Строительство и архетиктура/7. Водоснабжение и канализация

Паутова Е.Н., к.т.н., доцент Чудновский С.М., к.х.н., доцент Воропай Л.М.

Вологодский государственный технический университет, Россия

Регулирование содержания ионов алюминия в питьевой воде

Питьевая вода содержит в себе различные примеси и растворенные вещества, поэтому необходимо, чтобы она проходила эффективную очистку от разного вида загрязняющих веществ. Проблема чистой воды стала одной из важнейших государственных проблем нашего времени. По данным Всемирной организации здравоохранения, почти 80% всех заболеваний вызваны именно некачественной питьевой водой.

Традиционные способы очистки воды недостаточно эффективны, энергозатратны и требуют использования большого количества реагентов. Каждый из существующих способов имеет свои преимущества и недостатки.

В состав воды входят в качестве примесей такие металлы как алюминий, свинец, барий, цинк, которые относятся ко 2 классу токсичности и при превышении их концентрации в воде относительно значения ПДК пагубно влияют на состояние здоровья людей. Алюминий также оказывает общее отравляющее действие на организм человека и способен аккумулироваться в тканях и органах. В частности, алюминий, накапливаясь в организме, не выводится из него и тем самым является причиной старческого слабоумия, повышенной возбудимости, различных неврологических изменений. У детей алюминий вызывает нарушения моторных реакций, анемию, головные боли, заболевание почек, печени, колиты и другие заболевания. Клинические симптомы и патологические состояния при избытке алюминия в организме: апатия, потеря памяти, дезориентировка в пространстве, деменция, мышечные подергивания и судороги, анемия.[1]

Целью нашей работы является разработка эффективного способа удаления ионов алюминия из питьевой воды. В соответствии с нормативными требованиями содержание алюминия в питьевой воде в России не должно превышать 0,5 мг/л, а согласно требованиям Всемирной организации здравоохранения не более 0,25 мг/л.

Алюминий является одним из самых распространенных элементов в земной коре, поэтому содержится практически в любой природной воде. Попадает алюминий в природные воды естественным путем при частичном растворении глин и алюмосиликатов, а также в результате вредных выбросов отдельных производств с атмосферными осадками или сточными водами. Содержание алюминия в поверхностных водах колеблется от единиц до сотен г/м³. Кроме того, при добывании воды из поверхностных источников (реки, озера, водохранилища, каналы), на водоочистных сооружениях производят коагуляцию взвеси в воде, чаще всего с помощью солей алюминия. В тех случаях, когда соли алюминия не полностью расходуются в процессе коагуляции, а это бывает часто, в очищенной воде остается повышенное содержание алюминия.

Например, только на территории Вологодской области не менее 600 тысяч жителей пользуются водой с повышенным содержанием алюминия.

Анализ литературных данных показывает, что существующие методы очистки воды от алюминия, такие как, например, метод ионного обмена и метод обратного осмоса имеют существенные недостатки, в частности, очистку производят на громоздких, плохо управляемых сооружениях. Это приводит к большим строительным и эксплуатационным затратам. Поэтому в настоящее время эффективных и мало затратных систем очистки воды от избыточного алюминия практически не существует.

Нами исследованы «поведенческие особенности» алюминия в воде с целью разработки новой технологии его удаления. К таким особенностям относятся:

1. Ионы алюминия обладают определенной подвижностью в постоянном электрическом поле. Эта подвижность не зависит от концентрации ионов в воде, а зависит в основном от температуры воды и напряженности поля. Например, при температуре 25⁰С скорость движения ионов алюминия в постоянном электрическом поле при градиенте потенциала 10 В/см составляет 6,53 *10^-5м/с^-1.[2]

2. Стандартный электродный потенциал алюминия составляет (-1,67) эВ, поэтому на катоде сам алюминий не восстанавливается из водных растворов. Однако, под действием электрического тока алюминий образует с водой гидратированные комплексы, которые группируются в околокатодном пространстве в виде осадка, если значение рН для воды находится в интервале от 6 до 7,5. При отклонении от данных значений рН осадок обычно растворяется. Данный эффект мы предполагаем использовать при очистке воды от растворенной формы алюминия.

Нами на модельной установке выполнен цикл исследований, которые доказывают перспективность применения данного способа.

Алгоритм удаления остаточного алюминия из воды выглядит следующим образом: в воду, после коагуляции с использованием алюминиевого реагента, помещают электроды, которые подключают к источнику постоянного электрического тока. В результате, при значении рН от 6-7,5 в околокатодном пространстве образуется белый осадок — гидроксид алюминия. В последующем при фильтровании происходит отделение фильтрата от осадка — гидроксида алюминия. Таким образом, удается достигнуть эффективности очистки воды от алюминия до 70% и более. Для определения эффективности удаления ионов алюминия мы измеряли его концентрацию в воде до и после очистки.

Таким образом, предлогаемая технология является довольно простой. Можно предположить, что под действием постоянного электрического тока именно ионы алюминия выпадают в осадок.

Для реализации предлагаемой технологии не требуется дорогостоящего оборудования и больших площадей. Учитывая, что положительных результатов мы достигали при градиенте потенциала менее 2 В/см, можно предположить, что предлагаемый метод не является энергозатратным.

Проведенные исследования подтверждают целесообразность широкого использования технологий обработки воды в низковольтном постоянном электрическом поле. Следует добавить, что вода, после такой обработки, остается безопасной для употребления.

Литература:

1.Кульский Л.А., Строкач П.П. Технология очистки природных вод. -.Киев.: «Вища школа»., 1981, с.190 – 198.

2. Герасимов Я.И. Курс физической химии. Том II. - Изд-во « Химия», 1973, с. 410-411