СОКИРНИТ – АДСОРБЕНТ ИОНОВ НЕГЕМОВОГО ЖЕЛЕЗА

Оглавление

Введение                                                                                                   3

1. Анализ скважинной воды                                                                           4

2. Соли железа и их влияние на организм                                                   6

3. Цеолит                                                                                                   7

4. Методы очистки воды сокирнитом в промышленности                                   8

5. Постановка опыта                                                                                 10

6. Качественная реакция роданидом калия                                                11

7. Результаты исследования                                                                         11

Общие выводы                                                                                        12

Библиографический список используемой литературы и электронных

ресурсов                                                                                                13

Приложение                                                                                         14

Введение

         Данная работа посвящена исследованию способности сокирнита к адсорбции ионов негемового железа в скважинной воде.
         Актуальность исследования: Проблемы экологии, а в особенности обеспечение населения питьевой водой, очень остро стоят в современном мире. Более того, на территории Клинского района используются подземные воды, содержащие в своем составе соли железа, значительно превышающие нормативы САНПиНа, что делает их непригодными для питья. Поэтому мы считаем необходимым изучить способы очистки скважинной воды с помощью цеолитов.

Новизна проекта: На территории нашей страны в современных мегаполисах и агломерациях с большим населением возникает потребность в качественной питьевой воде. Государственные отделы водоочистки и водоснабжения изучили и разработали промышленные способы очистки подземных вод с помощью цеолитов. Однако, много хозяйств используют индивидуальные скважины, вода которых не очищается. Поэтому мы предлагаем дешевый, простой и действенный способ очистки воды в частных условиях с применением сокирнита. 

         Объект исследования: Состав скважинных вод с содержанием ионов негемового железа. 

        Предмет исследования: Способность сокирнита поглощать ионы железа из скважинной воды. 

Цель работы: Выявить изменение химического состава скважинных вод после очистки сокирнитом. 

Гипотеза научно-исследовательского проекта: Сокирнит способен к поглощению ионов негемового железа. 

Задачи исследования:

- провести химический анализ состава воды индивидуальной скважины; 
- изучить понятия гемовое и негемовое железо, его влияние на живые организмы;
- охарактеризовать цеолит (в частности сокирнит); 
- охарактеризовать методы очистки сокирнитом в промышленных условиях; 
- провести эксперимент, с помощью которого можно доказать, что сокирнит поглощает ионы железа;

- проанализировать результаты опыта. 

1. Анализ скважинной воды

Для использования скважинной воды в питьевых целях необходимо проводить  точный анализ состава воды, который осуществляется в специализированных лабораториях. 
Для проведения химического анализа состава воды отобрана проба из индивидуальной скважины глубиной более шестидесяти метров (Рисунок №3). Были изучены следующие показатели скважинной воды [10]: 
- Жесткость общая
- Цветность
- Общая минерализация (сухой остаток)
- Марганец (Mn, суммарно)
- Железо (Fe, суммарно)
- Мутность
- Запах
- Окисляемость перманганата
- Привкус
- Водородный показатель, рН
         При проведении лабораторного анализа воды не существенно время с момента отбора пробы до непосредственного ее анализа. Для анализа мы отобрали 1 литр скважинной воды. 

         Место нахождения объекта отбора воды:
         Деревня Малеевка, Клинский р-н (индивидуальная скважина) (Рисунок №3).

         Дата отбора воды:

         10.11.17.
         В результате химического исследования, которое проводилось в лаборатории (ООО «Экодар») мы получили следующую форму лабораторного анализа качества воды (Таблица №1). 

         Содержание в воде железа выше норматива (показанного в таблице №1) в 3,5 раза способствует нарастанию осадка в системе водоснабжения, усиленному окрашиванию сантехнического оснащения. Соли железа в воде придают  красно-коричневую окраску, понижают ее вкусовые качества, вызывают формирование железобактерий, отложение осадка в трубах и их засорение. Повышенное содержание железа в воде вызывает отрицательное действие на кожу, появление аллергических реакций, может отразиться на изменение морфологического состава крови.

