Phương pháp khử sắt mangan trong nước

Trong nước ngầm sắt thường được tìm thấy trong giếng sâu không có oxy và độ PH thấp ở dạng hòa tan. Nồng độ của sắt có thể dao động từ dưới 1mg/l đến hơn 40mg/l. Mặc dù thường được tìm thấy ở dạng hóa trị II sắt và mangan cũng có thể tồn tại trong các hình thức khác như dưới dạng các phức hợp hữu cơ bao gồm các nguyên tố được cô lập với một phân tử hữu cơ như humuc, fulvic hoặc axit tannic. Sắt dưới dạng phức hợp như vậy có thể khó loại bỏ hơn do còn lớp vỏ bảo vệ mà phân tử hữu cơ cung cấp. Phức chất khoáng tự nhiên cũng có thể xảy ra với sự hiện diện của silicat, phốt phát hoặc polyphosphate.

Trong nước mặt sắt có thể có mặt do sự hòa tan của chúng từ sự hình thành địa chất liên quan hoặc từ sự phân hủy chất hữu cơ. Ví dụ điều kiện yếm khí trên đáy hồ chứa có thể gây ra hòa tan sắt và mangan từ đáy. Khi nhiệt độ tăng dần hoặc có sự biến động thời tiết theo mùa sắt và mangan hòa tan này sẽ phân phối vào nước nhiều hơn.

Sắt xuất hiện trong nguồn nước mặt với PH gần như trung tính bão hòa oxy sẽ thường tồn tại ở trạng thái oxy hóa. Trong trường hợp sắt chủ yếu ở hình thức hóa trị III không hòa tan. Axit hữu cơ cũng thường xuyên có mặt vì vậy cả sắt và mangan có thể tồn tại như một phức hợp. Mangan trong nước mặt có thể tồn tại ở một trong hai dạng hòa tan hoặc không hòa tan tùy thuộc vào các điều kiện tìm thấy trong nguồn nước.

Các vấn đề liên quan đến sắt trong nước

Sắt gây ra các vấn đề trong nước do oxy hóa và kết tủa dưới dạng oxit không hòa tan gây ra vấn đề thẩm mỹ và xử lý nước. Trong một hệ thống nước uống có sắt thường có mùi tanh vị kim loại gây nhuộm đồ giặt và đồ sứ.
Ngoài ra ở điều kiện thuận lợi có thể xuất hiện vi khuẩn sắt. Sự tăng trưởng của các sinh vật này có thể dẫn đến sự hình thành của lớp gelatin có thể gây ra tình trạng tắc ống và là môi trường cho sự phát triển của các vi sinh vật gây ra mùi hôi vị lạ trong nước. Ngoài ra sự ăn mòn có thể xảy ra do sự hình thành của tế bào và sự hình thành của phụ phẩm ăn mòn từ vi sinh vật.
Trong các ứng dụng công nghiệp sắt có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng hơn và tốn kém hơn để khắc phục. Nước nhiễm sắt khi vào các ứng dụng làm mềm nước hoặc khử khoáng nước có thể bị oxy hóa trên hạt nhựa, gây ô nhiễm và tiêu hao nhựa trao đổi ion dẫn đến làm mất tổng thể hiệu quả hoạt động và khả năng trao đổi ion.
Nước nhiễm sắt nếu được sử dụng cho sản xuất thực phẩm hoặc sản được phẩm có thể gây ra mùi vị, nhuộm màu sản phẩm hoặc làm biến đổi tính chất của sản phẩm.
Trong các nhà máy dệt và dệt nhuộm sắt trong nước giặt và nước nhuộm cần được đặc biệt chú ý vì gây ra vết bẩn trong quá trình giặt, thuốc nhuộm kém hiệu quả và tạo ra màu sắc.
Trong tất cả các quy trình xử lý nước công nghệ cao như sản xuất nước tinh khiết hoặc siêu tinh khiết sắt và mangan là 2 trong số những thành phần đầu tiên phải được xem xét để loại bỏ.

Đôi khi sắt và mangan cũng có thể được loại bỏ trong các quy trình chủ yếu nhằm loại bỏ các yếu tố khác ( ví dụ làm giảm độ cứng của nước bằng trao đổi ion). Tuy nhiên việc khử sắt trong nước cần phải được thực hiện một mình theo một quy trình nhất định và phải được loại bỏ trước bất kỳ quy trình xử lý nước khác như khử khoáng nước, lọc thẩm thấu ngược hay làm mềm nước.

Quy trình khử sắt mangan trong nước

Gần như tất cả các quy trình khử sắt trong nước đều dựa vào quá trình oxy hóa sắt ở dạng hòa tan thành các dạng không hòa tan cùng với các quá trình tiếp theo là lắng, lọc để loại bỏ các kết tủa thu được.

