Технологии и оборудование
>Удаление железа и марганца из воды (деманганация)
Под землей марганец представляет собой хорошо растворимую соль, его состояние при этом двухвалентное (Mn2+). Чтобы избавиться от марганца в воде, надо сделать так, чтобы он стал нерастворимым. Для этого достаточно преобразовать его в III или IV- валентную форму, для этого элемент окисляют. После такого воздействия марганец гидролизуется, причем во время процесса образуются гидроксиды марганца с различной валентностью (3 и 4), практически не растворяющиеся в воде. 
Четырехвалентный гидроксид марганца после оседания на зернистом наполнителе фильтра становится катализатором, он способствует ускорению окислительного процесса двухвалентного марганца с участием растворенного кислорода.
Чтобы избавление от марганца методом окисления при помощи кислорода было эффективным, уровень рН должен находиться в пределах 9,5-10,0. При использовании перманганата калия, хлора, а также его производных (гипохлорита натрия) или же применении озона процесс деманганации может проходить и при меньшем значении рН (8,0-8,5). Чтобы окислить 1 мг растворенного в воде марганца, понадобится 0,291 мг кислорода. Один из самых сильных окислителей, озон, может быть эффективным при широком диапазоне значений рН.
Один из самых распространенных методов – проведение глубокой аэрации с последующей фильтрацией. На первой стадии обработки воде из нее под вакуумом выделяют свободную углекислоты, таким образом удается повысить уровень рН до значения 8.0-8,5. Традиционно применяют вакуумно-эжекционное оборудование, в котором производится диспергирование воды, а затем она обогащается кислородом. После этого вода фильтруется с применением зернистого наполнителя, к примеру, кварцевого песка.
Такой метод может применяться, если перманганатная окисляемость начальной воды не превышает 9,5 мгО/л. Кроме того, обязательно наличие двухвалентного железа, во время окисления которого выделяется гидроксид железа, впитывающий двухвалентный марганец и окисляющий его. При этом следует соблюдать соотношение между двухвалентными железом и марганцем 1:7. Если это условия не выполняется, в воду следует добавить железный купорос (сульфат железа).
Избавиться от марганца можно при помощи перманганата калия. Этот способ подходит для очищения как поверхностных вод, так и для грунтовых. Когда в воду добавляют перманганат калия, происходит окисление растворенного марганца, при этом образуется малорастворимый оксид этого элемента. Он оседает вниз, имеет при этом хлопьеобразное состояние, обладает высокой удельной поверхностью, приблизительно 300 кв. м на 1 г вещества, благодаря чему ему свойственны высокие свойства впитывания. Этот осадок – отличный катализатор, в его присутствии возможна демангация при значении рН 8,5. С целью избавления от 1 мг двухвалентного марганца придется затратить 1,92 мг реагента (перманганата калия).
Ранее уже говорилось о том, что с помощью перманганата калия можно удалить не только марганец, но и различные формы железа. Одновременно исчезают запахи и улучшается вкус воды (благодаря сорбции).
Практическими опытами было установлено оптимальное соотношения для избавления от марганца с использованием перманганата калия, на каждый 1 мг марганца следует брать 2 мг перманганата калия. При такой пропорции окислится около 97% двухвалентного марганца.
Следующий этап очистки воды – введение в нее коагулянта, это нужно для выведения продуктов окисления, а также элементов, находящихся в воде в виде взвеси. После коагуляции вода подвергается фильтрации с применением песчаного наполнителя. Также может использоваться ультрафильтрующее оборудование. Если от марганца потребовалось очистить грунтовые воды, следует одновременно с перманганатом калия добавлять в них кремниевую кислоту (активированную), в количестве 3-4 мг/л, также можно использовать флокулянты. Тогда хлопья марганца будут крупнее.
Подобно процессу обезжелезивания при избавлении от марганца во время остановки его оксидов на поверхности зернистой фильтрующей загрузки происходит катализация окисления марганца растворенным кислородом. Если фильтруется вода после аэрации (по потребности и подщелачивания), на зернах песчаного наполнителя может оседать слой гидроксида четырехвалентного марганца. Ионы двухвалентного марганца впитываются поверхностью гидроксида марганца, затем происходит процесс гидролизации, во время которого получается Mn2O3, затем он окисляется и снова становится четырехвалентным Mn(OH)4. В результате вновь может участвовать в реакции каталитического окисления. При этом его расход практически нулевой.
С целью увеличения срока использования фильтрующего наполнителя благодаря образованию на нем пленки катализатора, состоящей из оксида марганца и гидроксидов железа, а также для снижения затрат перманганата калия можно использовать еще один способ. Суть его в том, что перед фильтрацией через наполнитель пропускают железный купорос в растворенном состоянии снизу вверх и перманганат калия. После этой манипуляции загрузка подвергается воздействию сульфита натрия (Na2SO3) и тринатрийфосфата (Na3PO4). Исходная вода подается сверху, скорость ее фильтрации равна 8-10 м/ч. Для создания каталитической пленки можно также использовать хлорид марганца (0,5% раствор) и перманганат калия, пропускаемые через наполнитель фильтра.
На скорость окисления марганца хлором, диоксидом хлора, гипохлоритом натрия, озоном влияет показатель рН. Если добавляется гипохлорит натрия или хлор, достаточно полный эффект окислительной реакции можно будет наблюдать при рН не меньше 8,0-8,5 при длительности взаимодействия между водой и окислителем 60-90 минут. Чаще всего исходную воду приходится подщелачивать, эта необходимость возникает при использовании в качестве окислителя кислорода и при рН меньше 7.
Согласно стехиометрии, чтобы окислить двухвалентный марганец до четырехвалентного, понадобится 1,3 мг реагента на 1 мг марганца. Но это теоретические сведения, практические дозы обычно намного выше.
Гораздо эффективнее обрабатывать воду диоксидом хлора или озоном. Окисление марганца в таком случае отнимает всего 10-15 минут при условии, что параметр рН равен 6,5-7,0. По стехиометрии порция озона должна составлять 1,45 мг (диоксида хлора 1,35 мг) на 1 мг двухвалентного марганца. Следует учесть, что в процессе озонирования озон разлагается оксидами марганца, из-за чего его порция должна быть больше, чем указано в теоретических расчетах.
Приведенные выше дозы окислителей (перманганата калия, оксида хлора и озона) взяты из книжек. На практике дозировка зависит от рН воды, времени воздействия окислителей на воду, соединений, образующихся в процессе окисления, наличия органических веществ, используемого оборудования. Чаще всего их необходимо брать больше, чем получается из теоретических расчетов: перманганата калия – в 1-6 раз; оксида хлора – в 1,5-10 раз, озона – в 1,5-5 раз.
Избавиться от марганца можно также способом ионного обмена. Для этого проводится натриевое или водородное катионирование. Метод хорош в тех случаях, когда надо не только избавиться от избытка железа и марганца, но и смягчить воду.
