Tài liệu hóa môi trường

Vì vậy, từ tính chất của đường cong định phân acid carbonic và acid mạnh, rõ ràng là độ acid của nước tự nhiên là do acid carbonic hoặc acid vô cơ mạnh gây ra, acid carbonic ảnh hưởng đố

Trang 1

Hóa Môi trường

Biên tập bởi:

Hùynh Ngọc Phương Mai

Trang 2

Hóa Môi trường

Biên tập bởi:

Các tác giả:

Phiên bản trực tuyến:

http://voer.edu.vn/c/7fed675e

Trang 3

MỤC LỤC

1 Độ PH

2 Độ Acid

3 Độ kiềm

4 Oxy hòa tan

5 Nhu cầu oxy sinh hóa

6 Nhu cầu oxy hóa học

7 Sắt và mangan

8 Sulfate

9 Phosphorus và Phosphate

Tham gia đóng góp

Trang 4

Độ PH

Tóm tắt

GIỚI THIỆU CHUNG

Thuật ngữ pH được sử dụng rộng rãi để biểu diễn tính acid hoặc tính kiềm của dung dịch pH là chỉ số biểu diễn nồng độ của ion – hydro, hay nói chính xác hơn là nồng độ hoạt tính của ion – hydro pH có vai trò quan trọng trong hầu hết các quá trình của lĩnh vực kỹ thuật môi trường Trong lĩnh vực cấp nước, pH là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình keo tụ hóa học, khử trùng, làm mềm và kiểm soát tính ăn mòn của nước Trong xử lý nước thải bằng các quá trình sinh học, pH phải được duy trì trong giới hạn tối ưu cho sự phát triển của vi sinh vật Các quá trình hóa học sử dụng để keo tụ nước thải, làm khô bùn hoặc oxy các hợp chất như ion cyanua, thường đòi hỏi pH phải được duy trì trong một giới hạn hẹp Vì những lý do trên và vì các mối quan hệ cơ bản giữa

pH, độ acid và độ kiềm, cần phải hiểu biết về lý thuyết cũng như thực tế pH

LÝ THUYẾT pH

Khái niệm về pH được phát triển từ hàng loạt các nghiên cứu dẫn đến hiểu biết đầy đủ hơn về acid và base Với sự khám phá của Cavendish năm 1366 về hydro, ngay sau đó mọi người đều biết tất cả acid chứa nguyên tố hydro Các nhà hóa học đã tìm thấy rằng các phản ứng trung hòa giữa acid và base luôn luôn tạo thành nước Từ khám phá trên

và các thông tin liên quan, người ta kết luận rằng base chứa các nhóm hydroxyl

Năm 1887 Arrhenius thông báo lý thuyết của ông về sự phân ly thành ion (ionization)

Từ đó đến nay acid được coi là các chất khi phân ly tạo thành ion – hydro và base khi phân ly tạo thành ion hydroxyl Theo khái niệm của Arrhenius, trong dung dịch, acid mạnh và base mạnh có khả năng phân ly cao, acid yếu và base yếu có khả năng phân

ly kém trong dung dịch nước Sự ra đời và phát triển các thiết bị thích hợp đo nồng độ hoặc hoạt tính của ion – hydro đã chứng minh lý thuyết trên

Đo hoạt độ của ion hydro

Điện cực hydro là thiết bị thích hợp để đo độ hoạt tính của ion – hydro Cùng với việc

sử dụng điện cực hydro, người ta tìm thấy rằng nước tinh khiết phân ly cho nồng độ ion hydro cân bằng khoảng 10-7 mol/l

Xem chi tiếttại đây

Trang 5

Độ Acid

Tóm tắt

KHÁI NIỆM CHUNG

Hầu hết các nguồn nước thiên nhiên, nước thải sinh hoạt và rất nhiều loại nước thải công nghiệp có khả năng đệm do hệ thống carbonic-bicarbonate Trên cơ sở của thông tin này, người ta thường xem xét rằng tất cả các nguồn nước có pH nhỏ hơn 8,5 đều có

độ acid Thường thường điểm kết thúc phenolphthalein tại pH 8,2 đến 8,4 được sử dụng như điểm tham khảo Khảo sát đường cong của acid carbonic cho thấy rằng ở pH 7,0 carbonic còn lại phải được trung hòa Nó cũng cho thấy rằng bản thân carbonic sẽ không làm giảm pH xuống dưới 4

Từ đường cong định phân của các acid mạnh và tính chất của đường cong, người ta

có thể kết luận rằng việc trung hòa của acid kết thúc tại pH 4 Vì vậy, từ tính chất của đường cong định phân acid carbonic và acid mạnh, rõ ràng là độ acid của nước tự nhiên

là do acid carbonic hoặc acid vô cơ mạnh gây ra, acid carbonic ảnh hưởng đối với nước

có pH lớn hơn 4 và acid mạnh có ảnh hưởng với nước có pH nhỏ hơn 4, như trình bày trong Hình 2.1

NGUỒN GỐC VÀ TÍNH CHẤT CỦA ĐỘ ACID

Acid carbonic là thành phần chủ yếu của tất cả nước tự nhiên Nó hòa tan vào nước mặt bằng quá trình hấp thụ từ khí quyển phụ thuộc vào định luật Henry, nhưng chỉ khi nồng

độ của acid carbonic nhỏ hơn sự cân bằng của carbonic trong không khí Carbonic cũng

có thể tạo thành trong nước thông qua việc oxy hóa sinh học các chất hữu cơ, đặc biệt trong nước bị ô nhiễm Trong những trường hợp như vậy, nếu các hoạt động quang hợp

bị hạn chế, nồng độ của carbonic có thể vượt qua cân bằng và khí carbonic sẽ từ nước thoát vào không khí Vì vậy người ta đi đến kết luận rằng nước mặt hấp thụ hoặc giải phóng một cách cân bằng khí carbonic để giữ cân bằng với không khí Khối lượng khí carbonic ở trạng thái cân bằng là rất nhỏ vì áp suất riêng phần của khí carbonic trong không khí là rất thấp

Trang 6

Độ kiềm

Tóm tắt

Độ kiềm là số đo khả năng trung hòa acid của nước Đôi khi khái niệm khả năng trung hòa acid thay thế cho khái niệm độ kiềm cũng được sử dụng trong một số tài liệu Độ kiềm của nước tự nhiên do muối của các acid yếu gây nên, mặc dù các chất kiềm yếu và kiềm mạnh cũng có thể gây ra độ kiềm Bicarbonate là dạng độ kiềm chủ yếu vì chúng được tạo thành từ một khối lượng đáng kể khí carbonic có mặt trong đất vàkhông khí xem phương trình sau:

CO2 + CaCO3 + H2O Æ Ca2+ + 2HCO3

Các muối của acid yếu như borate, silicate và phosphate có thể có mặt với khối lượng nhỏ Một vài loại acid hữu cơ khó bị oxy hóa sinh học, ví dụ như acid humic, tạo thành các muối cũng gây nên độ kiềm trong nước Trong nước bị ô nhiễm hoặc ở tình trạng kỵ khí, muối của các acid yếu như acid acetic, propionic và hydrogen sulfide cũng có thể tạo thành độ kiềm Trong một số trường hợp khác, ammonia hoặc các hydroxide cũng gây nên độ kiềm cho nước

Trong những điều kiện nhất định, các nguồn nước tự nhiên có thể chứa một lượng đáng

kể độ kiềm carbonate và hydroxide Điều kiện này thường xảy ra trong nguồn nước mặt

có tảo phát triển Tảo sử dụng khí carbonic, dạng tự do và kết hợp, trong nước và pH thường đạt trị số 9 đến 10 Nước lò hơi luôn luôn chứa độ kiềm carbonate và hydroxide Nước sau khi được xử lý làm mềm bằng phương pháp hóa học có sử dụng vôi hoặc sôđa thường chứa carbonate và hydroxide

Mặc dù rất nhiều chất gây ra độ kiềm trong nước, nhưng một phần lớn độ kiềm của nước

tự nhiên do ba chất sau gây ra theo thứ tự phụ thuộc vào giá trị pH từ cao đến thấp: (1) hydroxide (OH-), (2) carbonate (CO32-) và (3) bicarbonate

(HCO3-) Với hầu hết các mục đích thực tế, độ kiềm do các chất khác gây ra trong nước tự nhiên

là không đáng kể hoặc rất nhỏ

Độ kiềm của nước, về nguyên tắc, do muối của các acid yếu và các loại bazơ mạnh gây

ra và các chất này là dung dịch đệm để giữ pH không giảm nhiều khi đưa acid vào nước

Vì vậy, độ kiềm còn là số đo khả năng đệm của nước và được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý nước cấp cũng như nước thải

Trang 7

Oxy hòa tan

Tóm tắt

Tất cả các sinh vật sống bị phụ thuộc vào oxy ở dạng này hoặc dạng khác để duy trình quá trình trao đổi chất nhằm sản sinh ra năng lượng cho sự tăng trưởng hoặc sinh sản Quá trình hiếu khí là vấn đề được quan tâm nhất khi chúng cần oxy tự do

Các kỹ sư môi trường quan tâm đến điều kiện khí quyển có liên quan đến môi trường chất lỏng, nước là chất lỏng lớn nhất và quan trọng nhất

Tất cả các chất khí của khí quyển hòa tan trong nước ở các mức độ khác nhau Cả nitơ

và oxy được phân loại là các chất hòa tan kém và vì chúng không phản ứng với nước về mặt hóa học, nên độ hòa tan tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần của chúng Hơn nữa, định luật Henry có thể được sử dụng để tính toán khối lượng có mặt của các chất khí ở trạng thái bão hòa tại bất cứ nhiệt độ đã cho nào Độ hòa tan của cả nitơ và oxy thay đổi một cách đáng kể theo nhiệt độ trong dãy mà các kỹ sư môi trường quan tâm Hình 4.1 trình bày đường cong độ hòa tan của hai chất khí trong nước cất hoặc là nước có hàm lượng chất rắn thấp nằm cân bằng với không khí tại áp suất 760 mmHg Độ hòa tan sẽ nhỏ hơn trong nước muối

Độ hòa tan của oxy khí quyển trong các nguồn nước ngọt nằm trong khoảng từ 14,6 mg/

L ở 00C đến khoảng 7 mg/L ở 350C dưới áp suất 1 atm Vì nó là khí hòa tan ít, độ hòa tan của nó thay đổi tỷ lệ thuận với áp suất của khí quyển tại nhiệt độ đã cho Vì tốc độ oxy hóa sinh học tăng cùng với nhiệt độ và nhu cầu oxy cũng tăng một cách tương ứng, điều kiện nhiệt độ cao, khi độ oxy hòa tan có khả năng hòa tan thấp nhất là việc liên quan lớn nhất đối với kỹ sư môi trường Hầu hết các điều kiện tới hạn liên quan đến độ thiếu hụt oxy hòa tan, trong thực tế, kỹ thuật môi trường xuất hiện vào những tháng hè khi nhiệt độ cao và độ hòa tan oxy ở mức thấp nhất Vì lý do này thường thường mức

độ hòa tan oxy khoảng 8 mg/L là cao nhất dưới các điều kiện tới hạn

Độ hòa tan thấp của oxy là yếu tố chính giới hạn khả năng làm sạch của các nguồn nước

tự nhiên và cần phải xử lý chất thải để loại bỏ các chất ô nhiễm trước khi xả vào nguồn tiếp nhận Trong quá trình xử lý sinh học hiếu khí, độ hòa tan giới hạn của oxy là quan trọng nhất vì nó kiểm soát tốc độ hấp thụ oxy của môi trường

Trang 8

Nhu cầu oxy sinh hóa

Tóm tắt

Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hóa các chất hữu

cơ có khả năng phân hủy sinh học trong điều kiện hiếu khí Khái niệm “có khả năng phân hủy” có nghĩa là chất hữu cơ có thể dùng làm thức ăn cho vi sinh vật

BOD là một trong những chỉ tiêu được dùng để đánh giá mức độ gây ô nhiễm của các chất thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và khả năng tự làm sạch của nguồn nước

Chỉ tiêu BOD được xác định bằng cách đo đạc lượng oxy mà vi sinh vật tiêu thụ trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ Các mẫu phải được bảo quản tránh tiếp xúc với không khí để ngăn cản oxy thông khí hòa tan vào nước khi hàm lượng oxy hòa tan trong mẫu giảm Do hàm lượng oxy hòa tan bão hòa trong nước đạt khoảng 9 mg/L ở 200C, những loại nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao phải được pha loãng thích hợp để bảo đảm lượng oxy hòa tan phải tồn tại trong suốt quá trình thí nghiệm Phân tích BOD

áp dụng quá trình sinh học nên phải khống chế điều kiện môi trường thích hợp cho sự sinh trưởng của các vi sinh vật Các chất độc hại đối với vi sinh vật phải được loại khỏi dung dịch Tất cả các thành phần dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật như N, P và những nguyên tố vi lượng phải được bổ sung Quá trình oxy hóa hoàn toàn các chất hữu cơ dưới tác dụng của vi sinh vật sẽ tạo thành CO2 và H2O Do đó, vi sinh vật được bổ sung trong phân tích BOD được gọi là “seed”

Phương trình phản ứng tổng quát có thể biểu diễn như sau:

CnHaObNc + (n + a/4 - b/2 - 3/4c)O2 → nCO2 + (a/2 – 3/2c)H2O + NH3 (5 - 1)

Vận tốc phản ứng phân hủy chất hữu cơ trong thí nghiệm BOD phụ thuộc vào nhiệt độ

và nồng độ chất hữu cơ có trong mẫu phân tích Để loại trừ ảnh hưởng của nhiệt độ, thí nghiệm được tiến hành ở 200C Theo lý thuyết, phản ứng có thể xem là hoàn toàn trong vòng 20 ngày, đây là khoảng thời gian khá dài Kinh nghiệm cho thấy, tỷ lệ BOD5/ BODtổng cộng tương đối cao nên thời gian ủ 5 ngày là hợp lý Tỷ lệ này cao hay thấp tùy thuộc vào đặc tính của “seed” và bản chất của chất hữu cơ Nước thải sinh hoạt và nhiều loại nước thải công nghiệp có BOD5 = 70 – 80% BOD tổng Thời gian ủ 5 ngày còn có tác dụng loại trừ ảnh hưởng của quá trình oxy hóa ammonia do Nitrosomonas và Nitrobacter gây ra

Trang 9

Nhu cầu oxy hóa học

Tóm tắt

Chỉ tiêu COD được dùng để xác định hàm lượng chất hữu cơ có trong nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp COD là lượng oxy cần thiết để oxy hóa chất hữu cơ thành CO2 và H2O dưới tác dụng của các chất oxy hóa mạnh Phương trình phản ứng oxy hóa có thể biểu diễn đơn giản như sau:

CnHaObNc + (n + a/4 - b/2 - 3/4c) O2 Æ nCO2 + (a/2 - 3/2c)H2O + cNH3 (6 - 1)

Trong thực tế hầu như tất cả các chất hữu cơ đều bị oxy hóa dưới tác dụng của các chất oxy hóa mạnh trong môi trường acid Amino (số oxy hóa -3) sẽ chuyển thành NH3-N (phương trình 1) Tuy nhiên, nitơ hữu cơ có số oxy hóa cao hơn sẽ chuyển thành nitrate

Khi phân tích COD, các chất hữu cơ sẽ chuyển thành CO2 và H2O, ví dụ cả glucose và lignin đều bị oxy hóa hoàn toàn Do đó, giá trị COD lớn hơn BOD và có thể COD rất lớn hơn nhiều so với BOD khi mẫu chứa đa phần những chất khó phân hủy sinh học, ví

dụ nước thải giấy có COD >> BOD do hàm lượng lignin cao

Một trong những hạn chế chủ yếu của phân tích COD là không thể xác định phần chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học và không có khả năng phân hủy sinh học Thêm vào đó phân tích COD không cho biết tốc độ phân hủy sinh học của các chất hữu cơ có trong nước thải dưới điều kiện tự nhiên

Ưu điểm chính của phân tích chỉ tiêu COD là cho biết kết quả trong một khoảng thời gian ngắn hơn nhiều (3 giờ) so với BOD (5 ngày) Do đó trong nhiều trường hợp, COD được dùng để đánh giá mức độ ô nhiễm chất hữu cơ thay cho BOD Thường BOD = f x COD, trong đó f là hệ số thực nghiệm

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH COD ĐÃ DÙNG

Nhiều chất oxy hóa hóa học đã được dùng để xác định nhu cầu oxy hóa hóa học của nước bị ô nhiễm Nhiều năm trước đây, dung dịch KMnO4 được dùng trong phân tích COD Mức độ oxy hóa do permanganate thay đổi theo những loại hợp chất khác nhau và mức độ oxy hóa thay đổi đáng kể theo nồng độ các tác chất sử dụng.

Trang 10

Giá trị COD xác định bằng phương pháp này luôn luôn nhỏ hơn nhiều so với BOD5 Điều đó chứng tỏ rằng permanganate không thể oxy hóa hoàn toàn tất cả các chất hữu cơ có trong nước phân tích.

Ceric sulfate, iodate kali, và dichromate kali là những chất oxy hóa đã được dùng trong phân tích COD Trong đó, dichromate kali là chất oxy hóa thích hợp nhất

vì dichromate kali có khả năng oxy hóa hoàn toàn hầu hết các chất hữu cơ thành CO2 và nước.

Trang 11

Sắt và mangan

Tóm tắt

Cả sắt và mangan đều gây ảnh hưởng đáng kể đến việc cấp nước, đặc biệt đối với nguồn nước ngầm Một số nguồn nước ngầm không chứa sắt và mangan nhưng một số khác lại luôn chứa lượng đáng kể Điều này chỉ có thể giải thích được trên cơ sở hóa vô cơ

Fe tồn tại trong đất và khoáng chất chủ yếu dưới dạng oxyt sắt (III) không tan và pyrit sắt (FeS2) Ở một số nơi, sắt tồn tại dưới dạng FeCO3 ít tan Vì nước ngầm thường chứa một lượng đáng kể CO2, FeCO3 có thể bị hòa tan theo phương trình phản ứng sau: FeCOB3B + COB2B + HB2BO Æ FeP2+P + HCOB3PB-P (1)

Phản ứng này không xảy ra ngay cả khi hàm lượng CO2 và FeCO3 cao nếu có mặt oxy hòa tan Tuy nhiên, trong điều kiện kỵ khí, Fe3+

bị khử thành Fe2+ một cách dễ dàng

Mangan tồn tại trong đất chủ yếu dưới dạng MnO2, rất ít tan trong nước có chứa CO2 Dưới điều kiện kỵ khí, MnO2 bị khử thành Mn2+

Sắt và Mangan tồn tại trong nguồn nước do sự thay đổi điều kiện môi trường dưới tác dụng của các phản ứng sinh học xảy ra trong các trường hợp sau:

Nước ngầm chứa một lượng đáng kể sắt hoặc mangan hoặc cả sắt & mangan sẽ không chứa oxy hòa tan và có hàm lượng COB2B cao Sắt và mangan tồn tại dưới dạng Fe2+

và Mn2+ Hàm lượng CO2 cao chứng tỏ quá trình oxy hóa các chất hữu cơ dưới tác dụng của vi sinh vật đã xảy ra và nồng độ oxy hòa tan bằng không chứng tỏ điều kiện kỵ khí

đã hình thành

Giếng nước tốt có hàm lượng sắt và mangan thấp Nếu sau đó chất lượng nước không tốt, chứng tỏ chất thải hữu cơ thải ra mặt đất ở khu vực gần giếng nước đã tạo ra môi trường kỵ khí trong lớp đất

Trên cở sở nhiệt động học, Mn (IV) và Fe (III) là trạng thái oxy hóa bền nhất của Fe và

Mn trong các nguồn nước chứa oxy Do đó, chúng có thể bị khử thành Mn (II) và Fe (II)

Định dạng
Số trang	19
Dung lượng	184,5 KB