Oxidáció és redukció pH és pufferkapacitás szabályozás Kémiai kicsapás (oldott  szilárd)

1. Technológiai alapfolyamatok • Oxidáció és redukció • pH és pufferkapacitás szabályozás • Kémiai kicsapás (oldott  szilárd) • Adszorpció • Fázisszétválasztás (gáz-folyadék, szilárd-folyadék) • Egyéb eljárások (membránfolyamatok) A víz- és szennyvíztisztítási technológiák a fenti alapfolyamatok célszerű kombinációival alakíthatók ki.

2. VAS- ÉS MANGÁNTALANÍTÁS

3. Vas Határérték: • EU, 201/2001-es Kormányrendelet: 0,2 mg/L Előfordulás: • Talajvíz • Védett rétegvíz • Partiszűrésű víz A reduktív jelleg miatt a vízben jól oldódó vas(II) vegyületek (Fe2+) dominanciája érvényesül Az eltávolításhoz (folyadék-szilárd fázisszétválasztás) vízben rosszul oldódó vas(III)-vegyületekké kell átalakítani

4. A vas és mangán nem okoznak az ivóvízben egészségügyi kockázatot • Eltávolításuk elsősorban esztétikai okokból szükséges • Másodlagos hatásuk azonban nem hanyagolható el • Vas- és mangán vegyületek kicsapódása a hálózatban, fajlagos felület növekedése • A nagy fajlagos felületen mikroorganizmusok megtelepedhetnek • Vas- és mangán vegyületek leszakadása a csővezeték faláról • Fokozott, határértéket is meghaladó vas- és mangán eltávolításra vonatkozó törekvések

5. Alapvető folyamatok, melyekből a technológia összerakható: • Oxidáció • Kémiai kicsapatás • Szilárd-folyadék fázisszétválasztás Két kritikus folyamat: • Oldott-szilárd átmenet hatékonysága (kémiai kicsapás, melyet az oxidáció vált ki) • Szilárd folyadék fázisszétválasztás hatékonysága Mindkét kritikus folyamatnak megfelelő hatékonysággal kell megvalósulnia a jó hatásfokú vas- mangán eltávolításhoz. Bármelyik folyamatban bekövetkező rendellenesség az eltávolítási hatásfokot csökkenti.

6. Fe2+ + 2H2O  Fe(OH)2 + 2H+ HCO3- + H+  H2CO3 Oxidáció oxigén által: 4Fe(OH)2 + 2H2O + O2  4Fe(OH)3 Ózonos oxidáció: 2Fe(OH)2 + H2O + O3 2 Fe(OH)3 + O2

7. Oxidáció • A redox-potenciál szerepe • A Fe2+/Fe3+ rendszer redox-potenciálja: +0,77 V • Néhány oxidálószer redox-potenciálja: • Vízben oldott oxigén (semleges közegben): +0,815 V • Vízben oldott oxigén (savas közegben): +1,229 V • Ózon (lúgos közegben): +1,24 V • Ózon (semleges közegben): +2,07 V • Hipo-klórossav (HOCl – semleges-savas közeg): +1,49 V

8. Mangán Határérték: • EU, 201/2001-es Kormányrendelet: 0,05 mg/L Előfordulás: • Talajvíz • Védett rétegvíz • Partiszűrésű víz A reduktív jelleg miatt a vízben jól oldódó mangán(II) vegyületek (Mn2+) dominanciája érvényesül Az eltávolításhoz (folyadék-szilárd fázisszétválasztás) vízben rosszul oldódó mangán(IV)-vegyületekké kell átalakítani

9. Alapvető folyamatok, melyekből a technológia összerakható: • Oxidáció • Kémiai kicsapatás • Szilárd-folyadék fázisszétválasztás

10. Mn2+ + 2H2O Mn(OH)2 + 2H+ Ózonos oxidáció: Mn(OH)2 + H2O + O3  Mn(OH)4 + O2 „Vízvesztés” folyamata: Mn(OH)4  MnO(OH)2 + H2O MnO(OH)2  MnO2 + H2O

