tài liệu hóa học nước

Trong quá trình kết tủa, chất tan trong pha lỏng kết hợp với một hóa chất khác để tạo thành một pha rắn, như vậy đạt được sự tách loại ra khỏi 1-15 1-16... Hấp phụ cũng bao gồm một sự ch

1.5 HOÁ HỌC NƯỚC

Để giải quyết các vấn đề liên quan đến chất lượng nước và xử lý nước thải, cần phải biết những cơ sở về hóa nước Chúng bao gồm những vấn đề cơ bản sau đây:

• Các tính chất lý học của nước;

• Các trạng thái tồn tại của các chất bẩn trong dung dịch nước;

• Các đơn vị hóa học;

• Các phản ứng hóa học;

• Các dung dịch đệm;

• Độ kiềm;

• Các hệ số hoạt độ;

• Các động lực phản ứng

Các tính chất lý học cơ bản của nước có liên quan đến việc xử lý nước là tỷ trọng và độ nhớt Tỷ trọng là một đại lượng dùng để đo mức độ tập trung của vật chất và được biểu thị theo 3 cách:

1 Tỷ trọng khối lượng (ρ) Tỷ trọng khối lượng là khối lượng trên một đơn vị thể tích và được đo bằng đơn vị thông dụng là kg/m3 Trong Phụ lục A, Bảng A-1 đã chỉ ra sự thay đổi tỷ trọng theo nhiệt độ đối với nước tinh khiết không có không khí Các chất bẩn hòa tan trong nước làm thay đổi tỷ trọng của nước tỉ lệ thuận với nồng độ của chúng và tỷ trọng của bản thân chất bẩn Trong những ứng dụng của kỹ thuật môi trường, người ta thường không để ý đến sự gia tăng tỷ trọng do sự hiện diện của các chất bẩn trong nước Tuy nhiên, các kỹ sư môi trường không nên bỏ qua tỷ trọng của vật chất khi đối phó với những nồng độ cao, chẳng hạn như bùn đã được nén hoặc các hóa chất lỏng thương mại

2 Trọng lượng riêng (γ) Trọng lượng riêng là trọng lực (lực) trên một đơn vị thể tích, được đo bằng đơn vị thông dụng là kN/m3 Trọng lượng riêng của một chất lỏng có liên quan với tỷ trọng của nó bởi gia tốc trọng trường g (g = 9,81 m/s2):

3 Trọng lực riêng (S) Trọng lực riêng được cho bởi hệ thức:

S = ρ ρ0 = γ /γ0

Trong đó chỉ số 0 ám chỉ tỷ trọng của nước ở 3,98oC bằng 1000 kg/m3 và trọng lượng riêng của nước bằng 9,81 khả năng/m3

Trong những phép tính gần đúng, tỷ trọng của nước ở nhiệt độ bình thường được lấy bằng 1000 kg/m3 (hay 1 kg/L) với một trọng lực riêng bằng 1

Tất cả các chất, kể cả chất lỏng, đều biểu hiện một sức cản sự chuyển động, gọi là ma sát nội Ma sát càng cao, thì việc bơm chất lỏng càng khó khăn Độ nhớt là một đại lượng dùng để đo ma sát Độ nhớt được biểu thị bằng một trong hai cách:

1 Độ nhớt động lực (dynamic), hoặc độ nhớt tuyệt đối, µ, có thứ nguyên là khối lượng trên một đơn vị chiều dài trên một đơn vị thời gian, với đơn vị

đo thông dụng là Pa.s;

2 Độ nhớt động, ν, được xác định bởi:

ν = µ/ρ

và có thứ nguyên là chiều dài bình phương trên thời gian với đơn vị đo thông dụng là m2/s

1.5.2 Các trạng thái tồn tại của các chất bẩn trong dung dịch nước

Theo quan điểm kỹ thuật môi trường, vật chất có thể tồn tại trong nước ở một

trong ba dạng: dạng lơ lửng, dạng keo hoặc dạng hòa tan.

