Hóa lý kỹ thuật môi trường nguyễn văn sức

Triỉờng ĐH Sư pỉiatn Kỳ thuật TP HCM http:www hem ute edu TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TS NGUYỄN VĂN sức (Chủ biên) % HĨA LÝ KỸ THUẬT MƠI TRƯỜNG (Lưu hành nội bộ) TP Hồ Chí Minh, 2005 Thư viện Trướng ĐH Sư phạm Kỳ thuật TP.H.\Í http://www thuvienspkt edu Triỉờng ĐH Sư phatn Kỳ thuẫt TP HCM http:www.hcmute.edu.vn LỜI MỞ ĐẦU Hệ thống môi trường thể thống vận động để tồn phát triển Những q trình vận động tuân theo định luật bảo toàn lượng, bảo toàn khối lượng cân vật chất Lý thuyết q trình hóa học, động học phản ứng, dung dịch, điện hóa học sở để nghiên q trình hóa lý mỏi trường nước, khơng khí đất, nghiên cứu lan truyqn, tiêu huỷ chất ô nhiễm hệ thống môi trường dưa giải pháp cơng nghệ xư lý thích hợp Để nắm vững những'kiến thức vấn đề nói trên, chúng tơi mạnh dạn biên soạn giáo trình "Hóa lý Kỹ thuật Mơi trường’’ làm tài liệu giảng dạy tham khảo cho giảng viên vù sinh viên chuyên ngành công nghệ môi trường ” ,1 JS " ,, Sẽ tránh khỏi khiếm khuyèt nội dung hình thức trình bày, mong bạn đọc đóng góp ý kiên để giáo trình ngày hồn thiện Thư xiên Tntỡng ĐH Sư phạm KỊ thuật TP.HSỈ http://www.th uvienspkt.edu Tnrờng ĐH Sư pham Kỳ thuảt TP HCM http.’H'H'H' hcmute edu MỤC LỤC Trang Nội dung Chương BẢO TOÀN VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA 1.2 BAO toàn Lượng 1.2.1 Định luật thứ nhát nhiệt động học 1.2.2 Enthalpy chấtkhí 1.2.3 Định luật Hess 1.2.3.1 Hệ Định luật Hess 1.2.4 Nhiệt dung 1.2.5 Định luật thứ hạịcủa nhiệt động học 1.2.5.1 Entropy tiêtỉ chuẩn xét chiều hệ lập 1.2.5.2 Tính chất ý nghĩa thống kê Entropy 1.2.5.3 Entropy tuyệt đối 1.2.5.4 Sự biến thiên entropy phản ứng hóa học 1.3 THẾ NHIỆT ĐỘNG 1.3.1 Thế đẳng áp, G 1.3.1.1 Ý nghĩa vật lý 4G 1.3.1.2 Thế đẳng áp chuẩn tạo thành AGr s 1.3.1.3 Sự phụ thuộc zđG vào nhiệt độ 1.3.1.4 Ảnh hưởng áp suất đến AG 1.3.2 Thế hoá, // 1.3.2.1 Một số tính chất quan trọng hóa 1.4 CÂN BẰNG HÓA HỌC 1.4.1 Quan hệ đẳng áp số cân 1.4.2 Các loại số cân 1.4.3 Cân hóa học hệ dị thể 1.4.4 Áp suất phân li 1.4.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến cân hóa học 1.4.51 Ánh hưởng nhiệt độ đến số cân 1.4.5.2 Ánh hưởng áp suất đến cân hóa học 1.4.5.3 Ánh hưởng nồng độ đến cân hóa học 1.4.5.4 Nguyên lý Le Chântelier 1.5 ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG HỌC THỨ NHẤT TRONG MÔI TRƯỜNG I 10 11 12 13 14 15 18 19 21 22 23 24 Thư viện Trướng ĐH Sư phạm Kỳ thuật TP.H.\Í ltfíp://www thuvienspkt edu Triỉờng ĐH Sư phatn Kỳ thuẫt TP HCM http:www.hcmute.edu.vn 1.6 ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG HỌC THỨ HAI TRONG MƠI TRƯỜNG 1.6.1 Q trình dẫn nhiệt đơi lưu Chương BAO TOÀN KHỐI LƯỢNG - CÂN BANG VẬT CHAT TRONG HỆ THỐNG MƠI TRƯỜNG 2.1 BẢO TỒN KHỐI LƯỢNG TRONG HỆ THốNG MÔI TRƯỜNG 2.1.1 Cơ chế chất rắn 2.1.2 Tĩnh học chát lỏng 2.1.3 Động học chất lỏng 2.1.4 Một sơ' ví dụ áp dụng bảo toàn khối lượng 2.1.5 Hiệu suất thu gom 2.1.6 Hiệu suất thu góp tồn 2.2 Chuyển đổi vật chất hệ thống môi trường 2.2.1 Cân vật chất 2.2.2 Hệ thống bảo tồìi yật chất ổn định 2.2.3 Hệ thống ổn định nhiễm khơng bảo tồn 2.2.4 Phương trình bưúiy Chương DUNG DỊCH 3.1 KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA VÊ DUNG DỊCH 3.1.1 Hệ phân tán 3.1.2 Sự tạo thành dung dịch 3.2 Nồng độ dung dịch 3.2.1 Phương pháp biểu diễn nồng độ dung dịch 3.2.2 Các loại nồng độ dung dịch 3.2.3 Nồng độ khối lượng theo CaCOị 3.2.3 Các ví dụ tỷ lượng 3.2.4 Phân loại dung