Giáo trình hóa kỹ thuật môi trường

GIÁO TRÌNH HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG PGS TS NGUYỄN VĂN SỨC BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ******************* PGS TS NGUYỄN VĂN SỨC GIÁO TRÌNH NHÀ XUẤT BẢN[.]

PGS TS NGUYỄN VĂN SỨC GIÁO TRÌNH HĨA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ******************* PGS.TS NGUYỄN VĂN SỨC GIÁO TRÌNH NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LỜI MỞ ĐẦU Giáo trình Hóa kỹ thuật mơi trường biên soạn để làm tài liệu giảng dạy tham khảo cho cán giảng dạy sinh viên ngành cơng nghệ mơi trường Nội dung giáo trình bao trùm nội dung kiến thức chuyên sâu Hóa học, Vật lý Sinh học; kiến thức liên quan đến dung dịch, nhiệt động học, động học phản ứng …Ngồi ra, chương giáo trình cố gắng đưa mối liên hệ áp dụng để giải toán thực tế lĩnh vực công nghệ môi trường Độc giả nắm khái niệm hệ thống mơi trường, q trình diễn biến phức tạp liên quan đến phân bố, suy thoái chất ô nhiễm môi trường nước, đất không khí; cân vật chất; bể phản ứng sử dụng công nghệ kỹ thuật môi trường Các phương pháp xử lý nhiễm phương pháp hóa học, hóa lý trình bày chi tiết với mong muốn trang bị cho sinh viên ngành công nghệ môi trường kiến thức lĩnh vực Một số công nghệ tiên tiến xử lý nước thải, khí thải ô nhiễm đất đề cập giáo trình Sẽ cịn thiếu sót nội dung hình thức trình bày Rất mong độc giả đóng góp ý kiến để giáo trình ngày hồn thiện PGS.TS Nguyễn Văn Sức MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ 14 Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ Q TRÌNH HĨA HỌC VÀ DUNG DỊCH 19 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 19 1.2.CÁC ĐỊNH LUẬT CỦA CHẤT KHÍ 19 1.3 NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC 22 1.3.1 Nhiệt công 22 1.3.2 Enthalpy 24 1.3.3 Entropy 25 1.3.4 Năng lượng tự Gibbs 25 1.4 ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG 27 1.4.1 Phản ứng bậc zero 27 1.4.2 Phản ứng bậc 28 1.4.3 Phản ứng bậc hai 29 1.4.4 Phản ứng giả bậc 30 1.4.5 Phương trình Arrhenius 31 1.4.6 Chất xúc tác 32 1.4.7 Xúc tác enzyme 32 1.5 DUNG DỊCH 35 1.5.1 Q trình hịa tan 35 1.5.1.1 Sự hòa tan chất rắn vào chất lỏng 35 1.5.1.2 Sự hòa tan chất lỏng chất lỏng (sự trộn lẫn) 35 1.5.2 Sự hịa tan chất khí vào chất lỏng 35 1.6 DUNG DỊCH ĐIỆN LY 36 1.6.1 Chất điện ly 36 1.6.1.1.Chất điện ly mạnh 36 1.6.1.2 Chất điện ly yếu 36 1.6.1.3 Chất không điện li 37 1.6.2 Axit baz 37 1.7 CÂN BẰNG HÓA HỌC 37 1.7.1 Nguyên lý Le Chatellier 38 1.7.2 Biểu diễn định lượng hệ cân 38 1.7.3 Hoạt độ, cường độ ion nồng độ molar (M) 39 1.7.4 Hoạt độ theo nồng độ 39 1.7.5 Phương trình Debye – Huckel 40 1.7.6 Biểu diễn số cân 40 1.7.6.1 Hằng số phân li nước, KW 40 1.7.6.2 Tích số tan, Ksp 42 1.7.6.3 Sự phân ly axit baz 43 1.7.6.4 Sự tạo phức 44 1.7.6.5 Cân oxy hóa khử 48 1.7.6.6 Cân bậc 48 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ ĐỌC THÊM 52 Chương 2: HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG NƯỚC 53 2.1 CÁC PHẢN ỨNG HĨA HỌC TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC 53 2.2 TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ HĨA HỌC CỦA NƯỚC 54 2.2.1 Tính chất vật lý nước 54 2.2.2.Các tính chất hóa học vơ nước 55 2.2.2.1 pH nước 55 2.2.2.2 Độ kiềm độ axit 56 2.2.2.3 Độ cứng 56 2.2.2.4 Độ dẫn điện 58 2.2.3.Tính chất hóa học hữu nước 59 2.3 CÁC QUÁ TRÌNH HÒA TAN OXY TRONG NƯỚC TỰ NHIÊN 64 2.3.1 Ơxy hịa tan nhu cầu oxy nước 64 2.3.2 Quá trình hịa tan chất khí vào mơi trường nước 67 2.4 HỆ CARBONAT 71 2.5 ƠXY HĨA KHỬ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC 74 2.5.1.Trạng thái oxy hóa tính chất quan trọng chất hóa học 74 2.5.2 Phương trình Nesrnt 75 2.5.3 Giản đồ pE/pH, Giản đồ pE/pH sắt 78 2.5.3.1 Giới hạn oxy hóa nước 78 2.5.3.2 Giới hạn khử nước 79 2.5.3.3 Đồ thị pE - pH 79 2.5.3.4 Áp dụng đồ thị pE-pH 83 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ ĐỌC THÊM 87 Chương 3: HĨA HỌC CỦA KHÍ QUYỂN 89 3.1 BIỂU DIỄN NỒNG ĐỘ CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHƠNG KHÍ 89 3.2 CÁC PHẢN ỨNG HĨA HỌC TRONG KHÍ QUYỂN 90 3.3 CÁC HẠT TRONG KHÍ QUYỂN 94 3.4 PHẢN ỨNG HÓA HỌC CỦA CÁC CHẤT Ơ NHIỄM VƠ CƠ TRONG KHƠNG KHÍ 98 3.4.1 Ozon 99 3.4.2 Carbon monoxit carbon dioxit 99 3.4.3 Clo 100 3.4.4 Phản ứng lưu huỳnh nitơ khí 100 3.5 PHẢN ỨNG CỦA CÁC CHẤT HỮU CƠ TRONG KHÍ QUYỂN 103 3.6 SỰ THIẾU HỤT TẦNG OZON 105 3.7 KHÓI QUANG HÓA 108 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ ĐỌC THÊM 112 Chương 4: HÓA HỌC CỦA ĐỊA QUYỂN 113 4.1 KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA 113 4.2 KHOÁNG SÉT, KHOÁNG VẬT VÀ Q TRÌNH PHONG HĨA 115 4.3 HÓA HỌC ĐẤT 117 4.3.1 Khái niệm chung 117 4.3.2 pH đất 119 4.3.3 Các hợp chất hữu đất 119 4.3.4 Các phản ứng liên quan đến carbon vô 122 4.3.5 Phản ứng trao đổi cation 123 4.3.6 Sự di chuyển sulphat hấp phụ sulfate đất 124 4.3.7 Sự vận chuyển phosphat hấp phụ phosphat đất 125 4.3.8 Các phản ứng liên quan đến nhôm đất 125 4.3.9 Phong hóa hóa học 126 4.3.10 Sự vận chuyển nitơ đất 126 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ ĐỌC THÊM 128 Chương 5: PHÂN HỦY CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ, NITƠ, LƯU HUỲNH VÀ PHOSPHO TRONG MÔI TRƯỜNG 129 5.1 CÁC PHẢN ỨNG PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ TRONG MÔI TRƯỜNG 129 5.1.1.Tổng quan hóa học hữu cơ: Cấu trúc phản ứng hóa học phân tử hữu 129 5.1.2 Các chất diệt côn trùng (Pesticides), diệt cỏ (herbicides), PCBs, PAHs sản phẩm phụ trình sản suất 132 5.1.3 Vi khuẩn biến đổi chất hữu 136 5.2 SỰ BIẾN ĐỔI NITƠ BẰNG VI SINH VẬT 140 5.2.1 Phản ứng cố định nitơ 140 5.2.2 Nitrat hóa 140 5.2.3 Khử nitrat 141 5.3.VI KHUẨN BIẾN ĐỔI PHỐT PHO VÀ LƯU HUỲNH 142 5.3.1 Các hợp chất phốt 143 5.3.2 Các phản ứng vi khuẩn lưu huỳnh 144 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 147 TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ ĐỌC THÊM 148 Chương 6: CÂN BẰNG VẬT CHẤT TRONG MÔI TRƯỜNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỂ PHẢN ỨNG TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI 149 6.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT 149 6.1.1 Hệ thống bảo toàn vật chất ổn định 150 6.1.2 Hệ thống ổn định nhiễm khơng bảo tồn 152 6.1.3 Phương trình bước 154 6.1.4.4 Cân phốt hồ nước tự nhiên 157 6.2 BỂ PHẢN ỨNG 159 6.2.1 Bể phản ứng gián đoạn 160 6.2.2 Bể phản ứng dòng liên tục khuấy trộn hoàn chỉnh 162 6.2.3 Bể phản ứng dòng nút (PFR) 164 6.2.4 Kích thước bể phản ứng 166 6.2.5 Hình dáng bể phản ứng 168 6.2.6 Sắp xếp bể phản ứng 168 6.2.6.1 Các bể phản ứng xếp theo dãy (các bể phản ứng nối tiếp) 168 6.2.6.2 Các bể phản ứng đặt song song 172 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 177 TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ ĐỌC THÊM 180 Chương 7: CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC XỬ LÝ NƯỚC VÀ KIỂM SỐT KHÍ THẢI 181 7.1 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ HÓA HỌC 181 7.1.1 Phản ứng tạo sản phẩm không tan 181 7.1.2 Làm mềm nước 187 7.1.2.1 Các phản ứng làm mềm nước 187 7.1.2.2 Giới hạn trình kinh nghiệm làm mềm nước 189 7.1.2.3 Những khái niệm tiên tiến làm mềm nước vôi – sôđa 193 7.1.3 Xử lý nước phương pháp keo tụ/đông tụ 199 7.1.3.1 Định nghĩa 199 7.1.3.2 Các phản ứng hóa học nước số chất keo tụ 200 7.1.3.3 Bông tụ 202 7.1.4 Khử sắt mangan 202 7.1.4.1 Oxy hóa 203 7.1.4.2 Quá trình zeolite mangan 205 7.1.5 Khử trùng nước 207 7.1.5.1 Khái niệm khử trùng 207 7.1.5.2 Các tác nhân khử trùng 207 7.1.5.2.1 Các tác nhân hóa học 207 7.1.5.2.2 Các tác nhân vật lý 207 7.1.5.3 Cơ chế khử trùng 208 7.1.5.4 Khử trùng với clo hợp chất clo 210 7.1.5.4.1 Phản ứng clo nước 211 7.1.5.4.2 Phản ứng hypoclorit nước 211 7.1.5.4.3 Clo phản ứng với ammonia 211 7.1.5.4.4 Clo phản ứng với chất hữu 212 7.1.5.4.5 Phản ứng điểm thoát (breakpoint với clo) 212 7.1.5.5 Khử trùng với clo dioxit 213 7.1.5.6 Khử clo 213 7.1.5.7 Khử trùng với ozon 215 10 ... trình Hóa kỹ thuật mơi trường biên soạn để làm tài liệu giảng dạy tham khảo cho cán giảng dạy sinh viên ngành công nghệ mơi trường Nội dung giáo trình bao trùm nội dung kiến thức chuyên sâu Hóa. .. thối chất nhiễm mơi trường nước, đất khơng khí; cân vật chất; bể phản ứng sử dụng công nghệ kỹ thuật môi trường Các phương pháp xử lý ô nhiễm phương pháp hóa học, hóa lý trình bày chi tiết với... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ******************* PGS.TS NGUYỄN VĂN SỨC GIÁO TRÌNH NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LỜI MỞ ĐẦU Giáo