Quá trình khử sắt mangan trong nước bằng oxy hóa tiếp theo là lọc

Quy trình này được áp dụng khi hàm lượng sắt trong nước ở mức thấp. Theo đó sắt được oxy hóa thành các dạng không hòa tan sau đó được loại bỏ bằng lọc áp lực hoặc lọc trọng lực. Nước giếng khoan sẽ được sục khí (làm thoáng bằng oxy hóa) có hoặc không có điều chỉnh độ PH. Độ PH tăng sẽ thuận lợi hơn cho quá trình oxy hóa hoàn toàn sắt và nếu được nâng lên đủ cao có thể hỗ trợ quá trình oxy hóa mangan (để oxy hóa hoàn toàn mangan hòa tan mà không có thêm chất oxy hóa mạnh độ PH của nước phải tăng lên 9,5 trở lên.

Bài viết tham khảo:

Sắt nếu không có dưới dạng các phức hợp thường có thể bị oxy hóa hoàn toàn bằng sục khí trong phạm vi PH 7 -8. Sau khi sục khí một tác nhân oxy hóa mạnh hơn như clo, kali permanganate, clo dioxide hoặc ozone có thể được thêm vào để oxy hóa hoàn toàn sắt và mangan. Bảng dưới đây cho thấy lượng chất oxy hóa cân bằng hóa học cần thiết để oxy hóa 1mg sắt hòa tan

Chất oxy hóa	Số lượng để oxy hóa 1mg
Chất oxy hóa	Sắt	Mangan
Oxy	0,14	0,29
Clo	0,62	1,3
Kali permanganate	0,91	1,92
Clo dioxit	1,21	2,45
Ozone	0,86	0,87

Trong thực tế việc sử dụng một chất oxy hóa bổ sung có thể không được khuyến khích. Ví dụ hiệu quả của clo như một chất oxy hóa cho mangan phụ thuộc vào độ PH, nồng độ clo dư và các điều kiện trộn. Thường điều kiện thực tế không tối ưu cho quá trình oxy hóa mangan bằng clo. Kali permanganate là một tác nhân oxy hóa rất hiệu quả nhưng khó kiểm soát chính xác liều lượng cần thiết. Việc sử dụng quá liều lượng kali permanganate dẫn đến dư thừa và khiến cho nước có màu hồng.

Quá trình oxy hóa sắt hòa tan và mangan sau đó được lọc bằng cách sử dụng lọc cát, than antraxit, hạt mangan … để loại bỏ các oxit không hòa tan của sắt và mangan. Hạt mangan còn được gọi là hạt mangan greensand cũng được sử dụng trong quá trình lọc để loại bỏ sắt và đặc biệt là mangan.

Nếu mangan không có trong nước thô hoặc mangan có thể được dung nạp trong nước được xử lý, việc sử dụng chất oxy hóa mạnh sau sục khí làm thoáng có thể được loại bỏ. Ngoài ra việc điều chỉnh trước và sau PH có thể không cần thiết. Sục khí một mình sau khi khử trùng bằng clo và lọc có thể cung cấp nước sạch không có sắt trong những trường hợp này. Để loại bỏ mangan cần kiểm soát chặt chẽ độ PH của nước và chất oxy hóa bổ sung có thể được yêu cầu.

Trạm xử lý nước giếng khoan tại công ty CP Đức Thắng – Hưng Yên

Quá trình khử sắt mangan trong nước bằng keo tụ lắng và lọc

Khi sắt mangan có mặt trong nước ở nồng độ rất cao hoặc khi tồn tại dưới dạng oxit không hòa tan hoặc như một phức hợp hữu cơ có thể được tìm thấy trong nước mặt, việc loại bỏ sắt và mangan ở mức độ thấp hơn có thể được thực hiện bằng cách sử dụng hóa chất keo tụ và lắng tiếp theo là lọc. Ngoài ra khi nước có độ đục hoặc độ màu cao bước keo tụ tạo bông lắng sẽ cần phải thực hiện.

Khi xử lý nước giếng khoan không có quy tắc bất dịch nào để xác định chính xác những trường hợp nào cần thực hiện bước keo tụ tạo bông và tiếp theo là lọc cả. Phương pháp được chọn sẽ phụ thuộc vào nhiều điều kiện bao gồm cả nồng độ sắt và mangan, dạng hóa học mà chúng tồn tại, công suất lọc của thiết bị và xử lý bổ sung khác ngoài việc khử sắt và mangan trong nước (như làm mềm nước, độ đục của nước cao hay độ màu của nước cao). Các yếu tố khác được xem xét là chi phí vốn ban đầu, chi phí vận hành và hóa chất, yêu cầu xử lý chất thải và chất lượng nước thải cần thiết.

