Определение воды с примесью железа

433
shutterstock.com
shutterstock.com
Соединения железа являются составной частью примесей большинства природных вод. По распространенности в литосфере земли они находятся на четвертом месте.
М.П. Иванов,
эксперт журнала

В этой статье вы прочитаете:

  • Как распознать воду с примесью железа
  • Какие виды загрязнений железом существуют
  • Какие примеси железа бывают и как они попадают в воду

Виды загрязнений железом

Компоненты, содержащие ионы железа, входят в состав различных почв и пород, по которым вода протекает. Основным источником являются горные породы. Кроме этого, загрязнение природной воды соединениями железа происходит в результате попадания в нее промышленных стоков от металлургических, текстильных и лакокрасочных предприятий. Также причинами загрязнения воды примесями и различными соединениями железа могут быть коррозия черных металлов, в особенности стального водопроводного оборудования и труб из черных металлов, которые используются для систем централизованного водоснабжения и теплоснабжения, применение на станциях водоочистки железосодержащих коагулянтов.

В воде примеси соединений железа могут присутствовать в растворимом и нерастворимом виде. Нерастворимые примеси обычно удаляются фильтрованием или отстаиванием. Труднее дело обстоит с неосаждаемыми загрязнениями, которые не удаляются такими методами. Эти примеси могут присутствовать в растворенном или коллоидном состоянии.

Растворимые соединения железа почти всегда находятся либо в виде гидроокиси — Fe(OH)2, либо в форме солей Fe2+. Соли чаще всего находятся в виде бикарбоната — Fe(HCO3)2 или сульфата — Fe(SO4). Карбонаты железа (2) присутствуют лишь в небольших количествах. Еще в меньших концентрациях в воде присутствуют сульфаты железа (2), поскольку они слабо растворимы. Соли двухвалентного железа в воде довольно часто подвергаются гидролизу с образованием гидратных оболочек. В щелочной среде гидролиз идет еще дальше, до образования гидроокиси Fe(OH)2, которая проявляет исключительно основной характер.

Помимо соединений со степенью окисления «+2», в воде могут присутствовать и соединения трехвалентного железа, которые образуются в результате окисления водного раствора Fe(OH)2 под действием кислорода:

Fe(OH)2 + H2O + O2 → Fe(OH)3.

Гидроксид железа Fe(OH)3 нерастворим в воде (кроме случая очень низкого рН). Впоследствии гидроокись железа (3) может отщеплять воду

Fe(OH)3 → FeO (OH) + H2O

и превращаться в обычную ржавчину — FeO(OH). Основной вред от образования ржавчины заключается в том, что в дальнейшем она будет ускорять процесс коррозии железа. Помимо гидроокиси железа (3), в воде могут присутствовать FeCl3 и Fe2(SO4)3. Обычно эти соединения трехвалентного железа достаточно хорошо растворимы.

Кроме перечисленного, в природных водах могут присутствовать комплексные, коллоидные и органические производные соединений железа, которые обладают специфическими свойствами. Такие растворимые образования железа ассоциируют вокруг себя либо нейтральные молекулы, чаще всего воды, либо ионы, образуя комплексные соединения с координационным числом 6 или 4. Эти соединения достаточно устойчивы, и для их обнаружения требуется разрушение сольватных оболочек.

К сведению

Сольватная оболочка (solvent net envelope, solvated hull envelope) — совокупность молекул растворителя, окружающих частицу.

Помимо истинных растворов соединения железа в воде образуют и коллоидные системы. Одним из нерастворимых соединений, часто переходящим в коллоидное состояние, является гидроокись железа (3).

В воде из торфяных источников или загрязненной илистыми примесями часто встречаются железоорганические соединения, которые в основном являются производными гуминовых и фульвокислот. Содержание этих примесей в поверхностных водах обычно меняется в пределах 0,01–0,1 мг/л, но иногда в природных водах лесных и болотистых местностей этот вид примесей может достигать значений около 1,0 мг/л. Органические примеси соединений железа представляют собой сложные смеси устойчивых высокомолекулярных соединений с молекулярной массой от 500 до 20 000. В структурах этих соединений присутствуют карбоксильные, фенольные и аминовые группы, которые способны к образованию прочных комплексных соединений с железом.

Помимо этого, в водах могут присутствовать продукты жизнедеятельности железобактерий. Эти микроорганизмы способны окислять закисные соединения железа и использовать освобождающуюся при этом энергию на усвоение углерода из углекислого газа или карбонатов — известное явление хемосинтеза. Окисление протекает следующим образом:

Fe(HCO3)2 + H2O + O2 → Fe(OH)3 + H2CO3 + CO2.

Для хозяйственно-питьевых нужд санитарные нормы России запрещают применение воды с содержанием железа более 0,3 мг/л. Однако часто в воде из подземных источников эти примеси составляют от 0,5 до 20 мг/л, в открытых водоемах центрального района средней полосы России — от 3 до 5 мг/л, а в Подмосковье — от 0,5 до 10 мг/л. Таким образом, почти во всех случаях перед использованием воды примеси железа должны быть удалены.

Важно отметить, что требования санитарных норм по ограничению применения воды с примесями железа в первую очередь связаны не столько с вредным влиянием этих примесей на организм человека, сколько с органолептическими показателями качества, которые вода приобретает в их присутствии. Помимо ухудшения органолептических показателей, примеси соединений железа причиняют очень большой вред технологическому оборудованию ГВС, теплоснабжения и водоснабжения. Вызвано это тем, что в процессе водоснабжения и теплоснабжения некоторые виды примесей соединений железа теряют растворимость и выпадают в осадок, образуя совместно с солями жесткости минеральные отложения, которые затрудняют транспортировку воды, а также могут ускорять коррозию металлов. Важно отметить, что образующиеся минеральные отложения снижают эффективность работы нагревательного оборудования. Так, в ГВС уже при содержании соединений железа более 0,5 мг/л происходит интенсивное образование шлама и наблюдается забивка радиаторов и порча арматуры.

Способы обнаружения примесей железа

Все существующие способы удаления примесей железа из воды основаны на переводе растворимых примесей в нерастворимое состояние. Эти способы условно можно разбить на следующие группы: реагентное окисление железа, безреагентное окисление железа, каталитическое окисление железа, удаление железа при физическом воздействии и попутное удаление железа при очистке от других примесей. Но все эти методы не будут иметь полноценного влияния на процесс очистки воды без эффективных методов контроля над содержанием этих загрязнений. К сожалению, на сегодняшний день не существует единых методик определения примесей железа. Поэтому часто на ТЭЦ и котельных, а также на других объектах водоснабжения для анализа воды на содержание примесей железа применяются различные методы. Причем среди них присутствуют методы, рекомендованные нормативными документами, и те, которые могут быть осуществлены в так называемых домашних условиях.

В числе таких «домашних методов» можно упомянуть метод, который позволяет лишь качественно определить содержание общего железа в воде. Для этого используется светло-розовый раствор KMnO4 — раствор марганцовки. Его добавляют к пробе воды. Если в воде присутствуют примеси соединений железа, то раствор меняет свою окраску со  светло-розовой на  желтовато-бурую. Еще одним простейшим способом определения присутствия в воде примесей трехвалентного железа является попросту выдержка пробы воды на свету и воздухе. При наличии примесей трехвалентного железа в воде со временем под действием кислорода воздуха образуются красно-бурые осадки.

Однако все же большей распространенностью пользуются методы, основанные на приемах аналитической химии с использованием соединений, участвующих в «цветных» реакциях. Одним из таких соединений является сульфосалициловая кислота (2- гидрокси-5-сульфобензойная кислота):

Определение воды с примесью железа

Этот реактив применяют для обнаружения катионов железа, алюминия, бериллия, ртути, титана и других ионов.

В молекуле сульфосалициловой кислоты имеются сульфогруппа, карбоксильная группа и гидроксильная группа, обладающая в определенных условиях кислотными свойствами. Поэтому в зависимости от уровня рН среды сульфосалициловая кислота будет образовывать моно-, ди- и тризамещенные соединения, растворы которых будут иметь различную окраску. Так, при рН 1,8–2,5 образуется моносульфосалицилат железа буровато-розового цвета с максимальной интенсивностью поглощения в области от 510 нм до 520 нм. В то же время при рН, равном 4–8, образуется дисульфосалицилат железа бурого цвета, а при рН = 8–11 будет образовываться трисульфосалицилат железа желтого цвета с максимальным поглощением в области 410–420 нм. Этими свойствами сульфосалициловой кислоты пользуются для определения Fe+3 в кислой среде или для суммарного определения катионов Fe+2 и Fe+3 в щелочной среде.

Известно несколько вариантов использования этой «цветной» реакции. Самым простым является тот, который применяется на некоторых предприятиях в  экспресс-лабораториях. Для этого к пробе воды добавляют однонормальный раствор серной кислоты и несколько кристалликов персульфата аммония — (NH4)2S2O8. Кислота используется для перевода всех примесей железа в растворенное состояние, персульфат аммония как сильный окислитель применяют для перехода всех катионов железа в окисленное состояние — Fe+3. Для ускорения процесса полученную смесь нагревают до 60–70 °С. Затем к полученному раствору прибавляют определенный объем раствора сульфосалициловой кислоты, в результате чего образуются соединения, придающие раствору окраску. В этом случае сульфосалициловая кислота исполняет роль индикатора при проведении титрования. Полученную смесь титруют раствором Трилона Б до исчезновения розовой окраски. Химический реагент с торговым названием «Трилон Б» относится к группе комплексонов. В данных условиях он способен извлекать катионы железа из сульфосалицилата, и его количество, пошедшее на обесцвечивание раствора, будет эквивалентно концентрации катионов железа в пробе воды.

Кроме этого, в ряде случаев насыщенность окраски растворов, образующихся в результате взаимодействия сульфосалициловой кислоты с соединениями железа разных концентраций, используется для их определения. Регистрация изменения окраски раствора может производиться различными методами, одним из которых является визуальный. В соответствии с данным методом насыщенность окраски полученного раствора сравнивается с растворами, которые были получены при проведении реакции сульфосалициловой кислоты с растворами, содержащими определенные концентрации соединений железа. Эти растворы готовят путем разбавления так называемого основного раствора (стандартного).

Определение воды с примесью железа

Для приготовления основного раствора используют соль Мора или железоаммонийные квасцы и добавляют персульфат аммония и сульфосалициловую кислоту. Обычно стандартный раствор имеет концентрацию соединений железа 10 мг/л. Для приготовления растворов сравнительной окраски его разбавляют в разных колбах в 5, 10, 20, 25, 50 и 100 раз. В каждый полученный раствор добавляют раствор сульфосалициловой кислоты и раствор аммиака. После перемешивания пробирок в течение 10 минут получают набор растворов различной интенсивности окраски. В пробу воды, которую используют для определения содержания примесей железа, также вводят растворы сульфосалициловой кислоты и аммиака, а цвет полученного раствора сравнивают с окраской ранее приготовленных растворов с известной концентрацией соединений железа.

К сведению

Соль Мόра — неорганическое соединение, соль закиси железа и аммония двойная сернокислая. Химическая формула: FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O. Представляет собой парамагнитные, неярко сине-зеленые моноклинные кристаллы. Растворяется в воде.

Кроме визуального, в ОСТ 34-70-953.4–88 «Воды производственных тепловых электростанций. Методы определения железа» рекомендован колориметрический способ определения концентрации примесей соединений железа в воде. Для осуществления этого метода требуются калибровочные растворы, подобные тем, которые применяются при визуальном определении. Эти растворы необходимы для построения калибровочной зависимости величины оптической плотности от концентрации соединений железа. Чаще всего для этого готовятся 6 калибровочных растворов с концентрацией соединений железа от 100 мкг/л до 2 мг/л. Затем в каждый раствор добавляют концентрированную кислоту. Это необходимо, потому что почти все соединения железа будут находиться в форме гидролизованных ионов или даже в виде гидроокиси, обладающих меньшей реакционной способностью по отношению к сульфосалициловой кислоте. Затем к раствору прибавляют гидроксиламин для перевода соединений железа в восстановленную форму. Как известно, катионы Fe2+ способны к окислению на воздухе:

Fe2+ → Fe3+.

Однако для колориметрического определения необходимо, чтобы все соединения железа находились в восстановленной форме. Поэтому их перед измерением оптической плотности восстанавливают гидра- ксиламином:

Fe3+ → Fe2+.

После этого к полученному раствору прибавляют 20–30% раствор сульфосалициловой кислоты или насыщенный раствор натриевой соли сульфосалициловой кислоты, чтобы образовалось окрашенное соединение, а потом для его устойчивости добавляют раствор аммиака. Одновременно готовят 3–4 контрольных раствора, которые являются точно такими же, как и калибровочные, но без добавления раствора, содержащего соединения железа.

Измерение оптической плотности окрашенных растворов проводят с помощью фотоколориметра типа КФК-2 или любого другого прибора аналогичного типа с набором кювет, толщиной исследуемого слоя до 100 мм и набором светофильтров. Также для этих целей могут быть использованы спектрофотометры различных марок. Обычно измерение оптической плотности проводят в кюветах толщиной 50 или 100 мм со светофильтрами, имеющими область пропускания 400–440 нм, в сравнении с кюветами, наполненными дистиллированной водой.

При построении калибровочной зависимости сначала проводят измерение оптической плотности калибровочных растворов, а затем осуществляют определение оптического поглощения контрольных растворов. Среднее значение оптической плотности контрольных образцов вычитается из величины оптической плотности калибровочных растворов. На основе полученных данных строят зависимость величины оптической плотности от значения концентрации соединений железа в калибровочных растворах. Этот калибровочный график используется для вычисления значений концентраций примесей соединений железа при обследовании состояния чистоты воды.

Кроме этого, в некоторых случаях допускается определение содержания примесей соединений железа в пробе по множительному коэффициенту, который вычисляется по формуле:

Определение воды с примесью железа

Пробы воды, предназначенные для определения содержания в них примесей железа, предварительно должны быть подвергнуты специальной обработке. Сначала пробы упаривают до уменьшения объема примерно в 10 раз. Затем в них добавляют концентрированную соляную кислоту и продолжают выпаривание, не допуская кипения. Важно отметить, что при использовании данной методики определению примесей железа не мешает присутствие в пробах Трилона Б, ОЭДФ и других органических веществ, образующих с катионами железа прочные соединения. Однако в этом случае вместо соляной кислоты следует применять серную кислоту. При фотометрическом определении предел обнаружения примесей соединений железа составляет 0,1 мг/л. При этом следует отметить, что данному определению мешают медь (>0,25 мг/л) и алюминий (>2 мг/л).

Помимо сульфосалицилового метода в ОСТ 34-70-953.4–88 для определения содержания примесей железа в воде для теплоэнергетических объектов рекомендовано также использовать метод на основе о-фенантролина. Сущность данного метода заключается во взаимодействии присутствующих в воде примесей железа с  о-фенантролином, приводящих к окрашиванию растворов в розовый цвет.

Определение воды с примесью железа

Согласно этой методике необходимо построение калибровочной зависимости величины оптической плотности растворов от значений концентраций соединений железа. Для этого сначала готовят раствор на основе стандартного образца с точным значением соединений железа, из которого путем разбавления приготовляют калибровочные растворы. Обычно готовят 6 калибровочных растворов с концентрацией соединений железа от 1 мг/мл до 10 мкг/мл. Затем в каждую колбу добавляют фиксированный объем концентрированной соляной кислоты, гидроксиламина и  о-фенантролина. Полученную смесь нейтрализуют раствором аммиака, контролируя значения уровня рН по индикаторной бумаге. Одновременно готовят 3–4 контрольных раствора тех же реактивов, но без стандартного раствора железа.

Затем измеряют оптическую плотность калибровочных и контрольных растворов на фотоколориметре со светофильтром с областью светопропускания 490 нм в сравнении с дистиллированной водой. Из полученных для контрольных растворов данных вычисляют среднее арифметическое значение, которое вычитается из величины оптической плотности калибровочных растворов. На основе этих данных строят калибровочную зависимость оптической плотности от значения концентрации соединений железа.

При проведении анализа в отобранную пробу воды добавляют гидроксиламин и  о-фенантролин. Полученную смесь нейтрализуют раствором аммиака, а затем измеряют оптическую плотность на фотоколориметре со светофильтрами, имеющими область пропускания около 490 нм. Измеренное значение оптической плотности исследуемого раствора сопоставляют с калибровочным графиком, что позволяет определить значение концентраций примесей железа в воде.



Мероприятия

Школа

Проверь свои знания и приобрети новые

Посмотреть

Самое выгодное предложение

Самое выгодное предложение

Воспользуйтесь самым выгодным предложением на подписку и станьте читателем уже сейчас

Живое общение с редакцией





Электронная система

Можно ли за невыполнение предписания ГЖИ отделаться предупреждением?

Ответы на этот и другие вопросы вы найдете в электронной системе «Управление многоквартирным домом»

Получить доступ
ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВАЭЛЕКТРОННЫЙ КАТАЛОГ
НАШИ ПАРТНЁРЫНАШИ ПАРТНЁРЫ

Рассылка




© МЦФЭР, 2006-2016. Все права защищены.

По вопросам подписки обращайтесь по телефонам: 
Москва: 8 (495) 775-48-44 
Другие регионы: 8 (800) 775-48-44 

Получите техническую поддержку: 
по телефону: +7 (495)-937-90-82 
e-mail: sd@mcfr.ru 


  • Мы в соцсетях