›
›

Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường 1 - Chương 7: PH - Độ acid – Độ kiềm - VFA

Download
Giaùo trình hoùa kó thuaät moâi tröôøng  
pH - Ñoä acid – Ñoä kieàm - VFA  
Hoaù Kyõ Thuaät Moâi Tröôøng  
1
pH – Acid - Kieàm  
pH = -log[H+]  
pH aûnh höôûng ñeán traïng thaùi caân baèng cuûa haàu heát caùc thaønh  
phaàn hoùa hoïc, aûnh höôûng ñeán quaù trình keo tuï, tính aên moøn cuûa  
nöôùc, ñieàu kieän soáng cuûa vi sinh vaät;  
Haèng soá phaân ly cuûa nöôùc:  
{H+}{OH-} = Kw ( = 1 x 10-14 ôû 25oC)  
pH + pOH = 14  
Acid maïnh/bazô maïnh phaân ly hoaøn toaøn trong ddòch loaõng  
2
1
pH – Acid – Kieàm (tt)  
Haèng soá phaân ly cuûa acid yeáu ôû 250C  
Acid  
Phöông trình caân baèng  
pKA  
YÙ nghóa trong KTMT  
CHC deå bay hôi  
Acetic  
CH3COOH ' H+ + CH3COO-  
NH4+ ' H+ + NH3  
4.74  
9.26  
Ammonium  
Nitrate hoùa  
Carbonic  
H2CO3 ' HCO3- + H+  
HCO3- ' CO32- + H+  
6.37  
Nhieàu öùng duïng (khöû saét, cöùng)  
Hydrocyanic  
HCN ' CN- + H+  
9.32  
7.04  
Ñoäc toá hoïc  
Hydrogen  
sulfide  
H2S ' S2- + 2H+  
KHöû muøi, aên moøn  
HS- ' H+ + S2-  
12.89  
7.54  
Hypochlorous  
HOCl ' H+ + Ocl-  
Khöû truøng  
3
pH – Acid – Kieàm (tt)  
Haèng soá phaân ly cuûa basô yeáu ôû 250C  
Basô  
Phöông trình caân baèng  
pKA  
YÙ nghóa trong KTMT  
Acetate  
CH3COO- + H2O ' CH3COOH + OH-  
9.26 CHC deå bay hôi  
+
+
Ammonia  
NH3 H2O ' H+ + NH4  
4.74 Nitrate hoùa, nitô HC  
2- +  
Carbonate  
CO3  
H2O ' HCO3- +OH-  
3.67 Nhieàu öùng duïng (khöû saét,  
cöùng)  
HCO3- + H2O ' H2CO3 + OH-  
CaOH+ ' Ca2+ + OH-  
7.63  
Ca;cium  
hydroxite  
Magnesium  
hyroxide  
1.46 Laøm meàm  
MgOH+ ' Mg2+ + OH-  
2.59 KHöû muøi, aên moøn  
4
2
pH – Acid – Kieàm (tt)  
Giaûi phöông trình caân baèng acid-bazô, döïa vaøo caùc yeáu toá  
sau:  
Moái quan heä caân baèng;  
Caân baèng ñieän tích;  
Caân baèng khoái löôïng vaø  
Ñieàu kieän proton.  
Hai phöông phaùp:  
Giaûi gaàn ñuùng (Approximate)  
Bieåu ñoà haøm löôïng log (Logarithmic Concentration Diagram)  
5
Heä soá hoaït tính ion  
Moái quan heä caân baèng (equilibrium relationship) thöôøng ñöôïc aùp  
duïng trong caân baèng muoái, acid, kieàm trong dung dòch  
Dung dòch coù nhieàu chaát phaân ly ion trôû neân caøng ñaäm ñaëc, khi  
ñoù aûnh höôûng veà löôïng cuûa chuùng ñeán traïng thaùi caân baèng trôû  
neân nhoû hôn khi tính toaùn vôùi töøng ñôn chaát.  
Æ haøm löôïng hieäu quaû (hoaït tính, activity) cuûa ion giaûm ñi so vôùi  
haøm löôïng mol thöïc teá.  
aA+ bB +... ⇔ cC + dD +...  
Moái quan heä caân baèng theå hieän qua phöông trình sau:  
c
[
C
] [  
D
d ...  
]
= K  
[
A]a [B b  
]
...  
6
3
Heä soá hoaït tính ion (tt)  
Ñeå keát quaû chính xaùc, hoaït tính ñöôïc ñöa vaøo phöông trình caân  
baèng:  
c
{
C
} {  
D
d ...  
}
= K  
a
{
A
} {  
B
b...  
}
Trong ñoù:  
{
A
}
= γ  
[
A]  
Heä soá hoaït tính laø yeáu toá chuyeån hoaù haøm löôïng thaønh giaù trò maø  
bieåu thò aûnh höôûng caân baèng thöïc veà löôïng.  
Khaùi nieäm cöôøng ñoä ion, μ laø ñaïi löôïng thöïc nghieäm ño söï  
töông taùc giöõa taát caû caùc ion trong dung dòch:  
1
μ =  
C Z 2  
∑
i i  
2
i
Trong ñoù: Ci – haøm löôïng mol cuûa ion thöù i  
Zi - Ñieän tích cuûa ion  
7
Heä soá hoaït tính ion (tt)  
Moái quan heä giöõa cöôøng ñoä ion vaø heä soá hoaït tính:  
μ
logγ = −0.5Z 2  
1+ μ  
Trong ñoù: Z – ñieän tích cuûa ion  
8
4
Thí duï 1: tính toaùn pH caân baèng  
Thí duï 1a: Tính toaùn pH caân baèng cuûa dung dòch khi cho acid  
acetic vaøo nöôùc vôùi haøm löôïng 10-2 M ôû 25oC. Boû qua hieäu  
chænh hoaït tính ion.  
Giaûi:  
Trong tröôøng hôïp CT = 10-2 > 10-7. Vì dung dòch ôû daïng acid, Coù  
theå giaû söû boû qua heä soá hieäu chænh hoaït tính, [H+] lôùn hôn (OH-)  
vaø [HAc] lôùn hôn [Ac-].  
Phöông trình caân baèng:  
[H+] (OH-) = Kw =10-14 (1)  
{
H + }{Ac−  
}
= KA =1.8×10−5  
(2)  
{
HAc  
}
9
Thí duï 1: tính toaùn pH caân baèng  
Caân baèng khoái löôïng:  
[HAc] + [Ac- ] = CT.HAC = 0.01 (3)  
Caân baèng ñieän tích vaø ñieàu kieän proton, vôùi H2O vaø HAc laø  
thaønh phaàn tham chieáu:  
[H+] = [OH-] + [Ac-]  
(4)  
Vôùi giaû thuyeát treân [H+] >> [OH-], phöông trình treân trôû thaønh:  
[H+] ≅ [Ac-]  
Ñaët x = [H+] = [Ac-] Î [Hac] = 0.01 – x, thay vaøo ph.trình (2) :  
x2  
=1.8×10−5  
0.01− x  
x2 +1.8×10−5 x −1.8×10−7 = 0  
Giaûi phöông trình Î x = 4.15 x 10-4 Î pH = 3.38  
Î [HAc] = 0.01 – 4.14 x 10-4 = 9.59 x 10-3  
10  
5
Thí duï 2: tính toaùn pH caân baèng (tt)  
Thí duï 2: Töông töï thí duï 1a, dung dòch chöùa 0.01 M NaCl vaø söû  
duïng heä soá hieäu chænh hoaït tính. NaCl phaân ly hoaøn toaøn trong  
nöôùc.  
{H+} {OH-} = Kw =10-14  
(1)  
{
H + }{Ac−  
}
= KA =1.8×10−5  
(2)  
{
HAc  
}
Caân baèng khoái löôïng:  
CT.HAC = 0.01 = [HAc] + [Ac- ]  
CT,Na = 0.01 = [Na]  
CT,Cl = 0.01 = [Cl
-
]  
Caân baèng ñieän tích:  
[H+] + [Na+] = [OH-] + [Ac-] + [Cl-]  
(3)  
Ñieàu kieän proton vôùi H2O vaø HAC laø thaønh phaàn tham chieáu:  
[H+] = [OH-] + [Ac-]  
11  
Thí duï 2: tính toaùn pH caân baèng (tt)  
Cöôøng ñoä ion ñöôïc tính ñeán khi theâm NaCl. Vì HAc laø acid  
yeáu, cöôøng ñoä ion cuûa noù coù theã boû qua [Ac-] ≅ 0:  
1
μ =  
C Z 2 = 0.5  
(
0.01  
(
1 2  
)
+ 0.01  
(
−1 2  
)
)
= 0.01M  
∑
i
i
2
i
Söû duïng phöông trình heä soá hoaït tính:  
μ
logγ = −0.5Z 2  
1+ μ  
0.01  
logγ = −0.5Z 2  
= −0.0455Z 2  
1+ 0.01  
Nhö vaäy vôùi ion coù Z=1 Î logγ = -0.0455 vaø γ = 0.9  
Giaû söû {H+} >>> {OH-} vì acid theâm vaøo, vaø [Na +] = [Cl-] = 0.01  
Caân baèng ñieän tích (phöông trình (3)) trôû traønh:  
[H+] ≅ [Ac-]  
12  
6
Thí duï 2: tính toaùn pH caân baèng (tt)  
Ñaët x = [H+] = [Ac-] Î Do [Hac] laø thaønh phaàn khoâng phaân ly,  
neân [Hac] = {Hac} = 0.01 – x, thay vaøo ph.trình (2):  
(0.9x)×(0.9x)  
=
1.8
×
10
−5  
0.01− x  
x2 + 2.22×10−5 x − 2.22×10−7 = 0  
Giaûi phöông trình Î x = 0.9 x 10-4 Î pH = 3.38  
13  
Phöông phaùp bieåu ñoà haøm löôïng logarith  
Bieåu ñoà ñöôïc veõ theo caùc phöông trình sau:  
Log[H+] = - pH  
Log[OH-] = pH – pKw  
Töø 2 phöông trình:  
{
H + }
{
Ac−  
}
= KA =1.8×10−5  
{
HAc  
}
[HAc] + [Ac- ] = CT.HAC = 0.01  
Ta coù:  
CT  
[
H +  
]
[
HAc  
]
=
(5)  
(6)  
KA +  
[
H +  
]
CT KA  
[
Ac−  
]
=
KA +  
[
H +  
]
14  
7
Phöông phaùp bieåu ñoà haøm löôïng logarith  
Log cuûa [Hac] vaø [Ac] laø nhöõng ñöôøng thaúng noái bôûi ñöôøng cong ngaén;  
Giao ñieåm giöõa hai ñöôøng thaúng goïi laø ñieåm heä thoáng ôû ñoù pH = pKA;  
Beân traùi ñieåm heä thoáng [H+] >> KA, ptrình (5) vaø (6) trôû thaønh:  
Log[HAc]
≅
logC
T  
(6)  
Log[Ac-] ≅ logCT – pKA + pH  
(7)  
Beân phaûi ñieåm heä thoáng [H+] <<< KA, ptrình (5) vaø (6) trôû thaønh:  
Log[HAc] ≅ logCT + pKA - pH  
(8)  
Log[Ac-] ≅ logCT  
(9)  
P.trình (6) vaø (9) laø ñöôøng thaúng naèm ngang, p.trình (7), (8) laø ñöôøng  
thaúng coù ñoä doác (+1) vaø (-1) töông öùng;  
Ñieåm heä thoáng coù [HAc] = [Ac] = 1/2CT Î  
log [Ac] = log [Hac] = log CT + 0.3  
Î Ñöôøng thaúng ngang vaø ñöôøng nghieâng giao nhau ôû ñieåm 0.3 naèm  
döôùi ñieåm heä thoáng.  
15  
Phöông phaùp bieåu ñoà haøm löôïng logarith (tt)  
16  
8
Veõ bieåu ñoà haøm löôïng logarith  
Veõ ñöôøng thaúng ngang logCT;  
Xaùc ñònh ñieåm heä thoáng ôû pH = pKA;  
Veõ ñöôøng thaúng coù ñoä doác 45o veà phía traùi vaø phaûi ñieåm heä  
thoáng;  
Xaùc ñònh ñieåm 0.3 theo ñôn vò log döôùi ñieåm heä thoáng;  
Noái ñöôøng thaúng ngang vaø ñöôøng thaúng doác 45o baèng ñöôøng  
cong ngaén ñi qua ñieåm 0.3  
Veõ ñöôøng thaúng [H+] vaø [OH-] laø ñöôøng thaúng doác 45o giao nhau  
ôû pH = 7 vaø log C = 7;  
Thay ñoåi haøm löôïng dung dòch baèng caùch naâng ñöôøng [Hac] vaø  
[Ac-] leân hay xuoáng.  
17  
Veõ bieåu ñoà haøm löôïng logarith (tt)  
NH3 + H2O ⇔ NH4+ + OH −  
[
NH4+
]
[
OH −  
]
= KB =1.75×10−5  
[
NH3  
]
18  
9
Veõ bieåu ñoà haøm löôïng logarith (tt)  
19  
Veõ bieåu ñoà haøm löôïng logarith  
H2CO3 ' HCO3- + H+ KA1  
HCO3 ' CO32- + H+  
KA2  
-
[
H +
]
[
HCO3−  
]
= KA1 = 4.3×10−7 pKA1 = 6.37  
[
H2CO3*  
]
[
H + ][CO32−  
]
= KA2 = 4.7×10−11 pKA2 =10.33  
[
HCO3−  
]
20  
10  
Ñoä acid (Acidity)  
Ñoä axit: khaû naêng trung hoaø OH-.  
Ñôn vò tính thoâng thöôøng laø meq/L hay mgCaCO3/L.  
Haàu heát thieân nhieân, NT sinh hoaït vaø nhieàu nöôùc thaûi coâng nghieäp  
coù tính ñeäm do heä carbon dioxide-bicarbonate;  
-
Ñoä axit cuûa thieân nhieân: sinh ta bôûi caùc axit yeáu (CO2), H2PO4 ,  
H2S, caùc axit beùo.  
Caùc axit voâ cô: thöôøng laø caùc axit maïnh, gaây ra ñoä axit khoaùng  
nhöng ít hieän dieän trong nöôùc thieân nhieân, coù nhieàu trong caùc  
loaïi nöôùc thaûi CN.  
Xaùc ñònh baèng caùch chuaån ñoä ( duøng dd NaOH chuaån ñaõ bieát  
tröôùc noàng ñoä vaø caùc chaát chæ thò maøu)  
Ñoä axit toång coäng: pH = 8.2 (phenolphtalein)  
Ñoä axit khoaùng: pH = 4.3 (metyl cam)  
21  
ÖÙng duïng ñoä acid trong KTMT  
Tính toaùn löôïng hoaù chaát trung hoaø NT CN baèng voâi/xuùt;  
Caáp nöôùc: Tính toaùn ñoä oån ñònh nöôùc, aên moøn ñöôøng  
oáng/thieát bò do CO2  
Khöû cöùng: löôïng chaât kieàm hoaù tieâu hao do trung hoaø CO2  
Laøm thoaùng khöû CO2, taêng cöôøng DO hoaø tan trong coâng  
ngheä khöû saét;  
Khuû CO2 trong khöû khoaùng.  
22  
11  
Ñoä acid (tt)  
Ñöôøng cong ñònh phaân cuûa acid H2CO3 cho thaáy ñieåm cuoái ñaït ôû  
23  
pH khoaûng 8.5 Î taát caû maãu nöôùc co pH < 8,5 ñeàu coù ñoä acid;  
Ñoä acid (tt)  
Ñöôøng cong ñònh phaân cuûa acid maïnh cho thaáy acid bò trung  
hoaø hoaøn toaøn ôû pH = 4.  
24  
12  
CO2 - Ñoä acid  
CO2 hoaø tan trong nöôùc taïo moät axit yeáu.  
CO2 hoaø tan hieän dieän trong nöôùc thieân nhieân laø do söï khueách  
taùn khoâng khí vaøo nöôùc vaø hieän dieän trong nöôùc thaûi (trong quaù  
trònh phaân huyû chaát höõu cô).  
Nöôùc möa khoâng oâ nhieãm: coù ñoä axit nheï do CO2 hoaø tan.  
Thöôøng löôïng CO2 hoaø tan trong maët nöôùc khoâng > 25mg/L.  
CO2 trong nöôùc ñöôïc caùc loaïi thöïc vaät nöôùc (taûo) söû duïng trong  
quaù trình quang hôïp vaø ñoàng thôøi cuõng sinh ra trong quaù trình hoâ  
haáp cuûa chuùng (khi khoâng coù aùnh saùng maët trôøi).  
Haøm löôïng CO2 cao trong nöôùc ngaàm vaø nöôùc hoà bò phaân taàng  
(do söï phaân huyû kò khí/hieáu khí CHCô), C = 30-50 mg/L  
Acid khoaùng coù trong NT coâng nghieäp (Nöôùc thaûi sx kim loaïi, SX  
chaát HC toång hôïp,acid HC), nöôùc thoaùt töø caùc moû ñang khai  
thaùc/haàm quaëng boû (chöùa löôïng lôùn H2SO4 neáu caùc moû ñoù coù  
chöùa sulfur, iron pyrite hoaëc sulfide).  
Caùc chaát keo tuï (muoái nhoâm, saét (III) thuyû phaân trong nöôùc Î  
25  
gaây ñoä acid khoaùng trong nöôùc.  
Ñoä kieàm (Alkalinity)  
Ñoä kieàm (alkalinity): khaû naêng trung hoaø acid cuûa nöôùc  
Ñôn vò tính meq/L hay mgCaCO3/ L.  
Ñoä kieàm trong nöôùc laø do muoái cuûa caùc acid yeáu (borate,  
silicate, photphate), bazô yeáu vaø maïnh taïo thaønh.  
Muoái cuûa acid humic (saûn phaåm quaù trình phaân huyû)ãcung  
goùp phaàn ñoä kieàm trong nöôùc thieân nhieân;  
Caùc ion taïo ra ñoä kieàm cuûa nöôùcthoâng thöôøng laø HCO3- ,  
CO32- vaø OH- töông öùng vôùi ba loaïi ñoä kieàm: ñoä kieàm  
bicarbonate, carbonate vaø hydroxide  
Caùc ñoä kieàm naøy hình thaønh laø do CO2 phaûn öùng vôùi Ca  
hoaëc Mg trong ñaát ñaù.  
Trong nöôùc thaûi oâ nhieãm/phaân huyû kò khí, muoái cuûa acid  
yeáu (acetic, propionic, butyric) cuõng ñoùng goùp vaøo Alk.  
Ammonia cuõng goùp phaàn vaøo ñoä kieàm;  
26  
13  
Ñoä kieàm (Alkalinity)  
Söï sinh tröôûng taûo trong nöôùc maët taêng ñoä kieàm trong  
nöôùc, pH coù theå leân ñeán 9-10;  
Nöôùc noài hôi caàn coù ñoä kieàm hydroxide vaø carbonate;  
Laøm meàm nöôùc baèng hoaù chaát caàn coù ñoä kieàm dö (ñoä  
kieàm carbonate/hydroxide) ñeå taïo keát tuûa;  
Ñoä kieàm laø ñaïi löôïng ño tính ñeäm cuûa nöôùc;  
27  
ÖÙng duïng ñoä kieàm trong KTMT  
Keo tuï hoaù hoïc: chaát keo tuï thuyû phaân trong nöôùc taïo thaønh  
acid Î caàn ñoä kieàm ñeå trung hoaø;  
Keát tuûa kim loaïi naëng baèng chaát kieàm;  
Phaûn öùng oxy hoaù (khöû saét) trong nöôùc ngaàm;  
Khöû cöùng: ñoäâ kieàm laø ñôn vò chính ñeå tính toaùn löôïng voâi vaø  
soda baèng phöông phaùp hoaù chaát;  
Kieåm soaùt aên moøn (ñoä oån ñònh hoaù nöôùc: chæ soá Langlier)  
Tính ñeäm: Ñaùnh giaù tính ñeäm cuûa nöôùc thaûi vaø buøn (trong xöû lyù kò  
khí);  
Chaát thaûi coâng nghieäp: nöôùc thaûi nhuoäm, nöôùc thaûi kim loaïi,..  
28  
14  
Xaùc ñònh ñoä kieàm  
Xaùc ñònh ñoä kieàm: baèng phöông phaùp chuaån ñoä theå tích baèng  
dd acid H2SO4 0.02N;  
Ñôn vò: mg CaCO3/l  
Ñoái vôùi maãu coù pH > 8.3: Ñònh phaân hai böôùc:  
Ñònh phaân pH xuoáng pH =8.3, ñieåm ñoåi maøu phenolphthalein töø hoàng  
sang khoâng maøu.  
Ñònh phaân tieáp xuoáng pH = 4.5, töông öùng vôùi ñieåm ñoåi maøu  
bromocresol green.  
Ñoái vôùi maãu coù pH < 8.3, chæ ñònh phaân moät böôùc xuoáng pH = 4.5  
Ñieåm cuoái pH = 8.3 laø ñieåm taïi ñoù ion carbonate chuyeån hoùa  
thaønh ion bicarbonate  
CO32− + H + → HCO3−  
Ñieåm cuoái pH = 4.5 laø ñieåm taïi ñoù ion bicarbonate chuyeån hoùa  
thaønh acid carbonic  
HCO3− + H + → H2CO3 → CO2 + H2O  
29  
Xaùc ñònh ñoä kieàm  
Söû duïng haèng soá phaân ly ion cuûa acid carbonic:  
1
pH = 3.19 − log  
[
HCO3−  
]
2
30  
15  
Xaùc ñònh ñoä kieàm (tt)  
Ñoä kieàm Phenolphtalein (ñoä kieàm bicarbonate): pH = 8.3  
Ñoä kieàm toång coäng: pH = 4.5 (metyl cam)  
Maãu chæ coù ñoä kieàm hydroxide: thöôøng coù pH > 10.  
AlkOH = ñoä kieàm phenolphthalein  
Maãu chæ coù ñoä kieàm carbonate: pH baèng vaø lôùn hôn 8.5  
AlkCarbonate = ½ Total Alk  
Maãu coù ñoä kieàm OH vaø carbonate: pH > 10.  
Alkcarbonate = 2 x (ñònh phaân töø 8.3 xuoáng 4.5) x 1000/ml maãu  
AlkOH = total Alk - Alkcarbonate  
Maåu coù ñoä kieàm carbonate-bicarbonate pH = 8.3-11:  
Alkcarbonate = 2 x (ñònh phaân xuoáng 8.3) x 1000/ml maãu  
Alk bicarbonate = total Alk - Alkcarbonate  
31  
Xaùc ñònh ñoä kieàm (tt)  
Maåu chæ coù ñoä kieàm bicarbonate pH =< 8.3:  
Alk bicarbonate = total Alk  
32  
16  
Moái quan heä giöõa Alk, pH trong nöôùc thieân nhieân  
Neáu trong nöôùc chæ coù muoái carbonate:  
-
pH = 3.19 -1/2 log [HCO3 ]  
33  
17  
pdf 17 trang Thùy Anh 18140 Free
Download
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường 1 - Chương 7: PH - Độ acid – Độ kiềm - VFA", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfbai_giang_hoa_ky_thuat_moi_truong_1_chuong_7_ph_do_acid_do_k.pdf