Żelazo w wodzie:

Źródłem związków żelaza w wodach naturalnych mogą być:

- gleba i skały, z których te związki są wymywane;

- zanieczyszczenia, głównie ściekami przemysłowymi z kopalni, galwanizerni, zakładów metalurgicznych, farbiarskich;

- korozja rur i zbiorników żelaznych i stalowych, z którymi woda miała kontakt.

• W wodzie naturalnej żelazo występuje w związkach na II i III stopniu utlenienia w formie rozpuszczonej, koloidalnej i zawiesin. Związki żelaza(II) stanowią najczęściej rozpuszczony kwaśny węglan żelaza(II) lub siarczan(VI) żelaza(II) (w wodach z torfowisk). Ten kwaśny dwuwęglan żelazawy utrzymuje się w wodzie w postaci rozpuszczonej dzięki obecności wolnego CO₂ i braku powietrza. W obecności tlenu dwuwęglan żelaza(II) ulega hydrolizie z jednoczesnym utlenieniem żelaza i wydzieleniem CO₂:

1. 2 Fe(HCO₃) ₂ + H₂O + ½ O₂ + 2 Fe(OH) ₃ ↓ + 4CO₂

• Związki żelaza(III) łatwo wytrącają się w wodzie, powodując stopniowe zmętnienie i brunatnienie wód zawierających znaczne ilości związków żelaza. W wodach zawierających dużo związków organicznych, a szczególnie związków humusowych, proces ten zachodzi częściowo, gdyż związki te mogą odgrywać rolę koloidów ochronnych zapobiegających wytrącaniu się Fe(OH)₃.

Dopuszczalne stężenia żelaza w wodzie (mg/dm³) wynoszą:

- wody powierzchniowe klasa I – 1,0;

- wody powierzchniowe klasa II – 1,5;

- wody powierzchniowe klasa III – 2,0;

- woda do picia – 0,2.

Duża zawartość żelaza w wodzie wywołuje jej mętność, brunatną barwę i pogarsza walory smakowe. Powoduje też brudzenie tkanin podczas prania z użyciem takiej wody. Wody o dużej zawartości żelaza mają na ogół odczyn kwasowy, są toksyczne dla ryb i sprzyjają rozwojowi bakterii żelazistych (może powodować zatykanie urządzeń wodociągowych) oraz wywołują zaburzenia wzrostu u roślin.

Usuwanie żelaza z wody:

Podstawową istotą odżelaziania wody jest utlenianie jonów Fe(II) do Fe(III) i usunięciu wytrąconych związków Fe(OH)₃ w procesie sedymentacji i filtracji. Stosowana metoda usuwania żelaza z wody zależna jest od postaci pod jaką występuje żelazo:

• Żelazo występuje jako Fe(HCO₃)₂ -stosujemy najprostszy układ : napowietrzanie następnie sedymentacja ,odżelazianie i ewentualna dezynfekcja.

• Żelazo występuje również jako FeSO₄ -stosujemy napowietrzanie następnie konieczna jest alkalizacja wody neutralizująca H₂SO₄ powstały podczas hydrolizy FeSO₄ następnie sedymentacja, odżelazianie i dezynfekcja.

• Żelazo występuje w połączeniu ze związkami organicznymi (humusowymi)  - napowietrzanie lub chemiczne utlenianie , sedymentacja i filtracja są najczęściej nieskuteczne. W tym przypadku konieczny jest najczęściej proces koagulacji. Niestety metoda jest dosyć kłopotliwą i zalecana jest do stosowania w dużych instalacjach będących pod stałą opieką serwisu i w przypadku braku możliwości zmiany źródła wody.

Do podstawowych procesów podczas odżelaziania wody należy:

• Napowietrzanie - do tego celu służą urządzenia zwane aeratorami. Aeratory mogą być typu otwartego (zalecane przy większych instalacjach jak i też przy konieczności odkwaszania wody) lub ciśnieniowe które wykonane są w formie zbiorników ciśnieniowych których wewnętrzna konstrukcja umożliwia dokładne mieszanie wody z powietrzem wtłaczanym do zbiornika za pomocą kompresora. W mniejszych instalacjach jako aerator wykorzystywany jest zbiornik hydroforowy gdzie woda z pompy wpada do zbiornika do góry poprzez dyszę rozbryzgową miesza się z poduszką powietrzną . Wadą tej metody jest ubywanie poduszki powietrznej którą należy uzupełniać  za pomocą kompresora. Przy mniejszych instalacjach można zastosować urządzenie zwane aspiratorem, które montujemy na tłoczeniu pompy a przed zbiornikiem hydroforowym.

• Alkalizacja - jest procesem neutralizacji powstałego podczas hydrolizy kwasu siarkowego H₂SO₄ i polega na dodaniu do wody wapna, węglanu lub wodorotlenku sodowego. Przy niewielkich wartościach morze wystarczyć zastosowanie prażonego lub naturalnego o odpowiedniej gradacji dolomitu.

• Sedymentacja - jest procesem wytrącania większych cząstek zanieczyszczeń z wody . Przy mniejszych instalacjach proces ten następuje bezpośrednio w zbiorniku hydroforowym dlatego też konieczne jest wykonanie spustu na dole zbiornika hydroforowego i cykliczne spuszczanie nagromadzonego osadu

• Filtracja - podstawowym procesem podczas odżelaziania który odbywa się na urządzeniach zwanych odżelaziacze. Rozróżniamy dwa typy urządzeń: otwarte stosowany przy dużych instalacjach i zamknięte wykonane na bazie zbiorników ciśnieniowych.

• Dezynfekcja - po odżelazieniu wody przy dużych instalacjach gdzie woda jest transportowana na duże odległości jak i w przypadku gdy woda jest niestabilna bakteriologicznie konieczna jest dezynfekcja wody. Możemy to osiągnąć poprzez chlorowanie lub naświetlanie wody promieniami UV.

Mangan w wodzie:

Mangan jest pierwiastkiem powszechnie występującym w skorupie ziemskiej

(0,08%). Najczęściej spotyka się go jako MnO2 (piroluzyt), Mn2O3 (braunit), Mn3O4

(hausmanit). Mn może występować na +2, +3, +4, +6, +7 stopniu utlenienia. Ze

wzrostem wartościowości rośnie kwasowość tlenków manganu. Głównym źródłem

manganu w wodach naturalnych jest wymywanie gleb i skał. Następnym istotnym

źródłem zanieczyszczenia manganem są kopalnie i zakłady hutnicze przerabiające

rudy manganowe. Znaczne jego ilości dostają się do środowiska w wyniku spalania

węgla benzyny i olejów opałowych. Mangan jest powszechnie stosowany do

produkcji stopów. Stosuje go do produkcji szkła, ceramiki, baterii i nawozów

sztucznych.

Normy higieniczne określają dopuszczalną zawartość w wodzie

przeznaczonej do picia i na potrzeby gospodarcze na 0,05 mgMn/dm3.

Przyczyną wysokich wymagań jest szereg ujemnych cech wody,

wywołanych zwiększoną zawartością manganu. Wpływa on bowiem

ujemnie na organoleptyczne cechy wody. Wyczuwalny jest w wodzie

dopiero przy zawartości kilku mgMn/dm3, jednak nawet przy małej jego

ilości w wodzie mogą rozwinąć się bakterie manganowe. nadają one

wodzie nieprzyjemny smak i zapach. Przy wyższych zawartościach

manganu, zarówno pod wpływem bakterii, jak i środków utleniających

stosowanych do dezynfekcji wody powstają ciemnobrunatne tlenki

manganu powodujące zmianę barwy wody. W obecności manganu w

sieci wodociągowej tworzy się błona z bakterii manganowych.

Metody usuwania manganu z wody :

• Napowietrzanie i filtracja pospieszna – najprostsza i najczęściej

stosowana,

• Chlorowanie i filtracja przez złoże piaskowe – chlor jako środek

utleniający może być stosowany tylko w środowisku

alkalicznym; wymagane są duże dawki chloru, bądź

podwyższonego pH,

• Utlenianie KmnO4 w układzie: napowietrzanie – dawkowanie KmnO4 –

sedymentacja – filtracja

• Filtracja przez złoże uaktywnione – w procesie filtracji wody

napowietrzonej, zawierającej mangan, ziarna piasku

pokrywają się powłoką MnO2, która sorbuje, utlenia i

katalizuje utlenianie manganu. naturalnie wytrącone

na piasku tlenki manganu odznaczają się większą

trwałością i skutecznością w usuwaniu manganu niż

sztucznie wytworzone powłoki dwutlenku manganu,

• Odmanganianie metodą koagulacji – skuteczna metoda usuwania

manganu związanego w organicznych związkach

kompleksowych, jednakże widoczne efekty uzyskuje

się dopiero przy odczynie pH=9,4 – 9,6

• Wymiana jonowa – usuwanie na jonitach połączone jest z

jednoczesnym usuwaniem z wody jonów wapnia i

magnezu,

• Ozonowanie – uważa się, że jest ono nieekonomiczne, jednakże

celowe, gdy tradycyjne metody usuwania manganu

występującego w połączeniu ze związkami

organicznymi nie dają wymaganych rezultatów, oraz

gdy konieczne jest jednoczesne usuwanie z wody

zapachów, smaku i barwy,

• Usuwanie manganu w warstwie wodonośnej (UNEIS) – metoda

„Vyredox” – opiera się na tłoczeniu wody

napowietrzonej przez formacje wodonośne

zalegające w pobliżu studni, następuje zmniejszenie

ilości żelaza i manganu, następuje pompowanie

przez iniektor, przez co następuje pobranie tlenu.

Następnie przez szereg otworów wiertniczych woda

wprowadzona zostaje w grunt wokół studni, gdzie

następuje przesiąkanie jej do wody gruntowej w

formacjach wodonośnych. Utlenione i wytrącone

żelazo i mangan zostają zatrzymane w gruncie.

Metoda słabo opłacalna, może być stosowana w

przypadku występowania piasków drobnych i

średnich,

• Napowietrzanie i filtracja przez złoże wielowarstwowe z masą

katalityczną – jest to naturalny minerał, którego

głównym składnikiem jest braunsztyn.

Krzem w wodzie:

Krzem występujący w wodach naturalnych pochodzi głównie z rozpuszczonych składników gruntu.

Ilość krzemu waha się od w wodach z terenów podmokłych i błotnistych do kilkudziesięciu, 1 mg/dm - w wodach twardych.

Krzem występuje w wodzie w postaci koloidalnej ( kwas metakrzemowy ) i zjonizowanej ( krzemiany sodu i wapnia ). Występowanie krzemu w wodach do picia ma znaczenie drugorzędne , gdyż krzem w ilościach normalnie spotykanych nie posiada znaczenia zdrowotnego, ani nie jest wskaźnikiem zanieczyszczenia wody.

W wodzie używanej do celów przemysłowych krzem nie jest pożądany, zwłaszcza w przemyśle tekstylnym , piwowarskim oraz w wodzie do zasilania kotłów.

Przeprowadzone badania:

Oznaczanie żelaza w wodzie:

Do pojemnika wlałam 10 cm3 badanej wody, do której następnie dodałam proszek z saszetki.

Po upływie 3 minut na kalorymetrze otrzymaliśmy wynik pomiaru o wartości Fe równym 7,06 [mg/l].

Oznaczanie ilości manganu w wodzie:

Do przygotowanej kolby dodałam 50 cm3 badanej wody oraz 50 cm3 wody destylowanej.

Następnie dodałam 5 cm3 odczynnika srebrowo-rtęciowego i pozostawiłam w gotującej się w wodzie na 20 minut.

Po upływie tego czasu, do kolby dodałam 5 cm3 nadsiarczanu amonowego i zagotowałem tą mieszaninę na 2 minut.

Po czym gwałtowanie ostudziłam zawartość kolby pod strumieniem zimnej wody. Badana woda przybrała kolor jasno fioletowy.

Następnie kolor wody porównałam ze skalą wzorców w laboratorium. Na tej podstawie oznaczyłam, że zawartość Mn w badanej wodzie była większa niż 0,1mg.

Oznaczanie ilości krzemu w wodzie:

Do cylindra Nesslera dodałem 25 cm3 badanej wody oraz 75 cm3 wody destylowanej.

Następnie dodałam 5 cm3 roztworu molibdenianu amonowego i 2 cm3 kwasu solnego HCl.

Po upływie 5 minut dodałam 5 cm3 kwasu szczawiowego.

Badana woda zaczęła się odbarwiać na jasny kolor żółto-zielony.

Po upływie 3 minut porównałam kolor odbarwionej wody ze skalą wzorców zawartości SiO₂.

Odczytałam, że zawartość dwutlenku krzemu w badanej wodzie wyniosła 0,6 [mg SiO₂/dm3] w próbie.

Wnioski z przeprowadzonego badania:

Badana woda charakteryzowała się bardzo dużą zawartością manganu oraz żelaza.

Oznacza to, że badana woda nie pochodzi z wodociągów przeznaczających wodę do picia i na potrzeby gospodarcze.

Stosunek ilości manganu do żelaza wynosi około 0,033.

W naturalnych warunkach stosunek ten kształtują się od 1/6 do 1/10 zawartości żelaza . Fakt ten mógłby sugerować na nienaturalne pochodzenie żelaza w badanej wodzie .

Zawartość krzemu wskazuje na wodę pochodzącą z terenów podmokłych i błotnistych.

Opole,2008r.

TECHNOLOGIA WODY

LABORATORIUM

Temat: Oznaczanie żelaza, manganu i krzemu w wodzie

Uczelnia: Politechnika Opolska

Wydział: Mechaniczny

Karolina Skoczkowska

Inżynieria Środowiska

semestr V