Mục đích của quá trình lọc là loại bỏ ra khỏi nước các tạp chất mà chủ yếu ở đây là các bông cặn hydroxyt sắt và hydroxyt mangan đã hình thành trong quá trình oxy hóa.
Sau khi ôxy hóa sắt và mangan, thủy phân kéo theo sự tạo thành các hydroxit sắt và hydroxit mangan và quá trình keo tụ trong thể tích tự do (với một phần cặn lắng) trên các thiết bị lọc quá trình tách khỏi nước các bông được tạo thành xảy ra, các bông này bị hấp phụ trên các vật liệu lọc. Trong quá trình này khối lượng cơ bản các bông cặn bị giữ lại trong các lớp bề mặt vật liệu, đôi khi trên cả bề mặt của chúng. Sau đó trên bề mặt các bông hydroxit sắt và hydroxit mangan bị hấp phụ có tích điện dương (pH > 6.5) xảy ra sự thu hút ôxy hòa tan ở
dạng ion và ở dạng nguyên tử, quá trình thu hút sắt (II), mangan (II). Trong suốt thời gian tiến hành quá trình lão hóa của hydroxit sắt, hydroxit mangan xuất hiện do lực kết tụ giữa các bông với nhau và với bề mặt hạt vật liệu yếu đi. Lực từ áp suất thủy động của dòng nước bị lọc bắt đầu chiếm ưu thế hơn các lực dính kết giữa các bông, lực này dứt các bông và đẩy các bông ra khỏi vật liệu lọc, điều này làm giảm chất lượng nước sau lọc.
Khi xử lý sắt và mangan trong nước theo phương pháp làm thoáng đơn giản quá trình chia ra làm hai giai đoạn: đầu tiên xảy ra quá trình hấp phụ các ion sắt (II), ion mangan (II) và các phân tử oxy lên bề mặt các hạt vật liệu lọc cùng với sự tạo thành màng có thành phần hóa học phức tạp, và sau đó quá trình thu hút và oxy hóa sắt, oxy hóa mangan lên bề mặt lớp màng hoạt tính. Bề mặt các hạt vật liệu lọc (cát thạch anh, Ferrolite, ODM – 2F, …) có tích điện và hiệu thế trường tích điện trên ranh giới của lớp hấp phụ đặc trưng bởi giá trị hiệu điện tĩnh. Dấu và giá trị hiệu điện thế phụ thuộc vào pH môi trường, chúng ảnh hưởng đến độ năng động quá trình thu hút trên bề mặt vật liệu với các chất thu hút có trong nước. Khi pH của nước gần 7 bề mặt các hạt cát có hiệu tĩnh điện không lớn, bởi vậy nó có khả năng thu hút yếu với các ion tích điện dương của sắt (II), mangan (II). Cùng với việc tăng pH nước thì khả năng thu hút cũng tăng theo và ngược lại. Do đó, khi lọc nước ngầm có chứa sắt (II), mangan (II) trước tiên tiến hành quá trình hấp phụ các ion sắt (II) trước rồi sau đó mới tới mangan (II) lên bề mặt các hạt vật liệu sạch. Nhờ quá trình hấp phụ các ion sắt (II), mangan (II) hiệu tĩnh điện của các hạt vật liệu giảm đi, điều này kéo theo giảm tính chất hấp phụ bề mặt hạt vật liệu lọc. Cùng với nó trong nước bị lọc có chứa oxy hòa tan, dưới tác động của oxy này các ion bị hấp phụ của sắt (II), mangan (II) chịu oxy hóa và thủy phân, điều này dẫn đến xuất hiện trên bề mặt các hạt vật liệu những lớp màng tính chất như chất thu hút mới chủ yếu tạo thành từ hydroxyt sắt, hydroxyt mangan.
Trong khi bắt đầu từ thời điểm tạo thành các màng, sự thu hút các ion sắt, ion mangan diễn ra song song trên các bề mặt tự do còn lại của các hạt vật liệu lọc và trên bề mặt của hydroxit sắt, hydroxyt mangan. Quá trình đầu tiên yếu dần đi bởi sự giảm bề mặt tự do của vật liệu lọc và hiệu tĩnh điện của nó, còn quá trình hai được tăng lên nhờ sự tích tụ các bề mặt hoạt tính của hydroxyt sắt và hydroxyt mangan. Quá trình ổn định không tắt dần trong xử lý sắt, mangan của nước chỉ có thể xảy ra trong điều kiện sắt, mangan bị oxy hóa, sắt và mangan thủy phân trong cùng một đơn vị thời gian tạo ra bề mặt thu hút mới, diện tích của nó bằng hoặc nhỏ hơn diện tích bề mặt của các ion sắt (II), ion mangan (II) bị thu hút khỏi nước trong cùng thời gian đó. Sự tạo thành các mixeo keo như sau:
{mFe(OH)3, nFe2+, (n-x).2HCO3}- xHCO3- Nhân Lớp hấp phụ Lớp khuếch tán Mixeo keo
{mMn(OH)4, nMn2+, (n-x).HCO3}- xHCO3- Nhân Lớp hấp phụ Lớp khuếch tán Mixeo keo
Trong đó:
m: là số phân tử Fe(OH)3, Mn(OH)4 các phân tử này tạo ra hạt nhân của các liên kết không tan trong nước
n: là số hạt ion hạt nhân bề mặt, chúng tạo ra hiệu nhiệt động x: là số ion đối bicacbonate hiện diện trong lớp khuếch tán
(n-x): là số ion đối bicacbonate tạo ra lớp hấp phụ cùng với sự tạo thành hiệu điện thế bởi các ion hạt nhân bề mặt của sắt (II), mangan (II).
Oxy đang có trong nước bị lọc giúp cho quá trình oxy hóa và thủy phân các ion hạt nhân bề mặt của sắt (II), mangan (II) cùng với sự tạo thành các phân tử mới của hydroxyt sắt, hydroxyt mangan, số lượng các phân tử này tăng lên không ngừng, điều này giúp tăng kích thước của các hạt nhân và làm cho quá trình thu
hút sắt hai, mangan hai không ngắt quãng cho đến khi thu hút hoàn toàn. Nhờ đó hiệu tĩnh điện của các mixeo gần đến hoặc bằng không.
Trong điều kiện này của các mixeo thì số lượng các ion đối trong lớp hấp phụ tương đương với số lượng các ion hạt nhân bề mắt sắt (II), mangan (II), tức là (n-x). Sau một thời gian x của các ion hạt nhân bề mặt bị biến thành các phân tử hydroxyt sắt, hydroxyt mangan và số lượng tổng cộng của chúng bằng (m+x). Trạng thái cách điện của các mixeo có thể biểu diễn trong dạng:
{(m+x)[Fe(OH)3], (n-x)Fe2+, (n-x).2HCO3}o Nhân Lớp hấp phụ
Mixeo keo
{(m+x)[Mn(OH)4], (n-x)Mn2+, (n-x).HCO3}o Nhân Lớp hấp phụ
Mixeo keo
Trạng thái cách điện tương tự của các mixeo làm xuất hiện quá trình keo tụ giữa chúng với nhau và tạo thành cấu trúc dạng tới xốp trong khoảng trống giữa các lỗ hoặc ximăng hóa một phần với các hạt vật liệu lọc nhờ các muối canxi và magiê đóng vai trò chất kết dính.
Các quá trình thu hút trong phương pháp xử lý sắt, mangan xảy ra khi có đủ diện tích bề mặt hoạt tính hydroxyt sắt, hydroxyt mangan, còn vận tốc thủy phân và oxy hóa sắt (II), mangan (II) phụ thuộc vào nhiệt độ và pH của nước. Do đó sản phẩm của các phản ứng này có ảnh hưởng lớn lên quá trình thu hút thủy phân và oxy hóa các ion sắt (II), mangan (II), sản phẩn này là hydroxyt sắt, hydroxyt mangan .
Như vậy xử lý sắt trong nước theo phương pháp làm thoáng đơn giản đặc trưng bởi sự tạo thành trong khoảng không gian giữa các lỗ những cấu trúc dạng bông tơi của hydroxyt sắt, hydroxyt mangan, là chất thu hút các ion sắt hai và mangan hai.
Để loại bỏ các bông cặn hydroxyt sắt, hydroxyt mangan người ta sử dụng các thiết bị lọc. Trong các thiết bị lọc này có chứa một lớp vật liệu, chúng có thể là cát, cát thạch anh, than anthraxit, ferrolite, toyolex, nhựa vinyl, polystyrol,…Các vật liệu lọc này có thể sử dụng riêng rẽ hoặc sử dụng đồng thời (trong các thiết bị lọc nhiều lớp). Chiều chuyển động của nước trong thiết bị có thể đi từ trên xuống hoặc từ dưới lên. Khi nước có chứa bông cặn hydroxit sắt, hydroxyt mangan đi qua lớp vật liệu lọc, các bông cặn sẽ bị giữ lại trên bề mặt và trong các khe của lớp vật liệu lọc, do đó khi nước ra khỏi thiết bị lọc thì hàm lượng sắt, mangan trong nước đã giảm tới mức cho phép.
Quá trình khử sắt, lượng ôxy cần đến ít hơn nhiều. Để chuyển sắt hòa tan thành sắt oxyt dydrat không tan khi có mặt bicacbonat theo phản ứng:
4Fe2+ + O2 + (2n+4)H2O → 2Fe2O3.nH2O + 8H+ 8H+ + 8HCO3- → 8H2O + 8CO2 Cộng hai quá trình trên ta có:
4Fe2+ + O2 + (2n+4)H2O + 8HCO3- → Fe2O3.nH2O + 8CO2 Như vật chỉ cần 0,14g O2 để chuyển hóa 1g sắt.
Quá trình khử mangan xảy ra như sau:
4Mn2+ + (2x+y-2)O2 + (2y+4z+4)H2O → 4MnOx(OH)y(H2O)z + 8H+ 4Mn2+ + (2x+y-2)O2 + (2y+4z-4)H2O → 4MnOx(OH)y(H2O)z + 8CO2
Giá trị (2x+y) cao nhất là 4 nên (2x+y-2) không bao giờ lớn hơn 2. Lượng ôxy cần thiết là 0,29g cho 1 gam mangan, tương ứng với phản ứng sau:
2Mn2+ + O2 + 4HCO3- → 2MnO2 + 2H2O + 4CO2 Trong đó các ion Mn2+ đã bị khử thành MnO2.
Ngoài ra, nhằm tăng cường hiệu quả khử sắt và mangan trong quá trình lọc còn sử dụng vật liệu xúc tác Ferrolite. Phản ứng hóa học xảy ra là:
Đối với sắt: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đối với mangan:
Z-MnO.Mn2O7 + 2Mn(HCO3)3 + 3H2O →
Z-[MnO(OH)2]5 + 4CO2 + Z-[Mn(OH)2]2 + 2CO2 Trong đó : Z- cấu trúc vật liệu (Matrix).
Z-MnO.Mn2O7 chất xúc tác oxi hóa (Ferrolite).
Như vậy, cơ chế của quá trình lọc chủ yếu là quá trình tách các cặn bẩn có trong nước (ở đây là các bông cặn hydroxyt sắt ba, hydroxyt mangan bốn) và giữ chúng lại trên bề mặt các hạt vật liệu lọc.