Nghiên cứu phản ứng của SO2 với Cr(VI) và khả năng ứng dụng phân tích SO2 trong môi trường khí

Khí quyển đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cân bằngnhiệt lượng của Trái đất thông qua quá trình hấp thụ tia tử ngoại phát xạ từ Mặttrời đến và phát nhiệt từ mặt đất lên…Cùng với nh

Trờng đại học vinh Khoa hóa học

Trờng đại học vinh

Vinh – 2010 2010

LỜI CẢM ƠN

Với tấm lòng biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn:

 Thầy giáo TS Nguyễn Hoa Du - người đã giao đề tài, hướng dẫn tậntình, chu đáo, tạo điều kiện mọi mặt để tôi thực hiện và hoàn thành đề tài

 Các thầy giáo, cô giáo khoa Hoá học - Trường Đại học Vinh đã giúp đỡđộng viên trong quá trình hoàn thành đề tài

 Chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và tất cả những người thân đã luônđộng viên khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Vinh, tháng 5 năm 2010

Sinh viên

Lê Thị Mai

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

PHẦN 1: TỔNG QUAN 2

1.1 KHÔNG KHÍ VÀ SỰ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 2

1.1.1 Cấu trúc và thành phần của khí quyển 2

1.1.1.1 Cấu trúc theo chiều thẳng đứng của khí quyển 2

1.1.1.1.1 Tầng đối lưu (Troposphere) 2

1.1.1.1.2 Tầng bình lưu (Stratosphere) 3

1.1.1.1.3 Tầng trung gian (Mesosphere) 3

1.1.1.1.4 Tầng điện ly (Thermosphere) 4

1.1.1.1.5 Tầng khuyếch tán (Exosphere) 4

1.1.1.2 Thành phần không khí trong khí quyển 4

1.1.2 Một số chất gây ô nhiễm điển hình 5

1.2 LƯU HUỲNH ĐIOXIT SO 2 8

1.3 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH LƯỢNG SO 2 10

1.3.1 Phương pháp OSHA ID-104 10

1.3.2 Phương pháp West - Gaeke (TCVN 5971- 1995 ) 11

1.3.3 Phương pháp trắc quang dùng Thorin (TCVN 5978- 1995) 11

1.3.4 Phương pháp hấp thu lên giấy tẩm (NIOSH 6004) 12

1.3.5 Phương pháp huỳnh quang tử ngoại 12

1.3.6 Phương pháp culong kế 12

1.3.7 Phương pháp trắc quang với thuốc thử fucsinfomaldehit 13

1.3.8 Phương pháp đo độ đục 13

1.3.9 Phương pháp chuẩn độ trực tiếp bằng dung dịch Iot 13

1.3.10 Phương pháp hidropeoxit 13

1.3.11 Phương pháp oxi hoá bằng dung dịch I2 dư và chuẩn độ I2 dư bằng Na2S2O3 tiêu chuẩn 14

PHẦN 2: THỰC NGHIỆM 15

2.1 DỤNG CỤ HOÁ CHẤT 15

2.1.1 Dụng cụ 15

2.1.2 Hoá chất 15

2.1.3 Chuẩn bị các dung dịch 15

2.1.3.1 Dung dịch Na2S2O3 0,1N 15

2.1.3.2 Dung dịch I2 0,05N 17

2.1.3.3 Dung dịch hồ tinh bột 1% 18

2.1.3.4 Điều chế axit H2SO4 (1:1) 18

2.1.3.5 Điều chế silicagen 18

2.1.3.6 Chuẩn bị các mẫu Crom (VI) trên chất mang silicagen 18

2.2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 19

2.2.1 Tiến hành hấp thụ SO2 bằng K2Cr2O7 trên chất mang silicagen 19

2.2.1.1 Nạp hỗn hợp chất hấp thụ vào ống 19

2.2.1.2 Nguyên tắc của bộ dụng cụ 20

2.2.1.3 Khảo sát phản ứng hấp thụ: 20

2.2.2 Thiết lập mối quan hệ giữa nồng độ SO2 và chiều dài ống bị chuyển màu L (mm ) 22

