Геохимия бора в подземных водах триаса и перми

 

По результатам  анализа  проб воды от 19 ноября 2010 года содержание бора в водазаборе СЖД в целом не превышает ПДК (ПДК 0,5 мг/л).

На всей территории концентрация бора изменяется от 0,154 до 1,014.

Наибольшее концентрация бора наблюдается в районе улицы Можайского - 1,014 наименьшее в районе переулка Паровозного 32– 0,154.

Среднее значение концентрация бора  0,576.

 

Таким образом, по результатам анализа проб воды потенциального риска здоровью населению при употреблении питьевых вод не наносит вред здоровью человека.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Методы удаления бора из подземных вод

Удаление бора и боратов  является весьма актуальной проблемой, так как не всегда удается очистить воду от соединений бора по стандартным  схемам водоподготовки.

Как показывают медико-биологические  исследования, бор является биологически активным элементом, и, в соответствии с принятой классификацией, его можно  отнести к токсичным веществам. Необходимость извлечения соединений бора из питьевой воды обусловлена  требованиями здравоохранения, так  как соединения бора отрицательно влияют на организмы людей и животных.

В природных водах бор  находится в виде ионов борных кислот. В более кислых водах (при  рН 2-6) бор присутствует преимущественно в форме ортоборной кислоты (Н₃В0₃) с частичной ее диссоциацией на Н₂В0(^3-) и В0₃(^3-), в щелочных водах (при рН 7-11) — в форме тетра-, пента-, гекса- и других полиборных кислот, а при рН 12-14 — в форме метаборной кислоты (НВ0₂). Щелочные воды, как правило, более богаты бором, чем жесткие воды. Связано это с тем, что натриевые соли борных кислот имеют гораздо более высокую растворимость, чем соли кальциевые и магниевые. Оксид бора и ортоборная кислота относятся к сильнодействующим токсичным веществам.

Проблема удаления бора из воды связана с тем, что бор  в большинстве случаев в воде находится в виде ортоборной кислоты (Н₃В0₃), которая в свою очередь слабо диссоциирует в воде. Процесс диссоциации Н₃В0₃ можно представить следующим образом:

Но заметное смещение равновесия в сторону образования дигидроборат-иона и гидроборат-иона происходит только при рН 9-10 (см. рис. 1).

 

Рис.1 - Соотношение компонентов боронокислотной системы в зависимости от рН

 

От этого зависит, насколько хорошо можно удалить бор из воды таким методом как, например, обратный осмос, т.к. незаряженная ортоборная кислота не задерживается на обратноосмотических мембранах, тогда как дигидроборат-ионы и гидроборат-ионы хорошо задерживаются мембранами.

Существует достаточно много  способов удаления бора из воды:

- осаждение и соосаждение в виде труднорастворимых соединений;

-сорбция неорганическими  сорбентами;

- сорбция ионитами, в т.н.  селективными по бору;

- мембранная технология (обратный осмос, электродиализ).

Одним из методов извлечения бора из растворов является осаждение  и соосаждение борат-анионов в виде труднорастворимых соединений. Исследован механизм поглощения борат-ионов гидроксидами металлов. Кислотность среды в значительной степени определяет количество бора, захватываемого осадком. Так, если при рН=11 из 0,2 М раствора борной кислоты извлекается гидроксидом магния около 75% от исходного количества бора, то при рН~13 — около 7%. Это обусловлено изменением состояния борат-ионов в растворе и снижением сорбционной емкости сорбента в результате увеличения концентрации гидроксид-ионов. Известно, что соосаждение борат-ионов с гидроксидами металлов в зависимости от рН раствора выражается кривой с максимумом, находящимся в области рН 8-9. Методы осаждения и соосаждения бора в виде труднорастворимых соединений находят практическое применение в слабоминерализованных водных системах и могут быть рекомендованы для предварительной грубой очистки борсодержащих растворов. Процесс трудоемок и сложен в технологическом оформлении: низки скорости фильтрования, получаемые осадки, как правило, малоконцентрированы по бору, не обладают постоянством состава и нуждаются в дополнительной переработке, исключается повторное использование осадителей.

