Aplikace peroxidu vodíku pro oxidaci železa v podzemních vodách | Filtrační voda

Oxidace železa je jedním z klíčových procesů v technologii úpravy podzemních vod při přípravě na filtraci přes zrnitou vrstvu.

Potřeba odkalení podzemní vody při použití pro domácí a pitnou vodu je dána především negativním vlivem sloučenin železa na lidský organismus. Nadbytek železa působí toxicky na játra, slezinu, mozek, zvyšuje zánětlivé procesy v těle, vede k nedostatku některých mikroelementů (měď, zinek atd.).

Požadavky na odsávání železa z použité vody jsou způsobeny nejen hygienickými ohledy, ale řadou nežádoucích důsledků estetického, technického a ekonomického rázu: stopy na prádle, nádobí a domácím spotřebiči vody; koroze a usazeniny v potrubí; rychlé selhání systémů ohřevu vody a změkčování vody.

Je třeba poznamenat, že rozklad peroxidu vodíku se současnou oxidací dvojmocných iontů železa na trojmocné a jeho katalytický rozklad způsobený dvojmocnými a trojmocnými ionty železa byly studovány dostatečně podrobně. Železný iont se oxiduje peroxidem vodíku podle následující stechiometrické reakce:

Tato reakce probíhá kvantitativně při přebytku železitého iontu, zatímco při přebytku peroxidu vodíku spolu s oxidací železnatého železa dochází k rozkladu peroxidu vodíku za uvolňování kyslíku.

Obecně se uznává, že interakce H₂O₂ s aqua iontem Fe 2+ vede k tvorbě radikálu ÓH jako primární reaktivní částice. Vznik hydroxylového radikálu při této reakci je však pouze speciálním případem redoxních přeměn intermediárního komplexu Fe 2+ s H₂O₂.

Primární akt interakce Fe 2+ s H₂O₂ spočívá v nahrazení koordinované molekuly vody:

Vznik ÓH radikálů během Fentonova procesu v kyselém prostředí naznačuje, že za těchto podmínek se výsledný peroxokomplex rozkládá převážně na produkty jednoelektronového přenosu:

Zvýšení rychlosti oxidace železnatého železa při pH>3 je spojeno s disociací koordinované vody v komplexu, neboť disociace peroxidu vodíku vede ke snížení jeho oxidační schopnosti, zatímco disociace vody vede k výraznému snížení redox potenciálu páru Fe 4+ /Fe 2+, což vede k usnadnění intrasférického přenosu dvou elektronů s následnou tvorbou hydrolyzovaného ferrylového iontu:

Tato částice se může buď podílet na oxidaci vody s tvorbou OH radikálu, nebo interagovat s druhým iontem železa bez tvorby volných radikálů:

(OH – )FeО 2+ → Fe 3+ (OH – )₂ + ÓH, (6)

(OH – )FeО 2+ + Fe 2+ → 2Fe 3+ OH – . (7)

Vzhledem k výskytu reakcí (4,5) se zvyšujícím se pH přestává efektivní rychlostní konstanta oxidace Fe 2+ záviset na pH.

Nehydrolyzovaný komplex FeH₂O₂ 2+, stejně jako ferrylový iont, může interagovat s „třetí“ částicí, zejména s druhým iontem železa, také bez tvorby volných radikálů:

Jiný typ reakce zahrnuje modifikaci intermediárního peroxokomplexu nahrazením koordinované vody druhou molekulou peroxidu vodíku. V důsledku toho je možné implementovat molekulární (katalázový) mechanismus rozkladu peroxidu:

Bylo zjištěno, že v neutrálním vodném prostředí vede zvýšení koncentrace iontů Fe 2+ i iontů Fe 3+ ke zvýšení rychlosti procesu rozkladu H.₂О₂a tento růst je prakticky nezávislý na pH a koncentraci peroxidu vodíku. Bylo také zjištěno, že spontánní rozklad H₂O₂ za těchto podmínek se vyskytuje na mikrokoloidních částicích hydroxidu železa a probíhá neradikálovým mechanismem.

Je zřejmé, že při použití peroxidu vodíku k oxidaci železa v podzemní vodě může dojít ke všem výše uvedeným reakcím. Proces se výrazně komplikuje ve slabě kyselém prostředí, kde je tvorba ÓH radikálů pravděpodobnější, v přítomnosti organických nečistot ve vodě, stejně jako v přítomnosti nečistot donorů vodíku interagujících s ferrylovým iontem a v přítomnosti ionty mědi ve vodě, které jsou kokatalyzátory rozkladných procesů H₂O₂ a oxidace organických látek. Díky tomu je chemie procesu deferrizace vody pomocí peroxidu vodíku poměrně složitá.

