Bài giảng hoá nước

Vòng tuần hoàn của nước tự nhiên13 Là sự tồn tại, vận động của nước trên mặt đất, trong lòng đất và trong bầu khí quyển của Trái Đất Vòng tuần hoàn của nước tự nhiên không có điểmbắt đầu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

KHOA HÓA VÀ MÔI TRƯỜNG

BỘ MÔN HÓA CƠ SỞ

Bài giảng

HÓA NƯỚC

Hà nội – 2/2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

Khoa Hóa và Môi trường – Bộ môn Hóa cơ sở

BÀI GIẢNG HÓA NƯỚC

Giảng viên: Trần Khánh Hòa Email: hoatk@wru.vn

ĐT: 0982114607

MỘT SỐ LOẠI NỒNG ĐỘ HAY

DÙNG TRONG HÓA MÔI TRƯỜNG

4

Nồng độ theo đơn vị khối lượng/thể tích:

 mol/l (M): Số mol của chất tan có trong 1 lít dung dịch

CM= n/V

 g/l, mg/l, µg/l: Số gam (miligam, microgam) chất tan có

trong 1 lít dung dịch

 ppm diễn đạt nồng độ theo khối lượng hay thể tích của một

chất trong một hỗn hợp có chứa chất đó, tính theo phần triệu: 1

ppm = 1/1.000.000

 VD1: NaOH 0,01M = 0,4g NaOH/1L = 400mgNaOH/L =

400 000 µg/L

Một số cách biểu diễn nồng độ

Nồng độ đương lượng: Эg/l (N, CN), mЭg/l

g/l = Эg/l × Đ mg/l = mЭg/l × Đ

 Đ: Đương lượng gam, Đ = M/n

 n: Số nhóm H+, OH–trao đổi (axit, bazơ)

 n: Tổng điện tích dương của ion kim loại trao đổi (muối)

 n: Số e trao đổi (phản ứng oxi hóa khử)

