Авг 09 2001

ОЧИСТКА ПРИРОДНЫХ ВОД

ОЧИСТКА ПРИРОДНЫХ ВОД

ОТ ИЗБЫТОЧНЫХ НИТРАТ – ИОНОВ

Г. Дука, М. Гонца, В. Матвеевич, В. Ямбарцев

Молдавский государственный университет, г. Кишинёв

В Молдове, в связи с тем, что количество поверхностных вод ограничено, в сельских местностях, в качестве питьевой, используется вода из родников или артезианских скважин. Однако, так как в последние годы усилилось загрязнение поверхностных и подземных водоисточников минеральными азотсодержащими соединениями, большинство колодцев (около 62 % и 5 % артезианских скважин) содержат избыточные количества нитрат-ионов, которые превышают в несколько раз предельно допустимую их концентрацию, предусмотренную для питьевых вод (45мг/л). Основным источником появления соединений азота в воде является сельское хозяйство, применяющее азотные удобрения. В питьевых источниках встречается до 200 – 250 мг/л нитрат-ионов и более. Присутствие азотсодержащих веществ в питьевой воде нежелательно, так как они влияют отрицательно на организм и здоровье человека. Приведённые литературные данные [1-2] свидетельствуют о том, что под воздействием высоких концентраций нитратов возникает заболевание водно-нитратной метгемоглобинемией, так как нитраты под влиянием микрофлоры кишечника переходят в нитриты, последние, поступая в кровь, ведут к образованию метгемоглобина (~ 20 %), что уменьшает снабжение тканей кислородом. Удаление же нитратов, при их содержании > 45 мг/л, представляет собой весьма сложную проблему, так как они не образуют осадки и комплексные соединения.

В научно-технической литературе указывается на применение ионного обмена, обратного осмоса и электродиализа для удаления нитрат-ионов. Однако эти методы не нашли широкого применения из-за низкой селективности ионнообменных смол и мембран, а также невысокого эффекта очистки.

В практике водоочистки широко используются биологические методы удаления минеральных азотсодержащих веществ. Эти методы подходят

больше для сточных вод. Однако есть установки, которые применяются и для очистки питьевых вод. Производственный опыт денитрификации питьевой воды менее обширен, кроме того, применению этого метода препятствуют ещё такие нерешённые вопросы, как селективность и безопасность бактерий, обеспечение условий прочного сцепления бактериальной микрофлоры с загрузкой, а также использование субстрата для развития бактерий доноров электронов нетоксичных для питьевых вод.

В связи с вышеизложенным, были исследованы электрохимические методы восстановления нитрат-ионов и их удаление из питьевой воды в электрохимических ячейках с растворимым металлическим анодом и нерастворимым катодом.

Цель данной работы состоит в исследовании процесса удаления избыточных количеств нитрат-ионов из питьевых вод путём их последовательного восстановления в электрохимической ячейке с растворимым металлическим анодом (Fe, Al, Mg) (это первая стадия обработки) и с последующей обработкой воды на второй ступени в электрохимической ячейке с нерастворимыми электродами (анод – графит, катод – нержавеющая сталь) в зависимости от начальной концентрации нитрат – ионов, времени обработки, плотности анодного тока и природы анода.

На первом этапе вода подвергается электрохимической обработке и в ячейке с растворимым анодом происходят следующие реакции:

Катод                   2H2O + 2e                      H2 + 2OH-                      (1)

Анод           Feo – 2e                          Fe2+                                (2)

                             Alo – 3e                          Al3+                                (3)

                             Mgo – 2e                         Mg2+                               (4)

В прианодной зоне при высоких плотностях тока имеет место восстановление NO3- в NO2-.

NO3- + 2H3O+ + 2e                    NO2- + 3H2O                  (5)

Следовательно, часть электронов, полученных в результате реакции (2) - (4), используется для восстановления нитрат–ионов. В раствор переходят катионы Fe2+, Al3+, Mg2+, которые в результате гидролиза и полимеризации образуют соответствующие нерастворимые гидроксиды и удаляются из обрабатываемой воды.

