bài giảng thí nghiệm phân tích nước và nước thải

XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ OXY HÓA HÓA HỌC CODPHẠM VI ÁP DỤNG Quy trình này được áp dụng để xác định hàm lượng COD có trong nước thải và nước tự nhiên.. 1.Ý NGHĨA Nhu cầu oxy hóa học là lượng oxy c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC & MÔI TRƯỜNG

BÀI GIẢNG THÍ NGHIỆM PHÂN TÍCH NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI

Người biên soạn: Phạm Thị Lan

Bộ môn: CNKTMT

Nha Trang, tháng 3 năm 2011

Bài 1 XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ OXY HÓA HÓA HỌC COD

PHẠM VI ÁP DỤNG

Quy trình này được áp dụng để xác định hàm lượng COD có trong nước thải và nước tự nhiên

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Quy trình này được biên dịch từ “Standard Methods for the Exemination of Water and Wastwater 16 th Editon, 417B,1985.

1.Ý NGHĨA

Nhu cầu oxy hóa học là lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ trong thành phần nước thải bằng phương pháp hóa học (sử dụng tác nhân oxy hóa mạnh)

Theo phương pháp này, chỉ trong một khoảng thời gian ngắn, hầu như toàn bộ các chất hữu cơ đã bị oxy hóa, trừ một số rất ít trường hợp ngoại lệ, nhờ vậy cho phép xác định nhanh hàm lượng chất hữu cơ, từ đó ứng dụng trong khảo sát ô nhiễm nguồn nước

và đánh giá hiệu quả của các công trình xử lý nước Tuy nhiên phương pháp trên vẫn có nhược điểm là không thể phân biệt được giữa các chất hữu cơ có thể bị oxy hóa hay trơ với oxy hóa sinh học

Nhiều chất oxy hóa mạnh đã được nghiên cứu cho kiểm nghiệm COD như

chỉ có K2Cr2O7 tỏ ra hữu hiệu nhất

2 NGUYÊN TẮC

ta tính được hàm lượng COD

Phần lớn các chất hữu cơ đều bị oxy hóa bởi K2Cr2O7 trong môi trường acid, ở nhiệt độ 1500C Phản ứng diễn ra theo phương trình sau:

CnHaOb + cCr2O7 + 8cH+  nCO2 + (a/2 + 4c)H2O + 2cCr3+

Với: c = 2/3n + a/6 – b/3 Dựa vào hàm lượng chất hữu cơ trong mẫu, chọn hàm lượng chất oxy hóa đặc hay loãng (0,1 N hay 0,025N) cho thích hợp Sau khi phản ứng oxy hóa xảy ra hoàn toàn, định phân lượng K2Cr2O7 dư bằng Fe(NH4)2SO4 theo phương trình:

6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+ = 6Fe3+ + 3Cr3+ + 7H2O

Trị số COD chính là lượng oxy tính từ hàm lượng K2Cr2O7 tham gia vào phản ứng oxy hóa

3 HÓA CHẤT

- Dung dịch K 2 Cr 2 O 7 0.1N: cân chính xác 4,9051g K2Cr2O7 sấy ở 1050 trong 2h và

khuấy tan, để nguội đến nhiệt độ phòng và định mức thành 1 lít

- H2SO4 hòa tan 5,5g AgSO4 trong 1kg H2SO4 đậm đặc và để 1-2 ngày cho hòa tan hoàn toàn

- Dung dịch ferrous ammonium sulfate (FAS) Fe 2+ 0,1M: hòa tan 39,21g muối

Mohr TKPT Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O trong nước có thêm 20ml H2SO4 đậm đặc, thêm nước cất thành 1 lít Dung dịch này phải được kiểm tra nồng độ lại hàng ngày bằng cách chuẩn độ lại bằng dung dịch K2Cr2O7 0,1N pha ở trên

(nồng độ FAS = V (K2Cr2O7 0,1N), ml * 0.1/V (FAS dùng chuẩn độ)

- Chỉ thị diphenylamine 0,1% (DPh): hòa tan 0,1g chất chỉ thị trong 100ml H2SO4

đặc

4 QUY TRÌNH PHÂN TÍCH

Bước 1: Chuẩn bị mẫu phân tích

Phương pháp đun hoàn lưu kín

Chọn thể tích mẫu hóa chất theo bảng hướng dẫn sau:

