Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường 1 - Phần 2B - Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách khoa Tp. HCM
HK2 - 2013-2014
Phần 2
Hóa KT MTr nước
pH = -log[H+]
‹pH là đại lượng thông dụng và quan trọng nhất trong hóa nước, là
yếu tố quan trọng quyết định tính chất sinh hóa của môi trường
nước.
‹pH ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng của hầu hết các thành phần
hóa học (kết tủa – hòa tan, bay hơi, ion hóa, …), ảnh hưởng đến
quá trình keo tụ, tính ăn mòn của nước, điều kiện sống của vi sinh
vật.
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
41
Phần 2
Hóa KT MTr nước
‹Ở đk pH thấp:
- kim loại có khuynh hướng hòa tan
- cyanide và sulfide độc hơn đ/v cá
- Ammonia ít độc hơn đ/v cá
‹ pH nước sông không ô nhiễm: 6.5 – 8.5
‹ pH nước ngầm không ô nhiễm: 6.0 – 8.5
‹ pH nước mưa sạch: 5.7 – 5.8
‹ tiêu chuẩn nước cấp cho sinh hoạt, pH = 5.0 – 9.0 (theo EPA)
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
42
1
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách khoa Tp. HCM
HK2 - 2013-2014
Phần 2
IV.2 Độ acid (acidity)
Hóa KT MTr nước
° Độ acid: khả năng trung hòa OH- ; được xác định bằng lượng
bazo (standard base) cần thêm vào để nâng pH đến một giá trị xác
định (pH 4.3 – độ acid khoáng; pH 8.3 – độ acid tổng).
° Đơn vị: meq/L; mg CaCO3/L
° Thành phần gây nên độ acid: CO2 hòa tan, kim loại đa hóa trị hòa
tan, acid vô cơ, acid hữu cơ, …
° CO2 hòa tan là thành phần chủ yếu gây nên độ acid cho môi
trường nước tự nhiên.
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
43
Phần 2
IV.2 Độ acid (acidity)
Hóa KT MTr nước
Đường cong định
phân của acid
H2CO3 cho thấy
điểm cuối đạt ở
khoảng pH 8.5
Ï tất cả các mẫu
nước tự nhiên có
pH < 8.5 đều có độ
acid
Đường cong chuẩn độ acid yếu
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
44
2
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách khoa Tp. HCM
HK2 - 2013-2014
Phần 2
IV.2 Độ acid (acidity)
Hóa KT MTr nước
Độ acid = ∑[acid mạnh] + ∑[acid yếu] - ∑[bazo mạnh]
*
-
Độ acid = 2[H2CO3 ] + [HCO3 ] + [H+] + ∑[A] - [OH-]
Ứng dụng:
- Tính lượng hóa chất cần trung hòa cho nước thải
- Xem xét việc ăn mòn, đường ống/thiết bị trong cấp nước
- Trong khử cứng, tính được lượng chất kiềm hóa tiêu hao do trung
hòa CO2
- Khử CO2 trong làm thoáng, khử khoáng
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
45
Phần 2
IV.2 Độ kiềm (alkalinity)
Hóa KT MTr nước
° Độ kiềm: khả năng trung hòa acid của nước ; được xác định bằng
lượng acid (standard acid) cần thêm vào để hạ pH đến một giá trị
xác định (pH 8.3 – độ kiềm bicarbonate; pH 4.5 – độ kiềm tổng).
