Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường 1 - Chương 15: Phốt pho và phốt phát

2/27/2009

Giaùo trình hoùa kó thuaät moâi tröôøng

Phoát pho vaø Phoát phaùt

1

Ñaïi cöông veà phospho vaø caùc hôïp chaát cuûa noù

Phospho xaâm nhaäp vaøo nöôùc coù nguoàn goác töø nöôùc thaûi ñoâ thò, phaân

hoùa hoïc cuoán troâi töø ñaát, nöôùc möa hoaëc phospho traàm tích hoøa tan

trôû laïi. Quaù trình chuyeån hoùa phospho trong nöôùc theå hieän theo chu

trình sau:

2

1

2/27/2009

Ñaïi cöông veà phospho vaø caùc hôïp chaát cuûa no (tt)ù

Phospho coù trong nöôùc thöôøng ôû caùc daïng:

-

3-

Ortho-phosphate: Muoái phoát phaùt cuûa axit phosphoric (H₂PO₄, HPO₄^2-, PO₄

)

töø caùc loaïi phaân boùn, xaùc ñoäng vaät ñaëc bieät laø toâm caù thoái röûa haáp thuï

trong ñaát seùt hoaëc phöùc chaát vôùi caùc chaát raén.

Polyphosphat töø caùc chaát taåy röûa: pyrometaphosphat Na₂(PO₄)₆

tripolyphosphat Na₅P₃O₁₀

, pyrophosphat Na₄P₂O₇. Ñaây laø nhöõng daïng

phospho voâ cô

Caùc hôïp chaát phospho höõu cô:

Phoát pho höõu cô hoøa tan.

Phospho höõu cô lieân keát toàn taïi nhö moät thaønh phaàn sinh khoái cuûa thöïc

vaät, ñoäng vaät, vaø vi khuaån.

Phospho höõu cô khoâng lieân keát döôùi daïng hôïp chaát höõu cô khoâng hoøa

tan hoaëc daïng keo. Noù laø saûn phaåm cuûa söï phaân huûy sô boä phospho

lieân keát.

Trong taát caû caùc daïng polyphosphat ñeàu coù theå chuyeån hoùa veà

orthophosphat trong moâi tröôøng nöôùc, ñaët bieät laø ôû ñieàu kieän moâi tröôøng axit

vaø nhieät ñoä cao (nhaát laø ôû ñieåm soâi).

3

Ñaïi cöông veà phospho vaø caùc hôïp chaát cuûa no (tt)ù

Noàng ñoä phosphat trong nguoàn nöôùc khoâng bò oâ nhieãm thöôøng nhoû hôn 0,01

mg/l, chuû yeáu laø daïng orthophosphat. ÔÛ nhöõng vuøng soâng ngoøi oâ nhieãm bôûi

nöôùc thaûi sinh hoaït vaø noâng nghieäp, noàng ñoä phospho coù theå lôùn hôn 0,5 mg/l.

Phosphat coù nhieàu trong phaân ñoäng vaät vaø con ngöôøi; trong nöôùc thaûi cuûa nhaø

maùy saûn xuaát phaân boùn, thuoác baûo veä thöïc vaät, chaát taåy giaëc, chaát öùc cheá aên

moøn vaø xí nghieäp cheá bieán thöïc phaåm ñaëc bieät laø cheá bieán thuûy saûn.

Hôïp chaát phospho voâ cô trong ñaát phaàn lôùn laø loaïi khoâng tan, vì vaäy nöôùc ngaàm

chöùa raát ít phosphat.

Khi xaùc ñònh haøm löôïng phospho trong nöôùc, ngöôøi ta coù theå phaân ra theo caùc

chæ tieâu:

Toång phospho trong hôïp chaát höõu cô vaø voâ cô ñoái vôùi maãu khoâng loïc).

Toång phospho trong hôïp chaát höõu cô vaø voâ cô ñoái vôùi maãu ñaõ ñöôïc loïc.

Toång phospho trong hôïp chaát höõu cô vaø voâ cô trong traïng thaùi khoâng tan.

Toång maãu hôïp chaát tan (ñaõ loïc) xaùc ñònh rieâng reõ daïng orthophospho vaø

pplyphospho.

4

2

2/27/2009

Ñaïi cöông veà phospho vaø caùc hôïp chaát cuûa no (tt)ù

5

Ñaïi cöông veà phospho vaø caùc hôïp chaát cuûa no (tt)ù

Trong lónh vöïc caáp nöôùc:

Polyphosphate ñöôïc söû duïng trong nöôùc caáp nhö laø moät nhaân toá kieåm soaùt

söï aên moøn. Chuùng cuõng ñöôïc söû duïng cho caùc daïng nöôùc meàm ñeå oån ñònh

haøm löôïng calcium carbonate nhaèm loaïi boû söï taùi taïo muoái carbonate.

Beà maët cuûa nöôùc caáp laø nôi phaùt trieån cuûa moät soá vi sinh vaät nöôùc:

Nhöõng sinh vaät noåi ñöôïc goïi laø phieâu sinh (plankton) vaø ñaây laø loaøi sinh

vaät raát ñöôïc caùc kyõ sö moâi tröôøng quan taâm.

Nhöõng phieâu sinh ñoäng vaät (zooplankton) vaø nhöõng phieâu sinh thöïc vaät

(phytoplankton).

Taûo phaùt trieån maïnh vaø phuï thuoäc vaøo nhöõng nguyeân toá dinh döôõng

trong nöôùc.

Nhieàu nghieân cöùu ñaõ cho thaáy raèng nitrogen vaø phosphorus laø 2 nguyeân toá

aûnh höôûng leân söï taêng tröôûng cuûa taûo vaø vi khuaån vaø khi löôïng nguyeân toá

naøy bò giôùi haïn thì noù cuõng laø nhaân toá giôùi haïn toác ñoä taêng tröôûng vaø phaùt

trieån cuûa taûo vaø vi khuaån.

ÔÛ nhöõng nôi coù haøm löôïng nitrogen vaø phosphorus cao laøm thuùc ñaåy hieän

töôïng nôû hoa cuûa taûo gaây taùc ñoäng xaáu ñeán moâi tröôøng.

Kinh nghieäm cho thaáy raèng hieän töôïng nôû hoa khoâng theå xaûy ra khi haøm

löôïng nitrogen hoaëc phosphorus hoaëc caû hai bò giôùi haïn. Möùc tôùi haïn cho

phosphorus voâ cô vaøo khoaûng 0,005 mg/L hoaëc 5μ/L trong ñieàu kieän taêng

6

tröôûng muøa heø.

3

2/27/2009

Ñaïi cöông veà phospho vaø caùc hôïp chaát cuûa no (tt)ù

Trong lónh vöïc xöû lyù nöôùc thaûi:

Nöôùc thaûi sinh hoaït raát giaøu caùc hôïp chaát phospho. Chuû yeáu laø ôû trong nöôùc

taåy röûa toång hôïp, chöùa khoaûng töø 2 – 3 mg/L vaø nhöõng hôïp chaát voâ cô

khaùc chieám khoaûng töø 0,5 – 1 mg/l. Haàu heát nhöõng phospho voâ cô coù ñöôïc

laø töø chaát thaûi cuûa con ngöôøi do quaù trình phaân huûy protein vaø söï giaûi phoùng

phosphat töø nöôùc tieåu.

Haàu heát boät giaët toång hôïp sieâu caáp ñöôïc saûn xuaát cho thò tröôøng gia duïng

chöùa moät löôïng lôùn polyphosphat. Ña soá trong chuùng chöùa töø 12 – 13%

phosphorus hoaëc hôn 50% polyphosphat. Söû duïng nhöõng nguyeân lieäu naøy

nhö laø moät chaát thay theá cho xaø phoøng ñaõ laøm gia taêng löôïng phospho

trong nöôùc thaûi sinh hoaït.