         Высокое содержание солей марганца в воде оказывает мутагенное воздействие на человеческий организм. При уровнях в системе водоснабжения, превышающих 0,1 мг/л, марганец приводит к возникновению пятен на сантехническом оборудовании и белье, и образованию неприятного привкуса напитков из данной воды. Нахождение марганца в питьевой воде также вызывает нарастание отложений в системе распределения [1].

         Жесткость исследуемой воды выше норматива, а тем более, оптимального физиологического уровня, который составляет 3,0-3,5 мг-экв/л. приводит к накоплению осадка в системе водоснабжения дома и на сантехнике, мешает функционированию бытовых приборов.

         Сульфиды оказывают токсическое воздействие  на человека и вызывают раздражение эпидермиса.

2. Соли Железа и их влияние на организм

         Железо — важный микроэлемент для организма человека. Большая часть железа (68%) в организме входит в состав комплекса ферментов, называемых гемом [9]. Они образуют гемоглобин, который отвечает за транспортировку кислорода по крови к органам. Железо предает крови характерный красный цвет.

         В организм человека железо поступает с пищей. Недостаток железа вызывает разные формы анемии, которой страдает около 2 млрд. человек.  Дефицит этого элемента вызывает общую слабость, головокружение, сонливость, потерю работоспособности.

         Опасен и переизбыток железа (гемохроматоз), который способствует образованию свободных радикалов, оказывающих токсичное влияние и нарушающих окислительно-восстановительные реакции в организме. Избыток железа часто вызывает атеросклероз (отложение холестерина) и генетические болезни печени и почек. Гемохроматоз возникает из-за потребления воды, содержащей более 1-2 мг/л железа (норма САНПиНа 0,3 мг/л).

         Железо в организме делится на две большие группы: гемовое и негемовое [6].

         1. Гемовое железо находится в продуктах животного происхождения (мясо, почки, печень, сухая кровь). В живых организмах гемовое железо входит в состав гемоглобина. Оно полностью усваивается в организме человека и чрезвычайно полезно для функционирования органов. Без гемового железа невозможен процесс образования миоглобина (белка мышц сердца и скелета).

Ионы гемового железа оказывают положительное влияние на организм человека. С помощью железа происходит процесс кровообразования, иммунобиологические процессы, протекают окислительно-восстановительные реакции. Ионы железа принимают активное участие в жизнедеятельности клеток. Средний уровень железа в организме создает условия для хорошего функционирования кожных покровов, мозга, передачи кислорода по крови к органам.  

         2. Негемовое железо находится в свободной ионной форме:

- 2 валентное - Fe II

- 3 валентное - Fe III.

         Негемовое железо содержится в растительной пище, воде и железосодержащих препаратах, почти не усваивается организмом. Поэтому для его усвоения требуется окислитель, которым является витамин C.

         Увеличенное содержание железа в воде – является источником проблем для организма, особенно для печени и почек [2]. Вредное воздействие солей железа при попадании в организм человека с пищей или водой начинается уже выше 0,3 мг/л. Как следствием являются сухость и зуд кожи и слизистых оболочек, появление аллергических реакций и отрицательно влияет на репродуктивную функцию организма. Последние исследования ученых выявили, что избыточное содержание железа в воде приводит к увеличению риска инфарктов и повреждению тканей при инсультах [7].

3. Цеолит

         Цеолиты - обширная группа минералов (на сегодняшний день известно более 40 видов), близких по составу к алюмосиликатам. Кристаллическая решетка цеолитов образована тетраэдрическими группами SiO2/4 и AlO2/4, объединёнными общими вершинами в трёхмерный каркас (Рисунок №4). Цеолиты широко распространены. Хотя месторождения не обладают большими запасами минерала, однако встречаются повсеместно. По расчетам ученых в странах СНГ содержится более 4 млрд. тонн цеолита. Наибольшие запасы расположены в Крыму, Закавказье, Сибири и на Дальнем Востоке. Так же цеолит получают искусственным путём.

         Важным свойством цеолита является способность к ионному обмену, то есть он может, как поглощать, так и отдавать различные вещества. Минерал может впитывать и воду, но при определённых внешних условиях (температура, влажность). Высокая интенсивность адсорбции обусловлена большой внутренней поверхностью кавернозной структуры минерала, достигающей 47% [5].

         На практике наиболее часто для очистки сточных и питьевых вод используется сокирнит, который получил свое название от Сокирницкого месторождения (Закарпатье) (Таблица № 2). Сокирниты являются природными цеолитами вулканического происхождения с общей формулой K2Na2Ca xAl2Si7O18x6H2O. Сорбционность сокирнита обуславливается высоким содержанием в нем клиноптилолита (Рисунок № 1). Сокирнит имеет шероховатую поверхность, размер измельченного камня равен от 1-10 мм (рисунок №2). Сокирниты имеют плотность 2,2-2,3 грамм на см в кубе и твердость по шкале Мооса 3,5-4 балла (Таблица №3). Цвет розоватый, белый, серый, светло-желтый. В 2010 году сокирнит был включен во всероссийский перечень разрешенных материалов для очистки воды.

         Цеолиты (природные и искусственно созданные) широко используют в водоочистке. К тому же, цеолит полезен для организма как животных, так и человека. Он улучшает обмен веществ и повышает активность иммунитета. Поэтому он входит в состав многих кормов для птиц и животных, а также биологических добавок в пищу человека. В данном случае цеолит восполняет потребность в минералах, за счет своих адсорбционных свойств [9]. 

4. Методы очистки воды сокирнитом в промышленности

         Большинство веществ, используемых в промышленной очистке воды, - синтетические. Но цеолит – природный минерал, дешевый и эффективный в фильтрации. Существует 3 метода применения сокирнита в водоочистке для очистки поверхностных, подземных и сточных вод [4].

         1. Очистка поверхностных вод. Впервые данный опыт очистки был применен в Закарпатье на Сокирницком месторождении [6]. В настоящее время сокирнит используется на многих промышленных предприятиях. Особой установки сокирнит не требует, поэтому были использованы скорые фильтры с загрузкой керамзита, песка, активированного угля. Параллельно очистке цеолитам происходила фильтрация воды кварцевым песком и актированным углем. Результаты исследования сравнили. Оказалось, что цеолит превышает очистку воды песком и активированным углем в нескольких показателях. Фильтры с загрузкой из кварцевого песка очищают не более 6-7 м/ч, в то время как цеолит  10-11 м/ч. Таким образом, цеолит фильтрует в 1,6-1,7 раз больше воды, чем кварцевый песок. Активированный уголь же выступает как ненадежный адсорбент. Поглощая вещества, при полном наполнении он может отдать их в воду. Цеолит, напротив, крепко держит поглощенные вещества, и освобождается от них только после промывки минерала [4].

         2. Обезжелезивание подземных вод.  В подземных водах нередко присутствуют соединения негемового железа. Оно находится в двух формах: двухвалентное, растворимое в воде и поглощаемое сокирнитом, и трехвалентное, которое требует предварительной аэрации для превращение его в растворимое двухвалентное железо. Применяется способ упрощенной аэрации, при которой происходит разрыв струи воды перед фильтрацией.

С употреблением сокирнита скорость обезжелезивания возросла [3]. При фильтроцикле 4-5 часов стало возможным увеличение скорости до 12 м/ч [8].  

При этом,  фильтры могут быть установлены на открытых площадках, ввиду их повышенной морозоустойчивости (до -30 ).  

          3. Очистка сточных вод. Для очистки сочных вод, выделяемых большими мегаполисами, все чаще стали использоваться цеолиты. Целью очистки сточных вод является доведение воды до норм САНПиНа с последующем сбросом очищенной воды на почву или повторным ее использованием [8]. Сорбционные свойства цеолита позволяют удалять из воды мелкодисперсную смесь, взвешенные вещества, нефтепродукты, тяжелые металлы (свинец, ртуть, медь), радионуклиды и аммонийный азот. При очистке сточных вод применяется крупнозернистый цеолит, который доводит содержание токсичных веществ в воде до нормы.

