Nghiên cứu làm giảm độ cứng của nước sinh hoạt thái nguyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn1... Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn11.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn1

L Ờ I C Ả M Ơ N

E m x i n b à y t ỏ l ò n g biết ơn của em tới các thầy c ô giảng dạy t ạ i b ộ m ô n Hoa học c ù n g c á c thầy c ô giáo c ô n g tác trong Khoa, vì những k i ế n thức q u ý báu m à c á c thầy c ô đ ã truyền đạt cho em trong những n ă m qua

V ớ i l ò n g biết ơ n sâu sắc nhất, em x i n cảm ơn thầy g i á o M a Chương

L i ê m đ ã giao đ ề tài, tận tình hướng dẫn và tạo đ i ề u k i ệ n cho em hoàn thành luận văn n à y

C u ố i c ù n g tôi x i n trân t h à n h cảm ơn c á c bạn l ớ p cử n h â n Hoa K 2 đã giúp đ ỡ tôi trong suốt q u á trình học tập t ạ i Khoa và trong q u á trình tôi h o à n thành bản l u ậ n văn

Thái N g u y ê n , n g à y 20/05/2008 Sinh viên: L ê T h ị H ư ơ n g

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn3

T Ó M T Ắ T K Ế T Q U Ả N G H I Ê N c ứ u Đ Ể T À I

LUẬN VÃN TỐT NGHIỆP

Trong khoa l u ậ n n à y chứng tôi đ ã n g h i ê n cứu x á c định đ ộ c ú n g của nước và h à m lượng sắt trong nước sinh hoạt T h á i N g u y ê n bằng p h ư ơ n g p h á p chuẩn đ ộ t h ể tích, p h ư ơ n g p h á p trắc quang T ừ đ ố á p dụng c á c b i ệ n p h á p nhằm g i ả m đ ộ c ú n g , h à m lượng sắt của nước và thu được m ộ t số k ế t quả sau:

1 X â y dựng đường chuẩn và k i ể m tra đ ộ chính x á c của đường chuẩn

x á c định sắt ( h ì n h 12)

2 X á c định đ ộ cứng bằng chuẩn đ ộ E D T A (bằng 10)

3 X á c định h à m lượng sắt bằng p h ư ơ n g p h á p so m à u v ớ i thuốc t h ử o.phenantrolin (bảng l i )

4 K ế t q u ả g i ả m đ ộ c ú n g nước sinh hoạt T h á i N g u y ê n

M Ở Đ Ầ U

Nước là tài n g u y ê n đặc biệt quan trọng, quyết định sự t ổ n t ạ i v à phát triển của sự sống trên trái đất Nước là m ộ t nhu cẩu thiết y ế u cho m ọ i sinh vật,

k h ô n g cố nước cuộc sống trên trái đất k h ô n g t h ể t ồ n t ạ i H ằ n g n g à y c ơ t h ể

n g ư ờ i cần từ 3 - 10 lít nước cho các hoạt động b ì n h thường

Nước ta n ằ m trong v ù n g k h í hậu nhiệt đ ớ i g i ó m ù a Tai n g u y ê n nước mặt, nước n g ầ m rất phong phú, n h ư n g nước dừng cho sản xuất và đặc biệt nước sạch cho sinh hoạt của con n g ư ờ i c ò n rất hạn chế D o sự p h á t triển c ô n g nghiệp, đ ô thị v à b ù n g n ổ d â n số đ ã l à m cho nguồn nước tự nhiên bị hao k i ệ t

và ô n h i ễ m n g u ồ n nước mặt, nước n g ầ m đ ã xuất h i ệ n ở n h i ề u nơi và n g à y

c à n g trở n ê n t r ầ m trọng, k é o theo lượng nước sạch n g à y c à n g thu hẹp

T h á i N g u y ê n là tỉnh c ó địa hình nhiều n ú i , đặc biệt núi đá vôi Trong

k h i đ ó nước sinh hoạt Thái N g u y ê n được l ấ y chủ y ế u từ s ô n g , suối, h ồ , nước

n g ầ m trên địa b à n tỉnh V ì vậy việc nguồn nước sinh hoạt bị cứng là đ i ề u rất

d ễ x ả y ra K h i đ ộ cứng của nước vượt q u á g i ớ i hạn cho p h é p sẽ g â y bất l ợ i trong sản xuất v à ảnh hưởng x ấ u đ ế n sức khỏe con n g ư ờ i Đ ể đ á n h giá thực trạng nước d ù n g sinh hoạt thì việc x á c định đ ộ cứng trong nước và l à m g i ả m

đ ộ cứng là hết sức cần thiết C h í n h vì vậy tôi đ ã chọn đ ề tài "Nghiên cứu làm giảm độ cứng của nước sinh hoạt Thái Nguyên" v ớ i mục tiêu g ó p phần đ á n h

giá thực trạng và c ả i t h i ệ n nước sinh hoạt của T h á i N g u y ê n Đ ể thực h i ệ n mục tiêu đ ó c h ú n g tôi t i ế n h à n h 2 n ộ i dung sau:

- X á c định đ ộ cứng, h à m lượng sắt trong nước sinh hoạt T h á i N g u y ê n

V ì đ ề tài gắn v ớ i thực t ế sản xuất, c h ú n g tôi gặp rất nhiều k h ố k h ă n

M ặ c dừ đ ã h ế t sức c ố gắng, n h ư n g trong thời gian ngắn, trình đ ộ h i ể u biết cố hạn, vì v ậ y l u ậ n v ă n k h ô n g thể tránh k h ỏ i k h i ế m khuyết và sai sốt, mong nhận được những ý k i ế n đ ố n g g ó p của c ác thầy, c á c c ô v à đ ổ n g nghiệp