Vi sinh vaät trong caùc quaù trình xöû lyù nöôùc thaûi sinh hoïc caàn moät löôïng

phospho ñeå taùi taïo vaø toång hôïp moâ teá baøo môùi. Nöôùc thaûi ñoâ thò chöùa moät

löôïng phospho vöôït quaù möùc yeâu caàu ñeå xöû lyù moät löôïng giôùi haïn chaát höõu

cô. Söï vieäc naøy ñöôïc lyù giaûi döïa treân löôïng phospho coù trong nöôùc ñaàu ra

sau khi xöû lyù cuûa caùc coâng trình xöû lyù nöôùc thaûi sinh hoïc.

Tuy nhieân, nhieàu loaïi nöôùc thaûi coâng nghieäp khoâng chöùa ñuû löôïng phospho

caàn cho söï phaùt trieån toái öu cuûa vi sinh vaät trong quaù trình xöû lyù nöôùc thaûiù.

Trong nhöõng tröôøng hôïp naøy, löôïng thieáu huït ñöôïc cung caáp baèng caùch

theâm phosphat voâ cô vaøo.

7

Ñaïi cöông veà phospho vaø caùc hôïp chaát cuûa no (tt)ù

Trong lónh vöïc xöû lyù buøn thaûi:

Moät vaán ñeà chính trong xöû lyù nöôùc thaûi laø tính chaát cuûa buøn sau caùc

quaù trình xöû lyù hieáu khí vaø kî khí.

Nhöõng buøn naøy chöùa moät löôïng lôùn nitrogen vaø phospho ñaùp öùng

cho muïc ñích dinh döôõng.

Toång haøm löôïng phospho chöùa trong buøn trung bình khoaûng 1% vaø

1,5% trong buøn hoaït tính khoâ.

Trong lónh vöïc caáp nhaie65t cho noài hôi:

Phöùc hôïp phosphat ñöôïc söû duïng roäng raõi trong ngaønh coâng

nghieäp naêng löôïng hôi nöôùc ñeå choáng ñoùng caën trong caùc noài hôi.

Neáu söû duïng phosphat daïng phöùc, chuùng nhanh choùng ñöôïc thuûy

phaân thaønh nhöõng orthophosphat ôû nhieät ñoä cao. Giaùm saùt löôïng

phosphat thoâng qua vieäc xaùc ñònh haøm löôïng orthophosphat.

8

4

2/27/2009

ÝYÙ nghóa moâi tröôøng

Hôïp chaát phospho töï nhieân khoâng ñoäc haïi, chæ coù moät soá loaïi toång

hôïp este trung tính cuûa axit phosphoric duøng laøm hoùa chaát baûo veä

thöïc vaät laø coù ñoäc tính cao.

Phospho laø nguyeân nhaân chính gaây ra hieän töôïng taûo nôû hoa ôû moät

soá nguoàn nöôùc maët, gaây ra hieän töôïng taùi nhieãm baån, nguoàn nöôùc

coù maøu vaø muøi khoù chòu.

Moät soá hôïp chaát phospho quan troïng trong trong kyõ thuaät moâi

tröôøng:

Teân

Coâng thöùc

Orthophosphates

Trisodium phosphate

Disodium phosphate

Monosodium phosphate

Diammonium phosphate

Polyphosphates

Na₃PO₄

Na₂HPO₄

NaH₂PO₄

(NH₄)₂HPO₄

Sodium hexametaphosphate

Sodium tripolyphosphate

Tetrasodium pyrophosphate

Na₃(PO₄)₆

Na₅P₃O₁₀

Na₄P₂O₇

9

ÝYÙ nghóa moâi tröôøng (tt)

Taát caû nhöõng polyphosphat (nhöõng phaân töû thuûy phaân thaønh phosphat)

thuûy phaân hoaøn toaøn trong dung dòch nöôùc vaø trôû laïi thaønh nhöõng daïng

ortho maø chuùng baét nguoàn.

Na₄P₂O₇+ H₂O → 2Na₂HPO₄

Toác ñoä trôû laïi nguyeân maãu laø phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä vaø noù seõ gia taêng

nhanh khi nhieät ñoä tieán ñeán gaàn ñieåm soâi. Toác ñoä naøy cuõng gia taêng khi

giaûm pH vaø öu ñieåm laø noù giöõ ñuùng nguyeân traïng ôû nhöõng maãu chuaån

bò ñeå xaùc ñònh haøm löôïng phosphat phöùc.

Söï thuûy phaân nhöõng phosphat phöùc cuõng chòu aûnh höôûng bôûi enzyme

cuûa vi sinh vaät. Toác ñoä trôû laïi nguyeân maãu raát chaäm trong nöôùc loïc vaø

nhanh hôn trong nöôùc thaûi.

Kinh nghieäm cho thaáy raèng trong moät soá loaïi nöôùc pyrophosphat thuûy

phaân nhanh hôn tripolyphosphat, trong moät soá loaïi nöôùc khaùc thì toác ñoä

thuûy phaân laø nhö nhau. Coù nhöõng chaát ñoøi hoûi nhieàu giôø thaäm chí nhieàu

ngaøy ñeå chuyeån hoùa hoaøn toaøn polyphosphat thaønh orthophosphat,

ñaëc bieät ôû nhieät ñoä thaáp hoaëc ôû pH cao.

Ñeå xaùc ñònh phosphorus hay phosphate phaûi bao goàm caû vieäc xaùc

ñònh polyphosphat neáu muoán vieäc ño toång caùc daïng voâ cô ñöôïc chính

xaùc.

10

5

2/27/2009

Öùng duïng trong vieäc xaùc ñònh phospho

Soá lieäu veà phopho trôû neân raát quan troïng ñoái vôùi kyõ sö moâi tröôøng khi hoï

ñaùnh giaù söï coù maët cuûa chuùng nhö nhaân toá quan troïng taát yeáu cuûa chu kyø

soáng.

Tröôùc ñaây, thoâng soá naøy ñöôïc söû duïng ñeå giaùm saùt haøm löôïng phosphat

trong lónh vöïc caáp nöôùc nöôùc ñeå traùnh söï aên moøn vaø ñeå traùnh caën ræ trong

noài hôi.

Vieäc xaùc ñònh phospho trôû neân raát quan troïng trong vieäc ñaùnh giaù hieäu suaát

cuûa heä thoáng xöû lyù nöôùc thaûi vaø quy ñònh haøm löôïng phopho coù theå xaû vaøo

nguoàn tieáp nhaän.

Haøm löôïng phospho trong nguoàn nöôùc töï nhieân (nhö nöôùc soâng, suoái, ao,

hoà,...) ñöôïc söû duïng nhö moät thoâng soá ñaùnh giaù khaû naêng töï laøm saïch

nguoàn nöôùc.

Xaùc ñònh haøm löôïng phosphorus laø coâng vieäc thöôøng xuyeân trong quaù trình

vaän haønh heä thoáng xöû lyù nöôùc thaûi vaø trong quaù trình nghieân cöùu oâ nhieãm

doøng chaûy ôû nhieàu nôi.

Phosphorus laø nguoàn dinh döôõng caàn thieát trong caùc phöông phaùp sinh hoïc

xöû lyù nöôùc thaûi, vieäc xaùc ñònh noù coù lieân quan ñeán nhieàu chaát thaûi coâng

nghieäp vaø trong quaù trình hoaït ñoäng cuûa caùc coâng trình xöû lyù chaát thaûi.

11

Phöông phaùp xaùc ñònh caùc hôïp chaát cuûa phospho

Xaùc ñònh Orthophosphat

Löôïng phosphorus toàn taïi döôùi daïng orthophosphate coù theå ñöôïc

ño baèng nhöõng phöông phaùp: troïng löïc, theå tích, so maøu.

Phöông phaùp troïng löïc ñöôïc söû duïng khi haøm löôïng phospho hieän dieän

lôùn, nhöng ñieàu naøy khoâng xaûy ra trong thöïc teá.

Phöông phaùp theå tích ñöôïc söû duïng khi noàng ñoä phosphat lôùn hôn 50

mg/L, nhöng noàng ñoä naøy hieám gaëp tröø tröôøng hôïp nöôùc soâi hay

chuyeån hoùa kî khí nhöõng chaát noåi. Phöông phaùp naøy goàm: keát tuûa, loïc,

laøm saïch keát tuûa vaø chuaån ñoä. Phöông phaùp naøy toán nhieàu thôøi gian.

Phöông phaùp so maøu ñeå ño nöôùc vaø nöôùc thaûi coù theå ñöôïc thoûa maõn

vôùi moät ñoä chính xaùc cao.

Coù ba phöông phaùp so maøu ñöôïc söû duïng ñeå ño orthophosphat.

Chuùng coù cuøng baûn chaát vôùi nhöõng nguyeân taéc treân nhöng khaùc

ôû choã laø noù theâm vaøo moät soá nguyeân toá töï nhieân ñeå taïo maøu.

Yeáu toá hoùa hoïc caàn thieát nhö: ion phosphat keát hôïp vôùi

ammonium molybdate trong ñieàu kieän acid ñeå taïo thaønh phöùc

chaát molybdophosphat.

3-

PO₄+ 12(NH₄)₂MoO₄+ 24H⁺→ (NH₄)₃PO₄.12MoO₃+ 21NH₄+ + 12H₂O

12

6

2/27/2009

Phöông phaùp xaùc ñònh phospho

Xaùc ñònh Orthophosphat (tt)

Khi hieän dieän moät löôïng phosphat lôùn, traïng thaùi cuûa molydophoste laø

nhöõng keát tuûa maøu vaøng coù theå ñöôïc loïc vaø ño baèng phöông phaùp theå

tích.

ÔÛ noàng ñoä phosphat thaáp hôn, taïo thaønh nhöõng haït keo maøu vaøng seõ

ñöôïc xaùc ñònh haøm löôïng baèng phöông phaùp so maøu.

Vôùi noàng ñoä phosphate döôùi 30 mg/L, maøu vaøng cuûa haït keo khoâng theå nhaän bieát

roõ vaø ñieàu naøy coù nghóa laø caàn phaûi phaùt trieån moät maøu khaùc.

Moät caùch caûi thieän laø theâm vanadium ñeå hình thaønh daïng phöùc hôïp

vanadomolybdophosphoric acid coù maøu vaøng roõ, cho pheùp phaân tích phophorus

vôùi haøm löôïng döôùi 1 mg/L hoaëc ôû nhöõng khoaûng thaáp hôn.

Löôïng molybdenum chöùa trong ammonium phosphomolybdate cuõng ñöôïc

giaûm ñeå taïo nhöõng saûn phaåm sol coù maøu xanh vôùi tæ leä töông öùng vôùi

löôïng phosphate hieän dieän.

Moät löôïng thöøa ammonium molydate khoâng bò giaûm ñi vaø do ñoù khoâng

can thieäp vaøo quaù trình. Ascorbic acid (C₆H₆O₆)hay stannous chloride coù

theå ñöôïc söû duïng nhö moät nhaân toá khöû. Hôïp chaát maøu ñöôïc taïo thaønh laø

xanh molybdeum hay xanh heteropoly. Clorua thieác ñöôïc söû duïng nhö

moät nhaân toá khöû coù theå ñöôïc moâ taû qua phöông trình:

(NH₄)₃PO₃.12MoO₃+ Sn²⁺→ molybdenum (xanh döông) + Sn⁴⁺

13

Phöông phaùp xaùc ñònh phospho (tt)

Xaùc ñònh Polyphosphat

Polyphosphat coù theå chuyeån hoùa thaønh orthophosphat baèng caùch ñun soâi

maãu ñaõ ñöôïc acid hoùa toái thieåu 90 phuùt. Löôïng xit thöøa theâm vaøo ñeå xuùc

taùc taêng toác ñoä thuûy phaân phaûi ñöôïc trung hoøa tröôùc khi tieáp tuïc theâm

dung dòch ammonium molybdate vaøo.

Löôïng orthophosphat xuaát phaùt töø polyphost ñöôïc ño baèng moät trong

nhöõng phöông phaùp keå treân. Löôïng polyphosphate ñöôïc tính nhö sau:

Toång haøm löôïng phosphat voâ cô – orthophosphate = polyphosphate

14

7

2/27/2009

Phöông phaùp xaùc ñònh phospho (tt)

Xaùc ñònh Phosphat höõu cô

Ñeå phaân tích phospho höõu cô coù trong chaát thaûi coâng nghieäp vaø

coù trong buøn ñoøi hoûi chaát höõu cô phaûi ñöôïc phaù huûy sao cho

phosphor ñöôïc giaûi phoùn.

Chaát höõu cô coù theå bò phaù huûy bôûi moät trong 3 phöông phaùp oxy

hoùa aåm hoaëc phöông phaùp chuyeån hoùa döôùi daïng ion phosphat.

Chaát oxi hoùa ñöôïc söû duïng laø a.xit sulfuric hay persulphate.

Axit perchloric laø chaát oxi hoùa maïnh nhaát, nhöng noù cuõng laø

chaát ñoäc haïi nhaát

Ñeå traùnh nguy hieåm töø nhöõng vuï noå, loaïi muû ñaëc bieät phaûi

ñöôïc söû duïng trong quaù trình chuyeån hoùa vaø phaûi theâm vaøo

moät soá hoùa chaát

Moät khi söï chuyeån hoùa ñaõ hoaøn taát, vieäc ño löôøng phospho giaûi

phoùng coù theå ñöôïc laøm baèng baát kyø moät phöông phaùp ño

orthophosphat naøo. Taát caû nhöõng daïng phospho (toång) ñöôïc ño

töø söï xaùc ñònh phospho höõu cô. Do vaäy, löôïng phosphorus höõu cô

ñöôïc tính nhö sau:

Toång phospho – phospho voâ cô = phospho höõu cô

15

Phöông phaùp xaùc ñònh phospho (tt)

caùc yeáu toá gaây caûn trôû:

Silic: Silic noàng ñoä tôùi 5 mg Si/l khoâng gaây nhieãu. Nhöng noàng ñoä cao hôn

seõ laøm taêng ñoä haáp thuï.

Asenat: Asenat taïo neân maøu töông töï nhö orthophosphat taïo ra. AÛnh

höôûng naøy coù theå loaïi tröø baèng caùch khöû asenat thaønh asenic vôùi

Na₂S₂O₃.

Hydro sunfua: Sunfua hydro vôùi noàng ñoä tôùi 2 mg S/l seõ khoâng aûnh höôûng

gì. Noàng ñoä cao hôn seõ laøm giaûm möùc cho pheùp baèng caùch cho khí nitô

ñi qua maãu ñaõ axit hoaù.

Flo: Flo vôùi noàng ñoä tôùi 70 mg F/l khoâng aûnh höôûng lôùn. Noàng ñoä cao hôn

200 mg/l seõ kìm haõm söï phaùt trieån maøu.

Caùc kim loaïi chuyeån tieáp:

Saét seõ aûnh höôûng tôùi ñoä maøu, nhöng vôùi noàng ñoä 10 mg Fe/l seõ aûnh

höôûng tôùi 5%. Vanadat laøm taêng maøu theo quan heä tuyeán tính

khoaûng 5% vôùi noàng ñoä 10 m V/l.

Crom (III) vaø crom (VI) vôùi noàng ñoä tôùi 10 mg/l khoâng gaây aûnh höôûng,

nhöng noàng ñoä 50 mg Cr/l seõ laøm taêng ñoä haáp thuï leân 5%.

Vôùi noàng ñoä ñoàâng tôùi 10 mg Cu/l khoâng haây aûnh höôûng.

Nitrit: Noàng ñoä nitrit treân 1 mg N/l seõ taïo neân söï baïc maøu. Löôïng Axit

sunfuric seõ phaân huyû nitrit. 100 mg axit seõ phaûn öùng vôùi NO₂noàng ñoä 10

mg N/l.

16

8