Kích thước ống ml mẫu dd K 2 Cr 2 O 7 ,

ml

H 2 SO 4 , ml V tc , ml

Chuẩn bị 2 ống nghiệm HACH 20 * 100 (mm) và tiến hành thực hiện theo trình tự sau:

ứng xảy ra mạnh nên cần cho acid cẩn thận, chảy dọc theo thành ống nghiệm Tốc độ cho acid rất chậm Sau đó, lắc mẫu thật đều Cho ống nghiệm vào thiết bị nung ở nhiệt

độ 1500C trong vòng 2 giờ

H2SO4 và lắc đều Tiến hành giống như mẫu nước thật

Bước 2:

▪ Sau khi nung, để nguội đến nhiệt độ phòng, đổ ra bình nón 250 ml

Chú ý: Khi chuyển hỗn hợp phản ứng trong ống nghiệm vào bình nón, sau khi đổ hết dung dịch phản ứng trong ống nghiệm phải tráng lại ống nghiệm bằng nước cất 2-3 lần

▪ Thêm 2 giọt chỉ thị điphênylamin và định phân bằng bằng FAS

▪ Kết thúc phản ứng khi mất màu xanh thẫm ban đầu

▪ Định phân đồng thời cả 2 dung dịch trong ống nghiệm

▪ Ghi lại thể tích FAS ống nghiệm

Phương pháp đun hoàn lưu hở (không thực hành)

▪ Lấy 50 – 100 ml mẫu cho vào bình cầu COD

▪ Lần lượt thêm vài viên bi thủy tinh, 1gam HgSO4, 5ml H2SO4, lắc đều cho tan HgSO4

▪ Thêm 25ml dung dịch K2Cr2O7 0,025N

ống làm lạnh Lắc nhẹ để trộn đều hỗn hợp Bật bếp, đun hoàn lưu trong vòng 2 giờ

▪ Để nguội đến nhiệt độ phòng, đổ mẫu ra Erlen, định phân bằng dung dịch FAS 0,025N

▪ Kết thúc phản ứng khi dung dịch chuyển sang màu nâu đỏ Ghi nhận thể tích FAS đã dùng

Xác định nồng độ dung dịch FAS

▪ Hút 10ml K2Cr2O7 0,1N bằng pipet cho vào bình định nón 250ml

▪ 2-3 giọt chỉ thị Điphenylamin

▪ Chuẩn độ bằng dung dịch FAS đến khi dung dịch mất màu xanh thẫm

▪ Làm 3 lần Lấy thể tích FAS trung bình Tính nồng độ FAS

5 TÍNH TOÁN

COD =

mãu

N

V

C V

V ) * 8 * * 1000 ( 2 − 1

6 ẢNH HƯỞNG

● Bằng phương pháp đun hoàn lưu dicromat, các hợp chất béo mach thẳng, hợp chất nhân thơm và piridin không bị oxy hóa Để gia tăng vận tốc phản ứng, sử dụng them

dung dịch K2Cr2O7 để tạo phức bền HgCl42- Lượng HgSO4 cho vào dung dịch theo tỉ lệ HgSO4/Cl = 10 : 1

● Phương pháp oxy hóa có xúc tác có khả năng oxy hóa được rượu và acid mạch thẳng

mà không oxy hóa được các hydrocacbon mạch vòng

CÂU HỎI

1 Ý nghĩa của chỉ số COD khi nói về môi trường nước?

2 Nêu lên sự khác biệt giữa chỉ tiêu COD và BOD?

3 Tính nồng độ COD tối đa có thể xác định được trong mẫu cần phân tích

4 Nêu lên các nguyên nhân chủ yếu gây sai số khi phân tích chỉ tiêu COD?

Bài 2 XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ DO

1 Ý NGHĨA

DO (oxy hòa tan) là yếu tố xác định sự thay đổi xảy ra do vi sinh vật kị khí hay hiếu khí Đây là chỉ tiêu quan trọng liên quan đến việc kiểm soát ô nhiễm dòng chảy Ngoài ra DO còn là cơ sở kiểm tra chỉ tiêu BOD

Tất cả quá trình xử lý hiếu khí phụ thuộc vào sự hiện diện của DO trong nước thải, việc xác định DO không thể thiếu vì đó là phương tiện kiểm soát tốc độ sục khí để đảm bảo lượng DO thích hợp cho vi sinh vật hiếu khí phát triển

