Отчет о научно-исследовательской работе по теме №00. 101 п. 8, шифр \"Кремень\" icon

Отчет о научно-исследовательской работе по теме №00. 101 п. 8, шифр "Кремень"



Смотрите также:
Отчет по научно-исследовательской работе студенческого кружка "Гармония"...
Отчет о научно-исследовательской работе по государственному контракту № сг-2/07 от...
Отчет онаучно-исследовательской работе по теме: «Моделирование деятельности органов власти...
Отчет о научно-исследовательской работе...
Отчёт о научно-исследовательской работе за 2009 год...
Отчет о научно-исследовательской работе по теме...
Отчёт о научно-исследовательской работе по теме...
Отчет о научно-исследовательской работе по теме...
Отчет о научно-исследовательской работе по теме №6/03 2 от 4 июня 2003 г...
Отчет о научно-исследовательской работе по теме: «Роль национального государства при...
Отчет о научно-исследовательской работе по теме: Разработка документов...
Отчет о научно-исследовательской работе по теме «мониторинг состояния социальной работы с...



страницы:   1   2   3
скачать

Улучшение качества питьевой воды


МИНИСТЕРСТВО ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГЛАВНОЕ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ

ВОЕННО-МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

(ВМедА)

Экз.№

 

УДК

№ госрегистрац.

Инв. № ________

 

ОТЧЕТ

о научно-исследовательской работе по теме № 4.00.101 п.8, шифр "Кремень"

РАЗРАБОТКА НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ СОРБЕНТОВ (КРЕМНЕЙ) ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ, УСИЛЕНИЯ ЕЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

 

СОГЛАСОВАНО Заместитель начальника академии по научной работе, Заслуженный деятель науки РФ, Член-корреспондент РАМН, доктор медицинских наук, профессор, полковник медицинской службы Ю.Лобзин

15 апреля 2002 г.

 

 

УТВЕРЖДАЮ Начальник академии Заслуженный деятель науки РФ, доктор медицинских наук, профессор генерал-майор медицинской службы Б.Гайдар

15 апреля 2002 г.

 

ВрИД начальника НИЦ ВМедА доктор медицинских наук профессор полковник медицинской службы

 

 

С.Пелешок

19.03.2002г.

ВрИД начальника НИО питания и водоснабжения НИЦ ВМедА кандидат медицинских наук полковник медицинской службы

 

 

В.Майдан

18.03.2002г.

Научный руководитель ВрИД заместителя начальника НИО питания и водоснабжения НИЦ ВМедА кандидат медицинских наук майор медицинской службы

 

 

П.Панов

18.03.2002г.

Ответственный исполнитель старший научный сотрудник НИО питания и водоснабжения НИЦ ВМедА кандидат биологических наук

 

Е.Сорокалетова

18.03.2002г.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2002

^ СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ

Научный руководитель работы|: ВрИД заместителя начальника НИО питания и водоснабжения кандидат медицинских наук майор медицинской службы

 

П.Панов

18.03.2002г.

Ответственный исполнитель: старший научный сотрудник НИО питания и водоснабжения кандидат биологических наук

 

Е.Сорокалетова

(реферат, введение, 18.03.2002г. разделы 1, 2, 3, заключение)

Младший научный сотрудник НИО питания и водоснабжения

 

Е.Гвардина

18.03.2002г.

Младший научный сотрудник НИО питания и водоснабжения

 

Е.Кравченко (раздел 1)

18.03.2002г.

Младший научный сотрудник НИО питания и водоснабжения

 

И.Коновалова

18.03.2002г.

Доцент кафедры ОВГ кандидат медицинских наук

 

 

В.Нарыков

18.03.2002г. (раздел 1, реферат, введение, заключение)

Начальник научно-исследовательского отдела доктор медицинских наук профессор полковник медицинской службы

 

С.Матвеев

18.03.2002г.

РЕФЕРАТ

Отчет - 77 стр., 1 кн., 20 табл., 146 ист.

^ КАЧЕСТВО ВОДЫ, ОЧИСТКА ВОДЫ, ПРИРОДНЫЕ

МИНЕРАЛЬНЫЕ СОРБЕНТЫ

Объектом исследования являлись природные минеральные сорбен­ты (ПМС), перспективные для применения в процессах очистки и кон­диционирования воды: шунгит, кремень, глауконитовый известняк.

^ Цель работы заключалась в экспериментальной оценке эффектив­ности использования природных минеральных сорбентов для очистки и кондиционирования воды.

При проведении НИР современными биологическими и физико-хи­мическими методами показано, что ПМС эффективно очищают воду от загрязнений. Для очистки воды от ионов тяжелых металлов наиболее перспективными ПМС оказались кремень и глауконитовый известняк. Их эффективность превосходит активированный уголь (АУ) и шунгит.

Все изученные ПМС удаляют фенол из воды в концентрации до 50 ПДК. ^ При более высоких концентрациях фенола эффективность шунгита выше, чем кремня и глауконитового известняка при всех пара­метрах модельной воды.

ПМС очищают воду от избыточного содержания ионов железа, причем шунгит по эффективности превосходит АУ, кремень и глауконитовый известняк в 2 раза.

ПМС имеют выраженные сорбционные свойства в отношении бакте­рий Е.соli штамм К12, спор В.subtilis и С. реrfringes, снижая со­держание микробных агентов не менее, чем в тысячу раз.

Шунгит проявляет специфическую активность в устранении из воды частиц радикальной и ион-радикальной природы, значительно превосходя в этом отношении как кремень и глауконитовый извест­няк, так и АУ ( в 56, 36 и 31 раз соответственно).

Вода, обработанная ПМС, улучшает свое качество за счет глубо­кой очистки от химических загрязнений, снижения токсичности, а также повышает биологическую активность за счет обогащения эссенциальными макро- и микроэлементами.

Технологии и очистные устройства, использующие ПМС не уступая, а в ряде случаев превосходя по эффективности АУ, на порядок дешевле по себестоимости. Россия располагает мощной сырьевой базой ПМС, что делает их использование перспективным в водоочистке.

^ ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ,

СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

 

АУ

активированный уголь

ВОЗ

всемирная организация здравоохранения

ИЗВ

индекс загрязненности воды

ПАВ

поверхностно-активные вещества

ПДК

предельно-допустимая концентрация

ПМС

природные минеральные сорбенты

хоп

хлорорганические пестициды

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

стр.

ВВЕДЕНИЕ ...........................................................................

7

^ 1. КАЧЕСТВО ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ И СПОСОБЫ ЕГО УЛУЧШЕНИЯ

(Выбор направления исследований) .......................................

