Обезжелезивание и деманганация воды
В. В. Банников, канд. техн. наук
Директор предприятия «Экосервис Технохим»
(www.etch.ru)
Содержание
1. Обезжелезивание воды
1.1. Химизм процессов в воде с участием железа
1.2. Методы обезжелезивания воды
Упрощенная аэрация
Аэрация на специальных устройствах
Коагуляция и осветление, известкование
Введение реагентов-окислителей
1.3. Скорые напорные фильтры обезжелезивания
1.4. Каталитические наполнители
2. Деманганация воды
Глубокая аэрация с последующим фильтрованием
Деманганация перманганатом калия
Каталитическое окисление марганца
Фильтрование через модифицированную загрузку
Введение реагентов-окислителей
Литература
2. Деманганация воды
Марганец присутствует в земной коре в большом количестве и обычно он встречается вместе с железом. Содержание растворимого марганца в подземных и поверхностных водах, бедных кислородом, достигает нескольких мг/л. Российские санитарные нормы ограничивают уровень предельно-допустимого содержания марганца в воде хозяйственно-питьевого назначения до 0,1 мг/л, а в некоторых странах Европы эта величина ниже 0,05 мг/л. Превышение содержания марганца ухудшает органолептические свойства воды. При уровне выше 0,1 мг/л марганец приводит к появлению пятен на санитарно-технических изделиях, а также нежелательного привкуса воды. На трубопроводах образуется пленка, которая отслаивается в виде черного осадка [3].
В подземных водах марганец находится в виде хорошо растворимых солей в двухвалентном состоянии. Для удаления марганца из воды его необходимо перевести в нерастворимое состояние окислением Mn2+ в Mn3+ и Mn4+. Окисленные формы марганца гидролизуются с образованием практически нерастворимых гидроксидов Mn(OH)3 и Mn(OH)4. Последний при осаждении на зернистой загрузке фильтра проявляет каталитические свойства, т.е. ускоряет процесс окисления двухвалентного марганца растворенным кислородом.
Для эффективного окисления марганца необходимо, чтобы величина рН очищаемой воды была на уровне 8,0-8,5. В качестве окислителя применяют перманганат калия, хлор или его производные (гипохлорит натрия), озон, кислород воздуха.
Глубокая аэрация с последующим фильтрованием
На первом этапе очистки из воды под вакуумом извлекают свободную углекислоту, что способствует повышению величины рН до 8-8,5. Для этой цели используют вакуумно-эжекционный аппарат, при этом в его эжекционной части происходит диспергирование воды и ее насыщение кислородом воздуха. Далее вода направляется на фильтрацию через зернистую загрузку, например кварцевый песок.
Данный метод очистки применим при окисляемости исходной воды не выше 9,5 мг О2/л. При этом в воде обязательно присутствие двухвалентного железа, при окислении которого образуется гидроксид железа, адсорбирующий Mn2+ и каталитически его окисляющий. Соотношение концентраций [Fe2+] / [Mn2+] не должно быть менее 7/1 [11]. Если в исходной воде это соотношение не выполняется, то в воду дополнительно дозируют сульфат железа (железный купорос).
Деманганация перманганатом калия
Этот метод применим как для поверхностных, так и для подземных вод. При введении в воду перманганата калия растворенный марганец окисляется с образованием малорастворимого оксида марганца согласно следующему уравнению:
3 Mn2+ + 2 KMnO4 + 2 H2O = 5 MnO2↓ + 4 H+ (1)
Осажденный оксид марганца в виде хлопьев имеет высокую развитую удельную поверхность примерно 300 м2 на 1 г осадка, что определяет его высокие сорбционные свойства.
В соответствии с уравнением для удаления 1 мг Mn2+ требуется 1,88 мг перманганата калия. Как уже отмечалось выше, перманганат обеспечивает удаление из воды не только марганца, но и железа в различных формах. Также удаляются запахи и улучшаются вкусовые качества воды за счет сорбционных свойств.
В [11] приведены экспериментальные данные по удалению марганца с помощью перманганата калия, которые показывают, что для снижения концентрации Mn2+ в воде до 97 % доза перманганата должна составлять 2 мг на каждый мг марганца. После введения перманганата вводят коагулянт для удаления продуктов окисления и взвешенных веществ и далее фильтруют на песчаной загрузке.
При очистке от марганца подземных вод параллельно с перманганатом вводят активированную кремневую кислоту из расчета 3-4 мг/л или флокулянты. Это позволяет укрупнить хлопья оксида марганца.
Каталитическое окисление марганца
Как и в процессах очистки от железа, так и при деманганации предварительное осаждение оксидов марганца на поверхности зерен фильтрующей загрузки оказывает каталитическое влияние на процесс окисления двухвалентного марганца растворенным кислородом. В процессе фильтрования предварительно аэрированной и при необходимости подщелоченной воды на зернах песчаной загрузки образуется слой осадка гидроксида марганца Mn (OH)4. Ионы растворенного Mn2+ адсорбируются поверхностью гидроксида марганца и гидролизуются, образуя оксид трехвалентного марганца Mn2O3. Последний окисляется растворенным кислородом вновь до Mn (OH)4, который опять участвует в процессе каталитического окисления. Уравнения реакций этих процессов можно представить следующим образом:
Mn(OH)4 + Mn(OH)2 = Mn2O3 + 3 H2O (2)
2 Mn2O3 + 2 O2 + 8 H2O = Mn(OH)4 ↓ (3).
Практическая реализация процессов (2) и (3) возможна при использовании каталитических наполнителей, описанных в разделе 5.13.3. В этом же разделе приведены требования к исходной воде и рабочие параметры процессов. Можно отметить, что величина рН очищаемой воды может быть значительно меньше, чем в традиционных процессах деманганации (8,0-8,5).
Фильтрование через модифицированную загрузку
В пособии [11] указывается, что для повышения ресурса работы фильтрующей загрузки за счет закрепления пленки катализатора из гидроксидов железа и оксида марганца на поверхности зерен, а также для снижения расхода перманганата, предлагается следующий метод.
Перед началом фильтрования через фильтрующую загрузку последовательно пропускают снизу вверх раствор железного купороса FeSO4 и перманганат калия, а затем ее обрабатывают тринатрийфосфатом Na3PO4 или сульфитом натрия Na2SO3.
Скорость фильтрования исходной воды, подаваемой сверху вниз, составляет 8-10 м/ч.
Введение реагентов-окислителей
Скорость процесса окисления двухвалентного марганца реагентами-окислителями из ряда хлор, диоксид хлора ClO2, гипохлорит натрия, озон в значительной мере зависит от величины рН исходной воды.
При введении хлора или гипохлорита натрия эффект окисления достигается в достаточно полной мере при значениях рН не менее 8,0-8,5 и времени контакта окислителя и воды 60-90 минут. В большинстве случаев обрабатываемая вода должна быть подщелочена. Требуемая доза реагента для окисления Mn2+ до Mn(OH)4 по стехиометрии составляет 1,3 мг на каждый мг растворенного двухвалентного марганца. Фактические дозы значительно выше.
Обработка воды озоном или диоксидом хлора значительно эффективнее. Процесс окисления марганца завершается в течение 10-15 минут при величине рН воды 6,5-7,0. Доза озона по стехиометрии составляет 1,45 мг, а диоксида хлора 1,35 мг на 1 мг двухвалентного марганца. Однако при озонировании воды озон подвержен каталитическому разложению оксидами марганца, а поэтому доза должна быть увеличена [11]. При концентрации Mn2+ 0,4 мг/л расход озона составляет 2 мг/мг [Mn2+], а при 0,8 мг/л - 4 мг/мг [Mn2+].
Литература
1. Строительные Нормы и Правила 2.04.02-84* «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения».
2. Кожинов В.Ф. Очистка питьевой и технической воды. - М.: Издательство литературы по строительству, 1971.- 304 с.
3. Руководство по контролю качества питьевой воды - 2-е издание, том 1, рекомендации, Женева, Всемирная организация здравоохранения, 1994.-257 с.
4. Лифшиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных установок. - изд. 2-е, М.: Энергия, 1976.- 288 с.
5. Усаковский В.М. Водоснабжение и водоотведение в сельском хозяйстве. - М.: Колос, 2002.- 328 с.
6. Методическое пособие по водоподготовке. - изд. 3-е, М.: Группа компаний «Импульс», 2004.
7. Запольский А.К., Баран А.А. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. - С-Пб.: Химия, 1987.- 208 с.
8. Кульский Л.А. Обезвреживание и очистка воды хлором. - М.-Л.: Изд. Министерства коммунального хозяйства, 1947. - 424 с.
9. Банников В.В. и др. Обеззараживание питьевой воды, приготовление дезинфицирующих растворов, обезвреживание сточных вод. - М.: НПП Санер, 1996. - 31 с.
10. ГОСТ 11086-76. Гипохлорит натрия. Технические условия.
11. Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. - М.: Изд. МГУ, 1996.- 680 с.
12. Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н. Контроль качества воды. - М.: Стройиздат, 1977.- 135 с.
13. Кубасов В.Л., Банников В.В. Электрохимическая технология неорганических веществ. - М.: Химия, 1989.- 288 с.
14. Интернет-сайт компании «Альянс-Нева», www.alliance-neva.ru, июль 2004 г.
15. Кулаков В.В., Сошников Е.В., Чайковский Г.П. Обезжелезивание и деманганация подземных вод. - Хабаровск: Изд. ДВГУПС, 1998. - 100 с.