Процесс восстановления нитрат-ионов был исследован на основе модельных растворов и природной воды с начальной концентрацией нитрит-ионов равной 90-200 мг/л, в зависимости от времени обработки, и, соответственно, количество пропущеного электричества. Количество восстановленных нитрат-ионов было рассчитано, исходя из начальной и конечной их концентрации, определённым потенциометрическим методом с помощью ион-селективного электрода. Концентрация нитрат–ионов была определена в соответствии с методикой

Пробы модельной или природной воды подвергались электрохимической обработке при постоянном электрическом токе в электрохимической ячейке с растворимым анодом из железа, алюминия или магния, в течении 5 – 30 минут, в зависимости от начальной концентрации нитрат-ионов и природы анодного материала.

После обработки вода вместе с гидроксидом соответствующего металла, отстаивалась в течение 0,5 – 1 часа для осаждения нерастворимого гидроксида. После удаления осадка вода обрабатывалась в электрохимической ячейке с нерастворимым электродом в течение 3 – 10 минут для восстановления нитрит-ионов. После второй стадии обработки вода исследовалась на содержание аммиака. В очищенной пробе воды отсутствовал аммиак, а концентрация нитрит-ионов уменьшалось до ПДК (0,2 мг/л).

Результаты полученных экспериментальных исследований представлены в таблицах 1 – 5.

Таблица 1. Зависимость концентрации нитрат-ионов от времени обработки природной воды в электрохимической ячейке с растворимым магниевым анодом C NO3- начальн = 175 мг/л, I = 1,28 A (i=1,6 A/дм2); pH 7,6; t обработки = 1 час, Q(К) – количество электричества

t, мин

Q(К)

CNO3-ост.

мг/л

DC

мг/л

уменьш CNO3- ,%

Dm/Q

10-3

m(Mg2+)/m(NO3-)

1.

10,0

768

130,5

44,5

25,4

57,94

2,15

2.

15,0

1152

102,7

72,3

41,3

62,76

1,98

3.

17,5

1344

90,1

84,9

48,5

63,17

1,97

4.

20,0

1536

81,4

93,6

53,5

60,94

2,04

5.

22,0

1690

80,0

95,0

54,3

56,21

2,21

6.

25,0

1920

78,6

96,8

55,1

50,21

2,48

Таблица 2. Зависимость концентрации нитрат-ионов от плотности электрического тока при обработке природной воды в электрохимической ячейке с растворимым магниевым анодом C NO3- началь = 121 мг/л ; t осажд = 1 час, Q= 1152 K_ pH 7,6

I,A

I,A/дм2

t,

мин.

CNO3-

ост. мг/л

DC

мг/л

Уменьш NO3-

%

Dm/Q´

10-3

мг/кл

m(Mg2+)/m(NO3-)

1.

0,24

0,3

80

44,9

76,1

62,9

66,07

1,88

2.

0,32

0,4

60

50,3

70,7

58,4

61,37

2,03

3.

0,48

0,6

40

51,3

69,7

57,6

60,50

2,05

4.

0,64

0,8

30

52,2

68,8

56,9

59,72

2,08

5.

0,96

1,2

20

54,1

66,9

55,3

58,07

2,14

6.

1,28

1,6

15

62,3

58,7

48,5

50,95

2,44

7.

1,92

2,4

10

83,3

37,7

31,2

32,72

3,80

Таблица 3. Зависимость концентрации нитрат-ионов от первоначальной их концентрации при обработке природной воды в электрохимической ячейке с растворимым магниевым анодом. I=0,48A (i=0,6 A/дм2), pH=7,6, Q=1152K, t=40 мин.

CNO3-

первон. мг/л

CNO3-

ост. мг/л

DC

мг/л

очис. NO3-

%

Dm/Q

мг/C

m(Mg2+)/m(NO3-)

1.

200

103,8

96,2

48,1

83,51

1,49

2.

175

87

88

50,3

76,39

1,63

3.

150

69,3

80,7

53,8

70,05

1,77

4.

125

53,1

71,9

57,5

62,41

1,99

5.

100

40,2

59,8

59,8

51,91

2,39

6.

90

34,1

55,9

62,1

48,52

2,56

Таблица 4. Уменьшение концентрации нитрат-ионов при обработке природной воды в электрохимической ячейке в зависимости от металла анода. pH=7,6; CNO3 -нач. =121 мг/л; I=0,24 A(i=0,3 A/dm2); Q=1152, t=80 мин.

метал

CNO3-

ост. мг/л

DC

мг/л

очистка NO3-, %

Dm/Q

10-3 мг/кл

m(Mg2+)/m(NO3-)

1.

Железо

89,2

31,8

26,3

27,60

10,51

2.

Алюминий

58,0

63,0

52,1

54,69

1,70

3.

Магний

44,8

76,2

63,0

66,14

1,88

Таблица 5. Зависимость концентрации нитрит-ионов при обработке природной воды в электрохимической ячейке с нерастворимыми электродами. CNO3- = 45 мг/л; CNO2- = 41 мг/л; pH = 7,8; I = 1,2 A.

t, мин

CNO3-

ост. mg/l

CNO2-

ост. mg/l

DCNO2-

mg/l

уменьш.NO2-

%

1.

3

45,0

13,2

27,8

67,8

2.

5

45,8

2,4

38,6

94,1

3.

7

46,8

0,5

40,5

98,8

4.

8

47,0

0,2

40,8

99,5

5.

9

47,2

0,1

40,9

99,8

6.

10

47,7

0

41,0

100

Из представленных результатов (Таб. 1 и 2) следует, что при увеличении количества пропущенного электричества концентрация нитрат-ионов уменьшается в результате электрохимических реакции (2) - (5) и, как следствие, увеличивается количество восстановленных нитрит-ионов от 25,4 % до 55,1 % в течении 25 мин. обработки. Более эффективно происходит уменьшение концентрации нитрат-ионов в течение первых 10 – 15 мин. электрохимической обработки (при этом восстанавливают максимально до 41 – 42 %) потом, при дальнейшем увеличении времени обработки (последующие 10 – 15 мин), количество восстановленных нитрат – ионов увеличивается незначительно (восстанавливаются до 13 – 14 %).

Эффект восстановления зависит как от времени обработки, так и от плотности тока, причём с уменьшением плотности тока (Таб. 2) количество восстановленных нитрат-ионов увеличивается с 31,2 % до 62,9 %. Кроме того, процесс восстановления зависит от начальной концентрации нитрат–ионов в обрабатываемой воде (Таб. 3). Объясняется это тем, что процесс восстановления нитрат-ионов протекает в прианодном слое и зависит от площади анода, поскольку условием осуществления реакции восстановления нитрат-ионов является их специфическая адсорбция на поверхности металлического анода.

При сравнении количества пропущенного электричества и количества восстановленных нитрат-ионов следует, что не всё электричество расходуется на восстановление нитрат-ионов, поскольку часть электричества тратится на получение ионов металлов (Fe2+, Al3+, Mg2+) в соответствие с реакциями (2)-(4), а часть на получение ионов с одновременным восстановлением нитрат-ионов в нитрит-ионов в соответствии с реакциями (6)-(8).

Поэтому и количество израсходованного металла зависит от плотности тока, начальной концентрации нитрат-ионов и природы металла. При уменьшении плотности тока специфические расходы металла увеличиваются за счёт обратного окисления нитрит-ионов в нитрат-ионы в результате выделения кислорода на аноде, количество которого зависит также от плотности тока и природы металлического анода.

Следовательно, не выгодно проводить процесс восстановления при высоких плотностях тока (оптимальная плотность 0,3 – 0,4 А ¤ дм2).

В заключение можно констатировать, что электрохимическая очистка, с использованием растворимых и нерастворимых электродов, даёт возможность очистить природную воду до предельно допустимых нитрат- и нитрит-ионов.

Литература

1. Gh. Duca, M. Gonţa. Impactul mediului ambiant si methemoglobinemia. Материалы научно-практической конференции "Передовые технологии на пороге XXI века". Изд. Stiinta, Кишинёв, 2000.

2. Gh. Duca, M. Gonta, V. Matveevici, V. Iambartev. Purificarea apelor naturale de ionii de NO3- prin metoda electochimica. Материалы научно-практической конференции "Передовые технологии на пороге XXI века". Изд. Stiinta, Кишинёв, 2000.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.