Tài liệu Giáo trình hóa môi trường P4 doc

Trang 1

ThS: Huỳnh Ngọc Phương Mai

4-1

CH NG 4 OXY HỒ TAN

4.1 KHÁI NI M CHUNG

T t c các sinh v t s ng b ph thu c vào oxy d ng này ho c d ng khác đ duy trình quá trình trao đ i ch t nh m s n sinh ra n ng l ng cho s t ng tr ng ho c sinh s n Quá trình hi u khí là v n đ đ c quan tâm nh t khi chúng c n oxy t do

Các k s mơi tr ng quan tâm đ n đi u ki n khí quy n cĩ liên quan đ n mơi tr ng

ch t l ng, n c là ch t l ng l n nh t và quan tr ng nh t

T t c các ch t khí c a khí quy n hịa tan trong n c các m c đ khác nhau C nit

và oxy đ c phân lo i là các ch t hịa tan kém và vì chúng khơng ph n ng v i n c

v m t hĩa h c, nên đ hịa tan t l thu n v i áp su t riêng ph n c a chúng H n n a,

đ nh lu t Henry cĩ th đ c s d ng đ tính tốn kh i l ng cĩ m t c a các ch t khí

tr ng thái bão hịa t i b t c nhi t đ đã cho nào hịa tan c a c nit và oxy thay

đ i m t cách đáng k theo nhi t đ trong dãy mà các k s mơi tr ng quan tâm Hình 4.1 trình bày đ ng cong đ hịa tan c a hai ch t khí trong n c c t ho c là n c cĩ hàm l ng ch t r n th p n m cân b ng v i khơng khí t i áp su t 760 mmHg hịa tan s nh h n trong n c mu i

hịa tan c a oxy khí quy n trong các ngu n n c ng t n m trong kho ng t 14,6 mg/L 00C đ n kho ng 7 mg/L 350

C d i áp su t 1 atm Vì nĩ là khí hịa tan ít, đ hịa tan c a nĩ thay đ i t l thu n v i áp su t c a khí quy n t i nhi t đ đã cho Vì t c

đ oxy hĩa sinh h c t ng cùng v i nhi t đ và nhu c u oxy c ng t ng m t cách t ng

ng, đi u ki n nhi t đ cao, khi đ oxy hịa tan cĩ kh n ng hịa tan th p nh t là vi c liên quan l n nh t đ i v i k s mơi tr ng H u h t các đi u ki n t i h n liên quan

đ n đ thi u h t oxy hịa tan, trong th c t , k thu t mơi tr ng xu t hi n vào nh ng tháng hè khi nhi t đ cao và đ hịa tan oxy m c th p nh t Vì lý do này th ng

th ng m c đ hịa tan oxy kho ng 8 mg/L là cao nh t d i các đi u ki n t i h n hịa tan th p c a oxy là y u t chính gi i h n kh n ng làm s ch c a các ngu n

n c t nhiên và c n ph i x lý ch t th i đ lo i b các ch t ơ nhi m tr c khi x vào ngu n ti p nh n Trong quá trình x lý sinh h c hi u khí, đ hịa tan gi i h n c a oxy là quan tr ng nh t vì nĩ ki m sốt t c đ h p th oxy c a mơi tr ng

Trang 2

4-2

25 20

760 mmHg

hịa tan c a oxy trong n c mu i th p h n so v i n c ng t Vì lý do này, đ hịa tan đ i v i nhi t đ đã cho gi m liên t c t n c ng t đ n n c c a sơng và n c

bi n Vi c nh h ng này đ c ch th trong B ng 4.1, li t kê đ hịa tan c a oxy ph thu c vào nhi t đ và hàm l ng clorua N ng đ clorua đ c s d ng nh s đ h n

h p n c bi n và n c ng t trong m u n c N ng đ c a clorua trong n c bi n kho ng 19.000 mg/L

Trong n c ơ nhi m giá tr bão hịa c ng th p h n trong n c s ch T s giá tr trong

n c ơ nhi m và n c s ch tham kh o nh h s T c đ oxy hịa tan trong n c ơ nhi m th ng nh h n trong n c s ch và t s này đ c tham kh o nh giá tr C hai giá tr và là thơng s thi t k quan tr ng trong vi c l a ch n thi t b th i khí

