Загрязнение окружающей среды бором

Введение

Глава I. Литературный обзор

Понятие подземных вод

     1.1.1 Возникновение подземных вод

Состояние подземных вод на 2017

Состояние подземных вод в России

Состояние подземных вод в Вологодской области 

Нормативы качества воды питьевого назначения в России 

Влияние качества воды питьевого назначения на организм человека

Загрязнение окружающей среды бором

Бор как химический элемент

Свойства бора

Возникновение бора

Получение бора

Поступление бора в организм

Методы водоподготовки

Методы удаления бора

Выводы по главе

Глава II. Методика исследования

2.1 Анализ существующих методов определения концентрации бора

2.2 Разработка методики определения концентрации бора методом с кармином

Глава III. Лабораторные исследования

3.1 Объект исследования

3.2 Анализ 

3.3 Лабораторные исследования

3.4 Разработка технологической схемы

Выводы

Список используемой литературы

	ВВЕДЕНИЕ

	

	Вода является основой всего живого на нашей планете Земля.  Она занимает 71% поверхности Земли. В журнале [1] представлена статья, в которой рассказывается, что в 1924 году Александр Иванович Опарин выдвинул теорию о возникновении жизни на нашей планете введя термин «первичный бульон», который предположительно существовал 4 миллиарда лет назад в различных водоемах Земли. В его состав входили молекулы азотистых оснований, аминокислот, полипептидов и воды, а образовывался под воздействием высоких температур и электрических разрядов. В ходе коацервации получались примитивные живые клетки.

	Прошли миллионы лет и теперь без воды уже не может существовать ничего живого.

	 В настоящее время очень важной проблемой является проблема качества питьевой воды.

	Около 97% воды, которая находится на планете Земля, приходится на воды океанов.

	Пресная вода составляет всего 3% от водных ресурсов планеты. Из них большая часть недоступна для человека, так как около 68,7% составляют вечные льды и снега, а 30,1% составляют грунтовые воды.

	Россия занимает 2 место в мире по водным ресурсам, поэтому в 2017 году, посвященному экологии, проблема качества воды является основной.

	Вологодская область богата водными ресурсами. На ее территории находится 19923 реи и более 4000 озер. Запасы подземных вод составляют 163,2 тыс. м3/сут, что составляет 2,1 % от степени изученности [2]. 

	Обеспеченность населения Вологодской области ресурсами речного стока – 32,58 тыс. м3/год, что вполне сопоставимо с общероссийским показателем, а ресурсами подземных вод – 6,53 м3/сут на человека, что ниже показателя федерального округа [2].

	Это связано с тем, что большинство подземных вод не соответствуют нормам, а требуют дополнительной очистки воды перед использованием ее в питьевых целях.

	Так, в пос. Можайское Вологодской области уже достаточно долго стоит проблема загрязнения подземных вод отдельными лимитирующими составляющими, а именно бором. Концентрация соединений бора в подземных водах на данной территории превышает предельно-допустимые значения, установленные СанПиН 2.1.4.1074-01 в среднем в 2,5-3,5 раза.

	Известно, что бор входит в число пяти важнейших микроэлементов, тем самым играя важную функцию в жизнедеятельности человека, животных и растений. Например, при постоянном употреблении питьевой воды с содержанием бора, превышающим норму, у человека происходит нарушение обмена веществ, снижение концентрации желудочного сока, угнетение работы нервной системы.

	Представленная работа посвящена исследованию методов удаления соединений бора и разработке схеме очистки воды.

	В связи с тенденцией роста эксплуатирования подземных вод, вод для хозяйственных и питьевых нужд водоснабжения актуальна проблема их очистки от отдельных лимитирующих составляющих загрязнений, а именно- бора, удаление которых не выполняет и не решает применяющаяся система водоподготовки и различные ее варианты, которые в свою очередь рассматривают удаление других соединений, например: железа, марганца и др. 

	Целью работы является разработка технологии очистки подземных вод от соединений бора для получения воды питьевого качества.

	Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие основные задачи:

	Провести обработку и анализ существующих методов очистки подземных вод от соединений бора.