Přesto je tato technologie do jisté míry zajímavá, zejména v případech, kdy jsou tradiční metody odstraňování železa neúčinné. Poprvé byla technologie využívající peroxid vodíku testována ve vztahu k podzemní vodě na severu Ťumeňské oblasti. Charakteristickými rysy složení těchto vod jsou nízké hodnoty tvrdosti (0,15÷0,40 mg-eq/dm 3 ), zásaditosti (0,29÷0,38 mg-eq/dm 3 ) a teploty vody (0,3÷1,4 ,0 5,5 C ). Celkový obsah železa je 6,2 ÷ 3 mg/dm 4,7 včetně dvojmocného – 5,5 ÷ 3 mg/dm XNUMX. Použití klasických metod odstraňování železa z vody tohoto složení neposkytuje požadovaný obsah železa ve vyčištěné vodě.

Dokončené laboratorní studie procesu deferrizace podzemních vod podle schématu „oxidace H₂O₂ – filtrace“ potvrdila vysokou účinnost této metody.

Práce byly prováděny v podmínkách stávajícího odběru vody úpravny vody (ČOV) ve městě Nový Urengoy v období podzim-zima, při minimální teplotě upravované vody.

V první fázi byla studována oxidace dvojmocného železa ve volném objemu. Jako reakční nádoba byla použita 2 kádinka namontovaná na magnetickém míchadle. Peroxid vodíku byl dávkován ve formě 0,1 M roztoku pomocí laboratorní pipety. Po 1 minutě byl odebrán vzorek vody pro stanovení zbytkového železa. po přidání činidla.

Obrázek 1 ukazuje závislost zbytkového obsahu dvojmocného železa v nefiltrované vodě na počáteční koncentraci peroxidu vodíku a specifické dávce okysličovadla.

Rýže. 1: Závislost zbytkového obsahu železa (+2) v nefiltrované vodě na počáteční koncentraci peroxidu vodíku (1) a na specifické dávce peroxidu vodíku (2).

Jak ukazuje závislost zbytkového obsahu železa (+2) v nefiltrované vodě na měrné dávce peroxidu vodíku, teoretická dávka oxidačního činidla (0,3 mg/mg) zajišťuje oxidaci nejvýše 20 % dvojmocného železa v zdrojovou vodou. Zřejmě to lze vysvětlit výskytem katalytického rozkladu H v reakčním objemu spolu s oxidací dvojmocného železa₂O₂. Za těchto reakčních podmínek (bez následné filtrace) je zapotřebí 2násobný přebytek oxidačního činidla k dosažení zbytkové koncentrace železa (+0,2) 3 mg/dm3.

Ve druhé etapě prací byla zdrojová voda po úpravě peroxidem vodíku ihned přefiltrována přes laboratorní pískový filtr (H = 1,2 m, d_F. = 0,8 ÷1,6 mm). V nepřítomnosti H₂O₂ Filtrace zdrojové vody přes stejný pískový filtr nevede k znatelnému poklesu obsahu iontů železa ve vodě.

Na Obr. Obrázek 2 ukazuje závislost zbytkového obsahu celkového železa ve filtrované vodě na počáteční koncentraci peroxidu vodíku a specifické dávce oxidačního činidla.

Rýže. 2: Závislost zbytkového obsahu celkového železa v

filtrovaná voda z počáteční koncentrace peroxidu vodíku (1)

a na specifické dávce peroxidu vodíku (2).

Jak je patrné z prezentovaných údajů, použití peroxidu vodíku jako oxidačního činidla umožňuje téměř úplně vyčistit vodu od sloučenin železa: lze dosáhnout jeho zbytkové koncentrace nižší než 0,1 mg/dm 3 .

Odpovídající závislost zbytkového obsahu celkového železa ve filtrované vodě na specifické dávce peroxidu vodíku ukazuje, že když hlavní část procesu probíhá ve filtrační vrstvě, převažuje oxidační reakce železa (+2). Pro získání zbytkové koncentrace celkového železa na úrovni 0,05 ÷ 0,10 mg/dm 3 nepřesahuje přebytek oxidačního činidla 30 % stechiometrické (vypočtené) dávky.

Výsledky získané v laboratorních podmínkách byly testovány na poloprovozu s výkonem 2,5 m 3 /hod. Projekt instalace počítal s možností zpracování jak zdrojové (studené) vody přiváděné z rozdělovací komory zásobníků teplé vody, tak ohřáté vody přiváděné z distribučního potrubí filtrační stanice úpravny vody v Novém Urengoji.

Námi předepsaná dávka oxidačního činidla byla nedostatečná pro úplnou oxidaci železnatého železa, zbytková koncentrace železa (+2) byla v rozmezí 0,1 ÷ 0,2 mg/dm 3 .

Obsah železa ve vodě před úpravou a po filtraci je uveden v tabulce 1. Nutno podotknout, že při úpravě studené vody bylo nutné zvýšit dávku peroxidu vodíku v průměru o 11,5 %.