P H Ầ N l ĩ T Ổ N G Q U A N

C H Ư Ơ N G Ì

N Ư Ớ C V À T À I N G U Y Ê N N Ư Ớ C

1.1 V à i n é t v ề n ư ớ c

Nước là m ộ t hợp chất hoa học của o x i v à hiđro, c ó c ô n g thức hoa học là

H 2 0 V ớ i c á c tính chất lý hoa đặc b i ệ t (tính lưỡng cực, liên k ế t h i đ r o , tính chất bất thường của k h ố i lượng riêng ) Phân tử nước bao g ồ m hai n g u y ê n tử hiđro v à m ộ t n g u y ê n tử o x i v ề m ặ t hình học p h â n tử nước c ó g ó c liên k ế t là 104,50, c h i ề u d à i l i ê n k ế t o - H là 0 , 9 6 Ă [ 1 ]

I

Hình 1: Mô hình phân tử nước [13]

D o cấu tạo k h ô n g đ ố i xứng, H20 là p h â n t ủ c ó cực, đ ộ dài lưỡng cực là 0,39Ả và cực tính lớn bằng 1,84D D o đ ó p h â n tử nước c ó k h ả n ă n g h ì n h thành l i ê n k ế t h i đ r ô v ớ i c á c p h â n t ử nước k h á c , c á c chất k h á c [ 8 ]

Hình 2: Liên kết tứđro trong phân tử nước [13]

Ì

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn9

tử H20 ở 4 đỉnh của tứ d i ệ n nhờ liên k ế t hiđro K h o ả n g c á c h giữa c á c p h â n tử nước x ấ p xỉ 2,8Ả D o v ậ y nước đ á c ó k h ố i lượng riêng n h ỏ h ơ n nước lỏng

K h ỉ nước đ á n ó n g chảy m ộ t phần liên k ế t hiđro giữa c á c p h â n tử nước

bị đ ú t ra, c á c p h â n tử nước xích l ạ i gần nhau h ơ n , k h ố i lượng riêng của nước tăng lên K h i t i ế p tục tăng nhiệt đ ộ thì m ộ t m ặ t do số liên k ế t h i đ r o đứt t i ế p tục t ă n g l à m k h ố i lượng riêng của nước tăng N h ư n g m ặ t k h á c do chuyển động nhiệt t ă n g l à m k h ố i lượng riêng g i ả m dần D o quan h ệ tương h ỗ giữa hai sự

b i ế n đ ổ i n à y l à m cho nước c ó k h ố i lượng riêng đ ạ t cực đ ạ i ở 4 ° c [ 1 ]

Hình 3: Mô tả sự dời xa của các phán tử nước để tạo liên kết tinh thể

lục giác mở khi đông lạnh Ở4°c [14]

1.2.2 Đ ộ d ẫ n n h i ệ t

N h i ệ t dung của nước (lcal/g) l ớ n gấp 3300 l ầ n nhiệt dung của khổng khí Tính chất đặc biệt n à y của nước, đ ã tạo ra k h ả n ă n g cực k ì quan trọng của nước đ ố i v ớ i m ô i trường xung quanh là đ i ề u hoa k h í hậu trên trái đất [ 1 ]

đ ó n g m ộ t vai t r ò đặc biệt quan trọng trong đ ờ i sống con n g ư ờ i N ó c ó liên quan đ ế n h i ệ n tượng mao dẫn, sự chuyển đ ộ n g của nhựa sống theo rẽ và thân

c â y , sự v ậ n đ ộ n g của m á u trong c ơ t h ể n g ư ờ i [ 5 ]

1.3 T í n h c h ấ t hoa học của n ư ớ c

V ề m ặ t hoa học , nước là hợp chất rấ t c ó k h ả n ă n g phả n ứng N ó k ế t hợp với nhiều n g u y ê n t ố , ôxit của c á c n g u y ê n tố, c á c m u ố i

N a + HzO - » N a O H + 1/2 H2 t

K20 + H20 - > 2 K O H

Trong p h â n tử nước, ô x i vừa c ó số ôxi hoa -2 v à h i đ r o c ó ôxi hoa + 1 cho n ê n nước vừa c ó tính ôxi hoa vừa có tính k h ử N h ữ n g chất ô x i hoa manh

và những chất k h ử m ạ n h k h ô n g thể t ồ n t ạ i trong nước m à p h â n huy nước g i ả i

p h ó n g ô x i v à h i đ r o N h ữ n g chất ôxi hoa trung b ì n h v à chất k h ử trung bình cho phản ứng thuận nghịch v ớ i nước ở nhiệt đ ộ cao

Trong c á c chất ôxi hoa, chỉ Flo cho phản ứng h o à n t o à n v ớ i nước ỏ nhiệt đ ộ thường c ò n c á c halogen k h á c cho phản ứng thuận nghịch

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn11

Trong c á c chất k h ử n h ư p, c , s và Bo cho phản ứng mạnh v ớ i nước ở nhiệt đ ộ cao, k i m l o ạ i k i ề m , k i ề m t h ổ ở nhiệt đ ộ thường hoặc nhiệt đ ộ thấp

B ộ t M g và b ộ t A I đ a n g c h á y sẽ t i ế p tục c h á y trong hơi nước ở 1 0 0 ° c Những

k i m l o ạ i n h ư Fe, Z n , N i , Co, M n , Cr cho phản ứng thuận nghịch v à o khoảng