	На основе обработанных данных провести экспериментальные исследования по очистке подземных вод от соединений бора

	Разработать технологическую схему по очистке подземной воды от соединений бора

	Определить оптимальные параметры процесса очистки подземных вод 

	Сделать выводы на основании полученных данных

	Научная новизна работы:

	В ходе данной работы изучен процесс выделения соединений бора из подземных вод, содержащих от 0,7 до 3 мг бора на литр, методами коагуляции, определены физико-химические параметры технологических процессов (рН, время контакта реагента и др).

	На основании лабораторных исследований и опытных наблюдений установлено, что большинство соединений бора удаляются в процессе коагуляции, за счет химического взаимодействия

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	





 Глава I. Литературный обзор



Понятие подземных вод

Российская Федерация богата запасами пресных подземных вод. 

Наука, которая занимается изучением подземных вод, их свойств и состава называется гидрогеология.

Гидрогеология — наука о подземных водах. Она изучает их происхождение и формирование, формы залегания, распространение, движение, режим и запасы, их взаимодействие с почвами и торными породами, в том числе й с многолетнемерзлыми, их состояние (жидкое, твердое, парообразное), свойства (физические, химические, бактериологические, радиоактивные) и условия, определяющие мероприятия по использованию подземных вод, их регулированию и удалению [3].

По мнению Всеволожского В.А. [4] подземные воды представляют собой водный объект, являясь частью единой гидросферы Земли и можно считать, что все молекулы воды, находящиеся в атмосфере, горных породах, живом веществе, или являлись в определенный период своей истории частью единой гидросферы Земли, или при определенных условиях могут быть включены в состав водной оболочки планеты.

Подземные воды во всех случаях без исключения представляют собой не просто совокупность молекул Н20, а сложные природные системы, содержащие в растворенном, коллоидном, свободном состоянии различные минеральные вещества, органические соединения и газы. При этом содержание химических элементов в подземных водах включает практически периодическую систему Менделеева плюс сложно построенные комплексы минеральных, органических и органоминеральных соединений. Количественное содержание тех или иных химических элементов в зависимости от их распространения в литосфере, типа подземных вод и других факторов может меняться от ничтожно малых значений (следы присутствия элемента) до сотен граммов в 1 л раствора [4].

По данным В.И. Вернадского, подземные воды могут существовать до глубины 60 км [5].

Он показал, что вода это нечто особенное, что она стоит особняком среди всех земных образований: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических процессов» [6].

Приблизительные подсчеты запасов пресной воды в недрах Земли до глубины 16 км дают величину 400 млн км3, т.е. около 1/3 вод Мирового океана. Подземные воды в земной коре распределены в двух этажах. Нижний этаж, сложенный плотными магматическими и метаморфическими породами, содержит ограниченное количество       воды [7].



Значение изучения подземных вод

Значение изучения подземных вод чрезвычайно велико. Участвуя в общем круговороте воды на земном, шаре, они, наряду c поверхностными водами и климатом, определяют гидрологический облик страны и являются источником постоянного питания рек [3].

 Подземные воды участвуют в геологических процессах, растворяя одни минеральные соединения и вынося их в океаны и внутриконтинентальные бессточные области и отлагая другие соединения на своем пути, например, в трещинах земной коры и при выходе на поверхность земли. Переходя в связанное состояние, подземные воды участвуют в построении многих минеральных тел. Исключительное значение имеют подземные воды в биосфере, в частности в растительности земного шара. Многие физико-механические, водные и тепловые свойства горных пород обусловлены содержанием в них вод разного происхождения и химического состава. Вода принимает деятельное участие в процессах литогенеза и метаморфизма, оказывает большое влияние на изменение гравитационного, магнитного и электрического полей Земли. [3].



Возникновение подземных вод

Проблема формирования подземных вод является центральной в теоретической гидрогеологии и очень сложной. Она включает в себя вопросы происхождения подземных молекул воды и вопросы формирования состава растворенных в подземных водах веществ — ионов, солей, газов. Эти две группы вопросов тесно связаны, но в известной мере имеют и самостоятельное значение. Растворитель (вода) и растворенные вещества (ионы, соли, газы) могут иметь различную историю [3].

