Фев 22 2001

Очистка стічних вод від іонів заліза в умовах магнітного поля

Опубликовано в 00:39 в категории Вода и здоровье

Очистка стічних вод від іонів заліза в умовах магнітного поля

Б.А. Баран, В.Б. Дроздовський, М.О. Кондратюк, І.С. Чук

Технологічний університет Поділля, м. Хмельницький

В промисловості магнітну обробку води та водних розчинів застосовують в основному для запобігання накипоутворення, зменшення корозійної активності води та інтенсифікації процесів очистки природних і стічних вод [1,2]. Згідно літературних даних з економічної сторони достоїнства такого способу очевидні. Однак, іноді електромагнітні апарати, які для цього використовуються, не дають потрібного ефекту, або результати бувають небажані внаслідок деяких побічних процесів. Одна з причин цього - недостатня вивченість механізму дії магнітного поля на водні розчини. Велике значення в цьому відношенні мають параметри поля: його градієнт, напруженість та швидкість проходження розчину [3-5]. Стосовно іонного обміну сукупність цих факторів може призводити як до прискорення, так і до зменшення його швидкості. Самі значення напруженостей магнітного поля, які наводяться в окремих публікаціях, ще нічого не говорять про можливі ефекти впливу цього поля, поскільки залежність різноманітних ефектів від напруженості має поліекстремальний характер [1,2].

Методом ЯМР було встановлено, що після дії магнітного поля молекули води мономеризуються, стають більш рухливими [1]. Термографічний аналіз показав, що під впливом магнітного поля температура кипіння води дещо зменшується і збільшується її теплопровідність [6]. Теплота випаровування при цьому зменшується на 12%. Це означає, що зменшується енергія водневих зв’язків між молекулами води, при цьому зростає "структурна" температура розчину. Таким чином, магнітне поле впливає на ті фізико-хімічні процеси в водних розчинах, в яких водневі зв’зки мають домінуюче значення. В світлі таких уявлень були проведені досліди, результати яких викладені в даній роботі.

Магнітний пристрій, який використовувався в першій серії дослідів, був виготовлений з двох пар плоскопаралельних постійних магнітів,

між якими двічі проходив відповідний розчин зі швидкістю 4,0 м/хв. Конфігурація магнітного поля показана на рис. 1.

          В даній роботі досліджено сорбцію іонів Fe3+ з 0,01н розчину FeCl3 деякими цеолітами та іонообмінною смолою КУ-2. Серед цеолітів досліджувалися природний клиноптилоліт та синтетичні NaA i NaX.

Об’єм розчину в окремому досліді становив 50 мл , наважка цеоліту 1,0 г, смоли - 0,5г, температура 20 ˚С. Помилка досліду ±6%. Поскільки умови дослідів (час) були далекі від рівноважних, отримані результати характеризують швидкість іонного обміну. Щоб зменшити гідроліз FeCl3 розчин підкислювали до рН = 1,5.

Природний клиноптилоліт дуже повільно сорбує іони Fe3+, як в звичайних умовах, так і після дії магнітного поля на розчин (за 60 хв - 0,03 мг-екв/г). Це зумовлено низькою іонообмінною ємністю цеоліту, малими розмірами його пор та наявністю сторонніх домішок.

Результати дослідів з цеолітами NaA i NaX представлені на рис.2.

          Здатність іонів до гідратації визначається в основному відношенням їх зарядів до радіусів. Внаслідок іонного обміну рН розчину підвищується, хлорид заліза частково гідролізує і сорбція зростає. В розчині з рН = 1,5 в першу чергу проходить сорбція протонів (обмін Na+ на Н+), що й призводить до підвищення рН. Цей процес особливо інтенсифікується під дією магнітного поля. За даними роботи [7] в омагніченій дистильованій воді підсилюється гідроліз самого цеоліту NaA. Гідроксильні групи в продуктах гідролізу FeCl3 знижують ефективний заряд іону Fe3+, що зменшує гідратну оболонку, а послаблення водневих зв’язків під дією магнітного поля збільшує рухливість таких іонів. Наслідком цього є зростання сорбції після дії магнітного поля. Слід відзначити, що контроль за процесом здійснювався фотометричним методом (комплекс Fe3+ з сульфосаліциловою кислотою) за різницею концентрацій вихідного розчину та після сорбції. Таким чином, можлива і сорбція продуктів гідролізу на поверхні цеолітів. Цеоліти А і Х відрізняються кристалічною будовою, зокрема розмірами пор. В цеоліті типу А розмір вхідного "вікна" 0,43 нм, а в NaX - 0,7 нм і більший об’єм внутрішніх порожнин при меншій іонообмінній ємності. Тому в останньому випадку ефект впливу магнітного поля на іонний обмін виражений слабкіше.

Для практичного застосування синтетичні цеоліти типу А і Х в кислому середовищі не придатні внаслідок їх руйнування. Однак, при рН = 1,5 і температурі 20 °С процес деалюмінування проходить повільніше, ніж іонний обмін, тому проведенні досліди все-таки дозволяють зробити певні висновки відносно механізму впливу магнітного поля на сорбцію іонів Fe3+ вказаними цеолітами.