Вопросы сорбции бора анионообменными  смолами достаточно полно освещены. Динамическая обменная емкость анионообменных смол по отношению к борат - ионам зависит прежде всего от природы ионита, характера его функциональных групп, а также от исходной солевой формы ионита. В ОН(-) форме более эффективно применение сильноосновных ионообменных смол. Известно, что ионообменные смолы могут поглощать нейтральные молекулы путем образования комплексов с ионами, находящимися в фазе смолы. Так, например, анионит, насыщенный В(ОН)^4- благодаря последовательным реакциям конденсации, приводящим к образованию полиборатов, поглощает борную кислоту в значительно больших количествах, чем этот же анионит в других солевых формах, не реагирующих с Н₃В0₃. За счет комплексообразования в фазе ионита можно ожидать повышения поглощения бора на анионитах; насыщенных анионами оксикислот, так как взаимодействие с гидроксилсодержащими соединениями является характерным для борной кислоты. При изучении процесса поглощения бора анионитами обнаруживается явная зависимость сорбции от рН раствора. Для монофункциональных сильноосновных анионитов типа АВ-17 наибольшее влияние оказывает изменение форм существования бора в растворе и их избирательности к смоле. Максимальная сорбция бора из таких растворов наблюдается при рН 10,5-11,0.

Среди борселективных ионитов можно выделить PUROUTE S -108 (производство Purolite ) и BSR -1 (производство Dow Chemical). PUROLITE S -108 и BSR -1 являются макропористыми анионообменными смолами на полистирольной основе, имеющими в качестве функциональных групп аминокомплексы, которые обладают высокой селективностью и емкостью по бору. Они специально разработаны для селективного удаления анионов солей бора из водных растворов. Эти смолы эффективно работают в растворах с диапазоном значений рН 6-10 в очень широком интервале концентраций бора, при температуре в пределах 60°С. Обменная емкость данных ионитов порядка 700 мг*экв/л. Данные иониты могут снижать концентрацию бора в водных растворах на порядок даже в тех случаях, когда концентрация других ионов достаточно высока. Определенная сложность при использовании этих ионитов вызвана тем, что после проведения нескольких регенераций раствором хлорида натрия требуется проведение последовательной регенерации кислотой и щелочью.

Процессы выделения бора в виде труднорастворимых соединений, сорбция неорганическими сорбентами и селективными ионитами требуют введения дополнительных реагентов как для процессов осаждения и соосаждения, так и для регенерации неорганических сорбентов и ионообменных смол. Использование реагентных и сорбционных схем всегда усложняет технологический процесс водоподготовки. Кроме того, технологическая схема должна быть рациональной, применение дополнительного метода удаления бора и боратов до или после опреснения малопригодны в водоснабжении для питьевых целей, т.к. высокие экономические затраты влияют на стоимость подготовленной воды.

Мембранные методы подготовки воды являются оптимальными для решения  проблем опреснения и удаления бора и боратов. Во всем мире мембранные технологии опреснения доказали своё преимущество по сравнению с традиционными технологиями обессоливания и опреснения. Обратноосмотическое и электродиализное опреснения относятся к мембранным методам опреснения и являются самыми рентабельными методами.

Обратный осмос является мембранным процессом, при котором  для разделения растворенных в жидкости веществ используется (полупроницаемая) мембрана, которая пропускает воду и задерживает микроорганизмы, коллоиды, ионы растворенных солей, а также  молекулы органических веществ. Размер задерживаемых частиц определяется структурой мембраны, т.е. размером ее пор.

Ценной с практической точки зрения представляется эффективность  очистки от бора, которая в среднем  составляет 90,11%. Эффективность обратного  осмоса выше на 5-30%, чем общепринятая дорогостоящая очистка на сорбирующих  фильтрах (сорбент — гидроксид циркония), которая рекомендована Классификатором технологий очистки природных вод для глубокого удаления бора из подземных вод.