5. Постановка опыта

         Отбор пробы. Отбираем пробу скважинной воды объемом 1 литр (проба взята из индивидуальной скважины дер. Малеевка (Рисунок №3)). До исследования отобранная вода хранится не более 6 часов при температуре 4°С. После отбора пробы пропускаем скважинную воду через фильтровальную бумагу и наполняем сосуды до определенного уровня.

         Проведение опыта. Из отобранной скважинной воды готовим 3 пробы с разным процентным содержанием сульфата железа (ионы негемового железа) путем добавления рассчитанной массы вещества (рисунок №6).

         Расчет на 100 мл воды (пример расчетов для пробы №1):

ρ (H2O) = 1г/мл        ρ =          m = v·ρ         m = 100 мл·1 г/мл                 m = 100 г

m (FeSO4) =                  m (FeSO4) = 7% ·                 m (FeSO4) = 7 г

         Аналогично были рассчитаны пробы №2 и проба №3. Таким образом, проба №1 — 7%, проба №2 — 5%, проба №3 — 3% и проба №4 — скважинная вода без добавления сульфата железа(см. Расчет №1). Приготовленные растворы с массовой долей 7%, 5% и 3 % имеет желтоватый оттенок, интенсивность окраски уменьшается по мере сокращения концентрации сульфата железа в пробах (рисунок №6).

         В исследуемые пробы, объемом 100 мл каждая, добавляем 10 грамм сокирнита (из расчета 100 г минерала на 1 литр очищаемой воды).

Очистку проб исследуемой воды проводили трижды. Следим за ходом эксперимента через 6, 12 и 24 часов. Во время опыты сосуды с пробами не перемещаем.

6. Качественная реакция роданидом калия

         Для подтверждения своей гипотезы мы использовали качественную реакцию на определения ионов железа с помощью реактива роданидом калия (KCNS). До очистки растворов сокирнитом во все пробы был добавлен раствор роданида калия. В пробах №1, 2 и 3 наблюдалось окрашивание разной интенсивности в зависимости от концентрации железа (рисунок №8). В пробе №4 изменение цвета не наблюдалось.

         Для исследования качества работы сокирнита проводим реакцию на определения ионов железа с помощью реактива роданидом калия. После очистки проб воды сокирнитом во все сосуды был добавлен реактив. В пробах окрашивание не наблюдалось. Это свидетельствует о том, что сокирнит осуществил адсорбцию ионов негемового железа (рисунок №7).

7. Результаты исследования

         Результаты исследования проб с разной концентрацией железа (7%, 5% и 3 %) до очистки сокирнитом показали, что содержание ионов негемового железа превышает норму САНПиНа в 26,6 раз в пробе №1, в 20 раз в пробе №2 и в 13,3 раза в пробе № 3. Так, взяв растворы сульфата железа, мы обнаружили, что сокирнит поглощает ионы негемового железа за короткий срок (6 часов). Визуально очищаемая вода становится прозрачной, видимых следов железа в воде не наблюдается (рисунок №7). При проверке воды в лаборатории исследование показало, что содержание железа приближено к норме (Таблицы №4, №5). Более того и в пробе №4 существенно снизилось количества негемового железа.

Общие выводы

         Вода — важнейшее вещество, значение которого сложно переоценить. Человек на 80% состоит из воды. Она определяет жизнедеятельность организмов на нашей планете. Поэтому так важен состав воды, которая используется в питьевых целях.  С целью обеспечить очистку воды в условиях индивидуального хозяйства мы провели данное исследование. Была проделана работа по изучению адсорбционных свойств сокирнита на скважинной питьевой воде.   Лабораторные исследования скважинной воды до очистки показывают высокое содержание ионов негемового железа, которое может накапливаться и отрицательно воздействовать на организм человека, вызывая ряд заболеваний.  Обезжелезивание скважинной воды — задача очень дорогостоящая, но важная. Поэтому использование цеолитов является менее затратным и более эффективным способом очистки воды в частных условиях.  Эксперимент доказал, что при фильтрации воды сокирнитом заметно улучшаются ее свойства, ПДК железа приближена к норме. Таким образом, адсорбция сокирнитом ионов негемового железа характеризует высококачественную очистку скважинной воды пригодной для хозяйственно-питьевого назначения.