 В книге [3] рассматривают следующие источники возникновения подземных вод: 

На ранней стадии развития Земли (4,7-109 лет назад) произошло разогревание холодного вещества Земли в результате тепла, выделившегося при адиабатическом сжатии и радиоактивном распаде элементов. Под влиянием разогревания Земли происходило разделение ее на оболочки. В результате на поверхность Земли поступали легкоплавкие вещества, базальтовая магма, содержащая воду и растворенные газы. После снятия надкритического состояния большая часть Н20 постепенно переходила в жидкую фазу, вынося с собой на поверхность растворенные вещества: так в упрощенной схеме образовалась гидросфера. Первичный раствор воды получил название ювенильного, т. е. юного, впервые сгенерированного из водорода и кислорода [3]. 

Другой источник — космос, точнее, падающие на Землю астероидные тела солнечной системы. За счет метеоритов, содержащих в среднем 0,5 % воды по массе, на Землю поступило всего около 1-1014 т воды, что по отношению к геологическому времени на четыре порядка меньше количества воды, поступающей из мантии [3].

Еще одним источником воды на Земле могут быть верхние слои атмосферы. Так В. И. Вернадский в [8] указывал на возможность образования водных скоплений в серебристых облаках на высоте более 80 км. По сравнению с мантией космос и высокие слои атмосферы давали очень мало воды. Гораздо большее количество воды уходит в космическое пространство. Таким образом, мантия — фактически единственный источник воды на Земле [3].

О происхождении подземных вод в современном их залегании существуют различные гипотезы и теории, формирование которых происходило в течение длительного времени, начиная от сотен лет до нашей эры. По современным представлениям, подземные воды образуются как за счет возникновения молекул воды внутри твердой части планеты, так и в результате поступления вод в горные породы из внешних геосфер — гидросферы и атмосферы. В первом случае подземные воды эндогенные, во втором — экзогенные [9].



Состояние подземных вод на 2017 год 



1.2.1 Состояние подземных вод в России

В настоящее время пресные подземные воды играют значительную роль в хозяйственно-питьевом водоснабжении населения многих стран. При этом отмечается тенденция к увеличению использования подземных вод для водоснабжения. Это объясняется тем общеизвестным фактом, что подземные воды, как источник водоснабжения, имеют ряд преимуществ по сравнению с поверхностными водами. Прежде всего, подземные воды, как правило, обладают лучшим качеством, более надежно защищены от загрязнения и заражения, меньше подвержены сезонным и многолетним колебаниям и в большинстве случаев их использование не требует дорогостоящих мероприятий по водоочистке. Обычно подземные воды хорошего качества могут быть найдены в непосредственной близости от потребителя воды [7].

Глубина эксплуатационных скважин колеблется в значительных пределах и определяется конкретными гидрогеологическими условиями территорий. Обычно она составляет 100–200 м, редко достигая 1000 и даже 2000 м [7].

По данным [10] на территории Российской Федерации за период наблюдений 2000-2015 гг. загрязнение подземных вод было отмечено на 3523 водозаборах питьевого и хозяйственно-бытового назначения, преимущественно представляющих собой одиночные эксплуатационные скважины с производительностью менее 1,0 тыс. м3/сут. На рисунке 1 представлены водозаборы хозяйственно-питьевого назначения, на которых выявлено загрязнение подземных вод.



Рисунок 1.1- Водозаборы хозяйственно-питьевого назначения, на которых выявлено загрязнение подземных вод

Наибольшую опасность представляет загрязнение подземных вод на водозаборах питьевого и хозяйственно-бытового назначения компонентами 1-го класса опасности, которое в 2015 г. было выявлено по отдельным водозаборным и наблюдательным скважинам на 20 водозаборах. Среди загрязняющих компонентов 1-го класса опасности наиболее часто встречается мышьяк, по единичным пробам в скважинах фиксировались бериллий и ртуть. Как правило, загрязнение подземных вод этими компонентами носит случайный (реже периодический) характер и интенсивность его не превышает 5 ПДК [10].

Загрязнение подземных вод, вызванное влиянием различных техногенных объектов, на участках, не связанных с недропользованием, неодинаково по интенсивности и масштабам. По состоянию на 01.01.2016 г. на территории Российской Федерации выявлено 2524 участка загрязнения подземных вод, в том числе в 2015 г. на 54 участках загрязнение было установлено впервые, а по 679 участкам ранее выявленное загрязнение подземных вод подтвердилось [10].

Особенно сильное загрязнение подземных вод наблюдается вблизи приемников промышленных, коммунальных и сельскохозяйственных отходов. В целом можно отметить по данным [10], что в подземных водах при промышленном типе загрязнения обнаруживается практически весь перечень выявленных загрязняющих веществ как неорганических, так и органических; при сельскохозяйственном типе загрязнения наблюдаются преимущественно соединения азота, пестициды; при коммунальном типе загрязнения – соединения азота, железо, марганец, хлориды, фенолы; при загрязнении некондиционными природными водами – хлориды, сульфаты, железо, марганец, фтор, стронций. 

Потенциальными источниками загрязнения подземных вод нефтепродуктами служат многочисленные действующие и ликвидированные склады горюче-смазочных материалов, АЗС, нефтепроводы, крупные авиапредприятия, нефтеперерабатывающие заводы, локомотивные депо и др. [10].



1.2.2. Состояние подземных вод в Вологодской области

По данным [11] подземные воды Вологодской области являются одним из важнейших полезных ископаемых и имеют стратегическое значение как единственно надежный источник питьевого водоснабжения населения. Основной объем запасов питьевых подземных вод сосредоточен в западной части области, где распространены водообильные каменноугольные отложения. Центральная и восточная части области обеспечены подземными водами слабо и неравномерно. 

Проанализировав данные о состоянии подземных вод представленные в [12, 13] в Вологодской области за 2015 и 2016 года в естественных условиях для подземных вод характерен ненарушенный (естественный) режим, который формируется в основном под влиянием метеорологических, гидрологических и геологических факторов. Метеорологические факторы (осадки, испарение, температура воздуха, атмосферное давление) ? основные в формировании режима подземных вод. Они вызывают сезонные и годовые (многолетние) колебания уровня, а также изменения химического состава ПВ, температуры и расхода подземных вод.  За отчетный период информация по мониторингу подземных вод на объектном уровне поступила от 17 недропользователя (по 33 скважинам).  Наблюдениями за уровнем подземных вод и водоотбором были охвачены основные водоносные горизонты, используемые на территории области для хозяйственно-питьевого и производственного водоснабжения.

Несоответствие (соответствие) качества требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» извлекаемых подземных вод из вышеперечисленных скважин в 2016 году охарактеризовано в таблице 1 [13].

Таблица 1.1 - Информация о соответствии (несоответствии) качества извлекаемых подземных вод требованиям санитарных норм за 2016 год

№ п/п

Водоносный горизонт

Местоположение скважины

№ скважины

Соответствие (несоответствие) требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01

1

Казанский ВК (P2kz)

п. Вожега

32634

мутность (6,2 ПДК)

2

Сухонско-полдарский ВГ (P2sh-pld)

п. Федотово

2

железо (1,8 ПДК)







63944

железо (1,8 ПДК)







4

соответствие







6

железо (6,8 ПДК) мутность (6,7 ПДК)







67525

соответствие







638

бор 1,18 ПДК, 

железо общее 2,5 ПДК,

мутность 2,9 ПДК

3

Четвертичный ВК

с. Сямжа

13/93

колиформные бактерии 5 КОЕ/100 мл, 

термотолерантные колиформные бактерии 5 КОЕ/100 мл







12/93

колиформные бактерии 3 КОЕ/100 мл, термотолерантные колиформные бактерии 3 КОЕ/100 мл







4/95

колиформные бактерии 2,3 КОЕ/100 мл, 

термотолерантные колиформные бактерии 2,3 КОЕ/100 мл







3446

соответствие







39855

колиформные бактерии 7,6 КОЕ/100 мл, 

термотолерантные колиформные бактерии 7,6 КОЕ/100 мл







2222

соответствие







3016

колиформные бактерии 5 КОЕ/100 мл, термотолерантные колиформные бактерии 5 КОЕ/100 мл







14/90

соответствие

4

Верхнепермский сухо- нский ВГ

с. Сямжа

15/90

колиформные бактерии 3 КОЕ/100 мл, термотолерантные колиформные бактерии 3 КОЕ/100 мл

5

Московский флювиог- ляционный ВГ

с. Сямжа

28/92

колиформные бактерии 6,3 КОЕ/100 мл, термотолерантные колиформные бактерии 6,3 КОЕ/100 мл





д. Горка, Шекс- нинский р-н

822

соответствие





д. Покровское, Шекснинский р-н

1108

соответствие

6

Днепровско-московский межморенный ВГ

д. Ивашево, Шекснинский р-н

780

соответствие



По результатам [13] наблюдается следующее несоответствие качества подземных вод требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения»: 

- ПВ казанского ВК характеризуются повышенной мутностью; 

- ПВ сухонско-полдарского ВГ характеризуются повышенным содержанием железа от 1,8 до 6,8 ПДК, бора до 1,18 ПДК, повышенной мутностью;  

- ПВ четвертичных отложений характеризуются повышенным содержанием общих колиформных бактерий от 2,3 до 7,6 КОЕ/100 мл, термотолерантных колиформных бактерий от 2,3 до 7,6 КОЕ/100 мл; 

- ПВ верхнепермско-сухонского ВГ характеризуются повышенным содержанием общих колиформных бактерий до 3,0 КОЕ/100 мл, термотолерантных колиформных бактерий до 3,0 КОЕ/100 мл; 

- ПВ московского флювиогляционного ВГ характеризуются повышенным содержанием общих колиформных бактерий до 6,3 КОЕ/100 мл, термотолерантных колиформных бактерий до 6,3 КОЕ/100 мл; 

- ПВ днепровско-московского межморенного ВГ соответствуют требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 по всем определяемым показаниям. Показатели качества питьевой воды по лимитирующему признаку вредности вещества объединены СанПиН 1.2.4.1074-01 в несколько групп, главными из которых являются органолептические, санитарно-токсикологические показатели, показатели радиационной безопасности [13].



 Нормативы качества воды питьевого назначения в России

Качество вод – характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность её для конкретного вида водопользования [14]. 

Критерий качества воды – признак или комплекс признаков, по которым производится оценка качества воды [15]. 

Нормы качества воды – установленные значения показателей качества воды для конкретного вида водопользования [16].

Используя [16], в таблицу 2 вынесены основные показатели состава воды и указаны нормативы (предельно допустимые концентрации ПДК) каждого их них.

Таблица 1.2 - Предельно допустимые концентрации

Показатели

Единицы измерения

Нормативы (предельно допустимые концентрации) (ПДК), не более

Показатель вредности1)

Класс опасности

1

2

3

4

5

Обобщенные показатели

Водородный показатель

единицы рН

в пределах 6-9





Общая минерализация (сухой остаток) 

мг/л

1000 (1500)2)





Жесткость общая

мг-экв./л

7,0 (10)2)





Окисляемость перманганатная

мг/л

5,0





Нефтепродукты, суммарно

мг/л

0,1





Поверхностно-активные вещества (ПАВ), анионоактивные

мг/л

0,5





Фенольный индекс

мг/л

0,25





Неорганические вещества

Алюминий ( Al 3+ )

мг/л

0,5

с.-т.

2

Барий (Ва2+) 

мг/л

0,1

-"-

2

Бериллий (Ве2+) 

мг/л

0,0002

-"-

1

Бор (В, суммарно) 

мг/л

0,5

- -

2

Железо ( Fe , суммарно) 

мг/л

0,3 (1,0)2)

орг.

3

Кадмий ( Cd , суммарно) 

мг/л

0,001

с.-т.

2

Марганец (М n , суммарно)

мг/л

0,1 (0,5)2)

орг.

3

Медь (С u , суммарно)

мг/л

1,0

-"-

3

Молибден (Мо, суммарно)

мг/л

0,25

с.-т.

2

Мышьяк ( As , суммарно)

мг/л

0,05

с.-т.

2

Никель ( Ni , суммарно)

мг/л

0,1

с.-т.

3

Нитраты (по NО3-)

мг/л

45

с.-т.

3

Ртуть ( Hg, суммарно)

мг/л

0,0005

с.-т.

1

Свинец (Р b , суммарно)

мг/л

0,03

-"-

2

Селен ( Se , суммарно) 

мг/л

0,01

-"-

2

Стронций ( Sr 2+ ) 

мг/л

7,0

-"-

2

Сульфаты ( SO ) 

мг/л

500

орг.

4

Фториды ( F - )

мг/л







Для климатических районов

- I и II

мг/л

1,5

с.-т.

2

- III

мг/л

1,2

-"-

2

Хлориды (С l - ) 

мг/л

350

орг.

4

Хром (Cr6+)

мг/л

0,05

с.-т.

3

Цианиды ( CN - ) 

мг/л

0,035

-"-

2

Цинк ( Zn 2+ ) 

мг/л

5,0

орг.

3

Органические вещества 

g -ГХЦГ(линдан)

мг/л

0,0023)

с.-т. 

1

ДДТ (сумма изомеров) 

мг/л

0,0023)

11

2

2,4-Д

мг/л

0,033)

11

2



 Бор как химический элемент

 Бор (лат. Borum), В, химический элемент III группы периодической системы Менделеева, атомный номер 5, атомная масса 10,811; кристаллы серовато-черного цвета (очень чистый Бор бесцветен). Природный Бор состоит из двух стабильных изотопов: 10B (19%) и 11B (81%) [18].

Основные характеристики бора приведены в [19], таблица 3.

        Таблица 1.3- основные характеристики бора

Характеристики

Бор

Содержание в земной коре, %

5,0*10-3

Радиус атома, нм

0,098

Потенциал ионизации, В

8,30

Электроотрицательность

2,0

Температура плавления, град

2030

Плотность, г/см3

2,340

Электронная структура внешнего слоя

2s22p1

Степень окисления

+3,-3



 Титульный атом бора состоит из 33200 электронных секций. В фигурах атомов бора и следующего за ним углерода также нет принципиального различия. Исходный вихревой тор атома бора сминается, как и у всех предыдущих атомов, с двух сторон. Сомкнувшиеся участки шнуров образуют относительно длинный жёлоб, на концах которого возникают первичные петли. Образованный жёлоб ещё раз складывается, и его петли слипаются. При этом на другом конце образуются вторичные петли. В отличие от первичных, вторичные петли оказываются обращёнными друг к другу отталкивающими сторонами. Расталкиваясь, они расходятся веером. Окончательной, чётко определённой фигуры у атома бора нет. Вторичные петли стремятся развернуться и слипнуться, но им мешают слипшиеся жёлобы.  Присасывающими у атома бора в общем случае являются все четыре петли и два жёлоба. Однако две из четырёх петли могут оказаться слипшимися; такими могут оказаться и жёлобы. Жёлобы атома бора – гибкие. В соединениях с другими атомами атом бора имеет необычайно широкие возможности – он может слипаться с ними петлями в самых разных комбинациях, или опутывать их своими жёлобами самыми разными вариантами [20].

Бор образует 2 простых вещества – аморфное и кристаллическое. Ни то ни другое не обладает металлическими свойствами. Это очень важно для понимания химии бора. Как следует из зонной теории, наличие вакантной валентной орбитали, а значит, отсутствие в твердом теле запрещенной зоны должно привести к появлению в этом теле делокализованных электронов. Бор является единственным электронно-дефицитным элементом, простое вещество которого не имеет металлических свойств [21].

Бор образует с водородом ряд летучих соединений – боранов, при комнатной температуре диборан и тетраборан газообразны, более тяжелые – жидкости, самовоспламеняющиеся на воздухе [22].

У боранов очень высокая теплота сгорания. Поэтому все они и их производные испытаны в качестве ракетных топлив. Основные препятствия для такого применения – самовоспламеняемость и очень высокая токсичность. Уникальная особенность строения боранов – многоцентровые связи. Водород в них формально двухвалентный, а бор в пента- и декаборане – пятивалентный, хотя у него, как элемента второго периода, есть только 4 орбитали (1s и 3p), что показано                                        на рисунке 1.2 [22].



Рисунок 1.2 - Схема распределения электронов по орбиталям



1.4.1 Возникновение бора

Одно из соединений бора человеку было знакомо очень давно. Этим соединением является бура Na2B4O7 ·10Н2О ? тетраборат            натрия [19]. Соединение Бора - бура - упоминается в сочинениях алхимиков под арабским названием "бурак" и латинским Borax, откуда и произошло наименование "бор" [18].

Она использовалась в качестве плавня. Плавни ? вещества, которые способствуют образованию при обжиге легкоплавких соединений и снижению температуры обжига изделий. В XVIII в. получена Н3ВО3 (борная кислота) из буры. Сам химический элемент с порядковым номером 5 «бор» был открыт в 1808 году. Два известных французских учёных Жозеф Гей-Люссак и Л. Тенар обезводили борную кислоту и на образовавшийся оксид подействовали калием. Спустя несколько месяцев бор был повторно открыт английским химиком Х. Дэви, который получил его при электролизе расплавленного борного ангидрида. Продукт, который они получили, нельзя было назвать элементарным бором, так как содержание бора было всего 60…70%. Это связано, в первую очередь, с большим сродством бора к различным химическим элементам, в первую очередь кислороду. В России в начале XIX в. этот элемент называли бурием и буротвором. В 1815 г. известный химик В. Севергин ввёл в русскую научную литературу нынешнее имя элемента № 5 – бор [19].

