Odżelazianie i usuwanie manganu

Wanny napowietrzające do odżelaziania i usuwania manganu

Żelazo i mangan są w chemii wody , usuwając z wody 2-wartościowe związki żelaza i manganu . Wody powierzchniowe zwykle nie zawierają lub zawierają niewielkie ilości tych związków metali. W przeciwieństwie do tego, większe ilości żelaza (II), manganu (ll) znajdują się w podziemnych .

Niskie poziomy związków żelaza (II) i manganu (II) nie mają właściwości toksycznych. Jednakże, ponieważ te związki żelaza i manganu tworzą w obecności tlenu trudno rozpuszczalne czerwono-brązowe do czarnych hydraty tlenków, są one usuwane z wody przed użyciem.

Zgodnie z przepisami prawa woda pitna może nie zawierać lub zawierać bardzo małe ilości. Zgodnie z międzynarodowymi wytycznymi WHO wartości graniczne dla wody pitnej wynoszą 0,2 mg / l dla żelaza i 0,05 mg / l dla manganu. W przypadku wody pitnej w Niemczech należy spełnić wymogi prawne niemieckiego rozporządzenia w sprawie wody pitnej ( DIN 2000 ). Odpowiadają one określonym wartościom granicznym WHO. Oprócz wody pitnej woda użytkowa jest również w większości uzdatniana przed użyciem, aby była wolna od wyższych poziomów tych związków.

Związki żelaza i manganu w wodzie

Wody gruntowe są często ubogie w tlen i mają nieco właściwości redukujące. To powoduje, że żelazo i mangan są rozpuszczane z warstw ziemi, o ile zawierają one takie związki metali. Często obecne są wodorowęglany i tak dalej

• Wodorowęglan żelaza (II) = Fe (HCO ₃ ) ₂ i
• Wodorowęglan manganu (II) = Mn (HCO ₃ ) ₂

W wodzie rzadziej wykrywalne są związki siarczkowe (na przykład siarkowodór żelaza (II)) i kwasy humusowe . Woda kopalniana może zawierać szczególnie duże ilości tych związków metali . W literaturze podaje się zawartość żelaza do 15 mg / l. W badaniu przeprowadzonym w NRD w 1971 r. Podano następujące częstotliwości poziomów żelaza i manganu dla wody surowej:

Rodzaj metalu	Zawartość w mg / l	Liczba wód
żelazo	≤ 0,4 mg / l 0,4 do 1,0 mg / l 1,0 do 5,0 mg / l > 5,0 mg / l	62 woda surowa 55 surowej wody 278 wody surowej 99 wody surowej
mangan	≤ 0,4 mg / l 0,4 do 0,8 mg / l > 0,8 mg / l	379 wody surowej 74 woda surowa 41 wody surowej

Metoda przetwarzania

Większość systemów przetwarzania do ekstensywnego usuwania rozpuszczonych związków żelaza i manganu składa się z urządzenia wentylacyjnego i stopnia filtracyjnego. Jako medium filtracyjne stosowany jest głównie piasek kwarcowy. Przy wyższej zawartości żelaza stosowane są również filtry warstwowe z 2 różnymi mediami filtracyjnymi.

Nawet filtry żwirowe, które nie zostały zalane, tak zwane „filtry suche” (poziom wody w filtrze utrzymywany jest poniżej dna filtra), sprawdziły się tutaj jako pierwszy stopień filtracji, zwłaszcza przy dużej zawartości Fe (ok. 10 do 25 mg / l). Powietrze utleniające może być dostarczane we współprądzie i przeciwprądzie. Etap usuwania manganu jest zwykle połączony z prądem.

Utlenione hydraty tlenków metali są trudno rozpuszczalne i korzystnie osadzają się na powierzchni ziaren żwiru. Warstwy utworzone na ziarnach katalitycznie intensyfikują utlenianie. Dlatego nowe filtry i nowe wypełnienia filtrów wymagają około jednego do dwóch tygodni szkolenia, zanim zostaną optymalnie wyczyszczone, zwłaszcza demanganizacja, podczas której może trwać jeszcze dłużej, zanim warstwa hydratu tlenku nagromadzi się na medium filtracyjnym.

Do przetwarzania nadają się następujące procesy:

• Zabieg tlenowy i mikroaerobowy
• Leczenie anoksyczne
• Leczenie ozonem

Zabieg tlenowy i mikroaerobowy

Napowietrzanie zwiększa zawartość tlenu w wodzie surowej. To doprowadzenie tlenu umożliwia konwersję metali z 2-wartościowego etapu utleniania do 3-wartościowego dla żelaza i 4-wartościowego dla manganu.

Podczas oczyszczania tlenowego w wodzie surowej _{ustala się} zawartość tlenu ≥ 4,0 mg / l O _2, a reakcje bakteryjne, jeśli w ogóle, są tylko nieznacznie wykrywalne.

Jeśli jednak do wody surowej doda się tylko niewielką ilość tlenu, wówczas utlenianie odbywa się w dużej mierze za pomocą bakterii. Mówi się wtedy o zabiegu mikroaerobowym . Jednak wyższe zawartości tlenu utrudniają rozwój bakterii i dlatego nie są dozwolone przed etapem filtrowania. Jednak po etapie filtracji wymagany jest kolejny stopień wentylacji. W tym przypadku zawartość tlenu wzrasta do tego stopnia, że w rurach żelaznych może powstać ochronna warstwa wapiennej ochrony przed rdzą . Jeśli konieczne jest również wyregulowanie równowagi wapno-kwas węglowy , w przypadku obróbki mikroaerobowej jest to również wykonywane dopiero po etapie filtrowania.

Równania reakcji dla żelaza i manganu są następujące:

${\ Displaystyle \ mathrm {2 \ Fe (HCO_ {3}) _ {2} + {\ tfrac {1} {2}} \ O_ {2} + \ H_ {2} O \ longrightarrow}}$${\ Displaystyle \ mathrm {{2 \ FeO (OH) \ cdot H_ {2} O \ downarrow} + \ 4 \ CO_ {2}}}$

Wodorowęglan żelaza (II) reaguje z tlenem i wodą, tworząc nierozpuszczony hydrat tlenku żelaza (III) i dwutlenek węgla

Uwaga : dla hydratów tlenku żelaza (III) możliwe są różne wzory, często znane również jako wzór: Fe ₂ O ₃ .xH ₂ O wskazane

${\ Displaystyle \ mathrm {Mn (HCO_ {3}) _ {2} + {\ tfrac {1} {2}} \ O_ {2} \ longrightarrow}}$${\ Displaystyle \ mathrm {{\ MnO_ {2} \ cdot H_ {2} O \ downarrow} +2 \ CO_ {2}}}$

Wodorowęglan manganu (II) reaguje z tlenem, tworząc nierozpuszczony hydrat tlenku manganu (IV) i dwutlenek węgla

Utlenianie metali jest przyspieszane zarówno przez reakcje katalityczne na powierzchni produktów strącania, jak i przez reakcje wywołane przez bakterie. W zależności od zastosowanego procesu przeważa reakcja katalityczna lub bakteryjna. Wpływ bakterii został wykazany zwłaszcza w przypadku żelaza. Badania ze skaningowego mikroskopu elektronowego wykazały, że szlam hydratu tlenku w filtrze doświadczalnym składał się głównie z osadów wstęgowych z gatunku bakterii Gallionella feruginea . Ta bakteria czerpie energię metaboliczną z utleniania żelaza. Oprócz żelaza w manganie zaobserwowano także bakteryjny wzrost utleniania. Hyphomicrobium i Pedomicrobium zostały zidentyfikowane jako bakterie .

W przeciwieństwie do usuwania żelaza, które jest w dużej mierze bezproblemowe, o ile żelazo nie jest związane z kwasami humusowymi , ekstensywne usuwanie manganu może być trudniejsze. Dzieje się tak zwłaszcza wtedy, gdy zawartość związku żelaza jest niska, a wartość pH uzdatnianej wody przekracza 7,8. Przy tych wyższych wartościach pH niż 7,8 demanganizacja (tworzenie MnO ₂ ) musi być w większości przypadków wspomagana przez dodanie silnego utleniacza, na przykład nadmanganianu potasu . Aby skrócić czas szkolenia nowych filtrów, które są głównie przeznaczone do usuwania manganu z wody, korzystnie jest pozwolić, aby słaby roztwór nadmanganianu działał na materiał filtra. Na powierzchni ziaren filtra osadza się cienka warstwa dwutlenku manganu, który katalitycznie przyspiesza utlenianie dwuwartościowego manganu. Można również aplikować tzw. „Wbudowany” żwir z filtra, który działał przez długi czas, co skraca czas treningu.

Leczenie anoksyczne

W przypadku braku tlenu azotan może również reagować jako akceptor elektronów, a więc jako utleniacz z metalami na stopniu utlenienia 2. Obszerne usuwanie zawartości metalu można było zademonstrować w placówce testowej. Tutaj azotan jest rozkładany na azot, przez co azotyn nie był wykrywalny. Jednak właśnie przy tym utlenianiu azotanów metodą znaną w tej dziedzinie, pojedynczy proces nie jest ekonomiczny ze względu na ich podatność na zakłócenia i dłuższe czasy reakcji i jest rzadko stosowany.

Równanie reakcji utleniania azotanów jest następujące:

${\ Displaystyle \ mathrm {5 \ Fe (HCO_ {3}) _ {2} + NaNO_ {3} + 3 \ H_ {2} O \ longrightarrow}}$${\ Displaystyle \ mathrm {{5 \ FeO (OH) \ cdot H_ {2} O \ downarrow} + \ 10 \ CO_ {2} + NaOH + 0,5 \ N_ {2}}}$

Wodorowęglan żelaza (II) reaguje z azotanem sodu i wodą, tworząc nierozpuszczony hydrat tlenku żelaza (III), dwutlenek węgla , wodorotlenek sodu i azot

Leczenie ozonem

Wody gruntowe, szczególnie blisko powierzchni, mogą również zawierać zwiększone ilości zanieczyszczeń organicznych. Przy normalnej wentylacji, flokulacji i filtrowaniu, te org. Związki, również ze względu na zapach i smak czystej wody, często nie są w dużej mierze usuwane. Taka surowa woda, na przykład filtraty bankowe , jest traktowana silniejszymi utleniaczami i adsorbentami jako mediami filtracyjnymi. Jeśli jako utleniacz do czyszczenia używany jest ozon, stosuje się zmodyfikowaną technikę oddzielania żelaza i manganu.

Żelazo dwuwartościowe reaguje z ozonem w taki sam sposób, jak podczas używania tlenu do tworzenia hydratu tlenku żelaza (III). W przeciwieństwie do tego mangan jest utleniany do poziomu 7-walentnego. Równanie reakcji jest następujące:

${\ Displaystyle \ mathrm {2 \ Mn (HCO_ {3}) _ {2} + \ 5 \ O_ {3} + \ 2 \ NaHCO_ {3} \ longrightarrow}}$${\ Displaystyle \ mathrm {2 \ NaMnO_ {4} \ +6 \ CO_ {2} + \ 5 \ O_ {2}}}$

Wodorowęglan manganu (II) + wodorowęglan sodu reaguje z ozonem, tworząc nadmanganian sodu, dwutlenek węgla i tlen

Ponieważ nadmanganiany są łatwo rozpuszczalne, tylko wytrącone żelazo jest często oddzielane na pierwszym etapie filtracji. Po etapie filtracji mangan jest nadal rozpuszczony w czystej wodzie. Redukcja do dwutlenku manganu odbywa się w dalszym, drugim stopniu filtracji, w którym jako środek redukujący, adsorber i medium filtracyjne pełni węgiel aktywny. Teoretycznie żelazo i mangan można również odfiltrować przy użyciu samego węgla aktywnego lub filtra ze złożem warstwowym z węglem aktywnym i żwirem. Jednak przy wyższych zawartościach żelaza warstwa węgla aktywnego bardzo szybko uległaby zamuleniu. Spowodowałoby to, że cykle między 2 płukaniami wstecznymi byłyby zbyt krótkie. Dlatego ze względów ekonomicznych separacja odbywa się zwykle na 2 oddzielnych stopniach filtracji.

W technologii wodnej proces Düsseldorfu jest procesem (patrz poniżej), który został opracowany w celu czyszczenia filtratu z brzegów Renu . Ponieważ uzdatniana woda surowa zawiera tylko niewielkie ilości związków żelaza i manganu, proces ten jest filtrowany przez 2 oddzielne warstwy węgla aktywnego.

Zobacz też

• Woda rozmrożona

Indywidualne dowody

1. ^ Heinrich Sontheimer, Paul Spindler, Ulrich Rohmann: Chemia wody dla inżynierów . Centrum badawcze DVGW w Engler-Bunte-Institute Uniwersytetu w Karlsruhe 1980, ZfGW-Verlag Frankfurt, ISBN 3-922671-00-4
2. ↑ Międzynarodowe normy dla wody pitnej , Światowa Organizacja Zdrowia, Genewa 1971, wydanie trzecie, tabela 3, strona 40
3. ↑ Klaus Hagen , bbr, Techniczne uzdatnianie wody, tom 46, 4/95
4. ↑ Dipl.-Ing. Günter Lamm , WWT, 21 rok 1971, nr 4, s.120
5. ↑ Christoph Czekalla , bbr Fachtechnik Wasseraufbereitung, vol. 48, 1997, nr 4, s.26
6. ↑ Christoph Czekalla , bbr Fachtechnik Wasseraufbereitung, vol. 48, 1997, nr 4, s. 24
7. ↑ Christoph Czekalla , bbr Fachtechnik Wasseraufbereitung, Vol. 48, 1997, Issue 4, s. 22-26
8. ^ AF Holleman , E. Wiberg : Podręcznik chemii nieorganicznej . 37-39 Wydanie. Walter de Gruyter, Berlin 1956, s. 536.
9. ↑ Christoph Czekalla, Hubert Kotulla , gfw Wasser · Abwasser, Vol. 131, 1990, Issue 3, pp. 126-132
10. ↑ Christoph Czekalla, Hubert Kotulla , gfw Wasser Abwasser, tom 131, 1990, wydanie 3, str. 129
11. ↑ Christoph Czekalla , bbr Fachtechnik Wasseraufbereitung, vol. 48, 1997, nr 4, s.23
12. ↑ Christoph Czekalla, Hubert Kotulla , gfw Wasser Abwasser, Vol. 131, 1990, Issue 3, str. 131
13. ↑ Christoph Czekalla, Hubert Kotulla , gfw Wasser Abwasser, vol. 131, 1990, nr 3, str.130
14. ^ Raport z Francji , wlb (woda, powietrze i eksploatacja), tom 21, 1977, nr 7, s. 400
15. ^ Stadtwerke Düsseldorf: klienci indywidualni> woda pitna

Uwagi

1. ↑ Aby zapoznać się z konsekwencjami zwiększonego spożycia związków zawierających żelazo przez organizm ludzki, patrz Metabolizm żelaza