При підвищенні рН розчину FeCl3 сорбція іонів заліза цеолітом NaA зростає. В 0,01 н розчині FeCl3 без підкислення рН = 2,9. Сорбція іонів заліза з такого розчину в 2-3 рази більша ніж з розчину, в якому рН = 1,5 (рис. 2, крива 5).

          В роботах [3,5] було показано, що ефект дії магнітного поля на іонний обмін залежить від напруженості поля, його конфігурації та швидкості протікання розчину через магнітний пристрій. Вплив цих факторів має поліекстремальний характер. Зміна швидкості розчину при його проходженні через зони різної напруженості магнітного поля в певній мірі пропорційна частоті поля. Тому в подальших експериментах досліджувалася залежність сорбції іонів Fe3+ з 0,01н розчину FeCl3 при рН = 1,5 на цеоліті NaA від частоти магнітного поля. Для цього був використаний електромагніт з шириною полюсів 20 мм, який під’єднувався до низькочастотного звукового генератора ГЗ - 118. Індукція магнітного поля дорівнювала 20 мТ, швидкість протікання розчину, як і в попередніх дослідах, 4 м/хв. Тривалість сорбції 60 хв. при температурі 20 °С. Результати дослідів показали (табл. 1), що залежність величини сорбції від частоти магнітного поля при постійній швидкості розчину має поліекстремальний характер. При деяких частотах швидкість сорбції зменшується порівняно з сорбцією в звичайних умовах, а при інших зростає. Подібна картина описана в роботі [8], де наведені результати дослідів з вивчення впливу магнітного поля на активність пероксидази, лужної фосфатази, час згортання крові та інші показники. В магнітотерапії інтервал частот, при яких спостерігаються значні ефекти магнітного поля на живий організм, називають "частотним вікном". Це може бути ще одним свідченням того, що магнітне поле викликає зміни перш за все в електронній структурі молекули води.

При дії магнітного поля внаслідок послаблення водневих зв’язків може відбуватися зміцнення гідратних оболонок іонів, яке приводить до гальмування їх руху в мікропорах сорбентів. Це спостерігається при сорбції іонів Fe3+ іонообмінною смолою КУ-2 в Н-формі (рис.3).

Іонний обмін проводився в 0,01н розчині FeCl3 при рН = 1,5 з використанням магнітного пристрою на постійних магнітах. В даному разі гідролізу FeCl3 не відбувається. Іонообмінна смола КУ-2 за хімічним складом є полістироловим сульфокатіонітом. Вона не містить справжніх пор (безперервно-гелева структура), тому характер впливу магнітного поля на іонний обмін в такій смолі інший, ніж у цеолітів з кристалічною структурою. На деякому проміжку часу спостерігається зменшення сорбції іонів Fe3+ катіонітом з омагніченого розчину FeCl3. Аналогічне явище описано в роботі [9], де досліджувалася сорбція іонів Ca2+, Ni2+ та Fe3+ іонообмінною смолою в Н - формі. Якщо ж смола знаходиться в Na - формі, спостерігається зворотнє явище, тобто таке ж, як у випадку цеолітів NaA i NaX.

Слід підкреслити, що вказані процеси відбуваються в кінетичній області. Сам іонний обмін можна умовно розділити на дві складові: рух іонів в порах сорбенту та сам акт іонного обміну. Останній в Н- та Na- формах катіоніту проходить з різними швидкостями, що позначається на загальній швидкості процесу. Крім того, ефективність дії магнітного поля на фізико-хімічні процеси залежить від його параметрів та складу розчину, зокрема його кислотності. Сорбція іонів заліза з 0,01 н розчину FeCl3 при рН = 2,9 після дії магнітного поля з частотою 9 Гц і індукцією 20 мТ спочатку проходить повільніше, ніж із звичайного розчину, однак з часом, по мірі підвищення рН стає більшою (рис. 2, криві 5,6).

Таким чином, магнітне поле може служити засобом корегування процесу очистки стічних вод від іонів багатьох металів, в тому числі і заліза. Однак, поки не розроблена чітка теорія дії магнітного поля на водні розчини, в кожному конкретному випадку умови магнітної обробки стічних вод треба підбирати експериментально.

Література

1. Классен В.И. Омагничивание водных систем. - М.: Химия 1982, 296 с.

2. Душкин С.С. , Евстратов В.Н. Магнитная водоподготовка на химических предприятиях. - М.: Химия, 1986, 143 с.

3. Баран Б.А., Дроздовський В.Б.// Вісник технологічного ун-ту Поділля, 1999, № 1. - С.3-5.

4. Баран Б.А., Дроздовський В.Б.// Вісник технологічного ун-ту Поділля, 1999, № 4. - С.117-119

5. Баран Б.А., Дроздовський В.Б.// Вісник технологічного ун-ту Поділля, 1999, № 6. - С.174-177

6. Баран Б.А. // Вестник Харьковского гос. политех. ун-та, 1999, вып. 90. С.118-123

7. Баран Б.А. // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах, 1997, №2.- С.50-53.

8. Сидякин В.Г., Темурьянц Н.А., Макеев В.Б., Владимирский Б.М. Космическая экология. - К.: Наукова думка, 1985. - С. 102-113.

9. Матвеева М.В., Образцов А.А., Бочарова Н.А. Магнитная обработка водных систем. Тез. докл. IV Всесоюз. совещ. - М.: НИИТЭХИМ, 1981. - С. 63.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.