 

9

1.1. Качество воды водоисточников ............................................

9

1.2. Существующие и перспективные способы улучшения качества воды ...............................................................................

 

14

1.3. Природные минеральные сорбенты - перспективные материалы в процессах улучшения качества воды......................................

 

20

1.3.1. Углеродсодержащие породы - шунгиты.................... ......

22

1.3.2. Кремнеземные и кремнистые породы....................... ......

25

1.3.1. Карбонатные породы ........................................... ......

28

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ...............................

30

3. ЭКОЛОГО-ГИГИЕНИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ СОРБЕНТОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ........................................... .............................

34

3.1. Влияние природных минеральных сорбентов на органолептические свойства воды.............................................

34

3.2. Влияние природных минеральных сорбентов на химический состав воды.....................................................................

36

3.2.1. Неорганические токсиканты.......................................

36

3.2.2. Органические токсиканты .........................................

42

3.3. Влияние природных минеральных сорбентов на микробиологичекие показатели воды ....................................

 

47

3.4. Токсико-гигиеническая оценка воды, прошедшей фильтрацию через фильтры, содержащие природные минеральные сорбенты.........................................................................

51

3.5. Биологическое действие воды, активированной кремнем..............

58

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................

60

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................

66

 

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность настоящего исследования связана с усилением антропогенного и техногенного влияния на биосферу в Российской Федерации /1-7/.

Наибольший пресс экотоксичности испытывает водная среда, яв­ляясь конечным резервуаром большинства загрязняющих веществ. За последние 30 лет изменилась структура использования воды, что вы­разилось в резком увеличении социальной составляющей водопользо­вания. Доля хозяйственно-питьевого водоснабжения выросла с 9% в 1970 г. до 21% в 1999 г. /8/. В связи с этим реально существует проблема качества питьевой воды, определяемая загрязнением при­родной воды, неудовлетворительной очисткой ее на водопроводных станциях, вторичным загрязнением в разводящих сетях. В сложившей­ся на сегодняшний день ситуации наиболее перспективным подходом к обеспечению населения РФ и личного состава ВС качественной пить­евой водой является применение средств и методов дополнительной очистки и подготовки воды в месте использования, в том числе, в местах дислокации сил армии и флота /9/.

В настоящее время водоочистка становится одним из самых распространенных технологических процессов. Этим определяется особенная актуальность вопроса удешевления очистки питьевой, тех­нической и сточных вод. В этой связи весьма перспективным предс­тавляется применение природных сорбентов, месторождения которых имеются на территории РФ. В литературе появляется все больше со­общений об эффективности применения природных сорбентов для уда­ления из воды дисперсных примесей, нефти и нефтепродуктов, по­верхностно-активных веществ, красителей, радиоактивных загрязне­ний и др. /10÷16/.

Сегодня при использовании природных сорбентов для удаления из воды указанных веществ, как правило, господствует эмпирический подход, что затрудняет проведение технологических процессов в оп­тимальных условиях.

В этой связи необходима разработка научных основ использова­ния природных сорбентов в водоподготовке, для чего следует сумми­ровать имеющиеся сведения об их применении, а также наметить ра­циональные пути их использования в конкретных технологических процессах водоочистки.

^ Цель работы заключалась в экспериментальной оценке эффектив­ности использования природных минеральных сорбентов для очистки и кондиционирования воды.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Оценить эффективность природных минеральных сорбентов в процессах очистки питьевой воды от химических и микробиологичес­ких загрязнений.

2. Изучить токсико-гигиенические показатели воды, прошедшей очистку на природных минеральных сорбентах (ПМС).

3. Изучить биологическое действие воды, прошедшей очистку на ПМС.

4. Оценить возможность применения ПМС для индивидуальной и коллективной доочистки питьевой воды.

Настоящая работа выполнена в НИЛ перспективных технологий очистки воды НИО питания и водоснабжения НИЦ Военно-медицинской академии с января 2000 по март 2002 года в соответствии с Дирек­тивой ГВМУ МО РФ №161/7/4/3979 от 05.08.99 г.

В НИР нашли свое развитие исследования, проводившиеся в Во­енно-медицинской академии в 1993 ÷ 2001 годах и получившие отраже­ние в ряде отчетов, статей и монографии /17÷24/.

^ 1. КАЧЕСТВО ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ И СПОСОБЫ ЕГО ЛУЧШЕНИЯ (Выбор направления исследований)

1.1. Качество воды водоисточников

По данным Государственного водного кадастра наиболее расп­ространенными загрязняющими веществами поверхностных вод суши яв­ляются нефтепродукты, фенолы, хлорорганические пестициды (ХОП), легкоокисляемые органические вещества, соединения меди и цинка. В некоторых районах обнаруживаются комплексы никеля, аммонийный и нитритный азот, а также специфические поллютанты, характерные для отдельных производств - лигнин, лигносульфонаты, ксантогенаты, метилмеркаптан, анилин /25/.

В последние годы на фоне некоторого снижения валового объема водоотведения прослеживается тенденция к увеличению удельного ве­са сбрасываемых в водные объекты неочищенных сточных вод /8/. По данным Минприроды общий объем загрязненных сточных вод, сбрасыва­емых в водоемы составляет 28 км3/год, из них нормативно очищенных только 10% (2,8 км3). В коммунальном хозяйстве очищается только 13% стоков. В водоемы страны ежегодно сбрасывается 1000 т цинка, 700 т никеля, 150 т меди и хрома и 120 т кадмия. Данного коли­чества токсикантов достаточно для загрязнения более 500 км3 воды, что сопоставимо с годовым стоком рек России /26÷28 /.

В ряде мест среднегодовая концентрация загрязняющих веществ превышает 5 ПДК по трем и более показателям (в р. Неве - д.Новосаратовка, р.Нарве - г.Иван-город, р.Онеге - с.Порог, р.Сев. Двине - с.Усть-Пинега) /25/.

В водохранилище Пролетарское - Ростовская обл., р.Пелымма, р.Обь и др. среднегодовая концентрация нефтепродуктов, фенолов, соединений меди составила не менее 30 ПДК /25/.

Случаи экстремально высокого уровня загрязненности воды наб­людались в р.Пуртсе (фенолы 213÷240 ПДК), р.Косьве (соединения железа - 157 ПДК, соединения меди - 160 ПДК), р.Чусовой (соедине­ния хрома - 720 ПДК), Братском вдхр. (метилмеркаптан - 300-500 ПДК), р.Клязьме (нефтепродукты - 176 ПДК), р.Охинке (нефтепродукты - 120 ПДК) /25/.