đ ô thị l ớ n , sự ô n h i ễ m nguồn nước sinh hoạt n g à y c à n g n g h i ê m trọng Đ â y là vấn đ ề h ế t sức quan trọng và bức b á c h đ a n g đ e dọa cuộc sống của con n g ư ờ i cũng n h ư c á c sinh vật

V i ệ t N a m c ó tài n g u y ê n nước d ồ i d à o so v ớ i c á c nước trên t h ế g i ớ i , lượng nước trung b ì n h khoảng từ 1800 - 2 0 0 0 m m / n ă m Tổng lượng nước trên toàn lãnh t h ổ khoảng 6 4 0 k m3/ n ă m , tạo ra m ộ t d ò n g chảy của c á c con sôn g , h ồ khoảng 3 1 3 k m3 M ặ c d ù vậy, do nước ta có m ậ t đ ộ d â n số cao n ê n bình q u â n lượng nước trên đ ầ u n g ư ờ i thấp hom trên t h ế g i ớ i và đứng trước nguy c ơ tụt xuống thấp h ơ n Sự p h â n b ố lượng nước k h ô n g đ ề u và dao đ ộ n g phức tạp theo thời gian là n g u y ê n n h â n g â y n ê n l ũ lụt và hạn h á n , g â y n h i ề u thiệt h ạ i đ ế n

m ù a m à n g , tài sản v à ản h hư ở n g đ ế n n ề n k i n h t ế qu ố c gia N g o à i ra c ò n g â y

n h i ề u tr ở n g ạ i cho việ c trị thúy , khai t h á c d ò n g Sự phá t t r i ể n c ô n g nghiệ p v à

n ô n g nghiệp, sự gia t ă n g d â n số đ ã k é o theo nhu cầu sử dụng nước tăng lên Trong k h ỉ đ ố chất lượng nước n g à y c à n g g i ả m , mức đ ộ ổ n h i ê m n g à y c à n g tăng, do việc sử d ụ n g thuốc trừ sâu trong n ô n g nghiệp, lượng nước thải ra m ô i trường của c á c n h à m á y l u y ệ n k i m , nhiệt đ i ệ n , hoa chất, thực phẩm, c ù n g v ớ i lượng nước t h ả i do sinh hoạt đ ã trở t h à n h v ấ n đ ề cấp b á c h cần toàn n h â n

l o ạ i quan t â m [ 1 4 ]

5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn13

C H Ư Ơ N G 2

T Ì M H I Ể U V Ế N Ư Ớ C C Ú N G

2 1 Đ ộ c ứ n g c ủ a n ư ớ c t ự n h i ê n

T ổ n g h à m lượng c á c cation k i ề m t h ổ (Ca2 +, M g2 + B a2 +, Sĩ2*) v à Fe2"\

M n2 +, A l3 + hoa tan trong nước được g ọ i l à t ổ n g đ ộ cứng hoặc đ ộ cứng t ổ n g cộng của nước, t h ô n g thường được g ọ i ngắn g ọ n là đ ộ cứng của nước

T ổ n g đ ộ cứng của nước được b i ể u thị bằng tổng số m i l i đ ư ơ n g lượng

cá c cation k i ề m t h ổ hoa tan trong Hít nước (mđl/1) hoặc chuyển ra mgCaCOa/l

Bảng l ị Thang đ á n h giá đ ộ cứng của nước

Đ ộ cứng cho p h é p d ù n g cho nước uống

+ T i ê u chuẩn W H O (2005): K h ô n g hướng d ẫ n h à m lượng cho p h é p

+ T i ê u chuẩn của B ộ Y t ế V i ệ t N a m (2002): 300mgCaCO3/l

Trong đ i ề u k i ệ n c ó t h ể , n ê n d ù n g nước c ó đ ộ cứng < 300mgCaCO3/l (nước m ề m ~ h ơ i cứng) đ ể ă n uống [ 7 ]

Bảng 2: M ộ t số nước d ù n g đ ơ n vị đ ộ (° ) đ ể b i ể u thị đ ộ cứng của nước

n g ẩ m (chứa axit cacbonic v à c á c axit k h á c )

M ộ t số v í d ụ v ề c á c phản ứng phong hoa, hoa tan c á c k h o á n g vật chứa canxi, m a g i ê :

Canxit: CaCOa + C Oz + H20 — C a2 ++ 2HCO3

Đolomit: [Ca,Mg] ( C 03)2 + 2 C 02 + 2 H20 — C a2 ++ M g2 ++ 4HCO3

Canxit v à đ o l o m i t là c á c k h o á n g k h á p h ổ b i ế n trên bề mặt trái đất, l ạ i là

c á c k h o á n g t h ứ sinh k é m b ề n hoa học, d ễ bị hoa tan M ặ t k h á c k i m l o ạ i k i ề m

t h ổ (trừ Be) là c á c k i m l o ạ i thúy p h â n y ế u , k h ô n g k ế t tủa hiđroxit trong nước

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn15

t ự n h i ê n , chỉ k h i p H nước rất cao c h ú n g m ớ i c ó t h ể k ế t tủa t h à n h c á c k h o á n g cacbonat, p h ô t p h a t V ì c á c lí do trên, C a2 +, Mg2"1" thường c ó h à m lượng l ớ n nhất trong c á c cation của nước mặt