PHẦN 3: KẾT LUẬN 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển kinh tế và quá trình côngnghiệp hóa, hiện đại hóa, tình trạng ô nhiễm không khí đang gia tăng trên toàn thếgiới Môi trường khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt và có ảnh hưởng xấu đếncon người và các sinh vật Hàng năm con người khai thác và sử dụng hàng tỉ tấnthan đá, dầu mỏ, khí đốt Đồng thời cũng thải vào môi trường một khối lượng lớncác chất thải khác nhau như: chất thải sinh hoạt, chất thải từ các nhà máy và xínghiệp làm cho hàm lượng các loại khí độc hại tăng lên nhanh chóng

Trong các chất gây ô nhiễm dạng khí, lưu huỳnh đioxit là chất khí ô nhiễmkhá điển hình Nó sinh ra từ các chất dễ đốt cháy như than đá, dầu, khí đốt Lưuhuỳnh đioxit thoát ra ngoài gây ra mưa axit ăn mòn các công trình, phá hoại câycối, biến đất đai thành vùng hoang mạc Loại khí này còn có thể gây bệnh chongười như viêm phổi, mắt, da…

Một điều đáng lo ngại đó là lượng khí SO2 thải ra đã tăng đáng kể trongnhững năm gần đây Do vậy việc xác định và kiểm soát hàm lượng SO2 thải vàomôi trường là việc làm cần thiết và cấp bách

Vì vậy chúng tôi chọn đề tài : “ Nghiên cứu phản ứng của SO2 với Cr(VI)

và khả năng ứng dụng phân tích SO2 trong môi trường khí ”

Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu các nội dung sau:

1 Khả năng hấp thụ SO2 bằng K2Cr2O7 trên chất mang silicagen

2 Mối quan hệ định lượng giữa nồng độ SO2 và lượng chất hấp thụ

40 zm) đi vào Trái đất Khí quyển đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cân bằngnhiệt lượng của Trái đất thông qua quá trình hấp thụ tia tử ngoại phát xạ từ Mặttrời đến và phát nhiệt từ mặt đất lên…

Cùng với những tiến bộ của khoa học kỹ thuật, con người (dù không mongmuốn) đã thải nhiều chất ô nhiễm vào khí quyển, làm môi trường khí quyển bị ônhiễm

1.1.1.1 Cấu trúc theo chiều thẳng đứng của khí quyển

Dựa trên những đặc tính vật lý và tính chất hoạt động, khí quyển Trái đấtđược chia thành 5 tầng mỗi tầng có những đặc trưng vật lý khác nhau

1.1.1.1.1 Tầng đối lưu (Troposphere)

Là tầng không khí gần mặt đất nhất, độ cao trung bình của nó vào khoảng 11km: ở hai cực trái đất chỉ cao từ 8 - 10 km, còn ở vùng xích đạo là 15 - 18 km Ðộcao của tầng khí quyển này do độ cao của các dòng đối lưu quyết định, bởi vậy nóthay đổi theo mùa trong năm và thay đổi theo vĩ độ địa lý, do tính chất nhiệt lựcquyết định

Tầng đối lưu là tầng khí quyền hoạt động nhất Các hiện tượng thời tiết,mưa, nắng, mây, dông bão đều xảy ra ở tầng khí quyển này Tầng đối lưu cũng làmôi trường sống của tất cả các sinh vật trên trái đất

Ðặc điểm quan trọng của tầng đối lưu là nhiệt độ giảm dần theo độ cao.Trung bình cứ lên cao 100m nhiệt độ giảm xuống 0,640C Nhiệt độ ở giới hạn trêncủa nó xuống rất thấp, có thể đạt - 700C ở vùng xích đạo của trái đất.

Ở tầng này thường xảy ra hiện tượng các dòng không khí đi lên hoặc đixuống (do các trung tâm khí áp cao, khí áp thấp , do gặp các chướng ngại vật trênmặt đất, do sự tranh chấp giữa các khối không khí ) Hiện tượng thăng giáng củacác khối không khí đã làm thay đổi chế độ nhiệt, ẩm của không khí

Tầng đối lưu chiếm 80% khối lượng khí quyển và 90% hơi nước, thành phầnkhí quyển ở tầng này luôn luôn diễn ra sự trao đổi giữa mặt đất, mặt đại dương vàkhí quyển

1.1.1.1.2 Tầng bình lưu (Stratosphere)

Tầng bình lưu là tầng tiếp giáp với tầng đối lưu, lên cao tới 50 - 55km Ðặcđiểm của tầng bình lưu là không khí ít bị xáo trộn theo chiều thẳng đứng Có thểtách tầng này thành hai lớp:

- Lớp đẳng nhiệt: nằm sát tầng đối lưu lên cao tới 25km, nhiệt độ ít thay đổi,trung bình vào khoảng -550C Lớp khí quyển này thường chuyển động theo chiềunằm ngang từ đông sang tây Kích thước các khối không khí này có thể tới hàngnghìn cây số

- Lớp nghịch nhiệt: ở độ cao từ 25 đến trên 50km Ở tầng này nhiệt độ tăngdần theo độ cao, nhiệt độ trung bình vào khoảng 00C, tối đa có thể tới trên +100C

Sư tăng dần nhiệt độ của lớp khí quyển này có thể là do sự có mặt của tầngozon, chất hấp thu mạnh các tia sóng ngắn của bức xạ mặt trời

- Phía trên tầng nghịch nhiệt là đỉnh tầng bình lưu (Stratopause), nhiệt độkhá ổn định, khoảng 00C ở độ cao 55km

1.1.1.1.3 Tầng trung gian (Mesosphere)

Tầng trung gian nằm trên tầng bình lưu cho đến độ cao 80 - 90 km Tầng nàynhiệt độ giảm dần theo độ cao và đạt đến giá trị - 700C đến - 800C

1.1.1.1.4 Tầng điện ly (Thermosphere)

Tầng điện ly hay còn gọi là tầng nhiệt quyển là tầng không khí có độ cao

từ 80 đến 800km Ở tầng này không khí rất thưa loãng Dưới tác dụng của cáctia bức xạ, các chất khí đều bị phân ly và bị ion hoá mạnh Khí quyển ở đây có

độ dẫn điện cao

Ðộ dẫn điện cao ở tầng điện ly là nguyên nhân làm phản hồi các sóng vôtuyến phát đi từ mặt đất, nhờ vậy mà mọi thiết bị vô tuyến điện ở mặt đất, ở các vệtinh nhân tạo mới có thể hoạt động bình thường được

Tầng ion có thể nhận thấy hai cực đại ion hóa ở độ cao 100 km và 180 200km

-Ðặc điểm quan trọng của tầng khí quyển này là nhiệt độ không khí cao vàtăng nhanh theo độ cao Ở độ cao 200km có nhiệt độ 6000C, còn ở giới hạn trên là

20000C

1.1.1.1.5 Tầng khuyếch tán (Exosphere)

Giới hạn trên của tầng này vào khoảng 2000 đến 3000 km, là tầng chuyểntiếp giữa khí quyển và không gian vũ trụ (Outer space), không khí tầng này rất thưaloãng thành phần chủ yếu là hyđro và heli

1.1.1.2 Thành phần không khí trong khí quyển trái đất

Thành phần không khí của lớp khí quyển gần mặt đất

B ng 2.3 Th nh ph n không khí khô, không b ô nhi m ảng 2.3 Thành phần không khí khô, không bị ô nhiễm ành phần không khí khô, không bị ô nhiễm ần không khí khô, không bị ô nhiễm ị ô nhiễm ễm