Особую опасность представляют аварийные ситуации на произ­водствах, когда в воду попадают вредные вещества в концентрациях до 1000 ПДК /29, 30/.

Сельскохозяйственное производство также вносит свой вклад в загрязнение водоисточников.

Из общего количества применяемых в сельском хозяйстве ХОП 1÷5% поступают в поверхностные воды, около 5% мигрируют в нижние горизонты почвы и подземные воды. Наиболее высокий уровень загрязнения воды ХОП отмечен в бассейнах Волги, Оби, Амура, Урала, Днепра, Терека, Пясины. Высокие концентрации ХОП отмечены в водных объектах не только зон интенсивного земле­делия и производства ХОП, но и в районах, где их применение от­сутствовало или было минимальным, что свидетельствует о глобаль­ном распространении ХОП /31/.

Большинство водных объектов РФ служат источниками питьевого водоснабжения, поэтому рост загрязненности природных вод все бо­лее обостряет проблему обеспечения населения доброкачественной питьевой водой /7/.

Обследование водозаборов городов показало, что для некоторых из них характерно загрязнение воды, классифицируемое как "высо­кое" и "чрезвычайно высокое". Особая опасность возникает там, где загрязнение обусловлено наличием высокотоксичных соединений (Томский, Тюменский, Курганский водозаборы) /29/.

Проблемы с обеспечением питьевой водой существуют и в Севе­ро-Западном регионе РФ. ^ Источником водоснабжения населения Санкт-Петербурга и части Ленинградской области служит Ладожское озеро. В то же время в Ладожское озеро поступают сточные воды от предприятий промышленности и агропромышленного комплекса огромных территорий (Ленинградской, Псковской, Новгородской, Тверской, Ар­хангельской и Витебской областей, республики Карелии и части Фин­ляндии). Общий объем загрязненных сточных вод, поступающих в озеро, составляет 400 млн. м3 в год. Стоки содержат более 600, из ко­торых 300 - токсичны. В результате состояние озерной экосистемы приблизилось к критическому /32/.

Под влиянием хозяйственной деятельности, ведущейся на бере­гах Ладожского озера и его водосборе, водоем к середине 80-ых годов XX века перешел из олиготрофного в мезатрофное состояние. При сохранении антропогенной нагрузки на современном уровне озеро может в ближайшие десятилетия превратиться в эвтрофный водоем, что будет иметь катастрофические последствия для водоснабжения Санкт-Петербурга. Уже сейчас река Нева, являясь практически единственным источником питьевого водоснабжения Санкт-Петербурга, загрязнена на всем протяжении. Даже у истока в результате эвтрофирования Ладожского озера наблюдается повышенное содержание токсикантов. Превышение ПДК установлено по нефтепродуктам, свинцу, кадмию, кобальту, никелю, хрому, цинку, мышьяку, бериллию, тита­ну, ртути /33 ÷ 35/.

Кроме того, Нева является важной транспортной артерией и ни­чем не защищена от техногенных аварий. Так, в результате аварии с нефтеналивным танкером в устье Невы осенью 1999 г. мазутом была загрязнена вся акватория реки, а на дне создалось депо токсичных веществ /24/.

Стремительное ухудшение качества воды Ладожского озера, про­должающееся поступление загрязненных сточных вод, определяют ка­чество поступающей в Санкт-Петербург невской воды. Класс качества воды в фоновом створе в 2 км выше города снизился и они характе­ризуются как IV класс ("загрязненные"). Увеличение индекса заг­рязненности воды (ИЗВ) произошло в основном за счет возростания среднегодовых концентраций летучих фенолов. Так, концентрация фе­нолов в фоновом створе составила 7 ПДК, а в целом по р.Неве - 10 ПДК. Наибольшая загрязненность вод фенолами наблюдалась в устье Невы: в пробах, отобранных в феврале, июне и августе. Их концент­рации составили 40÷50 ПДК /ЗЗ/. Максимальная концентрация фенолов (70 ПДК) была зафиксирована в водах Невы в створе, расположенном ниже впадения р.Ижоры.

Воды Невы загрязнены медью и марганцем почти во всех ство­рах. Так, среднегодовые концентрации составляют: меди - 4,7÷6,45 ПДК, марганца - 1,1÷3,3 ПДК. Максимальная концентрация меди (19 ПДК) зафиксирована в одном из самых грязных створов, расположен­ном ниже впадения р.Охты, марганца (9,5 ПДК) - в устье Невы /36/.

Хроническое действие токсических веществ на водные системы в регионе проявляется повсеместно. Идет интенсивное накопление токсикантов в гидробионтах и их передача по пищевым цепям. По данным ГосНИОРХ в Волховской губе Ладожского озера у 70÷80% особей сига, судака, леща, плотвы и ерша наблюдаются токсикозы, достигающие по степени выраженности 2÷4 баллов. В этом же районе ткани 20÷60% исследованных рыб имеют запах нефтепродуктов. В Свирской губе от­равления отмечались у 50÷60% рыб. Хронические интоксикации заре­гистрированы у 30÷60% рыб из устьевого участка р.Видлица. У рыб наблюдаются выраженные необратимые патологические изменения в жизненно важных органах: кардиомиопатия, гиперемия мозга, зернис­тая дистрофия печени, новообразования в различных органах. Отмеча­ется высокая гибель и нарушения в развитии молоди /36/.

Вследствие вышеизложенного, более надежным источником водос­набжения являются подземные воды /37÷39/. Качество подземных вод определяется двумя группами факторов: геологическими и антропогенными. Первая группа факторов обусловливает качество подземных вод, связанное с составом водовмещающих пород, физико-химически­ми условиями их формирования и циркуляции, степенью защищенности водоносных горизонтов перекрывающими глинистыми экранами от по­верхностного загрязнения. Вторая группа факторов связана со сте­пенью техногенной нагрузки, условиями хозяйствования и наличием очагов загрязнения /40/. В настоящее время загрязнение гидросферы коснулось не только поверхностных водоисточников, но и подземных вод. В результате попадания в них различных коммунальных отходов, веществ с крупных свалок химических отходов и т.д. (особенно в районах концентрации предприятий газо-нефтедобывающей промыш­ленности) /41÷44/.

Использование подземных вод в Северо-Западном регионе отста­ет от среднеевропейских показателей, хотя регион располагает не­обходимыми для этого водными ресурсами. Естественное качество подземных вод в регионе чрезвычайно разнообразно - от ультрапрес­ных вод с недостаточным содержанием ряда компонентов до слабоми­нерализованных вод, находящихся на грани возможного использования для питьевых целей /43, 44/.

