Очистка воды от марганца. Деманганация воды

Наравне с железом и сероводородом, марганец содержится в земной коре повсеместно и встречается виде солей 2-х валентного марганца MnO (II). Соли хорошо растворяются, а значит, их сложнее вывести из воды. Избыточное содержание марганца присуще подземным и наземным водоемам, которые бедны кислородом: здесь его концентрация достигает нескольких мг/л.

СанПиН диктует предельно допустимое содержание марганца в воде хозяйственно-питьевого назначения на уровне 0,1 мг/л, а для бутилированной еще меньше – 0,05 мг/л. Превышение этих норм легко заметить: появляются пятна на санитарно-технических изделиях и нежелательный привкус воды. На внутренних стенках трубопроводов образуется осадок, который отслаивается в виде черной пленки. Ряд исследований показывают, что марганец вызывает расстройство нервной системы, чрезмерный мышечный тонус вплоть до судорог, психические расстройства и другие малоприятные последствия. Таким образом, деманганация воды – процесс крайне важный.

Химизм процесса деманганации

Для удаления солей марганца двухвалентного состояния (Mn2+) из воды их необходимо перевести в нерастворимое состояние окислением в трех- и четырехвалентную форму (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, то есть ускоряет процесс окисления двухвалентного марганца растворенным кислородом. Для эффективного окисления марганца кислородом необходимо, чтобы значение рН очищаемой воды было на уровне 9,5-10,0.

Перманганат калия, хлор или его производные (гипохлорит натрия), озон позволяют вести процесса деманганации при меньших значениях рН, равных 8,0-8,5. Для окисления 1 мг растворенного марганца, нужно 0,291 мг кислорода.

Методы деманганации воды

Марганец чаще всего встречается вместе с железом, однако процесс деманганации намного сложнее процесса обезжелезивания. В некачественных системах водоочистки это видно сразу: после аэрации и фильтрования содержание железа снизилось до 0,05 мг/л и ниже, а содержание марганца или осталось неизменным, или упало незначительно – на 10-15% от исходной величины, оставаясь выше предельно допустимой нормы. Из этого следует, что проектируя качественные системы водоочистки, деманганации следует уделить особое внимание, воспользовавшись наиболее подходящим методом из нижеперечисленных.

Глубокая аэрация с последующим фильтрованием

На первом этапе очистки из воды под вакуумом извлекают свободную углекислоту, что способствует повышению значения рН до 8,0–8,5. Для этой цели используют вакуумно-эжекционный аппарат, при этом в его эжекционной части происходят диспергирование воды и ее насыщение кислородом воздуха. Далее вода направляется на фильтрацию через зернистую загрузку, например, кварцевый песок.

Глубокая аэрация и фильтрование эффективны при перманганатной окисляемости исходной воды не более 5 мгО/л. Если показатель выше, значит, скорее всего, марганец содержится в виде органических комплексов, то есть результаты метода ухудшаются.

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. Если в исходной воде такое соотношение не выполняется, то в воду дополнительно дозируют сульфат железа (железный купорос).

Деманганация перманганатом калия

Метод успешно применяется для воды из любых источников: удаляет сульфат марганца MnSO4, коллоидные соединения из поверхностных водоемов, бикарбонат двухвалентного марганца Мn (НСОз) из подземных.

При введении в воду перманганата калия растворенный марганец окисляется с образованием малорастворимого оксида марганца. Осажденный оксид марганца в виде хлопьев имеет высокую развитую удельную поверхность – примерно 300 м2 на 1 г осадка, что определяет его высокие сорбционные свойства. Осадок – хороший катализатор, позволяющий вести демангацию при рН = 8,5.

Для удаления 1 мг Mn2+ требуется 1,92 мг перманганата калия. Это вещество очищает воду не только от марганца, но и от железа во всех проявлениях, а также улучшает органолептические свойства воды.

Практика применения данного метода показывает, что доза перманганата калия должна составлять 2 мг на каждый мг марганца, при этом окисляется до 97% Mn2+. После перманганата калия вводят коагулянт для удаления продуктов окисления и взвешенных веществ и далее фильтруют на песчаной загрузке. При очистке от марганца подземных вод параллельно с перманганатом калия вводят активированную кремниевую кислоту из расчета 3–4 мг/л или флокулянты. Это позволяет укрупнить хлопья оксида марганца.

Каталитическое окисление марганца

Каталитическое влияние на процесс окисления двухвалентного марганца растворенным кислородом оказывает предварительное осаждение оксидов марганца на поверхности зерен фильтрующей загрузки. Данный процесс подходит как для обезжелезивания, так и для деманганации воды.

При необходимости в воде после аэрации увеличивают степень щелочности, затем, в процессе фильтрования, 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. Как всякий классический катализатор, Mn(OH)4 почти не расходуется.

Фильтрование через модифицированную загрузку

Данный метод позволяет повысить ресурс работы фильтрующей загрузки за счет закрепления пленки катализатора из гидроксидов железа и оксида марганца на поверхности зерен. Метод также сокращает расход перманганата калия.

Перед началом фильтрования через фильтрующую загрузку последовательно пропускают снизу вверх раствор железного купороса (FeSO4) и перманганат калия, а затем загрузку обрабатывают тринатрийфосфатом (Na3PO4) или сульфитом натрия (Na2SO3). Скорость фильтрования исходной воды, подаваемой сверху вниз, составляет 8-10 м/ч. Каталитическую пленку можно создать так же, пропуская через загрузку фильтра 0,5%-ный раствор хлорида марганца и перманганата калия.

Введение реагентов-окислителей

Скорость процесса окисления двухвалентного марганца реагентами-окислителями из ряда: хлор, диоксид хлора (ClO2), гипохлорит натрия, озон – 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 мин. В большинстве случаев (если окислитель – только кислород и рН <7,0) обрабатываемая вода должна быть подщелочена. Требуемая доза реагента для окисления Mn2+ до Mn4+ по стехиометрии составляет 1,3 мг на каждый миллиграмм растворенного двухвалентного марганца. Фактические дозы гораздо выше.

Обработка воды озоном или диоксидом хлора

Такая обработка значительно эффективнее. Процесс окисления марганца завершается в течение 10-15 мин при значении 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 потому доза должна быть увеличена. Указанные количества окислителей KMnO4, ClO2, O3 – теоретические. Практически дозы окислителей зависят от значения рН, времени контакта окислителей с водой, от образующихся отложений, содержания органических веществ, конструкции аппаратов и могут составить увеличение по сравнению с теоретическими количествами:

• для KMnO4 – в 1-6 раз,
• для ClO2 – в 1,5-10 раз,
• для O3 – в 1,5-5 раз.

Удаление марганца методом ионного обмена

Удаление марганца (II) методом ионного обмена так же, как и железа (II), происходит при натрий и водород-катионировании. Метод оптимальный, если необходимо одновременно выполнить деманганацию, обезжелезивание и глубокое умягчение воды.

«Сибирская экологическая компания» проектирует эффективные системы водоочистки для деманганации и обезжелезивания воды из разных источников. Офис компании расположен в Омске, но мы также работаем с клиентами из всех регионов России и Казахстана.