Trong nước mặt, sắt tồn tại ở dạng hợp chất sắt Fe3+ thông thuờng là FeOH3 không tan, ở dạng keo hay huyền phù, hoặc ở dạng các hợp chất hữu cơ phức tạp khó tan.. Hàm lượng sắt có trong
Trang 1Bài 1 KHỬ SẮT KẾT HỢP LỌC TRONG NƯỚC CẤP
1.1 MỤC ĐÍCH
- Nghiên cứu khả năng khử sắt trong nước cấp khi làm thoáng
- Nghiên cứu khả năng khử sắt trong nước cất khi sử dụng các chất oxi hóa mạnh
- Nghiên cứu khả năng lọc sắt sau quá trình khử sắt
1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trong nước tự nhiên, kể cả nước mặt lẫn nước ngầm đều có chứa sắt Hàm lượng sắt và dạng tồn tại của chúng tùy thuộc vào từng loại nguồn nước, điều kiện môi trường và nguồn gốc tạo thành chúng Trong nước mặt, sắt tồn tại ở dạng hợp chất sắt Fe3+ thông thuờng là Fe(OH)3 không tan, ở dạng keo hay huyền phù, hoặc ở dạng các hợp chất hữu cơ phức tạp khó tan Hàm lượng sắt có trong nước mặt không lớn và sẽ được khử trong quá trình làm trong nước
Trong nước ngầm sắt tồn tại dạng ion, sắt có hóa trị 2 ( Fe2+) là thành phần của các muối hoà tan như : bicacbonat Fe(HCO3)2 , sunfat FeSO4 Hàm lượng sắt trong nước ngầm thường cao và phân bố không đồng đều trong các trầm tích dưới sâu
Nước có hàm lượng sắt cao, thì có mùi tanh và có nhiều cặn bẩn màu vàng, gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước ăn uống và cho sinh hoạt và sản xuất Vì vậy khi trong nước có hàm lượng sắt lớn hơn giới hạn cho phép thì phải tiến hành khử sắt
Hiện nay có nhiều phương pháp khử sắt của nước ngầm, có thể chia thành các nhóm chính sau:
ü Khử sắt bằng phương pháp làm thoáng
ü Khử sắt bằng phương pháp dùng hoá chất
ü Khử sắt bằng phương pháp khác
1.2.1 Khử sắt bằng phương pháp làm thoáng
Thực chất của phương pháp khử sắt bằng phương pháp làm thoáng là làm giàu oxi cho nước tạo điều kiện để oxi hoá Fe2+ thành Fe3+ thực hiện quá trình thuỷ phân tạo thành hợp chất ít tan Fe(OH)3, rồi dùng bể lọc giữ lại Làm thoáng có thể là : làm thoáng tự nhiên hay làm thoáng nhân tạo Sau khi làm thoáng quá trình oxi hoá Fe2+ và thủy phân Fe3+ có thể xảy
ra trong môi trường tự do
Trong nước ngầm, sắt (II) bicacbonat là muối không bền vững, thường phân ly theo dạng sau :
Fe(HCO3)2 = 2 HCO3- + Fe2+
Nếu trong nước có oxi hoà tan, quá trình oxi hóa diễn ra như sau :
4 Fe2+ + O2 + 10 H2O = 4 Fe(OH)3 + 8H+ Đồng thời xảy ra phản ứng phụ:
H+ + HCO3- = H2O + CO2 Tốc độ phản ứng oxi hoá được biểu thị theo phương trình sau:
H
O Fe dt
Fe d
2 2
+
+ +
=
=
Trong đó : + v : Tốc độ oxi hóa
Trang 2+ [ ]
dt
Fe
d 2+ : Sự biến thiên nồng độ [Fe2+] theo thời gian t
+ [Fe2+]; [ H+]; [O2] : Nồng độ của các ion Fe2+ , H+ , O2 tan trong nuớc + K : Hằng số tốc độ phản ứng, phụ thuộc vào nhiệt độ và