[Nồng độ chất chưa biết] = [Nồng độ dung dịch chuẩn, N] *

Thể tích của dung dịch chuẩn, mL /Thể tích mẫu, mL

1 Định luật tác dụng khối lượng

8

Chương I

ĐẠI CƯƠNG VỀ NƯỚC TỰ NHIÊN

1 Sự phân bố của nước tự nhiên

Theo đặc điểm phân bố

• Nước trong khí quyển

• Nước rơi khí quyển

• Nước lục địa

• Nước biển, nước đại dương

Theo độ khoáng hóa

• Nước nhạt: M > 0,1 – 1g/l

• Nước lợ: M > 1 – 3g/l

2 Phân loại nước tự nhiên

Sự phân bố, phân loại và vòng tuần

hoàn của nước trong tự nhiên

12

3 Vòng tuần hoàn của nước tự nhiên

3 Vòng tuần hoàn của nước tự nhiên

13

Là sự tồn tại, vận động của nước trên mặt đất, trong

lòng đất và trong bầu khí quyển của Trái Đất

Vòng tuần hoàn của nước tự nhiên không có điểmbắt đầu và kết thúc

Nước Trái Đất luôn vận động và chuyển từ trạng

thái này sang trạng thái khác, từ thể lỏng sang thể

hơi rồi thể rắn và ngược lại

Thành phần hóa học của

nước tự nhiên

Nguồn gốc các anion

Các khí trong nước

O2, CO2,

H2O và các khí khác

Quang hóa Quang hợp Oxi hóa

Các anion trong nước

Phong hóa

• Phong hóa vật lý

• Phong hóa hóa học

• Phong hóa sinh học

Các loại phong hóa

Phong hóa vật lý

• Phá vỡ các đá gốc thành những mảnh vụn mà không làm

thay đổi thành phần hóa học của đá và khoáng chất

• Băng, nước, nước khe nứt làm nở ra, mở rộng các khe nứt

trong đá khiến đá vỡ ra thành các mảnh vụn

• Làm tăng diện tiếp xúc bề mặt của đá làm tăng tốc độ

phong hóa hóa học dưới sự tác động của các yếu tố hóa

học diễn ra nhanh hơn

4 Quá trình hình thành thành phần hóa học

của nước tự nhiên

Phong hóa hóa học

• Là quá trình phá vỡ đá và khoáng chất dưới tác động của

Phong hóa sinh học

• Sự biến đổi đá và khoáng chất dưới tác dụng của sinh vật

như: vi khuẩn, nấm, rễ cây,…

• VD: Sinh vật tiết các axit hữu cơ, vô cô, CO2 → phá vỡ và

phân giải đá và khoáng chất

5 Thành phần hóa học của nước tự nhiên

Thành phần vi lượng

• Là những thành phần có hàm lượng nhỏ hơn 1 mg/L

• Tồn tại cả dạng hòa tan và lơ lửng

• Các thành phần vô cơ vi lượng: Hg, As, Cd, Cu, Pb, Zn, F–,

Br–, I–, CN–, S2–…

• Các thành phần hữu cơ vi lượng: Phenola, thuốc BVTV, chất

tẩy rửa, dầu mỡ…

Các khí hòa tan trong nước

• Các khí trong khí quyển đều có thể hòa tan trong nước

• Các chất khí đa lượng: O2, CO2, N2

• Sự có mặt của các khí hòa tan (đặc biệt O2, CO2 ảnh hưởng

đến các đặc tính hóa, sinh của nước

Thành phần dinh dưỡng của nước

• Là các hợp chất vô cơ hòa tan của N, P, Si

• NH4+, NO3–, NO2–, H2PO4–, HPO42–…

5 Thành phần hóa học của nước tự nhiên

Các chất hữu cơ trong nước

• Chất hữu cơ trong nước là các tang tích hữu cơ đang phân

hủy, tồn tại trong nước ở dạng hòa tan và lơ lửng, không bao

• Thông số biểu thị trực tiếp: TOC, DOC, nitơ hữu cơ,

photopho hữu cơ,…

• Thông số biểu thị gián tiếp: DO, COD, BOD, hàm lượng các

ion nitơ vô cơ,…

5 Thành phần hóa học của nước tự nhiên

24

Đặc điểm chính của các loại

nước tự nhiên

6 Nước rơi khí quyển

TDS (Tổng hàm lượng chất rắn hòa tan) nhỏ: vài chục mg/L (0

mg/L – 40 mg/L)

Thành phần hóa học phụ thuộc vào:

 Vị trí địa lý: gần biển Na+ và Cl– chiếm ưu thế, xa biển

Mg2+, Ca2+, SO42–chiếm ưu thế

 Hoạt động nhân sinh: cung cấp CO2, NOx, SOx… vào khí

quyển gây mưa axit

25

7 Nước lục địa – nước sông

Độ khoáng hóa nhỏ, là loại nước nhạt

Kiểu hóa học của nước sông

 Ion chiếm ưu thế: Ca2+, HCO3 , hiếm gặp SO42–, Cl–, Na+

chiếm ưu thế

 pH trung tính đến kiềm yếu

 Hàm lượng các kim loại vi lượng nhỏ

Độ khoáng hóa biến đổi rộng

Kiểu hóa học của nước hồ:

 Ion HCO3–và Ca2+chiếm ưu thế

Các đầm, hồ dễ bị ô nhiễm hữu cơ

Thành phần hóa học: biến đổi theo độ sâu của hồ

8 Nước lục địa – nước hồ

 Hàm lượng các kim loại vi lượng cao

 Ít bị ô nhiễm hữu cơ

9 Nước lục địa – nước ngầm

28

Độ khoáng hóa cao và biến đổi trong phạm vi hẹp ( ~ 35‰), gấp

khoảng 70 nước song

Thành phần hóa học của nước biển:

 Cl–> SO42–> HCO3–

 Na+> Mg2+> Ca2+> K+

 pH = 7,8 – 8,3

 Trạng thái dinh dưỡng ở mức trung bình

10 Nước biển, đại dương

29

Các tính chất vật lý

của nước

11 Tính chất vật lý cơ bản của nước

Nước có nhiệt độ sôi cao.Tại sao ?

Nhiệt bay hơi của nước lớn?Có vai trò gì ?

Nước là phân tử phân cực

Các chất khí đều có thể hòa tan vào nước.Nhiệt độ ảnh hưởng

thể nào đến sự hòa tan của các khí trong nước ?

Nước là chất điện ly yếu, khối lượng riêng của nước thay đổi theo

nhiệt độ:

 Từ 0° – 4°C: Nhiệt độ ↑, khối lượng riêng ↑

 Nhiệt độ > 4°C: Nhiệt độ ↑, kl riêng ↓

31

Nhiệt độ ảnh hưởng đến các quá trình hóa, lý, sinh học xảy ra

trong nước.Tại sao ?

Sự trao đổi nhiệt giữa nước tự nhiên với không khí gây hiện

tượng đối lưu, tăng cường trao đổi các thành phần hóa học giữa

tầng đáy và mặt

Nhiệt độ được đo bằng nhiệt kế, xác định ngay tại nơi lấy mẫu

12 Nhiệt độ của nước

32

Màu sắc gây nên bởi các tạp chất trong nước:

 Các chất hữu cơ ở dạng hòa tan, dạng keo và lơ lửng trong

nước (axit humic…)

 Một số kim loại ở dạng hòa tan hoặc dạng keo trong nước

(Fe, Mn,…)

 Các loại tảo (tảo lam, hồng)… làm cho nước mang màu đặc

trưng của loài tảo đó

Phương pháp xác định độ màu (màu thực):

 Dung dịch chuẩn K2PtCl6(1mg K2PtCl6 ̴ 1TCU)

 Độ màu được so sánh với dung dịch chuẩn bằng phương

pháp trắc quang

13 Độ màu của nước

33

Màu thực

Là màu của nước trong (nước đã

được lọc): do chất vô cơ, hữu cơ

hòa tan và dạng keo gây nên

Xử lý phức tạp: kết hợp quá trình

lý, hóa học: oxi hóa, hấp phụ

bằng than hoạt tính,…

Màu biểu kiến

Là màu ban đầu của mẫu nước (chưa lọc), gồm màu thực và các thành phần gây độ đục

Xử lý độ màu: keo tụ, lọc cát,…

Màu sắc mang tính chất cảm quan và tác động tâm lý cho người

sử dụng

Độ đục là sự giảm độ trong của nước do các chất rắn lơ lửng có

Tổng hàm lượng các chất rắn(TS): là khối lượng chất rắn còn

lại sau khi làm bay hơi 1 lít nước rồi sấy khô ở 105°C đến kl

không đổi, mg/L

Tổng hàm lượng chất rắn hòa tan (TDS): là tổng khối lượng

các chất hòa tan trong 1 lít nước, mg/L

Tổng hàm lượng chất rắn lơ lửng(TSS): là khối lượng của chất

rắn còn lại trên giấy lọc khi lọc 1 lít nước mẫu trên phễu rồi sấy

khô ở 105°, mg/l

Mối quan hệ giữa TS, TDS và TSS ?

15 Một số thông số khác

36

Quá trình hình thành các thành phần hóa học của nước tự nhiên

Thành phần hóa học của nước tự nhiên

Đặc điểm chính của một số loại nước tự nhiên

Những tính chất vật lý cơ bản của nước

Nguyên nhân gây độ đục, độ màu của nước tự nhiên

KIẾN THỨC TRỌNG TÂM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

KHOA HÓA VÀ MÔI TRƯỜNG

BỘ MÔN HÓA CƠ SỞ

Bài giảng

HÓA NƯỚC

Hà nội – 2/2020

2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

Khoa Hóa và Môi trường – Bộ môn Hóa cơ sở

BÀI GIẢNG HÓA NƯỚC

Giảng viên: Trần Khánh Hòa Email: hoatk@wru.vn

ĐT: 0982114607

1 Sự hình thành pH của nước tự nhiên

- Sự tương tác và trao đổi của nước với không khí, …

 Các quá trình sinh học trong nước

5

6

Ảnh hưởng của pH đối với cation

• Nước có pH càng thấp càng có khả năng chứa hàm lượng

cao các cation kim loại Giải thích?

• CaCO3+ CO2+ H2O → Ca(HCO3)2

• Nước có pH trung tính và kiềm, các kim loại chỉ có thể tồn

tại ở dạng hòa tan với hàm lượng rất nhỏ (trừ kim loại kiềm,

kiềm thổ) Giải thích?

