CC BY
0Ученые записки Крымского федерального университета имени В. И. Вернадского Биология. Химия. Том 10 (76). 2024. № 1. С. 285-298.
УДК 628.1645:574.64
DO110.29039/2413-1725-2024-10-1-285-298
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОЗИЦИИ ОКСИДА КАЛЬЦИЯ И ТЕТРАГИДРОКСОАЛЮМИНАТА НАТРИЯ В ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ УМЯГЧЕНИЯ ВОД
Кучерик Г. В., Сытников Д. М., Омельчук Ю. А.
Севастопольский государственный университет, Севастополь, Россия
Е-mail: [email protected]
В настоящей работе были рассмотрены используемые сегодня экологически безопасные технологии и экспериментально апробированы методы умягчения вод. Представлены результаты биотестирования водопроводной воды Северной стороны г. Севастополя из подземных водозаборов. Предложено использование метода эффективного умягчения питьевой воды, основанного на применении композиции извести и тетрагидроксоалюмината натрия.
Ключевые слова: жёсткость воды, методы умягчения вод, оксид кальция, тетрагидроксоалюминат натрия.
ВВЕДЕНИЕ
Повышенная жёсткость воды, используемой для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения, - одна из важных экологических проблем, требующая своего разрешения [1]. Жёсткие воды Орловского и Вилинского подземных водозаборов, используемых для водообеспечения г. Севастополя, могут служить источником негативного воздействия на здоровье потребителей и работу сетей водообеспечения Северной стороны города.
Использование жёсткой воды может приводить к шелушению кожи, провоцировать атопический дерматит, экзему у новорождённых, наносить ущерб системам водоснабжения и бытовой технике; такая вода требует употребления большего количества моющих средств, в связи с чем существует необходимость умягчения вод перед их подачей потребителям. Избежать негативных последствий использования жёсткой воды в городском водоснабжении можно путём повышения её качества и ускорения процессов умягчения [2, 3].
Выбор метода умягчения воды определяется её качеством, необходимой глубиной умягчения и технико-экономическими обоснованиями. Для снижения жёсткости воды могут быть применены различные методы: термический, реагентный, мембранный, метод ионного обмена и магнитной обработки, а также комбинированный метод [3]. Однако не все перечисленные методы могут быть использованы в подготовке питьевой воды. Это объясняется тем, что вода должна быть абсолютно безопасной и не содержать токсичных примесей, сама технология
должна быть относительно недорогой и обеспечивать умягчение больших объёмов воды в сжатые сроки.
Главная цель исследования заключалась в анализе экологически безопасных технологий и подборе метода умягчения воды для систем хозяйственно-питьевого водоснабжения. Для осуществления поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: рассмотреть существующие на сегодняшний день экологически безопасные технологии умягчения воды, применяемые для хозяйственно-питьевого водоснабжения; методами биотестирования определить качество водопроводной воды, используемой на Северной стороне г. Севастополя; экспериментально апробировать методы умягчения водопроводной воды и определить наиболее эффективный из них.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Объектом исследования послужила водопроводная вода Северной стороны г. Севастополя, источником которой является Вилинский и Орловский подземные водозаборы, характеризующаяся следующими показателями: рН - 7,9 ± 0,2; общая
3 2+ 3 2+ 3
жесткость - 9,7 мг-экв/дм ; [Ca ] - 6,6 мг- экв/дм3; [Mg2+] - 3,1 мг-экв/дм3.
Для токсикологической оценки качества исследуемых вод было проведено биотестирование с использованием двух тест-объектов: ракообразных из семейства дафниевых (Daphnia magna Straus) и одноклеточных зелёных водорослей хлореллы (Chlorella vulgaris Beijer). Использование дафний в качестве тест-организмов основано на определении их подвижности и выживаемости, методом прямого счёта [4]. Альготестирвание производили путём измерения оптической плотности культуры микроводорослей хлореллы, основанного на регистрации различий показателей тест-культуры, выращенной на контрольной среде, и в тестируемых пробах вод, в которых могли присутствовать токсические вещества [5].
При изучении влияния типа и дозы реагента на эффективность умягчения водопроводной воды Северной стороны г. Севастополя использовали КаОИ, Na2CO3, Na[Al(OH)4], Na3PO4, в виде растворов с концентрацией 1 г/дм3 по основному компоненту.
Тетрагидроксоалюминат натрия получали в результате реакции щёлочи (70 % раствор NaOH) и гидроксида алюминия в стехиометрических количествах. Данную смесь нагревали при интенсивном перемешивании до 90 оС в течение 10 часов. Полученный раствор отфильтровывали, определяли в нём концентрацию алюминия и относительно полученной концентрации рассчитывали концентрацию гидроксоалюмината натрия.
В случае использования основных реагентов в исследуемую пробу воды объемом 100 см3 при активном перемешивании добавляли CaO и растворы №OH, Na2CO3, доводя значения рН до 9,0, 10,0, 11,0.
При оценке влияния на эффективность умягчения воды фосфата натрия и фторида натрия, которые известны как высокоэффективные реагенты, образующие нерастворимые соединения с кальцием, магнием, к пробам водопроводной воды добавляли при перемешивании рассчитанное количество реагента. Дозы реагентов составили 0,5; 1,0; 2,0; 4,0 мг-экв/дм3.
В случае использования гидроксоалюмината натрия были исследованы дозы 0,1; 0,3; 0,5; 1,0; 2,0; 4,0 мг-экв/дм3 (в пересчете на Al) [6, 7]. Пробы отстаивали в течение двух часов, фильтровали и определяли рН и остаточную жесткость. При изучении влияния Na[Al(OH)4] на эффективность умягчения водопроводной воды известью в очищаемую воду при активном перемешивании добавляли CaO, доводя значения рН от 9,0 до 10,5. Предварительное умягчение воды известью дает возможность снизить расход гидроксоалюмината натрия в процессе очистки воды [8]. После этого в воду добавляли рассчитанное количество гидроксоалюмината натрия в дозах от 0,1 до 1,0 мг-экв/дм3 в пересчете на Al. После внесения реагентов воду отстаивали на протяжении двух часов, затем фильтровали и определяли остаточную жесткость и содержание ионов алюминия в исследуемой пробе.
При изучении влияния дозы гидрокарбоната калия на эффективность умягчения водопроводной воды готовили раствор KHCO3 концентрацией 190 г/дм3 [9]. Полученный раствор вносили в водопроводную воду (0,4 дм3) в количестве: 0,010, 0,015 и 0,020 дм3. Пробы отстаивали в течение 3-х ч, фильтровали и определяли остаточную жёсткость и рН воды.
При проведении сорбции использовали катионит КУ-2-8 в №+-форме (объемом 10 см3). В качестве ионообменной колонки использовали колонку диаметром 2 см, заполненную ионитом. В процессе сорбции севастопольскую водопроводную воду пропускали через катионит КУ-2-8 в №+-форме, со скоростью 2,12-3,18 м/ч, отбирали пробы по 400 см3. В отобранных пробах определяли рН и жесткость.
Статистическую обработку полученных данных производили с учётом рекомендаций в соответствующих методиках. В таблицах и в тексте представлены %%, средние арифметические, стандартные ошибки и наименьшая существенная разность (НСР). Достоверность разницы значений оценивали, используя 5 % уровень значимости (Р < 0,05).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Вода, подаваемая в централизованную систему водоснабжения Северной стороны г. Севастополя, имела превышение по показателю общей жёсткости, что составляло 9,7 мг-экв/дм3. Нормативы жесткости питьевой определены в СанПиН 1.2.3685-21 Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания [10]. Допустимая жесткость питьевой воды в соответствии с действующим нормативом должна быть не более 7,0 мг-экв/дм3 (вода питьевая централизованного водоснабжения). Водородный показатель (рН) изученной водопроводной воды при этом находился в пределах нормы (6,0-9,0).
Оценку качества воды из указанной системы водоснабжения предварительно производили методом биотестирования. Использование дафний (Daphnia magna Straus) в качестве тест-объекта обнаружило отсутствие токсического эффекта анализируемых проб: все особи в течение экспозиции 48 ч сохраняли подвижность и жизнеспособность. При этом более высокую чувствительность проявила тест-культура микроводорослей хлореллы (Chlorella vulgaris Beijer).
Из данных таблицы 1 следует, что через 22 ч в вариантах с разведением снижение средней величины оптической плотности по сравнению с контрольным вариантом не превышало 20 %. Это указывало на их безвредность. В варианте без разбавления процентное отклонение от контроля составило 85 %, что свидетельствовало о наличии токсического эффекта. В результате проведенных исследований можно сделать вывод, что вода, используемая для снабжения Северной стороны г. Севастополя, может быть небезопасной для повседневного питьевого использования.
Таблица 1
Изменение оптической плотности тест-культуры водорослей хлореллы (Chlorella vulgaris Beijer), культивируемой на водопроводной воде
Вариант Разбавление Оптическая Отклонение от Токсический
тестируемых вод, разы плотность, ед. контроля, % эффект
контроль 0 0,191 ± 0,003 0 -
1 1 (без разбавления) 0,030 ± 0,002 85 оказывает
2 3 0,162 ± 0,006 15 не оказывает
3 9 0,175 ± 0,010 8 не оказывает
4 27 0,182 ± 0,004 5 не оказывает
5 81 0,187 ± 0,003 2 не оказывает
Проведенные литературные изыскания позволили определить ряд методов умягчения питьевой воды, которые являются наиболее актуальными и эффективными в применении. Так, в технологиях реагентного умягчения воды применяются алюминиевые и железные коагулянты [11-13], подщелачивание воды аммиаком с введением при перемешивании соединений кальция [14, 15]. Умягчения питьевой воды также добиваются с помощью активированного бентонита [16] или состава, содержащего углекислый калий [9].
Получен патент [17] на фильтрование жёсткой воды через катионит (лавовая брекчия цеолитизированного перлита), предложен способ [18] перевода растворимых солей бикарбонатов кальция и магния в нерастворимые соединения установкой электродов. Также в технологиях умягчения воды используют флокулянты, нагрев и пониженные температуры [19]. Каждый из перечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки. Выбор метода умягчения воды будет в конечном счёте зависеть от множества факторов, включая эффективность процесса, объём обрабатываемой воды и стоимость оборудования.
В нашей работе выбор экологически безопасного метода умягчения питьевой воды был основан на проведённом литературном обзоре, что позволило выделить несколько возможных методических направлений, в том числе реагентное умягчение и умягчение воды на катионитах в №+-форме. Чаще всего в процессах реагентного умягчения воды используют известь, щёлочь и соду или их смеси [20]. Из указанных реагентов значительную эффективность процесса обеспечивает щёлочь при рН > 11,0. Однако при этом происходит значительное повышение рН, что делает воду непригодной для использования в питьевых целях.
При исследовании реагентных методов умягчения было изучено влияние доз реагентов (СаО, Ка0Н, Ка2С03, Ка[А1(0Н)4], Ка3Р04, КаБ) на эффективность умягчения водопроводной воды Северной стороны г. Севастополя. Лучшие результаты при умягчении основными реагентами были получены при использовании щёлочи и соды (табл. 2). В данном случае была достигнута степень умягчения на уровне 88-89 % при доведении рН до 10,5 и 11,0. Менее значимые результаты были получены при применении извести. Это связано с тем, что при доведении рН до высоких значений в растворе растёт концентрация ионов кальция, а концентрации карбонатов в растворе недостаточно для их связывания.
Следует отметить, что при применении щёлочи (рН = 11,0) остаточная жёсткость воды снижалась с 9,3 до 1,1 мг-экв/дм3, а при применении соды - до 1,0 мг-экв/дм3. Очевидно, что при наличии карбонат-анионов лучше связываются ионы кальция, а гидроксид магния при рН = 11,0 является нерастворимым веществом. Ка[А1(0Н)4] был малоэффективным при использовании в дозах до 2,0 мг-экв/дм3. Очевидно, это связано с низкими значениями рН (8,48^9,79) при данных дозах реагента. Лишь при рН 10,4 степень умягчения достигла 84 %, а при увеличении рН до 11,3-98 %.
Относительно низкую эффективность Ка[А1(0Н)4] при рН = 10,0 можно объяснить тем, что в этих условиях происходил его гидролиз с образованием гидроксида алюминия. При этом количество щёлочи, которое образовывалось при гидролизе, было недостаточным для эффективного умягчения воды, а количество Ка[А1(0Н)4], который способен связывать ионы жёсткости, также снижалось в результате гидролиза.
При дозе Ка[А1(0Н)4] - 4,0 мг- экв/дм3 (рН = 11,3), очевидно, происходило эффективное превращение гидрокарбонатов кальция в нерастворимые карбонаты и гидролиз солей магния с образованием нерастворимого гидроксида магния. Кроме того, концентрация Ка[А1(0Н)4] была достаточной для связывания остальных ионов жёсткости в нерастворимые соединения.
Значительно менее эффективным реагентом для умягчения воды был ортофосфат натрия. Лишь при добавлении 4,0 мг-экв/дм3 реагента степень умягчения достигла 73 %. Умягчение происходило за счёт образования малорастворимых фосфатов кальция и магния.
При использовании фторида натрия рН воды практически не изменялось при повышении дозы с 0,5 до 4,0 мг-экв/дм3. Незначительное умягчение воды происходило за счёт образования малорастворимых фторидов кальция и магния. При этом степень умягчения не превышала 59 %. Следует отметить, что после умягчения воды наблюдалось определенное повышение рН среды, что связано с частичным переходом гидрокарбонатов кальция и магния в гидрокарбонат натрия.
В целом, использованные реагенты характеризовались невысокой эффективностью умягчения воды (за исключением Ка[А1(0Н)4]) и значительным вторичным загрязнением воды. При использовании Ка[А1(0Н)4] остаточная концентрация алюминия с повышением дозы реагента достигла 105 мг/дм3 при ПДК [А13+] - 0,2 мг/дм3. При применении ортофосфата натрия остаточная концентрация фосфатов достигла 123 мг/дм3 (ПДК [Р043-] - 1,5 мг/дм3), а при применении фторида натрия концентрация фторидов достигла 54 мг/дм3 (ПДК [Б-] - 3,5 мг/дм3).
Здесь лучшие результаты были получены при использовании композиции извести и Ка[Л1(ОН)4] (табл. 3). При добавлении Ка[Л1(ОН)4] в воду, рН которой был предварительно доведен известью до 9,0-10,5, в дозах от 0,1 до 1,0 мг-экв/дм3 было отмечено повышение эффективности её умягчения.
Таблица 2
Влияние типа и дозы реагента на эффективность умягчения водопроводной
воды (Ж = 9,3 мг-экв/дм3)
Реагент Доза мг-экв/дм3 рН Ж, мг-экв/дм3 Остаточная концентрация, мг/дм3 г, %
нач. кон. Л13+ РО43-
СаО 0,3 9,0 8,3 3,6 - - - 62
0,6 10,0 9,7 2,2 - - - 76
1,8 11,0 10,9 3,3 - - - 64
КаОН 0,1 9,0 8,5 2,3 - - - 75
0,3 10,0 9,7 2,0 - - - 78
1,6 11,0 10,9 1,1 - - - 88
^СОэ 0,1 9,0 8,8 2,5 - - - 73
0,7 10,0 9,9 1,7 - - - 82
3,4 11,0 10,8 1,0 - - - 89
№[Л1(ОН)4]* 0,1 8,5 8,0 4,5 2,0 - - 52
0,3 8,9 8,7 3,5 3,1 - - 62
0,5 9,3 9,0 3,4 6,5 - - 63
1,0 9,9 9,5 3,3 15,5 - - 64
2,0 10,4 9,8 1,5 35,5 - - 84
4,0 11,3 10,5 0,2 105,0 - - 98
Ш3РО4 0,5 7,8 7,8 4,0 - - 1,4 57
1,0 8,2 8,1 4,0 - - 2,4 57
2,0 10,1 9,3 4,0 - - 93,5 57
4,0 11,9 10,5 2,5 - - 123,0 73
КаБ 0,5 7,5 7,5 5,0 - 12,3 - 46
1,0 7,4 7,6 3,8 - 8,7 - 59
2,0 7,6 7,7 3,8 - 15,2 - 59
4,0 7,6 7,8 3,8 - 53,8 - 59
НСР 0,05 0,3 2,8 2,2 5,5
Примечание: ПДК [Л13+] - 0,2 мг/дм3; пДк [Б-] - 3,5 мг/дм3; ПДК [РО43-] - 1,5 мг/дм3;
«*» - концентрация приведена в пересчете на Л1.