Chất bị hòa tan là chất mà nó thực sự nằm trong dung dịch Chất tan được phân tán đồng đều trong chất lỏng Các chất bị hòa tan có thể là các nguyên tử đơn giản hoặc các hợp chất phân tử phức tạp Các chất bị hòa tan nằm trong chất lỏng, có nghĩa là, chỉ có một pha hiện diện Chất tan không thể được loại bỏ khỏi chất lỏng nếu như không thực hiện một sự chuyển đổi pha như chưng

cất, kết tủa, hấp phụ, hoặc trích ly Trong quá trình chưng cất, hoặc là chất

lỏng hoặc là chất tan tự nó bị chuyển đổi từ pha lỏng sang pha khí để đạt được

sự phân ly Trong quá trình kết tủa, chất tan trong pha lỏng kết hợp với một

hóa chất khác để tạo thành một pha rắn, như vậy đạt được sự tách loại ra khỏi

(1-15)

(1-16)

nước Hấp phụ cũng bao gồm một sự chuyển đổi pha, mà trong đó chất bị hòa

tan phản ứng với một phần tử rắn để tạo thành một phức hệ phần tử rắn-chất

tan Trích ly chất lỏng có thể tách loại chất tan ra khỏi nước bằng cách cho

chiết nó vào trong chất lỏng khác, do đó cũng có một sự chuyển đổi pha từ nước thành một chất lỏng khác Nhưng hoàn toàn không thể áp dụng các phương pháp vật lý như lọc, lắng, hoặc ly tâm để loại bỏ các chất hòa tan ra khỏi nước

Các chất lơ lửng thì thường có kích thước đủ lớn để lắng xuống đáy dung dịch nước hoặc được loại bỏ khỏi nước bằng cách lọc Trong trường hợp này, có 2 pha hiện diện, pha lỏng là nước và pha rắn là các phần tử lơ lửng Khoảng kích thước nhỏ hơn của nhóm này là 0,1 đến 1,0 µm, vào khoảng kích thước của vi khuẩn Trong kỹ thuật môi trường, chất rắn lơ lửng được định nghĩa như là các chất rắn mà chúng có thể được lọc bằng giấy lọc thủy tinh và thường được gọi là các chất rắn có thể lọc được Các chất rắn lơ lửng có thể được loại bỏ khỏi nước bằng các phương pháp vật lý như lắng, lọc và ly tâm

Các phần tử keo có kích thước nằm trong khoảng giữa các chất hòa tan và các hạt lơ lửng Chúng nằm ở một trạng thái rắn và có thể được loại bỏ khỏi chất lỏng bằng các biện pháp vật lý như ly tâm trọng lực cao hoặc lọc qua các màng lọc có kích thước các lỗ rất nhỏ Tuy nhiên, các hạt keo thì lại quá nhỏ để có thể được loại bỏ bằng các quá trình lắng hoặc lọc thông thường Các hạt keo biểu hiện hiệu ứng Tyndall; đó là khi ánh sáng đi xuyên qua một chất lỏng có chứa các hạt keo, ánh sáng bị phản xạ lại bởi các hạt Mức độ mà ở đó một thể vẫn keo phản xạ ánh sáng ở một góc 90o so với tia tới được đo bằng độ đục Độ đục là một phép đo tương đối và có nhiều tiêu chuẩn mà dựa vào đó một mẫu được so sánh Các tiêu chuẩn khác nhau được dùng như nhau, mặc dù không giống nhau chính xác Đối với các mục tiêu của chúng ta, chúng ta sẽ dựa vào việc đo độ đục như một đơn vị độ đục (TU) Đối với một kích thước hạt đã biết, độ đục càng cao thì nồng độ của các hạt keo càng lớn Một thông số hữu ích khác được sử dụng trong kỹ thuật môi trường để mô tả

một trạng thái dung dịch là độ màu Độ màu không có sự khác biệt so với 3

loại trên, nhưng đúng hơn là một sự kết hợp của các chất hòa tan và các chất keo Độ màu được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật môi trường bởi vì tự bản

thân nó có thể đo được Tuy nhiên, rất khó phân biệt giữa độ màu hòa tan và

độ màu keo Một số sắc màu được gây nên bởi các phức chất keo của sắt hoặc

mangan, mặc dù phần lớn sắc màu được gây nên bởi các phức chất hữu cơ có

nguồn gốc từ sự phân hủy vật chất hữu cơ Một nguồn phổ biến của độ màu là sự phân giải đất mùn kèm theo việc hình thành các axít humic Sự có mặt của các axít humic trong môi trường nước làm cho nước có màu nâu đỏ Các axít humic có trọng lượng phân tử trong khoảng từ 800 đến 50.000, các axít humic có trọng lượng phân tử thấp hơn thì tồn tại ở dạng hòa tan, còn lớn hơn thì tồn tại ở dạng keo Phần lớn các phần tử màu có kích thước nằm giữa 3,5 và