• Mg2++ CO32-→ MgCO3

2 Ý nghĩa của sự nghiên cứu pH

Ảnh hưởng của pH đối với anion

• pH thấp: hàm lượng anion của axit yếu nhỏ Giải thích?

2 Ý nghĩa của sự nghiên cứu pH

Ảnh hưởng của pH đối với thủy sinh vật

• Với hệ sinh thái nước: pH là yếu tố sinh học giới hạn

• Mỗi loài thủy sinh vật tồn tại và phát triển bình thường trong

Dự đoán được hàm lượng, dạng tồn tại của nhiều thành

phần hóa học hòa tan trong nước

Giải thích được sự kết tủa hoặc hòa tan, chuyển trạng

thái tồn tại của nhiều nguyên tố trong tự nhiên

Xác định nước có phù hợp với đa dạng sinh học hay

không

Lựa chọn phương pháp xử lý nước

2 Ý nghĩa của sự nghiên cứu pH

10

Hệ cacbonat trong nước

tự nhiên

3 pH của nước mưa

CO2(hòa tan) + H2O → H2CO3

Theo định luật Henry:

2 2

10

10 6 , 35 5 5 , 6 1

Mưa axit là hiện tượng nước mưa có pH ≤ 5,6

Nguyên nhân: Sự hòa tan vào nước mưa của các khí mang tính

axit (CO2, SOx, NOx) trong khí quyển

 Hiện tượng thiên nhiên: núi lửa, cháy rừng

 Hoạt động công nghiệp: Đốt nhiên liệu khoáng thải ra

lượng lớn CO2, SO2, NOx…

 Hoạt động nhân sinh: đốt than, củi,…

Tác hại của mưa axit

• Phá hủy và làm giảm tuổi thọ các công trình kiến trúc, thiết bị

máy móc …

• Làm tổn hại và suy thoái hệ sinh thái trên cạn và cả hệ sinh

thái dưới nước

Sự phân bố các dạng tồn tại của cacbonat theo pH

pH > 8,3, có thể coi không tồn tại H2CO3và bắt đầu

xuất hiện CO32–

6 Hệ thống tự ổn định pH của nước

CO2khí quyển hoặc không khí đất

CO2 hòa tan + H2O ↔ H2CO3↔ H++ HCO3-↔ H++ CO3

7 Nguồn gốc các ion HCO3–, CO32–

Khí CO2hòa tan vào trong nước:

CO2+ H2O ↔ HCO3 + H+

Sự phong hóa khoáng cacbonat bởi CO2

CO2+ H2O + CaCO3→ Ca2++ 2HCO3–

Sự phân hủy, khoáng hóa các hợp chất hữu cơ:

COHNS + O2+ VK hiếu khí → CO2+ NH3+ SP khác + năng lượng

Sự oxi hóa CH4từ manti

CH4+ 2O2→ HCO3–+ H++ H2O

HCO3–là dạng tồn tại thường chiếm hàm lượng lớn nhất trong hệ

cacbonat của nước tự nhiên

19

8 Khái niệm độ kiềm

Độ kiềm (alk): là khả năng trung hòa ion H+của nước

Độ kiềm là tổng hàm lượng OH– và các anion của axit yếu như

Nước lục địa

 Alk = [HCO3-]+ [CO32-] + [OH-] (mЭg/l)

 pH = 4 – 9: Alk = [HCO3-]+ [CO32-]

Nước đại dương:

Alk = [HCO3-] + [CO32-] + [H2BO3-] + [HBO32-] ≈ 2 – 2,5

mЭg/l

Đơn vị: mЭg/l hoặc mgCaCO3/l

Ví dụ: Tính độ kiềm của mẫu nước chỉ có các anion: [HCO3–] =

11 Phương pháp xác định các tp tạo độ kiềm

Chuẩn độ phân đoạn với dung dịch axit mạnh (HCl), sử dụng chỉ

12 Khái niệm độ axit

Độ axit là khả năng trung hòa ion OH–của nước

Thành phần:

 Các axit yếu: H2CO3, H2S, RCOOH…

 Axit mạnh: HCl, H2SO4,…, là thành phần chính của độ

axit vô cơ

 Cation kim loại bị thủy phân: Fe3+, Al3+,…

[Độ axit] = [H2CO3]+[H2SO4] + [H2S] + [Al3+]

+ [Fe3+] + ∑[Ax hữu cơ] + [H+] + …

27

Nguồn gốc:

 Các khí hoàn tan vào nước: CO2, NO2, SO2…

 Sự hòa tan các khoáng chất tạo ion kim loại

Nước lục địa

 Độ axit nhỏ, vài mЭg/l

 Nước tiếp nhận nguồn thải công nghiệp có độ axit lớn

Nước đại dương: Độ axit = 0

Đơn vị: mЭg/l hoặc mgCaCO3/l

12 Khái niệm độ axit

[Độ axit] = (NNaOH*VNaOH*1000)/Vmẫu (mЭg/l)

[Độ axit] = (NNaOH*VNaOH*1000*50)/Vmẫu (mgCaCO3/l)

30

CO2 tự do và CO2

ăn mòn

15 Sự hòa tan CO2 vào nước ngầm

Hàm lượng CO2: trong nước ngầm lớn hơn nhiều trong khí quyển

CO2 trong không khí đất hòa tan vào nước ngầm và hòa tan các

khoáng vật → nước ngầm giàu HCO3–

CO2+ H2O + CaCO3→ Ca2++ HCO3

CO2+ H2O + FeS → Fe2++ HCO3–+ HS–

3CO2+ Mn(OH)3+ 3H2O → Mn2++ 3HCO3–+ 3H2O

16 Một số loại CO2

CO2(k) + H2O ↔ H2CO3↔ HCO3 ↔ CO32–

CO2tự do:là tổng lượng khí CO2hòa tan trong nước đã chuyển

hóa thành H2CO3và lượng khí CO2còn chưa tan trong nước

17 Phương pháp xác định CO2 tự do

Chuẩn độ bằng dung dịch NaOH, chỉ thị phenolphthalein (PP)

Dung dịch chuyển từ không màu sang màu hồng

CO2+ NaOH → NaHCO3NaOH + H2CO3→ NaHCO3+ H2O

Phản ứng trên làm tăng nồng độ HCO3–→ Tăng độ kiềm

Xác định độ kiềm độ kiềm của mẫu nước trước và sau khi thêm

CaCO3(sau 5 ngày)

[CO2]ăn mòn= (V2– V1)*NHCl*1000*22/Vmẫu (mg/l)

 V1: Thể tích HCl khi chuẩn độ mới mẫu nước ban đầu

(chưa cho CaCO3

 V : Thể tích HCl khi thêm CaCO

Ý nghĩa của việc xác định pH của nước tự nhiên

Độ kiềm và phương pháp xác định độ kiềm của nước

Độ axit và phương pháp xác định độ axit của nước

Một số loại CO2của nước tự nhiên

Phương pháp xác định CO2tự do và CO2xâm thực của nước

KIẾN THỨC TRỌNG TÂM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

KHOA HÓA VÀ MÔI TRƯỜNG

BỘ MÔN HÓA CƠ SỞ

Bài giảng

HÓA NƯỚC

Hà nội – 2/2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

Khoa Hóa và Môi trường – Bộ môn Hóa cơ sở

BÀI GIẢNG HÓA NƯỚC

Giảng viên: Trần Khánh Hòa Email: hoatk@wru.vn

ĐT: 0982114607

Các kim loại kiềm thổ

hòa tan trong nước

1 Nguồn gốc cation kim loại kiềm thổ

Kim loại kiềm thổ: Be, Mg, Ca, Ba, Sr,…

Ca2+và Mg2+ có hàm lượng lớn, các ion Ba2+, Sr2+, Be2+ có hàm

lượng nhỏ

Nguồn gốc ion Ca2+, Mg2+: sự phong hóa hóa học các loại đá và

khoáng vật bởi nước mưa và nước ngầm:

CaCO3+ H2CO3→ Ca(HCO3)2→ Ca2++ 2HCO3–

[Ca,Mg](CO3)2+ 2H2CO3→ Ca2++ Mg2++ 2HCO3–

5

Hàm lượng Ca2+, Mg2+ lớn nhất trong các cation của nước mặt

và Ca2+cao hơn Mg2+

 Khoáng của Ca và Mg phổ biến

 pH rất cao, chúng mới tạo thành các khoáng cabonat,

2 Khái niệm độ cứng

Độ cứng = ∑[kl kiềm thổ] ≈ [Ca2+] +[Mg2+]

Đơn vị: mЭg/l hoặc mgCaCO3/l

Ví dụ: Tính độ cứng của mẫu nước có [Mg2+] = 24 mg/L; Ca2+=

 Độ cứng cacbonat: là tổng hàm lượng của kim loại kiềm thổ

tồn tại dưới dạng muối cacbonat và bicacbonat

CaCO3, Ca(HCO3)2; MgCO3; Mg(HCO3)2

 Độ cứng phicacbonat: là tổng hàm lượng của các kim loại

kiềm thổ tồn tại ở các dạng muối khác trừ muối cacbonnat

và phicacbonat

CaCl2, MgCl2, CaSO4, MgSO4

3 Phân loại độ cứng

8

Theo độ bền nhiệt:

 Độ cứng tạm thời: là phần độ cứng được giảm khi đung

HCO3 kém bền với nhiệt → Bị nhiệt phân khi đun nóng tạo

CO32–→ tạo muối cacbonat → Độ cứng giảm

2HCO3–→ CO32–+ CO2↑+ H2O

M2++ CO32– → MCO3↓

 Độ cứng vĩnh cửu: là phần đội cứng còn lại sau khi đã đun

sôi nước để loại trừ độ cứng tạm thời

Độ cứng cacbonat ≈ Đội cứng tạm thời

 Nước có cả độ cứng cacbonat và phi cacbonat

 Độ cứng tạm thời = Độ kiềm cacbonat

 Độ cứng vĩnh cửu = Tổng độ cứng – Độ cứng tạm thời =

Tổng độ cứng – Độ kiềm cacbonat

Chuẩn độ bằng dung dịch EDTA ở pH = 10 với chỉ thị Eriocrom

T đen (dung dịch chuyển từ đỏ rượu sang xanh lam)

Độ cứng(mgCaCO3/l) = V1, EDTA*NEDTA*1000*50/Vmẫu

 Hàm lượng Ca2+được xác định bằng dung dịch EDTA ở pH =

12 với chỉ thị murexit (dung dịch chuyển từ hồng sang tím)

[Ca2+]= V2, EDTA*NEDTA*1000*20/Vmẫu

[Mg2+]= (V1, EDTA– V2, EDTA)*NEDTA*1000*12/Vmẫu

12

 Sự phong hóa, hòa tan đá và khoáng chất

 Sự hoàn tan của muối mỏ, sự xâm mặn của nước biển

 Hoạt động nhân sinh (khai thác và sử dụng muối)

2 Ý nghĩa và phương pháp xác định

Na+ và K+ là những nguyên tố cần thiết cho con người và nhiều

loài động vật

Na+ và K+ dễ đào thải qua ngoài cơ thể qua các cơ quan bài tiết:

niệu, mồ hôi, đường ruột

Na+ và K+ cho phép xác định kiểu hóa học của nước nhằm tìm

hiểu nguồn gốc, xu hướng biến đổi chất lượng nước,…

1 Nguồn gốc ion Cl–

Nguồn gốc:

 HCl từ manti

 Sự phong hóa, hoàn tan các khoáng vật có chứa clo

 Từ nước biển và muối mỏ hòa tan

 Hoạt động nhân sinh: khai thác và sử dụng muối,…

 Hoạt động công nghiệp: Cl2 được thải ra môi trường ở

dạng khí thải (chứa HCl, Cl2, …) và nước thải (chứa Cl–;

OCl–,

17

Ảnh hưởng của Cl–:

 Clorua không gây hại cho sức khỏe

 Gây vị mặn cho nước

 Nồng độ clorua cao có khả năng ăn mòn kim loại, gây hại

cho cây trồng

2 Hàm lượng ion Cl–