Żelazo i mangan w wodzie – problemy i eliminacja
Żelazo i mangan są pierwiastkami, których obecność w wodzie nie stanowi istotnego zagrożenia dla zdrowia. Jednak w wodzie o dużej zawartości żelaza i manganu występują inne problemy takie jak mętna woda, czy żółte, a nawet nieestetyczne brązowe zabarwienie. Towarzyszy temu zjawisko powstawania osadów w instalacjach czy zaworach, co prowadzi do zmniejszenia przekroju rurociągów, niedrożności rur, a w wymiennikach ciepła do nieefektywnej wymiany energii cieplnej.
Osad powstały na skutek dużej zawartości żelaza i manganu w wodzie
Żelazo w wodzie
Żelazo (Fe) jest metalem przejściowym. Choć nie jest to najbardziej rozpowszechniony metal na Ziemi, jest on prawdopodobnie najważniejszym i najczęściej używanym metalem przez ludzi. Kation żelaza jest integralną częścią hemoglobiny – to on bierze udział w transporcie tlenu. Niedobór żelaza jest przyczyną anemii (niedokrwistości). Żelazo występuje w wielu minerałach, z których najbardziej znanymi są hematyt, piryt, magnetyt i limonit. Tworzy on również dużą liczbę związków i charakteryzuje się właściwościami ferromagnetycznymi. Krótko mówiąc, żelazo jest niezbędnym elementem w życiu każdego człowieka, jednak jego nadmiar może być szkodliwy. Dotyczy to również zawartości żelaza w wodzie użytkowej i pitnej. Dopuszczalna zawartości żelaza w wodzie pitnej wynosi 0,2 mg/l. Jego nadmiar powoduje żelazisty smak, sprzyja powstawaniu osadów czy rozwojowi żelazistych bakterii. Po podgrzaniu powoduje także znaczące pogorszenie, jakości wody – zmianę koloru, zmętnienie i osady.
Mangan w wodzie
Mangan (Mn) również należy do metali przejściowych, a jego zastosowanie jest równie zróżnicowane jak w przypadku żelaza. Jest używany do stopowania stopów lub produkcji pigmentów. Mangan nie jest jedną z głównych przyczyn korozji, tak jak żelazo, ale jego nadmiar również powoduje wiele niekorzystnych zjawisk.
Jednym z najbardziej znanych związków manganu jest nadmanganian potasu. Jest to sól potasowa kwasu nadmanganowego, która występuje w postaci fioletowych kryształków. Fioletowo zabarwiony roztwór służy do dezynfekcji np. mięsa lub innej żywności, jego silne właściwości utleniające wykorzystywane są również w medycynie. Mangan jest również ważnym pierwiastkiem biogennym. Jego niedobór objawia się głównie niepożądanymi zmianami w metabolizmie cholesterolu i cukrów. Maksymalne stężenie manganu dla wody pitnej do spożycia wynosi 0,05 mg/l, jego nadmiar powoduje zmętnienie oraz powstawanie osadu koloru rudego lub czarnego. Obecność manganu w wodzie często towarzyszy obecności żelaza.
Ruda manganu
Skąd obecność manganu i żelaza w wodzie?
Mangan i żelazo są zawarte w różnych minerałach. Wypłukiwanie minerałów z geologicznego podłoża skalnego powoduje wzbogacenie wody w te pierwiastki. Rozpuszczanie żelaza oraz manganu w wodzie jest wspomagane przez obecność dwutlenku węgla lub kwasów powstających podczas utleniania rud siarczkowych. Jest to jednak tylko jedna z przyczyn przedostawania się tych pierwiastków do wody. Dostają się one również do wody w wyniku działalności człowieka, w szczególności poprzez ścieki z działalności związanej z przeróbką rud żelaza i manganu. W przypadku samego żelaza z działalności takich jak huty żelaza, walcownie blach i drutów. Żelazo jest uwalniane również do wody przez proces korozji w rurociągach i instalacjach wodnych.
Żelazo i mangan w wodzie. Jakie problemy powodują?
Żelazo i mangan nie powodują istotnego zagrożenia dla życia człowieka, wręcz przeciwnie ich obecność jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania organizmu ludzkiego. Obecność żelaza oraz manganu wpływa jednak niekorzystnie na kolor, smak oraz zapach wody. Żelazo w wodzie powoduje typowy żelazisty posmak i rdzawe zmętnienie, które może zmienić kolor na brązowy lub czarny. Typowym objawem obecności manganu w wodzie są tłuste plamy na powierzchni białych materiałów i urządzeń sanitarnych. Obecność manganu w wodzie również może wpłynąć na nieprawidłowe, czarne zanieczyszczenie wody.
Największym problemem jest jednak tworzenie się warstw i osadów, które zatykają rury, bojlery i podgrzewacze wody. Powstawanie osadu jest głównym problemem w obiegach chłodniczych. Obecność warstwy osadu na rurociągu powoduje większy opór cieplny, a tym samym zmniejsza efektywność wymiany ciepła. Obecność porowatej warstwy osadu jest również idealnym środowiskiem dla namnażania się mikroorganizmów.
Przekrój skorodowanej rury
Metody stosowane do usuwania żelaza i manganu
Filtracja i sedymentacja odgrywają główną rolę w usuwaniu żelaza i manganu z wody. Metody te wymagają zazwyczaj przekształcenia żelaza i manganu w formy nierozpuszczalne w wodzie. Jedną z metod wykorzystywanych do przekształcania tych pierwiastków w formy nierozpuszczalne jest utlenianie, metody te oparte są na koagulacji. W poniższej części przedstawiono poszczególne metody pozbywania się żelaza i manganu z wody.
Utlenianie żelaza i manganu do nierozpuszczalnej formy
Utlenianie można przeprowadzić za pomocą tlenu z powietrza, metod wykorzystujących prąd elektryczny lub odpowiedniego środka utleniającego – do tych celów idealnie sprawdza się wspomniany już manganianem (VII) potasu (KMnO4). Jest to jeden z najsilniejszych środków utleniających. Posiada on również znaczącą zaletę, którą jest utlenianie przy neutralnym pH. Nadmanganian działa zarówno na związki żelaza, jak i manganu. W przypadku tlenu główną zaletą jest prostota, często do napowietrzenia wody wystarcza kaskada. Tlen można również bezpośrednio dozować z butli. Jednym ze środków utleniających jest dwutlenek chloru. Dwutlenek chloru skutecznie utlenia żelazo (II) i mangan (II).
Niektóre źródła podają, że w procesie utleniania związków zawartych w wodzie nie jest konieczne sprawdzenie wartości pH, nie jest to jednak prawda. W niektórych przypadkach istnieje konieczność sprawdzenia odczynu wody. Na przykład utlenianie za pomocą chloru jest skuteczne przy pH około 5, ale jeśli utlenianie jest przeprowadzane za pomocą tlenu, zaleca się utrzymanie wartości pH w okolicy 7 w przypadku żelaza. W przypadku obu pierwiastków podczas utleniania tlenem wyższa wartość pH wpływa na zwiększenie szybkości procesu. Prawidłowa pośrednia wartość dla utleniania żelaza i manganu wynosi ok. 8.
Koagulacja
Koagulacja oznacza tworzenie się drobnych ciał stałych, na których sorbowane są zanieczyszczenia, a następnie usuwane w procesie filtracji lub sedymentacji. W przemyśle wodnym jako koagulanty stosuje się sole nieorganiczne, czego typowym przykładem jest siarczan glinu (Al2(SO4)3). Dodawany jest również koagulant pomocniczy. Jest to substancja organiczna, która zapewnia, że mniejsze płatki siarczanu glinu łączą się w większe skupiska, które są dokładniej usuwane za pomocą filtracji.
Filtr piaskowy
Filtr piaskowy wykorzystuje warstwę piasku, najczęściej kwarcowego, do procesu filtracji wody. Woda podawana oczyszczeniu powoli opada przez filtr, pozostawiając cząsteczki zanieczyszczeń w drobnych porach piasku. Rozróżnia się powolną i szybką filtrację piaskową. Metody te różnią się nie tylko prędkością filtracji, ale także różnymi rozmiarami ziaren użytego piasku. W przypadku filtracji powolnej ważną rolę odgrywa membrana biologiczna znajdująca się na powierzchni złoża piaskowego, jej zadaniem jest mineralizacja zawartych w wodzie substancji organicznych. Ten rodzaj filtracji stosowany jest głównie do oczyszczania ścieków. Filtracja szybka nie wykorzystuje warstwy biologicznej, ale pozwala na osiągnięcie do 100 razy większej prędkości filtracji. Filtr piaskowy wykorzystuje nie tylko przesiewanie i osadzanie, ale także adsorpcję i działanie elektrostatyczne w celu usunięcia zanieczyszczeń. To właśnie siły elektrostatyczne umożliwiają usuwanie kationów żelaza z wody. Kationy żelaza (II) jako formy rozpuszczalne w wodzie nie są w stanie osadzić się na filtrze piaskowym. Filtr piaskowy skuteczny jest w usuwaniu kationów Fe3+.
Filtry piaskowe EuroClean AquaSand
Filtr piaskowy jest szczególnie przydatny, gdy chcemy usunąć rdzawe zmętnienie obecne w wodzie studziennej lub powierzchniowej, a także służy do filtrowania osadów powstałych podczas dozowania koagulantu. Filtry piaskowe AquaSand mogą być używane do właśnie takich celów. podgrzewaniu lub napowietrzaniu wody. Główną zaletą filtra AquaSand jest jego długa żywotność i bezobsługowa praca. Filtr montowany jest na głównym przyłączu wody, przy wykorzystaniu by-pass, aby nawet podczas serwisu zapewnić dostęp do wody. Popłuczyny, czyli woda z dużą ilością żelaza i manganu po płukaniu filtra odprowadzane są do kanalizacji. Podczas płukania dopływ wody jest przerywany, a równoległe zainstalowanie dwóch jednostek AquaSand pozwala na zapewnienie ciągłego dopływu przefiltrowanej wody.
Wymiana jonowa
Usuwanie żelaza i manganu z wody za pomocą wymiany jonowej opiera się na zastosowaniu specjalnej żywicy zdolnej do wychwytywania pewnych jonów z roztworu i wymieniania ich na inne. Żywica ta nazywana jest żywicą jonowymienną. W zależności od ładunku jonów, które jest w stanie wychwytywać, rozróżniamy żywice kationowe lub anionowe. Żelazo i mangan są metalami występującymi w postaci kationów, wymiana jonowa w tym przypadku zachodzi na żywicy kationowej. W przypadku usuwania żelaza i manganu wykorzystywany jest cykl sodowy lub wapniowy. W pierwszym przypadku jeden kation żelaza jest wychwytywany i wymieniany na dwa kationy sodu, natomiast w drugim przypadku jeden kation żelaza jest zastępowany jednym kationem wapnia
.
Wadą wymiany jonowej jest brak możliwości usunięcia nierozpuszczalnych związków żelaza, dlatego musi być ona połączona z filtracją mechaniczną. Filtr umieszczany jest przed wymiennikiem jonowym. Stosowanie takiego rozwiązania ma swoje zalety w przypadku, gdy woda zawiera inne niepożądane substancje, zwłaszcza siarkowodór i zanieczyszczenia organiczne.
Żywica kationowa
Filtr AquaEmix działa na zasadzie wymiany jonowej, podczas której specjalne ułożone złoże wychwytuje niepożądane substancje. Za pomocą pierwszej z warstw, warstwy inertnej usuwane są nierozpuszczalne związki utlenionego żelaza. Następnie na warstwie FerroSorb redukowana jest zawartość żelaza i manganu, natomiast HumiSorb usuwa zanieczyszczenia pochodzenia organicznego. Żywica kationowa odpowiada za zmiękczenie wody, a warstwa piasku kwarcowego zapewnia równomierny przepływ wody.
Budowa filtra AquaEmix
Podsumowanie
Poza pogorszeniem walorów smakowych i zapachowych wody, wyższa zawartość żelaza i manganu w wodzie nie stanowi istotnego zagrożenia dla zdrowia człowieka. Jednak wysoka zawartość tych pierwiastków powoduje problemy technologiczne, zanieczyszczając urządzenia, rurociągi oraz ich armaturę. Dlatego też zawartość żelaza i manganu w wodzie, w procesach przemysłowych i nie tylko, musi być redukowana. Technologia zastosowana w procesie uzdatniania wody zależy głównie od stężenia tych substancji w wodzie oraz oczekiwanego efektu procesu oczyszczania.
Regionalny Manager
Napisz do nas, pomożemy!