10.09.2018
Как ускорить процесс окисления железа. Обезжелезивание воды. Концентрация железа в воде
Железобактерия Thiobacillus ferrooxidansокисляет двухвалентное железо до трехвалентного:
4Fe2++ 4Н+ + 02 ->¦ 4Fe3++ 2Н20
Эта бактерия очень похожа на Т. thiooxidans,жизнеспособна при pH среды до 2,5, однако энергию она получает не только за счет окисления восстановленных соединений серы, но и за счет окисления ионов Fe2 +. Эта железобактерия обитает в кислых рудничных водах, содержащих сульфиды различных металлов, в том числе пирит (FeS2). С несомненностью установлено, что ацидофильные железобактерии способны к хемоавтотрофному образу жизни.
Недавно были также открыты термофильные штаммы тиобацилл, окисляющих железо и серу. Штаммы термофила Sulfolobus acidocaldarius тоже могут окислять двухвалентное железо. Из почв, содержащих ан-тимонит, удалось выделить автотрофную бактерию Stibiobacter senarmontii,способную окислять Sb3 + до Sb5 + .
Выщелачивание металлов из руд. Способность некоторых ацидофильных бактерий, окисляющих железо и серу, превращать сульфиды и элементарную серу в водорастворимые сульфаты тяжелых металлов используется для выщелачивания бедных руд с целью получения меди, цинка, никеля, молибдена и урана. Метод выщелачивания уже применяют в широком масштабе для получения металлов из отвалов породы, однако область его применения, возможно, удастся распространить и на подземный горный промысел. В наиболее простом случае пропускают воду через толстый слой измельченного камня, содержащего руду [например, пирит (FeS2)] с сопутствующими сульфидами различных металлов, таких как Cu2S (халькозин), CuS, ZnS, NiS, MoS2, Sb2S3, CoS и PbS, а затем собирают раствор, содержащий сульфаты. После концентрирования такого раствора из него осаждают соответствующие металлы.
Растворение сульфидов тяжелых металлов происходит благодаря совместному действию многих процессов: бактериального окисления восстановленных соединений серы (1) или элементарной серы (2) до серной кислоты, бактериального окисления Fe2 + до Fe3 + (3), и, наконец, химического окисления нерастворимых солей тяжелых металлов до растворимых сульфатов и серы (4):
FeS2+ 37202 + Н20 -+ FeS04+ H2S04
S + І72О2 + н2о - H2S04
2FeS04+ 7202 + H2S04-+ Fe2(S04)3 + H20
MeS + 2Fe3+ -+ Me2+ + 2Fe2+ + S
Таким образом, бактерии поставляют серную кислоту, а также регенерируют Fe3 + ; оба этих компонента расходуются при растворении руд.
Эти превращения осуществляют Thiobacillus thiooxidansи Т. ferro- oxidans.Соответствующие штаммы бактерий отличаются необычной устойчивостью к довольно высоким концентрациям Си2 +, Со2 + , Zn2 +, Ni2 + и других ионов тяжелых металлов. В процессе выщелачивания участвуют также штаммы Sulfolobus,окисляющие серу и железо.
Другие железобактерии. К наиболее известным и легко распознаваемым железобактериям относятся также Gallionella ferruginea(см. рис. 3.16) и Leptothrix ochracea.Их можно найти, например, в дренажных трубах и горных ручьях среди хлопьев и толстых налетов оксидов железа. До последних лет оставалось неясным, способны ли эти бактерии использовать энергию, освобождающуюся при окислении Fe2+в Fe3 + , и расти как автотрофы. Недавно у представителей рода Gallionellaбыла обнаружена рибулозобисфосфат-карбоксилаза; поэтому их относят сейчас к литоавтотрофным бактериям.
Бактерии окисляют не только железо, но и марганец. Хламидобакте- рия Leptothrix discophorusспособна окислять Мп2 + до Мп4 + . Однако еще не установлено точно, используется ли энергия, получаемая в результате такого окисления, для метаболических целей.
