Evaluation of the efficiency of sorbents-catalysts for the purification of water from manganese compounds

EVALUATION OF THE EFFICIENCY OF SORBENTS-CATALYSTS FOR THE PURIFICATION OF WATER FROM MANGANESE COMPOUNDS

ОЦІНКА ЕФЕКТИВНОСТІ СОРБЕНТІВ-КАТАЛІЗАТОРІВ ДЛЯ ОЧИЩЕННЯ ВОДИ ВІД СПОЛУК МАНГАНУ

Сторінки: 234-239. Номер: №6, 2022 (315)  
Автори:
GOMELYA Mukola
Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute
ORCID ID: 0000-0003-1165-7545
e-mail: m.gomelya@kpi.ua
TRUS Inna
Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute
ORCID ID: 0000-0001-6368-6933
e-mail: inna.trus.m@gmail.com
TVERDOKHLIB Mariia
Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute
ORCID ID: 0000-0002-9731-1969
e-mail: madamtverdohleb@gmail.com
RUDENKO Oleksandra
Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute
e-mail: aleksarudenko@ukr.net
ГОМЕЛЯ Микола, ТРУС Інна, ТВЕРДОХЛІБ Марія, РУДЕНКО Олександра
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2022-315-6-234-239

Анотація мовою оригіналу

The condition of sources and central water supply systems does not guarantee the required quality of drinking water. A large part of the population of Ukraine uses drinking water that does not meet hygienic requirements according to various indicators. Manganese compounds are quite often present in natural waters. Their quantitative content can vary in a wide range, depending on the region, it can be 5-6 mg/dm³. Manganese in underground waters is presented as ion Mn²⁺, salts of which are soluble. To remove manganese from water one should transfer it to insoluble state by oxidation. Today, there are a number of typical technologies of demagnetization of water. Many works have also been published which describe the purification of water from manganese ion.  It is worth noting that with a high content of manganese compounds in water, their removal is a rather difficult task. Removal of manganese compounds from water can be implemented using the ion exchange method, which consists of filtering water through loading in salt or acidic form. At the same time, softening and desalination of water can occur simultaneously. Therefore, the ion exchange method should be used for comprehensive water purification, softening, and removal of manganese compounds.
In order to study the oxidizing capacity of catalytic loading with respect to manganese compounds in water were used as a catalytic load KU-2-8 cationite modified with magnetite and manganese oxide in H⁺, Na⁺, and Ca²⁺ forms. To modify cationite with magnetite under static conditions, it was treated with a solution containing a mixture of Fe²⁺ and Fe³⁺ ions in a ratio of 1:2. The research was also carried out on the preparation of catalysts based on cationites by modifying them with manganese compounds.
The purpose of this article  is to evaluate the efficiency of manganese removal from water when using a catalyst sorbent. The article presents the results of research on water purification from manganese compounds using sorbents-catalysts modified with iron and manganese compounds. It was established that in static and dynamic conditions, complete extraction of manganese ions can be achieved using sorbents based on polymer resin and magnetite. When using cation exchange resin modified with magnetite, the removal of Mn²⁺ ions from aqueous solutions occurs both due to ion exchange, regardless of the form of the ion exchanger, and due to oxidation on the catalyst (magnetite) in the presence of dissolved oxygen.  Modified cation exchange resin in Na⁺ form leads to the extraction of manganese due to sorption and oxidation of Mn²⁺. In this case, sorption of calcium and magnesium ions, which is known to be accompanied by an increase in pH. The pH of the medium increased, which increased the efficiency of oxidation of manganese ions on magnetite. Under  these  conditions,  the  sorbent  catalyst  provides  complete  removal  of manganese ions due to catalytic oxidation and sorption of manganese ions on magnetite.
Keywords: manganese ions, magnetite, sorbent, catalyst, cationite, aeration.

Розширена анотація англійською  мовою

Стан джерел та систем центрального водопостачання не гарантує необхідної якості питної води. Велика частина населення України використовує питну воду, яка не відповідає гігієнічним вимогам за різними показниками. Сполуки марганцю досить часто присутні в природних водах. Їх кількісний вміст може коливатися у широкому діапазоні залежності регіону може становити – 5-6 мг/дм³. Варто зазначити, що при високому вмісті сполук марганцю у воді, їх видалення представляє достатньо складну задачу. Видалення сполук марганцю з води може бути реалізоване за допомогою методу іонного обміну, що полягає у фільтруванні води через завантаження в сольовій або кислій формі. При цьому може одночасно відбуватися пом’якшення та знесолення води. Тому, іонообмінний метод доцільно застосовувати для комплексного очищення води, її пом’якшення та видалення сполук  марганцю. В статті представлені результати досліджень з очищення води від сполук марганцю із застосуванням сорбентів-каталізаторів модифікованих сполуками заліза та марганцю. Встановлено, що в статичних та динамічних умовах повного вилучення іонів марганцю можна досягти із застосуванням сорбентів на основі полімерної смоли та магнетиту.
Ключові слова: іони марганцю, магнетит, сорбент, каталізатор, катіоніт, аерація.

References

1. Nkele K. Challenges, advances and sustainabilities on the removal and recovery of manganese from wastewater: A review / Nkele K., L. Mpenyana-Monyatsi, V. Masindi //  Journal of Cleaner Production. – 2022. Volume 377, December. – P. 134-152. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.134152
2. Alvarez-Bastida C. Drinking water characterization and removal of manganese. Removal of manganese from water / C. Alvarez-Bastida, V. Martínez-Miranda, M. Solache-Ríos, I. Linares-Hernández, A. Teutli-Sequeira, G. Vázquez-Mejía //  Journal of Environmental Chemical Engineering. – 2018. –Volume 6, Issue 2, April. – 2119-2125. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.jece.2018.03.019.
3. Zhan Liang-Tong.  Investigation of aqueous Fe(III) and Mn(II) removal using dolomite as a permeable reactive barrier material [Electronic resource] / Zhan Liang-Tong, Zhao Li, You Yuqing, Hao Na, Bate Bate // Environmental Technology. – 2022. – URL: https://doi.org/10.1080/09593330.2021.2020340 (11.09.2022).
4. Zasidko I. Use of zeolite for cleaning of nature water and effluents of communal enterprises / I. Zasidko, M. Polutrenko, O. Mandryk // Scientific Bulletin of UNFU. – 2017. – Volume 27. – P. 63-66. – DOI: https://doi.org/10.15421/40270513
5. Cong Lyu. Preparation and performance of manganese-oxide-coated zeolite for the removal of manganese-contamination in groundwater / Cong Lyu, Xuejiao Yang, Shengyu Zhang, Qihui Zhang, Xiaosi Su  // Environmental Technology. – 2019. – Volume 40 (7). – P.  878-887. – DOI: https://doi.org/10.1080/09593330.2017.1410579
6. Sakalova H. V. Naukovo-teoretychni osnovy kombinovanykh protsesiv ochyshchennia vodnykh seredovyshch iz vykorystanniam pryrodnykh sorbentiv : dys. … d-ra tekhn. nauk : spets. 21.06.01 / Sakalova Halyna Volodymyrivna. – Lviv, 2016. – 341 p.
7. Bandar S. Comparison of MnO2 modified and unmodified magnetic Fe3O4 nanoparticle adsorbents and their potential to remove iron and manganese from aqueous media / S. Bandar, M. Anbia, S. Salehi // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Volume 851, January. – P. 156822. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156822
8. Liu S. Preparation, surface functionalization and application of Fe3O4 magnetic nanoparticles / S. Liu, B. Yu, S. Wang, Y. Shen, H. Cong // Advances in colloid and Interface Science. – 2020. – Volume 281, July 20. – P. 102165. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.cis.2020.102165
9. Khan F. S. A. Magnetic nanoadsorbents potential route for heavy metals removal – a review / F. S. A. Khan, N. M. Mubarak, M. Khalid // Environmental Science and Pollution Research. – 2020. – Volume 27(19). – P. 24342-24356. – DOI: https://doi.org/10.1007/s11356-020-08711-6
10. Gomelya M. Sorbent-Catalyst for Acceleration of the Iron Oxidation Process / M. Gomelya, M. Tverdokhlib, T. Shabliy, V. Radovenchyk, O. Linyucheva // Journal of Ecological Engineering. – 2021. – Volume 22(3). – P. 221-230. – DOI: https://doi.org/10.12911/22998993/133030