Food Processing: Techniques and Technology Food Processing: Techniques and Technology Техника и технология пищевых производств 2074-9414 2313-1748 105015 10.21603/2074-9414-2025-3-2598 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ ORIGINAL ARTICLE ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ Removal of Manganese Ions from Natural and Wastewater Деконтаминация ионов марганца из сточных вод и природных источников https://orcid.org/0000-0002-3542-786X Неверов Евгений Николаевич Neverov Evgeniy N.

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 https://orcid.org/0000-0002-1349-2812 Тимощук Ирина Вадимовна Timoshchuk Irina V. irina_190978@mail.ru https://orcid.org/0000-0002-3782-2521 Горелкина Алена Константиновна Gorelkina Alena K.

кандидат химических наук;

candidate of chemical sciences;

 https://orcid.org/0000-0002-4103-8780 Иванова Людмила Анатольевна Ivanova Ludmila A. lyuda_ivan@mail.ru https://orcid.org/0000-0002-0673-0747 Михайлова Екатерина Сергеевна Mikhailova Ekaterina S. https://orcid.org/0009-0001-4883-0340 Утробина Тамара Александровна Utrobina Tamara A. https://orcid.org/0000-0002-0714-204X Майтаков Анатолий Леонидович Maytakov Anatoliy L. Кемеровский государственный университет Kemerovo State University Кемеровский государственный университет Кемерово Россия Kemerovo State University Kemerovo Russian Federation Кемеровский государственный университет Кемерово Россия Kemerovo State University Kemerovo Russian Federation Кемеровский государственный университет Кемерово Россия Kemerovo State University Kemerovo Russian Federation Кемеровский государственный университет Кемерово Россия Kemerovo State University Kemerovo Russian Federation Кемеровский государственный университет Кемерово Россия Kemerovo State University Kemerovo Russian Federation Кемеровский государственный университет RU Kemerovo State University RU 08 10 2025 08 10 2025 55 3 634 647 15 06 2025 05 08 2025 https://fptt.ru/en/issues/23788/23840/

Техногенная нагрузка агропромышленного комплекса и предприятий различных отраслей промышленности приводит к существенному истощению основных биосферных функций. К перспективному направлению элиминации тяжелых металлов относится сорбционный метод. Цель работы – установление закономерностей и механизма процесса адсорбции ионов марганца и выявление наиболее целесообразных рекомендаций для их деконтаминации из поверхностных, подземных и сточных вод. Объектами исследования являлись традиционный активный уголь на основе углеродистого материала СКД-515, сорбент на основе скорлупы кокоса (кокосовый активный уголь) и сорбционный материал минерального происхождения МС. Для изучения структуры поверхности, рельефа и наличия пор сорбционных материалов использовали рентгеноструктурный анализ, методы электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии и сканирующей электронной микроскопии. Проведено комплексное исследование адсорбции марганца в равновесных, кинетических и динамических условиях. При адсорбции ионов марганца наблюдалось незначительное изменение структурно-сорбционных параметров. Кокосовый активный уголь и СКД-515 относятся к микропористым материалам, а МС – к мезопористным. Адсорбция марганца в статических условиях позволила расположить сорбционные материалы по поглотительной способности в ряд: МС > кокосовый активный уголь > СКД-515. Посредством кинетических исследований установлено, что лимитирующей стадией процесса адсорбции является внешнедифузионный массоперенос в течение 20–45 мин. На этапе моделирования работы сорбционной колонны с неподвижным слоем материала в динамических условиях варьировали диаметр колонны, высоту слоя загрузки, скорость потока, исходную концентрацию ионов марганца. Степень очистки в динамических условиях для МС составила 87 %, кокосового активного угля – 45 %, СКД-515 – 37 %. По результатам комплексного исследования процесса адсорбции марганца в статических, кинетических и динамических условиях для практического применения при очистке сточных вод и водоподготовке может быть рекомендован сорбционный материал МС в связи с низкой стоимостью и высокой эффективностью.

The man-induced impact caused by agriculture and industry depletes the biosphere and its resources. Sorption is an effective means of removing heavy metals from water. This research featured manganese adsorption patterns in surface, underground, and wastewater sources. The study involved conventional activated carbon SKD-515, a coconut carbon sorbent, and a mineral sorbent of MS brand. The surface structure was studied using the methods of X-ray structural analysis, electrothermal atomic absorption spectrometry, and scanning electron microscopy. Other experiments tested the results of manganese adsorption under different equilibrium, kinetic, and dynamic conditions. The tests revealed an insignificant change in the structural and sorption parameters. The samples of coconut carbon and SKD-515 were microporous while the MS sample proved to be mesoporous. The static test made it possible to range the sorbents by their absorption capacity as follows: MS > coconut carbon > SKD-515. According to the kinetic test, the limiting stage of the adsorption process started at the external diffusion mass transfer (20–45 min). The modeling stage involved a sorption column with a fixed material bed and different column diameters, loading layer heights, flow rates, and initial concentrations of manganese ions. Under dynamic conditions, the highest purification degree (87%) belonged to the MS samples followed by the coconut carbon samples (45%) and the conventional SKD-515 material (37%). The MS mineral sorbent proved to be the most effective manganese sorbent under static, kinetic, and dynamic conditions, demonstrating good prospects as a cheap industrial wastewater and natural water filter.

 Техногенная трансформация сточные воды природные водоисточники адсорбция активный уголь сорбционный материал марганец Anthropogenic transformation wastewater natural water sources adsorption activated carbon sorption material manganese Исследование выполнено в рамках комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Разработка и внедрение комплекса технологий в областях разведки и добычи полезных ископаемых, обеспечения промышленной безопасности, биоремедиации, создания новых продуктов глубокой переработки из угольного сырья при последовательном снижении экологической нагрузки на окружающую среду и рисков для жизни населения», утвержденной Распоряжением Правительства Российской Федерации от 11.05.2022 № 1144-р, при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, соглашение № 075-15-2022-1201 от 30.09.2022. The research was part of the comprehensive R&D innovative cycle “New technologies in coal mining and processing: Industrial safety and bioremediation, new products of deep coal processing, and reducing the environmental burden and hazards to Populations” (Decree of the Government of the Russian Federation no. 1144-r, May 11, 2022), supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Agreement no. 075-15-2022-1201, September 30, 2022).

Шестова Г. В., Иванова Т. М., Ливанов Г. А., Сизова К. В. Токсические эффекты марганца как фактор риска для здоровья населения. Медицина экстремальных ситуаций. 2014. № 4. С. 59-65. https://elibrary.ru/TCUVMF Shestova GV, Ivanova TM, Livanov GA, Sizova KV. Manganese toxic properties and magnese toxicity as a threat to public health. Medicine of extreme situations. 2014; (4):59-65. (In Russ.) https://elibrary.ru/TCUVMF Огрызкова О. С., Эйрих А. Н., Серых Т. Г., Дрюпина Е. Ю., Усков Т. Н. и др. Сезонные изменения содержания марганца в воде Новосибирского водохранилища. Известия Алтайского государственного университета. 2014. № 3-2. С. 176-180. https://doi.org/10.14258/izvasu(2014)3.2-31 Ogryzkova OS, Eirikh AN, Serykh TG, Dryupina EYu, Uskov TN, et al. Manganese content seasonal dynamics in the water of Novosibirsk reservoir. Izvestiya of Altai State University Journal. 2014;(3-2):176-180. (In Russ.) https://doi.org/10.14258/izvasu(2014)3.2-31 Ivanova S, Vesnina A, Fotina N, Prosekov A. An overview of carbon footprint of coal mining to curtail greenhouse gas emissions. Sustainability. 2022;14(22):15135. https://doi.org/10.3390/su142215135 Ivanova S, Vesnina A, Fotina N, Prosekov A. An overview of carbon footprint of coal mining to curtail greenhouse gas emissions. Sustainability. 2022;14(22):15135. https://doi.org/10.3390/su142215135 Шакирова В. В., Садомцева О. С., Кошкин Е. М., Кожина А. Д. Исследование процессов сорбции некоторых ионов тяжелых металлов на природных материалах. Естественные науки. 2016. № 4. С. 118-124. https://elibrary.ru/XVNHKZ Shakirova VV, Sadomtseva OS, Koshkin EM, Kozhina AD. Research of processes of sorption of some ions of heavy metals on natural materials. Natural Sciences. 2016;(4):118-124. (In Russ.) https://elibrary.ru/XVNHKZ Saranya A, Sasikala S, Muthuraman G. Removal of manganese from ground/ Drinking water at south madras using natural adsorbents. International Journal of Recent Scientific Research. 2017;8(6):17867-17876. Saranya A, Sasikala S, Muthuraman G. Removal of manganese from ground/ Drinking water at south madras using natural adsorbents. International Journal of Recent Scientific Research. 2017;8(6):17867-17876. Suhendrayatna, Zaki M, Delima Habdani Harahap A, Verantika F. Adsorption of Manganese (II) ion in the water phase by citric acid activated carbon of rice husk. Proceedings of MICoMS. 2017;(1):547-554. https://doi.org/10.1108/S2516-2853201801 Suhendrayatna, Zaki M, Delima Habdani Harahap A, Verantika F. Adsorption of Manganese (II) ion in the water phase by citric acid activated carbon of rice husk. Proceedings of MICoMS. 2017;(1):547-554. https://doi.org/10.1108/S2516- 2853201801 Осинцева М. А., Дюкова Е. А., Ульянова Е. Г., Осинцев А. М. Изучение способности аккумулирования тяжелых металлов растениями в процессе рекультивации отвала угольного разреза. Техника и технология пищевых производств. 2024. Т. 54. № 4. С. 897-908. https://doi.org/10.21603/2074-9414-2024-4-2551 Osintseva MA, Dyukova EA, Ulyanova EG, Osintsev AM. Heavy metals accumulation in plants during coal mine reclamation. Food Processing: Techniques and Technology. 2024;54(4):897-908. (In Russ.) https://doi.org/10.21603/2074-9414-2024-4-2551 Tran TN, Kim D-G, Ko S-O. Adsorption mechanisms of manganese (II) ions onto acid-treated activated carbon. KSCE Journal of Civil Engineering. 2018;22(10):3772-3782. https://doi.org/10.1007/s12205-018-1334-6 Tran TN, Kim D-G, Ko S-O. Adsorption mechanisms of manganese (II) ions onto acid-treated activated carbon. KSCE Journal of Civil Engineering. 2018;22(10):3772-3782. https://doi.org/10.1007/s12205-018-1334-6 Yang X, Wan Y, Zheng Y, He F, Yu Z, et al. Surface functional groups of carbon-based adsorbents and their roles in the removal of heavy metals from aqueous solutions: A critical review. Chemical Engineering Journal. 2019;366:608-621. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.02.119 Yang X, Wan Y, Zheng Y, He F, Yu Z, et al. Surface functional groups of carbon-based adsorbents and their roles in the removal of heavy metals from aqueous solutions: A critical review. Chemical Engineering Journal. 2019;366:608-621. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.02.119 Dong L, Liu W, Jiang R, Wang Z. Study on the adsorption mechanism of activated carbon removing low concentrations of heavy metal. Desalination and Water Treatment. 2016;57(17):7812-7822. https://doi.org/10.1080/19443994.2015.1100140 Dong L, Liu W, Jiang R, Wang Z. Study on the adsorption mechanism of activated carbon removing low concentrations of heavy metal. Desalination and Water Treatment. 2016;57(17):7812-7822. https://doi.org/10.1080/19443994.2015.1100140 О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2023 году. Проект Государственного доклада. - М.: Минприроды России; ООО «Интеллектуальная аналитика»; ФГБУ «Дирекция НТП»; Фонд экологического мониторинга и международного технологического сотрудничества, 2024. - 707 с. On the State and Environmental Protection in the Russian Federation in 2023. Draft National Report. - Moscow: Ministry of Natural Resources and Environment of Russia; LLC "Intellectual Analytics"; Federal State Budgetary Institution "Directorate for Innovative Technologies"; Envi¬ronmental Monitoring and International Technological Cooperation Fund, 2024. - 707 p. (In Russ.) Бибанаева С. А., Скачков В. М. Сорбция тяжелых металлов из водных растворов синтетическими цеолитами. Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023. № 15. С. 924-929. https://doi.org/10.26456/pcascnn/2023.15.924 Bibanaeva SA, Skachkov VM. Sorption of heavy metals from aqueous solutions with synthetic zeolites. Physical and chemical aspects of the study of clusters, nanostructures and nanomaterials. 2023;(15):924-929. (In Russ.) https://doi.org/10.26456/pcascnn/2023.15.924 Полещук И. Н., Пинигина И. А., Созыкина Е. С. Извлечение ионов железа (III) из водных растворов модифицированными природными сорбентами. Современные наукоемкие технологии. 2019. № 3-2. С. 227-231. https://elibrary.ru/ZEKOVN Poleshchuk IN, Pinigina IA, Sozykina ES. Extracting ions of iron (III) from aqueous solutions by natural sorbents modified. Modern high technologies. 2019;(3-2):227-231. (In Russ.) https://elibrary.ru/ZEKOVN Иванова Л. А., Тимощук И. В., Горелкина А. К., Михайлова Е. С., Голубева Н. С. и др. Выбор сорбента для элиминации ионов железа из сточных и природных вод. Техника и технология пищевых производств. 2024. Т. 54. № 2. С. 398-411. https://doi.org/10.21603/2074-9414-2024-2-2516 Ivanova LA, Timoshchuk IV, Gorelkina AK, Mikhaylova ES, Golubeva NS, et al. Removing excess iron from sewage and natural waters: Selecting optimal sorbent. Food Processing: Techniques and Technology. 2024;54(2):398-411. (In Russ.) https://doi.org/10.21603/2074-9414-2024-2-2516 Chakraborty R, Asthana A, Singh AK, Jain B, Susan ABH. Adsorption of heavy metal ions by various low-costad-sorbents: A review. International Journal of Environmental Analytical Chemistry. 2022;102(2):342-379. https://doi.org/10.1080/03067319.2020.1722811 Chakraborty R, Asthana A, Singh AK, Jain B, Susan ABH. Adsorption of heavy metal ions by various low-costad- sorbents: A review. International Journal of Environmental Analytical Chemistry. 2022;102(2):342-379. https://doi.org/10.1080/ 03067319.2020.1722811 Rada АО, Kuznetsov AD. Digital inventory of agricultural land plots in the Kemerovo Region. Foods and Raw Materials. 2022;10(2):206-215. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2022-2-529 Rada AO, Kuznetsov AD. Digital inventory of agricultural land plots in the Kemerovo Region. Foods and Raw Materials. 2022;10(2):206-215. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2022-2-529 Гончиков В. Ч., Губайдулина Т. А., Каминская О. В., Апкарьян А. С. Фильтрующий материал для очистки воды от железа, марганца и сероводорода. Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 320. № 3. С. 37-40. https://elibrary.ru/OXJTBN Gonchikov VCh, Gubaidulina TA, Kaminskaya OV, Apkarian AS. Sorption materials for iron, manganese, and hydrogen sulfide removal from water. Bulletin of Tomsk Polytechnic University. 2012;320(3):37-40. (In Russ.) https://elibrary.ru/OXJTBN Diaz-Alarcón JA, Alfonso-Pérez MP, Vergara-Gómez I, Díaz-Lagos M, Martínez-Ovalle SA. Removal of iron and manganese in groundwater through magnetotactic bacteria. Journal of Environmental Management. 2019;249:109381. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.109381 Diaz-Alarcón JA, Alfonso-Pérez MP, Vergara-Gómez I, Díaz-Lagos M, Martínez-Ovalle SA. Removal of iron and manganese in groundwater through magnetotactic bacteria. Journal of Environmental Management. 2019;249:109381. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.109381 Du X, Yang W, Liu Y, Zhang W, Wang Z, et al. Removal of manganese, ferrous and antibiotics from groundwater simultaneously using peroxymonosulfate-assisted in-situ oxidation/Coagulation integrated with ceramic membrane process. Separation and Purification Technology. 2020;252:117492. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.117492 Du X, Yang W, Liu Y, Zhang W, Wang Z, et al. Removal of manganese, ferrous and antibiotics from groundwater simultaneously using peroxymonosulfate-assisted in-situ oxidation/Coagulation integrated with ceramic membrane process. Separation and Purification Technology. 2020;252:117492. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.117492 Du X, Liu G, Qu F, Li K, Shao S, et al. Removal of iron, manganese and ammonia from groundwater using a PAC-MBR system: The anti-pollution ability, microbial population and membrane fouling. Desalination. 2017;403:97-106. https://doi.org/10.1016/j.desal.2016.03.002 Du X, Liu G, Qu F, Li K, Shao S, et al. Removal of iron, manganese and ammonia from groundwater using a PAC-MBR system: The anti-pollution ability, microbial population and membrane fouling. Desalination. 2017;403:97-106. https://doi.org/10.1016/j.desal.2016.03.002 Просеков А. Ю., Тимощук И. В., Горелкина А. К., Михайлова Е. С., Голубева Н. С. и др. Сравнительная оценка содержания загрязняющих примесей в карьерных сточных водах угольных предприятий Кузбасса. Уголь. 2023. № 4. С.69-73. https://doi.org/10.18796/0041-5790-2023-4-69-73 Prosekov AYu, Timoshchuk IV, Gorelkina AK, Mikhailova ES, Golubeva NS, et al. Comparative assessment of the content of pollutants in quarry wastewater of Kuzbass coal enterprises. Ugol’. 2023;(4):69-73. (In Russ.) https://doi.org/10.18796/0041-5790-2023-4-69-73 Timoshchuk IV. Technology of afterpurification of drinking water from organic contaminants in production of foodstuff. Foods and Raw Materials. 2016;4(1):61-69. https://doi.org/10.21179/2308-4057-2016-1-61-69 Timoshchuk IV. Technology of afterpurification of drinking water from organic contaminants in production of foodstuff. Foods and Raw Materials. 2016;4(1):61-69. https://doi.org/10.21179/2308-4057-2016-1-61-69 Михайлова Е. С., Горелкина А. К., Тимощук И. В., Семенова С. А. Исследование динамики извлечения катионов металлов алюмосиликатами. Уголь. 2024. № S11. С. 53-57. http://doi.org/10.18796/0041-5790-2024-11S-53-57 Mikhaylova ES, Gorelkin AK, Timoshchuk IV, Semenova SA. Investigation of aluminosilicate metal cations extraction dynamics. Ugol’. 2024;(S11):53-57. (In Russ.) http://doi.org/10.18796/0041-5790-2024-11S-53-57 Parfitt G, Rochester C. Adsorption from solution at the solid-liquid interface. London, NY: Academic Press; 1983. 416 p. Parfitt G, Rochester C. Adsorption from solution at the solid-liquid interface. London, NY: Academic Press; 1983. 416 p. Mel’gunov MS, Ayupov AB. Direct method for evaluation of BET adsorbed monolayer capacity. Microporous and Mesoporous Materials. 2017;243:147-153. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2017.02.019 Mel’gunov MS, Ayupov AB. Direct method for evaluation of BET adsorbed monolayer capacity. Microporous and Mesoporous Materials. 2017;243:147-153. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2017.02.019 Федоткин И. М., Когановский А. М., Рода И. Г., Марутовский Р. М. Об определении коэффициента внешнего массообмена и адсорбции из растворов. Физическая химия. 1974. Т. 48. № 2. С. 473-475. Fedotkin IM, Koganovsky AM, Roda IG, Marutovsky RM. Determining external mass transfer and adsorption coefficients in solutions. Physical chemistry. 1974;48(2):473-475. (In Russ.)