Библиографический список используемой литературы и электронных ресурсов

1. Бармин, М.И. Экология воды. – СПб.: Комильфо, 2010. – 238 с.,ил.
2. Васильева Н. В.Водоотведение и очистка сточных вод. – Горки: БГСХА, 2013. – 26 с.
3. Зубрилов С. П. Питьевая вода городов. Современные технологии очистки воды. – СПб.: ГУМРФ им. адмирала С. О. Макарова, 2015. – 136 с.
4. Николадзе Г. И. Обезжелезивание природных и оборотных вод. М.: Стройиздат,1978. 160 с.
5. Тарасевич Ю. А. Природные цеолиты в процессах очистки воды // Химия и технология воды. 1988. Т.10. №3. С. 210-218.
6. Чечевичкин В. Н. Обезжелезивающая способность минеральных природных адсорбентов. // Научно-технические ведомости СПбГТУ, 2000. №1(19). С. 93-96/
7. Влияние железа на организм человека. URL: https://docviewer.yandex.ru/view/89769029/?*=jpQuFD8Es1s7cuzKzHDrZzXE36l7InVybCI6Imh0dHA6Ly9zY2llbmNlLmt1enN0dS5ydS93cC1jb250ZW50L0V2ZW50cy9Db25mZXJlbmNlL1JNLzIwMTUvUk0xNS9wYWdlcy9BcnRpY2xlcy9HSS81LzUucGRmIiwidGl0bGUiOiI1LnBkZiIsInVpZCI6Ijg5NzY5MDI5IiwieXUiOiIxODkxMjk0MzUxNDU0NDk5NzE1Iiwibm9pZnJhbWUiOnRydWUsInRzIjoxNTE1NzU3NTI3NzU0fQ%3D%3D&lang=ru (дата обращения 23.11.17).
8.  Выбор системы водоочистки загородного дома, коттеджа. URL: http://litcey.ru/himiya/7709/index.html (дата обращения 14.11.17).
9. Природные цеолиты – Сокирниты. Опыт применения в процессах очистки воды и стоков. URL:  http://zeomix.ru/usefularticles/67-experience-in-use-in-the-purificationof-water-and-wastewater.html (дата обращения 05.11.17).
10. Учебное пособие: Безопасность жизнедеятельности и здоровья человека. URL: http://www.bestreferat.ru/referat-176828.html (дата обращения 07.11.17).

Приложение

Таблица № 1.

Лабораторный анализ скважинной воды.

Таблица № 2

Месторождения цеолитов.

КЛ- Клиноптилолит, Пг-пегасин, Мр-морденит, Кр- кристобалит, Гл-гейландит

      Рисунок №1.                           Рисунок №2.                        Рисунок № 3

Измельчённый сокирнит.     Пористая структура             Индивидуальная

                                                        Сокирнита.                           скважина.                

Рисунок №4                                                           Таблица №3

 Кристаллическая решётка сокирнита                                                                           

             Рисунок №5                                                Рисунок №6

Подготовка растворов к опытам            Растворы с разной процентной

                                                                               концентрацией                                          

Рисунок№7

Очистка растворов сокирнитом                                                                  

Рисунок№8

Качественная реакция

роданидом калия

Таблица №4

Результаты исследования воды.

* - концентрация ионов негемового железа в растворе

** - содержание железа в растворах, приготовленных на основе скважинной воды,  до и после очистки ее сокирнитом

Таблица № 5

Лабораторный анализ скважинной воды.