Mangan là nguyên tố thường có trong đất. Ta có thể gặp nhiều muối khoáng là các ôxit hay cacbonat. Trong nước thiên nhiên, mangan có dưới dạng ion hòa tan Mn2+ và MnOH+. Nó có thể tạo thành hợp chất với bicacbonat, sunphat và silicat. Mangan có trong nước thiên bằng cách kết hợp với sắt và amoni. Nhưng cũng có trường hợp chỉ có riêng mangan.
Trong nước ngầm, mangan thường tồn tại ở dạng Mn2+ hòa tan hoặc có thể ở dạng keo không tan. Khi Mn(II) hòa tan bị oxi hóa sẽ chuyển dần thành mangan (III) và mangan (IV) ở dạng hydroxit kết tủa. Quá trình ôxy hóa diễn ra như sau:
2Mn(HCO3)2 + O2 + 6H2O → 2Mn(OH)4 + 4H+ + 4HCO3-
Như vậy quá trình khử mangan phụ thuộc vào pH của nước, pH càng cao tức là nồng độ ion H+ càng thấp, tốc độ ôxy hóa và thủy phân mangan càng lớn và quá trình ôxy hóa mangan sẽ đạt hiệu quả cao nhất ở một giá trị pH nào đó.
Xét phương trình biểu diễn thế ôxy hóa khử mangan sau: EMn4+/Mn2+ = 1,23 - 0,12*pH - 0,03*lgaMn2+
Trong đó: aMn2+: hoạt độ của ion Mn2+ trong nước aMn2+ = fMn2+.CMn2+
fMn2+: hệ số hoạt độ
CMn2+: nồng độ ion Mn2+ trong nước
Trong môi trường nước, hệ số hoạt độ fMn2+ thường có giá trị là 0,6. Nếu muốn giảm hàm lượng mangan xuống còn 0,2 mg/l theo tiêu chuẩn vệ sinh ta có:
aMn2+= 0,6 * 0,2 mg/l Thế ôxy hóa khử cần thiết sẽ là:
Trong thực tế, sau làm thoáng quá trình ôxy hóa xảy ra ngay với các chất dễ bị ôxy hóa, do vậy đến mangan, thế oxy hóa khử của nước thường chỉ còn lại khoảng 0,2 V.
Thay vào phương trình (1) ta thấy rằng, để đưa hàm lượng mangan xuống đến 0,2 mg/l, pH của nước phải có giá trị xấp xỉ bằng 9.
Tương tự với sắt, qui trình xử lý mangan cơ bản cũng bao gồm các khâu làm thoáng, lắng và lọc. Trong quá trình lọc, lớp vật liệu lọc được phủ dần một lớp mangan đioxit Mn(OH)4 tích điện âm, lớp Mn(OH)4 có tác dụng làm chất xúc tác hấp thụ các ion Mn2+ và ôxy hóa Mn2+ theo phản ứng sau:
Mn(OH)4 + Mn(OH)2 → Mn(OH)3 4Mn(OH)3 + O2 + 2H2O → 4Mn(OH)4
Lớp phủ Mn(OH)4 mới tạo thành lại tham gia vào phản ứng mới và cứ như vậy tạo ra một chu trình phản ứng liên tục. Như vậy, hiệu quả khử mangan do chính bản thân quá trình khử tạo ra trên bề mặt vật liệu lọc.
Biểu đồ hình trên cho thấy vai trò quan trọng của lớp xúc tác đến hiệu quả khử mangan bằng ôxy. Khi chưa có lớp xúc tác, hiệu quả khử chỉ đạt được với pH lớn hơn 9, nếu có xúc tác phản ứng có hiệu quả ngay từ pH=8,2.
Trong thực tế để sớm đưa vào bể lọc vào chế độ hoạt động ổn định, cần pha thêm vào nước dung dịch KMnO4 với liều lượng 1 – 3 mg/l trong vài ngày đầu, hoặc nâng pH của nước lên trên 9.