В данном случае была достигнута степень умягчения на уровне 98 % при начальном рН воды 10,5 и дозе Ка[Л1(ОН)4] - 1,0 мг-экв/дм3. Также наблюдалось снижение жёсткости воды до 0,2 мг-экв/дм3. Следует также отметить существенное снижение остаточного содержания алюминия при данном сочетании реагентов. В
отдельных случаях ионы алюминия в умягчённой воде отсутствовали. Максимальное содержание алюминия в обработанной воде не превышало 6,5 мг/дм3. Кроме того, при снижении рН воды за счёт абсорбции из воздуха углекислоты концентрация ионов алюминия снижается до значений менее 0,5 мг/дм3.
Таблица 3
Влияние ^[А1(ОН)4] на эффективность умягчения водопроводной воды (Ж = 9,3 мг-экв/дм3) известью
Доза №[А1(ОН)4]*, мг-экв/дм3 рН Ж, мг-экв/дм3 [А13+], мг/дм X, %
после добавления извести после добавления тетрагидроксо-алюмината натрия после умягчения
0,0 9,0 - 8,9 4,5 - 52
0,1 9,0 9,4 8,8 3,8 2,5 59
0,3 9,0 9,7 8,8 2,4 2,5 74
0,5 9,0 9,9 8,8 2,3 4,0 75
1,0 9,0 10,0 9,0 1,9 4,5 80
0,0 9,5 - 8,6 3,2 - 66
0,1 9,5 9,6 8,6 3,1 - 67
0,3 9,5 9,8 8,6 2,0 2,5 78
0,5 9,5 10,1 9,2 1,5 2,5 84
1,0 9,5 10,3 9,5 1,2 5,0 87
0,0 10,0 - 9,4 2,4 - 74
0,1 10,0 10,3 8,3 2,0 3,5 78
0,3 10,0 10,4 8,7 1,6 4,5 83
0,5 10,0 10,8 8,8 1,0 3,5 89
1,0 10,0 10,9 9,4 0,5 6,5 95
0,0 10,5 - 9,4 2,2 - 76
0,1 10,5 10,8 8,9 1,2 - 87
0,3 10,5 10,7 9,1 1,0 - 89
0,5 10,5 11,0 9,6 0,8 1,5 91
1,0 10,5 11,3 10,2 0,2 5,2 98
НСР 0,05 0,2 0,2
Примечание: «*» - концентрация приведена в пересчете на А1.
В целом, из данных, приведенных в таблице 3, видно, что при добавлении в воду, которая умягчается известью, №[А1(ОН)4] в дозе 0,5 мг-экв/дм3 эффективность очистки растет более, чем вдвое и увеличивается с повышением дозы реагента. Очевидно, в данном случае эффективность умягчения растёт как за счёт коагулирующего действия Ка[А1(ОН)4], так и за счёт образования с ним
малорастворимых соединений с ионами жёсткости [21]. При добавлении Ка[Л1(ОН)4] к воде, которая была предварительно обработана известью с целью достижения заданного уровня рН, удалось в несколько раз снизить расход Ка[Л1(ОН)4] и в десятки раз снизить остаточную концентрацию алюминия в обработанной воде.
Для удаления ионов жёсткости был также исследован состав для умягчения воды, предложенный другими авторами [9]. Состав содержал углекислый калий. По мнению авторов преимуществом использования данного метода заключается в том, что попадающие в воду ионы калия являются жизненно важными для нормального функционирования организма. Однако, избыточное потребление калия может приводить к гиперкалиемии, поэтому представляло интерес оценить безопасность применения этого метода при умягчении водопроводной воды Северной стороны г. Севастополя.
Когда углекислый калий взаимодействует с компонентами воды, которые определяют её постоянную и временную жёсткость, происходит быстрое связывание этих компонентов в нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок. Результаты применения состава для умягчения воды на основе КНСО3 приведены в таблице 4, из данных которой следует, что указанный состав эффективно удаляет ионы жёсткости воды при его добавлении в количестве 0,015 и 0,020 дм3. Образовавшийся осадок СаСОз и М§СО3 безвреден: его можно использовать в строительстве либо вывозить на полигоны ТКО. Однако рН умягченной воды и содержание ионов калия превышало допустимые значения (рН 6,0-9,0; [К+] - менее 20 мг/дм3), что не позволяет использовать её в хозяйственно-питьевых целях.
Таблица 4
Влияние дозы КНСО3 на эффективность умягчения водопроводной воды
№ пробы КНСО3 / 0,4 дм3 воды рН Ж, мг-экв/дм3 [К+], г/дм3
1 0,010 9,4 8,6 1,8
2 0,015 9,5 3,2 2,8
3 0,020 9,6 2,8 3,7
НСР 0,05 0,5 0,2
Ещё одним перспективным направлением является ионообменное умягчение воды при фильтровании жёсткой воды через катионит в Ка+-форме. Как видно из таблицы 5, при пропускании через катионит объемом 10 см3 водопроводной воды с начальной жёсткостью 9,7 мг-экв/дм3, её жёсткость уменьшалась до 1,0 мг-экв/дм3 в первых шести пробах, при этом степень умягчения составила 97 %.
При пропускании воды до объема 3,2 дм3 эффективность умягчения оставалась достаточно высокой (75 %), и в 9-й пробе степень умягчения начала резко уменьшаться до исчерпания ёмкости катионита в 12-й пробе. Полная обменная
динамическая ёмкость катионита КУ-2-8 в №+-форме по ионам жесткости была достаточно высокой и составила 3120 мг-экв/дм3.
Таблица 5
Остаточное содержание ионов жесткости ^а+] и рН водопроводной воды (Ж = 9,7 мг-экв/дм3) после пропускания через катионит КУ-2-8 (объем 0,01 дм3)
в №+ форме
№ пробы Объём, дм3 рН Ж, мг-экв/дм3 Z, % [Na+], г/дм3
1 0,4 8,3 0,3 97 0,22
2 0,8 8,3 0,3 97 0,22
3 1,2 8,3 0,3 97 0,22
4 1,6 8,3 0,4 96 0,21
5 2,0 8,4 0,4 96 0,21
6 2,4 8,3 0,5 95 0,21
7 2,8 8,3 1,0 90 0,20
8 3,2 8,3 2,4 75 0,17
9 3,6 8,1 6,5 33 0,07
10 4,0 8,0 7,7 21 0,05
11 4,4 8,0 8,9 8 0,02
12 4,8 8,2 9,7 0 —
НСР 0,05 0,4 0,02
Учитывая, что при сорбции ионов кальция и магния происходит их замена в эквивалентных количествах на противоионы катионита, представляло интерес оценить содержание ионов [Na+] в очищенной воде. Из таблицы 5 следует, что содержание ионов [Na+] в первых 7-ми пробах, незначительно превышает нормативные требования (0,20 г/дм3). Лимитирующим фактором, ограничивающим использование данной воды в питьевых целях, являлась концентрация ионов натрия, которая незначительно превышала ПДК (0,20 г/дм3).
Так как концентрация ионов натрия была получена расчётным методом, представлялось необходимым провести биотестирование и путём эксперимента оценить токсичность первых 8-ми проб (3,2 дм3). Показатели химического состава полученной объединённой пробы приведены в таблице 6.
В ходе биотестирования с использованием низших ракообразных (Daphnia magna Straus) было установлено отсутствие токсического эффекта указанной объединённой пробы воды. Ожидаемо более высокую чувствительность проявила тест-культура микроводорослей хлореллы (Chlorella vulgaris Beijer).
Из данных таблицы 7 следует, что в вариантах 2-5 снижение средней величины оптической плотности тест-культуры по сравнению с контрольным вариантом не превышало 16 %. Таким образом, при разбавлении тестируемой воды в три и более раз она становилась безвредной в отношении используемого тест-организма
(Chlorella vulgaris Beijer). Однако в варианте без разбавления отклонение от контроля составило 35 %.
Таблица 6
Показатели жёсткости объединённой пробы (1-8) водопроводной воды (Ж = 9,7, [Са2+] = 6,6, [Mg2+] = 3,1 мг-экв/дм3), пропущенной через катионит КУ-2-8 (объем 0,01 дм3) в Na+ форме
№ пробы pH Ж, мг-экв/дм3 [Ca2+] [Mg2+] [Na+]
мг-экв/дм3 мг/дм3 мг-экв/дм3 мг/дм3 мг-экв/дм3 мг/дм3
1-8 8,4 1,0 0,1 2,0 ± 0,01 0,9 21,6 ± 0,17 9,0 207,0 ± 12,2
Таблица 7
Изменение оптической плотности тест-культуры водорослей хлореллы (Chlorella vulgaris Beijer), культивируемой на очищенной водопроводной воде
(объединённая проба 1-8)
Вариант Разбавление Оптическая Отклонение от Токсический
тестируемых вод, разы плотность, ед. контроля, % эффект
контроль 0 0,171 ± 0,006 0 -
1 1 (без разбавления) 0,231 ± 0,004 -35 оказывает
2 3 0,199 ± 0,003 -16 не оказывает
3 9 0,198 ± 0,005 -16 не оказывает
4 27 0,182 ± 0,006 -6 не оказывает
5 81 0,178 ± 0,002 -4 не оказывает
Полученные результаты указывают на наличие токсического эффекта тестируемой воды без разбавления. По результатам расчётов токсичности нами был сделан вывод о возможности безопасного использования изученной водопроводной воды, очищенной на катионите КУ-2-8 в Na+ форме, после её дополнительного разбавления.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Установленные нормативы предусматривают необходимые требования к качеству воды, включая контроль жесткости в пределах < 7,0 мг-экв/дм3. Проведение биотестирования жёсткой водопроводной воды, подаваемой на Северную сторону г. Севастополя (9,7 мг-экв/дм3), показало, что её использование может оказывать неблагоприятное воздействие на изучаемые тест-организмы (Chlorella vulgaris Beijer).
2. Проведён патентный поиск применяемых сегодня технологий безопасного умягчения питьевой воды, которые по результатам исследования были разделены на две группы: реагентные и ионообменные. Произведена апробация выбранных подходов с целью выбора наиболее эффективного метода умягчения жёсткой питьевой воды.
3. Предложено использование метода эффективного умягчения питьевой воды, основанного на использовании композиции извести и тетрагидроксоалюмината натрия. При добавлении Na[Al(OH)4] в воду, рН которой был предварительно доведён известью до 10,5, в дозах 0,1 мг-экв/дм3 была отмечена высокая эффективность умягчения воды (до 1 мг-экв/дм3) при остаточном рН 8,9 и отсутствии в воде ионов алюминия. В данном случае была достигнута степень умягчения воды на уровне 87 %.
Список литературы
1. Заболотный М. Ю. Оценка актуальности нормативных требований к показателю жесткости питьевой воды / М. Ю. Заболотный, Е. Г. Винокуров, Х. А. Невмятуллина, Т. Ф. Бурухина // Компетентность. — 2019. — № 2. — С. 13—17.
2. Рябчиков Б. Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования: [питьевая вода, пищевая промышленность, энергетика] / Б. Е. Рябчиков. — М.: ДеЛи принт, 2004 (ПИК ВИНИТИ). — 326 с.
3. Омельчук Ю. А. Использование новых реагентов и технологий в промышленном водопользовании: монография / Ю. А. Омельчук, Г. В. Кучерик. — Севастополь: СевГУ, 2020. — 276 с.
4. Григорьев Ю. С. Методика измерений количества дафний (Daphnia magna Straus) для определения токсичности питьевых, пресных природных и сточных вод, водных вытяжек из грунтов, почв, осадков сточных вод, отходов производства и потребления методом прямого счета. ПНД Ф 14.1:2:4.12-06 16.1:2.3.3.9-06, ФР.1.39.2015.19999 / Ю. С. Григорьев, Т. Л. Шашкова. — М., 2006 (изд. 2014). — 39 с.
5. Григорьев Ю. С. Методика измерений оптической плотности культуры водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer) для определения токсичности питьевых, пресных природных и сточных вод, водных вытяжек из грунтов, почв, осадков сточных вод, отходов производства и потребления. ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.10-04 Т 16.1:2:2.3:3.7-04, ФР.1.39.2015.20001 / Ю. С. Григорьев. — М., 2004 (изд. 2014). — 37 с.
6. Макаренко И. Н. Применение гидроксоалюмината натрия при кондиционировании воды для систем охлаждения в промышленности и энергетике / И. Н. Макаренко, Т. А. Шаблий, Т. В. Крысенко // Химия и технология воды. — 2009. — 31, № 5. — С. 542—551.
7. Гомеля Н. Д. Глубокое умягчение воды гидроксоалюминатом натрия для замкнутых систем водопользования / Н. Д. Гомеля, Е. Н. Панов, Т. А. Шаблий // Экология и промышленность. — 2009. — № 1. — С. 15—19.
8. Патент Украины 30901 А, МПК C02F5/02. Способ умягчения воды с помощью водных растворов гидроксоалюмината натрия: опубл. 15.12.2000, бюл. № 7.
9. Патент № 2093479 Российская Федерация, МПК C02F 5/00(1995.01). Состав для умягчения воды: № 94014670/26: заявл. 19.04.1994: опубл. 27.02.1996 / Тарханов О. В., Тарханова Л. С., Тарханов А. О., Тарханов В. О.; заявитель Тарханова Л. С. — 4 с.
10. СанПиН 1.2.3685-21 Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания: издание официальное: утвержден Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 29.01.2021: введен 01.03.2021. — М.: Минюст, 2021. — 469 с.
11. Чепкасова Н. И. Исследование применимости алюминиевых и железных коагулянтов в технологии реагентного умягчения воды для нужд питьевого водоснабжения / Н. И. Чепкасова, Р. В. Федотов,
С. И. Игнатенко // Материалы Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности промышленных регионов», г. Кемерово, 3-4 октября 2017 г. - Новочеркасск: Лик, 2017. - С. 136-138.
12. Фесенко Л. Н. Исследования эффективности коагулянта оксихлорида алюминия в технологии едко-натрового умягчения донской воды для хозяйственно-питьевых целей / Л. Н. Фесенко, Р. В. Федотов, С. И. Игнатенко // Техновод. - 2016. - Т. 384. - С. 85-92.
13. Драгинский В. Л. Коагуляция в технологии очистки природных вод / В. Л. Драгинский, Л. П. Алексеева, С. В. Гетманцев. - М., 2005. - 576 с.
14. Патент № 2462422 Российская Федерация, МПК С02Б 5/02 (2006.01). Способы умягчения воды от солей жёсткости: № 2011108618/05: заявл. 04.03.2011: опубл. 27.09.2012 / Косинцев В. И., Сечин А. И., Куликова М. В., Бордунов С. В.; заявитель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет». - 4 с.
15. Игнатенко С. И. Технологические и проектные решения реконструкции сооружений очистки воды нижнего течения р. Дон. / С. И. Игнатенко, А. Ю. Черкесов, Л. Н. Фесенко // Техновод. - 2016. -Т. 384. - С. 75-85.
16. Патент № 2132305 Российская Федерация, МПК С02Б 1/52(2006.01). Способ умягчения и очистки питьевой воды: № 95111421/25: заявл. 03.07.1999: опубл. 27.06.1999 / Абдуллатипова Д. М., Даудова Т. М., Аминова Э. М., Мурадов М. С., Ахмедов М. Э.; заявитель Дагестанский политехнический институт. - 5 с.
17. Патент № 1278300 СССР, МПК С02Б 1/42(2006.01). Способ умягчения воды: № 3873666/27-26: заявл. 07.01.1985: опубл. 23.12.1986 / Ильин Е. Е., Береза А. И., Рудик Т. Г., Беличенко Ю. П.; заявитель Всесоюзный заочный институт, Институт железнодорожного транспорта. - 3 с.
18. Патент № 2217384 Российская Федерация, МПК С02Б 1/46, 5/00(2006.01). Способ умягчения воды: № 2002118421/12: заявл. 08.07.2002: опубл. 27.11.2003 / Макаров В. В., Боровинский Б. А., Быков В. И., Остапчик Е. П., Иванова О. В., Остапчик Д. Е.; заявитель Пермский государственный технический университет. - 5 с.
19. Патент № 1401021 СССР, МПК С02Б 5/14, 1/56(2006.01). Способ умягчения природных вод: № 4110783/29-26: заявл. 22.06.1986: опубл. 07.06.1988 / Амосова Э. Г., Гутникова Р. И., Берелович А. Х., Бондаренко В. И., Гизатулин Р. М., Семенов А. А., Ахмеров М. М.; заявитель Ташкентский филиал ВННИ водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрологии «Водгео» и Чирчикское производственное объединение «Электрохимпром» им. Л.А. Констандова. - 3 с.
20. Гнусин, Н. П. Соосаждение кальция и магния при щелочном умягчении пресных вод / Н. П. Гнусин, И. А. Тихонова, И. Г. Лукнацец // Химия и технология воды. - 1989. - Т. 11, № 5. - С. 421-424.
21. Серпокрылов Н. С. Применение оксихлоридов алюминия в очистки и доочистке вод / Н. С. Серпокрылов, Е. В. Вильсон, М. Н. Царева [и др.] // Водоснабжение и санитарная техника, 2003. - № 2. - С. 32-35.
USE OF A COMPOSITION OF CALCIUM OXIDE AND SODIUM TETRAHYDROXOALUMINATE IN ENVIRONMENTALLY SAFE WATER SOFTENING TECHNOLOGIES
Kucherik G. V., Sytnikov D. M., Omelchuk Yu. A.
Sevastopol State University, Sevastopol, Russia E-mail: [email protected]
High quality drinking water is an important factor in maintaining the health of its consumers and the reliable operation of water supply systems. The increased hardness of
water from underground water intakes for domestic and drinking water supply in the city of Sevastopol is an urgent problem that requires resolution. In this work, environmentally friendly technologies used today were reviewed and methods of water softening were experimentally tested.
The object of the study was tap water from the Northern side of Sevastopol, the source of which is the Vilinskiy and Orlovskiy underground water intakes. The water entering to the centralized water supply system has an excess of hardness here and is characterized by the following indicators: pH - 7.9 ± 0.2; total hardness - 9.7 mEq/dm3; [Ca2+] - 6.6 mEq/dm3; [Mg2+] - 3.1 mEq/dm3.
The standards established in SanPiN 1.2.3685-21 provide the necessary requirements for water quality, including hardness control within the range of < 7.0 mEq/dm3. Biotesting of hard tap water supplied to the Northern side of Sevastopol (9.7 mmkb/^m3) showed that its use can have an adverse effect on the test organisms being studied (Chlorella vulgaris Beijer).
A patent search was conducted for technologies used today for safe softening of drinking water, which, based on the results of the study, were divided into two groups: reagent and ion exchange. The selected technologies were tested in order to select the most effective method of softening hard drinking water.
The use of a method for effective softening of drinking water based on the use of a composition of lime and sodium tetrahydroxyaluminate is proposed. When Na[Al(OH)4] was added to water, the pH of which was previously adjusted to 10.5 with lime, in doses of 0.1 mEq/dm3, high efficiency of water softening was noted (up to 1 mEq/dm3) at residual pH 8.9 and the absence of aluminum ions in the water. In this case, a degree of water softening of 87 % was achieved.
Keywords: water hardness, water softening methods, calcium oxide, sodium tetrahydroxyaluminate.
References
1. Zabolotny M. Yu., Vinokurov E. G., Nevmyatullina H. A., Burukhina T. F. Assessing the relevance of regulatory requirements for the hardness of drinking water, Competence. 2, 13 (2019). (in Russ.).
2. Ryabchikov B. E. Modern methods of water preparation for industrial and domestic use: [drinking water, food industry, energy], 326 p. (Moscow: DeLi print, 2004 (PIK VINITI). (in Russ.).
3. Omelchuk Yu. A., Kucherik G. V. The use of new reagents and technologies in industrial water use: monograph, 276 p. (Sevastopol: SevGU, 2020). (in Russ.).
4. Grigoriev Yu. S., Shashkova T. L. Methodology for measuring the number of daphnia (Daphnia magna Straus) to determine the toxicity of drinking, fresh natural and waste water, water extracts from soils, soils, sewage sludge, industrial and consumer waste using the direct counting method. PND F 14.1:2:4.12-06 16.1:2.3.3.9-06, FR.1.39.2015.19999, 39 p. (Moscow, 2006 (ed. 2014). (in Russ.).
5. Grigoriev Yu. S. A method for measuring the optical density of a culture of chlorella algae (Chlorella vulgaris Beijer) to determine the toxicity of drinking, fresh natural and waste waters, water extracts from soils, soils, sewage sludge, industrial and consumer wastes. PND F T 14.1:2:3:4.10-04 T 16.1:2:2.3:3.704, FR.1.39.2015.20001, 37 p. (Moscow, 2004 (ed. 2014). (in Russ.).
6. Makarenko I. N., Shabliy T. A., Krysenko T. V. Application of sodium hydroxoaluminate in water conditioning for cooling systems in industry and energy, Chemistry and water technology. 5, 542 (2009). (in Russ.).
7. Gomel N. D., Panov E. N., Shabliy T. A. Deep softening of water with sodium hydroxoaluminate for closed water use systems, Ecology and Industry. 1, 15 (2009). (in Russ.).
8. Patent of Ukraine 30901 A, IPC C02F5/02. Method for softening water using aqueous solutions of sodium hydroxoaluminate: publ. 12/15/2000, bulletin. No. 7. (in Ukr.).
9. Patent No. 2093479 Russian Federation, IPC C02F 5/00 (1995.01). Composition for water softening: No. 94014670/26: appl. 04/19/1994: publ. 02/27/1996 / Tarkhanov O. V., Tarkhanova L. S., Tarkhanov A. O., Tarkhanov V. O.; applicant Tarkhanova L. S., 4 p. (in Russ.).
10. SanPiN 1.2.3685-21 Hygienic standards and requirements for ensuring the safety and (or) harmlessness of environmental factors to humans: official publication: approved by the Chief State Sanitary Doctor of the Russian Federation 01/29/2021: introduced 03/01/2021, 469 p. (Moscow: Ministry of Justice, 2021). (in Russ. ).
11. Chepkasova N. I., Fedotov R. V., Ignatenko S. I. Study of the applicability of aluminum and iron coagulants in the technology of reagent water softening for the needs of drinking water supply, Materials of the International Scientific and Practical Conference "Current Issues of Environmental Protection and Ensuring the Environmental Safety of Industrial Regions", Kemerovo, October 3-4, 2017. pp. 136-138 (Novocherkassk: Lik, 2017). (in Russ.).
12. Fesenko L. N., Fedotov R. V., Ignatenko S. I. Research on the effectiveness of the coagulant aluminum oxychloride in the technology of caustic soda softening of Don water for household and drinking purposes, Technovod. 384, 85 (2016). (in Russ.).
13. Draginsky V. L., Alekseeva L. P., Getmantsev S. V. Coagulation in the technology of natural water purification, 576 p. (Moscow, 2005). (in Russ.).
14. Patent No. 2462422 Russian Federation, IPC C02F 5/02 (2006.01). Methods for softening water from hardness salts: No. 2011108618/05: application. 03/04/2011: publ. 09.27.2012 / Kosintsev V. I., Sechin A. I., Kulikova M. V., Bordunov S. V.; applicant National Research Tomsk Polytechnic University, 4 p. (in Russ.).
15. Ignatenko S. I., Cherkesov A. Yu., Fesenko L. N. Technological and design solutions for the reconstruction of water treatment facilities in the lower reaches of the Don River, Technovod. 384, 75 (2016). (in Russ.).
16. Patent No. 2132305 Russian Federation, IPC C02F 1/52 (2006.01). Method for softening and purifying drinking water: No. 95111421/25: application. 07/03/1999: publ. 06.27.1999 / Abdullatipova D. M., Daudova T. M., Aminova E. M., Muradov M. S., Akhmedov M. E.; applicant Dagestan Polytechnic Institute, 5 p. (in Russ.).
17. Patent No. 1278300 USSR, IPC C02F 1/42 (2006.01). Water softening method: No. 3873666/27-26: application. 01/07/1985: publ. 12/23/1986 / Ilyin E. E., Bereza A. I., Rudik T. G., Belichenko Yu. P.; applicant All-Union Correspondence Institute, Institute of Railway Transport. - 3 p. (in Russ. ).
18. Patent No. 2217384 Russian Federation, IPC C02F 1/46, 5/00 (2006.01). Water softening method: No. 2002118421/12: application. 07/08/2002: publ. 11.27.2003 / Makarov V. V., Borovinsky B. A., Bykov V. I., Ostapchik E. P., Ivanova O. V., Ostapchik D. E.; applicant Perm State Technical University. - 5 p. (in Russ.).
19. Patent No. 1401021 USSR, IPC C02F 5/14, 1/56 (2006.01). Method for softening natural waters: No. 4110783/29-26: application. 06/22/1986: publ. 06/07/1988 / Amosova E. G., Gutnikova R. I., Berelovich A. Kh., Bondarenko V. I., Gizatulin R. M., Semenov A. A., Akhmerov M. M.; applicant Tashkent branch of VNNI water supply, sewerage, hydraulic structures and engineering hydrology "Vodgeo" and Chirchik production association "Electrokhimprom" named after. L. A. Konstandova. - 3 p. (in Russ.).
20. Gnusin N. P., Tikhonova I. A., Luknatsets I. G. Co-precipitation of calcium and magnesium during alkaline softening of fresh water, Chemistry and water technology. 11 (5), 421 (1989). (in Russ.).
21. Serpokrylov N. S., Wilson E. V., Tsareva M. N. [et al.]. Application of aluminum oxychlorides in water treatment and post-treatment, Water supply and sanitary engineering. 2, 32 (2003). (in Russ.).