chất xúc tác Theo phương trình của Just tốc độ oxi hoá của Fe2+ tỉ lệ thuận với [Fe2+] và [O2], tỉ lệ nghịch với [ H+]
Như vậy quá trình chuyển hóa Fe2+ thành Fe3+ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: pH, O2, hàm lượng sắt trong nước ngầm, CO2 , độ kiềm, nhiệt độ, thời gian phản ứng Ngoài ra tốc độ oxi hóa Fe2+ còn phụ thuộc vào thế oxi hóa khử tiêu chuẩn
Khi tất cả các ion Fe2+ hoà tan trong nước đã chuyển hóa thành bông cặn Fe(OH)3 Việc loại bỏ các bông cặn ra khỏi nước đuợc thực hiện ở bể lọc chủ yếu theo cơ chế giữ cặn cơ học
1.2.2 Khử sắt bằng phương pháp dùng hóa chất
1.2.1.1.Khử sắt bằng các chất oxi hoá mạnh
Các chất oxi hóa mạnh thường dùng để khử sắt là: Cl2 , KMnO4 , O3… Khi cho các chất oxi mạnh vào nước phản ứng diễn ra như sau :
2Fe2+
+ Cl2 + 6 H2O = 2Fe(OH)3 + 2 Cl- + 6H+ 3Fe3+ + KMnO4 + 7 H2O = 3 Fe(OH)3 + MnO2 + K+ + 5 H + Trong phản ứng, để oxi hóa 1mg Fe2+ cần 0,64 mg Cl2 hoặc 0,94 mg KMnO4 và đồng thời dộ kiềm của nước phải giảm đi 0,018 mgđ/l
So sánh với phương pháp khử sắt bằng làm thoáng ta thấy, dùng chất oxi hoá mạnh phản ứng xảy ra mạnh hơn , pH môi trường thấp hơn ( pH< 6 ) Nếu trong nước có tồn tại các hợp chất như : H2S, NH3 thí chúng sẽ gây ảnh hưởng đến quá trình khử sắt
1.2.1.2 Khử sắt bằng vôi
Phương pháp khử sắt bằng vôi thường không đứng độc lập, mà kết hơp với các quá trình làm ổn định nước hoặc làm mềm nước Khi cho vôi vào nước quá trình khử sắt xảy ra theo 2 trường hợp :
Trường hợp nước có oxi hoà tan : vôi được coi như là chất xúc tác, phản ứng khử sắt xảy
ra như sau:
4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O + 4 Ca(OH)2 Fe(OH)3 + 4 Ca(HCO3)2
Sắt (III) hydroxit được tạo thành dễ dàng lắng lại trong bể lắng và giữ lại hoàn toàn trong bể lọc
Trong trường hợp nước không có oxi hoà tan : khi cho vôi vào nước phản ứng diễn ra như sau :
Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 FeCO3 + CaCO3 + H2O Sắt được khử dưới dạng FeCO3 chứ không phải hydroxit sắt
1.2.3 Các phương pháp khử sắt khác
Ø Khử sắt bằng trao đổi Cation
Ø Khử sắt bằng điện phân
Ø Khử sắt bằng phương pháp vi sinh
Ø Khử sắt ngay trong lòng đất
Trang 31.3 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH
1.3.1 Khử sắt bằng phưong pháp làm thoáng
1.3.1.1 Mô hình
1.3.1.2 Trình tự thí nghiệm
Bước 1: Chuẩn bị
ü Rửa sạch mô hình bằng nước máy
ü Cân 2,7714g sắt II để pha thành 40 lít nước nhiễm sắt nồng độ 10mg/l (NH4)2Fe(SO4)2.6H2O
Bước 2: Lập đường chuẩn để xác định sắt
D2 sắt chuẩn (ml) 0 5 10 15 20 25
Dd Phenanthroline 2 ml mỗi ống, lắc đều, đợi 10 phút
Đo độ hấp thu A của dung dịch ở bước sóng 510 nm
Bước 3: Lấy mẫu đã pha ( M 1 ) đi xác định sắt tổng và sắt II
Ø Sắt tổng
a Mẫu thật
