Основную часть наших опытов мы провели, используя в качестве фильтрующей загрузки обыкновенный силикатный строительный песок. Перед использованием песок тщательно отмывали от мелких частиц многократным взмучиванием и сливанием мутной воды. Затем песок сушили и просеивали через сито.

Для формирования слоя марганцевого катализатора первоначально мы испытали описанную в литературе [11,13] систему « восстановитель MnCl2 – окислитель KMnO4», а также готовый препарат MnO2. Затем стали искать замену хлориду марганца в реакции с марганцовкой, так как эту соль можно достать только в химической лаборатории. Основным критерием отбора вещества-восстановителя была его общедоступность, а также отсутствие психологического отторжения (химиофобии), так как это вещество должно использоваться населением в процессе очистки питьевой воды.

Из доступных веществ на роль восстановителя годятся железный купорос FeSO4 · 7H2O (продается в хозяйственных магазинах), этиловый спирт С2Н5ОН и аскорбиновая кислота С6Н8О6 (витамин С, продается в аптеке).

Мы решили, что использование железного купороса в процессе обезжелезивания воды вызовет психологическое отторжение у потребителей (хотя в литературе описана работа установки [9], в которой используется система « восстановитель FeSO4 – окислитель KMnO4»). В реакции окисления этилового спирта перманганатом калия образуется токсичный альдегид. В результате наш выбор остановился на аскорбиновой кислоте.

Окисление аскорбиновой кислоты перманганатом калия является многостадийным и сложным процессом [17] (см. приложение 7). Состав продуктов окисления зависит от условий реакции и количественного соотношения компонентов, но в любом случае они не токсичны для организма человека.

Мы проделали ряд опытов, чтобы подобрать оптимальное соотношение между компонентами окислительно-восстановительной реакции.

При избытке аскорбиновой кислоты происходит восстановление перманганата до двухвалентного марганца, при этом раствор мгновенно обесцвечивается. При недостатке восстановителя образуется красно-коричневый раствор K2MnO4.

Опытным путем мы установили, что для образования MnO2 надо взять растворы аскорбинки и марганцовки с одинаковой массовой долей, например, 0,5% или 1%, и смешать их в равных объемных отношениях.

Процесс окисления при этом можно описать следующей схемой:

2H+ + MnO4− + C6H8O6 → C6H6O6 + MnO2↓ + 2H2O (9)

аскорбиновая дегидроаскорбиновая

кислота кислота

Для формирования на поверхности песка слоя марганцевого катализатора были использованы различные технологические приемы:

1) последовательное пропускание растворов через фильтрующую загрузку;

2) тщательное смешивание сухого оксида марганца с песком;

3) смешивание фильтрующей загрузки со свежеполученной суспензией MnO2;

4) последовательное добавление растворов окислителя и восстановителя к песку с тщательным перемешиванием и отстаиванием.

При любом способе обработки песок сильно темнел и становился коричневым за счет образования слоя MnO2. При фильтровании воды по мере расходования оксида марганца песок осветлялся. В момент проскока в слое песка были видны лишь небольшие темные зоны. Удалению катализатора с носителя способствовала повышенная кислотность нашего рабочего раствора (рН ~ 4-5), а также то, что железо присутствовало в сульфатной форме, а не в карбонатной форме, как в большинстве подземных водоисточников.