0 5 10 15

5 10 15 20 25 30 35 0

g/L Nitơ

oxy

0C Nhiệt độ,

Trang 3

4-3

760 mmHg và ch a 20,9% oxy

N ng đ clorua, mg/L Nhi t đ

0

Trong ch t th i l ng, oxy hịa tan là y u t xem s thay đ i sinh h c đ c th c hi n

b ng sinh v t hi u khí hay k khí Lo i th nh t s d ng oxy t do đ oxy các ch t h u

c ho c vơ c và s n xu t ra các s n ph m cu i cùng khơng đ c h i, ng c l i lo i sau

th c hi n các oxy hĩa nh v y qua vi c kh qua mu i khơng h u c nh sulfate và

s n ph m cu i cùng th ng r t cĩ h i Vì c hai lo i vi sinh v t th ng cĩ m t kh p

Trang 4

4-4

n i trong t nhiên, nĩ là đi u quan tr ng trong đi u ki n thu n ti n cho sinh v t hi u khí (đi u ki n hi u khí) ph i đ c duy trì; ng c l i vi sinh v t k khí s chi m đa s và k t

qu t o thành mùi hơi th i Vì v y, vi c đo oxy hịa tan là r t quan tr ng đ duy trì đi u

ki n hi u khí trong các ngu n n c t nhiên ti p nh n các ch t ơ nhi m và trong quá trình x lý hi u khí đ c th c hi n đ làm s ch n c th i sinh ho t và cơng nghi p

Vi c xác đ nh oxy hịa tan th ng đ c s d ng cho các m c đích khác nhau Nĩ là

m t trong nh ng thí nghi m đ n l quan tr ng nh t mà ng i k s mơi tr ng s

d ng Trong h u h t các tr ng h p liên quan đ n vi c ki m sốt ơ nhi m các dịng

ch y, nĩ là s mong mu n đ duy trì đi u ki n thu n l i cho vi c t ng tr ng và sinh

s n c a qu n th cá và các lo i sinh v t n c khác

Vi c xác đ nh oxy hịa tan ph c v nh c s c a thí nghi m BOD; vì v y, chúng là c

s c a h u h t các thí nghi m phân tích quan tr ng đ c s d ng đ đánh giá n ng đ

ơ nhi m c a n c th i sinh ho t và cơng nghi p T c đ oxy hĩa sinh hĩa cĩ th đ c

đo b ng vi c đ nh l ng oxy d trong h th ng th i gian nh t đ nh

Các quá trình x lý hi u khí ph thu c vào oxy hịa tan và thí nghi m cho nĩ là c n thi t

nh cơng c ki m sốt t c đ th i khí đ làm ch c ch n r ng kh i l ng khơng khí

đ c cung c p đ đ duy trì đi u ki n hi u khí và c ng đ tránh vi c s d ng quá m c khơng khí và n ng l ng

Oxy là y u t quan tr ng trong quá trình n mịn s t và thép, đ c bi t trong h th ng phân ph i n c và trong lị h i Tách oxy t n c c p cho lị h i b ng ph ng pháp

v t lý và hĩa h c là th c t th ng g p trong cơng nghi p và n ng l ng Thí nghi m oxy hịa tan ph c v nh ph ng ti n ki m sốt

C n ph i c n tr ng trong khi l y m u đ xác đ nh oxy hịa tan Trong h u h t các

tr ng h p, m c đ oxy hịa tan s th p h n bão hịa và vi c ti p xúc v i khơng khí s

d n đ n làm sai k t qu Vì lý do này, thi t b l y m u đ c bi t t ng t nh thi t b

đ c mơ t trong “Standard Methods” là c n thi t T t c các m u nh v y đ c thi t

k d a trên nguyên t c là vi c ti p xúc v i khơng khí là khơng th tránh đ c trong th i gian chai l y m u đ c làm đ y

H u h t các m u n c dùng đ xác đ nh oxy hịa tan đ c thu gom t i hi n tr ng,

đĩ khơng thu n ti n đ thu n ti n đ th c hi n tồn b các xác đ nh Vì giá tr oxy cĩ

th thay đ i m t cách d dàng theo th i gian do ho t đ ng sinh h c, n u m u n c khơng đ c n đ nh ngay sau khi l y m u Qui trình bình th ng là x lý m u v i các

lo i hĩa ch t thơng d ng đ c s d ng trong thí nghi m xác đ nh oxy hịa tan và sau

đĩ ti n hành đ nh phân khi m u n c đ c mang v phịng thí nghi m Qui trình này

s cho k t qu th p đ i v i các m u n c cĩ nhu c u iot cao và trong tr ng h p này,

t t h n là b o qu n m u b ng cách thêm vào 0,7 mL acid sulfuaric đ m đ c và 0,02 g natri azide Khi th c hi n đi u này xong, c n ph i cho thêm 3 mL iot ki m (alkali - iodide) thay vì bình th ng là 2 mL vì m u ch a m t l ng acid d K t qu t t h n

c ng thu đ c n u m u “ n đ nh” đ c gi trong phịng t i và trong n c đã cho đ n

Trang 5

4-5

khi vi c phân tích cĩ th đ c hồn thành Vi c x lý hĩa h c s d ng trong “ n đ nh”

là đ đ d ng t t c các ho t đ ng sinh h c và vi c đ nh phân cu i cùng cĩ th đ c

th c hi n sau đĩ 6 gi

H u h t các ph ng pháp xác đ nh oxy hịa tan ph thu c vào ph n ng gi i phĩng ra

kh i l ng iod t ng đ ng v i kh i l ng oxy hi n di n ban đ u, cùng v i vi c đo

ti p theo kh i l ng iod gi i phĩng ra b ng dung d ch chu n Thiosulfate natri là ch t

kh th ng đ c s d ng và dung d ch tinh b t đ c s d ng đ xác đ nh đi m k t thúc T t c các ph n ng trong thí nghi m oxy hịa tan liên quan đ n quá trình oxy hĩa

và kh Tuy nhiên, tinh b t đ c s d ng nh ch t ch th đi m k t thúc và t o thành

ph c iod - tinh b t v i iod t do t dung d ch lỗng đ t o thành màu xanh và chuy n thành khơng màu khi t t c iod t do b kh thành ion iod

L a ch n dung d ch Thiosulfate N/40

Tr ng l ng t ng đ ng c a oxy là 8 Vì n ng đ (normality) c a h u h t các ch t

đ nh phân s d ng trong phân tích n c và n c th i đ c đi u ch nh sao cho m i millilit dung d ch chu n t ng đ ng v i 1,0 mg c a ch t đ c đo, nh v y s d ng dung d ch thiosulfate N/8 Vì v y, khi dung d ch thiosulfate N/40 (N/8 x 1/5) đ c s

d ng đ đ nh phân 200 mL m u, giá tr oxy hịa tan tính b ng milligram trên lít là t ng

đ ng v i th tích đ nh phân tính b ng miliilit i u này lo i b s tính tốn khơng c n thi t

Chu n b và chu n dung d ch thiosulfate N/40 (0,025 N)

Sodium thiosulfat (Na2S2O3.5H2O) cĩ th t n t i d i d ng tinh khi t Tuy nhiên, do

cĩ ch a g c n c, nĩ cĩ th b khơ đi đ t o thành h p ch t cĩ thành ph n xác đ nh và

th m chí cĩ th m t n c ngay nhi t đ phịng trong đi u ki n đ m th p Do v y,

c n ph i đi u ch thiosulfat d i d ng dung d ch cĩ n ng đ cao h n n ng đ c n thi t

và chu n l i chúng m i khi s d ng

Kh i l ng đ ng l ng sodium thiosulfate khơng th đ c tính d a vào cơng th c

c a nĩ và s thay đ i hĩa tr c a nh ng ch t kh Chúng cĩ th đ c tính tốn d a vào các ch t oxy hĩa nh trong tr ng h p iodine

2Na2S2O3.5H2O + I2 å Na2S4O6 + 2NaI + 10H2O (4 - 1)

T Ph ng trình (4 - 1) cĩ th tính là m i phân t thiosulfate natri (Na2S2O3.5H2O) thì

t ng đ ng v i m t nguyên t iodine Khi m i nguyên t iodine nh n m t electron trong quá trình ph n ng đ t o thành ion iodine, cĩ ngh a là m i phân t thiosulfate cung c p m t đi n t khi oxy hĩa thành tetrathionate hay,

2S2O32- + I2 å S4O62- + 2I- (4 - 2)

Trang 6

4-6

T nh ng lý do trên, cĩ th k t lu n là kh i l ng đ ng l ng c a thiosulfate natri

b ng v i kh i l ng phân t ; và nên s d ng m t l ng d b ng kho ng 1/40 c a

kh i l ng phân t , (kho ng 6,205 g) đ đi u ch m t lít dung d ch cĩ n ng đ l n h n N/40 m t chút Thơng th ng thì 6,5 g là đ

Dung d ch thiosulfate cĩ th đ c chu n b ng potassium dichromate ho c potassium bi

- iodate C hai cĩ th t n t i d ng tinh khi t 100% Thơng th ng đi u ch dung d ch N/40 b ng cách cân chính xác tinh th b ng cân phân tích và pha lỗng chúng v i m t

th tích xác đ nh b ng bình đ nh m c C hai ch t chu n này ph n ng v i ion iodide trong dung d ch acid đ gi i phĩng iodine:

Cr2O72- + 6I- + 14H+ å 2Cr3+ + 3I2 + 7H2O (4 - 3) 2IO3- + 10I- + 12H+ å 6I2 + 6H2O (4 - 4)

L ng iodine gi i phĩng b ng v i l ng ch t oxy hĩa s d ng Do đĩ, n u s d ng 20

ml K2Cr2O7 N/40 hay KIO3.HIO3 thì s cĩ chính xác 20ml N/40 dung d ch thiosulfat

đ c s d ng trong chu n đ

Ph n ng gi a Cr2O72- và I- khơng x y ra ngay l p t c mà c n cĩ kho ng 5 phút đ hồn t t ph n ng S n ph m Cr3+ cho màu xanh greenish-blue v i tinh b t i u này

cĩ th kh c ph c b ng cách pha lỗng m u tr c khi chu n đ Chu n đ b ng potassium bi - iodate đ c s d ng ph bi n và nĩ là ch t chu n duy nh t đ c gi i thi u trong “Standard Methods”

Dung d ch thiosulfate b nh h ng b i ho t đ ng c a vi khu n và b i CO2 Vi khu n sulfur oxi hĩa thiosulfate thành sulfate d i đi u ki n k khí CO2 làm gi m pH là nguyên nhân c a s phân h y ion thiosulfate thành SO32- và S Các ion SO32- bi n đ i thành SO42- d i tác d ng c a oxy hịa tan b o qu n dung d ch thiosulfat kh i nh

h ng c a vi khu n và CO2 ta cĩ th cho vào dung d ch 0,4g NaOH/ Lit K t qu là pH cao phịng tránh s t ng tr ng c a vi khu n và gi cho pH khơng b t t xu ng khi cĩ

m t l ng nh th a CO2 trong dung d ch Tránh hi n t ng th a NaOH vì đi u này

c ng cĩ th làm dung d ch m t tính n đ nh

Ph ng pháp đo oxy hịa tan c đi n đ c th c hi n b ng cách đ t nĩng m u đ đu i khí hịa tan và xác đ nh oxy t m u khí thu đ c này nh áp d ng ph ng pháp phân tích khí Ph ng pháp này địi h i m t l ng m u l n và th i gian th c hi n dài

Ph ng pháp Winkler hay Iodometric và nh ng c i bi n c a chúng là nh ng k thu t tiêu chu n đ xác đ nh oxy hịa tan hi n nay Vi c xét nghi m tùy thu c vào l ng O2 oxy hĩa Mn2+ t o thành m t tr ng thái hĩa tr cao h n d i đi u ki n ki m và manganese tr ng thái này cĩ kh n ng oxy hĩa I- thành I2 trong mơi tr ng acid Do

đĩ, l ng I2 đ c gi i phĩng b ng v i l ng oxy hịa tan hi n di n trong m u Iodine

đ c đo v i dung d ch tiêu chu n thiosulfate natri và đ c g i tên là oxy hịa tan

Ph ng pháp Winkler

Trang 7

4-7

Ph ng pháp Winkler nguyên g c b nh h ng c a r t nhi u ch t làm cho k t qu khơng chính xác Ví d : m t s ch t oxy hĩa nh nitrite và Fe3+ cĩ th oxy hĩa I- thành

I2 làm cho k t qu cao h n, các ch t kh nh Fe2+, SO32-, S2-, và polythionate kh I2

thành I- và làm cho k t qua nh đi Ph ng pháp Winkler nguyên g c ch cĩ th đ c

áp d ng v i n c tinh khi t

Các ph n ng trong ph ng pháp Winkler g m:

(kết tủa trắng)

Mn2++ 2OH-åMn(OH)2 ↓ (4 – 5)

N u khơng cĩ oxy hi n di n, k t t a tr ng Mn(OH)2 s đ c hình thành khi thêm vào

m u MnSO4 và alkali-iodine reagent (NaOH + KI) N u oxygen hi n di n trong m u,

m t s Mn (II) đ c oxy hĩa thành Mn(IV) và t o k t t a nâu Ph ng trình ph n ng

nh sau:

Mn2+ + 2OH- + ½O2 å MnO2 ↓ + H2O (4 - 6) hay Mn(OH)2 + ½O2 å MnO2 ↓ + H2O (4 - 7)

Quá trình oxy hĩa Mn(II) thành MnO2, ng i ta th ng g i là s c đ nh oxy, quá trình

x y ra ch m, đ c bi t là nhi t đ th p C n ph i l c m nh m u ít nh t trong 20 giây Trong tr ng h p n c h i m n hay n c bi n thì c n ph i l c lâu h n

Sau khi l c m u m t th i gian đ đ t t c oxy ph n ng, các k t t a đ c phép l ng

đ phân thành 2 l p ít nh t là cách b m t n c s ch 5 cm k t đ nh, sau đĩ thêm acid sulfuric vào Trong đi u ki n pH th p cho k t qu là oxy hĩa I- thành I2

MnO2 ↓ + 2I- + 4H+ å Mn2+ + I2 + 2H2O (4 - 8) I2 khơng hịa tan trong n c, nh ng d ng ph c v i iodine th a t o thành d ng hịa tan tri - iodate, do đĩ tránh th t thốt I2 kh i dung d ch:

I2 + I- å I3- (4 - 9)

Nên đ y kín m u và l c ít nh t trong 10 giây đ ph n ng x y ra hồn tồn

Bây gi m u đã s n sàng đ chu n đ v i thiosulfate N/40 S d ng thiosulfate N/40

đ chu n 200 mL m u Thêm vào các ch t s d ng trong ph ng pháp Winkler, ph i pha lỗng m u do đĩ c n ph i l y m t l ng m u l n h n 200 mL đ chu n Khi s

d ng chai 300 mL c n dùng 2 mL MnSO4 và 2 mL alkali-KI Khi cho 4ml dung d ch này vào ph i thao tác sao cho chúng đ y x p x 4ml m u t trong chai ra ngồi và c n ph i

hi u ch nh l i Khi cho vào 2 mL acid, khơng x y ra s oxy hĩa, do v y khơng c n ph i

hi u ch nh cho thao tác này th c hi n vi c hi u ch nh khi cho vào 2 ch t ph n ng

đ u tiên ta s d ng 203ml m u đ chu n đ

Trang 8

4-8

Chu n 200 mL m u v i thiosulfate N/40, t đĩ tính l ng oxygen mg/L

Bi n đ i Azide c a ph ng pháp Winkler

Ion nitrite là m t trong nh ng ion th ng g p gây nh h ng trong quá trình xác đ nh oxy hịa tan Aûnh h ng này x y ra trong n c sau khi x lý sinh h c, trong n c sơng và trong m u BOD Nĩ khơng oxy hĩa Mn2+ nh ng nĩ oxy hĩa I- thành I2 trong mơi tr ng acid Nĩ th ng gây nh h ng b i tính kh c a nĩ, N2O2, đ c oxy hĩa

b i oxygen đi vào trong m u trong khi chu n đ , nĩ chuy n hĩa thành NO2- và gây bi n

đ i chu k ph n ng đ n n i cĩ th d n đ n sai k t qu phân tích (th ng làm t ng k t

qu phân tích) Các ph n ng bao g m:

2NO2- + 2I- + 4H+ å I2 + N2O2 + 2H2O (4 - 10)

và N2O2 + ½O2 + H2O ( 2NO2- + 2H+ (4 - 11)

Khi cĩ s hi n di n c a nitrite thì khơng th cĩ s n ph m cu i c đ nh Ngay l p t c, màu xanh c a ch th tinh b t bi n m t, nh ng d ng nitrite t ph ng trình ph n ng s

ph n ng v i nhi u I- t o thành I2 và màu xanh c a h tinh b t s quay tr l i

Hi n t ng Nitrite d dàng kh c ph c b ng cách s d ng sodium azide (NaN3) R t d

tr n azide vào alkali-KI Khi thêm acid sulfuric vào các ph n ng ti p theo x y ra và

NO2- b phá h y:

NaN3 + H+ å HN3 + Na+ (4 - 12)

HN3 + NO2- + H+ å N2 + N2O + H2O (4 - 13)

B ng cách này, nh h ng c a nitrite đ c ng n ch n và ph ng pháp Winkler tr nên đ n gi n và ph bi n

S d ng màng đi n c c đ đo DO ngày càng đ c ph bi n do s phát tri n c a chúng Lo i này đ c bi t h u hi u đ i v i vi c xác đ nh profile DO trong dịng ch y

i n c c cĩ th th p h n đ i v i s bi n đ i đ sâu và n ng đ DO, cĩ th đ c t màn hình n i v i đi n c c trên b m t dịng ch y Chúng c ng cĩ th l l ng trong b x lý sinh h c đ giám sát m c DO m i th i đi m T c đ s d ng oxygen sinh h c c ng

cĩ th đ c xác đ nh b i v trí l y m u ch t l ng trong 1 chai BOD và sau đĩ đ a đi n

c c vào đ quan sát t c phá h y oxygen Chúng c ng cĩ th đ c s d ng đ đo nhanh DO khi ki m đ nh BOD u đi m c a nĩ s th y rõ khi ph i phân tích m t l ng

m u l n Kh n ng d mang theo khi đi đo đ c làm cho màng đi n c c tr thành m t thi t b tuy t v i

Màng đi n c c th ng đ c ki m tra b ng cách đo m u đã đ c phân tích ch tiêu DO

b i ph ng pháp Winkler Do đĩ, m i l i t k thu t phân tích Winkler s đ c hồn thi n b ng đi n c c Trong su t quá trình đo DO, m t v n đ r t quan tr ng là m u ph i

Trang 9

4-9

di chuy n qua đi n c c đ tránh đ c ch m k t qu n u oxygen b phá h y ngay t i màng khi nĩ b gi m cathode Màng đi n c c r t nh y v i nhi t đ do đĩ nhi t đ đo xung quanh ph i t ng đ ng v i đo DO Vì v y, c n ph i chính xác ho c thi t b ph i

đ c ch t o cùng v i thi t b đo nhi t đ

4.7 ÁP D NG S LI U OXY HỊA TAN

S li u oxy hịa tan đ c s d ng r ng rãi trong nhi u l nh v c Nhi u ng d ng đ c

th o lu n d i các đi u ki n t ng quát trong M c 4.1

Tiêu đề	Oxy Hòa Tan
Tác giả	Huỳnh Ngọc Phương Mai
Trường học	Công Ty Môi Trường T M Nhân Xanh Gree
Thể loại	Tài liệu
Năm xuất bản	2006
Thành phố	Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	9
Dung lượng	265,18 KB