ОЧИСТКА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ОТ ИОНОВ МЫШЬЯКА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯЦИИ

Насырова Г.М.¹, Данилова Е.А.², Прыткова Э.В.³, Харлямов Д.А.⁴

¹ Магистрант,² Магистрант, ³ Магистрант, ⁴ Старший преподаватель, Казанский федеральный университет

ОЧИСТКА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ОТ ИОНОВ МЫШЬЯКА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯЦИИ

Аннотация

В представленной работе рассмотрена возможность применения метода электрокоагуляции для удаления ионов мышьяка из водных растворов. Изготовлены прямоугольные стальные и алюминиевые электроды и собрана экспериментальная установка. Проведены эксперименты по удалению ионов мышьяка из водных растворов с применением различных комбинаций электродов, обсуждена эффективность очистки.        

Ключевые слова: мышьяк, электрокоагуляция, электроды, очистка воды.

Nasyrova G.M.¹, Danilova E.A.², Prytkova E.V.³, Kharlyamov D.A.⁴

¹ Undergraduate, ² Undergraduate, ³ Undergraduate, ⁴ Senior Lecturer, Kazan Federal University

WATER SOLUTIONS CLEANING FROM ARSENIC ION BY ELECTROCOAGULATION

Abstract

In the present study the possibility of applying the method of electrocoagulation to remove arsenic ions from aqueous solutions is considered. Rectangular steel and aluminum electrodes and collected experimental setup are made. Experiments were conducted to remove arsenic ions from aqueous solutions using various combinations of electrodes discussed cleaning efficiency.

Keywords: arsenic, electrocoagulation, electrodes, water treatment.

Проблемы загрязнения окружающей среды мышьяком (As) признаны и выявлены во многих странах мира, в широком диапазоне геологических и климатических условий. В настоящее время, согласно временной директиве Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), предельная концентрация As в питьевой воде составляет 10 мкг л^–1, до 1993 г. – 50 мкг л^–1. Наиболее промышленно развитые страны приняли величину 10 мкг л^–1 как установленный законом предел, хотя большинство развивающихся стран продолжает использовать в качестве национального стандарта значение ВОЗ до 1993 г. из-за трудностей с аналитическим обнаружением и соблюдением установленных требований [1].

Присутствие мышьяка в природе обусловлено как человеческой активностью, так и природными источниками. Антропогенными источниками мышьяка являются: горное дело, черная и цветная металлургия; нефтеперерабатывающие заводы, стекольная промышленность, изготовление пропиточных составов для древесины и др. К природным источникам мышьяка относятся морские осадочные породы, ископаемое топливо, геотермальная и вулканическая активность.     В поверхностные воды мышьяк поступает из минеральных источников, районов мышьяковистого оруднения, связанных с осадочными песчаноглинистыми отложениями. Некоторые количества мышьяка поступает в природные воды из почв, а также в результате разложения растительных и животных организмов [1].

Существуют множество методов очистки воды от мышьяка: химическая коагуляция, адсорбция, нанофильтрация, обратный осмос, ионный обмен, электродиализ и др. [2]. Перспективным процессом для удаления ионов мышьяка из воды является электрокоагуляция [3]. Электрокоагуляция дает возможность очистить воду от нефтепродуктов, жиров и ионов тяжелых металлов.

В представленной работе рассматривалась возможность применения прямоугольных стальных и алюминиевых электродов для удаления ионов мышьяка из водных растворов. Общая эффективная площадь электродов у первых двух комбинаций составляла 30 см², у третей - 60 см², расстояние между электродами – 1 см. Эксперименты по электрокоагуляции проводились в стеклянном реакторе объемом 0,15 л при температуре 20±2°С. Электроды, помещенные в реактор, были соединены с блоком питания постоянного тока (Орион PW 325). С целью уменьшения массопереноса над потенциалом раствор мешался с помощью магнитной мешалки, скорость которой составляла 300 об/мин. В стакан помещали разные пары пластинчатых алюминиевых и стальных электродов с одинаковыми размерами и соединяли с блоком питания постоянного тока. Схема собранной установки представлена на рис. 1.

Рис. 1 - Схема экспериментальной установки для электрокоагуляции

Модельный раствор (150 мл), с исходной концентрацией 200 мкг/л готовился разбавлением из ГСО ионов трехвалентного мышьяка, помещался в реактор. Далее подавалось напряжение (1 А) и через определенные промежутки времени извлекались небольшие объемы раствора, которые фильтровали через бумажные фильтры и измеряли концентрацию ионов мышьяка на атомно-абсорбционном спектрометре. В конце каждого опыта, электроды тщательно промывали водой, чтобы удалить любые твердые остатки на поверхности, высушивали и взвешивали.

Влияние гибридных электродных пар на удаление мышьяка из модельного раствора представлено на рис. 2. Принимая во внимание полученные результаты, делаем вывод, что всем электродным парам, испытанным в данной работе, характерна высокая скорость очистки. Электродные пары снизили концентрацию мышьяка в модельном растворе, предел удаления ионов мышьяка составил 20 мкг/л в течении 30 мин для пары Al-Al, 10 мкг/л в течение 20 мин для Fe-Fe и менее 10 мкг/л в течение 10 мин для комбинации Fe-Al-Al-Fe.

Рис. 2 - Изменение концентрации мышьяка при воздействии разных комбинаций электродов (I=1А, рН₀=7)

Учитывая все стороны исследования, электродная пара Fe-Al-Al-Fe показала лучшие характеристики по сравнению с остальными использованными в эксперименте парами электродов. Комбинации электродов Fe-Al-Al-Fe имеют самую большую степень удаления мышьяка (96%) при наименьшем рабочем времени (10 мин).

Предположительно при электрокоагуляции вода очищается при взаимодействии гидроксида алюминия или железа с ионами мышьяка, впоследствии образуются нерастворимые соединения, выпадающие в осадок, которые, в конечном итоге, без труда удаляются при помощи фильтрования. В сравнении с реагентным коагулированием, при электрокоагуляции не происходит загрязнения воды солями металлов. В результате делаем вывод, что проведенные эксперименты имеют актуальность для использования предложенного метода при очистке воды от ионов мышьяка.

Литература

1. В.С. Путилина, И.В. Галицкая, Т.И. Юганова. Поведение мышьяка в почвах, горных породах и подземных водах. Трансформация, адсорбция / десорбция, миграция: аналит. обзор. Учреждение Рос. акад. наук Гос. публич. науч.-техн. б-ка Сиб. отд-ния РАН, Учреждение Рос. акад. наук Ин-т геоэкологии им. Е. М. Сергеева РАН. – Новосибирск : ГПНТБ СО РАН, 2011. – 249 с.
2. Серова В.А., Коган Б.И. Способы очистки сточных вод и технологических растворов от мышьяка. М.: Цветметинформация, - 1977. - 52 с.
3. M. Kobya, A. Akyol,E. Demirbas, M.S. Oncel. Removal of arsenic from drinking water by batch and continuous electrocoagulation processes using hybrid Al-Fe plate electrodes, 2013. - 32с.

References

1. V.S. Putilina, I.V. Galitskaya, T.I. Yuganova. Arsenic behaviour in soils, rocks and groundwater. Transformation, adsorption/desorption, migration: the analyt. review. Establishment Ros. Acad. State Sciences. publichen. scientific and engineering. Bk Sib. Dep-of RAS, Establishment Ros. Acad. Sciences Institute of Geo-ecology them. EM Sergeeva RAS. - Novosibirsk: SPSTL, 2011. - 249 p.
2. Serov VA Kogan BI Methods for wastewater treatment and process solutions from arsenic. M .: Tsvetmetinformatsiya - 1977. - 52 p.
3. M. Kobya, A. Akyol,E. Demirbas, M.S. Oncel. Removal of arsenic from drinking water by batch and continuous electrocoagulation processes using hybrid Al-Fe plate electrodes, 2013. – 32 p.