Промышленная экология. Учебно-методическое пособие

окиси железа Fe(OH)3 оседает на дно прудов и бассейнов. В кислой среде растворимость железа увеличивается, а в щелочной уменьшается.

Влияние на качество воды. Вода, содержащая железо (особенно подземная), в начальный момент времени прозрачна и чиста на вид. При непродолжительном контакте с кислородом воздуха железо окисляется, придавая воде желтовато-бурую окраску. В концентрации 0,05 мг/дм3 железо придает воде желтоватую окраску, а в концентрациях 0,3–1,0 мг/дм3 – металлический вкус.

При концентрации железа в воде свыше 0,3 мг/дм3 в системе водоснабжения происходит его накопление, интенсивное окрашивание сантехнического оборудования, отложение осадка в трубах и их засорение. Железо ухудшает органолептические показатели воды:

–увеличивает показатели цветности и мутности воды, что связано с появлением красно-коричневой окраски;

–вкус изменяется из-за развития железобактерий.

При содержании 1 мг/дм3 железа вода становится мутной, окрашивается в желто-бурый цвет, у нее ощущается характерный металлический привкус. Все это делает воду непригодной для технического и тем более питьевого применения.

Биологическая роль. Железо является очень важным микроэлементом. Его биологическая роль изучена достаточно полно. Железо, содержащееся в организме человека, делится на клеточное и внеклеточное. Клеточное железо входит в состав различных классов металлорганических соединений, обладающих характерными только для них функциональной активностью и биологической ролью для организма. В свою очередь, эти соединения можно подразделить на четыре группы:

–гемопротеины, основным структурным элементом которых является гемм (гемоглобин, миоглобин, цитохромы, каталаза и пероксидаза);

–железосодержащие ферменты негеминовой группы (сукцинатдегидрогеназа, ацетил-коэнзим А-дегидрогеназа, НАДН-цитохром, С-редуктаза и др.);

–ферритин и гемосидерин внутренних органов;

–железо, рыхло связанное с белками и другими органическими веществами.

К группе внеклеточных соединений железа относятся железо-свя- зывающие белки трансферрин и лактоферрин, содержащиеся во внекле-

точных жидкостях. Гемоглобин, содержащийся в эритроцитах,

11

выполняет важную для организма газотранспортную функцию – переносит экзогенный кислород и эндогенный углекислый газ. Эритроцит по отношению к гемоглобину играет роль буферной системы, способной регулировать общую величину газотранспортной функции.

Миоглобин – дыхательный белок сердечной и скелетной мускулатуры. Основными функциями миоглобина являются транспортировка кислорода через клетку и регуляция его содержания в мышце для осуществления сложных биохимических процессов, лежащих в основе клеточного дыхания.

Железосодержащие ферменты и негеминовое железо клетки находятся главным образом в митохондриях. Наиболее изученными

иважными для организма ферментами являются цитохромы, каталаза

ипероксидаза.

Основная биологическая роль большинства цитохромов – участие в переносе электронов, лежащем в основе процессов терминального окисления в тканях. Дефицит железа или повышенная потребность

внем могут привести к гипохромной анемии, основой развития которой является недостаточная продукция гемоглобина эритробластами костного мозга.

Токсичность железа. Соединения железа для людей и теплокровных животных при введении внутрь малотоксичны. Однако при избытке железа в крови может нарушаться сердечный ритм, возможно проявление нехарактерной пигментации кожи. Больше всего железа накапливается в печени, сердечной мышце, поджелудочной железе,

врезультате чего у человека развиваются гепатит, цирроз печени, сахарный диабет, заболевания нервной системы и т. д., значительный избыток железа может спровоцировать рак печени, легких и кишечника.

Овеличине токсических концентраций железа для рыб имеются разноречивые данные. Это связано с тем, что его токсичность во многом зависит от гидрохимического режима, особенно от рН, жесткости и других показателей воды. Для рыб более токсичны сернокислое и двухлористое железо, нежели его окись и хлорное железо. Концентрация железа в воде 1000 мг/дм3 убивает рыб за несколько часов. Токсичность его обусловлена механическим повреждением и асфиксией рыб и икры

врезультате осаждения хлопьев гидроокиси железа или снижением

вводе кислорода, потребляемого на окисление закисного железа. В кислой среде ионы железа проникают в ткани и действуют самостоятельно как токсины. В щелочной среде гибельна для рыб даже концентрация железа 0,9 мг/дм3.

12

Влияние на очистные сооружения. Железо оказывает губительное действие на микрофлору очистных сооружений. Хлорид железа (II) в сточных водах в концентрации 5 мг/дм3 (в пересчете на ион железа) задерживает образование активного ила на очистных сооружениях

исбраживание осадка в метантенках. При этой концентрации гибнет микрофлора биологических фильтров.

Предельно-допустимая концентрация (ПДК) железа. Установленные пределы содержания железа в воде в Российской Федерации

истранах мира представлены в табл. 2.1.

13

Окончание табл. 2.1

Лабораторная работа 1 Измерение массовой концентрации общего железа

с сульфосалициловой кислотой

Для определения ионов железа в воде чаще всего используют ряд колориметрических методов, позволяющих определить железо в степени окисления Fe2+и Fe3+.

Наиболее распространенными методами являются определение железа с:

–роданидом аммония (калия);

–с сульфосалициловой кислотой;

–α,α'-дипиридином или О-фенантролином.