Получение бора

Получение бора, рассмотренное в [19], основано на обработке буры серной кислотой:

Na2B4O7*10H2O+H2SO4= 4H3BO3+ Na2SO4+ 5H2O

Кристаллы H3BO3 отфильтровывают и прокаливают:

H3BO3= В2О3+3Н2О

Аморфный бор получают восстановлением оксида бора магнием:

В2О3+3Mg=3MgO+2B



1.4.3 Свойства бора

 Элементарный бор существует в кристаллической и аморфной формах. Кристаллический бор является полупроводником. С повышением температуры его электропроводность возрастает, в отличие от металлов. 

Бор играет в природе определённую биологическую роль. Его соединения в почве, образуя неустойчивые пероксидные соединения, облегчают корневое дыхание растений; пониженное содержание бора в почве особенно вредно сказывается на развитии сахарной свёклы (появляются болезненные изменения – так называемая гниль сердечка). Бор входит в состав многих изверженных и осадочных пород. Соединения бора найдены в нефтяных водах, морской воде, соляных озёрах, горячих источниках, в вулканических и сопочных грязях, во многих почвах [19].

Химически Бор при обычных условиях довольно инертен (взаимодействует активно лишь с фтором), причем кристаллический Бор менее активен, чем аморфный. С повышением температуры активность Бора возрастает и он соединяется с кислородом, серой, галогенами. При нагревании на воздухе до 700°С Бор горит красноватым пламенем, образуя борный ангидрид B2O3 - бесцветную стекловидную массу. При нагревании выше 900 °С Бор с азотом образует нитрид бора BN, при нагревании с углем -карбид бора B4C3, с металлами - бориды. С водородом Бор заметно не реагирует; его гидриды (бороводороды) получают косвенным путем. При температуре красного каления Бор взаимодействует с водяным паром: 2B + 3Н2О = B2O3 + 3H2. В кислотах Бор при обычной температуре не растворяется, кроме концентрированной азотной кислоты, которая окисляет его до борной кислоты H3BO3. Медленно растворяется в концентрированных растворах щелочей с образованием боратов [18].

В комплексных соединениях атом Бор окружен четырьмя атомами (или группами атомов), что соответствует характерному для Бора в его соединениях координационному числу 4. Общая особенность самого Бора и его соединений - их сходство с кремнием и его соединениями [18].



Бор в организме человека

 Бор относится к числу химических элементов, которые в очень малых количествах содержатся в тканях растений и животных (тысячные и десятитысячные доли% на сухую массу). Бор необходим для поддержания нормальной жизнедеятельности растений. Важнейший симптом недостатка Бора - отмирание точки роста главного стебля, а затем и пазушных почек. Одновременно черешки и листья становятся хрупкими, цветки не появляются или не образуются плоды; поэтому при недостатке Бора падает урожай семян. Известны многие болезни, связанные с недостатком Бора, например, гниль сердечка сахарной свеклы, черная пятнистость столовой свеклы, побурение сердцевины брюквы и цветной капусты, засыхание верхушки льна, желтуха верхушки люцерны, бурая пятнистость абрикосов, опробковение яблок. При недостатке Бора замедляется окисление сахаров, аминирование продуктов углеводного обмена, синтез клеточных белков; однако ферменты, для которых Бор является необходимым элементом, пока неизвестны. При недостатке Бора у растений снижается содержание аденозинтрифосфорной кислоты, а также нарушается процесс окислительного фосфорилирования, вследствие чего энергия, выделяющаяся при дыхании, не может быть использована для синтеза необходимых веществ. При недостатке Бора в почве в нее вносят борные удобрения. В биогеохимических провинциях с избытком Бора в почве (например, в Северо-Западном Казахстане) возникают морфологические изменения и заболевания растений, вызываемые накоплением Бора,- гигантизм, карликовость, нарушение точек роста и других. На почвах с интенсивным борным засолением встречаются участки, лишенные растительности, "плешины", - один из поисковых признаков месторождения Бора. Значение Бора в организме животных пока не выяснено. У человека и животных (овец, верблюдов) при питании растениями с избыточным содержанием Бора (60-600 мг/кг сухого вещества и более) нарушается обмен веществ (в частности, активность протеолитических ферментов) и появляется эндемическое заболевание желудочно-кишечного тракта - борный энтерит [18].

В организме человека содержится 20 мг бора, из них 40 % в мышцах, 37 % в скелете. Поступает с борной кислотой и боросодержащими фармакопрепаратами. Из естественных продуктов источниками являются бобовые, виноград, груши, морковь, листовые овощи, орехи, пиво, яблоки. Суточное потребление с пищей – 1–3 мг, с водой – 0,23 мг. Период полувыведения – 11 суток, токсичная доза – 4 г. Бор стимулирует фотосинтез, синтез нуклеиновых кислот, регулирует метаболизм углеводов, повышает активность ферментов. 

Биологическая роль: важен для различных форм жизни: 

 оказывает влияние на активность некоторых ферментов (угнетает каталазу), витаминов (инактивирует витамины В2 и В12);

  усиливает действие инсулина;

  необходим для усвоения Ca; 

 обладает гонадотропным действием; 

 сохраняет кости в старческом возрасте; 

 необходим для регуляции процессов дыхания; 

 тератоген [24].

Заболевания, вызванные недостатком бора: гипоавитаминоз D, задержка роста, повышение активности щелочной фосфатазы костей. Заболевания, вызванные избытком: стерильность, анемия (в сочетании с дефицитом Cu и Co, избытком Mo). Отравления, вызванные бором: симптомы гастроэнтерита, гепатита, нефроза, отека мозга. 

В растениях бор регулирует функционирование ауксина, цитоксинов, гиббереллинов. Растения-концентраторы: багульник, береза, астрагал, молочай. Используется для получения боросиликатного стекла, при производстве синтетических моющих средств и ингибиторов горения [23].

Методы удаления бора из воды

Всем известных методов, предполагающих удаление бора из воды существует не так уж и много. К таким методам относятся следующие:

осаждение и соосаждение борат-анионов в виде труднорастворимых соединений; 

сорбция неорганическими сорбентами; 

сорбция ионитами; 

мембранная технология (обратный осмос, электродиализ).

Рассмотрим каждый из этих методов.

Сорбция неорганическими сорбентами. 

В данных источниках литературы [26-28] описано применение рассматриваемого метода для удаления соединений бора из воды. В качестве материалов, которые бы подошли для адсорбционной очистки воды от бора, испытаны: диоксид циркония (ZrO2), оксид алюминия (Al2O3), диоксид кремния (SiO2), диоксид титана (TiO2).

Образцы этих материалов исследовали на определение сорбционной емкости в статистических и динамических условиях [29]. Результаты дали оценку активности материала-сорбента.

По результатам лабораторных исследований преимущество имеет оксид алюминия и диоксид циркония.

Авторы работ предлагают в использование трехстадийный процесс. Трехстадийный процесс- это сочетание следующих свойств: сорбционной активности, высокой удельной поверхности, хорошей фильтрующей способности. Трехстадийный процесс предполагает использование золь-геля метода – получение золей циркония и алюминия с переходом их в гелеобразное состояние.

Таким образом, можно сделать вывод, что гидратированные оксиды циркония и алюминия, приготовленные по золь-гель методу, представляются преимущественными сорбционными материалами для очистки воды от соединений бора.

Экстракция. 

В работе [30] рассмотрен метод экстракции для удаления бора из воды. В работе [30] представлен ряд экстрагентов из числа алифатических кислот, органических кислот и их солей. Для повышения степени извлечения бора, экстрагенты модифицировались различными активными по отношению к бору добавками. 

В работе [94] отмечено, то что магний, содержащийся в водах нефтяных месторождений, является эффективным высаливателем бора при экстракции.

Сорбция ионитами. 

Для удаления соединений бора из воды применяют метод сорбции на органических анионитах с последующей десорбцией соляной кислотой. Воду выпаривают для извлечения поваренной соли. Этот метод плох тем, что подходит он только для вод, концентрация бора в которых более 50 мг/л. Если взять воду с меньшим содержанием бора, то он б.......................