dịch 3.3 Dung dịch điện li 3.3.1 Tính chất bất thường dung dịch chất điện li so với dung dịch chất không điện li 3.3.2 Độ điện li a 3.3.2.1 Trạng thái chất điện li mạnh dung dịch 3.3.4 Mô'i liên hệ a ỉ 3.3.3 Hăng sô' điện li Ka axit 3.3.4 Hằng sô' điện li bazờ, K/, 3.3.5 Công thức liên hệ Ka /CửCỦa cặp axit - bazờ liên hợp 3.3.6 Cường độ axit 3.4 GIÁ TRỊ pH CỦA NƯỚC 3.4.1 Hệ cacbonat 3.5 ĐỆM NĂNG 3.6 TÍCH SỐ TAN 26 29 31 32 33 36 37 38 40 42 46 48 49 51 53 54 55 56 57 58 64 65 Thư viện Trướng ĐH Sư phạm Kỳ thuật TP.H.\Í http://www thuvienspkt edu Tnrờng ĐH Sư pham Kỳ thuảt TP HCM littp:www hcmute edu 3.6.1 Quan hệ tích số tan độ hòa tan 3.6.2 Áp dụng dụng độ tan môi trường nước Chương NĂNG LƯỢNG BỀ MẶT VÀ HÂP PHỤ, 66 69 DUNG DỊCH KEO 4.1 HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT VÀ NĂNG LƯỢNG BE MẶT 4.1.1 Hiện tượng bề mặt 4.1.2 Năng lượng bề mặt 4.2 Sự HAP PHỤ 4.2.1 Định nghĩa 4.2.2 Pha hấp phụ pha bị hấp phụ 4.3 Sự HẤP PHỤ TRÊN BE MẶT LỎNG KHÍ CHAT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT 4.3.1 Phương trình hấp phụ Gibbs 4 Sự HẤP PHỤ TREN BE mặt ran - KHÍ 4.1 Phương trình đẳrig nhiệt Langmuir 4.4.2 Sự hấp phụ đa lớp Thuyết BET 4.4.2.1 Phương trình hấp phụ BET 4.4.2.2 Tính chất phương trình BET 4.4.2.3 Các loại chất hấp phụ đổc tính chúng 4.5 Hấp phụ chất tan dung dịch CAN BẰNG DUNG DỊCH - Hơĩ 4.5.1 Ap suất hơi, Định luật Raoult Cân dung dịch lỏng rắn 4.6.1 Độ giảm áp suất dung dịch 4.7 ÁP SUẤT THẨM THAU - ĐỊNH LUẬT VAN - HOEF 4.7.1 Định nghĩa: 4.7.2 Áp suất thẩm thâu 4.8 CÁC VÍ DỤ VÊ Sự HỊA TAN CỦA KHÍ TRONG LỎNG, BAY HƠI TRONG MƠI TRƯỜNG 4.8.1 Sự hịa tan khí lỏng 4.8.2 Sự bay 4.7 DUNG DỊCH KEO 4.7.1 Cấu tạo hạt keo 4.7.2 Tính bền hạt keo 4.8 Sự KEO TỤ CỦA KEO VÀ PEPTI HÓA 4.81 Sự keo tụ 4.8.2 Sự pepti hóa 4.9 CÁC TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH KEO 4.9.1 Tính chất quang học 4.9.2 Chuyển động Brown 70 71 72 73 74 75 76 77 81 84 85 Thư xiên Tntỡng ĐH Sir phạm KỊ thuật rP.HM http://www.thuvienspkt.edu Tnrờng ĐH Sư pham Kỳ thuảt TP HCM http.’H'H'H' hcmute edu 4.9.3 Sự sa lắng hạt keo 4.9.4 Hiện tượng điện di 4.10 HUYỀN PHÙ VÀ NHỦ TƯƠNG 4.10.1 Huyền phù 4.10.2 Nhũ tương 4.10.3 Bọt Chương ĐỘNG HỌC PHẲN ỨNG 5.1 VẬN TỐC PHẢN ỨNG 5.1.1 Các ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng 5.1.1.1 Ảnh hưởng nồng độ 5.1.1.2 Ánh hưởng nhiệt độ 5.1.1.3 Ánh hưởng chất xúc tác 5.2 Định luật tác dụng khôi lượng 5.2.1 Nội dung định luật lác dụng khối lượng 5.2.2 Cơ chế phan ứng bậc phản ứng 5.2.3 Phản ứng hóa học bậc 5.2.4 Phản ứng bậc hai 5.2.5 Phản ứng bậc ba 5.2.6 Phản ứng song song 5.2.7 Phản ứng nối tiếp 5.2.8 Các ví dụ tập động học phản ứiỊỊg 5.3 CẤU HÌNH CỦA BE PHẢN ỨNG 5.3.1 Phân tích hoạt động bể phản ứng 5.4 PHẢN ỨNG OXI HOA KHỬ 5.4.1 Định nghĩa 5.4.2 Phương trình Nernst 5.4.3 Sức điện động pin 5.5 Áp dụng phản ứng oxi hoá khử kỹ thuật mơi trường 5.5.1 Một số phản ứng oxi hóa khử phổ biến kỹ thuật mơi trường Chương HĨA HỌC CỦA CÁC THÀNH PHAN môi trường DI CHUYỂN CHẤT ô NIIIẼM hệ thông môi TRƯỜNG 86 87 89 90 92 93 94 95 96 97 100 103 105 112 114 116 117 118 122 6.1 KHÍ QUYỂN 6.1.2 Thành phần khí 6.1.3 Câu trúc khí 6.1.4 Q trình tiến hóa khí 6.1.5 Hóa học oxy ozon 6.1.5.1 Oxy 6.1.5.2 Ozon 6.2 Thuỷ 123 124 125 126 Thư viện Trướng ĐH Sư phạm Kỳ thuật TP.H.\Í ltfíp://www thuvienspkt edu Tnrờng ĐH Sư pham Kỳ thuảt TP HCM http.’H'H'H' hcmute edu 6.2.1 Hóa lý nước biển 6.2.2 Cân nước biển 6.2.3 Sự tạo phức nước tự nhiên nước thải 6.2.4 Các vi sinh vật - chát xúc tác cho cácphản ứng hóa học nước 6.3 THẠCH QUYỂN 128 6.3.1 Các tầng đất 6.3.2 Đặc tính hóa học đất 6.3.2.1 Các thành phần vô đất 6.3.2.2 Các thành phần hữu đất 6.3.2.3 lon trao đổi 6.3.2.4 Độ mặn đất 6.4 Sự DI CHUYỂN CHAT Ô NHIỄM hệ THốNG môi TRƯỜNG 134 135 6.4.1 Nguồn ô nhiễm, phát tán , tái tập trung phân huỷ chất ô nhiễm 6.4.2 Sự vận chuyển tái tập trung hợp chất hữu trung hòa 6.4.3 Tái tập trung chất nhiẻứvbằng đường sinh học 6.4.4 Tích lũy trầm tích 6.4.5 Tích lũy sinh học mở rộng 6.4.6 Phân huỷ 6.4.7 Di chuyển tập trung lại ion kim loại 6.4.8 Sự hòa tan 6.4.9 Lắng đọng trầm tích 6.4.10 Hấp thụ sinh vật 6.4.11 Mức an toàn Chương ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP HĨA LÝ TRONG CƠNG NGHỆ XỬ LÝ MƠI TRƯỜNG NƯỚC 7.1 130 131 133 136 137 138 139 140 142 143 144 145 146 PHƯƠNG PHÁP SA LẮNG 7.1.1 Lắng đọng phần tử phân tán - Kiểu I 7.1.2 Sa lắng phần tử tạo - kiểu II 7.2 PHƯƠNG PHAP ĐƠNG TỤ 7.2.1 Chất đơng tụ 7.3 PHƯƠNG PHÁP LỌC 7.3.1 Lọc cát chậm 7.3.2 Cơ chế lọc vận hành 7.3.3 Lọc trọng lực nhanh 7.4 KHỬ TRÙNG 7.4.1 Clo dioxit 153 154 155 162 163 165 167 Thư viện Trướng ĐH Sư phạm Kỳ thuật TP.H.\Í ltfíp://www thuvienspkt edu Tnrờng ĐH Sư pham Kỳ thuảt TP HCM littp:www hcmute edu 7.4.2 Cloramin 7.4.3 Ozon 7.4.4 Bức xạ tử ngoại 7.4.5 Khử trùng clo 7.4.6 Khử trùng Flo 7.5 XỬ LÝ BẰNG CÁC KỸ THUẬT 0X1 HÓA KHỬ, TRAO Đổi ION, HẤP PHỤ VÀ THẨM THAU 7.5.1 Tách sắt mangan 7.5.2 Các dạng sắt mangan nước ngầm 7.5.3 Quy trình làm đơi với nước có nồng độ sắt thấp 7.5.4 Quy trình tách sắt có nồng độ cao 7.5.5 Tách nước có đệm yếu 7.5.6 Tách mangan 7.5.7 Làm mềm nưổỵ kết tủa hóa học 7.6 TRAO ĐỔI ION 7.7 HẤP PHỤ 7.8 OXI HÓA HÓA HỌC 7.9 KỸ THUẬT LQC MÀNG TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 168 169 173 174 175 176 178 179 180 182 184 Thư xiên Tntỡng ĐH Sir phạm KỊ thuật rP.HM http://www.th uvienspkt.edu Tnrờng ĐH Sư pham Kỳ thuảt TP HCM http.’H'H'H' hcmute edu Chương BẢO TOÀN VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNG NGHĨA • • • • • • • • • • • • • • Hệ phần vật chất vĩ mô giới hạn để nghiên cứu Phần giới xung quanh gọi môi trường Hệ vĩ mô: hệ bao gồm số’ lớn tiểu phần cho áp dụng cho định luật xác suất thống kê Hệ mở: Hệ có trao đổi chất lượng với mơi trường Hệ đóng hệ khơng trao đổi chất, song trao đổi lượng với môi trường Hệ cô lập hệ không trao đổi chất lượng với môi trường Hệ đoạn nhiệt hệ không trao đổi nhiệt với môi trường Hệ cô lập đoạn nhiệt Hệ nhiệt động (hệ cân bằng) hệ mà tính chát vĩ mô không thay đổi theo thời gian môị trường không tác động đến hệ Trạng thái tập hợp tấ't tính chất vĩ mơ hệ Thơng sơ trạng thái nhtìng đại lượng vật lý vĩ mô đặc trưng cho trạng thái hệ (nhiệt độ T, áp suất T5 thể tích V, khơi lượng m ) Hàm trạng thái đại lượng đặc trưng cho trạng thái hệ Hàm trạng thái thường biểu diễn dạng hàm số thông số trạng thái: Nội u = ( T,p, tij ) Quá trình đường mà hệ chuyển từ trạng jhái sang trạng thái khác Nếu sau số biến đổi hệ lại trở trạng thái ban đầu gọi q trình kín hay chu trình - Quá trình tự xảy - Quá trình khơng tự xảy - Q trình thuận nghịch - Quá trình bất thuận nghịch Nội tập hợp toàn dạng lượng tiềm tàng hệ lượng nguyên tử, lượng phân tử Cơng nhiệt hai hình thức truyền lượng hệ Trong nhiệt động học thường quy ước: Công A Nhiệt Q - Hệ sinh >0 NH2Cl + H2Ờ mol NH_Ỉ phản ứng với moi HOCl tạo NHịCI (monocloramin) Tuy nhiên liều áp dụng 1:1 phán ứng tiếp tục tạo dicloramin : NH2CỈ + HOCl NHCl2 + H2O Dicloramin không thích hợp cho mùi vị nước Cho nên người ta hay áp dụng liều có tỷ lệ Cl2 / 3: 1, 4: để ngăn cản tạo thành dicloramin Lượng NHj đòi hỏi là: = 0,5 mg/l X 0,25 = 0,125 mg/l = 36400 X 0,125 X 10-3 = 4,6 kg/ngày 172 http://www.thuvienspkt.edu Triỉờng ĐH Sư phatn Kỳ thuẫt TP HCM http:www.hcmute.edu.vn Phương pháp khử trùng clo hệ thống cấp nước có ý nghĩa liên quan đến khả khử trùng có hiệu tiêu diệt vi sinh vật Khí clo phun vào bể đường ống với trộn nhanh hỗn loạn cao vài giây 7.4.6 Khử trùng Flo Flo nguyên tô' vết tự nhiên phân bố lượng rộng nước Nước ngầm có hàm lượng flo cao Tuy nhiên, hầu bề mặt lượng flo không đáng kể Flo cho vào nước dạng: • Natri florit, NaF • Natri silicofluorit • Axit Hydroflorit, HF Hiện khử trùng flo dùng thuộc vào nước giới 7.5 XỬ LÝ BẰNG CẤC KỸ THUẬT OXI HÓA KHỬ, TRAO Đổi ION, HAP PHỤ VÀ THẨ M THÂỤ Mục đích q trình xữ lý : • Cải thiện chất lượng nước cao chấp nhận theo địi hỏi ngành công nghiệp đặc biệt, đồ 'ng, dược phẩm • Để xử lý nước chứa tác nhân hóa học đặc biệt nhiễm vi sinh vật tới mức tiêu chuẩn có thê chấp nhận, ví dụ làm Fe Mn, làm tảo màu xanh, làm hợp chấqhữu đặc biệt Có nhiều kỹ thuật hóa học, vật lý sính học sử dụng để đạt dược mục đích Các kỹ thuật bao gồm: • Tách sắt mangan • Trao đổi ion hấp phụ ion vơ • Hấp phụ hợp chất hữu • Q trình màng bao gồm thấm thấu ngược • Oxi hóa bao gồm oxi hóa học 7.5.1 Tách sắt mangaii Sắt mangan nước phân bố khoảng nồng độ rộng từ pg/1 đến mg/1 thường tồn với nhau, có sắt lượng mangan nhỏ Sắt tự nhiên chiếm 4,7 % khối lượng lớp vỏ trái đất Mangan phổ biến cacbon chiếm 0,08 % khôi lượng vỏ trái đất Hai nguyên tô' sắt mangan nguyên tô' vi lượng cần thiết cho tất sinh vật sống lượng sắt cần thiết nhiều mangan sắt đóng vai trị quan trọng tạo thành sắc tô' màu máu đỏ Mangan đơ'i với động vật có vai trị quan trọng cho phát triển chức hệ thần kinh Tuy nhiên, lượng dư sắt mangan cần phải tách khỏi nước tạp chất khác chúng làm hư hỏng hệ thông phân phối nước I 73 Thư viện Tiitớng ĐH Sư phạm Kỳ thuật rP.H.\ĩ http://www, thuvienspkt.edu Tnrờttg ĐH Sư pham Kỳ thuật TP HCM httpnvww lỉte edu Để hiểu biết sắt mangan vào nước Vi khuẩn sử dụng vật liệu hữu làm thức ăn chuyển đổi thành CƠ2 H2O Để làm điều này, vi sinh vật cần oxy, đường dễ để nhận oxy lấy từ nước, Do vậy, nước oxy đường ngấm qua đất tới nước ngầm, sau sử dụng tồn oxy nước vi sinh vật tìm kiếm nguồn oxy khác từ oxit Fe2O3, MnO2 Do sắt mangan bị khử thành sắt (II) Mn (II) hịa tan nước; nước ngầm khơng chứa oxy gọi nước ngầm “ khử’ Đặc tính loại nước ngầm là: • Trong, khơng màu • Có mùi, vị kim loại • Khơng có oxy • Thỉnh thoảng có mùi H2S Khi nước “khử” tiếp xúc vổi khơng khí lấy oxy nhanh Fe (II) bị oxi hóa sau thời gian ngạn Điều quan sát tạo thành bơng màu nâu sau kết tủa 7.5.2 Các dạng sắt mangan nước ngầm Khi bị khử thành trạng thái oxi hoá +2, Fe Mn tạo thành hợp chat ion giống hydro cacbonat (bicacbonat), clorit, sunfat Khi dạng ion, ion Fe (11) Mn(ll) lại bị dễ dàng bị oxi hoa oxy Trong có mặt axit humic, Fe tạo thành phức bền, xếp hình học phân tử lón với ngun tử trung tâm mang điện dương Fe2+ Fe3+, báo quanh phối tử mang điện âm Phức có độ bền cao Các dạng sắt mangan nước bề mặt Hợp chất Fc2+ khơng tìm thấy nước bc mặt sắt (Fc3+) hịa tan nước bề mặt tạo thành keo bao gồm nhóm phân tử hydroxit sắt (III) Các tính chất khơng thích hựp sắt mangan Sắt nguyên tồ' khơng dộc, khơng thích hợp mặt thẩm mỹ làm cho