Однако выбор метода определяется наличием в воде сопутствующих ионов, влияющих на достоверность определения. Например, при анализе с роданидом аммония в воде не должны присутствовать хлориды, сульфаты, фосфаты, что практически невозможно как для сточных, так и для питьевых вод.

Метод измерения массовой концентрации общего железа с сульфосалициловой кислотой основан на взаимодействии ионов железа в щелочной среде с сульфосалициловой кислотой с образованием окрашенного в желтый цвет комплексного соединения по следующей реакции:

14

Ход работы

Построение градуировочного графика:

1.Взять 7 мерных колб вместимостью 50 см3.

2.В колбы налить рабочего стандартного раствора с концентрацией 0,005 мг/см3 в объемах, представленных в табл. 2.2.

3.Объем довести до метки дистиллированной водой, перемешать.

4.Получить шкалу растворов, соответствующих массовым концентрациям железа (табл. 2.2) с последующим проведением их анализа (см. п. «Проведение анализа»).

5.Измерить оптическую плотность полученных растворов. Определение оптической плотности повторяют еще 2 раза для исключения случайной погрешности.

6.Построить градуировочный график, откладывая по оси абсцисс массовую концентрацию железа, а по оси ординат – соответствующие значения оптической плотности. Пример построения градуировочного графика приведен на рис. 2.1.

Проведение анализа:

1. Отобрать 50 см3 исследуемой воды (при массовой концентрации общего железа не более 2 мг/дм3, при большей массовой концентрации железа пробу разбавляют дистиллированной водой).

16

14. Найти массовую концентрацию общего железа по градуировочному графику (СFe, мг/дм3).

Обработка и оформление результатов

Результаты построения градуировочного графика оформляют в виде таблицы (табл. 2.3) и графика.

Массовую концентрацию железа (Х) в анализируемой пробе, мг/дм3, вычисляют по формуле

где СFe – концентрация железа, найденная по градуировочному графику, мг/дм3;

50 – объем, до которого разбавлена проба, см3; V – объем воды, взятый для анализа, см3.

Результаты вычислений вносят в табл. 2.4 и записывают до второго десятичного знака.

Проводят два параллельных измерения.

Сходимость результатов анализа (А) в процентах вычисляют по формуле

где Х1 – больший результат из двух параллельных измерений; Х2 – меньший результат из двух параллельных измерений. Сходимость должна быть не менее 15 %.

18

Сделать выводы по работе. Оценить соответствие содержания железа в исследуемой воде нормативным значениям, а также указать возможные причины отклонения их от ПДК. Проведите оценку сходимости результатов анализа и причины их несоответствия (при наличии).

Контрольные вопросы

1.В каких формах присутствует железо в воде?

2.Каково влияние железа на качество воды?

3.Какова биологическая роль железа?

4.Чем опасен избыток железа в организме человека? Рыб?

5.От каких факторов зависит токсичность железа?

6.Оказывает ли железо влияние на биологическую очистку сточных вод? Какое?

7.Назовите ПДК железа в воде.

8.Назовите методы определения железа в воде.

9.В чем сущность фотометрического метода определения?

10.Что такое холостая проба?

11.Опишите принцип работы фотоэлектроколориметра.

12.Опишите закон Бугера–Ламберта–Бера.

13.Поясните сущность метода определения железа с сульфосалициловой кислотой. Приведите реакции.

14.Опишите принцип построения градуировочного графика.

19

2 . 2 . М е т о д ы о ч и с т к и в о д ы о т ж е л е з а

К традиционным методам очистки питьевой и технической воды от железа относятся окислительные методы, сущность которых сводится к окислению железа (II) в трехвалентное с последующим отстаиванием или фильтрацией нерастворимых соединений железа (III). В практике водоочистки в зависимости от объемов очищаемых вод используются кислород воздуха, озон, перекись водорода, соединения хлора, перманганат калия и др.

В последнее время получили развитие более современные методы обезжелезивания воды, к которым относятся электрохимический, мембранный, ионообменный, а также биохимический способ очистки.

Метод аэрации. Сущность метода сводится к переводу Fe (II) в Fe (III) с последующим образованием нерастворимого гидроксида железа (III), выпадающего в осадок.

Fe(HCO3)2 + 2H2O ↔ Fe(OH)2 + 2H2CO3; 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3↓; H2CO3→H2O + CO2↑.

Для его удаления обычно используются фильтры, в которых в качестве загрузки чаще всего используется кварцевый песок. Возможно также использование синтетических материалов, активного угля.

Метод применяется для очистки природных вод при общем содержании железа до 10 мг/дм3, при этом содержание двухвалентного железа не может быть менее 70 %. Рекомендуют также, чтобы величина pH была не менее 6,8, а щелочность более (1+ [Fe2+]/28) мг-экв/дм3, где [Fe2+] – концентрация двухвалентного железа в мг/дм3. Наряду с этим регламентируется содержание сероводорода (<2 мг/дм3) и перманганатная окисляемость. Ее величина не должна быть более (0,15[Fe2+] + + 5 мг/ дм3 О2).

Недостатками метода являются:

–чувствительность к рН среды (при рН ниже 7 процесс окисления замедляется и может не завершиться на очистных сооружениях);

–необходимость удаления углекислоты (CO2), образующейся

взначительном количестве.

Преимущества метода:

–достаточно высокая степень очистки 0,1–0,3 мг/дм3,

–не требуется установка насосов для последующей перекачки. Окисление железа аэрацией может проводиться:

–фонтанированием (брызгальные установки);

20