11. Oxidáció Az Mn2+/Mn4+ rendszer redox-potenciálja: +1,51 V Néhány oxidálószer redox-potenciálja: • Vízben oldott oxigén (semleges közegben): +0,815 V • Vízben oldott oxigén (savas közegben): +1,229 V • Ózon (lúgos közegben): +1,24 V • Ózon (semleges közegben): +2,07 V • Hipo-klórossav (HOCl – semleges-savas közeg): +1,49 V • Kálium-permanganát (savas közeg): +1,69 V • Kálium-permanganát (lúgos közeg): +1,85 V • Hidrogén-peroxid: +2,14 V

12. Oxidáció Az Mn2+/Mn4+ rendszer redox-potenciálja: +1,51 V Néhány oxidálószer redox-potenciálja: • Vízben oldott oxigén (semleges közegben): +0,815 V • Vízben oldott oxigén (savas közegben): +1,229 V • Ózon (lúgos közegben): +1,24 V • Ózon (semleges közegben): +2,07 V • Hipo-klórossav (HOCl – semleges-savas közeg): +1,49 V • Kálium-permanganát (savas közeg): +1,69 V • Kálium-permanganát (lúgos közeg): +1,85 V • Hidrogén-peroxid: +2,14 V

13. A különböző redox-potenciál értékek miatt a vas(II)- és a mangán(II)-vegyületek eltérő oxidálószereket igényelnek • Gazdaságossági megfontolások: az erősebb oxidálószerek drágábbak!!! • Ha vas(II)- és mangán(II)-vegyületek egyszerre vannak jelen a vízben (és ez az esetek döntő többségében így van) erős oxidálószert alkalmazva először a vas(II)-vegyületek oxidálására kerül sor, és ha ezek elfogytak, akkor oxidálódnak mangán (II)-komponensek. • Célszerű először a vas(II)-vegyületeket az olcsóbb oxidálószerrel oxidálni, majd ha ez a folyamat befejeződött, az erősebbel a mangán (II)-komponenseket

14. Az alkalmazásra kerülő vastalanítási technológia függ a kezelendő vízben található vasvegyületek koncentrációjától • A vízben oldott oxigénnel történő oxidáció hatékonysága függ a levegőztetés idejétől és intenzitásától (a vízbe belépő oxigén mennyiségétől) • Az alkalmazásra kerülő szilárd-folyadék fázisszétválasztási technológia (egylépcsős, vagy többlépcsős) szintén a tisztítandó víz vastartalmának függvénye

15. Praktikus okokból a következő osztályozást célszerű figyelembe venni: • 0,2 mg/L < Fe2+ < 0,5 mg/L • 0,5 mg/L < Fe2+ < 2,0 mg/L • 2,0 mg/L < Fe2+ < 5,0 mg/L • Fe2+ > 5,0 mg/L

16. Fe2+ < 0,5 mg/L • Egyszerű oxidáció (olcsó oxidálószerrel), egylépéses szilárd-folyadék fázisszétválasztás (nyitott, vagy zárt gyorsszűrő) • Az oxidáció megfelelő hatékonysággal és elegendően rövid idő alatt megvalósítható vízben oldott oxigénnel a fázisszétválasztást biztosító gyorsszűrő egységben • Megfelelő szűrőméretezés esetén a ciklusidő nem rövidebb 24 óránál

17. 0,5 mg/L < Fe2+ < 2,0 mg/L • Az oxidáció a vízben oldott oxigén hatására lényegesen lassabban valósul meg. • Vagy erősebb oxidálószer alkalmazására, vagy hosszabb reakcióidőre van szükség • A hosszabb reakcióidő biztosításához külön oxidációs egységet kell kialakítani • Erősebb oxidálószer alkalmazása esetén nem szükséges a különálló oxidációs egység létrehozása, a homokszűrő előtt történő oxidálószer adagolás (és annak megfelelő elkeverése) biztosítja a gyors oxidációt • Szilárd-folyadék fázisszétválasztás megfelelő hatékonysággal biztosítható a gyors homokszűrőben • A ciklusidő megközelíti vagy eléri a 24 órát, extra öblítővíz igény nem lép fel

18. 2,0 mg/L < Fe2+ < 5,0 mg/L • A szükséges hatékonyságú oxidáció csak erős oxidálószer(ek) alkalmazásával biztosítható • A megfelelő hatékonyságú oxidációhoz külön oxidációs egység kialakítása szükséges • A szilárd-folyadék fázisszétválasztás megfelelő hatékonysággal megvalósítható gyors homokszűrőben, de a ciklusidő 12-24 óra között változik • A rövid ciklusidő miatt a szűrő-öblítővíz igény elérheti, sőt meghaladhatja a tisztított víz 10%-át • A ciklusidő növelése érdekében célszerű kétrétegű gyors homokszűrőt alkalmazni, mely lehet elválasztott terű, illetve egyterű

19. Fe2+ > 5,0 mg/L • A hatékony oxidáció csak erős oxidálószer alkalmazásával érhető el • A hatékony oxidációhoz elegendően hosszú reakcióidő szükséges • Külön oxidációs egység kialakítását célszerű biztosítani • A hatékony szilárd-folyadék fázisszétválasztáshoz kétlépcsős eljárás szükséges • Első fázisszétválasztási egységként célszerű ülepítő, vagy flotáló műtárgyat kialakítani • A második fázisszétválasztó egység a hagyományos (vagy kétrétegű) szűrő • A fenti kialakítással biztosítható az elfogadhatóan hosszú ciklusidő és a viszonylag kis szűrő-öblítővíz igény

20. nyers víz zagyvíz szűrő réteg támréteg szűrt víz öblítő víz levegő befúvás

21. Mangán(II)-vegyületek oxidálása a vízben oldott oxigénnel (bedolgozott szűrő) • Bár a vízben oldott oxigén redox-potenciálja lényegesen kisebb, mint a Mn2+/Mn4+ rendszeré, megfelelő katalizátor jelenlétében a Mn2+ ionok oxidálását a vízben oldott oxigén is képes megvalósítani • A szűrőkavics felületén kialakuló MnO2 réteg megfelelő módon katalizálja a Mn2+ ionok oxidálását • A mangán-dioxid réteg kialakítása KMnO4 oldat adagolásával biztosítható • A katalizátor réteget időnként KMnO4 oldat adagolásával regenerálni, erősíteni kell • Ez a megoldás a 0,5 mg/L-nél kisebb Mn2+ koncentrációval rendelkezővizekben alkalmazható • Kereskedelmi forgalomban: mangán-zöld homok, BIRM homok

22. Mangán(II)-vegyületek oxidálása erős oxidálószerekkel • Klór Bár a klór redox-potenciálja hasonló a Mn2+/Mn4+ rendszeréhez, elegendő reakció-idő biztosításával megfelelő oxidáció biztosítható. Külön oxidációs reaktor beiktatása az oxidáció hatékonyságát javítja. Bizonyos esetekben azonban a klór nem bizonyult hatékonynak az Mn(II)  Mn(IV) oxidációhoz. Előzetes laboratóriumi vizsgálatok jelentősége! • KMnO4 oldat Általában megfelelő hatékonysággal oxidál, de az adagolásnál a KMnO4 „túladagolása” következtében mangán jelenhet meg a kezelt vízben.

23. Ózon Az ózon –nagy redox-potenciálja miatt – hatékony és gyors oxidációt biztosít a 0,5 mg/l-nél kisebb és nagyobb kezdeti Mn2+ koncentrációk esetén egyaránt. Különálló oxidációs egység alkalmazása az oxidáció hatékonyságát javítja. Fázisszétválasztó egységként hagyományos homokszűrőt célszerű alkalmazni. • Hidrogén-peroxid Nagy redox-potenciálja miatt hatékony és gyors oxidációt valósít meg mind 0,5 mg/l-nél kisebb, mind 0,5 mg/l-nél nagyobb kezdeti Mn2+ koncentrációk mellett. Különálló oxidációs egység alkalmazása célszerű. A hagyományos homokszűrő alkalmazása megfelelő fázisszétválasztást biztosít.

24. Praktikus okokból a következő osztályozást célszerű figyelembe venni: • 0 mg/L < Mn2+ < 0,1 mg/L  levegős O2 elegendő • 0,1 mg/L < Mn2+ < 0,5 mg/L  bedolgozott szűrő alkalmazható • Mn2+ > 0,5 mg/L  „erős” oxidálószer szükséges (pl. KMnO4, ózon…)