Tài liệu Giáo trình hóa môi trường P9 ppt

CH NG 9

PHOSPHORUS & PHOSPHATE

9.1 GI I THI U CHUNG

Xác đ nh phosphate đã nhanh chóng tr thành m t vi c làm c n thi t c a k s môi

tr ng do h nh n ra r ng nhi u h p ch t phosphorus nh h ng lên nh ng quá trình

x lý ch t th i Thông th ng ch có nh ng d ng h p ch t phosphorus vô c gây nh

h ng nh các d ng phosphate hay các d ng phân t kh n c nh polyphosphate hay condensed phosphate Nh ng h p ch t phosphorus h u c th ng không đ c quan tâm

Polyphosphate đ c s d ng trong n c c p nh là m t nhân t ki m soát s n mòn Chúng c ng đ c s d ng cho các d ng n c m m đ n đ nh hàm l ng calcium carbonate nh m lo i b s tái t o mu i carbonate

B m t c a n c c p là n i phát tri n c a m t s vi sinh v t n c Nh ng sinh v t t

do hay nh ng sinh v t n i đ c g i là phiêu sinh (plankton) và đây là loài sinh v t r t

đ c các k s môi tr ng quan tâm Nh ng phiêu sinh mang tính đ ng v t g i là phiêu sinh đ ng v t (zooplankton) và nh ng phiêu sinh mang tính th c v t đ c g i là phytoplankton (phiêu sinh th c v t) Sau cùng là t o mang tính th c v t (trong t bào

c a nh ng sinh v t này có ch a chlorophyll), chúng phát tri n m nh và ph thu c vào

nh ng nguyên t dinh d ng trong n c Nhi u nghiên c u đã cho th y r ng nitrogen

và phosphorus là 2 nguyên t nh h ng lên s t ng tr ng c a t o và vi khu n và khi

l ng nguyên t này b gi i h n thì nó c ng là nhân t gi i h n t c đ t ng tr ng và phát tri n c a t o và vi khu n nh ng n i có hàm l ng nitrogen và phosphorus cao làm thúc đ y hi n t ng n hoa c a t o gây tác đ ng x u đ n môi tr ng Kinh nghi m cho th y r ng hi n t ng n hoa không th x y ra khi hàm l ng nitrogen ho c phosphorus ho c c hai b gi i h n M c t i h n cho phosphorus vô c vào kho ng 0,005 mg/L ho c 5 g/L trong đi u ki n t ng tr ng mùa hè

N c th i sinh ho t r t giàu các h p ch t phosphorus Ch y u là trong n c t y r a

t ng h p, ch a kho ng t 2 – 3 mg/L và nh ng h p ch t vô c khác chi m kho ng t 0,5 – 1 mg/l H u h t nh ng phosphorus vô c có đ c là t ch t th i c a con ng i

do quá trình phân h y protein và s gi i phóng phosphate t n c ti u Trung bình m t

H u h t b t gi t t ng h p siêu c p đ c s n xu t cho th tr ng gia d ng ch a m t

l ng l n polyphosphate a s trong chúng ch a t 12 – 13% phosphorus ho c h n 50% polyphosphate S d ng nh ng nguyên li u này nh là m t ch t thay th cho xà phòng đã làm gia t ng l ng phosphorus trong n c th i sinh ho t T các s li u v polyphosphat đ c bán cho ngành công nghi p ch t t y r a Ng i ta c tính đ c

r ng, n c th i sinh ho t s ch a m t l ng phosphorus vô c nhi u h n g p 2 – 3

l n so v i khi ch t t y r a t ng h p ch a đ c ph bi n r ng rãi

Vi sinh v t trong các quá trình x lý n c th i sinh h c c n m t l ng phosphorus đ tái t o và t ng h p mô t bào m i N c th i đô th ch a m t l ng phosphorus v t quá xa so v i m c c n thi t đ x lý m t l ng gi i h n ch t h u c S vi c này

đ c lý gi i d a trên l ng phosphorus có trong n c đ u ra sau khi x lý c a các công trình x lý n c th i sinh h c Tuy nhiên, nhi u lo i n c th i công nghi p không

ch a đ l ng phosphorus c n cho s phát tri n t i u c a vi sinh v t trong quá trình

x lý n c th i Trong nh ng tr ng h p này, l ng thi u h t đ c cung c p b ng cách thêm phosphate vô c vào

