Förstärkt koagulering vid humusreduktion av sjövatten

Färsk mangandioxid har provats i labförsök som förbättrande tillsats vid aluminiumfällning av sjövatten. Humusinnehållet kunde avskiljas med 45 % jämfört med 10 % för referensförsöket.

Av: Jörgen Hanaeus 

Mangandioxid, färsk och tillverkad av kaliumpermanganat och mangansulfat, doserades till sjövatten tillsammans med polyaluminiumsulfat (2 mg/L) och polyakrylamid (1 mg/L). Kommersiell mangandioxid testades som jämförelse. Humusinnehållet i sjövattnet före och efter behandling undersöktes med UV₂₅₄ och COD_Mn. Försöken gjordes i laboratorieskala (1 L) med varierande pH, flockningstid, sedimenteringstid och partikelinnehåll. Doseringsordning och relationen KMnO₄/MnSO₄ undersöktes också.

Bäst humusreduktion erhölls vid pH 4 och en dos av 10 mg MnO₂/L.

Bakgrund

Humus är den dominerande delen (60-90 %) av organiskt material i naturliga vatten.

Humussyrans funktionella grupper, såsom carboxyl- , hydroxyl-, quinone- och etergrupper kan reagera med olika katjoner  eller organiska reaktiva grupper i vatten; särskilt polära organiska ämnen. Desa reaktioner kan öka lösligheten för stabila toxiska ämnen i vatten.

Humusavskiljning  kan genomföras med fysikaliska, fysikalisk-kemiska och biologiska metoder. Adsorbtion på modifierade zeoliter, ultrafiltrering, fluidiserad filterbädd med biologi och Fentons oxidation är exempel på fungerande processer för humusreduktion. Den kemiska fällningen är en beprövad teknik, med pH-justering och korrekt koagulantdos.

Mangandioxid, MnO₂, har använts som adsorbent i olika sammanhang. Användande till koagulantkomplettering är mindre känt och tas upp i denna artikel. Särskilt intresse visas värdet av dioxidens ålder – färsk eller åldrad.

Försök

Till försöken användes vatten från East Lake of Wuhan i Kina, med  UV₂₅₄ 0,20-0,80 och COD_Mn  4-20 mg/L. Färsk mangandioxid framställdes med reaktion mellan KMnO₄ och MnSO₄.

Försöken utfördes i 1L-bägare med dosering av polyaluminiumsulfat (PAS) snabbinblandning vid 250 rpm under 1 minut, följd av dosering av mangandioxid med ytterligare 1 min snabb inblandning. Därefter dosering av 1 g/L polyakrylamid och omrörning vid 150 rpm under ca 30 minuter (varierades). Därefter sedimentering under 30 minuter, prov togs 1 cm under vattenytan och filtrerades genom 0,45 µm filter.

Faktorförsök utfördes med pH 4,6,8, MnO₂-doser 6,10,15 mg/L, långsam omrörningsperiod 20,30,40 min och partikelkoncentration (osagt vad; troligen lera) 10,20,30 mg/L.

Utöver analyser av UV₂₅₄ och COD_Mn gjordes bestämning av specifik yta (BET-metod) för den färska mangandioxiden och av Z-potential. Röntgendiffraktion och svepelektronmikroskopi användes för att definiera dioxidytan.

Resultat

Diffraktionsmönstret för den färska mangandioxiden visade på en tämligen svag och bred topp, vilket indikerar svag kristallstruktur och amorft ämne; γ-MnO₂, vilket också styrktes av svepelektronmikroskopfotografier. Partikeldiametern var som störst 120 nm. Efter 30 minuter koagulerade den färska dioxiden i kluster.

BET-analysen visade på en specifik yta för dioxiden av 99,3 m²/g. Vid Z-potential = 0 var pH i intervallet 2,5-5,0.

Med PAS-dosen 2 mg/L blev reduktionen av UV_{254 och} COD_Mn  9 % resp 2,5 %. Med tillsats av 10 mg/L färsk MnO₂ blev motsvarande siffror 55 % resp 39 %. Vid tillsats av kommersiell MnO₂ blev ökningen i reduktion knappt märkbar. Denna differens ökade vid minskad PAS-dos.

pH = 4 befanns optimalt, med 65 % reduktion av UV₂₅₄ och drygt 30 % reduktion av COD_Mn.

Mangandioxidtillsatsen gav påtaglig förbättring från 0-10 mg MnO₂

Slutsatser

Tillsats av färsk mangandioxid visade sig kunna ge signifikant förbättring av reduktionen av organiskt material vid aluminiumfällning av sjövatten.

Försöken är inte helt lätta att följa, beroende på antalet varierade parametrar. Intressant är att mangandioxidens ålder är viktig; troligen beroende på goda adsorbtionsegenskaper som försämras med tiden. Att lägre pH gynnar separationen av organiskt material är känt, men måste balanseras mot resthalten aluminium, vilket inte är gjort i artikeln.

Källa: Zeng, Y.¹⁾, Zeng, Z. ²⁾, Wang, J. ¹⁾(2015): ”Enhanced coagulation with in situ manganese dioxide on removal of humic acid in micro-polluted water.” Water Science&Technology  72.3  pp 406-414.

Hela artikeln finns att köpa här. 

Författarna från: 

1)    Department of Water Quality Engineering, School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China.

2)    Department of Chemical Engineering and Applied Chemistry, University of Toronto, Toronto MSS 3E5.

Kontakt:  zengyubin@whu.edu.cn