Arsen w wodzie – przyczyny, skutki oraz metody usuwania

Arsen oraz jego związki są czynnikami rakotwórczymi, których działanie zostało potwierdzone licznymi badaniami. Niestety pierwiastek ten jest powszechnie obecny w wodach gruntowych i powierzchniowych, gdzie występuje w dużych ilościach. Na szczęście można go usunąć z wody za pomocą prostych technologii, takich jak adsorpcja na tlenkach i wodorotlenkach żelaza czy współstrącenie z żelazem. W usuwaniu arsenu pożądane efekty przynoszą również niektóre metody membranowe.

 

Arsen

Arsen jest jednym z tak zwanych metaloidów lub półmetali. Do tej grupy należą również selen, krzem i german. W naturze najczęściej występuje w postaci siarczków. Jest również powszechnym pierwiastkiem towarzyszącym rudy srebra, złota, niklu, kobaltu lub żelaza. Arsen był w przeszłości wykorzystywany do produkcji pigmentów - bogata zieleń wiktoriańskich tapet zawdzięcza swój kolor związkom arsenu. Obecnie pierwiastek ten jest wykorzystywany do produkcji elementów półprzewodnikowych oraz do produkcji różnych środków owadobójczych, grzybobójczych lub chwastobójczych. Arszenik, czyli trójtlenek arsenu jest silną trucizną. Śmiertelna dawka dla człowieka wynosi od 0,06 do 0,2 g. Maksymalne dopuszczalne stężenie arsenu w wodzie wynosi 10 µg/l.

 

Jak arsen dostaje się do wody?

Niestety, arsen jest bardzo powszechnym składnikiem wód powierzchniowych i gruntowych, gromadzi się także w osadach rzecznych. Stężenie, w jakim wstępuje to zazwyczaj od jednego do kilkudziesięciu µg/l. Aasen nie ma wpływu na właściwości wody, więc bez analizy chemicznej jego obecność jest trudna do wykrycia. Niestety, antropogeniczne źródła arsenu są nadal liczne.

Najważniejsze z nich to:

• przemysł metalurgiczny;
• stosowanie niektórych środków owadobójczych, grzybobójczych i chwastobójczych;
• stosowanie niektórych środków do konserwacji drewna;
• spalanie paliw kopalnych.

 

 

Arsen w wodzie w przeszłości i obecnie

Jeśli spojrzymy w przeszłość, nie brakuje przypadków masowego zatrucia arszenikiem spowodowanego piciem zanieczyszczonej wody. Na przykład Wielka Brytania doświadczyła masowego przypadku zatrucia arszenikiem na przełomie XIX i XX wieku, kiedy to zatruciu uległo kilka tysięcy osób pijących piwo. Sytuacja Bangladeszu jest obecnie bardzo poważna. Na obszarze, gdzie woda powierzchniowa jest skażona mikrobiologicznie, organizacje takie jak WHO i ONZ zachęcały do budowy studni głębinowych. W ten sposób dziesiątki milionów ludzi zostało narażonych na picie wód gruntowych skażonych arsenem. Wysoki poziom arsenu w wodach gruntowych wynika głównie ze składowisk odpadów. Według dostępnych danych, picie skażonej wody jest przyczyną nawet 20% wszystkich zgonów w tym kraju.

Arsen występuje w wodach na III i V stopniu utlenienia, może również występować w związkach organicznych. Utlenianie AsIII do AsV zachodzi chemicznie i biochemicznie, ale tempo utleniania przez tlen rozpuszczony w wodzie jest stosunkowo wolne. Utlenianie przez rozpuszczony tlen może być katalizowane przez związki miedzi. Stosunkowo szybkie jest także utlenianie arsenu przez chlorowanie.

 

Toksyczne działanie

Toksyczne działanie arsenu zależy od formy, w jakiej arsen dostaje się do organizmu. Na sposób toksycznego działania wpływają inne metale będące powiązane z arsenem. W przypadku arsenu jego związki nieorganiczne są bardziej toksyczne niż związki organiczne. Istnieje również różnica w toksyczności związków nieorganicznych, z których związki, gdzie arsen jest trójwartościowy, są znacznie bardziej toksyczne niż związki, gdzie występuje on na piątym stopniu utlenienia. Związki AsIII są około pięć do dwudziestu razy bardziej toksyczne niż związki AsV. Metaliczny arsen sam w sobie nie jest toksyczny, ale jest szybko metabolizowany do toksycznego trójtlenku arsenu.

Zatrucie arsenem prowadzące do śmierci występuje w przypadku spożycia wody pitnej o zawartości arsenu 60 mg. Woda pitna zawierająca 0,3-30 mg powoduje nudności, wymioty i zaburzenia jelitowe. Następuje spadek liczby czerwonych i białych krwinek. Ogólne objawy zatrucia arsenem to zmęczenie, zaburzenia rytmu serca, pieczenie dłoni i stóp.

Przewlekłe zatrucie występuje przy długotrwałym przyjmowaniu doustnym i objawia się zmianami skórnymi, zwłaszcza zgrubieniem skóry na dłoniach i podeszwach, brodawkami i zmianami w układzie naczyniowym.

Ponadto liczne badania potwierdzają rakotwórcze działanie arsenu. Jest on odpowiedzialny przede wszystkim za nowotwory żołądka, skóry, płuc, wątroby lub nerek.

Metody usuwania arsenu

Stosunkowe proste technologie są zwykle wystarczające do usunięcia arsenu z wody.

Adsorpcja na tlenkach żelaza i glinu

Wykazano, że arsen bardzo intensywnie sorbuje się na uwodnionych tlenkach żelaza i glinu, przy czym AsV jest zatrzymywany w znacznie większym stopniu niż AsIII. Optymalna adsorpcja AsV leży w kwasowym zakresie pH, ponieważ AsV występuje tam głównie jako anion, a jego adsorpcja wymaga dodatnio naładowanej powierzchni uwodnionego tlenku. Niższa adsorpcja AsIII może wynikać z faktu, że występuje on głównie w formie niejonowej, dlatego korzystne jest wcześniejsze przekształcenie wszystkich form arsenu przez utlenianie do AsV.

Współstrącanie z żelazem i filtracja

Współstrącanie z żelazem (jeśli żelazo jest obecne w wystarczających ilościach w wodzie), a następnie filtracja, np. na złożu piaskowym, również może być stosowane do usuwania arsenu. Należy jednak użyć środka utleniającego, takiego jak chlor, podchloryn sodu lub dwutlenek chloru oraz jeśli to możliwe, należy pracować w zakresie o niższym pH wody.

Chemisorpcja

Obecnie najpowszechniejsze jest stosowanie materiałów ziarnistych na bazie tlenków i wodorotlenków żelaza. Usuwanie arsenu opiera się na zasadzie nieodwracalnej adsorpcji chemicznej. Chemisorpcja jest szczególnym przypadkiem adsorpcji, w którym wiązanie chemiczne powstaje między substancją adsorbowaną a materiałem adsorbentu. Wiązanie chemiczne może tworzyć się tylko między określonymi cząsteczkami, chemisorpcja jest bardzo specyficzną metodą. Tylko jedna warstwa cząsteczek jest zatrzymywana na powierzchni materiału przez proces chemisorpcji, a inne warstwy mogą być związane z materiałem poprzez fizyczne oddziaływania międzycząsteczkowe. Arsen wiąże się głównie z kationami żelaza.

Obecnie najczęściej stosowana jest sorpcja na granulowanych nośnikach opartych na tlenkach i wodorotlenkach żelaza. Jest to selektywna, tania, ekonomicznie uzasadniona i bardzo skuteczna metoda. Wykorzystanie jej pozwala zmniejszyć stężenie arsenu w wodzie poniżej limitu 10 μg/l.

Technologie membranowe

Technologie membranowe również oferują skuteczne możliwości usuwania arsenu z wody. Są one wykorzystywane na przykład do usuwania odcieków ze składowisk odpadów lub rewitalizacji źródeł wód gruntowych. Obejmują one na przykład zastosowanie ultrafiltracji w połączeniu z przedawkowaniem koagulantu żelazowego (zwykle chlorku żelaza). Można również stosować inne technologie membranowe, takie jak nanofiltracja i odwrócona osmoza.

 

 

Podsumowanie

Związki arsenu należą do najstarszych i najbardziej znanych trucizn i niestety nadal są wykorzystywane głównie do produkcji herbicydów lub środków do konserwacji drewna. Arsen dostaje się do środowiska głównie poprzez stosowanie tych substancji. Odcieki ze składowisk odpadów oraz przemysł metalurgiczny i hutniczy są innymi ważnymi antropogenicznymi źródłami arsenu. Na szczęście arsen, który jest czynnikiem rakotwórczym, można usunąć z wody za pomocą bardzo prostych metod, takich jak adsorpcja na granulowanych tlenkach i wodorotlenkach żelaza lub współstrącanie z żelazem. Technologie oparte na wykorzystaniu ultrafiltracji, odwróconej osmozy lub nanofiltracji również oferują interesujące zastosowania i zostały pomyślnie przetestowane w przypadku rewitalizacji źródeł wód gruntowych i usuwania odcieków ze składowisk odpadów.

 

 

Wszystkie opisane powyżej technologie znajdują się w ofercie firmy EuroClean. Problemy z wodą? Zapraszamy do kontaktu.