Яким чином потрапляє у воду залізо і як краще з ним боротися?

.

Залізо - один з найпоширеніших природних елементів. Залізо присутній у більшості вулканічних порід, воно також входить до складу порід, цементуючих пісковики. Залізо в значних кількостях міститься в різних глинах, а в осадових карбонатних породах (наприклад, вапняк) зустрічається лише у вигляді незначних домішок. Не дивно, що проблема присутності у природній воді заліза є однією з найпоширенішою. C такою водою виникає цілий ряд проблем як при побутовому, так і при комерційно-промисловому використанні. Вже при концентраціях заліза понад 0,3 мг/л така вода викликає утворення іржавих потьоків, здатна змінити колір тканин при їх прання і т. п. При великих концентраціях у воді виникає характерний металевий присмак, що негативно позначається на якості напоїв (чай, кава і т. п.). У деяких випадках може постраждати навіть якість їжі, приготовленої на воді з високим вмістом заліза. Все це робить завдання з очищення води від заліза дуже актуальним як для питного і господарсько-побутового застосування, так і для промислового використання. 

Залізо існує в природі в різних формах (залежно від валентності): Fe °, Fe +2, Fe +3, а також у вигляді різних складних хімічних сполук.

1. Елементарне залізо (Fe °). Елементарне, або металеве залізо, безумовно, нерозчинне у воді. У присутності вологи і кисню повітря окислюється до тривалентного, утворюючи нерозчинний оксид Fe 2 O 3 (процес, відомий в побуті як "іржавіння"). 
2. Двовалентне залізо (Fe +2). Майже завжди знаходиться у воді в розчиненому стані, хоча можливі випадки (за певних рідко зустрічаються в природній воді рівнях рН), коли гідроксид заліза Fe (OH) 2 здатний випадати в осад. 
3. Тривалентне залізо (Fe +3). Гідроксид заліза Fe (OH) 3 не розчиняється у воді (крім випадку дуже низького рН). Хлорид FeCl 3 і сульфат Fe 2 (SO 4) 3 тривалентного заліза розчинні і можуть утворюватися навіть у слабколужних водах. 
4. Органічне залізо. Органічне залізо зустрічається у воді в різних формах і в складі різних комплексів. Органічні сполуки заліза, як правило, розчинні або мають колоїдну структуру і дуже важко знімаються. 

Розрізняють такі види органічного заліза:

• Бактеріальне залізо. Деякі види бактерій здатні використовувати енергію розчиненого заліза в процесі своєї життєдіяльності. При цьому відбувається перетворення двовалентного заліза в тривалентне, яке зберігається в залізоподібної оболонці навколо бактерії. 
• Колоїдне залізо. Колоїди - це нерозчинні частинки дуже малого розміру (менш 1 мкм), в силу чого вони важко піддаються фільтрації на гранульованих фільтруючих матеріалах. Великі органічні молекули (такі, як таніни і лігніни) також підпадають під цю категорію. Колоїдні частинки з-за свого малого розміру та високого поверхневого заряду (відштовхуючого частинки один від одного, перешкоджаючи їх укрупнення) створюють у воді суспензії і не осідають, перебуваючи в підвішеному стані.
• Розчинне органічне залізо. Так само, як, наприклад, поліфосфати, здатні зв'язувати та утримувати в розчині кальцій та інші метали, деякі органічні молекули здатні зв'язувати залізо у складні розчинні комплекси, які називаються хелати. Прикладом такого зв'язування може служити що утримує залізо порфіринова група гемоглобіну крові або утримує магній хлорофіл рослин. Так, прекрасним хелатообразующім агентом є гумінових кислот, що грає важливу роль у грунтовому іонообмінні. Всі перераховані вище види заліза "ведуть" себе у воді по-різному. Основні відмінні ознаки наведені в таблиці.

Тип заліза	Вода з-під крана	Вода після відстоювання
Двовалентне	Чиста	Червоно-бурий осад
Тривалентне	Фарбована	Червоно-бурий осад
Колоїдне	Жовто-бура	Не утворює осаду, не фільтрується
Розчинена органічна	Жовто-бура	-
Бактеріальне	Опалесціююча плівка, залізоподібне утворення у водопровідній системі	-

Необхідно лише зазначити, що "біда ніколи не ходить одна" і на практиці майже завжди зустрічається поєднання декількох або навіть всіх видів заліза. Враховуючи, що немає єдиних затверджених методик визначення органічного, колоїдного і бактеріального заліза, то в справі підбору ефективного методу (швидше, комплексу методів) очищення води від заліза дуже багато залежить від практичного досвіду фахівця, що займається водоочищенням. 

Видалення з води заліза - без перебільшення один з найскладніших завдань у водоочистці. Навіть побіжний огляд існуючих способів боротьби з залізом дозволяє зробити обгрунтований висновок про те, що на сьогодні не існує універсального економічно виправданого методу, що застосовується у всіх випадках життя. Кожен з існуючих методів застосовується лише в певних межах і має як переваги, так і суттєві недоліки.

Отже, до існуючих методів видалення заліза можна віднести:

• Окислення (киснем повітря або аерацією, хлором, перманганатом калію, перекисом водню, озоном) з подальшим осадженням (з коагуляцією або без неї) і фільтрацією. 

Традиційний метод, який застосовується вже багато десятиліть. Так як реакція окислення заліза вимагає досить тривалого часу, то використання для окислення тільки повітря потребує великих резервуарів, в яких можна забезпечити потрібний час контакту. Це найбільш старий спосіб і використовується тільки на великих муніципальних системах. Додавання ж спеціальних окислювачів прискорює процес. Найбільш широко застосовується хлорування, оскільки паралельно дозволяє вирішувати проблему з дезінфекцією. Найбільш передовим і сильним окислювачем на сьогоднішній день є озон. Однак установки для його виробництва досить складні, дороги і вимагають значних витрат електроенергії, що обмежує його застосування. Необхідно відзначити також, що в концентрованому вигляді (наприклад, на точці вводу в воду) озон є отрутою (як, власне кажучи, і багато інших окислювачі) і вимагає дуже уважного до себе ставлення.

Частинки окисленого заліза мають досить малий розмір (1-3 мкм) і тому осаджуються досить довго, тому застосовують спеціальні хімічні речовини-коагулянти, що сприяють укрупнення частинок і їх прискореного осадження. Застосування коагулянтів необхідно також тому, що фільтрація на муніципальних очисних спорудах здійснюється в основному на застарілих піщаних або антрацитових освітлювальних фільтрах (не здатних затримувати дрібні частинки). Однак навіть застосування більш сучасних фільтруючих засипок (наприклад, алюмосилікатів) не дозволяє фільтрувати частки розміром менше 20 мікрон. Проблему могло б вирішити застосування спеціальної кераміки, але вона досить дорого коштує. 

У всіх перерахованих способів окислення є низка недоліків.

По-перше, якщо не застосовувати коагулянти, то процес осадження окисленого заліза займає тривалий час, в іншому ж випадку фільтрація некоагулірованних частинок сильно ускладнюється через їх малий розмір.
По-друге, ці методи окислення (меншою мірою це стосується озону) слабо допомагають у боротьбі з органічним залізом.

По-третє, наявність у воді заліза часто (практично завжди) супроводжується наявністю марганцю. Марганець окислюється набагато важче, ніж залізо, і, крім того, при значно більш високих рівнях рН.
Всі перераховані вище недоліки зробили неможливим застосування цього методу в порівняно невеликих побутових та комерційно-промислових системах, що працюють на великих швидкостях.

• Каталітичне окислення з наступною фільтрацією - найпоширеніший на сьогоднішній день метод видалення заліза, що застосовується у високопродуктивних компактних системах. Суть методу полягає в тому, що реакція окислення заліза відбувається на поверхні гранул спеціальної фільтруючого середовища, що володіє властивостями каталізатора (прискорювача хімічної реакції окислення). Найбільше поширення в сучасній водопідготовці знайшли фільтруючі середовища на основі діоксиду марганцю MnO 2: Birm, Greensand, Filox, Pyrolox та ін Ці фільтруючі "засипання" відрізняються між собою як своїми фізичними характеристиками, так і змістом діоксиду марганцю, і тому ефективно працюють у різних діапазонах значень параметрів, що характеризують воду. Однак принцип їх роботи однаковий. Залізо (і в меншій мірі марганець) у присутності діоксиду марганцю швидко окислюється і осідає на поверхні гранул фільтруючого середовища. Згодом більша частина окисленого заліза вимивається в дренаж при зворотній промивці. Таким чином, шар гранульованого каталізатора є одночасно і фільтрує середовищем. Для поліпшення процесу окислення у воду можуть додаватися додаткові хімічні окислювачі. Найбільш поширеним є перманганат калію KMnO 4 ( "марганцівка"), тому що його застосування не тільки активізує реакцію окислення, але й компенсує "вимивання" марганцю з поверхні гранул фільтруючого середовища, тобто регенерує її. Використовують як періодичну, так і безперервну регенерацію. 

Всі системи на основі каталітичного окислення за допомогою діоксиду марганцю крім специфічних (не всі з них працюють по марганцю, майже всі вони мають велику питому вагу і вимагають великих витрат води при зворотній промивці) мають і ряд загальних недоліків.

По-перше, вони неефективні щодо органічного заліза. Більш того, за наявності у воді будь-якої з форм органічного заліза на поверхні гранул фільтруючого матеріалу з часом утворюється органічна плівка, що ізолює каталізатор - діоксид марганцю від води. Таким чином, вся каталітична здатність фільтрує засипки зводиться до нуля. Практично "на ні" зводиться і здатність фільтруючого середовища видаляти залізо, так як у фільтрах цього типу просто не вистачає часу для природного протікання реакції окислення.

По-друге, системи цього типу все одно не можуть впоратися з випадками, коли вміст заліза у воді перевищує 10-15 мг / л, що зовсім не рідкість. Присутність у воді марганцю тільки ускладнює ситуацію.

• Іонний обмін як метод обробки води відомий досить давно і застосовувався (та й тепер застосовується) в основному для пом'якшення води. Раніше для реалізації цього методу використовувалися природні іоніти (сульфоуглі, цеоліти). Однак з появою синтетичних іонообмінних смол ефективність використання іонного обміну для цілей водоочищення різко зросла. 

З точки зору видалення з води заліза важливий той факт, що катіоніти здатні видаляти з води не тільки іони кальцію і магнію, але й інші двовалентні метали, а значить і розчинене двухвалентне залізо. Причому теоретично концентрації заліза, з якими можуть справитися іонообмінні смоли, дуже великі. 

Перевагою іонного обміну є також і те, що він "не боїться" вірного супутника заліза - марганцю, сильно ускладнює роботу систем, заснованих на використанні методів окислення. Головна ж перевага іонного обміну те, що з води можуть бути вилучені залізо і марганець, що знаходяться в розчиненому стані. Тобто зовсім відпадає необхідність у такій примхливою і "брудною" (із-за необхідності вимивати іржу) стадії, як окислення.