Đối với nước giếng khoan quá trình keo tụ tạo bông và lắng là khả thi hơn so với việc sử dụng trao đổi ion hoặc oxy hóa và lọc khi nồng độ sắt và mangan và công suất lọc của thiết bị đều cao. Với nồng độ sắt và mangan thấp và công suất lọc cao hoặc hàm lượng sắt và mangan cao và công suất lọc thấp thì quá trình trao đổi ion hoặc oxy hóa sau khi lọc có thể sẽ kinh tế hơn.

Quá trình khử sắt mangan trong nước bằng keo tụ tạo bông lắng và lọc là quá trình oxy hoàn toàn các nguyên tố thành các dạng không hoàn tan để loại bỏ phần lớn các oxit kim loại và công đoạn lọc cuối cùng để loại bỏ các sản phẩm kết tủa còn lại của quá trình oxy hóa.

Trong nước mặt sắt và mangan đã bị oxy hóa thì sự đông tụ là cần thiết để kết tụ oxit kết tủa và hỗ trợ lắng.

Ngoài ra oxy hóa bổ sung bằng cách sử dụng một tác nhân oxy hóa có thể được yêu cầu nếu mangan ở dạng khử của nó. Keo tụ tạo bông và lắng sẽ đảm bảo loại bỏ phần lớn các oxit kim loại và cho phép đủ thời gian giam giữ cho quá trình oxy hóa hoàn toàn sắt và mangan.

Điều kiện nước thô có thể thay đổi và quy trình xử lý cần phải kiểm soát tốt để đảm bảo duy trì chất lượng nước sau xử lý. Với nguồn nước mặt bước sục khí làm thoáng được loại bỏ vì sắt trong nước mặt thường ở dạng không hòa tan mặc dù có thể có phức hợp hữu cơ. Mangan nếu có trong hình thức hòa tan sẽ cần được oxy hóa bằng cách sử dụng một trong những hóa chất oxy hóa mạnh như đã đề cập ở phần trên. Bước keo tụ tạo bông và lắng lọc sẽ loại bỏ tất cả các kết tủa

Phương pháp khử sắt mangan trong nước bằng trao đổi ion

Phương pháp khử sắt mangan trong nước bằng cách sử dụng nhựa trao đổi cation axit mạnh chỉ được áp dụng với nguồn nước thô chứa hàm lượng sắt mangan ở mức thấp.

Phản ứng trao đổi tương tự như trong quá trình làm mềm nước bằng trao đổi ion tức là diễn ra sự thay đổi vị trí giữa ion Fe²⁺trong nước với ion Na⁺ từ hạt nhựa. Ngoài việc loại bỏ sắt và mangan, độ cứng canxi magie cũng được trao đổi làm mềm nước thô. Sau một thời gian hoạt động hoặc một lượng nước được lọc nhựa sẽ cần phải tái sinh thành dạng natri.

Bài viết tham khảo về trao đổi ion

Những cân nhắc về thiết kế và vận hành trong quá trình khử sắt mangan trong nưâc bằng trao đổi ion bao gồm:

Đặc điểm nước thô (bao gồm nồng độ và dạng sắt mangan hiện tại)
Tỷ lệ sắt trên tổng số cation hóa trị II
Công suất nhựa
Kỹ thuật tái sinh
Phương pháp làm sạch hóa học và vật lý của nhựa.

Nhìn chung mangan dễ dàng loại bỏ bằng cách trao đổi ion hơn sắt do nó ở dạng hóa trị II hòa tan ổn định hơn nhiều so với sắt hóa trị II. Do đó mangan hoạt động giống như canxi và magie hơn trong quá trình trao đổi và không xuất hiện các vấn đề thường liên quan đến nhựa trao đổi sắt và ion.

Để phản ứng trao đổi ion xảy ra, sắt và mangan phải tồn tại ở dạng hòa tan. Nước thô không được chứa chất oxy hóa và không nên được điều chỉnh PH trước khi thực hiện. Sự hiện diện của bất kỳ loài oxy hóa hoặc điều chỉnh PH có thể dẫn đến quá trình oxy hóa sắt II thành sắt III kết tủa. Các oxit sắt hạt mịn sẽ không được trao đổi trên nhựa và rất ít nếu có sẽ được loại bỏ bằng cách lọc dẫn đến rò rỉ sắt từ các lớp nhựa. Lỗi hạt nhựa có thể xảy ra do nhựa được phủ một vỏ bọc giống như hydroxit sắt không hòa tan. Tình trạng này xảy ra do sắt ở trạng thái sắt III trước khi vào nhựa hoặc do quá trình oxy hóa của nó trên nhựa trong quá trình chạy dịch vụ. Sự ô nhiễm nghiêm trọng sau đó có thể xảy ra dẫn đến mất khả năng trao đổi ion và giảm trong động học hoặc tốc độ của phản ứng trao đổi ion. Ngoài ra điều kiện oxy hóa trong nước thô có thể oxy hóa sắt kim loại, đã được trao đổi và nằm trong ma trận của nhựa ở dạng sắt. Điều này có thể gây ra nứt vỡ nhựa do tăng khối lượng oxit kết tủa.

Thiết kế và vận hành quá trình trao đổi ion để khử sắt mangan sẽ yêu cầu cách tiếp cận thay đổi một chút so với làm mềm nước để loại bỏ các ion canxi và magie.

Bài viết: Làm mềm nước là gì – Các phương pháp làm mềm nước

Ví dụ khả năng trao đổi làm mềm bình thường của nhựa cation axit mạnh 8% liên kết ngang là khoảng 20 kilograins/ft ở mức tái sinh muối 6%. Với làm mềm để loại bỏ độ cứng, đầy đủ năng lực hoạt động của nhựa ở mức tái sinh cụ thể sẽ được sử dụng. Do đó nếu sử dụng mức tái sinh 10% thì khả năng trao đổi ion của nhựa sẽ tăng lên khoảng 25 kilograins /ft.

Tuy nhiên với quá trình trao đổi ion để loại bỏ sắt, nhựa cần được giảm xuống để ngăn chặn tải nhựa với sắt. Theo phần trăm của sắt trên tổng số ion hóa trị II tăng điều này càng trở nên quan trọng. Giảm hoặc sử dụng ít hơn năng lực trao đổi hoạt động thực tế ở một mức tái sinh nhất định có thể được thực hiện bằng duy trì khả năng hoạt động cụ thể và tăng liều lượng muối hoặc bằng cách giảm thời gian chạy dịch vụ ở mức tái sinh cụ thể. Một trong 2 điều kiện sẽ dấn đến việc sử dụng một phần của tổng công suất thay đổi có sẵn, ngăn chặn việc nhựa nạp lượng sắt quá cao.

Thông thường quá trình trao đổi ion được sử dụng để loại bỏ sắt và mangan trong đó tỷ lệ sắt trên tổng số cation hóa trị II rất thấp khoảng 2% hoặc ít hơn. Ở tốc độ dòng chảy thiết kế thông thường là 6-12 GPM/ft² thời gian chạy không quá 24 giờ giữa các lần tái sinh. Điều này sẽ ngăn chặn sắt từ lão hóa trên nhựa, giảm thiểu khả năng ô nhiễm.

Ngay khi tất cả các khuyến nghị này được tuân theo, các vấn đề có thể xảy ra trong quá trình tái sinh nhựa thành dạng natri. Trong quá trình tái sinh, dung dịch nước muối sẽ chứa ít nhất một lượng nhỏ oxy hòa tan. Điều này có thể gây ra quá trình oxy hóa của sắt và các ion mangan được giữ trong hoặc trên nhựa hoặc khi chúng được trao đổi gây ra tình trạng vỡ hạt. Tình trạng này có thể tránh được bằng cách thêm 0,01 lg natri hydrosulfite cho mỗi gallon tái sinh. Natri hexametaphosphate trong chất tái sinh cũng có thể được sử dụng như cơ chế của nó khác với natri hydrosulfite. Các polyphosphate cô lập sắt khi nó được trao đổi nhựa và mặc dù quá trình oxy hóa của sắt vẫn có thể xảy ra sự cô lập ngăn chặn sự kết tụ của sắt các oxit sẽ gắn vào và làm bẩn các hạt nhựa.

Khi sắt và mangan ở mức rất thấp thì việc khử sắt mangan trong nước bằng trao đổi ion không gặp vấn đề lỗi gì nhưng khi nồng độ sắt trong nước thô tăng lên thì cần có thiết bị tiền xử lý riêng biệt để loại bỏ sắt và mangan trước khi làm mềm nước hoặc khử khoáng nước bằng trao đổi ion.

Khi loại bỏ sắt trong nước bằng trao đổi ion bất kể tỷ lệ của sắt trên tổng số cation trao đổi hoặc ion hóa trị II là như thế nào, thì cần thiết có hóa chất làm sạch nhựa. Tần suất làm sạch phụ thuộc vào cả loại và số lượng sắt trong nước được xử lý và các điều kiện dẫn đến quá trình oxy hóa sắt . Hóa chất phổ biến nhất là axit hydrochloric cho nhựa bị nhiễm sắt và natri hydrosulfite cho nhựa bị nhiễm mangan.

Nhìn chung khử sắt mangan trong nước bằng trao đổi ion có thể được thực hiện nhưng dưới một số điều kiện nghiêm ngặt nên trong thực tế không áp dụng phương pháp này để khử sắt trong nước.

Các phương pháp xử lý nước giếng khoan

Phương pháp khử sắt mangan trong nước

Quy trình khử sắt mangan trong nước

BÀI VIẾT LIÊN QUAN