Ионы тяжелых металлов в воде

Обновлено: 23.01.2025

Тяжелые металлы – это токсичные и крайне опасные вещества, способные значительно ухудшить здоровье человека и даже привести к гибели. Биогенные элементы – это исключение среди тяжелых металлов, которые необходимы всем живым организмам. Атомный вес тяжелых металлов составляет более 40.

Самыми опасными являются следующие элементы:

Источники тяжелых металлов в воде

Появление тяжелых металлов в воде обусловлено 2 факторами: антропогенным и природным.

Антропогенные источники:

Металлургия
Машиностроение
Переработка аккумуляторных батарей
Автомобильные выхлопы

Природные источники:

Кислотные дожди
Извержения вулканов

Влияние тяжелых металлов на здоровье человека

Тяжелые металлы в воде имеют высокую биологическую активность, благодаря чему им не составляет труда внедриться в обменные процессы человека, вытеснить полезные вещества и нарушить метаболизм. Воздействие отдельных металлов на организм человека:

Медь – приводит к болезням костной системы, печени, развитию анемии
Кобальт – приводит к развитию анемии, возникновению эндемического зоба, дефициту витамина В12
Цинк – приводит к развитию раковых клеток
Ртуть – приводит к головным болям, нервно-психическим нарушениям, нарушениям речи, снижению мозговой активности и памяти
Кадмий – приводит к деформации костей, отрицательно влияет на почки

Допустимая концентрация тяжелых металлов в воде

Химическое вещество	СанПиН 2.1.4.1074-01, мг/л
Кадмий	0,001
Медь	1
Мышьяк	0,05
Никель	0,1
Ртуть	0,0005
Свинец	0,03
Цинк	5
Хром	0,5
Кобальт	0,1

Методы определения тяжелых металлов в воде

На сегодняшний день определить тяжелые металлы в воде можно 2 способами: электрохимическим и спектрометрическим.

При применении последнего способа особая роль отводится атомно-абсорбционной спектометрии: FAAS (плазменная атомизация) и GFAAS (электротермическая атомизация в графитовой ванночке). Основа электрохимического способа – анализ вольтамперных характеристик.

Условия отбора пробы воды на анализ

Слить воду сильным напором в течении 5-10 минут
Промыть тару несколько раз без моющего средства
Настроить напор тонкой струей
Отобрать 1,5-2 литра исходной воды в чистую пластиковую тару для питьевой воды
Наполнить тару до краев
Закрыть емкость крышкой

Очистка воды от тяжелых металлов

Метод удаления тяжелых металлов из воды зависит от результата анализа. Он может быть отдельным или комбинированным.

Наиболее популярные методы очистки воды от тяжелых металлов:

Сорбентный – глубокое очищение за счет связывания химических веществ и примесей на молекулярном уровне, удаляет даже органические соединения
Посредством ионного обмена – эффективен при небольшом загрязнении воды, на завершающей стадии очистки и в системах водоподготовки, где требуется высокое качество воды; очищение происходит за счет процесса обмена между ионами в растворе и на поверхности твердой фазы
Установка мембранного фильтра – действует на молекулярном уровне, относится к системе глубокой очистки
Гальваническая очистка – предотвращение попадания загрязненной производственной воды в окружающую среду
Магнитная очистка – притяжение тяжелых металлов к магнитному полю
Дистилляция – испарение жидкости и последующее ее охлаждение с целью отделения вредных и тяжелых веществ

Лаборатория «ИОН» проводит анализ в Москве и Московской области, благодаря которому вы сможете узнать состояние вашей воды и способы улучшения ее качества. Мы работаем более 20 лет, занимаемся химическим анализом и разработкой новых методов диагностики веществ и материалов. Сотрудники нашей лаборатории – лучшие специалисты в стране, а приборный парк – самый современный, благодаря плодотворному сотрудничеству с крупнейшими разработчиками аналитического оборудования. Вы можете обратиться к нам для исследования питьевой, природной, талой, морской, технологической воды, а также воды из бассейнов и мест общего пользования.

Также рекомендуем почитать

Железо в воде

Содержание железа в воде – распространенное явление. В допустимых приделах оно приносит пользу организму, но его избыток опасен как для сантехники, так и для человека. Появление железа в воде из скважины связано с процессами растворения горных пород.

