Khi trong nước ngầm có hàm lượng tạp chất hữu cơ cao, các chất hữu cơ sẽ tạo ra một dạng keo bảo vệ của các ion sắt, như vậy muốn khử sắt phải phá vỡ được màng hữu cơ bảo vệ bằng tác dụng của các chất oxy hóa mạnh. Đối với nước ngầm, khi hàm lượng sắt quá cao đồng thời tồn tại cả H2S thì lượng oxy thu được nhờ làm thoáng không đủ oxy hóa hết H2S và sắt, trong trường hợp này cần dùng đến hóa chất để khử.
2.3.2.1 Khử sắt bằng vôi
Phương pháp này có thể áp dụng cả cho nước mặt và nước ngầm. Nhược điểm các phương pháp là phải dùng đến các thiết bị pha chế cồng kềnh, quản lý phức tạp cho nên thường kết hợp khử sắt với quá trình xử lý khác như xử lý ổn định nước bằng kiềm hóa, làm mềm nước bằng vôi kết hợp với sôđa.
Khi cho vôi vào nước, độ pH của nước tăng lên. Ở điều kiện giàu ion OH-, các ion Fe2+ thủy phân nhanh chóng thành Fe(OH) và lắng xuống một phần, thế
oxy hóa khử tiêu chuẩn của hệ Fe(OH)2/Fe(OH)3 giảm xuống, do đó Fe2+ dễ dàng chuyển thành Fe+3. Sắt hydroxit kết tụ thành bông cặn, lắng trong bể lắng và có thể dễ dàng tách ra khỏi nước.
Lượng vôi cần thiết cho quá trình được tính như sau: [CaO] = 0,8*[CO2] + 1.8*[Fe]
Trong đó:
[CaO]: lượng vôi cần thiết cho quá trình (mg/l) [CO2]: hàm lượng CO2 tự do trong nguồn nước (mg/l) [Fe]: tổng hàm lượng sắt trong nước (mg/l)
Khi cho vôi vào nước quá trình khử sắt xảy ra theo 2 trường hợp:
- Trường hợp nước có oxi hòa tan: vôi được coi như chất xúc tác, phản ứng khử sắt diễn ra như sau:
4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O + 4Ca(OH)2 → 4Fe(OH)3 ↓ + 4Ca(HCO3)2 Sắt (III) hydroxit được tạo thành, dễ dàng lắng lại trong bể lắng và giữ lại hoàn toàn trong bể lọc.
- Trường hợp nước không có oxi hòa tan: khi cho vôi vào nước phản ứng diễn ra như sau:
Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 → FeCO3 + CaCO3 + H2O Sắt được khử đi dưới dạng FeCO3 chứ không phải hydroxit sắt.
2.3.2.2 Khử sắt bằng Clo
Quá trình khử sắt bằng Clo được thực hiện nhờ phản ứng sau:
2Fe(HCO3)2 + Cl2 + Ca(HCO3)2 + 6H2O → 2Fe(OH)3 + CaCl2 + 6H+ + 6HCO3- Với tốc độ oxy hóa bằng:
3 2 / 1 2 2 2 ] [ ] [ ] [ ] [ + − + + ∗ ∗ ∗ = − H Cl Cl Fe K dt dFe
Để oxy hóa 1mg Fe2+ người ta thấy rằng phải cần đến 0,64mg Cl2 và đồng thời độ kiềm của nước ngầm giảm đi 0,018 mg đl/l.
Từ phương trình tốc độ oxy hóa nói trên ta thấy, tốc độ quá trình oxy hóa sắt bằng Clo tăng nhanh khi giảm nồng độ ion H+, tức là lắng pH của nước. Tuy nhiên, do Clo là chất oxy hóa mạnh nên phản ứng oxy hóa sắt bằng Clo vẫn xảy ra nhanh ở pH ≥ 5.
Trường hợp nước nguồn có các hợp chất amoni hòa tan, Clo sẽ kết hợp với chúng để tạo thành Cloramin. Với thế oxy hóa khử của Clo là 1,36V và của Cloramin là 0,76V, chỉ bằng một nửa thế oxy hóa khử của Clo, do vậy quá trình oxy hóa bị chậm lại. Khi nước có pH=7, quá trình oxy hóa sắt (II) bằng Cloramin kết thúc sau 60 phút. Vì vậy, với nước có chứa các hợp chất amoni hòa tan với nồng độ đáng kể thì việc sử dụng Clo để khử sắt là hoàn toàn không có lợi.
Đồng thời với việc khử sắt bằng Clo, các chất hữu cơ cũng được khử khỏi nước, do đó liều lượng Clo cần thiết cho quá trình còn phụ thuộc vào hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước. Thông thường người ta bổ sung một lượng Clo để khử các tạp chất hữu cơ bằng:
mCl = 0,5*[O2] (mg/l)
Trong đó [O2] – độ oxy hóa bằng kali permanganat của muối tinh chuyển ra oxy.
2.3.2.3 Khử sắt bằng kali permanganat (KMnO4)
Khi dùng KMnO4 để khử sắt, quá trình xảy ra rất nhanh vì cặn mangan (IV) hydroxyt vừa được tạo thành sẽ là nhân tố xúc tác cho quá trình khử. Phản ứng xảy ra theo phương trình phản ứng sau:
5Fe2+ + MnO4- + 8H+ → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O
Thế tiêu chuẩn của một cặp (MnO4- + 8H+)/ (Mn2+ + 4H2O) là Eo = 1,51V và của Fe3+/Fe2+ là 0,77V.
Hệ số cân bằng của phản ứng nói trên được tính như sau:
63,58 8 2 4 5 3 2 10 ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ = ∗ ∗ ∗ = − + + + + H Fe MnO Fe Mn K
Như vậy nồng độ ion do phản ứng tạo ra lớn hơn 63,5 lần nồng độ các ion bị oxi hóa. Trong quá trình khử sắt, các ion Fe3+ được tạo thành sẽ thủy phân và tạo bông cặn ngay nên nồng độ ion Fe3+ trong nước còn không đáng kể. Phản ứng trên vì thế không xảy ra thuận nghịch mà xảy ra theo chiều thuận một cách nhanh và triệt để. Người ta thấy rằng, để khử hết 1mg Fe2+ cần đến 0,564 mg KMnO4.