10µm, mà chúng là các hạt keo Độ màu được đo bằng khả năng hấp thu ánh sáng của dung dịch Độ màu có thể được khử bằng các phương pháp đã được áp dụng để loại bỏ các phần tử hòa tan và các phần tử keo tùy thuộc vào trạng thái của sắc màu Trong kỹ thuật xử lý nước và nước thải, độ màu thường được khử bằng cách áp dụng một tổ hợp các phương pháp keo tụ – tạo bông – lắng cặn đồng thời với việc làm trong và loại bỏ các hạt lơ lửng mịn ra khỏi nước và nước thải

Hình 1-5 thể hiện một cách khái quát kích thước của các phần tử thường gặp trong kỹ thuật xử lý nước và nước thải

Trong kỹ thuật môi trường, bốn dạng phản ứng quan trọng cần được quan tâm là: phản ứng kết tủa, phản ứng axít/bazơ, phản ứng kết hợp và phản ứng oxy hóa – khử

Các ion hòa tan có thể phản ứng với nhau và tạo thành một hợp chất rắn Phản ứng chuyển đổi pha từ trạng thái hòa tan sang trạng thái rắn này được gọi phản ứng kết tủa Một ví dụ điển hình của phản ứng kết tủa là sự tạo thành canxi carbonate khi một dung dịch có chứa ion Ca2+ được hòa trộn với một dung dịch có chứa ion CO32–:

Ca2+ + CO32– CaCO3(r) Ký hiệu (r) trong phản ứng trên là để ám chỉ rằng CaCO3 ở trong trạng thái rắn Khi không sử dụng đến ký hiệu này thì có nghĩa là nó ở trạng thái hòa tan Các mũi tên trong phản ứng ngụ ý muốn nói rằng phản ứng là thuận nghịch và có thể chuyển dịch sang phải (tức là, các ion kết hợp với nhau tạo thành chất rắn) hoặc sang trái (tức là, chất rắc bị phân ly thành các ion)

Tảo

(1-17)

0,01 0,1 1,0 10 20 30 40 100

Hình 1-5 Các phần tử trong nước

Nguồn: Davis Cornwell., Introduction to Environmental Engineering, 1998.

Để tiện lợi, chúng ta thường nói đến các hợp chất, nhưng trên thực tế một hợp chất không tồn tại trong nước Ví dụ nước có chứa natri clorua và canxi sulfat Chúng ta có thể nói rằng nước có chứa NaCl và CaSO4 trong đó, nhưng không quan tâm đến sự hóa hợp của Na và Cl hoặc Ca và SO4 Các phản ứng diễn ra dưới đây:

CaSO4(r) Ca2+ + SO42–

và

NaCl(r) Na+ + Cl–

chứng tỏ rằng, nước có chứa 4 ion không được hóa hợp với nhau, đó là: Na+,

Ca2+, Cl–, và SO42– Đừng nghĩ rằng natri và clorua luôn gắn với nhau

Các phản ứng axít/bazơ là một dạng đặc biệt của sự ion hóa khi một ion hydro được đưa thêm vào hoặc được loại ra khỏi dung dịch Axít có thể được đưa

Các hạt đã được kết bông Các hạt có thể lọc được dễ dàng Các phần tử tạo màu ở thể keo Các axít humic

Các hạt lơ lửng Các hạt keo

Các bào tử Cryptosporidium

Các bào tử Giardia

Nấm Virus

Vi khuẩn

Kích thước, micromet ( µ m)

(1-18) (1-19)

vào nước để tạo ra ion hydro, chẳng hạn như việc cho thêm axít clohydric vào nước sẽ tạo ra ion hydro theo phản ứng:

HCl H+ + Cl–

Phản ứng trên là phản ứng đã được đơn giản hóa Chính xác hơn thì phản ứng đó phải được viết như sau:

HCl + H2O H3O+ + Cl–

Một ion hydro cũng có thể được khử khỏi nước bằng cách cho thêm một bazơ:

NaOH + H3O+ 2H2O + Na+

Trong một số trường hợp, các ion hiện diện trong nước có thể được hóa hợp với các ion khác Sự tạo thành các phức chất hòa tan là các phản ứng kết hợp ion Trong trường hợp này, các ion bị “trói buộc” (liên kết) với nhau trong dung dịch Phức chất có thể là một hợp chất trung tính, chẳng hạn như thủy ngân clorua hòa tan:

Hg2+ + 2Cl– HgCl2

Thông thường hơn, phức tan có một điện tích và bản thân nó là một ion Các phức chất ion kim loại là những ví dụ tiêu biểu:

Al3+ + OH– AlOH2+

Các phản ứng oxy hóa – khử có liên quan đến những thay đổi về hóa trị và chuyển dịch điện tử Khi sắt kim loại bị ăn mòn, nó phóng thích ra các electron:

Fe0 Fe2+ + 2e–

Nếu một nguyên tố phóng thích ra các electron thì phải có một nguyên tố khác nhận các electron đó Trong quá trình ăn mòn ống sắt, khí hydro thường được sinh ra do phản ứng:

2H+ + 2e– H2 (k)

Ở đây, ký hiệu (k) ám chỉ hydro ở pha khí

(1-20)

(1-21)

(1-22)

(1-23)

(1-24)

(1-25)

(1-26)

Các phản ứng kết tủa

Tất cả các phức chất đều có thể hòa tan trong nước đến một mức độ nhất định nào đó Cũng như vậy, tất cả các phức chất đều bị hạn chế bởi số lượng có thể

bị hòa tan trong trong nước Một vài hợp chất, chẳng hạn như NaCl thì rất dễ tan; các hợp chất khác, ví dụ như AgCl thì rất khó tan – chỉ có một lượng rất nhỏ đi vào dung dịch Chúng ta hãy hình dung có một chất rắn được đặt vào trong nước cất Một vài hợp chất sẽ đi vào dung dịch Tại thời điểm mà ở đó hợp chất không thể tan thêm được nữa thì sẽ đạt được sự cân bằng Thời gian để đạt được cân bằng có thể là vài giây hoặc phải mất hằng thế kỹ Phản ứng hòa tan được viết ở dạng tổng quát như sau:

AaBb (r) aAb+ + bBa–

Ví dụ:

Ca3(PO4)2 (r) 3Ca2+ + 2PO43–

Một điều lý thú là, tích số của độ hoạt động của các ion (một cách gần đúng là nồng độ mol) luôn luôn là một hằng số đối với một hợp chất đã biết ở một

độ cho trước Hằng số này được gọi là tích số tan và ký hiệu là Ks Công thức tổng quát của nó được viết như sau:

Ks = [A]a [B]b

Trong đó: dấu [ ] biểu thị nồng độ mol Không sử dụng mg/L! Một vài hằng

số được dẫn ra trong Bảng 1-9 và Bảng Tích số tan của một số hợp chất thông dụng được dẫn ra trong Phụ lục A Các giá trị của Ks thường được biểu diễn qua pKs như sau:

pKs = – log Ks

Các phản ứng axít/bazơ

Trong phần này, axít được định nghĩa là các hợp chất cho proton và bazơ là các hợp chất nhận proton

Phản ứng đơn giản cho proton:

HA H+ + A–

(1-27) (1-28)

(1-29)

(1-30)

(1-31)

Bảng 1-9 Một và hằng số hòa tan ở 25 o C

Chất Phương trình cân bằng pKs Ứng dụng

Nhôm hydroxyt Al(OH)3(r) Al3+ + 3OH– 32,9 Keo tụ

Nhôm phosphat AlPO4(r) Al3+ + PO43– 22,0 Khử phosphat Canxi carbonat CaCO3(r) Ca2+ + CO32– 8,305 Làm mềm

Sắt hydroxyt Fe(OH)3(r) Fe3+ + 3OH– 38,57 Keo tụ, khử sắt Sắt phosphat FePO4(r) Fe3+ + PO43– 21,9 Khử phosphat Magiê hydroxyt Mg(OH)2(r) Mg2+ + 2OH– 11,25 Làm mềm

Nguồn: Davis Cornwell., Introduction to Environmental Engineering, 1998.

Theo qui ước khi HA cho proton thì phải có một chất nào đó nhận proton Thông thường chất đó là nước:

H+ + H2O H3O+

Có thể biểu thị hai phản ứng trên bằng phản ứng gộp như sau:

HA + H2O H3O+ + A–

Điều này được ngầm hiểu là thường có sự hiện diện của nước Vì vậy Phương trình 31 được sử dụng thay thế cho Phương trình 33 Trong Phương trình

1-33, nước phản ứng như một bazơ; có nghĩa là nó là chất nhận proton Nếu một bazơ được cho vào nước, nước có thể phản ứng như một axít

B– + H2O HB + OH–

Trong phản ứng trên bazơ (B–) nhận proton của nước Nếu một hợp chất có tính axít mạnh hơn nước thì nước phản ứng như một bazơ và ngược lại

Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy hóa học về axít/bazơ tập trung nghiên cứu về nước hay biết nước có tính axít mạnh như thế nào là rất quan trọng Bản thân nước bị ion hóa trong nước theo phương trình:

H2O H+ + OH–

Mức độ ion hóa nước rất nhỏ và có thể được đo bởi hằng số phân ly Kw của nước:

Kw = [OH–][H+]

(1-32)

(1-33)

(1-34)

(1-35)

(1-36)

Kw có giá trị bằng 10–14 (pKw = 14) ở 25oC Dung dịch được coi là có tính axít nếu [H+] lớn hơn [OH–], trung tính nếu bằng nhau và có tính bazơ nếu [H+] nhỏ hơn [OH–] Khi dung dịch trung tính [H+] = [OH–] = 10–7 M Nếu dung dịch có tính axít, [H+] lớn hơn 10–7M Một cách biểu thị rất tiện lợi cho nồng độ ion hydro là pH, được định nghĩa như sau:

pH = – log[H+] Từ đó, một dung dịch trung tính có pH bằng 7 (viết là pH 7), dung dịch axít có

pH < 7 và dung dịch bazơ có pH > 7

Các axít được phân loại thành axít mạnh hay axít yếu Các axít mạnh phân ly hòan toàn trong nước Ví dụ:

HCl → H+ + Cl–

hay phản ứng hoàn chỉnh:

HCl + H2O → H3O+ + Cl–

Bảng 1-10 giới thiệu một vài axít mạnh quan trọng, các mũi tên cho thấy phản ứng dịch chuyển hoàn toàn về bên phải

Thí dụ 1-1 Nếu 100 mg H2SO4 (M = 98) được cho vào một lít nước, pH cuối cùng là bao nhiêu?

Giải Sử dụng khối lượng phân tử của axít sulfuric chúng ta tìm được:

(100 mg/1L nước) (1/98 g/mol) (1/103 mg/g) = 1,02 × 10–3 mol/L

Phương trình phản ứng:

H2SO4→ 2H+ + SO42–

Và như vậy có 2 (1,02 × 10–3) mol H+ được tạo thành pH bẳng:

pH = – log (2,04 × 10–3) = 2,69

Axít yếu là các axít không phân ly hoàn toàn trong nước Cân bằng được thiết lập giữa các ion phân ly và các hợp chất không phân ly Phản ứng của axít yếu như sau:

Bảng 1-10 Một vài axít mạnh quan trọng

(1-37)

(1-38) (1-39)

Chất Phản ứng cân bằng Ý nghĩa

Axít chlohydric HCl → H+ + Cl– Biến đổi pH

Axít nitric HNO3 → H+ + NO3– Kỹ thuật hóa phân tích Axít sulfuric H2SO4→ 2H+ + SO42– Biến đổi pH, keo tụ

HW H+ + W–

Hằng số cân bằng liên quan đến độ phân ly:

] HW [

] W ][

H [

hay một cách biểu thị khác:

pKa = – log Ka

Danh mục các axít yếu quan trọng được cho trong bảng 1-11 Biết pH của một dung dịch (dễ dàng xác định với một pH kế) có thể có khái niệm tồng quát về mức độ phân ly của axít Ví dụ, nếu pH bằng pKa (có nghĩa là [H+] = Ka), thì từ phương trình 1-42, HW– = W– và axít bị phân ly 50% Nếu [H+] nhỏ hơn hơn

Ka rất nhiều (100 lần), ta có 100[H+] = Ka (hay pH » pKa):

Bảng 1-11 Hằng số cân bằng của một số axít yếu chọn lọc ở 25 o C

Chất Phản ứng cân bằng pKa Ýù nghĩa

Axít axetic CH3COOH H+ + CH3COO– 4,75 Phân hủy kỵ khí

Axít carbonic H2CO3 H+ + HCO3–

HCO3– H+ + CO32–

6,35 10,33

Rỉ sét, keo tụ, làm mềm, kiểm soát pH

Sulfur hydro H2S H+ + HS–

HS– H+ + OCl–

7,2 11,89

Làm thoáng, kiểm soát mùi, rỉ sét

Axít hypocloric HOCl H+ + OCl– 7,54 Khử trùng

Axít phosphoric H3PO4 H+ + H2PO4–

H2PO4– H+ + HPO42–

HPO42– H+ + PO43–

2,12 7,20 12,32

Khử phosphat Chất dinh dưỡng thực vật, Phân tích

(1-40)

(1-41)

(1-42)