Страшно опасные: тяжелые металлы в воде

То, что грязную и мутную воду пить не стоит, знают даже дети. Однако земля, пыль и даже бактерии в жидкости — это далеко не все опасные элементы, которые в ней встречаются.

В воде могут быть и куда более страшные враги человеческого здоровья — тяжелые металлы.

Что это такое?

Под термином «тяжелые металлы» принято понимать элементы, чья относительная атомная масса превышает 50 единиц, или чья плотность составляет более 8 г/см3. К ним относят около 40 единиц.

С учетом токсичности, стойкости, способности накапливаться во внешней среде и масштабов распространения, особого контроля требует только ¼. Сам термин получил широкое распространение больше не как химический, а как медицинский или природоохранный.

Все химические элементы в малых количествах нужны человеческому организму для нормального роста и функционирования. Но избыток некоторых металлов приводит к развитию патологий, болезням, нервным расстройствам.

Источником опасных веществ сегодня часто становится вода, не прошедшая надлежащую очистку, либо вода из родников, расположенных в местах загрязнения. Даже жидкость из водопровода в жилых домах иногда опасна для питья.

Что такое тяжелые металлы, расскажет видео:

Какие элементы относят к этой группе:

Некоторые химики относят сюда еще алюминий, бериллий, кремний и мышьяк. Железо относят в группу условно, поскольку оно в больших количествах ухудшает цвет и вкус воды, что уже выступает явной преградой для ее употребления.

Все вещества в воду попадают не в чистом виде, а в виде ионов и солей, которые порой еще более токсичны.

Абсолютно чистой воды в природе не существует. В ней в любом случае будут какие-то минимальные остатки минералов, металлов и микроэлементов.

Разработаны предельно допустимые концентрации тяжелых металлов в воде бытового и хозяйственного назначения, при которых она считается пригодной для питья и использования.

Элемент	Предельный показатель вредности	ПКД мл/л
Cu Медь	Привкус, органолептический	1,0
Fe Железо	Цвет	0,3
Zn²⁺ Цинк	Общий	1,0
Cd Кадмий	—	0,001
Si Кремний	Санитарно-токсикологический	0,05
Hg Ртуть	Санитарно-токсикологический	0,0005
Mo Молибден	Санитарно-токсикологический	0,25
Pb Свинец	Санитарно-токсикологический	0,03
Mn Марганец	Органолептический	0,1
Со Кобальт	Санитарно-токсикологический	0,1
As Мышьяк	Санитарно-токсикологический	0,05
Ве2+ Бериллий	Санитарно-токсикологический	0,0002

Каков вред и опасность для человека?

В воде ионы тяжелых металлов обладают большей биологической активностью, а значит им легче внедриться в организм и влиять на него:

Ионы тяжелых металлов в совокупном воздействии провоцируют рак, подавляют выработку гормонов и даже повреждают структуру ДНК.

Источники

Их делят на естественные и искусственные (вызванные деятельностью человека). К естественным причисляют грунтовые воды, вымывание полиметаллической руды, извержения вулканов, кислотные дожди.

К искусственным или антропогенным относят:

Постепенное увеличение примесей тяжелых металлов в воде происходит при ее испарении. Аналогично при кипячении не все элементы удаляются, поэтому кипячение, как метод очистки воды, в данном случае не актуален.

Методы проверки и выявления содержания примесей

Современные лабораторные исследования водяных проб позволяют выяснить наличие тяжелых металлов в жидкости тремя способами:

Фотометрический анализ. Основан на избирательном поглощении электромагнитного излучения.
Атомно-эмиссионная спектрометрия. Это исследование спектров испускания свободных атомов и ионов вещества.
Флуориметрический или люминесцентный анализ. Предполагает исследование интенсивности излучения, возникающего при выделении избыточной энергии молекулами тестируемого вещества.

Определение тяжелых металлов в воде в домашних условиях, видео-инструкция:

Технологии и способы очистки сточных вод

На водоочистных сооружениях используют несколько способов. На их выбор влияет степень загрязнения и концентрация тех или иных элементов в жидкости:

Ионный обмен. Это обмен между ионами в растворе и ионами на поверхности твердой фазы — ионита (смолы). Плюс — очистка от Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd и цианидов. Недостаток способа — вторичное загрязнение воды после восстановления.
Нанофильтрация. Прогонка воды через и вдоль микрофильтров из полиамида, керамики, целлюлозы. Подходит для заключительного этапа очистки либо для умеренных загрязнений.
Реагентный. Предполагает химическое превращение высокотоксичных растворов в нетоксичные соединения путем добавления в воду различных концентратов. Концентраты формируются исходя из первичных проб воды. Недостатки метода: часто требуется доочистка, дороговизна реагентов.