N ư ớ c trong t ự n h i ê n c ó cả nước cứng l ẫ n nước m ề m , nước m ặ t ở c á c ao

h ồ t ạ i c á c v ù n g n ú i đ á vôi đ a phần là nước cứng, t h ậ m c h í rất c ú n g Nước

n g ầ m h ầ u n h ư l à nước cứng V ì nước n g ầ m thường c ó m ộ t thời gian rất dài chảy d ư ớ i đ ấ t , t h ẩ m thấu hoặc chảy qua n h i ề u l ớ p đ ấ t đ á v à thưởng là c ó đ á vôi h i ệ n d i ệ n trong c á c lớp đ ó Nước m ề m k h i chảy qua c á c lớp đ á vôi ( C a C 03) sẽ bị t ă n g d ầ n đ ộ cứng C a C 03 k h ô n g hoa tan trong nước, n h ư n g do trong nước l u ô n l u ô n c ó m ộ t lượng C 02 hoa tan nhất định n ê n sẽ c ó phản ú n g

C a C 03 + C Oz + H20 = C a ( H C 03)2 Phản ứng theo c h i ề u thuận sẽ mạnh h ơ n k h i nồng đ ộ C Oz trong nước cao và c h i ề u nghịch sẽ m ạ n h h ơ n k h i nồng đ ộ C O j thấp, phản ứng hai chiều sẽ

c â n b ằ n g ở m ộ t n ồ n g đ ộ C Oz nhất đỉnh Trong nước l u ô n l u ô n c ó C 02 do bị

h o à tan v à o nước c ù n g v ớ i k h ô n g khí, được t h ả i ra k h i đ ộ n g thực vật t h ú y sinh

h ô hấp ( q u á t r ì n h h ấ p t h ụ o x i và thải ra C 02 v à o ban đ ê m của c â y c ỏ ) , k ể cả h ô hấp của v i k h u ẩ n trong c á c q u á trình lên men

V ì v ậ y ở những v ù n g c ó đ á vôi, đ ộ c ú n g của nước thường cao h ơ n c á c

v ù n g k h ô n g c ó hoặc c ó ít đ á v ô i

2.2.2 N g u ồ n gốc i o n k i m l o ạ i sắt t r o n g n ư ớ c

M ộ t số n g u y ê n n h â n c h í n h l à m nước bị n h i ễ m sắt: N g u ồ n gốc của ion

Fe2 +, F e3 +, trong nước t ự n h i ê n là từ sự phong hoa hoa học c á c quặng và

k h o á n g vật t r ê n b ề m ặ t trái đ ấ t b ở i nước m ư a v à nước n g ầ m (chứa axit cacbonic và c á c axit k h á c )

M ộ t số ví d ụ v ề c á c phản ứng phong hoa hoa tan c á c k h o á n g vật chứa sắt:

X i đ e r i t : F e C 03 + 2 H+ - > F e2 ++ C 02t + H20

Manhetit: F e304 + 8 H+ - > F e2 + + + 4 H20

Hematit: F e203 + 6 H+ - » 2 F e3 + + 3 H20

Trong c ơ t h ể động vật, sắt c ó trong hemoglobin, mioglobin, trong phức chất íeritin là protein c ó chức n ă n g tạo n ê n những hợp chất k h á c chứa sắt cần cho c ơ t h ể của sinh vật Gan và lá lách là b ộ phận giàu sắt trong c ơ t h ể N g o à i

ra c á c n h à khoa học c ò n tìm thấy sắt trong m ộ t số l o ạ i rau, củ, q u ả K h i c á c sinh vật chết, q u á trình p h â n huy x á c động thực vật, sắt sẽ h o à tan vào đất v à o nước

N g o à i ra, do nước thải, p h ế thải của c á c n h à m á y , c á c k h u c ô n g nghiệp

c ũ n g l à n g u y ê n n h ã n l à m tăn g h à m lượng sắt trong nước

2.3 T á c h ạ i c ủ a n ư ớ c c ứ n g

2.3.1 T r o n g s ả n x u ấ t

Nước cứng là m ộ t trong những n g u y ê n n h ã n chủ y ế u l à m c á c thiết bị

n ồ i hơi c á u cặn, g â y ăn m ò n thiết bị, ảnh hưởng h i ệ u suất l à m việc Do nước cứng chứa c á c l o n n h ư Ca2+, M g 2 + những ion n à y k h i d ù n g nhiệt đ ộ đ u n sôi sẽ l à m k ế t tủa hoặc k ế t hợp v ớ i ion â m trong nước tạo ra v á n g , c ó cặn lắng

ở đ á y n ồ i h ơ i , b ì n h n ó n g lạnh và c á c dụng cụ đ u n nấu, l à m g i ả m t u ổ i thọ của thiết b ị , g i ả m h ệ s ố cấp nhiệt , c ó k h i c ò n l à m n ổ n ồ i h ơ i , g â y lãn g ph í n h i ê n

l i ệ u và k h ô n g an t o à n

Trong y t ế nước cứng k h ô n g d ù n g đ ể pha c h ế thuốc vì c ó t h ể g â y k ế t tủa làm thay đ ổ i t h à n h phẩn của thuốc, s ử dụng nước cứng sẽ l à m hỏng quy trình sản xuất thuốc, c á c p h é p p h â n tích n g h i ê n cứu k h ô n g c h í n h x á c l à m hỏng

n à y l à m cho v ả i sợi mục n á t ra, m ặ t k h á c g â y l ã n g p h í x à p h ò n g và l à m x à

p h ò n g k h ô n g l ê n bọt D ù n g nước cứng đ ể n ấ u ă n sẽ l à m thực p h ẩ m lâu c h ú i và

g i ả m m ù i vị, l à m m ấ t vị của nước c h è

N ư ớ c đ á v ô i n ế u q u á tiêu chuẩn cho p h é p sẽ g â y h ạ i sức khỏe và rất d ễ ảnh h ư ở n g t ớ i men r ă n g Ở nhũng v ù n g c ó nước sinh hoạt bị n h i ễ m nước cứng,

b à con thưởng đ u n sôi nước đ ể lắng, gạn l ấ y nước trong N h ư v ậ y sẽ t ố n chất

đ ố t , h ạ i dụng c ụ đ u n , t ố n n h i ề u thời gian m à k h ô n g bảo đ ả m chất lượng

Đ ộ cứng vĩnh cửu của nước ít ảnh hưởng đ ế n sinh vật trừ k h i n ó q u á cao n h ư n g đ ộ cứng t ạ m thời l ạ i c ó ảnh hưởng rất l ớ n N g u y ê n n h â n là vì t h à n h phần c h í n h tạo ra đ ộ cứng t ạ m thời là C a ( H C 03)2 và M g ( H C 03)2 K h i phản ứng p h â n huy x ả y ra trong c ơ t h ể sinh vật:

C a ( H C 03)2 - > C a C 03 ị + C 02 t + HzO

M g ( H C 03)2 -> M g C 03ị + C 02T + H20

C á c m u ố i n à y k ế t tủa trong c ơ t h ể sinh v ậ t sẽ g â y h ạ i k h ô n g n h ỏ Ở con

n g ư ờ i , c h ú n g l à n g u y ê n n h â n g â y ra sỏi thận v à là m ộ t trong c á c n g u y ê n n h â n gây tắc đ ộ n g m ạ c h do đ ó n g cặn ở t h à n h trong của đ ộ n g mạch, c ó t h ể l à m tắc

c ác mao m ạ c h v à n g ă n cản q u á trình cung cấp dinh d ư ỡ n g cho c ơ t h ể

Phần l ớ n đ ộ n g thực vật t h ú y sinh v ố n sinh trưởng ở s ô n g ngòi, ao, h ồ nơi c ó n g u ồ n nước m ề m sẽ k h ô n g thích ứng được v ớ i nước cứng D o đ ó k h i bị nuôi trồng ở m ô i trường nước cứng, c h ú n g k é m p h á t t r i ể n , k h ả n ă n g chống chọi v ớ i bệnh tật k é m , k h ó sống sót Rất n h i ề u loài đ ộ n g thực vật t h ú y sinh chỉ sinh sản trong đ i ề u k i ệ n nước c ó đ ộ cứng cacbonat rất thấp V ì v ậ y l à m m ề m nước cứng trước k h i d ù n g rất cần thiết

2.4 P h â n l o ạ i đ ộ c ứ n g

Đ ộ cứng của nước được p h â n l o ạ i theo cation k i ề m t h ổ : Đ ộ cứng canxi,

đ ộ cứng m a g i ê ; p h â n l o ạ i theo anỉon: Đ ộ cứng cacbonat là tổng h à m lượng

c á c k i m l o ạ i k i ề m t h ổ t ồ n t ạ i ở dạng m u ố i cacbonat, bicacbonat và đ ộ c ú n g phi cacbonat là tổng h à m lượng c á c k i m l o ạ i k i ề m t h ổ t ồ n t ạ i ở dạng c á c m u ố i

k h á c trừ m u ố i cacbonat và bicacbonat C á c h p h â n l o ạ i theo đ ộ bền nhiệt của

c á c dạng m u ố i của k i m l o ạ i k i ề m t h ổ trong nước (thực chất cũng là p h â n l o ạ i theo c á c anoin) c ó ý nghĩa thực t i ễ n h ơ n [ 7 ]

2.4.1 Đ ộ c ứ n g t ạ m t h ờ i

L à phần đ ộ cứng được g i ả m k h i đ u n sôi nước l o n H C 0 3 - là i o n k é m

b ề n nhiệt , k h i đ u n sô i n ó d ễ d à n g bị nhiệ t p h â n , l à m t ă n g h à m lư ợ n g C 0 3 2 trong nước, g â y ra sự k ế t tủa c á c m u ố i cacbonat k i ề m t h ổ , l à m g i ả m đ ộ cứng:

-90 - 100PC 2HCO3 - > CO32- + C 02T + HzO

C a2 + + CO32 - > C a C 03ị

M g2 + + C 03 2 - > M g C 03ị

Theo định nghĩa trên, đ ộ cứng t ạ m thời là t h ô n g số phải được x á c đinh

bằng thực n g h i ệ m (đun sôi nước) Tuy nhiên, m ộ t cách gần đ ú n g , c ó thể coi đ ộ

cứng cacbonat là đ ộ cứng t ạ m thời ( g ọ i là đ ộ cứng t ạ m thời theo tính toán) [ 7 ] 2.4.2 Đ ộ c ứ n g v ĩ n h c ử u

L à đ ộ cứng c ò n l ạ i sau k h i đ u n sôi nước đ ể l o ạ i trừ đ ộ cứng t ạ m thời Tuy n h i ê n , m ộ t c á c h gần đ ú n g , cũng c ó t h ể coi đ ộ cứng phi cacbonat là đ ộ cứng vĩnh cửu ( g ọ i là đ ộ cứng vĩnh cửu theo tính t o á n ) [ 7 ]

C á c phức t ư ơ n g đ ố i bền: Phức pừophotphat C a P207 2" (lgP = 5,6), phức

E D T A b ề n nhất: C a Y2 (lgp = 10,7), M g Y2 (lgp = 8,7), trong đ ó Y4" chỉ anion của E D T A [ 4 ]

2.5.1.3 C á c m u ố i ít t a n q u a n t r ọ n g

M u ố i cacbonat: C a C 03 Tt = 4,8 l o 9, M g C Oa T í = 4.10 5 tan được trong các axit, k ể cả axit axetic do tạo t h à n h H2C 03 là axit y ế u v à d ễ bị p h â n huy thành C 02

M u ố i sunfat: C a S 04 T i = 2 , 4 l o 5; c h ú ý M g S 04 d ễ tan

M u ố i oxalat: CaC204 c ó l g K , = - 8,6; M g C 2 04 c ó l g K , = - 4,8

M u ố i cromat: C a C r 04c ó l g Ks= -1,6; M g C r 04 d ễ tan

M u ố i p h ô t p h a t : C a3( P 04)2c ó l g K , = - 26; M g3( P 04)2 c ó l g K ^ -27,2 [ l i ] 2.5.2 V à i n é t v ề sắt

N g u y ê n t ố Fe n ằ m ở ô t h ứ 26,thuộc chu k ì 4, p h â n n h ó m phụ n h ó m

V i n K h ố i lượng p h â n tử: 55,847 cấu h ì n h electron: [ A r ] 3 d64 s2 do lớp 3d c h ư a

b ã o hoa electron Fe c ó c á c trạng thái ôxi h ó a : 0, +2, +3, +6

2.5.2.1 T í n h c h ấ t a x i t - b a z ơ

F e2 + + H20 — FeOH* + H+ + H20 — PeOH2* + H+

L à những axit rất y ế u

2.5.2.2 T í n h c h ấ t t ạ o p h ứ c

C á c phức của F e2 + v ớ i clorua, suníat, thiosunfat, thỉoxỉanat ít bền C á c phức oxalat, axetat, tatrat, sunfoxalixỉlat tương đ ố i bền C á c phức rất b ề n v ớ i xianua PeíCNXị4- (lgPe = 24), v ớ i E D T A (lgp = 14,33), đ i m e t y l g l i o x i m

F e ( D i m )2 ( l g p2 = 7,25), O-phenantrolin c ó hằng số (lgpị = 5,86; l g p2 = 1 1 , 1 1 ;

lgp3= 20,14)

Các phức chất của Fé 3+ n h i ề u hom v à b ề n hơ n c á c phức chất tươn g ứng của

Fe2 + các phức tương đói bền: phức v ớ i thỉoxianat Fe(SCN)n n"3, phức vói axetat, suníoxalixilat tương đ ố i bền Các phức v ớ i ílorua FeF„ (n = Ì - 6), E D T A (lgP = 24,2), H P 04 2- (lgP = 9,4), CN- 0gp6 = 42) là các phức k h á b ề n [ 4 ]

2.6.1 M ộ t s ố p h ư ơ n g p h á p x á c đ ị n h canxi, m a g i ê

2.6.1.1 P h ư ơ n g p h á p c o m p l e x o n

N g u y ê n tắc:

T ạ i p H = 1 0 ± 0,2; ion Ca2 +, M g2 + tạo phức v ớ i chỉ thị m à u Eriocrom T

đ e n c ó m à u đ ỏ rượu E D T A tạo phức bền hom v ớ i C a2 + và M g2* n ê n c h i ế m

C a2 +, M g2 + của phức trên K h i phản ứng k ế t t h ú c , m à u dung dịch chuyển từ

m à u đ ỏ r ư ợ u sang m à u xanh lơ [12]

13

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn21

2.6.1.2 P h ư ơ n g p h á p q u a n g p h ổ h ấ p t h ụ n g u y ê n t ử

H à m lượng c á c ion Ca2*, M g2 +, Si2* trong nước được x á c định bằng

p h ư ơ n g p h á p đ o p h ổ hấp t h ụ n g u y ê n tử, k ỹ thuật n g u y ê n tử hoa bằng ngọn lửa axetilen — k h ô n g k h í H à m lượng lon Ba2"1" cũng được x á c định bằng ngọn lửa

n à y v ớ i k ỹ thuật n g u y ê n t ử hoa bằng ngọn lửa axetilen — N20 Đ â y là phương

p h á p cố đ ộ c h í n h x á c cao, và x á c định được trực t i ế p h à m lượng của từng k i m

l o ạ i k i ề m t h ổ trong nước Trường hợp nước c ó đ ộ k h o á n g hoa n h ỏ n h ư nước mưa, nước s ô n g , p h ư ơ n g p h á p n à y cho k ế t quả đ á n g t i n cậy h ơ n phương p h á p chuẩn đ ộ E D T A [ 7 ]

2.6.2.1 X á c đ ị n h Ve** v ớ i chỉ t h ị a x i t s u n í ò s a l i x y l i c

N g u y ê n tắc:

Dựa trên phản ứng tạo phức bền của F e3 + v ớ i E D T A trong m ô i trường

p H = 2 - 3 v à sự đ ổ i m à u của phức giữa F e3 + v ớ i axit suníòsalixylic [ 3 ]

F e3 + + H2Y2- - > FeY + 2 H+ Felnd + H2Y2 - > F e V + H l n d

đ ỏ tím v à n g k h ô n g m à u

N g u y ê n tắc:

- X á c đ ị n h Fe (H) bằng K M n 04

- X á c đ ị n h t ổ n g Fe ( l i ) , F e ( m )

K h ử t o à n b ộ F e3 + v ề F e2 + bằng Z n trong m ô i trường axit ( H a hoặc

H2S 04) hay SnCl2 v à lượng d ư SnCl2 được l o ạ i bằng H g C l2

2 F e3 + + S n a2 - > 2 F e2 + + Sn4* + 2CT SnCl2 + 2 H g C l2 - » H g2C l2 + S n4 + + 4C1"

T o à n b ộ lượng F e2 + được chuẩn đ ộ bằng dung dịch K M n 04 b i ế t trước nồng đ ộ Trong p h é p chuẩn đ ộ n à y , lon c r cản trở phản ứng D o đ ó đ è l o ạ i trừ ảnh h ư ở n g n à y , t h ê m v à o dung dịch m ẫ u m ộ t vài m i h ỗ n hợp bảo v ệ ( h ỗ n hợp bảo v ệ g ồ m 60g M n S 04 4 H20 + 120ml H2S 04 đặc + 120ml H3P 04 đặc pha trong Ì lít dung dịch) [ 3 ]