Облигатная хемолитоавтотрофия. Облигатная хемолитоавтотрофия-это выражение крайней степени приспособления и специализации организмов, окисляющих неорганические субстраты. Для того чтобы объяснить этот феномен, было предложено и проверено несколько гипотез:
Можно исходить из предположения, что цикл трикарбоновых кислот не является необходимым для окисления неорганического субстрата (подобно тому как он не нужен для брожения). В самом деле, восстановительные эквиваленты, получающиеся благодаря окислению неорганического субстрата, поступают в дыхательную цепь. Должны быть обеспечены лишь синтетические функции цикла трикарбоновых кислот (образование 2-оксоглутарата и сукцината). Но для этого фермент 2-оксоглутаратдегидрогеназа не нужен. Проверка показала, что у ряда облигатно-автотрофных бактерий его действительно нет. 2-Оксоглутарат- дегидрогеназа не обнаруживалась и у многих факультативно-автотрофных бактерий, если клетки росли на среде с неорганическим источником энергии. Таким образом, мутант факультативно-автотрофной бактерии, потерявший способность к синтезу 2-оксоглутаратдегидрогеназы, вел бы себя как.облигатно-авто- трофный микроорганизм.
Поскольку нитрифицирующие бактерии, а также бактерии, окисляющие серу, сульфит и железо, обладают «разделенной» дыхательной цепью, вполне возможно, что у некоторых облигатных автотрофов в первом участке этой цепи имеется необратимый этап, который делает невозможной ее нормальную функцию, а именно окисление NADH2(этот отрезок используется только для обратного переноса электронов). Такое нарушение обратимости цепи, возможно связанное с регуляцией ферментов, могло бы служить для сохранения восстановительной силы (NADH2), полученной с большими затратами энергии.
Пока еще не удалось дать единое объяснение облигатной автотрофии. Возможно, что у разных физиологических групп бактерий этот феномен имеет разные причины.
Вопрос:
Здравствуйте! У меня на участке содержание железа превышает норму в 23 раза, по жесткости - в 2 раза, можете ли предложить свою технологию очистки? (местонахождение 9-ый км киевского шоссе). С уважением, Елена Владимировна .
Ответ:
Концентрация железа в воде
Уважаемая, Елена Владимировна!
Очистка воды от железа – непростая, хотя и наиболее распространённая проблем а. Железо попадает в питьевую воду не только в природных условиях, но и в результате коррозии аппаратов и трубопроводов. И в этих случаях железо может находиться в ионной, коллоидной и грубодисперсной формах.
Менее легко окисленная медь действует как катод, заставляя железо быстро растворяться вблизи соединения и изредка приводя к катастрофическому отказу от водопровода. Рисунок 19 Гальваническая коррозия. 
Если железо находится в контакте с более коррозионно-стойким металлом, таким как олово, медь или свинец, другой металл может действовать как большой катод, который значительно увеличивает скорость восстановления кислорода. Поскольку восстановление кислорода связано с окислением железа, это может привести к резкому увеличению скорости окисления железа на аноде.
Все это обеспечивает высокую скорость и полноту окислительных реакций. Greensand обладает высочайшей поглощающей способностью, эффективен при очистке воды с высокими концентрациями железа и марганца (суммарно до 10 мг/л) в широком диапазоне pH – 6,2–8,8. Системы с засыпкой из этого материала применяются для очистки воды из скважин любой глубины. Сероводород окисляется до нерастворимых сульфатов. Осадки фильтруются слоем Greensand и сопутствующими фильтрующими слоями. Сорбент не подвержен воздействию микроорганизмов, органических примесей, не требует дезинфекции. Регенерация среды проводится раствором перманганата калия с последующей промывкой исходной водой.
Зачем очищать воду от железа
Гальваническая коррозия, вероятно, возникает, когда два несходных металла соединены напрямую, что позволяет переносить электроны от одного к другому. Одним из способов избежать этих проблем является использование более легко окисленного металла для защиты железа от коррозии. Это предотвращает окисление железа и защищает железный предмет от коррозии.
Реакции, которые происходят в этих условиях, следующие. Чем более реактивный металл реагирует с кислородом и в конечном итоге растворяется, «жертвуя» собой для защиты железного объекта. Катодная защита - это принцип, лежащий в основе оцинкованной стали, которая защищена сталью тонким слоем цинка. Оцинкованная сталь используется в предметах от гвоздей до мусорных баков. В подобной стратегии жертвенные электроды Электрод содержит более реактивный металл, который прикреплен к металлическому предмету для ингибирования коррозии этого объекта. например, с использованием магния, используются для защиты подземных резервуаров или труб.
Фильтр для обезжелезивания воды представляет собой металлический баллон с соответствующим наполнителем – например природный минерал глауканит, покрытый слоем оксида марганца (Грин Санд - зеленый песок). Для восстановления окислительной способности зеленого песка в фильтре для очистки воды от железа используется раствор перманганата калия (марганцовка). Размеры фильтра зависят от производительности системы очистки воды.
Замена жертвенных электродов более экономична, чем замена предметов, которые они защищают. Рисунок 20 Использование жертвенного электрода для защиты от коррозии. Подключение магниевого стержня к подземному стальному трубопроводу защищает трубопровод от коррозии. Поэтому трубопровод вынужден действовать как катод, при котором уменьшается кислород. Почва между анодом и катодом действует как солевой мост, который завершает электрическую цепь и поддерживает электрический нейтралитет.
Система фильтрации как метод очистки жидкости
Аналогичная стратегия использует много миль немного менее реактивной цинковой проволоки для защиты нефтепровода Аляска. Предположим, что старый деревянный парусник, удерживаемый вместе с железными винтами, имеет бронзовый винт. Таким образом, если олово или медь попадают в электрический контакт с морской водой с железом в присутствии кислорода, произойдет коррозия. Поскольку цинк является более активным металлом, чем железо, он будет действовать как жертвенный анод в электрохимической ячейке и растворяться.
- Если судно погружено в морскую воду, какая будет реакция коррозии?
- Как вы могли предотвратить эту коррозию?
Кроме этого, в состав фильтра для очистки воды от железа входит система автоматических клапанов. Управляющие клапаны обеспечивает эффективную работу фильтра обезжелезивателя в течение длительной эксплуатации.
Эксплуатационные характеристики фильтра для обезжелезивания воды на основе минерала глауконита, покрытого слоем оксида марганца (Грин Санд - зеленый песок).
Чтобы исключить возможность отравления свинцом, вы вызываете водопроводчика для замены свинцовых труб. Он цитирует вам очень низкую цену, если он может использовать свой существующий запас медной трубы для выполнения этой работы.
- Вы принимаете его предложение?
- Что еще нужно, чтобы водопроводчик делал в вашем доме?
Альтернативно, более легко окисленный металл может быть нанесен на металлическую поверхность, что обеспечивает катодную защиту поверхности. Тонкий слой цинка защищает оцинкованную сталь. Жесткие электроды также могут быть прикреплены к объекту для его защиты.
Существуют и другие материалы с каталитической и окислительной активностью применяемые в качестве засыпок для фильтров-обезжелезивателей, но на примере вышеуказанных можно получить представление об основных принципах удаления железа данным способом.
Очистка воды от железа ионообменным методом.
Для удаления железа этим методом применяются ионообменные смолы - катиониты. Причем все шире на смену цеолиту и другим природным ионитам приходят синтетические ионообменные смолы; эффективность использования ионного обмена при этом значительно возрастает.
Основные способы обезжелезивания воды
Коррозия - это гальванический процесс, который можно предотвратить с помощью катодной защиты. Краска удерживает кислород и воду от непосредственного контакта с металлом, что предотвращает коррозию. Краска более необходима, потому что соль является электролитом, который увеличивает проводимость воды и облегчает поток электрического тока между анодным и катодным участками. Очистка железа и воды для железа может принимать различные формы. Железо вызывает оранжевое пятно, и много раз оно будет сопровождаться запахом газа марганца и сероводорода.
Любые катиониты способны удалять из воды не только растворенное двухвалентное железо, но также и другие двухвалентные металлы, в частности кальций и магний, для чего они в первую очередь и применяются. Теоретически методом ионного обмена можно удалять из воды очень высокие концентрации железа, при этом не потребуется стадии окисления растворенного двухвалентного железа с целью получения нерастворимого гидроксида железа. Однако на практике возможности применения данного метода значительно ограничены.
Железо-окрашивание будет шоколадно-коричневым, если оно сочетается с марганцем. При высокой концентрации железо приведет к тому, что вода будет иметь металлический вкус и металлический запах. Обработка воды для железа будет зависеть от формы железа и других загрязняющих веществ, обнаруженных в воде.
Железо в воде может существовать в четырех формах. Железосодержащее железо - Железо упоминается как железо красного цвета. Железо железа является ржавчиной и является результатом окисления железа. Эта форма железа может быть отфильтрована. Органическое железо. Органическое железо иногда называют желеобразным железом или розовой водой. Органическое железо - это железо в сочетании с растворенным органическим веществом в воде. Это железо удерживается в растворе с органическими материалами, которые химически соединены с железом. Вода будет прозрачной и будет иметь цвет, если концентрация железа достаточно высока. Иногда это железо начинает окисляться и образовывать суспензию в воде, создавая еще одну форму железа, называемую коллоидным железом. Коллоидное железо - коллоидное железо будет выглядеть как красно-водяное железо, но его нельзя легко фильтровать. Железо осадилось и превратилось в железосодержащее железо, но образовавшиеся молекулы не склеились. В результате частицы железа не образуют достаточно больших кусочков, чтобы оседать на дно контейнера или задерживаться нормальной фильтрацией. Чтобы проверить, есть ли у вас этот тип воды, собрать образец в прозрачном стеклянном контейнере. Просветите луч фонарика через воду и посмотрите, можете ли вы видеть световой луч в воде. Затем дайте воде на ночь. Если после установки в течение ночи вы все еще можете видеть луч света, когда он проходит через воду, и на дне контейнера не было осаждения материала, шансы очень хорошие, что у вас есть коллоидное железо.
- Черное железо - черное железо часто называют чистым водом.
- Эта форма железа растворяется в воде.
- Как и любой растворенный материал, он не виден в воде.
- Растворенные материалы не могут фильтроваться.
- Они должны быть удалены с помощью химических изменений.
В первую очередь применение ионного обмена для обезжелезивания ограничивает присутствие трехвалентного железа, которое быстро «забивает» смолу и плохо оттуда вымывается. Поэтому любое присутствие в воде, проходящей через ионообменник, кислорода или других окислителей крайне нежелательно. Это же накладывает ограничение и на диапазон значений pH, в которых смола эффективна.
Самый распространенный способ - использовать кондиционер для воды. Этот метод можно использовать практически на любом уровне железа. Второй способ удаления черных металлов - это двухэтапный процесс, называемый фильтрацией окисления. Утюг сначала окисляется за счет использования либо кислорода, хлора, либо перманганата калия. Окисление вызывает образование железистого железа из трехвалентного железа. Затем трехвалентное железо удаляют фильтрацией. Этот метод обычно не используется при очень высоких концентрациях железа, потому что фильтрующий материал потребует более частой промывки, тогда это возможно.
Во многих случаях использование ионообменных смол для обезжелезивания нецелесообразно, т. к., обладая более высоким сродством к катионитам, железо значительно снижает эффективность удаления на них ионов кальция и марганца, проведения общей деминерализации. Наличие в воде органических веществ, в том числе органического железа, приводит к быстрому зарастанию ионообменной смолы органической пленкой, служащей питательной средой для бактерий. Поэтому ионообменные катиониты применяются для обезжелезивания обычно лишь в тех случаях, когда требуется доочистка воды по этому параметру до самых низких концентраций и когда возможно одновременное удаление ионов жесткости.
Очистка питьевой воды
Этот метод может также потребовать использования какой-либо коррекции рН, поскольку железо не будет окисляться ниже рН. Существует несколько типов систем фильтрации окисления, используемых сегодня. Существует много фирменных наименований для такого типа систем, но для них требуется минимальный поток от скважинного насоса, чтобы работать на Вентури. Этот поток должен быть протестирован до того, как этот тип системы может быть использован. Хорошие системы состоят из 3 частей - трубки Вентури, воздуховыпускного бака и фильтрующего бака. Резервуар для выпуска воздуха удаляет любой нерастворенный воздух. Если воздух не высвобождается, на кране будет сильное плевание. Когда железо в кислородсодержащей воде контактирует с поверхностью среды, оно окисляется. Полученное железосодержащее железо прикрепляется к средам до того, как оно пройдет через фильтр. Эти системы плохо работают с водой с низким рН или низкой щелочностью, потому что они будут извергать марганец из среды. Этот марганец может достигать токсических уровней. Системы хлорирования - Хлор вводится в воду. Затем воду направляют в удерживающий резервуар, чтобы железное время окислялось до трехвалентного железа. Затем трехвалентное железо удаляется средой в фильтре. Любой избыток хлора можно удалить углеродом.
- Воздух - кислород в воздухе используется для окисления железа.
- Воздух может быть введен любым количеством методов.
- Наиболее распространенный метод использует Вентури для подачи воздуха.
- Поэтому система называется системой впрыска воздуха.
С уважением,
К.х.н. О.В. Мосин