Tính ch t c a bùn

M t v n đ chính trong x lý n c th i là tính ch t c a bùn sau các quá trình x lý hi u khí và k khí Nh ng bùn này ch a m t l ng l n nitrogen và phosphorus đáp ng cho

m c đích dinh d ng T ng hàm l ng phosphorus ch a trong bùn trung bình kho ng 1% và 1,5% trong bùn ho t tính khô M n i có hàm l ng phosphate phong phú và

r , h u h t bùn đ c bán d a trên hàm l ng nitrogen mà nó ch a và ch có m t ít lo i

d a trên hàm l ng phosphorus

N i h i

Ph c h p phosphate đ c s d ng r ng rãi trong ngành công nghi p n ng l ng h i

n c đ ch ng đóng c n trong các n i h i N u s d ng phosphate d ng ph c, chúng nhanh chóng đ c th y phân thành nh ng orthophosphate nhi t đ cao Giám sát

l ng phosphate thông qua vi c xác đ nh hàm l ng orthophosphate

9.2 T M QUAN TR NG C A H P CH T PHOSPHORUS

Có nhi u lo i h p ch t phosphorus có m t trong k thu t môi tr ng B ng 9.1 trình bày m t s h p ch t quan tr ng

B ng 9.1 M t s h p ch t phosphorus quan tr ng

Orthophosphates

Trisodium phosphate Na3PO4

Disodium phosphate Na2HPO4

Monosodium phosphate NaH2PO4

Diammonium phosphate (NH4)2HPO4

Polyphosphates

Sodium

hexametaphosphate

Na3(PO4)6 Sodium tripolyphosphate Na5P3O10

Tetrasodium

pyrophosphate

Na4P2O7

T t c nh ng polyphosphate (nh ng phân t th y phân thành phosphate) th y phân hoàn toàn trong dung d ch n c và tr l i thành nh ng d ng ortho mà chúng b t ngu n

Na4P2O7 + H2O å 2 Na2HPO4 (9 - 1)

T c đ tr l i nguyên m u là m t ch c n ng c a nhi t đ và do nó s gia t ng nhanh khi nhi t đ ti n đ n g n đi m sôi T c đ này c ng gia t ng khi gi m pH và u đi m là

nó gi đúng nguyên tr ng nh ng m u chu n b đ xác đ nh hàm l ng phosphate

ph c S th y phân nh ng phosphate ph c c ng ch u nh h ng b i enzyme c a vi sinh v t T c đ tr l i nguyên m u r t ch m trong n c l c và nhanh h n trong n c

th i Kinh nghi m cho th y r ng trong m t s lo i n c pyrophosphate th y phân nhanh h n tripolyphosphate, trong m t s lo i n c khác thì t c đ th y phân là nh nhau Có nh ng ch t đòi h i nhi u gi th m chí nhi u ngày đ chuy n hóa hoàn toàn polyphosphate thành orthophosphate, đ c bi t nhi t đ th p ho c pH cao

T nh ng lý do trên, đ xác đ nh phosphorus hay phosphate ph i bao g m c vi c xác

đ nh polyphosphate n u mu n vi c đo t ng các d ng vô c đ c chính xác

Các k s th ng quan tâm đ n s hi n di n c a hàm l ng ortho, poly và phosphorus h u c May m n là có th đo orthophosphate v i r t ít tr ng i t polyphosphate do kh n ng n đ nh c a chúng trong đi u ki n pH, th i gian, nhi t đ

đ c s d ng trong quá trình đo C hai d ng poly và phosphorus h u c ph i đ c chuy n thành orthophosphate đ đo

L ng phosphorus t n t i d i d ng orthophosphate có th đ c đo b ng nh ng

ph ng pháp: tr ng l c, th tích, so màu Ph ng pháp tr ng l c đ c s d ng khi hàm l ng phosphorus hi n di n l n, nh ng đi u này không x y ra trong th c t

Ph ng pháp th tích đ c s d ng khi n ng đ phosphate l n h n 50 mg/L, nh ng

n ng đ này hi m g p tr tr ng h p n c sôi hay chuy n hóa k khí nh ng ch t n i

Ph ng pháp này g m: k t t a, l c, làm s ch k t t a và chu n đ Ph ng pháp này

t n th i gian Tuy nhiên, ph ng pháp so màu đ đo n c và n c th i có th đ c

th a mãn v i m t đ chính xác cao

Có ba ph ng pháp so màu đ c s d ng đ đo orthophosphate Chúng có cùng b n

ch t v i nh ng nguyên t c trên nh ng khác ch là nó thêm vào m t s nguyên t t nhiên đ t o màu Y u t hóa h c c n thi t nh : ion phosphate k t h p v i ammonium molybdate trong đi u ki n acid đ t o thành ph c ch t molybdophosphate,

PO43- + 12(NH4)2MoO4 + 24H+ å (NH4)3PO4.12MoO3 + 21NH4+ + 12H2O (9 - 2)

Khi hi n di n m t l ng phosphate l n, tr ng thái c a molydophoste là nh ng k t t a màu vàng có th đ c l c và đo b ng ph ng pháp th tích n ng đ phosphate

th p h n, t o thành nh ng h t keo màu vàng s đ c xác đ nh hàm l ng b ng

ph ng pháp so màu V i n ng đ phosphate d i 30 mg/L (th ng n m trong kho ng phân tích n c), màu vàng c a h t keo không th nh n bi t rõ và đi u này có ngh a là c n ph i phát tri n m t màu khác M t cách c i thi n là thêm vanadium đ hình thành d ng ph c h p vanadomolybdophosphoric acid có màu vàng rõ, cho phép phân tích phophorus v i hàm l ng d i 1 mg/L ho c nh ng kho ng th p h n

L ng molybdenum ch a trong ammonium phosphomolybdate c ng đ c gi m đ t o

nh ng s n ph m sol có màu xanh v i t l t ng ng v i l ng phosphate hi n di n

M t l ng th a ammonium molydate không b gi m đi và do đó không can thi p vào quá trình Ascorbic acid hay stannous chloride có th đ c s d ng nh m t nhân t

kh H p ch t màu đ c t o thành là xanh molybdeum hay xanh heteropoly Chlorur thi c đ c s d ng nh m t nhân t kh có th đ c mô t qua ph ng trình:

(NH4)3PO3.12MoO3 + Sn2+ å (molybdenum) + Sn4+ (9 - 3)

Polyphosphates

Polyphosphate có th chuy n hóa thành orthophosphate b ng cách đun sôi m u đã

đ c acid hóa t i thi u 90 phút S th y phân này có th đ c thúc đ y b i nhi t trong autoclave 20 psi L ng acid th a thêm vào đ xúc tác t ng t c đ th y phân ph i

đ c trung hòa tr c khi ti p t c thêm dung d ch ammonium molybdate vào L ng orthophosphate xu t phát t polyphoste đ c đo b ng m t trong nh ng ph ng pháp

k trên L ng polyphosphate đ c tính nh sau:

T ng hàm l ng phosphate vô c – orthophosphate = polyphosphate (9 – 4)

Phosphorus h u c

Các k s r t quan tâm đ n vi c đo l ng hàm l ng phosphorus h u c có trong ch t

th i công nghi p và có trong bùn phân tích đ c đòi h i ch t h u c ph i đ c phá h y sao cho phosphorus đ c gi i phóng d i d ng ion phosphate Ch t h u c

có th b phá h y b i m t trong 3 ph ng pháp oxy hóa m ho c ph ng pháp chuy n hóa d a theo “Standard Method” Ch t oxi hóa đ c s d ng khác v i nh ng ch t trong ph ng pháp chuy n hóa và có th là perchloric acid, nitric acid – sulfuric acid hay persulphate Acid perchloric là ch t oxi hóa m nh nh t, nh ng nó c ng là ch t đ c

h i nh t tránh nguy hi m t nh ng v n , lo i m đ c bi t ph i đ c s d ng trong quá trình chuy n hóa và ph i thêm vào m t s hóa ch t Vì nh ng lý do này, s chuy n hóa nh acid perchloric nên đ c th c hi n b i nh ng nhà hóa h c có kinh nghi m và

c n th n S d ng ch t oxi hóa là persulphate khi th c nghi m ch ng minh r ng k t

qu thu đ c là phù h p

M t khi s chuy n hóa đã hoàn t t, vi c đo l ng phosphorus gi i phóng có th đ c làm b ng b t k m t ph ng pháp đo orthophosphate nào T t c nh ng d ng phosphorus (t ng) đ c đo t s xác đ nh phosphorus h u c Do v y, l ng phosphorus h u c đ c tính nh sau:

T ng phosphorus – phosphorus vô c = phosphorus h u c (9 - 5)

9.4 NG D NG NH NG S LI U V PHOSPHORUS

S li u v phophorus tr nên r t quan tr ng đ i v i k s môi tr ng khi h đánh giá

s có m t c a chúng nh nhân t quan tr ng t t y u c a chu k s ng Tr c đây, thông s này đ c s d ng đ giám sát hàm l ng phosphate trong h th ng n c đ tránh s n mòn và đ tránh c n r trong n i h i Vi c xác đ nh phosphorus tr nên r t quan tr ng trong vi c đánh giá hi u su t sinh h c ti m n ng c a n c m t và trong m t

s vùng nh t đ nh đã có m t l ng phophorus n đ nh mà có th đ c x vào ngu n

n c nh n, đ c bi t là nh ng h và nh ng b ch a Xác đ nh hàm l ng phosphorus

là công vi c th ng xuyên trong quá trình v n hành h th ng x lý n c th i và trong quá trình nghiên c u ô nhi m dòng ch y nhi u n i Do t m quan tr ng c a phosphorus là ch t dinh d ng trong các ph ng pháp sinh h c x lý n c th i, vi c xác đ nh nó có liên quan đ n nhi u ch t th i công nghi p và trong quá trình ho t đ ng

c a các công trình x lý ch t th i