STT Tên chất Công thức Tỉ lệ Tổng khối lượng (tấn)

1 Nitơ N2 78,09% 3850 1012

2 Oxy O2 20,94% 1180 1012

3 Argon Ar 0,93% 65 1012

4 Cacbonic CO2 0,032% 2,5 1012

1.1.2 Một số chất gây ô nhiễm điển hình

Khí quyển Trái đất có thể có quá trình tự làm sạch để cân bằng giữa quátrình ô nhiễm tự nhiên và trạng thái ổn định ở một mức độ ô nhiễm bình thường

Nhưng các hoạt động của con người trước hết là kết quả của quá trìnhchuyển hoá và các quá trình nhiệt độ cao và trung bình (sản xuất năng lượng) dẫntới việc tăng quá trình trao đổi chất trong khí quyển; qua đó mà giới hạn của quátrình tự làm sạch tự nhiên bị vượt quá giới hạn và kết quả là có sự thay đổi trongmôi trường

Cacbon đioxit CO 2 :

Là chất khí, không màu, không mùi, vị chua, sinh ra do quá trình đốt cháyhoàn toàn nguyên liệu chứa cacbon, do quá trình hô hấp, do hoạt động của núilửa…Ở nồng độ cao là chất gây nguy hại, gây “hiệu ứng nhà kính” trên phạm vitoàn cầu

Nitơ oxit (NO):

Là chất khí không màu, không mùi, ít tan trong nước, tạo với hồng cầutrong máu thành chất không vận chuyển oxy, dễ oxy hoá thành NO2 và gây táchại như NO2

Nitơ đioxit (NO 2 ):

Là chất khí màu nâu, có mùi hắc khó thở từ nồng độ 0,2mg/m3, có tính axit,

dễ hoà tan vào màng nhầy niêm mạc, gây bệnh đường hô hấp, gây ra hiện tượngmưa axit, làm phai thuốc nhuộm vải, hỏng bông, ăn mòn kim loại

Khí hiđrosunfua (H 2 S):

Chất khí không màu, mùi trứng thối, độc tính cao Từ nồng độ 1,6-5mg/m3

gây khó thở, loét giác mạc, đường hô hấp, ảnh hưởng tới thần kinh, mệt mỏi, nhứcđầu, muốn ngủ, có thể làm chết người Đối với thực vật H2S làm tổn hại lá cây, làmrụng lá và giảm sinh trưởng

là thành phần chính của khói mù quang hoá

Clo(Cl 2 ) và hiđro clorua (HCl):

Clo là chất khí màu vàng lục, có mùi từ nồng độ nồng độ 0,15 - 0,3mg/m3,

có tính oxi hoá mạnh Hiđro clorua là chất khí không màu, có tính axit mạnh Cácchất này có thể gây nhiễm độc đường hô hấp, được hấp thụ ở lớp niêm mạc trongmũi, phổi, miệng, mặt…có thể gây chết người ở nồng độ cao

Ngoài ra còn có các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm như: xeton, phenol,mercaptan, PAH, fomadehit, benzen…

Khí sunfurơ ( SO 2 )

Khí SO2 là một chất khí ô nhiễm khá điển hình, là sản phẩm chủ yếu của quátrình đốt cháy các nhiên liệu chứa lưu huỳnh Các nhà máy nhiệt điện thường lànguồn phát sinh ra nhiều SO2 trong khí thải Ngoài ra phải kể đến các quá trình tinhchế dầu mỏ, luyện kim, tinh luyện quặng đồng, sản xuất xi măng và giao thông vậntải cũng là những nơi phát sinh ra nhiều khí SO2 Nguồn SO2 thiên nhiên được sảnsinh chủ yếu do hoạt động của núi lửa, quá trình phân huỷ sinh học những hợp chấthữu cơ và sự oxi hoá các khí dạng bụi

SO2 là khí tương đối nặng (M = 64) nên thường ở gần mặt đất, ngang vớitầm sinh hoạt của con người SO2 có khả năng hoà tan trong nước cao hơn các khígây ô nhiễm khác nên dễ phản ứng với cơ quan hô hấp của người và động vật Nóảnh hưởng tới hệ hô hấp, hoà tan trong lớp màng mắt, mũi, cổ họng gây khó thởloét niêm mạc Khí SO2 lẫn bụi làm tăng tác hại của nó Những hơi khí xâm nhậpvào sâu bên trong cơ quan hô hấp tạo H2SO4 tăng thêm các bệnh hô hấp, gây tổnthương màng phổi

Do tác dụng của quá trình quang hoá học hoặc một số chất xúc tác nào đó,khí SO2 dễ dàng bị oxi hoá thành SO3 và kết hợp với hơi nước trong khí quyển tạo

ra H2SO4 rơi xuống mặt đất cùng nước mưa gây mưa axit Mưa axit gây tổn hạicho cây trồng, hệ sinh thái, ăn mòn các công trình xây dựng, dụng cụ sinh hoạt,giảm độ bền các vật liệu vô cơ, hữu cơ…

Ngoài ra ô nhiễm SO2 còn làm giảm tầm nhìn trong khí quyển

Theo TCVN 5939 - 1995 chất lượng không khí Tiêu chuẩn khí thải côngnghiệp đối với bụi và các chất vô cơ:

.Giá trị giới hạn (nồng độ SO2) áp dụng cho các cơ sở đang hoạt động <

1500 (mg/m3)

.Giá trị giới hạn (nồng độ SO2) áp dụng cho tất cả các cơ sở kể từ ngày cơquan quản lí môi trường qui định < 500 (mg/m3).

1.2 LƯU HUỲNH ĐIOXIT SO 2 [7,8,9,12]

(Khí sunfurơ, anhiđrit sunfurơ)

1.2.1.Cấu tạo

Phân tử SO2 có cấu tạo góc, trong đó nguyên tử S ở trạng thái lai hoá sp2, tạo

ra 2 liên kết  S-O, một liên kết  không định vị và một obital lai hoá sp2 chứa cặp

 Dung dịch SO2 trong nước có tính axit yếu Phần lớn khí SO2 đã tan vào

nước ở dạng được hiđrat hoá SO2.xH2O

 SO2 làm mất màu một số chất hữu cơ

Phản ứng này là cơ sở dùng SO2 tẩy màu len, lụa khi nguội

VD: Phản ứng làm mất màu fucsin :

N

H2

C N

Fucsin sunfurơ ( không màu )

 SO2 thể hiện khả năng oxi hoá khử

 Sơ đồ thế điện cực thể hiện khả năng oxi hoá - khử của lưu huỳnh (IV)trong môi trường axit :

 SO2 thể hiện tính khử mạnh khi tác dụng với chất oxi hoá H2O2, I2,KMnO4, K2Cr2O7 …

SO2 + I2 + 2 H2O → H2SO4 + 2HI

3SO2 + H2SO4 + K2Cr2O7 → Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O

(da cam) (xanh xám)

 Khi gặp chất khử mạnh SO2 thể hiện tính oxi hoá mạnh :

SO2 + 2H2S → 3S + 2H2O

SO2 + 2C → S + 2CO

1.2.4 Điều chế SO 2 trong phòng thí nghiệm

Cho axit sunfuric đậm đặc tác dụng với muối sunfit

H2SO4 + Na2SO3 → Na2SO4 + H2O + SO2↑

1.3 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH LƯỢNG SO 2 [2,10,12,14,15]

1.3.1.Phương pháp OSHA ID-104

Áp dụng xác định nồng độ SO2 tức thời hoặc trung bình giờ

Nguyên tắc: không khí được hấp thu vào dung dịch H2O2 0,3 % trong bìnhrửa khí (chứa khoảng 10- 15 ml dung dịch hấp thu), với vận tốc không đổi (vận tốc

đề nghị 1L/phút ), thể tích khí cần lấy từ 15- 60 L Hiđro peoxit oxi hoá lưu huỳnhđioxit thành axit sunfuric theo phản ứng sau:

 Kiểm tra sự bay hơi của dung dịch hấp thu

1.3.2 Phương pháp West - Gaeke (TCVN 5971- 1995 )

SO2 được hấp thụ bởi dung dịch Na[HgCl4] tạo thành [Hg(SO3)2]2— hấp thụ

1.3.3 Phương pháp trắc quang dùng Thorin (TCVN 5978- 1995)

Nguyên lý: hút khí đi qua dung dịch hydroperoxit 0,3% đã axit hoá có pH từ4- 4,5 với vận tốc dòng xác định Lưu huỳnh đioxit có trong mẫu sẽ được hấp thụ

và bị oxy hoá để tạo thành axit sunfuric

Sau khi về phòng thí nghiệm, kết tủa ion sunfat dưới dạng bari sunfat bằng10ml dung dịch bari perclorat đã xác định nồng độ Xác định lượng ion bari dưbằng phản ứng tạo phức màu của bari với thorin và đo quang ở bước sóng 520nm

Hiệu số giữa lượng ion bari trước và sau phản ứng tương ứng với nồng độcủa ion sunfat trong dung dịch hấp thụ nghĩa là tương ứng với lượng lưu huỳnhđioxit đã bị oxy hoá Độ hấp thụ tỷ lệ nghịch với nồng độ ion sunfat trong dungdịch hấp thụ

Chú ý : hút khí qua bộ lọc bụi trước khi vào bình chứa dung dịch hấp thu

để tránh sai số cho kết quả quan trắc

1.3.4 Phương pháp hấp thu lên giấy tẩm (NIOSH 6004)

Nguyên tắc: phương pháp này mô tả quá trình lấy mẫu lưu huỳnh đioxittrong không khí lên giấy lọc tẩm dung dịch hấp thu có tính kiềm (KOH/glyxerolhay Na2CO3/glyxerol) với vận tốc dòng ổn định (từ 0,5 đến 1,5ml/phút) Lưuhuỳnh đioxit sẽ được bắt giữ trên giấy lọc và bị oxi hoá thành Na2SO4 theo phươngtrình sau:

2SO2 + O2 + 2Na2CO3 → 2Na2SO4 + 2CO2

Hệ thống lấy mẫu được thiết kế đa tầng để có thể lấy mẫu bụi và nhiều khícùng một lúc Trong quá trình lấy mẫu khí phải sử dụng filter Teflon để loại bụitrước khi qua filter tẩm, tránh sai số do ion sunfat có trong bụi ảnh hưởng đến kếtquả đo.

1.3.5 Phương pháp huỳnh quang tử ngoại

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc SO2 hấp thu tia cực tím và bị kíchthích ở một bước sóng xác định hγ1, chuyển lên mức năng lượng cao hơn kém bền:

SO2 + hγ1 → SO2*

Sau đó SO2* trở về trạng thái bền và phát ra ánh sáng tử ngoại tại bước sóngkhác hγ2

SO2* → SO2 + hγ2

Cường độ tia huỳnh quang phát xạ tỉ lệ với nồng độ SO2 Một máy phân tích

SO2 bằng phương pháp phát xạ huỳnh quang bao gồm một bộ lọc hydrocacbon,khoang huỳnh quang, nguồn phát UV, đầu dò quang điện,…

1.3.6.Phương pháp culong kế:

Phương pháp culong kế dùng để xác định liên tục nồng độ của lưu huỳnhđioxit trong không khí dựa trên nguyên tắc xác định sự thay đổi nồng độ của brom,khi xảy ra phản ứng giữa SO2 trong không khí và brom, bằng cách điện phân dungdịch muối brom