Заключение

Тяжелые металлы в воде опасны для человека. Эта проблема — результат многолетнего прогресса. Решить ее можно только путем улучшения экологической обстановки, поскольку даже современные методы очистки воды не позволяют досконально удалить все вредные примеси.

Очистка сточных вод от
тяжелых металлов

Методы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов

На выбор определенного метода очистки влияют концентрация и компоненты стоков с содержанием тяжелых металлов, вид производства, возможность применения той или иной технологии очистки. На разных этапах извлечения ионов применяется тот метод, который является наиболее эффективным и экономически менее затратным. Такими являются:

реагентный;
сорбционный;
ионообменный;
электрохимический;
обратный осмос и нанофильтрация.

Реагентные методы

Реагентный метод очистки сточных вод от тяжелых металлов предполагает химическое превращение высокотоксичных растворов в нетоксичные соединения. Реагентами могут выступать гидроксиды K и Na, карбонат Na, сульфиды Na.

Если в растворе содержатся вещества, которые способны легко восстанавливаться, тогда прибегают к методу восстановительной очистки. Для этих целей используют сульфат железа, диоксид серы, гидросульфит натрия.

Осаждение ионов тяжелых металлов осуществляют с помощью известкового молока, раствора едкого натра и соды. При применении NaOH необходимо строго контролировать величину рН и подбирать оптимальную дозировку. Использование соды в случае, когда стоки загрязнены такими металлами, как Zn, Pb, Cu и Cd, приводит к образованию основных карбонатов, состав которых зависит от условий реакции: температуры, концентрации раствора, рН и пр.

ZnCl₂ + 2Na₂CO₃ = 2ZnCO₃ + 4NaCl
2ZnCO₃ + H₂O = (ZnOH)₂CO₃ + CO₂
2ZnCl₂ + 2Na₂CO3 + H₂O = 4NaCl + CO₃+ (ZnOH)₂CO₃

Для повышения результатов очистки металлосодержащих стоков целесообразно использовать коагулянты и флокулянты. Коагулянтами могут выступать соли Fe, Al или их смеси.

Наибольшее распространение среди солей Al получили Al₂(SO₄)₃ и NaAlO₂. Сульфат алюминия экономически выгоден, кроме того легко растворяется в воде и дает хороший результат при рН 5 - 7,5. Алюминат натрия при рН 9,3 - 9,8 образует хлопья, способные к быстрому осаждению. Чаще всего применяют смесь солей алюминия, что позволяет расширить диапазон значений рН, повысить скорость образования хлопьев и увеличить их плотность.

Из солей железа чаще всего применяют сульфат железа, хлорное железо, соли трехвалентного железа. Но из-за высокой коррозионной способности и меньшего эффекта хлопьеобразования, соли железа имеют не такое широкое распространение или их используют в смеси с солями алюминия.

Применение титанового коагулянта позволяет довести степень очистки стоков от тяжелых металлов до 50 - 67%.

Флокулянтами могут выступать природные (крахмал, декстрин, эфиры), неорганические (диоксид кремния), синтетические (полиакриламид) вещества.

Недостатками реагентного метода являются:

высокая стоимость реагентов при их большом расходе;
повторное загрязнение очищенных вод, что исключает ее возврат в цикл оборотного водопользования;
утрата ценных веществ и затруднение их переработки;
образование большого количества осадков.

Хотя исходный состав металлосодержащих стоков не играет существенной роли для качества их очистки реагентным методом, все же требуется доочистка на электродиализаторах или ионообменных фильтрах перед сбросом в водоемы хозяйственно-бытового назначения.

Ионный обмен

При использовании метода ионного обмена получаемое качество очистки позволяет использовать очищенные воды от тяжелых металлов в оборотном цикле водопользования. Метод предполагает обмен между ионами в растворе и ионами на поверхности твердой фазы - ионита. В качестве ионитов чаще всего используют синтетические ионообменные смолы.

С помощью ионного обмена производится глубокая очистка загрязненных стоков от ионов тяжелых металлов: Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd и цианидов.

Основным недостатком метода ионного обмена является вторичное загрязнение сточных вод после восстановления, когда возникает необходимость их обезвреживания.

Нанофильтрация

При нанофильтрации используются мембраны с отверстиями в несколько нм. Для таких мембран используют пористые материалы: ароматические полиамиды, ацетат целлюлозы, керамику.

Способ очистки металлосодержащих сточных вод на нанофильтрационных мембранах заключается в движении воды вдоль мембранной поверхности и смывании загрязнений. Такие мембраны имеют сниженную селективность и большую проницаемость.

Нанофильтрация дает хороший результат на заключительном этапе очистки стоков от загрязнений ионами тяжелых металлов.

В загрязненных стоках ртуть находится в металлической форме, а также в виде оксидов, сульфатов, сульфидов, нитратов, цианидов, тиоцианатов, ционатов. Стоки, которые содержат ионы ртути, являются наиболее токсичными.

Металлическую форму ртути очищают из загрязненных стоков методом отстаивания или фильтрования. Взвешенные частицы осаждают хлором или гипохлоритом натрия до хлорида ртути, затем восстанавливают. Далее следуют процессы осаждения с помощью сульфида Na с образованием сульфида Hg и последующей коагуляцией хлоридом Fe.

Соединения ртути из стоков можно извлечь несколькими способами:

осадить сульфидом железа или его смесью с сульфатом бария;
восстановить до металлической формы;
использовать реагентный или сорбционный метод или метод ионного обмена.

Очистка стоков от цинка, меди, никеля, свинца, кадмия

Для извлечения из загрязненных стоков ионов цинка Zn, меди Cu, никеля Ni, свинца Pb, кадмия Cd наиболее рациональным методом является реагентный. Регенты переводят растворимые соединения в нерастворимые осадки. Для этого используют оксид кальция, гидроксид натрия, соду и едкий натр.

Загрязненные воды, которые содержат соли цинка, обрабатывают гидроксидом натрия. При этом необходимо контролировать величину рН.

Соли меди образуют гидроксид Cu или гидроксикарбонат Cu, но так как гидроксикарбонат слабо растворим, то наиболее правильно будет осаждать медь в виде основного карбоната. Для этих целей используют известь третьего сорта.

Очистка загрязненных стоков от кадмия осуществляется добавлением диоксида S или сульфитов и металла в виде порошка (Fe или Zn). Металлы способствуют восстановлению сульфитов до труднорастворимых сульфидов.

Для осаждения никеля также подходит известь третьего сорта.

Удаление свинца из загрязненных стоков происходит с превращением его в карбонат свинца с помощью известняка, мела, мрамора. Как правило, эти минералы являются загрузкой фильтров.

Использование Na₂S позволяет добиться высоких результатов очистки.

Очистка стоков от мышьяка

Для очистки мышьяка из загрязненных стоков следует учитывать форму металла и его концентрацию, кислотность раствора, компоненты и некоторые другие показатели раствора. Чаще всего вещество переводят в малорастворимое и осаждают. Получаются арсенаты и арсениты металлов, сульфиды и триоксид мышьяка.

В сильнокислом растворе используют известковое молоко, сульфид натрия, сероводород. Мышьяк As (V) легко связывается и более способен к осаждению, чем As (III). Поэтому перед очисткой из стоков мышьяка As (V) необходимо его перевести в форму As (III). Для этого используют хлорную известь, гипохлоритную пульпу, пероксид водорода, азотную кислоту, озон, пиролюзит.

Очистка стоков от хрома (VI)

Удаление из загрязненных стоков хрома (VI) происходит в два этапа:

восстановление хрома (VI) до хрома (III);
осаждение хрома (III) в виде гидроксида.

Реагентами выступают натрия сульфит, натрия гидросульфит, натрия тиосульфат. Восстановление осуществляется в кислой среде. Если в качестве восстановителя применить сульфат железа, то подкисление стоков не требуется.

Очистка стоков от железа

Для удаления железа из загрязненных стоков используют аэрацию, реагентные методы, электродиализ, адсорбцию, обратный осмос.