Lambe-Beer Đ ộ m à u của phức tỉ l ộ thuận v ớ i nồng đ ộ sắt đ ã phản ứng M à u của phức b ể n trong 6 t h á n g [12]

M g ( H C 03)2 - » M g C 03ị + C 02 t + HzO

K h i t ă n g n h i ệ t đ ộ cao hơn, M g C 03 bị p h â n huy theo phản ứng:

M g C 03 + H20 - > M g ( O H )2 ị + C 02T

N h ư v ậ y , bằng p h ư ơ n g p h á p nhiệt c ó t h ể g i ả m đ á n g k ể đ ộ cứng cacbonat N ế u k ế t hợp cả p h ư ơ n g p h á p d ù n g hoa chất v ớ i p h ư ơ n g p h á p nhiệt,

b ô n g cặn tạo ra sẽ c ó k í c h thước l ớ n và lắng nhanh do đ ộ nhớt của nước g i ả m

k h i nhiệt đ ộ t ă n g v à đ ồ n g thời g i ả m được lượng hoa chất cần sử dụng

L à m m ề m nước bằng p h ư ơ n g p h á p nhiệt thường được á p d ụ n g cho x ử lí nước cấp n ồ i h ơ i , vì ở đ â y c ó t h ể sử dụng nhiệt lượng d ư của n ồ i hơi [ 9 ]

2.7.1.2 L à m m ề m n ư ớ c b ằ n g t h a n h o ạ t t í n h

Than hoạt tính là chất hấp phụ cacbon x ố p được đ i ề u c h ế từ c á c l o ạ i

n g u y ê n l i ệ u hữu c ơ k h á c nhau như: Than đá, than n â u , vật l i ệ u bằng g ỗ , b ã của

c ô n g nghiệp thuộc d a n ó cũng được sản xuất từ v ỏ dừa, lõi hạt nhiều l o ạ i quả Than c ó đ ộ b ề n c ơ học cao Dựa v à o đặc trưng cấu t rú c , tính chất vật lí,

h o á học của than m à c ó t h ể chia t h à n h 4 n h ó m v ề m ặ t ứng dụng: than tẩy

m à u , than hấp phụ k i m l o ạ i , than hấp phụ k h í và than d ù n g trong cơ học

K h ô n g t h ể cố m ộ t l o ạ i than d ù n g cho m ọ i mục đích

Than hoạt tính là m ộ t vật l i ệ u x ố p , rất n h i ề u l ỗ l ớ n nhỏ D ư ớ i k í n h h i ể n

v i đ i ệ n tử, than hoạt tính trông giống n h ư m ộ t t ổ k i ế n vì t h ế d i ệ n tích t i ế p x ú c

bẻ mặt của n ó rất rộng đ ể hấp phụ tạp chất Than hoạt tính c ó k h ả n ă n g hấp phụ rất l ớ n vì v ậ y được ứng dụng nhiều trong thực t ế N h ư l o ạ i c á c k i m l o ạ i và các chất r ắ n lơ lửng toong nước

2.7.2 L à m m ề m n ư ớ c b ằ n g p h ư ơ n g p h á p hoa h ọ c

Cở sở của p h ư ơ n g p h á p h o á học l à m m ề m nước là đ ư a c á c hoa chất c ó

k h ả n ă n g k ế t hợp v ớ i c á c ion Ca2 +, M g2 + c ó trong nước, tạo ra c á c k ế t tủa

C a C 03, M g C 03, M g ( O H )2 v à l o ạ i trừ c h ú n g ra k h ỏ i nước bằng b i ệ n p h á p lắng l ọ c C á c hoa chất được sử dụng c ó thể là C a ( O H )2, NÍÌ2CO3, N a3P 04 2.7.2.1 V ớ i n a t r i cacbonat ( N a2C 03)

F e2 + + N a2C 03 -> F e C 03 ị + 2 N a+

C a2 + + N a2C 03 - > C a C 03 ị + 2 N a+

M g2 + + N a 2 C 03 - > M g C 03ị + 2 N a+ 2.7.2.2 V ớ i t r i n a t r i p h ô t p h a t ( N a3P 04)

P h ư ơ n g p h á p n à y được á p dụng k h i cần x ử lí l à m m ề m nước thật triệt

đ ể Q u á trình l à m m ề m nước bằng N a3P 04 chỉ d i ễ n ra thuận l ợ i ở nhiệt đ ộ l ớ n

h ơ n 1 0 0 ° c H i ệ u q u ả của q u á trình c ó thể đạt đ ế n 0,04 - 0,05 mgđl/1 D o giá

17

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn25

t h à n h của N a3P 04 cao n ê n n g ư ờ i ta chỉ d ù n g v ớ i l i ề u lượng n h ỏ và thực h i ệ n

q u á trình sau k h i đ ã x ử lí sơ bộ bằng c á c phương p h á p k h á c [ 9 ]

3 F e2 + + 2 N a3P 04 F e3( P 04)2 ị + 6 N a+

3 C a2 ++ 2 N a3P 04 -»- C a3( P 04)2 ị + 6 N a+

3 M g2 ++ 2 N a3P 04 - > M g3( P 04)2 ị + 6 N a+ 2.7.3 C á c p h ư ơ n g p h á p x ử lí n ư ớ c c ó h à m l ư ợ n g sắt cao

2.7.3.1 L à m t h o á n g b ằ n g g i à n m ư a t ự n h i ê n

Nước cần k h ử sắt được l à m t h o á n g bằng giàn phun m ư a ngay trên bể mặt lọc C h i ề u cao g i à n phun thường l ấ y cao khoảng 0,7m so v ớ i b ể chứa, l ỗ phun c ó đường k í n h 5 - 7 m m [ 9 ]

2.7.3.2 K h ử s á t b ằ n g vôi

P h ư ơ n g p h á p n à y c ó thể á p dụng cả cho nước mặt và nước ngầm Nhược

đ i ể m của p h ư ơ n g p h á p là phải d ù n g đ ế n các thiết bị pha c h ế cồng kềnh N ế u cho d ư vô i sẽ d ẫ n t ớ i nước c ó p H cao [ 9 ]

N g à y nay n g ư ờ i ta d ù n g rộng rãi p h ư ơ n g p h á p trao đ ổ i ion P h ư ơ n g

p h á p n à y l ợ i d ụ n g k h ả n ă n g c ó thể trao đ ổ i lon của m ộ t số hợp chất cao p h â n

tử thiên n h i ê n v à n h â n tạo g ọ i là ionit Những hợp chất c ó k h ả n ă n g trao đ ổ i cation được g ọ i là cationit, những hợp chất c ó k h ả n ă n g trao đ ổ i anion được

g ọ i là anionit M ộ t cationit thường d ù n g đ ể l à m m ề m nước là zeolit c ó t h à n h

phần l à N a 2 A l2S i20 g x H20 , ion Na* ỏ trong mạng lưới tinh t h ể của zeolit đ ó c ó

m ộ t k h ả n ă n g d i chuyển nhất định K h i d ộ i nước cứng qua c á c hạt zeolit, m ộ t

số lon N a+ đ i v à o nước nhường c h ỗ l ạ i cho c á c ion C a2 +, M g2 + và F e2 + c ó trong nước Q u á t r ì n h trao đ ổ i catỉon đ ố x ả y ra n h ư v í d ụ sau:

Complexon là các dẫn xuất khác nhau của amin trong đố 2 hay 3

n g u y ê n tử h y đ r o gắn v ớ i m ộ t hay nhiều n g u y ê n t ử nitơ được thay t h ế bằng c á c

n h ó m metylcacboxilic Cấu trúc đ i ể n h ì n h của complexon được t h ể h i ệ n bằng

Trong m ô i trường trung tính E D T A rất ít tan trong nước M u ố n h o à tan

E D T A n g ư ờ i ta p h ả i cho t h ê m N a O H hoặc N H 4 O H v à o dung dịch, thực chất

là trung h o à E D T A đ ể chuyển c h ú n g v ề dạng m u ố i N a ^ Y , c ò n g ọ i là complexon i n Đ ể thuận t i ệ n cho n g ư ờ i p h â n tích, c á c n h à sản xuất đ ã c h ế tạo sẩn dạng m u ố i n à y , k h i pha dung dịch chuẩn chỉ cần c â n m ộ t lượng x á c đ i n h

m u ố i v à h o à tan v à o nước cất Trong p h ò n g thí n g h i ệ m dung dịch complexon

i n thường được g ọ i là dung dịch E D T A Ở đ i ề u k i ệ n thích hợp, complexon i n phản ú n g v ớ i c á c i o n k i m l o ạ i tạo thành c á c phức v ò n g c à n g rất bền chặt, ví d ụ

k i m l o ạ i hoa trị l i :

N ạ ị Y2- + M e2 + - > M e Y2 + 2 N a+

Đ ố i v ớ i c á c k i m l o ạ i chuyển tiếp, ví d ụ Co ( l i ) c ó t h ể tương tác v ớ i

E D T A tạo t h à n h 6 obitan liên k ế t c ó cấu trúc b á t d i ệ n Ở đ â y c á c n g u y ê n tử amin c ò n c ó cặp e t ự do tham gia liên k ế t p h ố i trí, n g o à i ra c á c n h ó m cacboxilỉc cũng tham gia liên k ế t v ớ i ion k i m l o ạ i cho n ê n phức cực k ỳ bển

Đ ố i v ớ i c á c l o n k i m l o ạ i k h ô n g c ó c á c obitan d hoặc f, ví d ụ Ca2 +,

M g2 + n h ó m cacboxilic c ó t h ể tham gia liên k ế t ít h ơ n Đ ộ bền của c á c m u ố i complexonat k i m l o ạ i phụ thuộc v à o c á c y ế u t ố sau:

- T ỷ l ệ thuận v ớ i đ i ệ n tích lon k i m l o ạ i và k h ố i lượng n g u y ê n tử

- T ỷ l ệ nghịch v ớ i nồng đ ộ ion H+, tuy n h i ê n n ế u p H q u á cao, sẽ x ả y ra

sự tranh chấp n h ó m cacboxyl do OH" l à m cho đ ộ b ề n cũng g i ả m , cho n ê n nói chung v ớ i m ỗ i n h ó m ion k i m l o ạ i phức bền trong m ộ t v ù n g p H nhất đinh Đ ể thực h i ệ n đ i ề u n à y , đ ố i v ớ i m ỗ i n h ó m lon k i m l o ạ i n g ư ờ i ta đ i ề u chỉnh m ô i trường p H bằng c á c dung dịch đ ệ m đ ể thực h i ệ n phản ứng tạo phức [ 3 ]

21

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn29