去除鐵和錳的方法
抖化學(xué) / 2022-12-02
去除鐵和錳的方法；天然水中都含有不同數(shù)量的鐵。我國不少地區(qū)的地下水中巖石和礦場的溶解，都含有過量的鐵和錳。地下水中的鐵常以2介鐵的化合場的形式存在，一般以重碳酸亞鐵Fe(HCO3)2的形式存在。由于它在水中的溶解度較大，即使鐵的含量高達(dá)數(shù)百毫克元一”，水仍可以是清澈透明的。但它一旦和空氣接觸，就被空氣中的氧氣氧化生成難溶于水的3價鐵的沉淀(氫氧化鐵)而從水中析出，使水變渾及呈黃棕色。鐵質(zhì)雖對人體健康無害，但如超過1mg·L-1時，使水具有鐵腥味，在洗滌的衣服上能生成銹色斑點(diǎn)，在光潔的衛(wèi)生用具上以及與水接觸的地方，都能著上銹斑，帶來許多不便。在衛(wèi)生用水指標(biāo)中,一般規(guī)定鐵應(yīng)在0.1mg·L-1以下。在鍋爐用水中，鐵質(zhì)是生成水垢的成分之一。在冷卻用水中，鐵質(zhì)能附著于加熱管璧上，降低管壁的傳熱系數(shù)。在油田的油層注水中，能堵塞地層，戰(zhàn)少注水量，降低注水效果。在紡織工業(yè)中，能固著于纖維上，使織品有銹色斑點(diǎn)。在印染工業(yè)申鐵能與染料結(jié)合使色調(diào)不鮮。在造紙工業(yè)中將使紙帶黃色而降低質(zhì)量。在食品工業(yè)中將影響產(chǎn)品色與味。在給水工程中，能在管逍申產(chǎn)生鐵的沉積。當(dāng)水中含有溶解氧時，含鐵地下水為鐵細(xì)菌提供了大量繁殖條件，而易使管道堵塞等等。
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錳在各種水質(zhì)中常與鐵同時存在。它一般是以重碳酸錳形式存在。Mn(HCO3)2比Fe(H3)2 更易溶于水，但它氧化成高價化合物所儒的pH值較高(pH=9)。因此，處理過程中常因pH值不夠高，致使除鐵后錳并未除去。在給水系統(tǒng)中即使錳含最不超過0.2mg·L-1，也會使比鐵細(xì)菌更討厭的錳細(xì)菌大量繁殖，阻塞管道，其對工業(yè)上的危害情況與鐵相似。常用的除去鐵和錳的方法如下:
(一)氧化法
1.曝氣、沉淀、過濾法(自然氧化法)使含2價鐵及2價錳離子的水通過曝氣與空氣充分接觸，讓空氣中的氧溶解于水中，同時驅(qū)除水中的二氧化碳以提高水的pH值，加快反應(yīng)進(jìn)行，待水中的2價鐵被氧化成氫氧化鐵并絮凝沉淀下來時，過濾后即可除去鐵。亞鐵離子的空氣氧化是一個非常復(fù)雜的反應(yīng)，其總結(jié)果可寫成:
4Fe2+ +O2+10H2O→4Fe(OH)3+8H+
理論上1mg·L-1的溶解氧可以氧化約7mg·L-1的Fe2+(以鐵表示)，與大氣平衡的水中約有10mg·L-1的溶解氧，它可氧化70mg·L-1的鐵。這樣，要氧化水中所含的鐵，僅需微量的氧就可以了。但實(shí)際上并非如此簡單，尚有各種影響因素。在pH值較低的情況下，氧化速度很慢。實(shí)踐表明，pH值在7.5以上時，鐵的氧化較快;錳則需在pH值大于9.5時，才能較快地氧化。由于地下水含二氧化碳較多，同時Fe (HCO3) z不穩(wěn)定，易分解，
Fo(HCO3)2→Fe(OH)2 +2CO2
這就使水多呈酸性，即pH值較低，因而氧化速度較慢，處理效果較差，故必須把CO2氣體驅(qū)除，使水的pH值上升以提高處理效果。
這種除鐵工藝，系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備龐大，水在處理過程中停留時間長(2~3h)，所以設(shè)備投資多，而除鐵效果并不見佳。我國在1960年試驗(yàn)成功“天然錳砂催化除鐵工藝。天然錳砂對于水中2價鐵的氧化反應(yīng)有很強(qiáng)的接觸催化作用，它能大大加速2價鐵的氧化反應(yīng)速度。將曝氣后的含鐵地下水經(jīng)過天然錳砂濾展過濾，水中2價鐵的氧化反應(yīng)能迅速地在濾層中完成，并同時將鐵尻截留于濾層中，從而一次完成了除鐵過程。由于天然錳砂能在水的pH值不低于6.0的條件下順利地進(jìn)行除鐵，這時曝氣的目的為了向水中溶解氧而不要求驅(qū)除CO2,這就使設(shè)備簡化，中間沉淀反應(yīng)也省去，縮短了水在處理過程中的停留時間(只需-30min)，使運(yùn)行費(fèi)用大為降低，而除鐵效事卻有所提高。
天然錳砂除鐵的催化作用機(jī)理，術(shù)般認(rèn)為是由于錳砂中的
二氧化錳首先被水中的溶解氧氧化成7價錳的氧化物，7價錳再將水中的2價鐵氧化成3價鐵。
3MnO2 +O2→MnO·Mn2O7
MnO·Mn2O7 +4Fe2+ +2H20→3MnO2+4Fe3+4OH-
同時天然錳砂中的二氧化錳還具有氧化性，它本身也有能力使Fe2氧化。
2Fe2+ +2MnO2+H20→2Fe3+ +Mn23+2OH-
2.氯氧化法
氯是比溶解氧更強(qiáng)的氧化劑，將它投入水中，能迅速地將2價鐵氧化成3價鐵。
2Fe2+ +C12→2Fe3+ +2C1-
作為氧化劑的氯，一般是由加入的液氯或漂白粉提供的。其除鐵系統(tǒng)為:
氯
原水----→混合→反應(yīng)池沉淀池→過濾池→除鐵水
理論上每氧化1mg·L-1 Fe2+約需0.64mg·L-1的氯，而實(shí)際上特別當(dāng)水中含有有機(jī)物時，消耗量總比理論值大。
氯對于2價錳也同樣有氧化作用，但pH值較高(pH值為9.5以上)時才有較好的效果，它并不比溶解氧的氧化效果更好些。
3.高錳酸鉀氧化法
高錳酸鉀是比氧和氯都更強(qiáng)的氧化劑:
3Fe2+ +MnO4- +2H2O→3Fe3+ +MnO2+4OH-
3Mn2+ +2MnO4- +2H2O→5MnO2 +4H+
對鐵和錳的氧化都很有效。
理論上每氧化1mg·L-1 Fe2+需0.94mg·L-1的 KMnO4，但實(shí)際上發(fā)現(xiàn)用量比理論量小時就有較好的除鐵效果，這可能是因?yàn)镸nO2具有接觸催化作用的緣故。
KMnO4價格較貴，所以在實(shí)際中較少使用此法。
(二)離子交換法
1.錳離子交換法
以
硫酸錳(或氯化錳)和高錳酸鉀溶液處理陽離子交換劑(一般用鈉型)，可在離子交換劑表面附著一層高價錳的氧化物，即成為錳離子交換劑，它能使Fe2+和Mn2+被氧化而除去。
Na2R+MuSO4→MnR + Na2SO4
MnR+ 2KMnO4→K2R·MnO·Mn2O7
4Fe2+ +K2R·MnO·Mn2O7+2H20→4Fe3+ +K2R+3MnO2+4OH-
當(dāng)交換劑失去氧化能力后，可用KMnO4溶液再生。
此法形式上與離子交換法相似，實(shí)質(zhì)仍為氧化法,目前在我國尚未果用。
2.鈉離子交換或氫離子交換法
水中的Fe2+被交換劑上的交換基團(tuán)的同性離子交換:
Fe2+ +Na2R→FeR +2Na+ (用NaC1溶液再生)
Fe2+ +H2R→FeR+2H+(用鹽酸溶液再生)
當(dāng)水中有膠體狀鐵的化合物時，它能覆蓋于離子交換劑表面。水中有溶解氧時，會將2價鐵氧化為3價鐵。因而膠體狀的Fo(OH)3覆蓋交換劑表面的情況不可避免，這時可定期用稀
鹽酸(10%)洗滌。當(dāng)然，使用氫離子交換劑時，因?yàn)橛盟嶙鲈偕疲筒粫嬖贔e (OH) 8 覆蓋交換劑表面的問題了。
(三)混凝法
當(dāng)水中含有膠體狀及有機(jī)的鐵和錳化合物時，用一般的氧化仙不能將共除去，此時宜采用混凝法。
(四)石灰-蘇打法
用石灰-蘇打法軟水時，由于Ca(OH)2、Na2CO3的加入，使水的pH值提高了,因而Fe2+、Mn2+能迅速被氧化生成沉使。通常先使水曝氣，再加入石灰-蘇打進(jìn)行軟化，同時也就除去了Pe2和Mn2+。
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