Подземные воды обладают цельм рядом специфических особенностей.^ С одной стороны они способны самоочищаться, с другой - аккумулируют и распространяют загрязняющие элементы на значительные расстояния. Водоносные горизонты Северо-Западного региона в раз­ной степени защищены от поверхностного загрязнения. Наряду с ра­йонами, где они перекрыты водоупорными отложениями, и, тем самым, защищены от загрязнений (Карельский перешеек, девонское поле Ле­нинградской области и т.д.), выделяются районы с практически незащищенными водными ресурсами (Карелия, Ижорское плато). Особенно значительно подземные воды загрязнены на территории Гатчинского, Волосовского, Ломоносовского, Сланцевского, Кингисепского райо­нов, где широкое развитие получили трещинно-карстовые подземные воды, обладающие слабой степенью защищенности от агентов загряз­нения с поверхности /43, 44/.

Для улучшения водоснабжения городов и других населенных пунктов предлагаются следующие долгосрочные мероприятия /14/:

- улучшение состояния и обеспечение соблюдения режимов зон санитарной охраны и водоохранных зон источников питьевого водос­набжения;

- усиления контроля качества воды в источнике водоснабжения, создание системы автоматического и оперативного контроля, разра­ботка методик и средств определения более широкого спектра и комплексных показателей загрязненности воды в источнике;

- разработка и внедрение адресной программы по ликвидации основных источников загрязнения водного источника;

- создание системы автоматического контроля за сбросом заг­рязнений;

- разработка мероприятий по снижению влияния поверхностного стока на водоисточник;

- разработка математической модели водного источника с уче­том гидрохимических данных и биохимических процессов самоочище­ния, с целью прогнозирования качества воды при изменении входных параметров, увеличении или снижении сбросов загрязнений, авариях и в других ситуациях;

- определение приоритетных водоохранных мероприятий с их технико-экономической оценкой на основе математического моделиро­вания различных ситуаций;

- выбор вариантов альтернативных водозаборов, увеличение числа водозаборных сооружений;

- использование дополнительных источников для водоснабжения города, в частности, подземных вод.

Все эти мероприятия требуют для своего осуществления значи­тельных материальных ресурсов достаточного временного интервала.

Абсолютно неотложными мерами следует считать определение приоритетных химических загрязителей водоисточников и повышение качества очистки воды.

^ 1.2. Существующие и перспективные способы улучшения качества воды

Централизованное водоснабжение большинства населенных пунктов России преимущественно ведется из поверхностных водоисточни­ков, характеризующихся высоким уровнем загрязнения /45/.

Существующие сооружения водоподготовки и применяемые технологические процессы часто уже не в состоянии обеспечить требуемое качество питьевой воды, поскольку рассчитаны на уровни загрязнения поверхностных вод, существовавшие 40÷50 лет назад и, в основном, направлены на улучшение прежде всего органолептических и микроби­ологических показателей качества воды.

В отечественном хозяйственно-питьевом водоснабжении используются типовые технологические схемы очистки: в зависимости от степени загрязненности исходной воды - двухступенчатая (отстойни­ки или осветлители со слоем взвешенного осадка - на первой ступе­ни и скорые фильтры - на второй ступени) или одноступенчатая (контактные осветлители или прямоточные фильтры) /45, 46/. Рассматривая эти схемы с современных позиций, можно отметить их не­достаточную надежность и эффективность. В первую очередь это обусловлено тем, что в их применяются устаревшие сооружения и реагентные методы очистки. Применяемые технологии очищают воду, в основном, от дисперсных частиц. Молекулярно растворенные вещества и ионы остаются в воде. Таким образом, многие токсичные вещества не улавливаются на водоочистных сооружениях и попадают в водопро­водную сеть /47/.

^ Необходимо отметить, что существующие технологические схемы способны оказывать негативное воздействие. Так, применяемые в хо­де водоподготовки для обеззараживания воды процедуры хлорирования и озонирования, в случае наличия в воде органических соединений, приводят к появлению высокотоксичных веществ.

В результате хлорирования воды, содержащей гуминовые вещест­ва фенольной природы, образуются хлорфенолы, хлороформ и даже диоксины /48, 49/. Появление в питьевой воде токсичных продуктов озонирования - формальдегида, бензальдегида, ацетальдегида, также может быть обусловлено физико-химическими характеристиками природных вод. Озонирование воды, в которой присутствуют пестици­ды, может привести к появлению более токсичных и стабильных недоокисленных эпоксидов с ненасыщенными двойными связями. Например, элдрин окисляется до диэлдрина, гептахлор до гептахлорэпоксида /50/.

Исследование содержания хлорорганических соединений в водо­заборе г.Питкяранта и г.Приозерск (Ладожское озеро) и в водопро­водной воде показало, что в процессе водоподготовки (хлорирова­ния) в 39 раз возросла концентрация хлороформа, в 5 раз - четы­реххлористого углерода, в 4,5 раза - 1,2-дихлорэтана, в 4,4 раза - тетрахлорэтана, в 8,3 раза - хлорбензола, появились трихлорэтан и трихлорфенол (табл.1.) /48/.

Таблица 1.

Содержание летучих хлорорганических соединений в водах Ладожского озера и питьевой воде городов Приозерск и Питкяранта

Вещество

Водозабор, мкг/л

Питьевая вода, мкг/л

ПДК, мкг/л 

США

ВОЗ

РФ

Хлороформ

 

9,0

350,0

60

200

60

Четыреххлорис­тый углерод

4,0

20,0

5

2

6

1,2-дихлорэтан

 

2,0

9,0

5

30

20

Трихлорэтан

 

-

 

10,0

5

70

60

Тетрахлорэтан

 

2,5

 

11,0

5

40

20

Бромдихлорэтан

 

3,0

-

 

 

 

Бензол

 

40,0

30,0

 

5

10

-

Трихлорфенол

 

-

 

3,0

 

-

200

-

Хлорбензол

6,0

50.0

-

300

-

Примечание: ВОЗ - всемирная организация здравоохранения

При изучении мутагенной активности питьевой воды обнаружено, что при применяемых режимах хлорирования отмечается интенсивное образование мутагенов /51/, радикальных и ион-радикальных частиц, которые могут обладать весьма длительным временем жизни /52/.

Установлена прямая зависимость между величиной цветности воды, обусловленной гуминовыми веществами, и содержанием хлорорганических веществ после ее хлорирования. При этом обнаружены сильные корреляционные связи уровней онкологической смертности, индукции рака печени и мочевого пузыря и частоты спонтанных абортов с величинами цветности хлорированной воды /53/.

В качестве профилактических мероприятий, направленных на снижение мутагенного и канцерогенного риска, возникающего при хлорировании высокоцветных гумусовых вод, необходимо добиваться максимального снижения цветности хлорируемой воды минимум до ве­личины, определенной ВОЗ в 15° и изменение статуса этого признака вредности хлорированной воды с органолептического на токсикологический /53, 54/.

Наряду с растущим загрязнением источников питьевого водос­набжения отмечается ухудшение санитарно-технического состояния водопроводных сооружений и сетей. Остаточные количества реагентов, используемых в процессе водоподготовки, оказывают влияние на интенсивность коррозии металлических водопроводных труб. Стальные и чугунные трубы дают течь уже через 5-6 лет эксплуатации. В результате длительного контакта с металлическими трубами, подвергшимися коррозии, вода приобретает запах (3÷4 балла), цветность (до 100° и выше), увеличивается содержание железа (до 5÷6 мг/л), меди, цинка, возрастает мутность /55, 56/.

Для удаления из обрабатываемой воды растворенных в ней вредных веществ необходимы дополнительные звенья водообработки. В большинстве же случаев на отечественных водопроводных станциях не хватает мощностей даже для традиционной схемы обработки воды, не говоря об усложнении технологии водоподготовки. В РФ в 1995 г. 12,9% коммунальных водопроводов не имели необходимого набора соо­ружений водоподготовки, на 15% не осуществлялось обеззараживание воды. В результате частота выявления неблагоприятных санитар-но-химических и микробиологических показателей стабилизировалась на высоком уровне и составила в 1995 г. соответственно 21,5 и 8,7 % /56/, в 1998 г. - 29,03 и 9,7% /1/.

^ В целом около половины населения России вынуждено использовать для питьевых целей воду, не соответствующую по ряду показателей гигиеническим требованиям /57/.

Положение с состоянием водоочистки усугубляется экономическим положением в стране, не позволяющем даже в ближайшей перспек­тиве осуществить коренную реконструкцию водоочистных станций за счет применения разработанных в настоящее время перспективных технологий.

Основными физико-химическими методами, используемыми в мире для подготовки питьевой воды, являются сорбция, ионный обмен, озонирование, УФ-обработка, коагуляция, мембранные методы. Реже при очистке используют аэрирование, дистилляцию и другие процессы /58, 59/.

Широко известны способы умягчения и опреснения воды реагентной обработкой. Кроме того, разработаны способы ионобменного и мембранного умягчения, в частности, Nа-катионирование при котором неизменной остается щелочность воды и Н-Nа-катионирование, приме­няемое, когда требуется понизить щелочность воды. На основе этих процессов разработаны технологии "Сиротерм" и "Карикс"/60/.

Наряду с физико-химическими методами для подготовки питьевой воды используют и биологические, особенно при очистке от аммиака, нитратов, железа, ряда синтетических веществ, удаления цветности. Применение биологической очистки позволяет значительно увеличить ресурс физико-химических методов. Этот способ используется во Франции и Германии при исходном содержании в воде азота 40÷140 мг/л /60, 61/.

Присутствующие в воде тяжелые металлы могут быть устранены реагентной обработкой. Так при добавлении гидроокиси натрия к воде до рН 8,3 и дальнейшей фильтрации и отстаивании, устраняется более 70% ионов цинка; более - 97% хрома; 99,5% - кадмия; а также 100% - свинца, меди и железа. Ионы хрома также удаляются (при его содержании до 200 мкг/л) сульфатом железа с последующим фильтро­ванием и осветлением /42/.

В последнее время развиваются исследования, посвященные при­менению процессов обратного осмоса и ультрафильтрации для получе­ния питьевой и высокоочищенной воды. Эти процессы позволяют получать качественную питьевую воду из природных водоисточников. Так, например, во Франции (департаменты Души и Амонкур) работают установки на основе данных процессов, обеспечивающие питьевой водой целые поселки /61/. Но высокая стоимость очистки ограничивает их широкое внедрение на отечественных водоочистных станциях. В РФ дело пока ограничивается выпуском бытовых мембранных водоочистителей /61-63/.

Разрабатываются различные модификации электроимпульсного метода для его применения в процессах водоочистки и водоподготовки. Импульсное питание позволяет существенно сократить затраты электроэнергии, уменьшить время проведения технологического процесса, а также упростить техническое обслуживание установок и повысить надежность их работы /64/.

Одним из основных способов подготовки питьевой воды является сорбция на пористых сорбентах (чаще всего фильтрование через не­подвижный слой сорбента). В качестве сорбентов используются гранулированные и порошкообразные активированные угли, минеральные адсорбенты, полимерные материалы и т.д. /63/.

На отечественных водоочистных станциях наиболее часто в ка­честве фильтрующей загрузки используется песок. Зачастую песок характеризуется неудовлетворительным гранулометрическим составом и скатанной формой зерен, что безусловно негативно сказывается на его фильтрационных свойствах /65/.

Более качественными фильтрующими материалами является гранитная крошка и другие дробленые материалы, обладающие большей грязеемкостью. Это их преимущество в первую очередь объясняется большей пористостью, а также дефектами кристаллической решетки, возникающими при дроблении и увеличивающими энергетическую по­верхность зерен /65, 66/.

В результате использования дробленых материалов обеспечиваются меньший темп прироста потерь напора, большая степень насыщения порового пространства загрузки осадком и более благоприятные гидродинамические характеристики пористой среды в части прилипа­ния и отрыва загрязнений от зерен загрузки, что обеспечивает бо­лее интенсивный вынос загрязнений из загрузки уже на первых минутах промывки /66/.

К числу таких новых фильтрующих материалов относятся крошка из отсевов гранитного щебня (Киркинский карьер Выборгского место­рождения) и габбро-диабазного щебня (карьер расположен под Петрозаводском) /45/.

Применение указанных материалов в качестве загрузки фильтровальных сооружений позволяет увеличить продолжительность фильтроцикла на 30÷40% по сравнению с сооружениями, загруженными тради­ционным песком скатанной формы /65, 66/.

За рубежом в технологических схемах водоподготовки широко используют активированный уголь (АУ) /67÷69/.

Основная направленность использования АУ - удаление из воды загрязнений и примесей органической природы. Он обладает высокой сорбционной активностью по отношению к хлор-, гидроксил-, амино-, нитропроизводным бензола, и других ароматических соединений /47, 69/.

Наиболее типичными органическими примесями питьевой воды яв­ляются галоидуглероды и пестициды. Эти вещества в разной степени удаляются из воды сорбционными методами. Так, при использовании сочетания сорбции на АУ с воздействием КМn04, содержание тригалометанов в очищаемой воде снижается на 35%. Сочетание биологичес­кой стадии очистки с сорбцией на АУ позволяет полностью удалить из речной воды трихлорэтан и 1, 2, 4-трихлорбензол /44/.

АУ в модельных экспериментах извлекает из воды 85÷100% гид­рофобных веществ (тригалометаны, хлороформ, четыреххлористый углерод), в то же время его использования для удаления гидрофильных соединений (определяемых частично показателем общего органического углерода) недостаточно (25÷75%). Присутствие же в очищаемой воде природных органических веществ (на уровне 10 мг/л по общему органическому углероду) резко снижает величину сорбции.

Так, при сорбции природных гуминовых соединений с использо­ванием экономически приемлемых доз АУ удается извлечь 50÷70% органических соединений. В фильтрат попадают фракции наиболее окисленных (более гидрофильных) фульвокислот /69/.

Это обстоятельство заставляет предусматривать в схеме очист­ки питьевой воды от тригалометанов с использованием АУ предвари­тельное удаление природных органических веществ. Указанное каса­ется и загрязнения пестицидами: наличие в воде природных органи­ческих соединений приводит к уменьшению ресурса действия сорбционного фильтра с АУ и проскоку пестицидов в фильтрат /44/.

Для удаления больших неионогенных поверхностно-активных ве­ществ (ПАВ) (полиэтиленгликолевые эфиры жирных кислот, спиртов, алкилфенолов) применение АУ неэффективно из-за стерической недос­тупности микропор (г = 0,5÷10 нм) для таких молекул. Для удаления из воды таких молекул необходимы АУ, обладающие развитой переход­ной пористостью. Однако при получении таких АУ потери при обжиге составляют до 75% и больше. Это повышает и без того значительную стоимость углей (порядка 3000$ за тонну) и понижает механическую прочность гранул /69/.

Таким образом, недостатками АУ является низкая прочность на истирание, потери при термической регенерации (от 30 до 75%), невысокая избирательность по отношению к органическим соединениям с высокой растворимостью и крупным неиногенным молекулам.

В настоящее время совершенствование АУ путем выбора сырья и режимов технологической подготовки практически исчерпано. Даль­нейшее усиление поглотительных свойств сорбентов по отношению к органическим веществам, содержащимся в воде, непосредственно свя­зано с научными исследованиями, нацеленными на изменение их по­верхностных свойств (создание искусственных науглероженных сор­бентов) /47/.

По нашему мнению, именно сорбционные процессы дают наилучшие результаты. Для нашей страны наиболее перспективным подходом к решению проблемы качества питьевой воды может быть использование природных минеральных сорбентов как в технологических схемах на водопроводных станциях, так и для доочистки воды потребителями.

^ 1.3. Природные минеральные сорбенты перспективные материалы в процессах улучшения качества воды

Благодаря разнообразным физико-химическим свойствам природ­ные сорбенты (цеолиты, бентониты, опал-кристобаллитовые породы, палыгорскитовые глины и др.) играют все возрастающую роль в тех­ническом прогрессе различных отраслей промышленности /11/.

Сведения о полезных свойствах некоторых видов природных сор­бентов уходят далеко в глубь истории.

Однако полномасштабное изучение и промышленное использование природных сорбентов началось в 50÷60 гг. XX в. Это время открытия крупных промышленных месторождений цеолитовых пород как за рубе­жом (США, Япония и др.), так и в СССР.

В литературе появляется все больше сведений об использовании этих сорбентов для удаления из воды дисперсных примесей, нефти, и нефтепродуктов, красителей, радиоактивных загрязнений и др. /10÷16, 71÷75/.

В группу природных сорбентов относят горные породы и минера­лы, обладающие высокими адсорбционными, ионообменными, каталитическими и фильтровальными свойствами /75/. Для них характерны различные механизмы сорбции, такие как: молекулярная сорбция, катионный обмен, ионный обмен, ионная сорбция. Различия в минеральном составе и кристаллоструктурных особенностях приводят к изменчивости величины сорбционной емкости и кинетики процессов сорбции у различных сорбентов.

Их активные центры представлены гидроксильными группами поверхности и избыточным отрицательным зарядом, обусловленным изо­морфизмом, связанным с различными структурными позициями и нена­сыщенными связями на границе структурных слоев, а также с обменными катионами, компенсирующими избыточный заряд кристаллической решетки /11/.

Одни виды природных сорбентов относят к минеральным образо­ваниям с поверхностно-активными свойствами, с расширяющейся сло­истой структурой, другие - вступают непосредственно в реакцию на основе катионного обмена как ионообменники (цеолиты, глаукониты, бентониты, палыгорскиты). Аморфные природные сорбенты представле­ны силикатами опалового типа, в основе их сорбционной активности - молекулярный обмен (опал-кристобалитовые породы) /75/.

Некоторые сорбенты проявляют кроме того и каталитические свойства /76/.

Для их практического использования имеют значения такие ха­рактеристики как механическая прочность и водостойкость /75/.

Описаны различные способы повышения активности ПМС /11, 75÷77/.

Температурная активация ведется при 150÷400°С, при этом происходит удаление сорбционной воды, что повышает сорбционную емкость. При большей температуре начинается потеря структурной воды, что ведет уже к снижению сорбционных свойств.

Сущность химической активации заключается в химическом взаимодействии реагента с поверхностными группами структуры сорбента, приводящем к изменению их химического состава (деалюминированию, декатионированию, изменению характера пористости (объема и размера пор, удельной поверхности), получению дополнительных активных центров.

Общие разведанные запасы сорбентов в РФ составляют - 2x109 т. Суммарная добыча сырья для производства сорбентов в 1997 г. сос­тавила 106 тыс. т /75/.

 

Таблица 2.

^ Различные методы активации ПМС

Индуцированные изменения

 

Метод активации природных сорбентов

Термичес­кий

Кислотный

Щелочной

Солевой

Комбинированный

Удаление

сорбцион-

ной воды

Декатиони-

рование,

деалюмини-

рование

Разработка

пористой

структуры,

частичное

удаление

SiO2

Создание

дополни-

те­льных

цен­тров сорб­ции

Целевое

катиони-

рование

Действующий агент

Темпера­

тура 150÷400°

Серная,

соляная кислоты

NаОН,

КОН

Соли

металлов

Кислота+

соли металлов

^ 1.3.1. Углеродсодержащие породы - ш у н г и т ы

Шунгиты - специфические углеродсодержащие породы, в которых углеродная составляющая тесно связана с алюмосиликатами и другими минералами. Углерод представлен в шунгите в элементарной форме с метастабильной надмолекулярной структурой. Шунгит отличается от графита отсутствием кристаллической решетки, от углей и битумов - двухмерной структурой и малым содержанием летучих компонентов /78÷81/.

По структурным характеристикам шунгит обладает турбостратной молекулярной структурой, состоящей из поликонденсированных арома­тических сеток, уложенных в субпараллельные атомные пакеты, кото­рые азимутально разориентированы относительно друг друга. По сравнению с графитом поликонденсированная ароматическая сетка шунгита дефектна и сильно деформирована /78/.

Шунгит занимает промежуточное положение между "аморфными" (сажа, стеклоуглерод, антрацит и др.) и кристаллическими (графит, алмаз) формами углерода, обнаруживая признаки и тех и других ве­ществ. Следствием этого являются специфические технологические свойства шунгита и широкий спектр его возможного промышленного использования /79, 80/.

Не так давно стало известно, что карельский шунгит содержит до 0,1% фуллеренов - сферических молекул углерода (углеродные микрокластеры) /82/. Установлено, что углеродные микрокластеры, в частности, участвуют в окислительно-восстановительных процессах, протекающих по свободно-радикальному механизму, поскольку активно реагируют со свободными радикалами. Во всех работах, в которых изучено влияние микрокластеров на окислительно-восстановительные процессы с участием свободных радикалов, подчеркивается, что их эффективность существенно выше, чем у обычных антиоксидантов и что они оказывают свое действие в чрезвычайно низких концентрациях. Это однозначно свидетельствуют о каталитическом действии уг­леродных микрокластеров /83, 84/.

Шунгитовые породы подразделяют на разновидности в соответс­твии с содержанием в них углерода: 55÷80% и 25÷55% - высокоуглеродистые породы, или собственно шунгитовые (тип I); 5-25% - среднеуглеродистые, или шунгитистые (тип II); менее 5% - малоуглеродистые, или шунгитосодержащие (тип III) /85/.

На площади юго-восточной части Балтийского щита высокоугле­родистые породы залегают в пределах разреза нижнепротерозойских образований на четко определенном стратиграфическом уровне, являясь коррелятивным горизонтом для данных отложений. Углерод, присутствующий в породах, в зависимости от тектонического режима имеет различное структурное состояние - от шунгитового вещества до графита. Шунгитосодержащие породы вытянулись от г.Петрозаводска до г.Медвежьегорска на 130 км при ширине 120 км, занимая, таким образом, площадь более 10 тыс. км2.

Общая мощность образований заонежской свиты 1200 м с учетом суммарной мощности пластово-секущих силлов габбродиабазов, составляющей 400÷500 м /78, 80, 81/.

^ Комплекс шунгитовых пород Карелии - явление уникальное. По крайней мере, неизвестны проявления шунгитовых пород в таких масштабах и с такими концентрациями шунгитового вещества в других регионах. Уникальность этих пород должна приниматься в расчет при определении объемов их добычи и переработки /78÷80/.

В то же время углерод в форме шунгита, по-видимому, широко распространен и масштабы его развития значительны. Проявления шунгита, помимо Карелии, обнаружены в различных районах РФ - на Урале, в Якутии. Не исключено, что углерод черных сланцев в Ленинградской области во многих случаях также представлен шунгитом /78/.

При электронографических исследованиях шунгитового вещества стратифицированных пород было показано, что шунгитовый углерод, прилегающий к поверхности частиц алюмосиликатов, отличается повышенной упорядоченностью молекулярной структуры. По-видимому, алюмосиликаты оказывают каталитическое действие на преобразование углеродистого вещества и отслаивание пленок происходит на границе раздела вещества с различными структурными и физическими параметрами. Каталитическое действие алюмосиликатов, создающее градиент свойств в углеродистом веществе, заметно проявляется в условиях повышения метаморфизма пород, когда стираются границы между глобулами шунгитового вещества /78, 87÷89/.

Стратифицированные шунгитовые породы могут обладать высокой внутренней поверхностью. Величина ее определяется, по-видимому, несколькими факторами. В породах с глобулярной структурой шунгитового вещества величина внутренней поверхности изменяется в зависимости от содержания шунгитового вещества по сложной кривой, имеющей максимум. В шунгитовых породах II разновидности внутрен­няя поверхность значительно меньше, чем в породах III разновид­ности /78/.

При глубоком обогащении шунгитов III разновидности внутренняя поверхность меняется незначительно. Очевидно, глобулярное шунгитовое вещество стратифицированных пород, как и миграционный шунгит Шуньги, имеет малую собственную внутреннюю поверхность. Внутренняя поверхность стратифицированных пород с таким углеродом создается, главным образом, за счет контактной поверхности угле­рода с силикатными фазами, т.е. за счет контактной поверхности углеродной матрицы с силикатным каркасом /78÷80/.

Это, по-видимому, свидетельствуют о том, что шунгитовый уг­лерод обладает многими ценными свойствами традиционных типов ес­тественного и искусственного твердого углерода, способен быть за­менителем любого из них.

Способность шунгита выступать в качестве заменителя углерода любого типа делает особенно эффективным применение его в тех нап­равлениях, где он может создать наибольший технический и экономи­ческий эффект (в том числе, в качестве адсорбентов, например, взамен АУ в процессах водоочистки и водоподготовки).

Углеродистые сорбенты (шунгиты) использовали в исследованиях по сорбции органических примесей /90÷93/, галогенов /94/, тяжелых металлов /88, 93/. При этом отмечено, что данные природные сорбенты обладают хорошей сорбционной емкостью, повышенной проч­ностью, термической стойкостью и относительной дешевизной /90, 95÷97/.

^ Механизм очистки воды с помощью шунгитов не ясен. Существует представление об ионообменном характере этих процессов /98/.

Показано, что при достаточном времени контакта (1÷7 часов) шунгита с водой, содержащей органические загрязнители, шунгит проявляет, помимо сорбционных, каталитические свойства в отноше­нии окисления органических субстратов (дихлорэтана, пропанола, бутанола, толуола, бензола, хлороформа, хлорфенола) /99, 100/.

^ 1.3.2. Кремнеземные и кремнистые породы

Кремнеземные породы - это кварциты, кварцевые песчаники и жильный кварц, рассматриваемые совместно как высококремнеземные породы. Их химический состав определяется содержанием SiO2, где 46,7% составляет кремний и 53,3% - кислород /101/.

Кристаллический кремнезем может иметь одну из следующих модификаций - кварц (модификация α и β), тридимит (модификация α, β и γ) и кристобаллит (модификация α и β). Фазовые переходы в пределах каждого типа характеризуются большими скоростями, а превра­щения одного типа в другой протекают очень медленно, причем лишь в присутствии паров воды или некоторых других минерализаторов /102÷104/.

Кроме кристаллического вида кремнезем встречается и в аморфной (стекловидной, коллоидной) форме /101, 103/. Полиморфными модификациями кремнезема являются халцедон (скрытнокристаллическая разновидность β-кварца тонковолокнистого строения) и опал (вторичный продукт неорганического и органического разложения и растворения). Опаловый кремнезем имеет первичную биогенную природу /101/.

Основными продуцентами кремнеземного сырья являются РФ, Украина, Корея. Турция, Казахстан, Испания и Норвегия /101/.

К кремнистым породам относятся диатомиты, опоки, трепелы, спонголиты, радиоляриты - группа осадочных пород, сложенных преимущественно опалом и кристобаллитом. Они являются распространенными осадочными образованиями и играют заметную роль в сложении мезо- кайнозойских отложений платформенных и складчатых областей /105/.

В составе кремнистых пород преобладают опал, кристобаллит и их разности /106/.

Кремнистые породы подразделяют на две группы: сложенные преимущественно кремниевыми панцирями организмов (диатомиты, спонголиты, радиоляриты, силикофлагелиты) и представленные мелкозернис­тым и глобулярным кремнеземом (трепелы и опоки) /107/.

В кремнистых породах, представленных в основном аморфным кремнеземом, ионобменная способность и активность связаны с реакционной способностью силанольных групп Si-ОН и их числом на поверхности, что зависит от степени гидратированности кремензема. Специфические особенности структуры при высоком содержании опалового кремнезема определяют адсорбционные и каталитические особенности кремнистых пород, возможность получения из них фильтровальных и адсорбционных материалов. Основные полезные свойства опал-кристобаллитовых пород определяются как содержанием активно­го кремнезема, так и степенью его раскристаллизации /108/.

РФ располагает крупнейшей сырьевой базой опок, диатомитов, трепелов, спонголитов, но используются кремнистые породы в основном для производства цемента /105, 106/. В перспективных направлениях (фильтрация, наполнители, осушители) они еще не нашли должного применения. В отличие от США, где до 72% добываемого кремнистого сырья идет на производство фильтровальных порошков, в нашей стране с этими целями используется только 5÷7% данных мине­ралов /106/.

К кремнистым минералам относится глауконит (моноклинальная диоктаэдрическая железисто-магнезиальная слюда). В его состав входит: до 28% Fe2Оз, до 9,5% К2О, 8,6% FеО, 4,5% Мg0. Сорбционная активность глауконита связана с ионообменными свойствами и развитой удельной поверхностью. Месторождениям глауконита сопутс­твуют пески, опока, мел, мергель /106, 109/.

В 90-ые годы XX века внимание ряда исследователей привлек представитель группы опал-кристобаллитовых пород - кремень. В ли­тературе были описаны различные эффекты, наблюдаемые после употребления воды, прошедшей обработку кремнем, ее бактерицидные свойства, антиаллергенное действие, продление сроков годности ле­карственных средств группы биогенных стимуляторов изготовленных на такой воде и т.п.) /110/.

Кремень представляет собой двуокись кремния (мелкие кристал­лы халцедона или кварца и аморфный опал, образующий идеальную ку­бическую упаковку из мельчайших зерен окиси кремния) /81, 101/.

Кремни распространены среди осадочных стратифицированных по­род (особенно мела и карбона), а также связанных с ними россыпей. Их месторождения известны в Подмосковье, Архангельской, Смоленс­кой, Ленинградской области, на Урале /111/.

По-видимому источником кремнезема являются кремниевые или опаловые скелеты различных, возможно специфических организмов, окаменелость которых обусловила особенности структуры /111/.

Изучению изменений, происходящих в обработанной кремнем воде был посвящен цикл исследований, проведенных с использованием ме­тодов ядерного-магнитного резонанса, ИК-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа /112÷116/. Эти исследования позволили ус­тановить, что в результате взаимодействия молекул воды с поверх­ностью кремня происходит изменение валентного угла в молекуле во­ды, расстояния' между атомами кислорода в двух соседних молекулах воды, расстояния между двумя спинами. Причем эти деформации, воз­никающие в процессе адсорбции, сохраняются и при переходе молеку­лы воды с поверхности кремня в объем жидкости.

От величины валентного угла зависит дипольный момент молеку­лы воды, плотность и диэлектрическая проницаемость воды. Тем са­мым меняется энергия водородных связей в воде, контактировавшей с кремнем, что влечет за собой изменение ее физико-химических свойств /112÷114/.

При контакте воды с поверхностью кремня (в составе которого преобладает α-кварц и присутствуют α-тридимит и α-кристобаллит) происходит изменение ее рН до 10÷13,5. Причем обнаружена зависимость величины рН от числа циклов контакта воды с кремнем. Напро­тив, вода, контактировавшая с опалом, в котором преобладает аморфный кремнезем и присутствуют β-тридимит и β-кристобаллит приобретает рН 5,0 /115/.

Механизм изменения рН в данном исследовании объясняют пере­ходом коллоидно-дисперсных частиц кремня в воду и захватом ионов гидроксония атомами кислорода этих дисперсных поверхностей. При этом происходит активный перенос заряда с атома кислорода кристаллической решетки кремня на центральный ион H2O+. Вследствие этого создается избыток ОН- групп в воде /115, 117/.

В экспериментальных исследованиях показано, что в системе кремень-водные растворы неорганических солей происходит интенсив­ное осаждение ряда металлов: алюминия, железа, кадмия, цезия, цинка, свинца и стронция. Процесс растянут во времени и затухает на 6÷7 сутки. Осаждение металлов, как считают исследователи, выз­вано теми структурными изменениями, которые возникают в молекулах воды под влиянием кремня /I14÷116/.

На основе этого феномена предлагается технологическая схема очистки воды, которая не требует дополнительных затрат электроэ­нергии, при этом одна загрузка кремня работает длительное время /116/.




оставить комментарий
страница1/3
Дата12.10.2011
Размер0,99 Mb.
ТипОтчет, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3
средне
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх