Бор. Способы удаления



Несмотря на столь малое количество бора и его неравномерное распределение в земной коре, удаление бора из воды, использующейся в питьевых и технических целях, является частой и актуальной проблемой в водоподготовке.

Описание бора и история открытия

Бор - элемент главной подгруппы третьей группы второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 5. Обозначается символом B (Borum). В свободном состоянии бор - бесцветное, серое или красное кристаллическое, либо тёмное аморфное вещество. Известно более 10 аллотропных модификаций бора, образование и взаимные переходы которых определяются температурой, при которой бор был получен.

Впервые Бор был получен в 1808 году французскими физиками Ж. Гей-Люссаком и Л. Тенаром нагреванием борного ангидрида B2O3 с металлическим калием. Через несколько месяцев бор получил Х. Дэви электролизом расплавленного B2O3. Название этого химического элемента произошло от арабского слова бурак или персидского бурах которые использовались для обозначения буры.

Борсодержащая руда

Нахождение в природе

Бура

В земной коре находится относительно небольшое количество бора - около 4 г/т. При этом известно около сотни собственных минералов бора, в «чужих» минералах он почти не встречается. Это объясняется тем, что у комплексных анионов бора (а именно в таком виде он входит в большинство минералов) нет достаточно распространенных аналогов. Почти во всех минералах бор связан с кислородом. Сам по себе элементарный бор в природе не встречается. Однако он входит во многие соединения и широко распространён, особенно в небольших концентрациях, в виде боросиликатов и боратов, а также в виде изоморфной примеси в минералах. Так же бор входит в состав многих изверженных и осадочных пород. Бор часто встречается в нефтяных и морских водах, в водах соляных озёр, горячих источников и грязевых вулканов.

Источником бора для подземных вод служат бороносные осадочные породы (борацит, бура, калиборит, улексит, колеманит, ашарит), породы, сложенные известково-магнезиально-железистыми силикатами и алюмосиликатами (так называемые "скарны"), соленосные отложения, а также вулканические породы и глины, содержащие бор, сорбированный из морской воды. Существенный "вклад" в появление бора в водах вносят стоки стекольного, металлургического, машиностроительного, текстильного, керамического, кожевенного производств и коммунальные сточные воды, содержащие моющие вещества. В местах разработки боросодержащих руд и внесении в почву боросодержащих удобрений наблюдается локальное загрязнение почвы и следующее из этого загрязнение грунтовых вод. Бор малотоксичен для рыб и других водных обитателей и практически не накапливается у них в организме. Как правило, бор накапливается в чешуе. Однако этот элемент способен накапливаться в растениях (особенно в овощах и фруктах) и поэтому присутствует в яблоках (245 мкг%), грушах (135 мкг%), винограде (365 мкг%), моркови (200 мкг%), орехах (мкг% - это величина, показывающая содержание вещества в микрограммах в 100 граммах продукта).

Скарн
Груши
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 (Н3ВО3) с частичной ее диссоциацией на H2BO3- и ВО33-, 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 (НВО2). 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. В маломинерализованных подземных водах содержание бора составляет, как правило, десятки-сотни мкг/дм3, однако в минерализованных щелочных водах его концентрация может достигать единиц и даже десятков мг/л, что делает такую воду потенциально небезопасной для питьевого применения.

Влияние бора на организм человека

Роль бора в человеческом организме пока недостаточно исследована, однако установлено, что ионы бора оказывают влияние на метаболизм. Бор способствует повышению усвоения кальция и повышения уровня эстрогена в крови. Так же бор участвует в метаболизме стероидных гормонов. Бор оказывает влияние на активность некоторых ферментов, повышает уровень сахара в крови и угнетает окисление адреналина.

Содержание бора в организме взрослого человека составляет около 20 мг, наибольшая концентрация отмечается в костной ткани, селезенке и щитовидной железе.

Норма бора в питании ориентировочно составляет 1 мг, максимальная суточная доза потребления - 13 мг. Недостаток бора в организме человека приводит к нарушению обмена макроэлементов и развитию различных заболеваний, таких как остеопороз, нехватка витамина D и т.п.

Избыток бора пагубно влияет на организм человека. Так как бор является иммунотоксичным элементом, он провоцирует раздражение пищеварительного тракта, нарушение процессов пищеварения, борную интоксикацию, поражающаю печень, почки, центральную нервную систему. Однако по данным исследований, проведенных в США, бор не был отнесен к числу канцерогенов, повышающих вероятность появления и развития злокачественных опухолей.

Способы удаления бора из воды

Существует множество способов удаления бора из воды:

  • осаждение и соосаждение в виде труднорастворимых соединений;
  • сорбция ионообменными смолами;
  • мембранная технология (обратный осмос).

Метод осаждения и соосаждения бора довольно трудоемок и мало применителен к среднестатистическим водам (так как рассчитан на концентрацию бора в воде не менее 1 г/л), поэтому остановимся подробней на втором и третьем методах.

Удаление бора ионобменными борселективными смолами

Фильтр с ионобменной борселективной смолой

Данный метод основан на ионном обмене и образовании комплексов свободных оснований загрузки с анионами солей бора. Таким образом, анионы солей бора задерживаются на загрузке, при этом в целом химический состав очищаемой воды по главным ионам практически не изменяется. 

Ряд активности борселективной смолы можно записать следующим образом:

Cl < SO4 < HCO3 < B(OH)4

То есть, в первую очередь на смоле осаждаются анионы солей бора, затем в меньшей степени гидрокарбонаты, сульфаты и в последнюю очередь - хлориды.

Борселективные смолы имеют высокую химическую и механическую стойкость, хорошо регенерируются и способны работать в широком диапазоне рН. Однако у них есть и существенный минус регенерация раствором кислоты и последующее кондиционирование раствором едкого натра. Это доставляет неудобства в виде кислотно-щелочных стоков, более дорогого химически стойкого оборудования и личной безопасности во время приготовления растворов. Так же борселективные смолы имеют высокую стоимость.

Мембранная технология удаления бора

Для удаления бора из воды методом обратного осмоса используются специальные борселективные мембраны.

Соотношение ионов B(OH)3 и B(OH)4 в воде определяется показателем pH. В щелочной среде происходит переход от ионов B(OH)3 в B(OH)4. Наибольшую селективность мембраны обратноосмотических установок имеют как раз по иону B(OH)4. На графике, расположенном ниже, отображено соотношение ионов B(OH)3 и B(OH)4, а так же изменение селективности мембраны по бору в зависимости от рН воды.

Так же эксперементально установлено, что селективность мембран обратноосмотических установок возрастает с понижением температуры.

Удаление бора при концентрациях, незначительно превышающих ПДК согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 может осуществляться на установках одноступенчатого осмоса на борселективных мембранах с предварительным повышением  уровня рН до обратноосмотической установки и подкислением воды перед подачей конечному потребителю. При более высоких концентрациях рекомендуется использовать обратноосмотические установки с двумя ступенями борселективных мембран. При этом химическая коррекция до и после установки не нужна. Повышение уровня рН происходит внутри установки после первой ступени. При прохождении воды через вторую ступень уровень рН снижается до нормы.

Установка обратно осмоса

Установки двухступенчатого осмоса снижают концентрацию бора в воде на порядок и, несмотря на более высокую стоимость, является более выгодным и экономичным вариантом по сравнению с одноступенчатой установкой. Обслуживание двухступенчатого осмоса обходится в среднем 1,5 раза дешевле.

График соотношения ионов бора и изменение селективности мембраны по бору в зависимости от уровня рН.
График соотношения ионов бора и изменение селективности мембраны по бору в зависимости от уровня рН.

В заключение. Таким образом, можно сделать выводы о том, что удаление бора из воды является довольно сложным и интересным процессом с точки зрения химии. При этом есть простые и надежные в исполнении варианты решения этой проблемы в виде обратноосмотических установок и борселективных смол.

Химик-технолог 
ООО «Компания «СТАРТ ПЛЮС»
Янковская Ольга Анатольевна

Специальные предложения

Обслуживание и сервис Обслуживание и сервис

Мы рады предложить нашим клиентам комплексное обслуживание систем водоподготовки. После установки оборудования мы можем взять Ваш объект на сервисное обеспечен

SOFTNOR безреагентное умягчение SOFTNOR безреагентное умягчение

Уникальная технология SOFTNOR безреагентного умягчения воды, разработанная специалистами немецкой компании Watch GmbH.

Анализы исходной воды Анализы исходной воды

Мы предлагаем услуги по анализу исходной воды. Возможен как стандартный подход к процедуре, так и гибкий выбор анализируемых показателей.

Водоочистка административных зданий Водоочистка административных зданий

Для решения функциональных и имиджевых задач мы предлагаем использовать эффективные и надежные промышленные фильтры.