Báo cáo TN xử lý nước cấp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC CẤP GVHD TRẦN THỊ PHI OANH SVTH Nguyễn Thanh Danh 1811665 Nguyễn Minh Chánh 1811587 Nguyễn Phạm Thành Chung 1811623 Nguyễn Lê Duy 1811721 Nguyễn Duy Sơn 1813850 Nguyễn Thị Bích Hiền 1812212 Nguyễn Ngọc Tân Nguyên 1813279 TP Hồ Chí Minh 26 tháng 03 năm 2022 MỤC LỤC BÀI 1 KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM 4 I Nguyên lý khử sắt 4 II Mục đích của bài.

Nguyễn Thị Bích Hiền 1812212 Nguyễn Ngọc Tân Nguyên 1813279

TP Hồ Chí Minh 26 tháng 03 năm 2022

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC CẤP

MỤC LỤC

BÀI 1: KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM

I Nguyên lý khử sắt

Nguyên lý của phương pháp này là oxy hóa Fe(II) thành Fe(III) và tách chúng ra khỏinước dưới dạng Fe(OH)3 Trong nước ngầm sắt (II) bicacbonat là một muối không bền, nódễ dàng thủy phân thành sắt (III) hyđroxyt theo phản ứng:

Kết hợp các phản ứng trên ta có phản ứng chung của quá trình oxy hoá sắt:

4Fe2+ + 8HCO3- + O2 + H2O →4Fe(OH)3↓ + 8H+ + 8HCO3

Nước ngầm thường không chứa oxy hoà tan hoặc có hàm lượng oxy hoà tan rất thấp Đểtăng nồng độ oxy hoà tan trong nước ngầm, biện pháp đơn giản nhất là làm thoáng Hiệuquả của bước làm thoáng được xác định theo nhu cầu ôxy cho quá trình khử sắt

II Mục đích của bài thí nghiệm

− Giúp sinh viên làm quen với mô hình khử sắt và phương pháp khử sắt trong thực tế

− Đánh giá khả năng khử sắt của hai phương pháp:

o Phương pháp làm thoáng

o Phương pháp dùng hóa chất

III Các phương pháp khử sắt

Hiện nay, có nhiều phương pháp khử sắt của nước ngầm, có thể chia làm ba nhóm chínhnhư sau:

• Khử sắt bằng phương pháp làm thoáng

• Khử sắt bằng phương pháp dùng hóa chất

• Các phương pháp khử sắt khác

a Khử sắt bằng phương pháp làm thoáng:

- Thực chất phương pháp khử sắt bằng làm thoáng là làm giàu oxi cho nước, tạo điềukiện để oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ thực hiện quá trình thủy phân để tạo thành hợp chất ít tanFe(OH)3 rồi dùng bể lọc để giữ lại Làm thoáng có thể là làm thoáng tự nhiên hay làm

thoáng nhân tạo Sau khi làm thoáng quá trình oxi hóa Fe2+ và thủy phân Fe3+ có thể xảy ratrong môi trường tự do, môi trường hạt hay môi trường xúc tác.

- Trong nước ngầm, sắt (II) bicacbonat là muối không bền vững, thường phân ly theodạng sau:

• V: vận tốc oxi hóa

• [Fe2+]; [H+]; [O2]: nồng độ của các ion Fe, H và oxi

• K: hằng số tốc độ phản ứng, phụ thuộc vào nhiệt độ và chất xúc tác

- Khi tất cả ion Fe2+ hòa tan trong nước đã chuyển háo thành bông cặn Fe(OH)3, việcloại bỏ các bông cặn ra khỏi nước được thực hiện ở bể lọc chủ yếu theo cơ chế giữ cặn cơhọc

b Khử sắt bằng phương pháp dùng hóa chất:

• Khử sắt bằng các chất oxi hóa mạnh:

- Các chất oxi hóa mạnh thường được sử dụng để khử sắt là: Cl2, KMnO4, O3… Khi chocác chất oxi hóa mạnh vào nước, phản ứng diễn ra như sau:

2 Fe2+ + Cl2 + 6 H2O  2Fe(OH)3 + 2 Cl- + 6 H

-3 Fe2+ + KMnO4 + 7H2O  3 Fe(OH)3 + MnO2 + K+ + 5H+

- Trong phản ứng, để oxi hóa 1 mg Fe2+ cần 0,64 mg Cl2 hoặc 0,94 mg KMnO4.

• Khử sắt bằng vôi:

- Phương pháp khử sắt bằng vôi thường không đứng độc lập mà kết hợp với các quátrình làm ổn định hoạt làm mềm nước Kho cho vôi vào nước, quá trình khử sắt sẽ xảy ratheo hai trường hợp:

o Trường hợp nước có oxi hòa tan: vôi được coi như là chất xúc tác, phản ứng khử sắtdiễn ra như sau:

4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O + 4Ca(OH)2 → Fe(OH)3↓+4Ca(HCO3)2

→ Sắt (III) hydroxit được tạo thành, dễ dàng lắng lại trong bể và được giữ lại hoàn toàn trong bể lọc.

o Trong trường hợp không có oxi hòa tan: khi cho vôi vào nước, phản ứng diễn ra như sau:

Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 → FeCO3 + CaCO3 + 2 H2O

→ Sắt được khử dưới dạng FeCO3 chứ không phải hydroxit sắt.

