schmutziges Wasser

Maddox Catalyst: Hochleistungsbehandlung für kontaminiertes Wasser

Einführung in den Maddox-Katalysator


Maddox ist ein Katalysator
aus reinem Manganerz, der in einem speziellen Ofen mit proprietären Techniken behandelt wurde. Es wird als heterogener Katalysator zur Inline-Entfernung und/oder Reduktion bestimmter Verunreinigungen aus Wasser verwendet. Zu diesen Verunreinigungen gehören Eisen, Mangan, Aluminium, Chloride und verschiedene gelöste und saure Gase. Maddox kann als Übergangsmetalloxid fungieren, das als Katalysator fungiert.

Wie es funktioniert

Das zentrale Konzept rund um den bettbasierten Maddox-Katalysator für die
Wasserreinigung
ist, dass gelöstes Eisen und andere Metallionen und gelöste Gase durch den hochoxidierenden Maddox-Katalysator oxidiert werden, wodurch einige bei Kontakt ausbrechen oder zersetzen.

Ausscheidete werden dann mit einem geeigneten Filter gefiltert, der durch Rückspülen aus dem Filtermedium oder medium entfernt wird.

Im Falle der Eisenentfernung durch den Maddox-Katalysator (Mangan) sind die ionischen Gleichungen wie folgt.

2Fe2+ + MnO2 + 2H2O ⇌ 2Fe3+ + Mn2+ + 4OH-
Mn2+ + MnO2 + 2H2O ⇌ 2Mn3+ + 4OH-

Das Mangan in MnO2 befindet sich im +4 Oxidationszustand. Es kann beobachtet werden, dass das oft wasserlösliche Eisen(ii) Ion durch das Manganoxid des Maddox-Katalysators zu Eisen(iii) oxidiert wird; Eisen(iii)-Verbindungen sind in der Regel weniger wasserlöslich als ihre Eisen(ii)-Gegenstücke. Mangan(ii)-Verbindungen/Komplexe neigen dazu, wasserlöslich zu sein, jedoch macht eine weitere Oxidation in der zweiten Gleichung zum Mangan(iii)-Ionen eine schlechtere Löslichkeit. Das Gleichgewicht der Löslichkeit ist bei der Wasserreinigung entscheidend, wobei die weniger löslichen metallischen Verbindungen das System passieren, desto besser. Dennoch müssen einige halb- oder schlecht lösliche Eisen- und Mangansalze, die während der Oxidation entstehen, stromabwärts durch 1 bis 5 m Filtration entfernt werden.

Vorgestelltes Bild

Ph

pH ist im Großen und Ganzen das Maß dafür, wie sauer oder basisch ein Stoff ist. Niedrige pH-Werte werden in sauren Umgebungen erlebt, während höhere pH-Werte gefunden werden, wenn das Medium basisch/alkalisch ist. Eine der tiefsten Fähigkeiten von pH ist es, die Löslichkeit verschiedener Substanzen zu modulieren.

Die Fähigkeit von Maddox, über eine Vielzahl von pH-Werten zu arbeiten, ergibt sich aus der Fähigkeit des Mediums, gelöste saure Gase zunächst aus niedrigem pH-Wasser zu entfernen, wodurch die gelösten Metalle oder einige davon (im Fall von Fe, Mn und Al) bei einem normalen pH-Niederschlagsbereich natürlich ausfällt – dieser Niederschlagsprozess wird durch die Oxidationskapazität des Maddox selbst verstärkt, was insgesamt zu sehr hohen Abscheidungsraten führt.

Bei hohem pH-Wasser, d.h. wenn keine gelösten sauren Gase vorhanden sind, wird der gelöste Teil der Substanz dann allein durch den Maddox zu einem geringeren oder höheren Wirkungsgrad oxidiert, je nach Gesamtwasserqualität.

Da in vielen Fällen keine harten und schnellen Regeln angewendet werden können, oder in Ermangelung einer glaubwürdigen Datenbank oder detaillierten Analyse, wird empfohlen, Labor- oder Kleinversuchsarbeiten durchzuführen, um genauere Betriebsparameter und Prozesseffizienz zu bestimmen.

sauberes Wasser, das über einen Wasserfall läuft

Operative Aspekte

Die Grundeinrichtung für ein Maddox-Bett ist ein Wasserein- und Auslass, das Maddox-Bett selbst, Vor- und Nachbehandlungsfilter und einige Mittel der Rückspülung, um die wiedergewonnenen Verunreinigungen zu entfernen.

Maddox Bettkatalyseprozesse können je nach Rohwassereigenschaften mit kontinuierlichen Geschwindigkeiten von 8-12 bis Kubikmeter pro Stunde pro Quadratmeter Katalysator ausgeführt werden. Die Rückspülung erfordert eine wesentlich höhere Durchflussmenge von in der Regel zwischen 30 bis 50 m3h-1m-2.

Die hohe Schüttdichte (1.8) von Maddox ermöglicht den Einsatz des Mediums in einem Up-Flow-Muster – dies bewirkt, dass die Maddox-Partikel teilweise fluidisieren, was den Prozess optimiert, der mehr von der aktiven Oberfläche zur Verfügung steht – es verbessert die Freisetzung von ausgefällten Partikeln aus dem Medium weiter, wodurch Verschmutzungen verhindert werden und der Maddox nicht als Schwebeteilchenfilter auftreten kann.

Regeneration

Die Regeneration des Maddox-Katalysatorbettes ist nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen erforderlich - d.h. nachdem die Oxidationskraft des Maddox-Bettes erschöpft ist. Entscheidend ist, dass dieser Prozess vor der vollständigen Erschöpfung des Maddox-Katalysatorbettes abgeschlossen werden soll. Dieser einfache Prozess wird durch die Anwendung von Kaliumpermanganat (KMnO4, 1,75 bis 3,5% Lösung) oder Calciumhypochlorit durchgeführt - beide Materialien sind starke Oxidationsmittel und geben den "verbrauchten" Mangankatalysator wieder in hochoxidationsreiches Mangan zurück, um wieder verwendet zu werden. Häufige Regenerationsbehandlungen erfordern mindestens eine Stunde Exposition gegenüber den regenerativen Oxidationsmitteln, nach dem ein strenges Backwashing-Verfahren verwendet wird, um überschüssige Oxidationsmittel und andere unerwünschte Materialien zu entfernen.

Kontinuierliche Regeneration wurde vor kurzem entwickelt und verwendet ultraviolette Lampen mit geringer und mittlerer Intensität, die über das Bett aufgebracht werden. Dadurch entsteht Sauerstoff (ca. 3 g pro Stunde) und Ozon (ca. 2 g pro Stunde) als Oxidationsmittel in situ,die ein niedriges, aber konstanteregenerationsniveau des Maddox-Katalysatorbettes ermöglichen. Die Effizienzniveaus dieser In-situ-Behandlung sind abhängig von Wasserdurchfluss, Volumen und Lampenleistung.

Physikalische Eigenschaften des Katalysator- und Katalysatorbetts

Maddox-Betten werden in der Regel im Tiefenbereich von 300 bis 800 mm eingesetzt, abhängig von der entworfenen Wasserdurchflusskapazität und der Rohwasserqualität. Entscheidend ist die Tatsache, dass die Maddox-Medien bei Bedarf über geeignete Unterbetten verfügt.

Da es sich um einen heterogenen Katalysator handelt, spielt Maddox Korngröße eine Rolle, da korn/partikelgröße ein Proxy für die Oberfläche ist. Die Oberfläche ist einer der wichtigsten Aspekte eines heterogenen Katalysators. Effektive Korngrößen des Maddox-Katalysators reichen von 0,25 bis 3,3 mm - d.h. eine leicht zu bearbeitende Größe - mit entsprechenden Maschenöffnungen von 0,3 bis 3 mm. Bei Verwendung auf der Multi-Kilogramm-Skala sind solche Partikelgrößen großen Flächen entsprechend.

Die Zermürbung ist ein kleines Problem mit Maddox-Katalysatorbetten, mit Verlusten in der Größenordnung von 3 bis 5% pro Jahr können tragfähige Prozesse über einen längeren Zeitraum funktionieren, bevor ein vollständiger Medienaustausch erforderlich ist. Eine solche Langlebigkeit ist eine weitere Schnur im Bug der Maddox-Betten als robustes, leistungsstarkes System.

Lösungsmittelextraktionsanlage

Vorbehandlung von vorgelagertem Flüssigmaterial

Voroxidation vorgelagerter Flüssigkeiten als gemeinsame Strategie von Verfahrensingenieuren, bei der die Oxidation von vorgelagertem Rohwasser mit Chlorgas, Natrium- oder Calciumhypochlorit durchgeführt wird; oder direkter mit Ozon, Sauerstoff oder Kaliumpermanganat. Bis zu einem gewissen Grad kann die Voroxidation Verunreinigungen entfernen, die von Maddox entfernt würden, aber die Verwendung dieser Vorbehandlungen ist nicht so einfach wie das kontaminierte Wasser über das Maddox-Bett wie geplant passieren zu lassen.

Daher kann gesagt werden, dass die Verwendung von Maddox-Katalysator die Notwendigkeit der Behandlung der Wasserversorgung im Voraus mit Natrium- oder Kaliumhypochlorit oder einem der oben genannten vorgelagerten Vorbehandlungsoxidantien negiert.

Trübung (das breite Maß der suspendierten Feststoffe in einer Flüssigkeit, hohe Trübung bedeutet, dass es hohe Konzentrationen von Schwebstoffen, daher weniger rein/saubere Flüssigkeit) ist eine wichtige Überlegung in jedem Prozess, der sich mit Niederschlag und Filtration befasst.

Metallsalze werden in einem Vorbehandlungsverfahren zu Schwebstoffen oxidiert, was selbst einen Filtrationsprozess vor dem Maddox-Bett erfordern würde, um die erzeugten Schwebstoffe herauszufiltern, so dass die Trübung reduziert wird, was eine optimale Katalysatorfunktion ermöglicht. Ein hohes Maß an Trübung würde eine häufige Rückspülung erfordern, daher sind Filtergröße und/oder sequentielle Filter wichtige Faktoren zu berücksichtigen.

Die Wirkung von Chlor

Viele Manganoxid-Katalysatoren sind anfällig für Vergiftungen durch das Vorhandensein erhöhter Chlorgehalte, was zu einem geringeren Aktivitätsniveau des Katalysators führt(1). Die Kalzinierung, die während des ersten Brennens/Erhitzens in der Maddox-Katalysatorherstellung auftritt, die wahrscheinlich dazu führt, dass der Katalysator eine hohe Oberfläche hat, führt zu einem allgemein aktiveren Katalysator mit "aktiveren Standorten" und würde daher sehr erhöhte Chlorgehalte erfordern, um ausreichend zu vergiften.

Dual-Filter-Medienanlage

Spezifische Anwendungen in Eisen, anderen Metallen (und verwandten Verbindungen) Entfernung

Aufgrund des Einsatzes von Maddox-Katalysatoren in einer "Bett"-Struktur wird er am häufigsten zur Entfernung verschiedener Verunreinigungen aus Flüssigkeiten wie Schwefelwasserstoff, Eisen und einer Vielzahl von Metallsalzen verwendet. Die Reduzierung auf Spurenoder oder die vollständige Beseitigung von Verunreinigungen kann den Unterschied zwischen einer lebensfähigen und einer gefährlichen Wasserversorgung ausmachen.

Eisenentfernung

Eine der führenden Anwendungen von Maddox Bettkatalysatoren ist die Entfernung von Eisenverbindungen aus Wasser. Die Einnahme von Eisen in Konzentrationen, die 60 mg pro Kilogramm Körpergewicht erreichen oder überschreiten, ist mit Toxizität verbunden, insbesondere bei Kindern(2). Während Toxizität eine Funktion der Dosierung und der magenintestinalen Auskleidung des Individuums ist, sollten lösliche Eisen(ii)-Verbindungen in Wasser so weit wie möglich vermieden werden. Entscheidend für Maddox' Nutzen ist seine Fähigkeit, Eisen über eine breite Palette von pH-Werten zu entfernen, abhängig von der gesamtwasserreichen Qualität. Eisenverbindungen finden ihren Weg in die Wasserquellen in vielerlei Hinsicht, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Auslaugung von Abfallanlagen und verstärkte Präsenz in lokalen Böden.

rotes Eisenoxidpulver im Topf

Sulfid-Entfernung

Schwefelwasserstoff wird als Breitspektrumgift beschrieben und ist in Wasser hochlöslich. Es gibt mehrere Methoden für seine Entfernung aus Dem Wasser, einschließlich direkter Chlorierung (mit Chlorgas), Nitratzugabe zu verdorbenen Wasserquellen oder durch einfache Belüftung (Sprudeln von Sauerstoff durch das kontaminierte Wasser). Solche Methoden sind in bestimmten Konzentrationen wirksam, aber der Maddox-Katalysator ist ebenso effektiv. Durch die Verwendung des Sauerstoffs auf dem Katalysator - nicht des Mangans, z.B. der Metallentfernung - wird das Sulfid zu Sulfat oxidiert, das unlöslich, weniger giftig ist und durch Filtration leicht entfernt werden kann. Der leicht erhöhte pH-Wert der bereits erwähnten eisenmanganischen ionischen Gleichungen, wenn Eisen vorhanden ist, erhöht die Effizienz des Entschwefelungsprozesses(3). Schwefelwasserstoff kann in Wasserläufen in der Nähe von Kläranlagen, Deponien und Gebieten auftreten, in denen landwirtschaftliche Abfälle schlecht bewirtschaftet werden.

Manganentfernung

Es sei darauf hingewiesen, dass die kleinen Molekül-Manganverbindungen, die während der Oxidation gebildet werden, ebenfalls entfernt werden müssen, damit nicht riskiert wird, eine Manganvergiftung weiter flussabwärts zu verursachen (4). Es sollte ein geeigneter Multimediafilter verwendet werden, der dem zur Entfernung unlöslicher Eisen/anderer Metall-/Sulfid-/Salzverbindungen ähnelt.

Mangan-Umberpulver im Topf

Beratung von Manganoxid

  • Maddox-Katalysator ist eine Manganoxid-Art, die aus der proprietären Erwärmung von Manganerz gebildet wird, was einen hohen Oberflächenkatalysator bietet, der viele Anwendungen hat
  • Eine der führenden Anwendungen für Maddox-Katalysator ist in Bettform für die Reinigung und Dekontamination von Wasser
  • Es verhält sich wie ein heterogener Katalysator und entfernt Verunreinigungen wie Eisen, Mangan und Schwefelwasserstoff durch einen Oxidationsmechanismus, dem eine anschließende Feinfiltration folgt.
  • Das Maddox-Bettkatalysesystem arbeitet über einen weiten Temperatur-, pH-Wert- und Kontaminationsgradbereich und ist ein belastbarer, robuster und langlebiger Katalysator, der leicht regeneriert werden kann (Regeneration kann sogar vor Orterreicht werden)
Müller

Verweise

1 W. Xu et al., Katalysatoren, 2019, 9, 726

2 T. Madiwale und E. Liebelt, Curr. Opin. Pediatr., 2006, 18, 174

3 M. L. McFarland und T. L. Provin, Wasserstoffsulfid im Trinkwasser, Texas A&M University, College Station, Texas, Vereinigte Staaten, 1999

4 J. E. Tobiason et al., Curr. Umfrage. Rep., 2016, 2, 168