Из доступных веществ на роль восстановителя годятся железный купорос FeSO4 · 7H2O (продается в хозяйственных магазинах), этиловый спирт С2Н5ОН и аскорбиновая кислота С6Н8О6 (витамин С, продается в аптеке).

Мы решили, что использование железного купороса в процессе обезжелезивания воды вызовет психологическое отторжение у потребителей (хотя в литературе описана работа установки [9], в которой используется система « восстановитель FeSO4 – окислитель KMnO4»). В реакции окисления этилового спирта перманганатом калия образуется токсичный альдегид. В результате наш выбор остановился на аскорбиновой кислоте.

Окисление аскорбиновой кислоты перманганатом калия является многостадийным и сложным процессом [17] (см. приложение 7). Состав продуктов окисления зависит от условий реакции и количественного соотношения компонентов, но в любом случае они не токсичны для организма человека.

Мы проделали ряд опытов, чтобы подобрать оптимальное соотношение между компонентами окислительно-восстановительной реакции.

При избытке аскорбиновой кислоты происходит восстановление перманганата до двухвалентного марганца, при этом раствор мгновенно обесцвечивается. При недостатке восстановителя образуется красно-коричневый раствор K2MnO4.

Опытным путем мы установили, что для образования MnO2 надо взять растворы аскорбинки и марганцовки с одинаковой массовой долей, например, 0,5% или 1%, и смешать их в равных объемных отношениях.

Процесс окисления при этом можно описать следующей схемой:

2H+ + MnO4− + C6H8O6 → C6H6O6 + MnO2↓ + 2H2O (9)

аскорбиновая дегидроаскорбиновая

кислота кислота

Для формирования на поверхности песка слоя марганцевого катализатора были использованы различные технологические приемы:

1) последовательное пропускание растворов через фильтрующую загрузку;

2) тщательное смешивание сухого оксида марганца с песком;

3) смешивание фильтрующей загрузки со свежеполученной суспензией MnO2;

4) последовательное добавление растворов окислителя и восстановителя к песку с тщательным перемешиванием и отстаиванием.

При любом способе обработки песок сильно темнел и становился коричневым за счет образования слоя MnO2. При фильтровании воды по мере расходования оксида марганца песок осветлялся. В момент проскока в слое песка были видны лишь небольшие темные зоны. Удалению катализатора с носителя способствовала повышенная кислотность нашего рабочего раствора (рН ~ 4-5), а также то, что железо присутствовало в сульфатной форме, а не в карбонатной форме, как в большинстве подземных водоисточников.

В очищенной воде рН повышалось до 6, следовательно, часть кислоты тратилась на растворение восстановленных оксидов марганца.

Mn2O3 + 6H+ → 2Mn3+ + 3H2O (10)

или MnO + 2H+ → Mn2+ + H2O (11)

В таблице 3 представлены результаты опытов по использованию загрузок на основе песка для очистки воды от железа.

Из полученных данных следует, что технологические приемы формирования каталитического слоя не влияют на эффективность работы фильтрующих загрузок.

Объем очищенной воды зависит от количества оксида марганца, находящегося в фильтрующем слое. По нашей оценке в загрузках на основе песка объемом 30 мл содержалось примерно 300 мг MnO2, то есть в ~ 7 раз меньше, чем на катионите такого же объема, поэтому и объем воды, очищенной на песчаных фильтрах, был на порядок меньше, чем при использовании катионита.

Можно было бы сделать вывод о целесообразности применения в качестве фильтрующей загрузки чистого препарата MnO2, однако это вещество является мелкодисперсным порошком, и для использования его в качестве фильтрующей загрузки необходимо гранулирование оксида либо использование крупнодисперсного природного минерала (пиролюзит), чтобы скорость фильтрования была приемлемой для эксперимента.

Таблица 3. Очистка воды путем фильтрования через загрузки на основе силикатного песка.

Наш рабочий раствор по составу не соответствовал белорусским природным железосодержащим водам, так как содержал сульфатное, а не гидрокарбонатное железо, имел повышенную кислотность и концентрацию железа на порядок выше, чем в подземных водозаборах. Тем не менее, определенный объем воды очищался очень качественно.

Логично сделать вывод, что, если раствор эффективно очищается от сульфатного железа, то от гидрокарбонатного он должен очищаться еще эффективнее [11,13]. Мы решили укрупнить масштаб эксперимента и проверить данный вывод на практике.

2. Приготовление и эксплуатация установки обезжелезивания воды

Предлагаемая нами установка по обезжелезиванию воды может использоваться в сельской местности, на даче, в походе, то есть, в тех случаях, когда необходима локальная очистка воды от избытка железа.

Необходимые вещества и материалы:

1) пустая 2-литровая пластиковая бутылка с пробкой;

2) марлевый тампон;

3) отмытый и просеянный песок – объем 0,5 л;

4) 2 пол-литровые банки или бутылки для приготовления растворов;

5) 1 пакетик перманганата калия, масса 5 г, цена – 80 рублей;

6) 2 пакетика аскорбиновой кислоты, масса 1 пакета 2,5 г, цена – 240 рублей.

7) палочка или ложка для перемешивания;

8) стакан для измерения объема растворов;

9) емкость для очищенной воды.

У пластиковой бутылки аккуратно отрезать дно на высоте примерно 4-5 см. Из отрезанного дна получается хорошая крышка от пыли. Чтобы она хорошо одевалась, надо сделать на основной части бутылки несколько вертикальных разрезов длиной примерно 1 см. В горлышко бутылки плотно вставить марлевый тампон.

Бутылку закрепить горлышком вниз с помощью проволоки или веревочной петли. Закрутить пробку, засыпать в бутылку пол-литра подготовленного песка.