- Lấy 50ml mẫu M1 cho vào bình kín + 1ml NH2OH HCl
- Thêm 5ml dd đệm + 2ml Phenanthroline
Trang 4- Đậy nut, lắc, đợi 10phút
- Đo độ hấp thu A tại bước sóng 510 nm
b Mẫu trắng: Làm tương tự nhưng thay 50 ml mẫu bằng 50 ml nước cất
Ø Sắt II
a Mẫu thật:
- Lấy 50ml mẫu M1 cho vào bình kín
- Thêm 5ml dd đệm + 2ml Phenanthroline
- Đậy nut, lắc đều, đợi 10phút
- Đo độ hấp thu A tại bước sóng 510 nm
c Mẫu trắng: Làm tương tự nhưng thay 50 ml mẫu bằng 50 ml nước cất
Bước 4: Chạy mô hình
Ø Giàn mưa
- Bật bơm 1, bơm nước lên giàn mưa
- Chỉnh lưu lượng bằng van 3 sao cho Q = 2lit/phút (2 LPM)
- Bơm heat 40 lít nước lên giàn mưa Sau đó lấy mẫu (M2) ở khoang chứa đi xác định:
ü Sắt II
ü Sắt tổng
Ø Cột lọc
- Đóng : Van 2, 3, 4, hai van lấy mẫu 8, 9
- Mở: Van 1, hai van đo áp 6,7
- Bật bơm, bơm nước từ khoang chứa qua cột lọc
- Chỉnh lưu lượng bằng van 5 sao cho Q = 3 lit/phút ( 3LPM)
- Sau 4 đến 5 phút lấy mẫu nước tại van 9, cách quãng 3 phút 1 lần, được
3 mẫu là: M31, M32, M33
- Xác đình : Sắt (II) và sắt tổng
1.3.1.3 Kết quả:
- Hiệu quả khử sắt chung
- Hiệu quả khử sắt ở các thời gian khác nhau
1.3.2 Khử Sắt Trong Nước Cấp Bằng Phương Pháp Chlorine
1.3.2.1 Thí nghiệm 3: Xác định khả năng khử sắt bằng phương pháp làm thoáng
ü Nước cấp có hàm lượng sắt lớn hơn 30ppm, ở giá trị pH= 7
ü Nước cấp được bơm lên giàn mưa và sục khí làm thoáng
ü Thời gian phản ứng 15 phút để quá trình chuyển hoá Fe2+ thành Fe3+ xảy ra
ü Tiếp tục bơm nước qua cột lọc Xác định hàm lượng sắt trong nước cấp đã xử lý
1.3.2.2 Thí nghiệm 4 :Xác định lượng hoá chất tối ưu và khảo sát sự thay đổi pH
ü Nước cấp có hàm lượng sắt lớn hơn 30ppm, ở giá trị pH= 7
ü Cho dung dịch Chlorine 5% vào ở các liều lượng khác nhau Xác định dung dịch Chlorine cần thiết để chuyển hóa Fe2 thành Fe3
ü Thời gian phản ứng 15 phút để quá trình chuyển hoá Fe2+ thành Fe3+ xảy ra
ü Tiếp tục bơm nước qua cột lọc Xác định hàm lượng sắt trong nước cấp đã xử lý
Trang 51.4 KẾT QUẢ
ü Thí nghiệm1: lập bảng số liệu Dựng đồ thị, trục hoành biểu thị giá trị pH, trục tung biểu thị giá trị hàm lượng sắt trong mẫu nước cấp đãxử lý Vẽ đường cong biến thiên Xác định điểm cực tiểu Từ đó suy ra giá trị pH tối ưu
ü Thí nghiệm 2: lập bảng số liệu Dựng đồ thị, trục hoành biểu thị thời gian phản ứng, trục tung biểu thị giá trị hàm lượng sắt trong mẫu nước cấp đãxử lý Vẽ đường cong biến thiên Xác định đường tiệm cận Từ đó suy ra thời gian phản ứng tối ưu
ü Thí nghiệm 3: ghi nhận kết quả và bàn luận
ü Thí nghiệm 4: lập bảng số liệu Dựng đồ thị, trục hoành biểu thị liều lượng phản ứng, trục tung biểu thị giá trị hàm lượng sắt trong mẫu nước cấp đãxử lý Vẽ đường cong biến thiên Xác định đường tiệm cận Từ đó suy ra lượng hóa chất phản ứng tối ưu