c Các phương pháp khử sắt khác :

− Khử sắt bằng trao đổi cation

− Khử sắt bằng điện phân

− Khử sắt bằng phương pháp vi sinh vật

− Khử sắt ngay trong lòng đất

IV Chuẩn bị

4.1 Mô hình thí nghiệm:

4.2 Tính toán

- Lượng phèn cho vào bể:

Gọi X (l) là lượng phèn sắt 10g/l cho vào bể V = 72l, để đạt nồng độ A= 5 mg/l, ta có: = 5 (mg/l)

V Nội dung thí nghiệm

5.1 Quy trình chạy mẫu 2 phương pháp

a Chuẩn bị:

− Kiểm tra xem các van đã đóng hết chưa

− Bơm nước vào giếng 72l

− Trong khi đang bơm nước vào giếng, dùng ống đong đong 0,036l dung dịch phèn sắt 10g/l cho vào giếng Sau đó ổn định mực nước trong giếng đến ngang lỗ tròn

Giêng nông đ 36 mg/l, pH tôi ưu = 7 ô Giàn mưa Bể phản ứng, thời gian sục khí tôi ưu 15’ C t loc (tư trên xuông) ô

− Mở van 1 và 3, bật bơm để bơm nước từ giếng lên giàn mưa

− Điều chỉnh lưu lượng bằng van 1 sao cho lưu lượng kế chỉ 4 LPM

− Nước sau khi qua giàn mưa sẽ chảy xuống bể phản ứng, ngay lập tức ta bật sục khí

để hòa trộn đều lượng nước trong bể phản ứng trong 15’

− Sau 15’, ta mở các van 2-4-7-8, đóng van 1 và 3 để nước đi vào cột lọc (từ trên xuống) Dùng van 2 điều chỉnh lưu lượng nhỏ hơn 4LPM

− Cho nước đi qua cột lọc, chờ 10’ cho nước trong cột lọc ổn định cũng như đảy hết nước cũ ra ngoài, ta bắt đầu lấy mẫu

− Dùng erlen lấy đầy mẫu nước ở đầu vòi ra và mang đi chuẩn bị tiến hành phân tích

− Ta giữ bơm để bơm hết nước trong bể phản ứng ra ngoài Sau đó ta tắt bơm và đóngtất cả các van

c Phương pháp dùng hóa chất (Clorine 70%):

Vận hành mô hình:

Quy trình:

− Mở van 1 và 2 để nước từ giếng chảy xuống bể phản ứng, Không cần bật bơm

− Ngay lập tức ta bật sục khí, rồi cân 19.35g Clorine 70% bỏ vào bể phản ứng, duy trì

hệ thống như trên trong vòng 15’

− Sau 15’, mở van 2-7-4-8, đóng van 1 và 2, bật bơm, tắt sục khí để bơm nước lên cộtlọc (từ trên xuống)

− Cho nước đi qua cột lọc, chờ 10’ cho nước trong cột lọc ổn định cũng như đẩy hết nước cũ ra ngoài, ta bắt đầu lấy mẫu

− Dùng erlen lấy đầy mẫu nước ở đầu vòi ra và mang đi chuẩn bị tiến hành phân tích

− Ta giữ bơm để bơm hết nước trong bể phản ứng ra ngoài Sau đó ta tắt bơm và đóngtất cả các van

5.2 Lập đường chuẩn

− Kết quả đo độ hấp thu ở bước sóng 510nm:

5.3 Xác định giá trị pH tối ưu, thời gian tối ưu

5.4 Xác định khả năng khử sắc bằng phương pháp làm thoáng

a Chuẩn bị mẫu mang đi so màu:

− Lắc đều mẫu thu được, lấy 25ml cho vào erlen

− Thêm 1ml dd HCl đậm đặc, 0.5ml NH2OH.HCl

− Mang đi đun cạn đến thể tích 7.5 – 10ml

− Làm nguội mẫu ở nhiệt độ phòng, thêm nước cất định mức 25ml

− Thêm 5ml dung dịch đệm ammonium acetate, 2ml NH2OH.HCl, đợi 10’ để phản ứng hiện màu hoàn toàn sau đó đo độ hấp thu ở bước sóng 510nm

b Kết quả 2 phương pháp:

− Phương trình đường chuẩn: C = 0.4421x – 0.0022

− Gọi mẫu thu được từ phương pháp làm thoáng và phương pháp hóa chất lần lượt là

VI Trả lời câu hỏi

6.1 Nêu các nguyên nhân tạo ra sắt trong nước ngầm?

− Giai đoạn hình thành khoáng pyrite FeS2:8

Sự hình thành pyrite là nguy cơ của phèn hóa đất và nước.Giai đoạn đầu là sự phát triểncủa hệ thực vật nước mặt ở vùng gần bờ biển.Sau đó, do quá trình bồi tụ phù sa cùng với

sự rút lui dần của biển, rừng ngập mặn bị mất môi trường sống Cây ngập mặn bị vùi trongphù sa và bị phân hủy yếm khí Nước mặn (nước biển)có hàm lượng ion sulfat SO42- rấtcao ( vài nghìn miligam trong một lít- cao gấp hàng trăm lần trong nước ngọt) Cây nướcmặn cũng chứa nhiều sulfat.Trong quá trình phân hủy yếm khí sulfat bị chuyển thànhhydrosulfua-SH Sản phẩm này khử oxít sắt(có rất nhiều phù sa bồi tụ) tạo thành sunfua sắt(FeS) Sau đó FeS chuyển hóa dần thành khoáng FeS2, pyrite dần dần bồi tụ lại thành tầngdày Những vùng đất có tầng pyrite được gọi là đất phèn tiềm tàng

− Giai đoạn hình thành H2SO4:

Sự hình thành H2SO4 do oxy hóa pyrite là nguyên nhân trực tiếp làm đất và nước nhiễmphèn Có nhiều nguyên nhân khác nhau làm cho oxy không khí xâm nhập sâu vào đất như:mực nước biển hạ thấp xuống, oxy hòa tan vào nước mưa rồi thấm vào đất, cây cối bề mặtchuyển từ phía trên thân lá xuống rễ và vào đất, con người khai phá đất…Đây là cơ hội để

vi sinh vật (Thiobacillus ferrooxydants) trong đất oxy hóa pyrite làm nguồn năng lượngcho chúng hoạt động

4FeS2 + 15O2 + 2H2O = 4 Fe3+ + 8SO42- + 12H+

Các sản phẩm của quá trình này: H2SO4, Fe3+ cùng với ion kali có sẵn trong đất kết hợpthành khoáng jaroste KFe3(SO4)2(H2O)6 Do môi trường có độ axit mạnh nên nhôm trongcấu trúc sét bị hòa tan và kết hợp các sản phẩm trên thành khoáng aluniteKAl3(SO4)2(H2O)6 Khoáng jarosite và alunite là chỉ thị cho đất phèn hoạt động

− Giai đoạn phá hủy pyrite và hình thành Fe 2+ :

Khi môi trường có tính axit mạnh, quá trình oxy hóa pyrite (quá trình hóa sinh) chậm lại,nhưng quá trình phân hủy pyrite tạo thành Fe2+ (quá trình hóa học) tăng cường:

FeS2 + 2Fe3+ = 3Fe2+ + 2S0

Đây là nguyên nhân hình thành ion Fe2+ trong nước phèn Quá trình oxy hóa và phân hủypyrite làm đất phèn hoạt động tích tụ H+, SO42-, Fe2+, Al3+, pH thấp và tính khử cao cũng lànguyên nhân hòa tan nhiều kim loại khác như mangan

− Sự hình thành khoáng Halotrichite FeAl2(SO4)4 22H2O

Ở vùng đất phèn thường xuất hiện một loại màu trắng xám, rất dễ tan trong nước Đặc biệtlà nước hòa tan khoáng này có thành phần và tính chất giống nước phèn: pH thấp, chứanhiều Fe2+, gốc sunfat SO4, nhôm Al3+ Phân tích hóa học và phổ cho thấy khoáng vật mới

này có công thức là FeAl2(SO)4 22H2O- đó là khoáng halotrichite, là nguyên nhân làm chonước bề mặt nhiễm phèn Nước phèn trong đất chứa khoáng halotrichite bị mao dẫn lênmặt đất Halotrichite mặt đất rửa trôi rữa xuống nước do mưa gió làm cho nước bị nhiễmphèn: pH thấp và chứa nhiều Fe2+, Al3+,SO42-,Mn2+

− Sự xuất hiện Fe 2+ trong nước ngầm

Nước ngầm chứa nhiều sắt cũng được gọi là nước nhiễm phèn Sắt trong trường hợp nàyđược hình thành do quá trình khử sắt (III) trong đất Trong điều kiện thiếu oxy không khí,

vi sinh vật yếm khí oxy hóa chất hữu cơ theo cơ chế anoxic, trong đó Fe3+ thường ở dạngoxit không tan – là chất nhận electron

Fe2O3 + C(H2O) + H2O = Fe2+ +H+ +CO2

− Sự xuất hiện phèn sắt Fe(OH)3 và Fe2O3

Fe2+ tan trong nước ngầm, khi tiếp xúc với không khí lại bị oxy hóa thành hidroxit sắt(III)

Fe2+ + O2 + H2O = Fe(OH)3 = Fe2O3 + H+

Các sản phẩm của phản ứng này ở dạng keo, lởn vởn trong nước, rất khó lắng

Đây là hiện tượng nước bị phèn sắt Fe2O3 có màu nâu đậm Sự có mặt của chất hữu cơtrong nước ngầm là nguyên nhân chính làm nước ngầm nhiễm phèn sắt Nước ngầm từ cácvùng đất trũng thường chứa nhiều sắt Việc khai thác nước ngầm quá mức làm mực nướcngầm hạ thấp xuống Điều đó làm tăng sự xâm nhập chất hữu cơ từ trên bề mặt vào nướcngầm làm tăng hàm lượng sắt trong nước ngầm

6.2 Nêu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử sắt trong nước ngầm? Giải thích từng yếu tố.

− Tốc độ phản ứng của quá trình oxy hóa và thủy phân Fe2+ thành Fe3+ tùy thuộc vào lượng oxy hòa tan trong nước Tốc độ phản ứng tăng khi nồng độ oxy hòa tan trong nước tăng lên Để oxy hóa 1 mg sắt (II) tiêu tốn 0.143 mg oxy

− Thời gian oxy hóa và thủy phân sắt trên công trình phụ thuộc và trị số pH của nước có thể lấy như sau:

− Thời gian tối ưu của quá trình keo tụ

Thời gian tiếp xúc cần thiết

trong bể lắng và bể lọc (thời

Thời gian tiếp xúc cần thiết

(thời gian lưu nước) trong bể

lọc tiếp xúc (bể lọc 1) và bể lọc

trong (bể lọc đợt II) (phút)

− Tốc độ lọc qua bể tiếp xúc có thể lấy 5 – 20 m/h tùy thuộc vào thời gian lưu nước cần thiết và lượng cặn cần giữ lại sao cho bể lọc đợt I hàm lượng cặn còn lại đi qua

bể lọc trong (lọc đợt II) < 15 mg/l

− Tốc độ lọc qua bể lọc trong lấy 3 – 9 m/h tùy thuộc vào chiều dày và cỡ hạt của lớp vật liệu lọc và thời gian lưu nước cần thiết

− Hàm lượng sắt cao gây kết tủa

− Sự xuất hiện của các chất oxy hóa

6.3 Các thông số nào cần chú ý khi vận hành mô hình khử sắt? Giải thích từng thông số.

- Các thông số vật lý:

a Độ nhớt của nước thô

Khi độ nhớt của nước cần xử lý giảm thì trở lực thủy lực cũng giảm và hiệu suất tách rắn –lỏng có xu hướng tốt lên Trong thực tế vận hành cột lọc vào mùa hè tốt hơn mùa đông vìđộ nhớt tỷ lệ nghịch với nhiệt độ

b Kích thước của các hạt vật liệu lọc

Kích thước hạt vật liệu lọc là một trong các thông số có ảnh hưởng lớn đến quá trình lọc.Khi kích thước hạt vật liệu nhỏ thì hiệu suất tách tăng lên vì tăng bề mặt lọc nhưng đồngthời cũng làm tăng trở lực lọc

c Kích thước của các hạt lơ lửng trong nước

Do cơ chế vận chuyển các hạt tới tiếp xúc với bề mặt lọc phụ thuộc trực tiếp vào kíchthước của các hạt keo cần tách Vì vậy, khi kích thước hạt tăng lên (với các hạt lớn hơn1µm) thì khả năng cọ sát của các hạt với bề mặt lọc cũng tăng lên và các hạt dễ được giữlại trên bề mặt lọc

- Các thông số hóa học

Hiệu suất lọc phụ thuộc vào khả năng hấp thụ các hạt lơ lửng trong nước lên bề mặt lọc, đólà cơ chế chính của quá trình lọc Khả năng đó giảm dần theo thời gian lọc nên hiệu suấtlọc cũng phụ thuộc vào chu kỳ rửa hoàn nguyên vật liệu lọc

a Ảnh hưởng của độ pH

Điện thế bề mặt của các hạt vật liệu lọc phụ thuộc vào độ pH Vật liệu lọc thường dùng làcát, than, … các vật liệu này đều có điện thế bề mặt âm với giá trị pH từ 7 đến 9 và đó làgiá trị pH thường dùng trong xử lý nước Để tách các hạt bông keo của sắt bằng quá trìnhlọc, hiệu quả cao nhất ở pH bằng 7.

b Lượng oxy hóa cần thiết để oxy hóa sắt

Sắt (II) thành sắt (III)

Nhanh ở pH=8Clo và dẫn xuất Dioxit Clo 0,64 mg Cl2/mg Fe Rất nhanh

1,2 mg ClO2/mg Fe Rất nhanh

Kali Permanganat (KMnO4) 0,9mg KMnO4/mg Fe Rất nhanh

6.4 Nêu phương pháp xác định sắt theo Standard methods for the Examination of Water and Wastewater, AWWA_ALPHA (2005).

1 Nguyên tắc:

Đun cách thủy với hydroxyamin trong môi trường acid để chuyển Fe (III) có mặt về Fe (II)và lên màu với thuốc thử 1,10 – phenantrolin ở pH từ 3,2 đến 3,3 Một ion Fe(II) sẽ kếthợp với 3 phân tử 1,10 – phenantrolin để hình thành phức có màu đỏ cam Đo mật độquang của dung dịch phức ở bước ’ong 510nm cho phép xác định được nồng độ sắt trongmẫu

2 Yếu tố ảnh hưởng:

– Các chất oxi hóa mạnh: có thể loại trừ bằng cách thêm dư chất khử hydroxyamin

– Xyanua, nitrit, photphat (poly photphat ảnh hưởng nhiều hơn octo-photphat) : loại trừbằng cách đun sôi với acid

– Các ion kim loại crom, kẽm (khi nồng độ của chúng gấp 10lần nồng độ sắt); coban, đồng(khi nồng độ chúng gấp 5lần nồng độ sắt); niken (khi nồng độ của nó gấp 2 lần sắt); bimut,cadimi, thủy ngân molypdattạo kết tủa với phenantrolin Loại trừ bằng cáchthêm dưphenantrolin, trong đó vẫn không loại trừ đc ảnh hưởng của các ion kim loại thì phải sửdụng phương pháp chiết tách các ion kim loại cản trở

a Bảo quản mẫu:

Ngay sau khi lấy mẫu, acid hóa mẫu đến pH < 2, và bảo quản trong chainhựa Mẫu bềntrong 1 tháng khi được acid hóa đến pH < 2

b Quy trình phân tích:

Lấy 50ml mẫu cho vào bình tam giác 125ml, thêm vào đó 2 ml dung dịch HCl đậm đặc,1ml dung dịch hydroxyamin Đun sôi dung dịch đến thể tích 15 – 20ml (nếu mẫu bị khôthì hòa tan cặn bằng 2 ml dung dịch HCl đậm đặc và 5ml nước cất) Để về nhiệt độ phòngvà chuyển toàn bộ mẫu sang bình định mức với dung tích 50ml Thêm 10ml dung dịchđệm acetat, 4ml dung dịch phenantrolin và pha loãng tới vạch mức bằng nước cất Trộn lẫnđều và để yên ít nhất 10phút Đo mật độ quang ở bước sóng 510nm với dung dịch mẫutrắng làm dung dịch so sánh Màu ổn định trong 6 tháng đối với mẫu chuẩn.

c Xây dựng đường chuẩn:

– Pha dung dịch chuẩn có nồng độ từ 0,05 – 0,50 mg/L Fe theo bảng sau

– Cách tiến hành xác định sắt trong mẫu chuẩn như quy trình trên

– Mẫu trắng: tương tự như mẫu chuẩn như quy định trên

– Xây dựng đường chuẩn nhưng thay dung dịch làm việc bằng nước cất

– Xây dựng phương trình đường chuẩn A = f(CFe)

– Nồng độ sắt trong mẫu được xác định dựa vào phương trình đường chuẩn

6.5 Giải thích tại sao khi lập đường chuẩn sắt không cho 2 hóa chất HCL đđ và

NH 2 OH.HCl nhưng khi phân tích mẫu sắt lại cho vào?

Vì trong dd chuẩn không có ion sắt Mà HClđđ và NH2OH.HCl là một trong những dungdịch dùng để nhận biết có ion sắt trong nước Theo nguyên tắc là khi đun sôi mẫu vớihydroxylamine, tất cả sắt hòa tan đều bị khử thành sắt (II), sau đó ion sắt (II) sẽ tạo phứcvới ba phân tử 1,10-phenanthrolin, phức chất này có màu đỏ cam, xảy ra theo phản ứng:Fe(OH)3 + 3H+  Fe3+ + H2O

4Fe3+ + 2NH2OH  4Fe2+ + N2O + H2O + 4H+

6.6 Trong thực tế, người ta thường khử sắt bằng phương pháp nào? Giải thích

1 Phương pháp oxy hoá sắt

Nguyên lý của phương pháp này là oxy hoá (II) thành sắt(III) và tách chúng ra khỏi nướcdưới dạng hyđroxyt sắt (III) Trong nước ngầm, sắt (II) bicacbonat là một muối không bền,nó dễ dàng thuỷ phân thành sắt (II)hyđroxyt theo phản ứng:

Fe(HCO)3)2 + 2H2O → Fe(OH)2+ 2H2CO3

Nếu trong nước có oxy hoà tan, sắt (II) hyđroxyt sẽ bị oxy hoá thành sắt (III) hyđroxyttheo phản ứng:

4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 →4Fe(OH)3 ↓

Sắt (III) hyđroxyt trong nước kết tủa thành bông cặn màu vàng và có thể tách ra khỏi nướcmột cách dễ dàng nhờ quá trình lắng lọc Kết hợp các phản ứng tr ên ta có phản ứng chungcủa quá trình oxy hoá sắt như sau:

4Fe2+ + 8HCO3 + O2 + H2O →4Fe(OH)3 + 8H+ + 8HCO3

-Nước ngầm thường không chứa oxy hoà tan hoặc có hàm lượng oxy hoà tan rất thấp Đểtăng nồng độ oxy hoà tan trong nước ngầm, biện pháp đơn giản nhất là làm thoáng Hiệuquả của bước làm thoáng được xác định theo nhu cầu oxy cho quá trình khử sắt

2 Phương pháp khử sắt bằng quá trình ôxy hoá

a Làm thoáng đơn giản bề mặt lọc

Nước cần khử sắt được làm thoáng bằng giàn phun mưa ngay trên bề mặt lọc Chiều caogiàn phun thường lấy cao khoảng 0,7m, lỗ phun có đường kính từ 5-7mm, lưu lượng tướivào khoảng 10 m3/m2.h Lượng ôxy hoà tan trong nước sau khi làm thoáng ở nhiệt độ250C lấy bằng 40% lượng ôxy hoà tan bão hoà (ở 250C lượng ôxy bão hoà bằng 8,1 mg/l)

b Làm thoáng bằng giàn mưa tự nhiên

Nước cần làm thoáng được tưới lên giàn làm thoáng một bậc hay nhiều bậc với các sàn rảixỉ hoặc tre gỗ Lưu lượng tưới và chiều cao thấp cũng lấy như trường hợp trên Lượng ôxyhoà tan sau làm thoáng bằng 55%lượng ôxy hoà tan bão hoà Hàm lượng CO2 sau làmthoáng giảm 50%

c Làm thoáng cưỡng bức

Cũng có thể dùng tháp làm thoáng cưỡng bức với lưu lượng tưới từ 30 đến 40 m3/h.Lượng không khí tiếp xúc lấy từ 4 đến 6 m3 cho 1m3 nước Lượng oxy hoà tan sau làmthoáng bằng 70% hàm lượng ôxy hoà tan bão hoà Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm75%

3 Khử sắt bằng hoá chất

Khi trong nước nguồn có hàm lượng tạp chất hữu cơ cao, các chất hữu cơ sẽ tạo ra dạngkeo bảo vệ các ion sắt, như vậy muốn khử sắt phải phá vỡ được màng hữu cơ bảo vệ bằngtác dụng của các chất ôxy hoá mạnh.Đối với nước ngầm, khi làm lượng sắt quá cao đồngthời tồn tại cả H2S thì lượng ôxy thu được nhờ làm thoáng không đủ để oxy hoá hết H2Svà sắt, trong trường hợp này cần phải dùng đến hoá chất để khử sắt

a Biện pháp khử sắt bằng vôi

Khi cho vôi vào nước, độ pH của nước tăng lên Ở điều kiện giàu ion OH-, các ion Fe2+thuỷ phân nhanh chóng thành Fe(OH)2 và lắng xuống một phần, thế oxy hoá khử tiêuchuẩn của hệ Fe(OH)2/Fe(OH)3 giảm xuống, do đó sắt(II) dễ dàng chuyển hoá thành sắt

(III) Sắt (III) hyđroxyt kết tụ thành bông cặn, lắng trong bể lắng và có thể dễ dàng tách rakhỏi nước Phương pháp này cót hể áp dụng cho cả nước mặt và nước ngầm Nhược điểmcủa phương pháp này là phải dùng đến các thiết bị pha chế cồng kềnh, quản lý phức tạp,cho nên thường kết hợp khử sắt với quá trình xử lý khác như xử lý ổn định nước bằngkiềm, làm mềm nước bằng vôi kết hợp với sôđa.

b Biện pháp khử sắt bằng Clo

Quá trình khử sắt bằng clo được thực hiện nhờ phản ứng sau:

2Fe(HCO3)2 + Cl2 + Ca(HCO3)2 + 6H2O → 2Fe(OH)3 + CaCl2 + 6H+ + 6HCO3

-Biện pháp khử sắt bằng Kali Permanganat (KMnO4)

Khi dùng KMnO4 để khử sắt, qua trình xảy ra rất nhanh vì cặn mangan (IV) hyđroxyt vừađược tạo thành sẽ là nhân tố xúc tác cho quá trình khử Phản ứng xảy ra theo phương trìnhsau:

5Fe2+ + MnO4- + 8H+ →5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O

c Biện pháp khử sắt bằng cách lọc qua lớp vật liệu đặc biệt

Các vật liệu đặc biệt có khả năng xúc tác, đẩy nhanh quá trình ôxy hoá khử Fe2+ thành Fe3+

và giữ lại trong tầng lọc Quá trình diễn ra rất nhanh chóng và có hiệu quả cao Cát đen làmột trong những chất có đặc tính như thế

d Biện pháp khử sắt bằng phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion được sử dụng khi kết hợp với quá trình khử cứng Khi sử dụngthiết bị trao đổi ion để khử sắt, nước ngầm không được tiếp xúc với không khí vì Fe3+ sẽlàm giảm khả năng trao đổi của các ionic Chỉ có hiệu quả khi khử nước ngầm có hàmlượng sắt thấp

e Biện pháp khử sắt bằng phương pháp vi sinh

Một số loại vi sinh có khả năng ôxy hoá sắt trong điều kiệnmà quá trình ôxy hoá hoá họcxảy ra rất khó khăn Chúng ta cấy các mầm khuẩn sắt trong lớp cát lọc của bể lọc, thôngqua hoạt động của các vi khuẩn sắt được loại ra khỏi nước Thường sử dụng thiết bị bể lọcchậm để khử sắt

6.7 Trong thực tế, người ta dùng những cách nào để nhận biết nguồn nước ngầm đã bị nhiễm sắt? Một số sơ đồ công nghệ khử sắt cho trạm công suất nhỏ điều kiện áp dụng Biện pháp kỹ thuật quản lý trạm xử lý nước.

Cách nhận biết nguồn nước ngầm đã bị nhiễm sắt:

− Nước có vị chua, có mùi tanh; làm ố vàng quần áo, vòi nước và dụng cụ chứa

− Nước có mùi tanh, sau khi để nước ngoài không khí, sẽ thấy có màu vàng xanh Sử dụng nước chè khô hoặc cây chuối cho vào nguồn nước, nếu nước chuyển sang màutím thì chứng tỏ đã nhiễm bẩn.

− Chưa có một định nghĩa chính xác về nguồn nước phèn, nhưng có thể nhận biết quaquan sát bên ngoài

− Nước có vị chua

− Nước làm ố vàng quần áo, dụng cụ chứa, vòi nước

− Nước có mùi tanh

− Đây là những dấu hiệu dễ thấy mà dân gian gọi là nước bị nhiễm phèn Thực chất nguồn nước đã bị nhiễm các dạng muối sunfat kim loại nên nước có thể bị nhiễm phèn sắt hoặc nhiễm phèn nhôm

Một số sơ đồ công nghệ:

Công nghệ làm thoáng:

Các biện pháp xử lý kỹ thuật trạm xử lý nước cần được thực hiện là:

− Cần phải tiến hành kiểm tra định kì, đảm bảo các công trình thiết bị trong nhà máy luôn hoạt động bình thường

− Thường xuyên theo dõi, đảm bảo chế độ hoạt động hợp lí nhất cho các công trình và thiết bị

− Lập kế hoạch kiểm tra và sửa chữa định kì Phát hiện kịp thời và giải quyết sự cố nhanh chóng

− Kiểm tra chất lượng nước định kì cả trước và sau khi xử lí

− Xác định đúng và kịp thời lượng hóa chất hợp lí nhất dùng để xử lý nước theo từng thời kì trong năm

− Kiểm tra định kì các thiết bị đo, đếm

6.8 Nêu phương pháp rửa bể lọc nhanh Trình tự rửa bể lọc nhanh So sánh phương pháp làm thoáng để xử lý nước ngầm có chứa sắt cao Nêu điều kiện cơ bản áp dụng các thông số công nghệ để thiết kế.

Phương pháp rửa bể lọc nhanh, trình tự rửa bể lọc nhanh:

− Khi rửa nước thuần túy: Phải đảm bảo cường độ rửa và thời gian rửa cần thiết

− Khi rửa lọc bằng gió và nước kết hợp, phải tuân theo quy trình sau: bơm không khí với cường độ 15 ÷ 20l/s-m2 sục cho bề mặt lọc đều làm cho nước đục gầu trong khoảng 1 ÷2 phút Sau đó mở thêm van nước (phối hợp với gió) với lưu lượng nướchạn chế từ 2,5 ÷ 3l/s-m2 và quan sát kĩ không cho các tràn vào máng thu nước rửa trong khoảng 4 ÷5 phút Nếu có hiện tượng cát tràn vào máng thu phải lập tức đóng

bớt van nước, nếu vẫn tràn thì phải đóng bản van nước Sau đo tắt bơm không khí và tiếp tục mở van nước với cường độ rửa nước thuần túy 5 ÷ 8l/s-m2 trong khoảng

4 ÷5 phút, cho đến lúc nước trên bề mặt trong hẳn Thời gian này cũng phải quan sát xem cát có bị tràn ra máng thu, nếu có phải có đóng bớt van nước lại

→ Rửa lọc tốt biểu hiện ở chỗ phân phối đều và đủ lưu lượng nước rửa, thu nước đều khắpmáng thu và không trôi sát ra ngoài Việc tăng tổn thất áp lực ban đầu một cách liên tụcchứng tỏ rửa không tốt và độ nhiễm bẩn còn lại trong lớp cát lọc nhiều

So sánh phương pháp làm thoáng để xử lý nước ngầm có chứa sắt cao:

Hàm lượng sắt thấp:

Hàm lượng sắt cao:

Nêu điều kiện cơ bản áp dụng các thông số công nghệ đê ̉ thiết kế:

− Sắt tổng: 10 mg/l

− Độ màu khi chưa tiếp xúc không khí: <150

− Hàm lượng SiO2- : < 2 mg/l

− Nhiệm vụ: vận hành hệ thống khử sắt

− Kinh nghiệm: khả năng điều chỉnh pH, nắm đươc quy trình xử lý sử lý sắt

BÀI 2: TRAO ĐỔI ION

I LÝ THUYẾT:

1 Mục đích

-Giúp sinh viên nắm vững kiến thức học môn lý thuyết các quá trình hóa học về quá trìnhtrao đổi và khử các ion

-Phân tích sự biến đổi pH trong quá trình trao đổi ion

-Nghiên cứu quá trình trao đổi ion theo chiều dày lớp nhựa trao đổi ion

-Xác định dung lượng trao đổi làm việc của nhựa trao đổi ion

-Xác định hiệu quả ion của nhựa anio, kanion và hỗn hợp nhựa

2.Cơ sở lý thuyết:

- Để khử đi các tạp chất ở trạng thái ion trong nước, phương pháp được dùng nhiều nhất làtrao đổi ion Phương pháp này có thể khử tương đối triệt để các tạp chất ở trạng thái ion

trong nước Chất lượng nước thu được còn tốt hơn nước cất Vì vậy, đây là một giai đoạn

xử lý nước rất cần thiết để cấp nước cho mục đích sinh hoạt, ăn uống, cho sản xuất và chocác lò hơi ở các nhà máy điện…

-Người ta sử dụng nhựa trao đổi ion trong xử lý nước cấp chủ yếu nhằm 2 mục đích : khửcứng và khử khoáng Khử cứng nhằm loại bỏ các ion Mg2+, Ca2+ Khử khoáng nhằm loạibỏ hầu hết tất cả các ion có trong nước

+ Khử cứng: cho nước cần xử lý chảy qua cột nhưa cation ở dạng Rna:

2RNa + CaSO4 R2Ca + Na2SO4

2RNa + MgSO4 R2Mg + Na2SO4

khi lớp nhựa cation mất hiệu lực, người ta tái sinh bằng muối ăn NaCl

R2Ca + 2NaCl 2RNa + CaCl2

R2Mg + 2NaCl 2RNa + MgCl2

+ Khử khoáng: cho nước cần xử lý chảy qua cột nhựa cation và nhựa anion riêng rẽ hayqua một cột kết hợp cả nhựa cation và nhựa anion

RSO3H + NaCl RSO3Na + HCl

2RSO3H + Na2SO4 RSO3Na + H2SO4

RSO3H + NaHCO3 RSO3Na + H2O + CO2

2RSO3H + Na2CO3 2RSO3Na + H2O + CO2

ROH + HCl RCl + H2O

2ROH + H2SO4 R2SO4 + H2O

-Khi lớp nhựa cation và anion mất hiệu lực, người ta tái sinh bằng dung dịch HCl và dungdịch NaOH như sau :

RSO3Na + HCl RSO3H + H2O + NaCl

RCl + NaOH ROH + NaCl

3 Cân bằng trao đổi ion

-Phản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch, người ta thường dùng định luật tác dụngkhối lượng để nghiên cứu cân bằng trao đổi ion Ví dụ : chất cationit tính axit mạnh HRtiến hành trao đổi NaR trong nước phản ứng như sau :

HR + Na+ ↔ NaR + H+

-Theo định luật tác dụng khối lượng, khi phản ứng trao đổi đạt đến cân bằng :K Trong đó :

+K Na : hằng số cân bằng

+[NaR] : khi phản ứng cân bằng, nồng độ Na+ trong chất trao đổi ở pha rắn (chính xác gọicác nồng độ trong công thức trên đều là hoạt độ) ion/l.[RH] : khi phản ứng cân bằng, nồngđộ H+ trong chất trao đổi ở pha rắn, ion/l

+[H+ ] : khi phản ứng cân bằng, nồng độ H+ trong dung dịch, ion/l

+[Na+] : khi phản ứng cân bằng, nồng độ Na+ trong dung dịch, ion/l

+Mức độ lớn nhỏ của hằng số cân bằng KHNa thể hiện trình độ khó dễ của H+ trên 6 chấttrao đổi ion trao đổi thành Na+, như KHNa>1 biểu thị chất trao đổi ion hấp phụ Na+ dễhơn hấp phụ H+ Hằng số này có thể biểu thị mức độ lớn nhỏ tính lựa chọn trao đổi ion,nên gọi là hệ số lựa chọn hay hệ số phân phối Tương tự như vậy khi ion hóa trị 2 và ionhóa trị 1 tiến hành trao đổi Ví dụ phản ứng sau :

2Rna + Ca2+ ↔ CaR2+ 2Na+

*Trong đó :

+KNaCa : hằng số cân bằng

+[CaR2] : khi phản ứng cân bằng, nồng độ Ca2+ trong chất trao đổi pha rắn, ion/l [Ca2+] :khi phản ứng cân bằng, nồng độ Ca2+ trong dung dịch, ion/l

Để mềm hóa nước, người ta đem nước cứng có chứa Ca2+ hoặc Mg2+ liên tục dẫn vào cộttrao đổi ion NaR Chất trao đổi NaR hấp phụ Ca2+ trong nước, như vậy đã khử đi Ca2+trong nước

Để làm nhựa phục hồi băng lực trao đổi với Ca2+, phải đem nhựa dạng CaR tái sinh thànhNaR, thường dùng dung dịch NaCl tiến hành tái sinh Trong quá trình xử lý nước, người taứng dụng chuyển dịch cân bằng trao đổi ion được lặp đi lặp lại như vậy, để khử đi các ioncó hại trong nước

4 Dung lượng trao đổi

-Dung lượng trao đổi là biểu thị mức độ ít nhiều của lượng ion có thể trao đổi trong mộtloại chất trao đổi ion, đó là một chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của chất trao đổi ion

-Do hình thái của chất trao đổi ion khác nhau, khối lượng và thể tích của nó cũng khácnhau, khi biểu thị dung lượng trao đổi ion, để thống nhất, nói chung dùng cationit dạng HRvà anionit dạng RCI làm chuẩn, khi cần thiết, phải ghi rõ trạng thái nào Dung lượng traođổi thường dùng mấy loại sau :

-Tổng dung lượng trao đổi (E) : sau khi đem toàn bộ gốc hoạt tính trong chất trao đổi, táisinh thành ion, có thể trao đổi, xác định toàn bộ dung lượng trao đổi của nó.

-Dung lượng trao đổi cân bằng : sau khi tái sinh hoàn toàn chất trao đổi, tìm dung lượngtrao đổi của nó, tác dụng với dung dịch nước có thành phần nhất định đến trạng thái cânbằng gọi là dung lượng trao đổi cân bằng

-Dung lượng trao đổi làm việc : dung lượng trao đổi xác định được dưới điều kiện vậnhành thực tế xử lý nước ở quy mô trong phòng thí nghiệm

II.Các bước tiến hành thí nghiệm:

- Nước cấp được bơm qua hệ trao đổi ion

- Ghi nhận giá trị pH của nước ra khỏi cột cation và anion trong suốt quá trình trao đổiion

- Xác định nồng độ các ion Ca2+, Mg2+, SO4 2- , Cltrong các mẫu nước lấy ở cá độ caokhác nhau của cả hai cột sau khi quá trình trao đổi ion chạy được 15 phút, 30 phút,1giờ, 2giờ, 3 giờ

- Kết thúc sau 3 giờ chạy, xác định nồng độ các ion Ca2+, Mg2+, SO4 2- , Cl trong mẫunước khỏi cột anion

III.Kết quả thí nghiệm:

1.Độ pH:

Chỉ Tiêu

pH

pH2.Độ cứng Ca :

Cột

A

Đường chuẩn SO4 2- *Bảng số liệu thí nghiệm:

B5.Cl-: