Изучение влияния коксуского шунгита (таурита) на содержание кислорода в водных растворах

Шунгитовые породы являются уникальным природным наноструктурированным природным композитом, состоящим из основных компонентов – углеродистого вещества, минералогически близкого к графиту, и микрокристаллического кремнезёма. Шунгиты обладают высокой прочностью, плотностью, химической стойкостью и электропроводностью [1].

Шунгиты используются при изготовлении строительных материалов, резинотехнических изделий (шины, конвейерные ленты и т.п.) в металлургии, в медицине, а так же при решении экологических задач, одной из которых является качественная очистка природных сточных вод от металлов, органических примесей, красителей, запахов, нефтепродуктов и др.

Коксуский шунгит относится к шунгитистым породам, т.к. содержит до 30% углерода.

В задачу исследования входило изучение свойств коксуского шунгита – определение изменения О2 в водных растворах.

Известно, что холодная вода содержит больше растворенного O2 (рис.1).

Рис. 1. Содержание кислорода (моль О2/м3) в водных объектах мира

Как видно из рис. 1, самая высокая концентрация кислорода в водах северного и южного полюсов. Самая низкая концентрация кислорода – в водах экватора.

На содержание растворенного кислорода в виде молекул O2 в природной воде влияют две группы противоположно направленных процессов:

  • одни увеличивают концентрацию кислорода;
  • другие уменьшают ее.

К числу первых относятся поглощение кислорода из атмосферы, выделение кислорода водной растительностью в процессе фотосинтеза и поступление в водоемы с дождевыми и снеговыми водами, которые обычно пересыщены кислородом. В артезианских водах все эти факторы практически не действуют и поэтому кислород в таких водах отсутствует.

В поверхностных же водах содержание кислорода меньше теоретически возможного в силу протекания процессов, уменьшающих его концентрацию, а именно: потребления кислорода различными организмами, брожения, гниения органических остатков, реакций окисления и т.п.

Относительное содержание кислорода в воде, выраженное в процентах его нормального содержания и называется степенью насыщения кислородом.

Этот параметр зависит от температуры воды, атмосферного давления и уровня минерализации. Вычисляется по формуле:

M = (a ∙ 101308 ∙ 100) / N ∙ P,

где М – степень насыщения воды кислородом, %;

а – концентрация кислорода, мг/дм3;

Р – атмосферное давление в данной местности, мПа.

N – нормальная концентрация кислорода при данной температуре и общем давлении 0.101308 мПа, приведенная в табл. 1.

Таблица 1. Нормальная концентрация кислорода при заданной температуре и общем давлении 0,101308 мПа

Растворимость

Температура воды, оС

0

10

20

30

40

50

60

80

100

мг О2/дм3

14,6

11,3

9,1

7,5

6,5

5,6

4,8

2,9

0,0

Содержание кислорода в поверхностных водах служит косвенной характеристикой оценки качества поверхностных вод.

По этому показателю поверхностные водоемы можно разделить на классы, представленные в табл. 2.

Таблица 2. Уровень загрязненности воды и класс качества в зависимости от содержания кислорода

Уровень загрязненности воды и класс качества

Содержание растворенного кислорода

лето, мг/дм3

зима, мг/дм3

степень насыщения, %

Очень чистые, I класс

9

14–13

95

Чистые, II класс

8

12–11

80

Умеренно загрязненные, III

класс

7–6

10–9

70

Загрязненные, IV класс

5–4

5–4

60

Грязные, V класс

3–2

5–1

30

Очень грязные, VI класс

0

0

0

Для растворенного кислорода ВОЗ не предлагает какой-либо величины по показаниям его влияния на здоровье. Однако резкое снижение содержания кислорода в воде указывает на ее химическое и биологическое загрязнение.

В свою очередь, истощение растворенного кислорода в системах водоснабжения может способствовать микробиологическому восстановлению нитрата в нитрит и сульфата в сульфид, что вызывает появление запаха. Уменьшение количества кислорода приводит также к повышению концентрации двухвалентного железа в растворе и осложняет его удаление. В то же время при определенных условиях растворенный кислород придает воде коррозионные свойства по отношению к металлам и бетону.

Для поверхностных вод нормальной считается степень насыщения не менее 75%. Удаление кислорода, растворенного в воде, необходимо при снабжении водой котлов высокого давления, а также при закачке воды в нефтяной пласт для поддержания давления внутри пласта.

Метод очистки сточных вод кислородом часто применяют для очистки сточных вод предприятий деревообрабатывающей промышленности, гальванических цехов, металлообрабатывающих предприятий, целлюлозно-бумажных, нефтеперерабатывающих заводов и др.

Очистку сточных вод гальванических цехов, содержащих цианиды, посредством их окисления кислородом производят в присутствии катализатора – активного угля. Для интенсификации процесса окисление рекомендуется проводить техническим кислородом, а не кислородом воздуха. Уголь регенерируют 1 раз в 2–3 года для удаления с его поверхности карбонатных отложений.

Теоретический расход окислителя (О2) на превращение цианидов до цианатов составляет 0,6 мг/мг, фактически превышает 1 мг/мг.

Окисление – процесс быстрый и заканчивается за 25–60 мин.

Гидролиз цианатов, сорбированных на угле, протекает медленно и требует для своего полного завершения несколько суток.

На целлюлозно-бумажных, нефтеперерабатывающих и других предприятиях образуются сточные воды, содержащие сероводород, сульфиды, меркаптаны. Очистку их рекомендуется производить окислением кислородом в присутствии оксидов или гидроксидов металлов переменной валентности и углей.

Наибольшей каталитической активностью обладают соединения железа и марганца.

В качестве катализаторов при очистке сточных вод с рН 6–14 от сероводорода и сульфидов окислением кислородом рекомендуется использовать графитовые материалы и кокс.

Для исследования были использованы приборы: АНИОН-4100 «КИСЛОРОДОМЕР», весы аналитические электронные «Shimadzu» (рис.2).

Рис. 2. Приборы для измерения кислорода в воде

Измерение содержания кислорода в системе «вода – шунгит». Для исследований использовалась водопроводная вода. Все измерения проходили при комнатной температуре. Электрод устанавливался на постоянную глубину, не касаясь дна стакана.

В три стакана объёмом по 200 мл наливалась вода.

В первый стакан с водой объёмом 200 мл добавляли 100 г шунгита марки ТК (3–5 мм), который точно был взвешен на электронных весах «Shimadzu».

Во второй стакан с тем же объёмом 200 мл добавляли 100 г ТС (-2,5+1 мм). В третьем стакане только водопроводная вода в объёме 200 мл.

После добавления шунгита в воду поверхность сосуда плотно накрывалась гелевой пленкой. Замеры осуществляли на приборе АНИОН-4100 «Кислородомер» сразу после введения шунгита и после различных промежутков времени.

Таблица 3. Содержание кислорода в воде в присутствии шунгитов

Время контакта электрода при замерах, мин

Содержание кислорода в воде в присутствии шунгитов, %

ТК (3-5 мм)

ТС (-2,5+1 мм)

Без отстаивания

( t = 14,9 оС)

С отстаиванием 3 суток

(t = 22,0 оС)

Без отстаивания

(t = 14,9 оС)

С отстаиванием 3 суток

(t = 22,0 оС)

Исходное содержание кислорода в воде 68,0%

5

152,5

 

157,5

 

10

 

115,8

 

105,4

15

127,3

 

122,5

 

30

98,5

120,8

98,5

112,4

60

49,7

123,1

49,3

107,2

Окончательное значение концентрации кислорода в воде принимаем после 60 мин контакта электрода, когда стабилизировались показания.

Известны свойства российских шунгитов – поглощение кислорода из воды как сильного восстановителя [2]. В процессе химического взаимодействия с кислородом воды образуется атомарный кислород, являющийся сильнейшим окислителем и окисляющий сорбированные органические вещества до CO2 и H2O и освобождающий поверхность шунгита для новых актов сорбции. Длительное действие шунгита по отношению к растворенным металлам объясняется тем, что металлы переводятся шунгитом в форму нерастворимых карбонатов. Этому способствует процесс окисления органических веществ до CO2. Каталитические свойства шунгитов объясняют способность окислять сорбируемые органические вещества.

Как видно из табл 3, в воде с шунгитом после 3-х дневного отстаивания без доступа воздуха (под гелевой пленкой), содержание кислорода увеличивается более чем в 2 раза.

O2 %

123,6

123,3

120,8

115,8

112,3

110,3 108,2

105,4 69,3

68,4

65,3

67,5

Вода + коксуский шунгит карбонатный ТК (3-5мм) Вода + сланцевый шунгит ТС (-2,5+1мм)

Вода холодная из крана

10 30 60 90 мин

Рис. 3. Изменение содержания кислорода в растворах после трех дней отстаивания

Измерение содержания кислорода в системе «водопроводная вода + краситель + шунгит. В 4-й стакана объёмом 200 мл разливаем раствор красителя кислотного зелёного красителя концентрацией 50 мг/л. Измерения проводились при комнатной температуре.

Таблица 4. Содержание кислорода в воде в присутствии красителя и шунгитов марки ТК и ТС (100 г)

Время контакта электрода при замерах, мин

Содержание кислорода в воде в присутствии красителя и шунгита, %

ТК (3-5 мм) + краситель

ТС (-2,5+1 мм)

Без отстаивания

С отстаиванием 3 сут

Без отстаивания

С отстаиванием 3 сут

Исходное содержание кислорода в воде с красителем 0,13%

10

11,6 / t = 20,2

328,7/ t = 21,0

9,5/ t= 20,1

156,4/ t = 21,2

30

11,3 / t = 20,2

324,5/ t = 20,9

06,6/ t = 20,0

158,9/ t = 21,2

Как видно из табл. 4, содержание кислорода в растворе красителя с добавкой шунгита после 3-х суточного отстаивания повышается.

Таким образом, установлено, что в присутствии коксуской шунгитистой породы увеличивается концентрация кислорода в воде. Чем больше контакт воды с шунгитом, тем больше он насыщает раствор кислородом. Такова же кинетика обесцвечивания крашенных растворов в присутствии коксуских шунгитов. В присутствии шунгитов количество кислорода в крашенной воде намного ниже, чем в воде без красителей при одинаковых навесках шунгита и времени контакта. Чем больше статический контакт окрашенной воды с шунгитами марки «Таурит», тем лучше обесцвечивается вода.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Мусина У.Ш. Экологический потенциал коксуского шунгита Гидрометеорология и экология, 2010,№4, с.154-159.
  2. Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Шунгиты и безопасность жизнедеятельности человека».Карелия, 2006.

 

Теги: Экология
Год: 2011
Город: Алматы
loading...