nước có mùi khó chịu Khi nước chứa nhiều sắt, gây vết ố cho vải khó làm Thậm chí lượng nhỏ Fe Mn tích lũy lượng lớn lắng đọng hệ thống phân phối nước làm tăng lượng vi khuẩn sắt làm giảm thêm chất lượng nước tạo độ nhớt với mùi khó chịu Một sơ' vi khuẩn khác sử dụng bùn cặt để làm thức ăn phát triển hệ thống phân phối nước Phương pháp chủ yếu để tách sắt từ nước oxi hoá ion Fe2+ thành Fe'+ cách sục khí, lọc để tách kết tủa sắt Sự oxi hóa Fe2+ oxy khơng khí tương đối chậm, Phản ứng hóa học sau: 2Fe2+ (),5O2 + (x + ) HọO -> 174 Fe2O3 xH2O + H+ (7 ỉ 1) Thư viện Trướng ĐH Sư phạm Kỳ thuật TP.H.\Í http://www thuvienspkt edu vu Tnrờng ĐH Sư pham Kỳ thuật TP HCM httpTwww hcmute.edu, 7.5.3 Quy trình làm nước có nồng độ sắt thấp Nếu lượng sắt nước tương đối thấp (< mg / 1), tách sắt thường đạt hệ thông lọc áp suất có chứa lớp cát đơi có kết hợp lớp vật liệu đặc biệt “Polarit” lõi sắt hoạt động chất xúc tác Có thể sử dụng đá đolomit “ Akdolit” thay cho cát môi trường lọc (chứa Ca/MgCC>3 oxit) Các vật liệu tách hiệu sắt có nồng độ thấp cách kết tủa hydroxit sắt 7.5.4 Quy trình tách sắt có nồng độ cao Khi lượng sắt nước lớn (> 10 mg/1) sử dụng phương pháp đông tụ trước lọc nhanh cát Tuy nhiên phương pháp đòi hỏi thiết bị phức tạp tốc độ lọc chậm Phương pháp lọc nhiều lớp phin lọc với vật liệu lọc khác đạt hiệu cao 7.5.5 Tách sắt nước có đệm yếu Nước xem khó tách sắt thường nước có độ đệm yếu nghĩa hàm lượng hydro cacbơnat tháp Sự tạo thành proton q trình oxi hóa nước có đệm tốt khơng gây vấn đề gì, nước có đệm thấp bị axit hóa sục khơng khí vào nước, nhiều co2 bị mất, pH nước tăng lên bắt đầu bị oxi hoá H+ sinh phản ứng với HCO/ tạo nhiều CƠ2 Trong nước có đệm tháp, pH đạt địểm phản ứng dừng lại (tự ức chế) Bởi cịn lượng lớn ion Fc *■ lại, cần thiết phải thêm oxy đổ cho phản ứng xảy hoàn tồn Nhưng điều khơng sau thêm oxy, làm bền ion Fe’+ trình lọc Lý tạo thành dung dịch keo khả làm bền xảy cịn lại đủ lượng ion Fe2+ Sự đông tụ xảy khoảng pH xác định vùng pH trở nên hẹp mà đệm bị giảm xuống Ớ ỡ vùng dung dịch keo bền tồn cân điện tích âm điện tích dương Độ bền dung dịch keo cao đến mức lọc qua lớp lọc mỏng 7.5.6 Tách mangan Mangan tồn nước tự nhiên dạng ion Mn2+ Khơng thể oxi hóa cách sục khí khoảng pH bình thường, chí lượng Mn tới 10 mg/1 cao Oxi hóa Mn2+ xảy pH điều chỉnh từ 10 trước sục khí, lọc vật vật liệu lọc chịu đưực kiềm Q trình oxi hóa Mn2+ phức lạp q trình oxi hóa Fe2+ Mangan tồn nhiều trạng thái oxi hóa khác (II III, IV tự nhiên V,VI,VII sản phẩm nhân tạo) Để làm Mn, thực tế, phương pháp thích hợp thêm dung dịch KMnO4 tác nhân tác dụng trước lọc mà không thay đổi pH Giá trị định lượng tỉ lượng 1,9 kg 175 Thư viện Trướng ĐH Sư phạm Kỳ thuật TP.H.\Í http://www thuvienspkt edu vu Triỉờng ĐH Sư phatn Kỳ thuẫt TP HCM http:www.hcmute.edu.vn KMnO4 / kg Mn thường tìm cao (hoặc thấp), phụ thuộc vào trình khử oxi hố xảy đồng thời Cho lượng KMnO4 vào nước thời gian từ ngày đến tháng trước tách Mn tiến hành Mơ hình tách sắt mangan đưa Hình 7.13 Tháp thải CƠ2 sục khí 7.5.7 Làm mềm nước kết tủa hóa học Độ cứng nước gây có mặt kim loại đa hóa trị chủ yếu Ca2+, Mg2+ nhỏ Fe2+ Mn2+ Độ cứng toàn phần thường tính dựa nồng độ Ca2+ Mg2+, có đơn vị mg/l theo CaCO3 Độ cứng kết hợp phổ biến với nước ngầm nước bề mặt Ỉ3ảng 7.3 đưa thang đo phân loại độ cứng nước Bảng 7.3, Độ cứng nước Độ cứng ( nig/1 CaCO3) Mô tả 0-75 75-150 150- 300 >300 Mem Cứng trung bình Cứng Rất cứng 176 Thư viện Trướng ĐH Sư