Имеющиеся данные по извлечению бора из растворов различными методами свидетельствуют о существенной зависимости этих процессов от многих факторов. Очевидно, что для повышения  степени задержки бора в процессах  мембранного опреснения борсодержащих  растворов необходимо создание оптимальных  условий, таких, как рН, температура и т.д., что, в свою очередь, требует всестороннего изучения закономерностей транспорта бора через ионообменные и обратноосмотические мембраны [9].

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Риски при использовании подземных вод с высоким содержанием бора.

Оценку потенциального риска  здоровью населения, связанного с загрязнением питьевой воды проведем, руководствуясь «Методическими рекомендациями по комплексной  гигиенической оценке системы напряженности  медико-экологической ситуации территории, обусловленной загрязнением токсикантами среды обитания населения» утвержденными главными санитарными врачами России 30.07.97г.

Расчет потенциального риска  здоровью, связанный с химическим загрязнением (в том числе и  природными) питьевой воды рекомендуется по формуле:

                                                  _(6.1)   

 

где, Risk – вероятность развития неспецифических токсических эффектов при хронической интоксикации, т.е. при регулярном употреблении в данном случае воды с повышенным содержанием бора (от 0 до 1 или в % от 0 до 100).

 ПДК – норматив бора по, равный 0,5 мг/дм³

К₃ коэффициент запаса, обычно принимаемый равным 10

С – концентрация бора в питьевой воде.

 

1. При  В = 0,187 мг/дм³   

или 0,6 %

2. При В = 0,245 мг/дм³

или 0,8 %

3. При В = 0,197 мг/дм³

или 0,6 %

4. При В = 0,154 мг/дм³

или 0,5 %.

5. При В = 0,662 мг/дм³

или 2,3 %.

 

6. При В = 0,547 мг/дм³

или 1,9 %.

 

7. При В = 1,014 мг/дм³

или 3,5 %.

 

8. При В = 0,155 мг/дм³

или 0,5 %.

 

9. При В = 0,329 мг/дм³

или 1,1 %.

 

10. При В = 0,371 мг/дм³

или 1,3 %.

 

11. При В = 0,349 мг/дм³

или 1,2 %.

 

12. При В = 0,706 мг/дм³

или 2,4 %.

 

Полученные величины потенциального риска следует оценивать по следующим  критериям:

• Риск длительного (хронического, регулярного) воздействия до 5% может рассматриваться   приемлемым, так как при данной ситуации, как правило, отсутствуют неблагоприятные медико-экологические тенденции.
• Риск длительного воздействия в пределах от 5% до 16%, оцениваемого по эффективности неспецифического действия, как вызывающий опасение, так как при данной ситуации, как правило, возникает тенденция к возникновению неспецифической патологии [14].

Таким образом, безопасным порогом  концентрации бора в питьевых водах можно считать концентрацию его 1,43 мг/дм³ соответствующую 5%-му потенциальному риску здоровья.

7. Экологичность и безопасность

Согласно СанПиН 2.1.4.1110-02 «Зоны санитарной охраны источников водоснабжения и водопроводов питьевого назначения» зоны санитарной охраны (ЗСО) организуются на всех водозаборных объектах, вне зависимости от ведомственной принадлежности, подающих воду как из поверхностных, так и из подземных источников.

В состав ЗСО входят три пояса: первый пояс (ЗСО I) – строгого режима; второй (ЗСО II) и третий (ЗСО III) – пояса ограничений. Первый пояс (строгого режима) включает территорию расположения водозаборной скважины. Его назначение – защита места сооружения скважины от случайного или умышленного загрязнения и повреждения, то есть устанавливается в целях защиты вероятного загрязнения в самой скважине. В зависимости от степени природной защищенности целевого горизонта границы ЗСО I устанавливаются радиусом 30 м или 50 м от скважины. Для скважин эксплуатирующих защищенный горизонт, по согласованию с органами Роспотребнадзора размеры первого пояса ЗСО могут быть сокращены.

Если требуется сократить  ЗСО 1-го пояса, то необходимо написать проект обоснования уменьшения зоны санитарной охраны источника водоснабжения.

Для разработки проекта ЗСО потребуются следующие документы: