Введение

Качество воды является одним из ключевых факторов экологической безопасности и здоровья населения. Согласно нормативным документам РФ, предельно допустимая концентрация общего железа в воде хозяйственно-питьевого назначения не должна превышать 0,3 мг/дм³ [1]. Повышенное содержание железа ухудшает органолептические свойства воды, приводит к образованию осадков, коррозии трубопроводов и снижению эффективности водопользования.

Железо в природных водах присутствует в различных формах: растворенной (Fe²⁺), коллоидной, взвешенной (Fe³⁺), а также в виде органических и бактериальных комплексов. Это требует применения комбинированных методов очистки, учитывающих специфику загрязнений [5].

Поступление железа в основные объекты окружающей среды происходит так же, как и других неорганических загрязнителей: естественным и антропогенным путями в виде растворов солей. Такие растворы просачиваются также и в грунтовые воды, воздействуя таким образом на растения и, соответственно, вызывая различные болезни животных. Так, например, при повышении в природных водах концентрации ферроцианидов, возникает разрушение корней растений, увеличение в крови теплокровных концентрации метгемоглобина, не способного переносить кислород к жизненно важным органам, поражение почек [3].

Целью данной работы являлось исследование эффективности комбинированного метода очистки воды от ионов железа на основе фильтрации и хемосорбции на цеолитах.

Литературный обзор

В настоящее время существует множество инновационных методов очистки сточных вод от ионов железа, таких как [2]:

— озонирование: химический метод очистки, при котором происходит окисление железа и переход его в нерастворимую форму;

— электрохимическая очистка, в основе которой лежит электролиз, при анодном растворении железа, характеризующемся образованием ионов Fe2+ и переходом их в раствор, происходит только подщелачивание. Однако подщелачивание раствора ограничено из-за протекания реакций гидролиза с образованием малорастворимого соединения (уравнение 1):

Fe ²⁺ +2ОH ^- →Fe(OH) ₂ (1)

— электромагнитная очистка, при которой электромагнитное поле намагничивает частицы железа, что способствует их объединению, после чего они легко отфильтровываются;

— очистка на ионообменных смолах: заключается в эквивалентном замещении подвижных ионов в составе ионита на аналогично заряженные ионы-загрязнителя. Избыточные ионы железа замещаются на смоле.

Каждый из вышеперечисленных методов имеет свои преимущества и недостатки.

Для очистки сточных и природных вод от железа могут быть применены и адсорбционные методы очистки. Очень интересен способ очистки вод, загрязненных гексацианоферратами, при помощи полиэлектролитных микрокапсул, используемых в качестве сорбента [3].

Методы и материалы

В качестве объекта исследования использовались модельные пробы природных вод с неизвестным содержанием соединений железа. Для идентификации ионов Fe²⁺ и Fe³⁺ проводились качественные химические реакции с использованием реактивов: K₄ [Fe(CN)₆], K₃ [Fe(CN)₆] и NH₄OH. Измерялись такие параметры, как цвет, запах, прозрачность и уровень pH.

Основные этапы эксперимента включали:

1. Предварительную фильтрацию проб через гранулированные фильтры для удаления взвешенных форм железа.

2. Хемосорбционную очистку с применением цеолитов NaX для удаления ионных форм железа.

3. Доводочную фильтрацию через фильтровальную бумагу.

Эффективность очистки оценивалась по изменению органолептических и химических показателей проб.

Результаты и обсуждение Качественные реакции подтвердили наличие ионов Fe²⁺ и Fe³⁺ во всех исходных пробах (см. табл. 1).

Таблица 1

Определение присутствия ионов Fe2+/Fe3+ в исходных пробах воды с помощью качественных реакций

Некоторое отличие полученных результатов от нормы (табл. 1) объясняется концентрацией ионов железа в пробах воды, рН раствора, возможным присутствием мешающих ионов, чувствительностью реакций [4].

Даже после предварительной фильтрации через гранулированные фильтры в воде сохранялись растворенные формы железа (пробы № 1 и 2 были пропущены через гранулированные фильтры, см. табл. 2), что указывает на необходимость применения дополнительных методов очистки (см. рис. 1).

Рис. 1. Исходные пробы воды

После проведения хемосорбции на цеолитах наблюдалось значительное улучшение качества воды: пробы становились бесцветными, исчезал запах, повышалась прозрачность, а уровень pH нормализовался до значений 7–8 (табл. 2). Процесс хемосорбции показан на рис. 1.2. Можно наблюдать помутнение воды в некоторых пробах, что является признаком химических взаимодействий.

Таблица 2

Органолептические показатели проб до и после очистки

Рис. 2. Процесс хемосорбции на цеолитах

Полученные данные свидетельствуют о высокой эффективности цеолитов в процессе ионного обмена, где ионы натрия замещали ионы железа. Однако для достижения оптимального результата требуется строгое дозирование сорбента, поскольку его недостаточное количество снижает эффективность очистки.

На основании проведенных исследований предложена технологическая схема очистки сточных вод, содержащих соединения железа (рис. 1). Схема включает три основных этапа:

1. Предварительная фильтрация для удаления взвешенных частиц.
2. Хемосорбция на цеолитах для удаления растворенных ионов железа.
3. Финальная фильтрация для отделения остаточных примесей.

Выводы

1. Комбинированный метод очистки, включающий фильтрацию и хемосорбцию на цеолитах, позволяет эффективно удалять из воды как взвешенные, так и растворенные формы железа.
2. Цеолиты NaX показали высокую сорбционную способность в отношении ионов Fe²⁺ и Fe³⁺, что подтверждено результатами качественных реакций и изменением органолептических показателей.
3. Предложенная технологическая схема является перспективной для применения в системах водоподготовки, однако требует дополнительных исследований по оптимизации расхода сорбента и режимов очистки.

Литература:

1. СанПиН 2.1.5.980–00. Водоотведение населенных мест, санитарная охрана водных объектов. Гигиенические требования к охране поверхностных вод.
2. Ветошкин А. Г. Процессы и аппараты защиты гидросферы. Учебное пособие. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. — с.: ил., библиогр.
3. Дюкина А. Инновационный метод очистки сточных вод с помощью микрокапсул // ИТЭБ РАН. — https://new.ras.ru/press-center/innovatsionnyy-metod-ochistki-stochnykh-vod-s-pomoshchyu-mikrokapsul/ (дата обращения 29.01.26).
4. Лурье Ю. Ю. Химический анализ сточных вод. — М.: «Химия», 1977. — 530 с.
5. Железо в воде: гигиенические аспекты // Центр гигиенического образования населения Роспотребнадзора. — URL: https://cgon.rospotrebnadzor.ru (дата обращения: 19.01.2026).