° Đơn vị: meq/L; mg CaCO3/L
° Thành phần gây nên độ kiềm: ion bicarbonate, ion carbonate,
ion hydroxyl, muối của các acid yếu, acid humic, ammonia,
phosphates, borates, silicates, …
-
2-
° HCO3 , CO3 , OH- là thành phần chủ yếu gây nên độ kiềm Ï
ứng với 3 loại độ kiềm: độ kiềm bicarbonate, độ kiềm carbonate
và độ kiềm hydroxide
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
46
3
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách khoa Tp. HCM
HK2 - 2013-2014
Phần 2
IV.2 Độ kiềm (alkalinity)
Hóa KT MTr nước
TS. Nguyen Thi gc Qyn
47
Phần 2
IV.2 Độ kiềm (alkalinity)
Hóa KT MTr nước
Độ kiềm = ∑[bazo mạnh] + ∑[bazo yếu] - ∑[acid mạnh]
-
2-
Độ kiềm = [HCO3 ] + 2[CO3 ] + [OH-] + ∑[B-] - [H+]
° Nước thiên nhiên luôn có 1 độ kiềm nhất định, do có CO2 hòa tan.
(nếu không có độ kiềm, nghĩa là có thành phần ô nhiễm nào đó có
tính acid tiêu thụ độ kiềm).
° Đ/v nước mặt, độ kiềm thấp: < 30 mg CaCO3/L ;
độ kiềm cao: > 250 mg CaCO3/L
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
48
4
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách khoa Tp. HCM
HK2 - 2013-2014
Phần 2
IV.2 Độ kiềm (alkalinity)
Hóa KT MTr nước
Ứng dụng:
- Hạn chế sự thay đổi pH trong quá trình keo tụ hóa học (do chất keo
tụ thủy phân trong nước tạo thành acid)
- Giảm độc tính của nhiều kim loại (bằng cách tạo phức với chúng)
- Cung cấp cơ chất (carbon) cho thực vật thủy sinh (qua quá trình
quang hóa)
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
49
Phần 2
IV.2 Độ kiềm (alkalinity)
Hóa KT MTr nước
Bài tập: 100 ml mẫu có pH ban đầu là 7.2, cần 8.4 ml dd HCl
0.0205N để đạt đến điểm cuối của chuẩn độ. Xác định độ kiềm tổng
và nồng độ cân bằng của các cấu tử carbonate.
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
50
5
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách khoa Tp. HCM
HK2 - 2013-2014
Phần 2
Hóa KT MTr nước
Tính toán sự thay đổi độ
acid – pH và carbonate
tổng
Biểu đồ Deffeyes – tương quan giữa
độ acid – pH – carbonate tổng.
51
Phần 2
IV.2 Độ acid - Độ kiềm
Hóa KT MTr nước
Ví dụ: Một hố lớn tại một khu mỏ hoang chứa đầy nước. Khoáng
pyrite trong mỏ làm nước có tính acid với pH = 3.2. Độ acid được
xác định là 3.5 meq/L. Nước trong hố này sẽ chảy tràn vào sông khi
có mưa lớn. Do vậy, cần xử lý nước trong hố đạt đến tiêu chuẩn xả
thải, với giá trị pH trong khoảng 6 – 9. Nhà quản lý khu mỏ quyết
định đưa pH của nước về giá trị 7 cho an toàn. Sử dụng biểu đồ
Deffeyes để xác định các phương án nâng pH cho nước trong hồ.
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
52
6
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách khoa Tp. HCM
HK2 - 2013-2014
Phần 2
IV.2 Độ acid - Độ kiềm
Hóa KT MTr nước
Trong biểu đồ Deffeyes, điểm giao giữa đường pH 3.2 và độ kiềm
3.5meq/L ứng với giá trị carbonate tổng là 0.0014 mol/L --- điểm A.
Châm NaOH
° Giả sử rằng CO2 không thoát ra không khí, việc châm chất kiềm
mạnh NaOH sẽ làm điểm A dịch chuyển theo phương thẳng đứng,
hướng xuống
° NaOH cần châm đủ để giao với đường pH 7 – điểm C
° Độ dài khoảng cách giữa 2 điểm A và C tương ứng với 1.8 meq/L
° Như vậy, lượng NaOH cần châm vào để pH dịch chuyển từ 3.2 lên 7
là 1.8 meq/L (72 mg/L).
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
53
Phần 2
IV.2 Độ acid - Độ kiềm
Hóa KT MTr nước
Châm CaCO3
• Trong biểu đồ, việc châm CaCO3 được biểu diễn bởi đường
thẳng nằm ngang đi từ trái sang phải.
• Như vậy việc châm CaCO3 sẽ dịch chuyển điểm A đến điểm B –
nằm trên đường pH 7, có carbonate tổng là 0.0030 mol/L.
• Lượng CaCO3 cần châm vào để đạt pH 7 là:
0.0030 – 0.0014 = 0.0016 mol/L (160 mg/L).
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
54
7
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách khoa Tp. HCM
HK2 - 2013-2014
Phần 2
IV.2 Độ acid - Độ kiềm
Hóa KT MTr nước
Châm NaHCO3
• Việc châm NaHCO3 được biểu diễn bởi đường thẳng có độ dốc
+1, hướng lên (vector hướng lên về phía phải từ điểm A).
• Nhận xét rằng độ dốc của đường thẳng pH = 7 có độ dốc hơi lớn
hơn giá trị +1.
• Vector biểu diễn việc châm NaHCO3 và đường pH = 7 gần như
song song với nhau.
Ï Cần 1 lượng rất lớn NaHCO3 mới có thể đạt được đến pH 7.
Ï Phương pháp này không phù hợp cho trường hợp này.
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
55
Phần 2
IV.2 Độ acid - Độ kiềm
Hóa KT MTr nước
Khử CO2
• Việc khử CO2 được biểu diễn bởi đường thẳng hướng xuống về
phía trái với độ dốc 2.
• Xem biểu đồ, nhận xét rằng việc khử hoàn toàn CO2 cũng không
đưa pH về giá trị 7 được.
ÏPhương pháp này không phù hợp trong trường hợp này.
Trong số 4 phương pháp để nâng pH nước thải lên 7, chỉ có 2 pp là
châm NaOH và châm CaCO3 là khả thi. Việc chọn phương án cuối
cùng sẽ phụ thuộc vào chi phí, tính sẵn có, …
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
56
8
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách khoa Tp. HCM
HK2 - 2013-2014
Tính toán sự thay đổi độ
kiềm – pH và carbonate
tổng
Biểu đồ Deffeyes – tương quan giữa
độ kiềm – pH – carbonate tổng.
Phần 2
IV.2 Độ acid - Độ kiềm
Hóa KT MTr nước
Bài tập: Nước thải của một cơ sở giết mổ bị nhiễm nito nghiêm
trọng. Người thiết kế quy trình xử lý nước thải cho cơ sở dự tính
nâng pH lên 11 để chuyển khoảng 90% nito sang dạng bay hơi rồi
cho nước thải qua dàn làm thoáng để ammonia bay ra không khí.
Tìm các giải pháp để nâng pH.
Biết rằng độ kiềm và pH trung bình của nước thải đầu vào là 0.5
meq/L và 6.0, theo thứ tự.
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
58
9
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách khoa Tp. HCM
HK2 - 2013-2014
Phần 2
IV.2 Độ acid - Độ kiềm
Hóa KT MTr nước
Lưu ý: việc sục hay khử CO2 không làm ảnh hưởng đến độ kiềm.
Khi khử CO2, carbonate tổng giảm, nhưng pH và [OH-] tăng Ï độ
kiềm không đổi.
Ngoại lệ: việc sục hay khử CO2 làm ảnh hưởng đến độ kiềm khi
trong dd có chứa các hạt lơ lửng CaCO3.
Khi sục CO2:
CaCO3 (s) + CO2 + H2O ‰ Ca2+ + 2HCO3
-
Tăng độ kiềm
Khi khử CO2, pH dd tăng, nếu vượt qua giá trị Ks0 của CaCO3 thì
CaCO3 sẽ kết tủa Ï giảm độ kiềm
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
59
Phần 2
IV.3 Độ đệm
Hóa KT MTr nước
ꢂ
ꢅ
ꢅ
Ka = ꢀꢁ ꢃꢀꢄ ꢃ
pH = pKa + logꢀꢀꢁꢄꢄꢃꢃ
ꢁꢄ
Khi pH = pKa, mức độ pH thay đổi khi thêm vào acid hay bazo là thấp
nhất Ï dung dịch có tính đệm cao nhất.
Độ đệm là một đại lượng định lượng dùng trong đo lường mức dung
dịch cản trở quá trình thay đổi pH khi cho ion hidroxit vào.
Dung dịch đệm là dd lỏng chứa hỗn hợp acid yếu và bazo liên hợp
của nó hoặc ngược lại. Khi cho thêm vào dd đệm một lượng chất có
tính bazo hay acid thì pH của dd mới thay đổi rất ít so với dd ban đầu.
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
60
10
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách khoa Tp. HCM
HK2 - 2013-2014
Phần 2
IV.3 Độ đệm
Hóa KT MTr nước
Chất
Khoảng pH
HCl, Natri citrate
1 - 5
2.5 – 5.6
3.7 – 5.6
6 - 9
Acid citric C6H8O7 , Natri citrate
Acid acetic, Natri acetate
Na2HPO4, NaH2PO4
Borac, Natri hydroxit
9.2 - 11
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
61
Phần 2
Hóa KT MTr nước
IV.4 Độ cứng
° Độ cứng – theo cách hiểu thông thường, là khả năng tạo bọt của nước
với xà phòng. Ion calci và magne trong nước sẽ kết tủa với xà
phòng, làm giảm sức căng bề mặt và phá hủy đặc tính tạo bọt
° Đơn vị: meq/L; mg CaCO3/L
° Thành phần gây nên độ cứng: Ca2+ và Mg2+, các cation hóa trị 2
° Nước cứng thường có tổng rắn hòa tan (TDS) cao và pH cao (> 7)
Phân loại:
- Độ cứng calci và magne
- Độ cứng carbonate và noncarbonate (phi carbonate)
Độ cứng tổng = Độ cứng carbonate + độ cứng noncarbonate
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
62
11
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách khoa Tp. HCM
HK2 - 2013-2014
Phần 2
IV.4 Độ cứng
Hóa KT MTr nước
Độ cứng gọi là tạm thời khi trong nước có mặt muối carbonate hoặc
bicarbonate của calci và magne. Chỉ cần đun sôi nước là loại được
độ cứng tạm thời do tạo CaCO3 và MgCO3 kết tủa.
Độ cứng vĩnh cữu của nước do các muối sulfate hay chlorua của
calci và magne tạo ra. Rất khó xử lý độ cứng này.
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
63
Phần 2
IV.4 Độ cứng
Hóa KT MTr nước
Độ cứng của nước thay đổi theo vùng, vị trí khác nhau trên trái đất. Nó
thường phản ánh đặc điểm tự nhiên của đất đai của vùng nó đi qua.
Độ cứng của nước thay đổi theo độ sâu của ao hồ, đại dương. Thông
thường, nước trên bề mặt có độ cứng nhỏ hơn nước dưới đáy.
Độ cứng và độ kiềm thường có tương quan chặt chẽ vì một phần lớn
của chúng đến từ một nguồn chung – là sự hòa tan đá vôi.
2-
-
Độ cứng C > độ kiềm K
Độ kiềm: CO3 , HCO3
mg CaCO3/L
Độ cứng: Ca2+, Mg2+
Độ cứng tạm thời = K
Độ cứng vĩnh cửu = C - K
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
64
12
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách khoa Tp. HCM
HK2 - 2013-2014
Phần 2
IV.4 Độ cứng
Hóa KT MTr nước
Ý nghĩa:
‹ Độ cứng hầu như không gây nguy hại đến sức khỏe con người, nhưng có
thể là nguyên nhân gây sỏi thận, gây tắc động mạch đo đóng cặn vôi.
‹ Đ/v sinh hoạt, nước cứng làm tiêu hao xà phòng, rau luộc lâu chín.
‹ Khi cấp nước cho lò hơi cần hết sức chú ý đến độ cứng của nước.
‹ Kết tủa lắng đọng làm nghẹt đường ống, cản trở thiết bị lọc.
‹ Nước càng mềm càng có khuynh hướng hòa tan kim loại.
‹ Độ cứng cao làm hạn chế sự phát triển của cá; độ cứng thấp (nước mềm)
làm tăng độ nhạy cảm của cá đ/v các kim loại độc hại.
‹ Độ cứng lý tưởng: 70 – 90 mg CaCO3/L
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
65
Phần 2
IV.4 Độ cứng
Hóa KT MTr nước
Có thể loại bỏ độ cứng bằng cách châm vôi / soda hoặc dùng pp trao
đổi ion.
Khử cứng bằng hóa chất
Đ/v độ cứng carbonate
CO2 + Ca(OH)2 ‰ CaCO3 ↓ + H2O
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 ‰ 2 CaCO3 ↓ + H2O
Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 ‰ CaCO3 ↓ + Mg(CO3) + H2O
MgCO3 + Ca(OH)2 ‰ CaCO3 ↓ +Mg(OH)2 ↓
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
66
13
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách khoa Tp. HCM
HK2 - 2013-2014
Phần 2
IV.4 Độ cứng
Hóa KT MTr nước
Khử cứng bằng hóa chất
Đ/v độ cứng noncarbonate
CaSO4 + Na2CO3 ‰ CaCO3 ↓ + Na2SO4
CaCl2 + Na2CO3 ‰ CaCO3 ↓ + 2NaCl
MgCl2 + Ca(OH)2 ‰ Mg(OH)2 ↓ + CaCl2
MgSO4 + Ca(OH)2 ‰ Mg(OH)2 ↓ + CaSO4 + H2O
MgCO3 + Ca(OH)2 ‰ CaCO3 ↓ +Mg(OH)2 ↓
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
67
Phần 2
IV.5 Cân bằng hệ carbonate
Hóa KT MTr nước
‹ CO2 hòa tan trong nước (theo KH) tạo acid yếu H2CO3 (pKa1, pKa2)
-
2-
‹ Tùy thuộc pH môi trường mà dạng H2CO3 hay HCO3 hay CO3
tồn tại chiếm ưu thế (biểu đồ phân bố số mol của H2CO3 theo pH)
‹ Nước mưa không ô nhiễm có độ acid nhẹ, với pH ~ 5.7 (chứng minh).
‹ Ion carbonate trong
nước tự nhiên có
nguồn gốc chủ yếu từ
đá vôi, CaCO3
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
8
14
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách khoa Tp. HCM
HK2 - 2013-2014
Phần 2
IV.5 Cân bằng hệ carbonate
Hóa KT MTr nước
Các phản ứng trong hệ CO2 – bicarbonate – carbonate
Phần 2
IV.5 Cân bằng hệ carbonate
Hóa KT MTr nước
Tính độ tan của CaCO3 (s):
1/ khi chỉ xét phản ứng (4), bỏ qua các p/ư khác.
2/ khi xét phản ứng (4) và (5), (6).
Hệ c/bằng giữa CaCO3 (s) và nước
Nhận xét?
3/ khi xét phản ứng (4) và (5), (6), (2), (7).
Hệ c/bằng giữa nước và CaCO3 (s)
4/ khi xét phản ứng (4) và (5), (6), (2), (7).
Hệ c/bằng giữa nước - CaCO3 (s) - CO2 hòa tan
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
70
15
Hóa Kỹ thuật Môi trường 1 - Khoa Môi
trường - ĐH Bách khoa Tp. HCM
HK2 - 2013-2014
Phần 2
IV.5 Cân bằng hệ carbonate
Hóa KT MTr nước
Nồng độ các ion khi hệ đạt cân bằng
TS. Nguyen Thi Ngoc Quynh
71
16
16 trang
15540
Free
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường 1 - Phần 2B - Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_hoa_ky_thuat_moi_truong_1_phan_2b_nguyen_thi_ngoc.pdf
