Podstawy teoretyczne odżelazianie wody, odmanganianie wody

Jak czytaliście z jednym w poprzednich artykułów w temacie odżelazianie wody - żelazo zazwyczaj występuje łącznie z innymi pierwiastkami. Najpopularniejszym z nich jest mangan Mn. Przypomnimy pokrótce podstawy teoretyczne usuwania żelaza, i spojrzymy na problem globalnie.

Najpopularniejsze metale w skorupie Ziemskiej

ŻELAZO

Mino, że zalicza się do pierwiastków niezbędnych w naszym organizmie, w wodzie stanowi składnik niepożądany. Już niewielkie ilości żelaza >1 mgFe/dm3 będą powodować powstawanie brudnych, brązowych zacieków na przyborach sanitarnych. Żelazo w wodzie w ilościach większych zmieni smak wody na nieprzyjemny i metaliczny, a już na pewno zniszczy bieliznę w pralce. Niekiedy w wodzie z ujęcia zawartość żelaza dochodzi do 30 i więcej mgFe/dm3.
Wartość dopuszczalna w Polsce wynosi 0,2 mgFe/dm3, czyli 200 ugFe/dm3.

W wodach głębinowych żelazo występuje głównie w postaci dwuwartościowej Fe2+ - głównie jako wodorowęglan żelazawy Fe(HCO3)2, lub siarczan żelazawy FeSO4. Oba związki są nietrwałe i dość łatwo ulegają procesowi hydrolizy, a przy zetknięciu się z atmosferą - wskutek rozpuszczania się w wodzie tlenu - utleniają się do żelaza trójwartościowego, tworząc w wodzie wodorotlenek żelazowy Fe(OH)3, w myśl reakcji:

Fe(HCO3)2 + H2O -> Fe(OH)2+H2CO3 -> Fe(OH)2 + H2O + CO2­
2Fe(OH)2 + O + H2O -> 2Fe(OH)3 (str)

Wodorotlenek żelazowy Fe(OH)3 jest związkiem trudno rozpuszczalnym w wodzie, wydziela się w postaci ciemnoczerwonych kłaczków i dość łatwo daje się odfiltrować na złożach piaskowych, poprzez klasyczne odżelazianie. Proces kłaczkowania (tworzenia dających się odfiltrować koglomeratów) nadaje wodzie specyficzną barwę. Jeśli woda ze studni odstoi, i po kilku dniach zmieni barwę na żółtą, to jest właśnie efekt samoistnego wytrącania się związków żelaza. W wodach powierzchniowych (rzadko w podziemnych), żelazo występuje także w postaci koloidalnych, zawieszonych cząstek FeS, Fe(OH)3 lub jako związki organiczne (humusy). Wszystkie te postacie żelaza nie podlegają procesowi hydrolizy i są trudne do usunięcia z wody, nadając jej naturalną barwę od jasnosłomkowej, do koloru herbaty.

Żelazo występuje w skorupie Ziemskiej pod różnymi, i wieloma postaciami. Poniżej przykłady minerałów zawierających żelazo.

Ruda żelaza, Magnetyt, Limonit, Syderyt, Piryt

Ruda żelaza  Magnetyt  Limonit  Syderyt  Piryt

MANGAN 

Jest pierwiastkiem znacznie rzadziej występującym w wodzie. Stężenie manganu może się wahać od 0-10 mgMn/dm3 (wartość dopuszczalna – 0,05 mgMn/dm3 ), przy czym sporadycznie spotkamy go w wodach powierzchniowych, częściej natomiast w wodach głębinowych, gdzie obecny jest w postaci rozpuszczalnej dwuwartościowej i tworzy sole - podobnie jak inne związki (chlorki, siarczany). W postaci utlenionej jako dwutlenek manganu MnO2 staje się nierozpuszczalny w wodzie tworząc czarne, twarde, grudkowate osady. Mangan, podobnie jak żelazo jest pierwiastkiem niepożądanym w wodzie.