Во время воздействия кислородом воздуха железо окисляется и переходит из Fe (II) в Fe (III), которое затем отделяется после осаждения. Для перевода железа в форму трехвалентного используют также хлор, хлорную известь, перманганат калия, озон, известь, соду.

Тяжелые металлы в воде: проблемы в водопользовании и очистка

Жидкость занимает больший объем в организме человека. Выполнение физиологических функций в человеческом теле, зависит от степени загрязнения воды тяжелыми металлами. Для поддержания обменных процессов в организме, требуется не менее 2 литров жидкости в день. И, на первое место в потреблении питьевых ресурсов, выходит очистка воды от тяжелых металлов.

Определение содержания тяжелых металлов в воде

Понятие «тяжелый металл» относится к сфере охраны природы и здравоохранения. В эту группу относят полуметаллы и металлы, имеющие токсичные свойства и поражающую биологическую активность. Немало металлов входит в перечень необходимого микроэлементного уровня для нормального протекания биологических процессов и функционирования систем живого организма.

Токсичные химические элементы, попадая в организм человека с водой, имеют свойство аккумулироваться. Но, большую опасность представляет их способность к биомагнификации. Когда по пищевой цепочке: загрязненная вода – растения или почва – рыба или животное – человек, тяжелые металлы увеличивают свое вредоносное действие в сотни раз. Понимание, к чему приводит загрязнение воды тяжелыми металлами, подвигло человечество на внимательное отношение к природным ресурсам.

ГОСТ по питьевой воде на содержание тяжелых металлов

Таблица 1. ПДК тяжелых металлов в воде

Примечания:

с.-т – санитарно-токсикологический показатель;

орг. – органолептический показатель;

значения в скобках, могут приниматься в отдельных районах по указанию санитарного врача.

Как видно из таблицы, многие химические элементы находятся в виде различных лиганд, гидролизных или полимеризованных комплексов. Кроме прямого удаления загрязнений, немалое значение придается очистке воды от ионов тяжелых металлов и их соединений. Если присутствует значительное количество ионов тяжелых металлов в воде, увеличивается токсичность элемента из-за проявления кумулятивного эффекта.

Насыщенность токсичными химическими элементами питьевых ресурсов оценивается не только по их общему содержанию, но и по связанным и свободным формам, учитываются и соли тяжелых металлов в воде.

Распознавание нежелательных примесей сложной формы, проводят спектрометрическим или электрохимическим способом. Важное место в точном определении концентрации тяжелых металлов в воде занимает атомно-абсорбционная спектрометрия. Она подразделяется:

на FAAS – плазменная атомизация;
на GF AAS – электротермическая атомизация в графитовой ванночке.

Для выделения спектров нескольких металлов одновременно применяют эмиссионную или масс-спектрометрию, с плазмой связанной индукцией. Электрохимический способ распознавания основан на анализе вольт-амперных характеристик. Это сложные лабораторные методы определения уровня загрязнения воды тяжелыми металлами, на фото показаны:

Методы очистки воды от тяжелых металлов

В зависимости от результатов проведенного анализа воды на тяжелые металлы, выбирается метод очистки, иногда их приходится комбинировать. Это может быть:

использование сорбентов для поглощения
перевод в нерастворимые соединения через ионный обмен;
мембранный фильтр воды для тяжелых металлов;
гальваническая очистка;
применение магнитного поля;
дистилляция с последующим конденсированием.

Абсорбенты и мембранные фильтры, самые простые и недорогие способы очистки, и нашли широкое применение в бытовых очистных устройствах. Выпаривание, слишком энергозатратный метод и редко применяется, несмотря на высокий уровень очищения жидкости.

Ионно-обменный метод очистки дает высокие результаты по удалению примесей. Технология реализуется с помощью ионообменных смол, собирающих на своей поверхности ионы тяжелых металлов. Регенерацию смолы проводят кислотой. Металлы в ионной форме могут осаждаться с помощью изменения pH до значения 9,0÷10,5. И затем, отделяют осадок от жидкости.

При высоком насыщении жидкости ионами меди, хорошие результаты дает гальванический процесс. В загрязненную воду опускают электроды с пористой структурой и большой активной поверхностью. При подаче электричества, ионы меди восстанавливают атомарное состояние и осаждаются на электроде.

На водоочистных станциях, куда попадают и городские и производственные стоки, применяют цикличные процессы обработки воды, куда последовательно включают несколько операций.

Читайте также: