Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh – Khoa Môi Trường và CNCH Th.S. Lâm Vónh Sơn Trang 3 Bài 1. KHỬ SẮT KẾT HP 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 Fe 3+ thông thøng 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 trò 2 ( Fe 2+ ) là thành phần của các muối hoà tan như : bicacbonat Fe(HCO 3 ) 2 , sunfat FeSO 4 . 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 Fe 2+ thành Fe 3+ 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 Fe 2+ và thủy phân Fe 3+ 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(HCO 3 ) 2 = 2 HCO 3 - + Fe 2+ Nếu trong nước có oxi hoà tan, quá trình oxi hóa diễn ra như sau : 4 Fe 2+ + O 2 + 10 H 2 O = 4 Fe(OH) 3 + 8H + Đồng thời xảy ra phản ứng phụ: H + + HCO 3 - = H 2 O + CO 2 Tốc độ phản ứng oxi hoá được biểu thò theo phương trình sau: [ ] [ ] [ ] [] K H OFe dt Fed v . 2 2 2 2 + + + == Trong đó : + v : Tốc độ oxi hóa PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh – Khoa Môi Trường và CNCH Th.S. Lâm Vónh Sơn Trang 4 + [ ] dt Fed +2 : Sự biến thiên nồng độ [Fe 2+ ] theo thời gian t. + [Fe 2+ ]; [ H + ]; [O 2 ] : Nồng độ của các ion Fe 2+ , H + , O 2 tan trong nùc . + 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 Fe 2+ tỉ lệ thuận với [Fe 2+ ] và [O 2 ], tỉ lệ nghòch với [ H + ]. Như vậy quá trình chuyển hóa Fe2+ thành Fe3+ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: pH, O 2 , hàm lượng sắt trong nước ngầm, CO 2 , độ kiềm, nhiệt độ, thời gian phản ứng. Ngoài ra tốc độ oxi hóa Fe 2+ còn phụ thuộc vào thế oxi hóa khử tiêu chuẩn. Khi tất cả các ion Fe 2+ hoà tan trong nước đã chuyển hóa thành bông cặn Fe(OH) 3 . Việc loại bỏ các bông cặn ra khỏi nước đïc 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 : 2Fe 2+ + Cl 2 + 6 H 2 O = 2Fe(OH) 3 + 2 Cl - + 6H + 3Fe 3+ + KMnO 4 + 7 H 2 O = 3 Fe(OH) 3 + MnO 2 + 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 đònh 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(HCO 3 ) 2 + O 2 + 2H 2 O + 4 Ca(OH) 2 Fe(OH) 3 + 4 Ca(HCO 3 ) 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(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 FeCO 3 + CaCO 3 + H 2 O 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. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh – Khoa Môi Trường và CNCH Th.S. Lâm Vónh Sơn Trang 5 1.3. 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 bò 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 (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2 .6H 2 O Bước 2: Lập đường chuẩn để xác đònh sắt STT ống 1 2 3 4 5 6 D 2 sắt chuẩn (ml) 0 5 10 15 20 25 Nước cất (ml) 25 20 15 10 0 Dd đệm axetat 5 ml mỗi ống Dd Phenanthroline 2 ml mỗi ống, lắc đều, đợi 10 phút Đo độ hấp thu A của dung dòch ở bước sóng 510 nm Bước 3: Lấy mẫu đã pha ( M 1 ) đi xác đònh sắt tổng và sắt II Ø Sắt tổng a. Mẫu thật - Lấy 50ml mẫu M 1 cho vào bình kín + 1ml NH 2 OH. HCl - Thêm 5ml dd đệm + 2ml Phenanthroline PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh – Khoa Môi Trường và CNCH Th.S. Lâm Vónh Sơn Trang 6 - 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 M 1 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 đònh: 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 đònh khả năng khử sắt bằng phương pháp làm thoáng. ü Nước cấp có hàm lượng sắt lớn hơn 30ppm, ở giá trò 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 Fe 2+ thành Fe 3+ xảy ra . ü Tiếp tục bơm nước qua cột lọc . Xác đònh hàm lượng sắt trong nước cấp đã xử lý. 1.3.2.2. Thí nghiệm 4 :Xác đònh lượng hoá chất tối ưu và khảo sát sự thay đổi pH. ü Nước cấp có hàm lượng sắt lớn hơn 30ppm, ở giá trò pH= 7. ü Cho dung dòch Chlorine 5% vào ở các liều lượng khác nhau. Xác đònh dung dòch 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 đònh hàm lượng sắt trong nước cấp đã xử lý. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh – Khoa Môi Trường và CNCH Th.S. Lâm Vónh Sơn Trang 7 1.4. KẾT QUẢ. ü Thí nghiệm1: lập bảng số liệu. Dựng đồ thò, trục hoành biểu thò giá trò pH, trục tung biểu thò giá trò hàm lượng sắt trong mẫu nước cấp đãxử lý. Vẽ đường cong biến thiên. Xác đònh điểm cực tiểu. Từ đó suy ra giá trò pH tối ưu. ü Thí nghiệm 2: lập bảng số liệu. Dựng đồ thò, trục hoành biểu thò thời gian phản ứng, trục tung biểu thò giá trò hàm lượng sắt trong mẫu nước cấp đãxử lý. Vẽ đường cong biến thiên. Xác đònh 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 thò, trục hoành biểu thò liều lượng phản ứng, trục tung biểu thò giá trò hàm lượng sắt trong mẫu nước cấp đãxử lý. Vẽ đường cong biến thiên. Xác đònh đường tiệm cận. Từ đó suy ra lượng hóa chất phản ứng tối ưu . PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com . CNCH Th. S. Lâm Vónh S n Trang 5 1. 3. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH. 1. 3 .1. Khử s t bằng phưong pháp làm thoáng. 1. 3 .1. 1. Mô hình 1. 3 .1. 2. Trình tự th nghiệm Bước 1: Chuẩn. Rửa s ch mô hình bằng nước máy ü Cân 2,7 714 g s t II để pha th nh 40 lít nước nhiễm s t nồng độ 10 mg/l (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2 .6H 2 O Bước 2: Lập đường chuẩn để xác đònh s t STT ống 1 2 3. phút 1 lần, được 3 mẫu là: M 31, M32, M33 - Xác đình : S t (II) và s t tổng 1. 3 .1. 3. Kết quả: - Hiệu quả khử s t chung - Hiệu quả khử s t ở các th i gian khác nhau 1. 3.2. Khử S t Trong Nước