DO là nguyên nhân gây ra sự ăn mòn sắt thép, đặc biệt là trong hệ thống cấp nước

và lò hơi

2 NGUYÊN TẮC CỦA PHƯƠNG PHÁP WINKLER

Phương pháp này khá đơn giản, dễ thực hiện và cho phép đạt độ chính xác cao khi hoàn thành cẩn thận tất cả khâu khi tiến hành định lượng

Phương pháp dựa trên cơ sở phản ứng mà ở đó Mn hoá trị 2 trong môi trường kiềm

lúc đó đựơc kết hợp với tất cả O2 hoà tan

Mn(OH)2 + O2 = 2MnO(OH)2 Vàng nâu

Mn+4 hay nói khác đi là số đương lượng của O2 hoà tan, chính bằng số đương lượng I2 có trong mẫu nước

Mn(OH)2 + 2H2SO4 + KI = MnSO4 + K2SO4 + 3H2O + I2

I2 tự do được tách ra, dễ dàng định lượng dung dịch chuẩn Na2S2O3

I2 +2Na2S2O3 = 2Nal + Na2S4O6

Biết thể tích và nồng độ Na2S2O3 khi chuẩn độ ta dễ dàng tính được hàm lượng ôxy

3 giai đoạn:

Giai đoạn II: Tách I2 bằng môi trường axít(axít hóa, xử lý mẫu)

Giai đoạn III: Chuẩn độ I2 bằng Na2S2O3 (phân tích mẫu)

không áp dụng với những mẫu nước có chất ôxy hoá (vùng nước bị nhiễm bẩn nước thải công nghiệp) có khả năng ôxy hoá anion I- , hoặc các chất khử (dihydrosunfua H2S) khử

I2 tự do

3 HÓA CHẤT

Dung dịch MnSO 4 : Hòa tan 480g MnSO4.4H2O (hoặc 364g MnSO4.H2O) trong nước cất định mức 1000ml Dung dịch này không được phản ứng với hồ tinh bột khi thêm vào

để acid hóa potassium iodide KI

- Dung dịch Iodide – Azide kiềm : Hòa tan 500g NaOH (hay 700g) và 135g NaI

hòa tan sẵn trong 40ml nước cất Dung dịch này không được cho phản ứng với hồ tinh bột khi acid hóa

- Acid sunfuric đậm đặc : 1ml H2SO4 tương đương với 3ml Iodide azide kiềm

- Dung dịch K 2 Cr 2 O 7 0,02N : cân chính xác 0,981g K2Cr2O7 TKPT hòa tan trong 1000ml nước cất

- Dung dịch Na 2 S 2 O 3 0,025N : hòa tan 6,205g Na2S2O3.5H2O trong nước cất, thêm 1,5ml NaOH 6N (hoặc 0,4g NaOH) pha loãng thành 1000ml

- Chỉ thị hồ tinh bột

4 QUY TRÌNH PHÂN TÍCH

a Cố định mẫu nước

+ Lấy đầy mẫu vào chai DO, đậy nút gạt bỏ phần trên, V = 300ml mẫu Không để bọt khí bám xung quanh thành chai

kiềm

+ Đậy nút, lắc đảo ngược chai ít nhất 20 lần Nếu là nước lợ hay nước mặn, thời gian đảo chai ít nhất 2 phút Để yên đến khi kết tủa lắng hoàn toàn

b Xử lý mẫu

Để yên chai đựng mẫu nước đã cố định ở chỗ mát trong 1 giờ Sau đó thêm vào

c.Phân tích mẫu

khi có màu vàng nhạt thì thêm vào 3 giọt hồ tinh bột, dung dịch có màu xanh tím, rồi nhỏ từng giọt Na2S2O3 0,01N đến khi hết màu xanh tím Ghi thể tích Na2S2O3 0,01N đã chuẩn độ hết Làm từ 2-3 lần lấy kết quả trung bình

5 TÍNH TOÁN

mg O 2 / L = '

0

1000 8

V N V

Trong đó:

1000 : Hệ số đổi thành lít

Chú ý: Trong giai đoạn cố định, chúng ta đã thêm 4 mL hoá chất (2 mL

lượng (trừ phần hoá chất đã cho vào) là:

V0’ =V0 x

300

4

300 −

CÂU HỎI:

1 Ý nghĩa chỉ số DO đối với môi trường nước?

2. Tại sao phải xác định lại nồng độ Na2S2O3?

bình chứa dung dịch của quá trình xác định DO?

