объем сорбента: 90,3*0,7=63,2 л (3 мешка)

Объем гравия и кварцита: 90,3 – 63,2=27,1 л,  соответственно по 13,5 л

Расчет промывки

Образовавшийся осадок гидроксида железа должен смываться с фильтров. Необходимо знать, какой объем воды загрязняет фильтр. Воспользуемся формулой расчета   фильтроцикла:

V = (0,8 * Vef) / (G + 2 * СMn +  СFe).

 V - фильтроцикл, м3.

Vef - объем  сорбента (EcoFerox), л.

G - общая жесткость исходной воды, мг-экв./л.

СMn - концентрация железа в исходной воде, мг/л.

СFe - концентрация железа в исходной воде, мг/л.

V = (0,8 * 63) / (4 + 2 * 0,2 +  11,1)=3 м3

Значит, через каждые 3м3 необходима промывка системы. Если семья использует в месяц около13 м3 воды, промывку следует выполнять примерно 4 раза в месяц или раз в неделю.

После произведенных расчетов было закуплено необходимое оборудование и материалы. Установка системы очистки не вызвала затруднений. Собранная система работает исправно. Вода чистая,  при нагревании и контакте с воздухом не изменяет цвет, то есть очищена от примесей железа (Приложение 2).

В работе не ставилась цель показать денежное преимущество самостоятельного сбора установки. Но выгода есть. За подобную установку  на рынке предложений просят 130-150 тысяч рублей. Данная установка обошлась примерно в 70 тысяч рублей.

Заключение

В ходе выполнения работы проанализировала проблему загрязнения воды с химической точки зрения. Изучила способы очистки воды от повышенного содержания железа и выяснила, что аэрационный способ наиболее подходит для частного дома. Провела необходимые расчеты, после которых была собрана установка.

 Окисление железа кислородом протекает на катализаторе с последующей фильтрацией. Сложная, на первый взгляд, установка для очистки воды имеет простую конструкцию. Протекающие химические реакции в установке понятны каждому школьнику, изучающему химию. И расчеты оказались несложными. Собранная установка  хорошо работает и очищает воду.

Установка, собранная своими руками дешевле примерно в 2 раза цены, предложенной на рынке.

Исследовательская работа показывает возможность очистки воды в частном доме от высокого содержания железа аэрационным способом.

Литература

1. СанПиН 2.1.4.1175-02 Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников СанПиН 2.1.4.1175-02 Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников, О введении в действие санитарных правил "Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников. СанПиН 2.1.4.1175-02", Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 25 ноября 2002 года №40, СанПиН от 25 ноября 2002 года №2.1.4.1175-02 (cntd.ru)

2. Золотова Е.Ф., Асс Г.Ю. Очистка воды от железа, марганца, фтора и сероводорода. -М.: Стройиздат, 1975. -176 с. Очистка воды от железа, марганца, фтора и сероводорода (service-filter.ru) 

3. Кулаков В.В., Сошников Е.В., Чайковский Г.П. Обезжелезивание и деманганация подземных вод (учебное пособие) Хабаровск, ДГУПС. 1998. -100с. Кулаков В.В., Сошников Е.В., Чайковский Г.П. Обезжелезивание и деманганация подземных вод (учебное пособие) (studmed.ru) 

4. Очистка воды от железа из скважины [Электронный ресурс] Режим доступа: Очистка воды от железа из скважины (vagner-ural.ru)

Приложение 1

Приложение 2

Система в собранном виде

             Вода до очистки                                                          Вода после очистки