phạm Kỳ thuật TP.HSÍ http://www thuvienspkt edu Triỉờng ĐH Sư phatn Kỳ thuẫt TP HCM http:www.hcmute.edu.vn Các đặc tính nguồn nước định trước q trình làm mềm Bơn q trình là: Q trình bón vơi giai đoạn sử dụng nước thơ có độ cứng Ca2+ cao độ cứng Mg2+ thấp khơng có độ cứng cacbonat Q trình thêm sơ đa kiềm - vơi sử dụng nước thơ có độ cứng Ca2+ cao độ cứng Mg2+ thấp có độ cứng khơng cacbonat Q trình kiềm sơ đa - vơi dư sử dụng nước thơ có độ cứng Ca2+ cao độ cứng Mg2+ cao có độ cứng khơng cacbonat V7 du 7.6 Phăn tích nước ngầm chơ biết chất lượng nước sau Xác định liều vôi làm mềm vôi trực tiếp sử dụng: PH = 7,5 Ca2+ = 150 mg ĩheơ CaCOị Mg2+ = 20 mg/l tírểợCaCOs Độ kiềm = 200 mg/l they CaCCp Giải: Liều vôi = nồng độ axit cacbơnic + độ cứng canxi cacbơnat Nồng độ bicacbonat: [//CƠ7] = 200x|ịxl0’3x 50 61 = 4,0 X 10~3 mơl/l Các sô'phân li axit cacbơnic 10 °C K ~ [H+][HC0, ] H2CO* =4,47 X 10 "7 mol/l STP k2co;] =4,8 X lơ11 mol/l Tổng nồng độ gốc cacbơnic Ct = [H2CO ] + [ HCO ỉ + ICO 2- ] [HCO^ 177 Thư xiên Trưởng ĐH Sir phạm KỊ ứtuật TP.HSÍ http://www thuvienspkt edu Triỉờng ĐH Sư phatn Kỳ thuẫt TP HCM http:www.hcmute.edu.vn đây: a = -————— ——— ' l + [/7+]/^ +K2/[H+] — = 0,93 + 10“7’5 /(4,47 X ()-7) + (4,8 X 10-'1) /10’7-5 = — - r 77 X I o-3 „ = 4,29 X XỒ^molH 0,93 [H2CO /] = Cr-[ HCOj] - [C03 2- ] =4,29 X lơ3 - 4,0 X lơ3 = 0,29 X lơ3 =29 mg/l dạng CaCOj Do liều cửa vôi : Liều vôi = 29 + 150 = 179 mg/l dạng CaCOị = 179 X 37/50 = 133 mg/l dạng Ca(OH)2 CT = 7.6 TRAO ĐỔI ION Nước cứng (>50 mg /1 CaCO3) chứa lượng dư cation Ca?+ Mg+ Quá trình làm mềm nước nghĩa làm giảm độ cứng loại bỏ nó, tiến hành cách trao đổi cation canxi magie với natri Nếu Na2R nhựa trao đổi ion natri (R gốc hữu cơ), trình làm mềm nước là: NT Mg2+ + Na2R Ca2+ + Na?R í; MgR = 2Na+ CaR + 2Na+ Quá trình trao đổi ion thuận nghịch hương phản ứng phụ thuộc vào nồng độ mức bão hịa nhựa Một đơn vị làíii Hiềm nước bao gồm lứp nhựa cao khoảng từ 0,5-2 m với tốc độ chảy khoảng 1/ s m2 Dung tích làm mềm nhựa trao đổi thay đổi từ 100 đến 1500 eqlm3 Ví du: 7.7 Zeolit tổng hợp có dung tích 400 eq/m3 tốc độ “lọc“ 17 s m2 sử dụng để làm mềm nước với tốc độ chảy 10 l/s độ cứng meq/l (250 mg/l dạng CaCOj) Bề dày lớp nhựa 1,5 m 85 % tỉ lệ trao đổi sử dụng trước điểm dừng Xác định đường kính mơi trường trao đơi vù thê lích nước qua trước lúi lạo lại nhựa, xác định lại thời gian tái tạo Giải: Diện tích: Q/V = 10/4 = 2,5 m2 Đường kính cột ộ= 1,78 m Thế' tích lớp nhựa: 1,5 X 2,5 m2 = 3,75 m2 Tổng dung tích : 3,75 X 400 = 1500 đương lượng Dung tích trao đổi yêu cầu = 85% 1500 = 1275 đương lượng Thể tích nước qua trước tái tạo: (1275/4) X 103 = 318750 l 178 http:Z/www.thuvienspkt.edu Tnrờttg ĐH Sư pham Kỳ thuật TP HCM httpnvww lỉte edu Thời gian chạy liên tục lần tái tạo nhựa: = 318750/4 = 79687 s = 22,1 Quá trình trao đổi ion sử dụng để tách cation không thích hợp khác Ba, Sr, Ra anion : F, NO3', S1O4 3', CrO42' V.W 7.7 HẤP PHỤ Một số tạp chất bị hấp phụ chất hấp phụ rắn Hấp phụ bao gồm trình vật lý hóa học tích lũy chất bề mặt tiếp xúc pha lỏng pha rắn Các chất hấp phụ sử dụng xử lý nước cơng nghiệp bao gồm: • Than hoạt tính -PAC GAC • Oxit nhơm hoạt hóa • Keo sét • Các hydroxit • Nhựa hấp phụ Than hoạt tính (PAC) đưực sử dụng phổ biến để hấp phụ chất hữu mà chúng gây vẩn đề mùi vị vi sinh vật Than hoạt tính sử dụng để hấp phụ tảo thường gây mùi yị màu khơng thích hợp PAC cho vào nước dạng dung dịch đặc giai đoạn đông tụ trước lọc Liều sử dụng từ — 100 g/ m3 Khi dùng PAC tạo bùn khơng thể tái tạo Than hoạt tính dạng hạt (GAC) thỉnh tịỊpảng sử dụng làm lớp lọc tinh sau lọc GAC tạo nước có chất lượng cao'và giảm mức clo Đặc tính có ý nghĩa PAC mật độ lớn vìpkhả lọc Khả lọc nghĩa loại khỏi lớp lọc cát tạo cho việc dễ dàng làm lớp lọc Mật độ lớn nghĩa khối lượng tỷ lệ thuận với dung lích hấp phụ Mật độ lớn cao thí có dung tích hấp phụ cao 7.8 OXI HĨA HĨA HỌC Oxi hóa hóa học kết phản ứng hai nhiều chất hóa học thêm vào với mục đích làm tăng trạng thái oxi hóa chât Các q trình oxi hóa khử xảy phản ứng Để chất hóa học tăng trạng thái oxi hố (mất electron) chất hóa học khác phải giảm electron (đạt electron) Phương trình sau biểu diễn xự oxi hóa khử Fe2+ HOC1 Fe2+ bị oxi hóa : 2Fe2+ + HOC1 + 5H2O -* 179 2Fe(OH)3 + cr + 5H+ Thư viện Trướng ĐH Sư phạm Kỳ thuật TP.HSÍ http://www thuvienspkt edu Triỉờng ĐH Sư phatn Kỳ thuẫt TP HCM http:www.hcmute.edu.vn Sắt tăng trạng thái oxi hóa từ +2 lên +3, nghĩa electron, clo bị khử từ C1 + tới -1 Nghĩa nhận electron, nguyên tử sắt tương ứng với nguyên tử clo bị khử Trong xử lý nước, oxi hóa tự nhiên xảy thể nước mỡ, hồ, đầm chứa bể sa lắng Oxi hóa hóa học sử dụng phổ biến xử lý nước Phương pháp cổ truyền dùng clo gần clo thay tác nhân khác clo phản ứng với hợp chất hữu tạo thành THM Các chất oxi hóa sử dụng với mục đích sau: Oxi hóa sắt Oxi hóa mangan Loại bỏ màu Cải thiện vị • TrỢ giúp đơng tụ Các chất thay thê clo • Cloramin • Ozon • Permanganat kali • Clo dioxit 7.9 KỸ THUẬT LỌC MÀNG Các kỹ thuật lọc màng bao gồm: • • • • Vi lọc ( MF) Siêu lọc (UF) Thẩm thấu ngược (RO) Điện li (ED) MF cho phép phân lử lơn (kích thước 10"4 - 10”3 mm) qua màng lọc, vi khuẩn lớn 1()”4 mm bị ngăn lại qua màng lọc Kích thước lỗ MF từ 10 - I0-2 mm Nói chung, kỹ thuật lọc thông thường giữ phần tử có kích thước xấp xỉ nhỏ bậc kích thước lỗ phin lọc Đôi với UF ngưỡng lọc lọc nằm vùng kích thước lỗ 10'6 - 10'4 mm Thẩm thấu ngược khác với MF UF Đây kỹ thuật khuyếch tán chát tan sử dụng màng bán thấm có tác dụng chắn muối phân tử vơ hịa tan Nó nhót chất hữu có khơi lượng phân tử lớn 100 Màng RO khơng có lỗ đồng MF UF RO sử dụng khử mặn, Quá trình minh họa 180 Thư viện Trướng ĐH Sư phạm Kỳ thuật TP.H.\Í http://www thuvienspkt edu Tnrờng ĐH Sư pham Kỳ thuât TP HCM http:www hcmute edu Hỉnh 7.Ỉ4 Trong Hỉnh 7.J5 áp suất áp vào vượt áp suất thẩm thấu dung dịch muôi biển chống lại màng bán thấm buộc nước chảy qua để lại muôi phía sau, nghĩa tất ion bị giữ lại phía phải Điện li (ED) q trình màng tích điện ion di chuyển qua màng từ dung dịch nồng độ thâ^p đến nồng độ cao Dòng nước tinh khiết chảy theo hướng tiếp tuyến màng dòng ion chảy theo hường thẳng đứng 10'7 10'6 10'5 10'3 10'2 10 'mm * - ► -► RO 10'4 UF MF CF SM - màng bán thấm Hình 7.15 Sơ dồ thẩm thấu ngược ỊgỊ ĩhư viện ĩneớng ĐH Sưphant KỊ thuật rP.HM http://www.thuvienspkt.edu Tnrờttg ĐH Sư pham Kỳ thuật TP HCM httpnvww lỉte edu TÀI LIỆU THAM KHẢO Đào Văn Lượng, Giáo trình Hóa lý, Tập 1, Phần nhiệt động học, Trường Đại học Bách Khoa TP.HỒ Chí Minh, 1993 Phạm Hùng Việt, Nguyễn Văn Nội, Nguyễn Bích Hà, Giáo trình Hóa học môi trường sở, Hà nội, 1996 Trần Đức Hạ, Cơ sở hóa học q trình xử lý nước cấp nước thải, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà nội 2002 Phạm Nguyên Chướng, Trần Hồng Côn, Nguyễn Văn Nội, Hà Hữu Thu, Nguyễn Diễm Trang, Hà Sỹ Uyên, Phạm Hùng Việt, Hóa kỹ thuật, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà nội, 2002 Lê Huy Bá, Sinh thái môi trường đất, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2000 Ngun Đính Chỉ, Cơ sơ Lý thut hóa học, Nhà xuât Giáo dục, 1995 Lê văn Cát, Cơ sở hóa^học kỹ thuật xử lý nước, Nhà xuất Thanh niên, 1999 Huỳnh Thị Minh Hằng, Địa chất môi trường, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Ho Chí Minh Phạm Ngọc Đăng, Mơi trường khơng khí, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2003 lO Trần Khắc Chương, Hóa lý, tập II (động học xúc tác), Trường đại học Bách khoa TP.HỒ Chí Minh 1993 11 Hồng Nhâm, Hóa học vơ cơ, tập I, Nhà xuất Giáo dục, tái lần thứ năm, 2003 12 http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12 13 Joseph, p Renoeds, John s Jeris, Louis Theodore, Handbook of Chemical and Environmental Engineering, Wiley - Interscience, A John Wiley & Sons, Inc., Published in Canada, 2002 14 R.E Lecster and R.M Harrison, Chlorinated Organic Micropollutants; Issues in Environmental Science and Technology, The Royal Society of Chemistry, 1996 15 Cooper’s Comprehensive Environmental Desk Reference., Environmrntal Science - Dictionaries 3, Published in Canada, 1995 16, Frank N Kemmer, Nalco Chemical Company The Nalco Water Handbook, Second Edition, McGraw - Hill Book Company, ĨSB No- 07-045872-3, USA,1987 17 Raymon D Ceetterman, Water Quality and Treatment, American Water Works Association, Fifth Edition; Me Graw - Hill, Inc 1SB.0-07-001659-3, USA, 1999 18 N.N Greenwood and A.Earnshaw, Chemistry of the Elements, Second Edition School of Chemistry Univesity of UK 1998 182 Thư viện Trướng ĐH Sư phạm Kỳ thuật TP.H.\Í http://www thuvienspkt edu vu Triỉờng ĐH Sư pỉiatn Kỳ thuật TP HCM http:www hem ute edu 19 Gerard Kiely, Environmental Engineering, International Edition 1998 20 Davis Cornwell, Environmental Engineering, Third Edition, 1998 21 Joseph A.Salvato, P.E., Dee; Nelson L Nemerow, PhD., P.E., Franklin J Agardy, PhD., Environmental Engineering, Fifth Edition, Wiley John Wiley & Sons, Inc, Canada, 2003 22 Roger N Reeve, Introduction Environmental Analysis, John Wiley & Sons, LTD, University of Sunderland, UK, 2002 183 Thư viện Trướng ĐH Sư phạm Kỳ thuật TP.H.\Í http://www thuvienspkt edu vu Tnrờng ĐH Sư pham Kỳ thuât TP HCM Mtp:www hcmute edu PHỤ LỤC TƯƠNG QUAN GIỮA CÁC HỆ ĐO LƯỜNG CỦA MỘT số ĐẠI LƯỢNG HÓA LÝ THƯỜNG sử DỤNG TRONG KỸ THUẬT MƠI TRƯỜNG Hằng số khí, = 0,0821 ỉ.atm mol'1 K'1 = 8,31 J.mol-IK1 = 62,4 l.torr.mol'1 K1 Lực ỉ N = Ikg.m.s'2 F = m (khối lượng) X gia tốc Ap suất p = lực / diện tích Pa = ỉkg/ms2 atm = 760 torr atm - 101 kPa 760 mm Hg = 760 torr ' TT -I',' Độ dài ụm = 10'8 m 1A = 10'1,1 m ft = 0,3048 m in = 25,4.10 m Khối lượng lb (pound) = 0,454 kg Nhiệt độ t°K = t°c + 273,15 t°F = ^(t°C + 32) t°c= Ị(t°F-32) Cơng suất 184 Thít xiên Trưởng ĐH Sư phạm KỊ tít li át rP.HSÍ http://www thuvienspkt edu Tnrờng ĐH Sư pham Kỳ thuât TP HCM Mtp:www hcmute edu 1 1 kg (lực)m/s = 9,81 w erg/s = lơ7 w Kcal/h = ỉ,163 w Ib ịlực).ft/s = 1,356 w Btu/s = 1,065 kw Công lượng nhiệt lượng kg(lực).m = 9,8 u ỉ erg = lơ7 J kWh = 3,6.106 J = 4,19 kJ Btu = 1055,1 J = 0,252 Kcal kWh = 3415 Btu Kcal = 3,968 Btu Lưu litựng ft3/s = 28,3.10 ' rì/s Entropy erg/(g.K) = lơ4 J/(g.K) Btu/lb.°F) = 4,19 kĩ/ịkg.K) x'c Enthapy Kcal/kg = ỉ cal/g = 4.19 kJ/kg Btu/lb = 2326 J/kg = 0,5556Kcal/kg ỉ Kcal/kg = 1,80 Btu/lb Nhiệt dung riêng Kcal/ịkg.K) = 4,19 kJ/(kg.K) = lKcal/kg°C 185 Thư viện rrường ĐH Sư phạm Kỳ thuật rP.H.\í http://www thuvienspkt edu