Растворимость железа в воде. Как очищать воду от железа?

Железо присутствует в воде в форме двух- и трехвалентных ионов. Как очистить питьевую и техническую жидкость от этих загрязнений? Актуальная проблема для обычной семьи и крупного предприятия. Рассмотрим причины, от которых зависит растворимость железа в воде, формы загрязнителей, способы удаления ферросоединений.

Почему вода из-под крана бывает желтой и бурой?

Соединения железа придают воде желтоватый цвет, нередко появляется неприятный привкус, можно заметить загрязнения в форме бурых хлопьев. Перечисленные явления — это ухудшение органолептических свойств питьевой воды. Изменение цвета — то, на что потребители воды обращают внимание в первую очередь. Помимо этого, возникают последствия для здоровья человека. Негативно влияет на состояние печени, зубов, всего желудочно-кишечного тракта, кожи и волос потребление недоброкачественной воды из под крана, в которой присутствует железо.

Растворимость в воде объясняется не только взаимодействием ферросоединений из состава горных пород с другими веществами в природе. Повышается концентрация ионов Fe²⁺ и Fe³⁺ вследствие процесса коррозии, который постоянно идет в аппаратах и трубах водоснабжения, изготовленных из сплавов железа. Трубопроводы постепенно приходят в негодность, изменяются свойства продукции, в производстве которой применялась вода с примесью железа.

Какова растворимость железа в воде?

Химический элемент, которому дали латинское название Ferrum, по распространенности в земной коре находится на втором месте после алюминия. В больших количествах на планете присутствуют залежи железного колчедана или пирита (его формула FeS₂₎. Ферросоединения встречаются в горных породах вулканического и осадочного происхождения в виде гематита, магнезита, бурого железняка.

Простое вещество железо — это серебристо-серый пластичный металл, нерастворимый в воде. Оксиды и гидрооксиды, многие соли железа тоже не взаимодействуют с водой. Растворимость FeO в воде обсуждают в связи его способностью окисляться до оксида трехвалентного железа. Когда говорят о водном растворе FeO, то имеют в виду содержание ионов двухвалентного железа. В некоторых водоисточниках этот показатель доходит до 50 и более миллиграммов на 1 литр. Это высокая концентрация, такая питьевая вода должна быть очищена.

Как железо попадает в природные воды?

Физическая и химическая эрозия приводит к дроблению, растворению и разрушению горных пород, содержащих соединения железа. В результате реакций, идущих в природе, освобождаются ионы Fe²⁺ и Fe³⁺. Они активно участвуют в окислительно-восстановительных процессах. Двухвалентный ион окисляется, отдает электрон и становится трехзарядным. Растворимость железа в воде — это наличие катиона Fe²⁺. В результате идущих в растворе реакций получаются разные соли. Среди них есть растворимые, например сульфаты, и нерастворимые (сульфиды, карбонаты). При обезжелезивании такой воды растворимая форма переходит в нерастворимую, образуются хлопья, выпадающие в осадок. Двухвалентное железо окисляется до трехвалентного в присутствии кислорода или других окислителей (озона, хлора).

Превращения ионов в итоге приводят к появлению устойчивой к дальнейшему окислению бурой ржавчины, ее условный состав можно представить в таком виде: Fe₂O₃ • nH₂O. Частица Fe³⁺ входят в состав комплексных неорганических и органических веществ, которые встречаются в поверхностных водах.

Одинаково ли содержание ферросоединений в природных водах?

Концентрации химического элемента и типы железа в воде зависят от породного состава земной коры и состояния разных источников. Одновременно могут присутствовать двух- и трехвалентные соединения железа, органические формы, такие как железобактерии и коллоидные вещества (растворимые и нерастворимые).

Если имеются месторождения сульфатных руд, то более вероятно, что в высоких концентрациях будет присутствовать двухвалентное железо. Растворимость в воде ферросоединений растет с температурой вблизи районов вулканизма. В реках и озерах выше содержание железа, если существует сброс сточных вод металлургических и химических комбинатов.

Как очищать воду от железа?

Для удаления ферросоединений используются реагентные и безреагентные способы. Основой большинства процессов является окисление двухвалентного иона до трехвалентного катиона. Точно так же поступают с другими примесями в воде — переводят в нерастворимые соединения и удаляют с помощью фильтра. На этом принципе основана работа большинства промышленных установок.

Какая растворимость железа в воде, определяют с помощью приборов. Затем проводят обезжелезивание химическими реагентами: кислородом, хлором, озоном, перманганатом калия, пероксидом водорода. Происходят химические реакции окисления, и получается нерастворимый осадок. Его можно не только отфильтровать, но и удалить после отстаивания способом декантации (слить с осадка чистую воду). При озонировании и хлорировании одновременно происходит обеззараживание (дезинфекция). Считается, что использование озона — более перспективный метод, потому что хлор опасен для здоровья человека.

Какие есть способы обезжелезивания небольших объемов воды?

В домашних условиях из вышеперечисленных реагентов можно использовать пероксид водорода и марганцовку. Как очищать воду от железа, если требуется получить небольшой объем за короткий срок? При добавлении перекиси в воду выпадают хлопья осадка. Необходимо дождаться, чтобы он осел на дно емкости и слить воду, либо пропустить ее через обычный кувшинный фильтр. Такая очищенная от загрязнений вода пригодна для питья и приготовления пищи.

По отношению к органическим формам железа перечисленные методы малоэффективны. Те реагенты, о которых упоминалось выше, недостаточно быстро осаждают коллоидные частицы.

Ионообмен и катализ — методы обезжелезивания воды

Существуют автономные установки, действующие на принципах катализа, ионообмена. Устройства применяются для очищения воды на небольших промышленных предприятиях и в коттеджах.

Железо при каталитическом способе удалается с помощью специальной засыпки, выпускаемой из природного и синтетического сырья. Фильтр для обезжелезивания воды — это металлическая емкость. Внутрь помещают засыпку и пропускают воду. Вещество является катализатором процесса окисления двухвалентного железа, переводя его в нерастворимое состояние из разных форм.

При ионообменном обезжелезивании используются катиониты, получаемые из смол-ионообменников, например цеолита (минерала). В последние годы налажен выпуск синтетических продуктов для обезжелезивания воды методом ионообмена.

Почему нужна альтернатива реагентам?

Дительное время используются химические вещества, если существует эта вредная примесь — железо в воде. Виды железа бывают разные, поэтому необходимо искать оптимальное решение, способ, подходящий для очистки воды из конкретного источника, для которого установлены формы и концентрации железа.

Хлорирование уходит в прошлое, этот способ отрицательно сказывается на качестве воды и здоровье населения. Аэрация или обогащение воды воздухом — метод практически лишенный недостатков. Через воду пропускают кислород, железо окисляется, а нерастворимые хлопья осадка можно удалить фильтрацией или отстаиванием.

Обезжелезивание проводят без химических реагентов — при помощи электрохимического способа. Два электрода погружают в емкость с водой, которую требуется очистить. Отрицательный электрод — катод — притягивает и удерживает положительно заряженные ионы железа, в каком бы виде они ни находились. Другой безреагентный метод — использование специальных мембран.

Каждый из вышеперечисленных способов имеет не только достоинства, но недостатки. Выбор метода зависит от формы, в которой присутствует железо в воде.