4 Tại sao cho chất chỉ thị vào dung dịch khi dung dịch có màu vàng rơm trong quá trình chuẩn độ? Nếu cho vào ngay thời điểm xác định ảnh hưởng như thế nào đến kết quả xác định? Giải thích?

5 Những chất gây ảnh hưởng đến kết quả xác định DO?

Bài 3 XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ OXY HÓA SINH HÓA BOD (Biochemical Oxygen

Demand)

1 Ý NGHĨA:

BOD là lượng ôxy cần thiết để vi sinh vật tiêu thụ trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong nước trong điều kiện hiếu khí Phản ứng xảy ra như sau:

Ôxy sử dụng trong quá trình này là ôxy hòa tan trong nước

BOD được ứng dụng để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải và là một trong những kiểm nghiệm quan trọng nhất trong hoạt động kiểm soát ô nhiễm dòng chảy, qua đó cho phép đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước Số liệu BOD được ứng dụng cho thiết kế các công trình xử lý đồng thời xác định sơ bộ hiệu quả của công trình xử lý

Theo lý thuyết, thời gian để oxy hóa hoàn toàn các chất hữu cơ là vô hạn Tuy nhiên để chuẩn hóa kỹ thuật xét nghiệm, thời gian ủ được chọn là 5 ngày Đối với nước thải sinh hoạt và 1 số nước thải công nghiệp, BOD5 chiếm khoảng 70% BODtổng

BOD còn liên quan đến việc đo lường oxy tiêu thụ do vi sinh vật khi phân hủy chất hữu cơ có trong nước thải Do đó, BOD còn được ứng dụng để ước lượng công suất các công trình xử lý sinh học cũng như đánh giá hiệu quả của các công trình đó Trong thực tế, để đảm bảo tính chính xác trong nghiên cứu, ta xác định đường cong BOD theo thời gian

2 HÓA CHẤT:

− Các loại hoá chất định lượng O2 hoà tan

− Dung dịch đệm phốtphát: hòa tan 8,5g KH2PO4 , 21,75g K2HPO4 , 33,4g

Dung dịch FeCl3:hòa tan 0,25g FeCl3.6H2O trong nước, định mức thành 1L

3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH:

* Thu mẫu nước: Chuyển mẫu vào hai chai có thể tích là 300 mL Chai thứ nhất xác định ngay hàm lượng O2 ban đầu Chai thứ hai ủ tối, nhiệt độ 20o C, thời gian 5 ngày (hoặc 3 ngày ở nhiệt độ 30o C) Định lượng hàm lượng O2 trong chai thứ hai

BOD 5 = O2 đầu - O2 cuối(mg/L)

* Trường hợp nước có hàm lượng chất hữu cơ cao, cần pha loãng nước nghiên cứu bằng dung dịch pha loãng

Chuẩn bị dung dịch pha loãng: nước pha loãng được chuẩn bị ở chai to, miệng rộng,

mức đến 1L bằng nước cất

như đã trình bày

BOD 5 = (O 2 đầu - O 2 cuối ) x k

k: hệ số pha loãng

4 ẢNH HƯỞNG

Vi sinh vật nitrate hóa sẽ sử dụng oxy để oxy hóa nito vô cơ, do đó có thể làm thiếu hụt oxy hòa tan trong nước dẫn đến việc đo BOD không còn chính xác

CÂU HỎI

1 Chỉ số BOD có ý nghĩa gì đối với môi trường nước?

2 Tại sao phải pha loãng mẫu bằng nước oxy bão hòa?

3 Chủng loại vi sinh vật có ảnh hưởng đến chỉ số BOD của nước thải không?

4 Tại sao không được để nước khô trên bình thủy tinh khi xác định chỉ tiêu BOD?

5 Ánh sáng có ảnh hưởng đến quá trình xác định chỉ tiêu BOD không?

Bài 4: XÁC ĐỊNH SẮT TRONG NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP

PHENANTROLIN

(3500 – Fe B – Phenantrolin Method)

1 NGUYÊN TẮC

Đun cách thủy với hydroxyamin trong môi trường acid để chuyển Fe (III) ó 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 kết hợp với 3 phân tử 1,10 – phenantrolin để hình thành phức có màu đỏ cam

Đo mật độ quang của dung dịch phức ở bước sóng 510nm cho phép xác định được nồng

độ sắt trong mẫu

2 HÓA CHẤT

axit acetic đặc (glacial)

Dung dịch phenanthroline: hòa tan 100 mg 1,10–Phenanthroline monohydrate

C12H8N2.H2O trong 100 ml nước, vừa khuấy, vừa gia nhiệt đến 800C ( Hoặc cho thêm 2 giọt HCl đặc)

3 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 trừ bằng cách đun sôi với acid

– Các ion kim loại crom, kẽm ( khi nồng độ của chúng gấp 10lần nồng độ sắt); coban, ồng( khi nồng độ chúng gấp 5 lần nồng độ sắt); niken (khi nồng độ của nó gấp 2 lần sắt); bimut, cadimi, thủy ngân molypdat tạo kết tủa với phenantrolin Loại trừ bằng cáchthêm

dư phenantrolin, trong đó vẫn không loại trừ đc ảnh hưởng của các ion kim loại thì phải

sử dụng phương pháp chiết tách các ion kim loại cản trở

4 QUY TRÌNH PHÂN TÍCH

a) Bảo quản mẫu

Ngay sau khi lấy mẩu, acid hóa mẫu đến pH < 2, và bảo quản trong chai nhựa Mẫu bền trong 1 tháng khi được acid hóa đến pH < 2

b) Quy trình phân tích mẫu

Lấy 50,0ml mẩu 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 khô thì hòa tan cặn bằng 2 ml dung dịch HCl đậm đặc và 5ml nước cất) Để về nhiệt độ phòng và chuyển toàn bộ mẫu sang bình định mức với dung tích 50ml Thêm 10ml dung dịch đệm acetat, 4ml dung dịch phenantrolin và pha loãng tới vạch mức bằng nước cất Trộn lẫn

đều và để yên ít nhất 10 phút Đo mật độ quang ở bước sóng 510nm với dung dịcd mẫu trắng làm dung dịch so sánh Màu ổn định trong 6 tháng đối với mẫu chuẩn

6 XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN

Bài 5 XÁC ĐỊNH Clo (4500 B)

1 NGUYÊN TẮC

clo bằng AgNO3

2 HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ

a Dụng cụ

Bình nón 250 ml

Buret 25 ml

b Hóa chất

+ Chỉ thị K2CrO4: Hòa tan 50 g K2CrO4 trong 1 lit nước cất

+ Chất huyền phù nhôm hydoxit: Hòa tan 125 g nhôm amoni sunphat

AlNH4(SO4)2.12H2O hoặc AlK(SO4)2.12H2O trong 1 lit nước Đun nóng đến 600C và

+ Dung dịch NaOH 1N

+ Dung dịch H2SO4, 1N

+ Dung dịch H2O2 30%

3 QUY TRÌNH PHÂN TÍCH MẪU

a Xử lý mẫu:

Dùng 100 ml mẫu nước.Nếu mẫu có màu thì thêm 3 ml dung dịch huyền phù, trộn đều , để lắng và lọc

phút

b Chuẩn độ

gạch xuất hiện thì dừng lại

4 TÍNH TOÁN

xNxCA450,35)(

A: thể tích AgNO3 tiêu tốn

B: Thể tích mẫu

Bài 6: Xác định NO2

( 4500B- Colorimetric method)

1 NGUYÊN TẮC

naphthy)-etylendiamin dihydroclorit tạo thành phức màu đỏ tía Đo độ hấp thụ quang của phức tại bước song 543 nm

2 DỤNG CỤ HÓA CHẤT

a Dụng cụ.

Máy UV –VIS

b Hóa chất.

Sau khi sulfanilamine tan hoàn toàn, thêm 1 g N-(1- naphthy)-etylendiamin

dihydroclorit, thêm nước cất tới 1000 ml, trộn đều Bảo quản trong bình tối màu

3 QUY TRÌNH PHÂN TÍCH MẪU

a Bảo quản mẫu và xử lý mẫu

Phân tích mẫu ngay khi thu thập mẫu tránh sự biển đổi của NO2- về NO3- hay NH3

Bảo quản trong thời gian ngắn bằng cách để lạnh ở t0 = - 200C – 40C

b Quy trình phân tích.

cho vào bình định mức 50 ml thêm 2 ml thuốc thử trộn đều, thêm nước cất đến vạch định mức Sau 10 phút đem đo độ hấp của phức màu tại bước song 543 nm

4 TÍNH TOÁN

Dựa vào đường chuẩn của NO 2 -N.