Mangan jest toksyczny, organizacje światowe wręcz zabraniają stosowania wody zawierającej mangan dla sporządzania posiłków dla niemowląt. Mangan jest mikroelementem niezbędnym do życia i funkcjonowania organizmu. Ale nadmiar może prowadzić do powstawania chorób neurologicznych. Co ciekawe - Mangan z pożywienia jest doskonale asymilowany przez organizm ludzki, a nadmiar wydalany. Natomiast mangan pochodzący z wody nie jest przyswajany, i kumulowany w organizmie do bardzo wysokich stężeń, podobnie jak inny toksyczny metal ciężki rtęć, kadm, czy ołów. To odkrycie stało się przyczyną niskich norm zawartości manganu w wodzie. 

Pomijając aspekt zdrowotny - na bieliźnie i przyborach sanitarnych pozostawia siwe lub czarno-brunatne, bardzo twarde i trudne do usunięcia plamki/przebarwienia. Mangan  w wodzie stanowi też znakomitą pożywkę dla bakterii, głównie beztlenowych.

Różne postacie manganu (2 i 3 występujące naturalnie)

źródło - wikipedia   źródło - wikipedia   źródło - wikipedia

Usuwanie żelaza i manganu z wody

CECHY WÓD O ZAWARTOŚCI ŻELAZA I MANGANU

Oba pierwiastki w wartościach ponadnormatywnych są szkodliwe dla zdrowia człowieka, a w kategorii zanieczyszczeń wody traktowane są jako związki bardzo uciążliwe, powodujące:
- pogorszenie właściwości organoleptycznych wody (smak, zapach, barwa)
- zanieczyszczenie przyborów sanitarnych i urządzeń osadami tlenków,
- wzrost zagrożenia rozwoju bakterii anaerobowych (beztlenowych) żelazistych (np. Crenothrix, Leptothrix, Gallionelia, itp.) odpowiedzialnych w dużej mierze za korozję instalacji.
- w procesach uzdatniania wody – blokadę zdolności jonowymiennej jonitów i zarastanie membran osmotycznych w systemach odwróconej osmozy (np: w filtrach kuchennych).

Usuwanie żelaza i manganu wymaga precyzyjnego określenia stopnia zanieczyszczenia wody ww. pierwiastkami oraz charakteru. W przypadku wód podziemnych o stosunkowo wysokiej klarowności i czystości bakteryjnej, przy występowaniu węglanów i siarczanów żelazawych stosowane jest powszechnie napowietrzanie wody, a następnie jej filtracja. Jest to proces uzdatniania wody całkowicie naturalny wykorzystujący mechanizmy fizyko-chemiczne poznane już dawno, i jako odżelazianie jet w wielu przypadkach bardzo skuteczny. 

Widoczne skutki, gdy w dużych ilościach występuje żelazo w wodzie  

    

SKUTECZNE UZDATNIANIE POPRZEZ NAPOWIETRZANIE WODY

Napowietrzanie prowadzone jest przez rozdeszczenie wody (filtry powolne w dużych instalacjach) lub za pomocą wtłoczenia do wody sprężonego powietrza i przetrzymania w aeratorze (chodzi o zapewnienie czasu kontaktu, by procesy przejścia związków żelaza i manganu na wyższe stopnie utleniania mogły zaistnieć, a tym samym żelazo i mangan przeszły w formy nierozpuszczalne).
W instalacjach domowych powietrze do instalacji wprowadza się za pomocą inżektora (zwężki Ventouriego). Warunkiem natomiast zajścia reakcji wytrącania jest czas przetrzymania wody w kontakcie z tlenem. Dlatego w takich instalacjach niezbędne jest stosowanie hydrofora z poduszką powietrzną. Zaleca się także wprowadzenie wody od góry hydrofora, rozdeszczowanie za pomocą specjalnej dyszy, a wyprowadzenie - z dołu zbiornika. Takie zabiegi zapewnią najskuteczniejsze odżelazianie, możliwe do przeprowadzenia w warunkach domowych. Sedymentacja (osadzanie się kłaczków) ma miejsce już w hydroforze, natomiast porywane z wodą są odfiltrowywane na wydajnym złożu odżelaziającym.
Wodorotlenek żelazowy jest dość łatwy do usunięcia, dlatego jako złoże filtracyjne może być stosowany nawet zwykły piach filtracyjny.
Niektórzy wręcz zalecają, że przy wodzie głębinowej zawierającej żelazo i mangan wskazane jest wcześniejsze podniesienie pH wody. Wtedy tzw. odżelazianie, a dokładniej - utlenianie manganu łatwiej jest prowadzić, bowiem w odczynie wody alkalicznym (pH powinno wynosić powyżej 9,5), skraca się czas utleniania manganu do nierozpuszczalnego, i łatwego do usunięcia poprzez filtrację MnO2. Niniejszym musimy wyjaśnić naszym czytelnikom, że nie jest to prawdą ostateczną. Bowiem napotykamy na jeden zasadniczy z punktu widzenia multifiltracji problem: przy odczynie wody pH>8,6 żelazo z wytrąconego, i łatwego do odfiltrowania na powrót przechodzi do formy rozpuszczalnej jonu Fe2+. Jest to bardzo istotne przy projektowaniu procesu jakim jest uzdatnianie wody. Należy o tym pamiętać, przestrzegać, i umieć stosować w praktyce.

Stacja uzdatniania wody dla domu, przykład filtracji dwustopniowej z wykorzystaniem ręcznie płukanego filtra typu KT oraz automatycznie regenerowanego CF

odzelazienie odmanganianie filtracja dwustopniowa

FILTRACJA DWUSTOPNIOWA

Z przyczyn opisanych wyżej Techfilters dla wód posiadających żelazo i mangan proponuje stosowanie dwóch stopni filtracji, z których każdy z nich ma wąskie, specjalizowane zadanie. Takie podejście do problemu odżelaziania sprawia, że filtr do domu marki Techfilters jest praktycznie długowieczny. Niekoniecznie musi mieć to przełożenie na ceną odżelaziacza - wiele promocji dostępnych na stronie Techfilters jest dostępnych na każdą kieszeń.

Rozpatrując dalej proces odmanganiania, należy nadmienić, że dobre wyniki daje usuwanie manganu na złożu katalitycznym KT (wpracowanym), w którym ziarna już pokryte są warstwą tlenków manganu. Złoże takie wykazuje silne właściwości sorbcyjne (gromadzi na swojej powierzchni jony manganu, a także innych metali), może też utleniać jony Mn2+ do postaci Mn3+ z kolei Mangan trójwartościowy jest podatny na dalsze utlenianie tlenem rozpuszczonym w wodzie do postaci Mn4+ i tworzenia nierozpuszczalnej formy MnO2. Należy wspomnieć, że mangan występuje na sześciu stopniach utlenienia, z których w zasadzie wyłącznie +IV jest trwały, i nadaje uzdatnianiu wody sens praktyczny.
Złoża katalityczne mogą być pochodzenia naturalnego, stosuje się w tym wypadku np. braunsztyn (ruda manganowa) lub wytworzone sztucznie. Przy zastosowaniu złóż katalitycznych niekiedy można zrezygnować z korekty pH wody. Syntetyczne złoża katalityczne ulegają z czasem pracy „wyczerpaniu” i wymagają regeneracji. Stosuje się przy tym najczęściej roztwór nadmanganianu potasu lub podchlorynu sodu. Złoże naturalne - brausztyn - wymaga natomiast bardzo intensywnego płukania emulsją wodno-powietrzną, i okresowego uzupełniania wytartego wskutek normalnej eksploatacji złoża.

Brausztyn (ruda manganowa)

W praktyce każde złoże (także wypełnione zwykłym piaskiem) staje się katalityczne, wskutek osadzania się na ziarnach piachuu tlenków manganu i żelaza. Okres „wpracowania” trwa w zależności od procesu, napowietrzania, płukania, składu wody - od dwóch tygodni do kilku miesięcy. Dopiero wtedy złoże jest w pełni sprawne i zaczyna skutecznie usuwać mangan z wody. Proces płukania odżelaziacza w pewnym zakresie niszczy wytworzoną już strukturę katalityczną, niemniej jednak złoże takie posiada już pełną funkcjonalność. Złoża naturalnie katalityczne (takie jak Techfilters KT) potrafią natomiast usuwać mangan już od pierwszych godzin pracy. Proces płukania nie powoduje w tym wypadku utraty zdolności katalitycznych. Co ciekawe - nasze odżelaziacze wymagają ciągłego, i stabilnego użytkowania - wtedy osiągają swoje maksimum wydajności mechanicznej i katalitycznej. Sprzyja temu specjalna konstrukcja złoża, łącząca zalety filtra mechanicznego, filtra odżelaziającego i filtra odmanganiającego.

Inne metody uzdatniania wody ze szczególnym uwzględnieniem podwyższonych zawartości związków, które tworzy mangan w wodzie opisane są szerzej w artykule w naszej Bazie Wiedzy. Zapraszamy do zapoznania się z nim klikając TUTAJ.

PODSUMOWANIE I WNIOSKI

Jeśli woda zawiera zarówno żelazo jak i mangan - proces uzdatniania powinien być dwuetapowy (filtracja dwustopniowa), przy czym w pierwszej kolejności należy usuwać z wody żelazo. Obecnie coraz częściej stosowane są złoża wielowarstwowe do jednoczesnego usuwania żelaza i manganu w jednym cyklu pracy, zawierające zarówno antracyt (lekkie złoże filtracyjne) jak i piasek manganowy (ciężkie złoże filtracyjne). Dobór procentowy poszczególnych składników prowadzi się w oparciu o skład wody i prędkość filtracji. Należy jednak pamiętać, że "kombajny" multifunkcyjne będą sprawnie i skutecznie pracować dla stałych, niezmiennych poborów wody, w ustalonych precyzyjnie prędkościach filtracji i laboratoryjnie filtrocyklach (okresach pomiędzy poszczególnymi płukaniami). 
Dla instalacji domowych, gdzie rozkład nierównomierności użytkowania jest znaczny - zaleca się rozdzielenie tych funkcji na dwa osobne urządzenia. Sprowadzamy filtr na dom do wąskiej specjalizacji, ale właśnie taki odżelaziacz odmanganiacz będzie służył użytkownikowi długie lata.

Niekiedy użytkownik studni ma do czynienia z trudniejszymi do usunięcia związkami żelaza. Są nimi między innymi związki żelaza związane z organiką, tzw. kompleksy barwne. Ale i żelazo występujące w wodzie w postaci koloidalnej jest znacznie trudniejsze do usunięcia niż żelazo w związkach nieorganicznych. Samo napowietrzanie wody tu nie wystarcza, konieczne są procesy chemicznego strącania, czyli dodawania do wody specjalnych substancji (koagulantów), powodujących łączenie się małych, zawieszonych cząstek koloidów w większe skupiska (kłaczkowania), zdolne do sedymentacji (opadania) lub poddające się filtracji. Najczęściej stosowanym koagulantem na stacji uzdatniania przemysłowej jest mleko wapienne lub siarczan glinu. Obie metody wymagają drogich urządzeń i stosowane są na skalę przemysłową. W warunkach "domowych" zawierającą koloidalne żelazo można próbować uzdatniać na filtrach katalitycznych zawierających specjalizowane złoże jonowe. Podstawowym warunkiem takiej technologii uzdatniania wody jest jednak brak w wodzie związków organicznych.

ZAPRASZAMY DO CZYTANIA KOLEJNYCH ARTYKUŁÓW Z NASZEJ BAZY WIEDZY!