quản lý chất thải nguy hại có thể được hiểu như sau: Đó là một hệ thống các quy phạm pháp luật điều chỉnh mối quan hệ giữa các chủ thể liên quan đến chất thải nguy hại đối với cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và với nhau trong quy trình quản lý chất thải nguy hại nhằm bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.
CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREEN EYE ENVIRONMENT GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN TRONG QUẢN LÝ CHẤT THẢI NGUY HẠI Trong lónh vực quản lý chất thải nguy hại (bao gồm hành kỹ thuật), theo thống kê có nhiều cố môi trường nghiêm trọng bắt nguồn từ nhầm lẫn Sự nhầm lẫn bắt nguồn từ việc gọi tên sai, không nắm vững tính chất hóa học hoá lý cần thiết từ dẫn đến vi phạm pháp luật gây hậu nghiêm trọng Vì nhằm tránh sai lầm đáng tiếc quản lý chất thải nguy hại, chương tập trung tóm tắt lại số kiến thức hóa học, hóa lý thường sử dụng trình quản lý chất thải nguy hại 2.1 Sơ Lược Về Cấu Trúc Và Đặc Tính Hóa Học Về bản, chất thải nguy hại gồm có chất vô chất hữu Trong hợp chất hữu chất chiếm tỷ trọng cao loại chất thải có tính nguy hại có tên gọi phức tạp Nếu không nắm tên gọi cấu trúc hóa học chúng dẫn đến nhiều khó khăn công tác quản lý xử lý, phần cấu trúc hóa học đặc tính tập trung chủ yếu trình bày cấu trúc hoá học đặc tính hợp chất chất hữu Chất hữu tổ hợp carbon với chất khác hydrogen, oxygen, nitrogen, sulfur…hợp thành Nhìn chung dựa vào tổ hợp carbon chất lại mà chất hữu phân thành nhiều nhóm chất hữu khác hydrocarbon, amin,… Danh Pháp Và Cấu Trúc Trong phần tóm tắt sơ số điểm chất hữu cơ, chi tiết lý thuyết chất hữu tham khảo tài liệu liên quan ví dụ như: hóa học hữu cơ, tổng hợp hữu hóa dầu… Hợp chất hydrocarbon Các hợp chất hữu bao gồm carbon hydro chia làm hai nhóm carbon mạch thẳng (Aliphatic) carbon mạch vòng (aromatic) Dựa liên kết hydro carbon, nhóm aliphatic chia thành nhiều phân nhóm nhỏ : alkane, alkenes, alkyne vòng no tương ứng chúng (cycloaliphatic) ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-1 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com Hydrocarbon Hydrocarbon Alkane Alkene Aromatic Alkyne Cycloaliphatic Aliphatic Alkane Là hợp chất hữu liên kết nguyên tử carbon liên kết đơn Công thức chung alkane CnH2n+2 n số nguyên Ví dụ: pentane C5H12 có n = hay hexane C6H14 có n = Khi hydro alkane thay chất khác chất gọi dẫn xuất alkane Alkane hydro gọi alkyl kí hiệu R Ví dụ: ethane C2H6 có gốc ethyl C2H5 hay nói cách khác R = C2H5 Cấu trúc cách gọi tên Tùy thuộc vào số carbon có phân tử mà alkane có cấu trúc khác Có thể phân làm hai loại alkane mạch thẳng alkane mạch nhánh (là ankane có gốc alkyl liên kết với carbon không vò trí đầu hay cuối mạch) + Đối với alkane mạch thẳng viết tên dùng kí hiệu “n-“ đặt trước tên gọi Ví dụ: bu tane (C4H10 ) có hai đồng phân, cấu trúc mạch thẳng gọi nbutane + Đối với alkane mạch nhánh, gọi tên cấu trúc phải theo trình tự sau Chọn mạch có số carbon nhiều làm mạch tên alkane gọi theo mạch ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-2 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Đánh số thứ tự carbon mạch cho carbon có liên kết với nhóm khác có số thứ tự nhỏ Khi đọc tên hay viết liệt kê mạch nhánh theo thứ tự ABC mà không liệt kê theo số thứ tự carbon liên kết Trước nhóm nối phải ghi vò trí carbon mà nhóm liên kết hai nhóm liên kết với carbon Khi viết tên số phải tách biệt dấu gạch ngang “-“ Ví dụ: Hexane : C–C–C–C–C-C C 3- Methyl hexane: C–C–C–C–C-C Chú ý: Do lòch sử phát triển khoa học kỹ thuật tổng hợp chất hữu có số chất hữu tồn tên thông thường lẫn tên theo quy đònh the International Union of Pure and Applied Chemistry Alkene Alkene hydrocarbon carbon liên kết đơn chứa carbon liên kết đôi Công thức chung alkene CnH2n Cấu trúc tên gọi Để gọi tên xác alkene cần tiến hành theo bước sau Chọn mạch carbon dài (nhiều phân tử carbon nhất) có nối đôi làm mạch Tên alkene gọi dựa theo tên mạch Đánh số thứ tự carbon mạch cho carbon có nối đôi có số thứ tự nhỏ Thực tương tự bước alkane Nếu nối đôi có hai nhóm giống hệt nhau, tiếp đầu ngữ “cis-“ “trans-“ dùng (Cischỉ hai nhóm giống hệt nằm bên phân tử Trans- dùng chúng nằm hai mặt phẳng đối nhau.) F F F C=C C=C CH3 CH3 CH3 Cis –2,3-difluoro-2-butene CH3 F Trans-2,3-difluoro-2-butene ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-3 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Trong trường hợp hydrocarbon có nhiều hai nối đôi, đọc hay viết vò trí nối đôi sử dụng tiếp vò ngữ diene (khi có hai nối đôi), triene (ba nối đôi), vv… Ví dụ: 1,3-butadiene: CH2 = CH – CH = CH2 Alkyne Là hydro carbon có chứa carbon nối ba (-C C-).Công thức chung CnH2n-2 Cấu trúc tên gọi: cách viết gọi tên Alkyne tương tự alkane gọi tên theo cách tương tự alkene với mạch dài phải chứa nối ba Tuy nhiên lúc tiếp vò ngữ – ane thay thành -yne Đối với alkyne thường không cần đánh giá đồng phân cis-, trans- Ví dụ: Ethyne (tên thông thường –acetylene) HC≡HC Aromatic Là hợp chất vòng thơm (Aromatic) chất vòng thơm đơn giản benzene Khi có liên kết nhóm vào vòng thơm tuỳ thuộc vào số nhóm liên kết với vòng thơm (vòng benzene) mà hợp chất vòng thơm có tên gọi khác Nhìn chung chúng chia thành hai nhóm Nhóm thứ có nhóm benzene tên tên nhóm liên kết đặt trước Cl Ví dụ: Chlorobenzene Nhóm thứ hai bao gồm chất có từ hai nhóm liên kết với vòng benzene trở lên Đối với hợp chất tiếp đầu ngữ “ortho-“, “meta-“ “para-“ hay số thứ tự sử dụng để vò trí liên kết vòng Ví dụ 1-chloro-3,4-dinitrobenzene: X X H X H H H ortho- (1,2) X H H H H H X H H H meta- (1,3) X para- (1,4) ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-4 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Chú ý: + Khi có nhiều hai nhóm liên kết, cách đánh số vò trí liên kết sử dụng theo nguyên tắc nhóm liên kết có số nhỏ + Như trình bày phần có nhiều chất bán thò trường sử dụng tên thông thường, đặc biệt chất nhóm Một số chất thuộc nhóm aromatic thông dụng thường sử dụng công nghiệp liệt kê CH3 OH H H H H H NH2 H H H H H H H H H Toluene H Phenol Aniline O OCH3 C-CH3 CO2H H H H H H H H H H H Anisole Benzoic acid SO3H H H H H H H H H H H Acetophenone Benzenesulfonic acid + Tên thông thường 1,2-dimethylbenzenes; 1,3-dimethylbenzenes; 1,4-dimethylbenzenes thò trường xylenes + Khi benzene nhóm liên kết vòng benzene gọi phenyl Ví dụ: 3,4’-dichlorobiphenyl Cl Cl ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-5 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Polyaromatic Hydrocarbons (hợp chất hữu đa vòng-PAHs) nhóm chất hữu đa vòng chứa carbon hydro phân tử gồm nhiều vòng thơm nối với liên kết hai carbon Ví dụ napthalene phenanthrenen anthracene pyrene benzo (a) pyrene Bên cạnh thay liên kết nguyên tử (nitrogen, oxygen, sulfur) với carbon hydro tạo nên hợp chất PAH có chứa N, O, S chẳng hạn như carbazole, hay sản phẩm phụ không mong muốn trình cháy (như dioxin furan) H N carbazole ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-6 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Cấu trúc dibenzo – p dioxin 75 đồng phân 2,3,7,8 –tetrachlorodibenzo-p-dioxin (2,3,7,8 – TCDD) Cấu trúc dibenzofuran 135 đồng phân Ketone có công thức chung O R-C-R O R-C-R’ ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-7 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Ở R R’ nhóm alkyl khác Khi gọi tên ketone tùy theo tên nhóm alkyl thêm ketone vào cuối, nhóm alkyl xếp theo thứ tự chữ Amine hợp chất hữu xem dẫn xuất ammonia, nguyên tử hydro thay gốc hydrocarbon Tùy theo số nhóm hydrocarbon liên kết mà amine gọi amine bậc một, hai, hay bậc ba R” R-NH2 R-NH-R’ R-N-R’ Amine bậc amine bậc amine bậc ba Nitrosamine chất có nhóm nitroso (-N=O) với nhóm alkyl Ví dụ Diphenylnitrosamine N N O Ether có công thức tổng quát R-O-R hay R-O-R’ R R’ nhóm alkyl khác Tên ether gọi sau: gọi tên hai nhóm alkyl liên kết với oxy sau thêm chữ ether vào Ví dụ: Bis-(2-chloroethyl) ether: Cl-CH2 –CH2-O-CH2-CH2-Cl Ester có công thức chung RCO2R’ sản phẩm phản ứng acid carbonxylic với rượu (alcohol) Để gọi tên ester, tên gốc alkyl (R’) rượu sau tên ion carbonxylate muối Ion carbonxylate có công thức chung R-CO2O Ví dụ -2 C–O O - H–C–O O - CH3 – C – O C-O O Formate ion acetate ion phthalate ion Phthalate ester bao gồm ion phthalate nhóm alkyl khác ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-8 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com GREE GREEN EYE ENVIRONMENT COOCH3 Ví dụ Dimethyl phthalate COOCH3 Đặc Tính Hóa Học Theo quan điểm hóa môi trường, dựa đặc tính bay hơi, hợp chất hữu phân thành ba loại sau: chất hữu bay (volatile organics), chất hữu dễ bay (semivolatile organic), chất hữu không bay (nonvolatile organics) Từ ba nhóm dựa vào tính chất riêng nhóm phân thành nhóm nhỏ khác Tuy nhiên khó đưa ranh giới cụ thể để phân biệt chất hữu bay chất hữu dễ bay hơi, hay chất hữu dễ bay chất hữu không bay Theo hóa môi trường, để có kết luận xác chất hữu thuộc loại ba loại phương pháp tốt sử dụng phương pháp phân tích hóa học để chứng minh Chất hữu bay (volatile organics) Những hợp chất hữu bay (VOCs) có áp suất bay cao bay nhanh Nhìn chung, hợp chất có phân tử lượng nhỏ, có số tính chất hóa lý như: hòa tan nước cao, áp suất hóa cao, số Henry cao, hệ số riêng phần carbon hữu thấp (organic carbon partition coefficient-KOC, hệ số riêng phần octanol-nước (KOW) cao hệ số tích lũy sinh học (bioconcentration factor-BCF) thấp H Ví dụ Cl C H Cl Benzene Dichloromethane O CH3 – C – CH3 Acetone Trong phân tích, dựa vào đặc tính dễ bay chất này, để xác đònh kỹ thuật purge and trap sử dụng Trong kỹ thuật này, dòng khí trơ (ví dụ helium) dẫn qua mẫu (nước thải, hay đất), chất hữu dễ bay theo dòng khí khỏi mẫu sau tách loại để phân tích Chất hữu dễ bay (semivolatile organic) Chất hữu dễ bay bao gồm nhiều chất hữu có tính chất lý hóa khác Do tính chất khác dựa vào tính chất này, chất hữu dễ bay chia thành hai nhóm sau: trích ly môi trường trung tính /base trích ly môi trường acid (base/neutral extractables and acid extractables) Cũng dựa vào đặc tính này, ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-9 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com GREE GREEN EYE ENVIRONMENT phân tích để tách chất khỏi mẫu, kỹ thuật trích ly dung môi sử dụng Ví dụ mẫu có tính acid, chất trích ly có tính acid sử dụng mẫu có tính bazơ, chất trích ly có tính base/trung tính dùng Có thể trích ly Base /trung tính Base/trung tính bao gồm nhóm polyaromatic hydrocarbon (PAHs), nitrosamines, ethers, phthalate esters, chất vòng thơm khác không chứa nhóm hydroxyl (OH) hay carboxyl (COOH) nhóm Base/trung thường có tính chất hóa lý sau: độ hòa tan, hệ số Henry áp suất bay thấp, Koc cao, Kow thấp BCF cao Ví dụ: benzo (a) anthracene Có thể trích ly acid (acid extractable) Nhìn chung, chất trích ly acid aromatic alcohol phenol Tùy thuộc vào nhóm liên kết vò trí liên kết mà chất thể tính chất hóa lý khác như: độ hòa tan nước từ thấp đến cao, áp suất bay trung bình, hệ số Henry thấp Koc BCF thay đổi OH OH Ví dụ: NO2 CH3 NO2 2,4-dinitrophenol Cl 4-chloro-3-methyl phenol (4-chloro-3-cresol) Chất hữu không bay Những chất hữu không bay chất bay không bay nhiệt độ cao Trong phân tích để tách hợp chất hữu khỏi mẫu kỹ thuật trích ly sử dụng Thuốc bảo vệ thực vật thuốc ức chế tăng trưởng (pesticide and herbicide) Thuốc bảo vệ thực vật thuốc ức chế tăng trưởng hợp chất hóa học dùng để diệt nấm, côn trùng, loài gặm nhấm (rodent), cỏ, v.v bao gồm chất hữu vô hợp chất hữu chia thành hai loại chlorinated pesticides organophosphorus pesticides Bảng 2.1 giới thiệu số thuốc bảo vệ thực vật hay diệt côn trùng thường gặp ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-10 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com p suất bay Là áp suất bề mặt chất lỏng cân (ở tốc độ phân tử rời chất lỏng tốc độ phân tử tái hòa tan) p suất bay hàm phụ thuộc vào nhiệt độ chất lỏng đo dựa áp suất khí trời (atmosphere (atm) atm = 760 mmHg = 760 torr = 1.0133 x105Pa) p suất dung dòch lý tưởng chứa hai cấu tử theo đònh luật Raoult tính công thức sau pa = pvpxa pb = pvp xb Trong Pa = áp suất riêng phần chất ô nhiễm A (atm) Pvp = áp suất bay chất A tinh khiết (atm) xa = phần mol chất ô nhiễm A = molA/(molA + molB) Ptổng = pa + pb Trong kỹ thuật môi trường, hàm lượng chất ô nhiễm nhỏ nước thải xa tính gần theo phương trình sau xa ≈ mol a mol nuoc Chú ý: đònh luật Raoult dung dòch lý tưởng Trong kỹ thuật môi trường, chất thải thường dung dòch chứa chất ô nhiễm với hàm lượng thấp, nhiều chất đònh luật Raoult không xác lúc đònh luật Henry thường dùng Hằng số Henry Đònh luật Henry phát biểu: điều kiện cân bằng, áp suất riêng phần chất bay bề mặt chất lỏng tỷ lệ với nồng độ chất bay hơiù chất lỏng Pg = HCL Trong Pg = áp suất riêng phần chất bay (atm) H = số Henry (atm.m3/mol) CL = nồng độ chất bay chất lỏng (mol/m3) Từ đònh nghóa áp suất riêng phần, số Henry biểu diễn theo tỉ lệ nồng độ chất bay không khí bề mặt chất lỏng với nồng độ chất lỏng ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-14 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com H = Cg/CL Cg = nồng độ chất hóa học pha khí (không khí) CL = nồng độ chất hóa học pha lỏng (nước) Sự khuếch tán khí vào nước chòu ảnh hưởng đáng kể nhiệt độ (ví dụ độ bay hydrocarbon gia tăng khoảng ba lần gia tăng 10oC) thành phần hóa học nước, số Henry hàm phụ thuộc vào nhiệt độ tính theo công thức thực nghiệm sau H = e(A-B/T) Trong H = số Henry (atm.m3/mol) A,B = hệ số hồi quy T = nhiệt độ (K) Chú ý: số Henry biểu diễn theo số đơn vò đònh luật Henry phát triển sở xem xét trình khuếch tán khí vào nước Những đơn vò mg/L.atm, hay mol/L.atm Vì tham khảo hay tra cứu số Henry chất để tính toán nên kiểm tra đơn vò thật kỹ trước áp dụng Ngoài số Henry biểu diễn dạng không thứ nguyên số tính sau H’ = H/RT Ở H’ = số Henry (không thứ nguyên) H = số Henry (atm.m3/mol) R = số khí = (8.25 x10-5 atm.m3/mol K) T = nhiệt độ (K) Trong số trường hợp không tra cứu số Henry, ước tính số Henry theo độ tan chất công thức sau H = pvp/S Trong Pvp = áp suất bay chất S = độ tan chất Chú ý: pvp S phải nhiệt độ Và nên ý giá trò H bảng tra thu dựa việc khảo sát dung môi (nước) tinh khiết, thực tế ước tính dựa số liệu kết nhận khác với giá trò thực nước bò ô nhiễm Ví dụ Ước tính số Henry cho toluene nước 20oC từ áp suất bay độ tan Từ chuyển số thành số không thứ nguyên So sánh giá trò số Henry vừa tính toán với giá trò tra từ tài liệu Cho biết 20oC áp suất bay toluen 220 mmHg [Pvp = 22.0 (mmHg)], độ tan 5,15102 mg/l (S = 5.15 X102 mg/l), khối lượng phân tử M = 92,13 g/mol Các hệ số A,B phương trình thực nghiệm A = 5.13, B = 3.02 x103 (pl A) ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-15 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com Giải a Ta có A: 20oC Pvp = 22.0 (mmHg) = 22.0 (mmHg)/760 (mmHg/atm) = 0.029 atm S = 5.15 X102 mg/L 5.15 x 10 mg / L = 5.59 x 10 −3 mol / L = 5.59mol / m ⇒ S= 92.13 x 10 mg / mol Khi số Henry ước tính theo độ tan H = 0.029/5.59 = 5.19 x10-3 atm.m3/mol ⇒ số Henry không thứ nguyên 5.19 x 10 −3 atm.m / mol H = = 0.216 (8.205 x 10 −5 atm.m / mol.K )(20 + 273.2) K ' b Hằng số Henry Toluene 20oC tính theo phương trình thực nghiệm sau Với H = e(A-B/T) A = 5.13 (pl A) B = 3.02 x103 (pl A) T = 20 + 273.2 = 293.2 K ⇒H = e[5.13−(3.02x10 / 293.2)] = 5.68x10−3 atm.m3 / mol c Với giả thiết giá trò ước tính xác, sai số gặp phải trong trường hợp ước tính từ độ tan áp suất bay so với kết tính toán từ phương trình thực nghiệm 5.19 − 5.68 = −0.086 hay 8.6% 5.68 Hệ số khuếch tán Khuếch tán dòch chuyển chất ô nhiễm chênh lệch nồng độ Theo đònh luật Fick, lượng chất ô nhiễm qua đơn vò diện tích đơn vò thời gian tính sau J = -D (dC/dx) Với J = thông lượng (flux) (mol/cm2.s) D = hệ số khuếch tán (cm2/s) C = nồng độ (mol/cm3) x = độ dài theo hướng chuyển động (cm) ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-16 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Tương tự số Henry, việc tra từ tài liệu tham khảo, hệ số khuếch tán ước tính nhiều cách khác Phần trình bày liệt kê số cách ước tính hệ số khuếch tán thường dùng Theo khối lượng phân tử: D1 = D2 (M2/M1)1/2 Ví dụ: Ước tính hệ số khuếch tán ethyl alcohol (E) nước thông qua hệ số khuếch tán methyl alcohol (M) n-butyl alcohol (B) từ giá trò cho D (cm2/s)10 1.75 x 10-5 0.56 x 10-5 1.24 x 10-5 Hợp chất Methyl alcohol n-Butyl alcohol Ethyl alcohol Khối lượng phân tử 32.05 72.12 46.07 Nhiệt độ 25oC 25oC 25oC Giải Hệ số khuyếch tán ethyl alcohol nước Theo methyl alcohol: D = 1.75 x 10-5(32.05/46.07)1/2 = 1.46 x 10-5 Theo n-butyl alcohol: D = 0.56 x 10-5(74.12/46.07)1/2 = 0.71 x 10-5 Giá trò trung bình = 1.09 x 10-5 So với giá trò cho sẵn cho thấy giá trò vừa ước tính nhỏ khoảng12% (1.24 x 10-5) Sử dụng phương trình Boltzmann (hệ số khuếch tán lý thuyết khí ô nhiễm không khí) ⎛ T 1.5 M ' ⎞ ⎟⎟ D = 1.858 x 10 −3 ⎜⎜ ⎝ Pσ Ω ⎠ Trong D = hệ số khuếch tán (cm2/s) 1/ ⎛ M + Mb ⎞ ⎟⎟ M = ⎜⎜ a ⎝ M aMb ⎠ Ma = khối lượng phân tử không khí (28.97 g/mol) Mb = khối lượng phân tử chất ô nhiễm (g/mol) P = áp suất (atm) T = nhiệt độ (K) σ = đường kính va chạm (hoạt động) (AO) Ω = tích phân (toàn bộ) va chạm (là hàm không thứ nguyên nhiệt độ) ' ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-17 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com Chú ý: hệ số khuếch tán không khí hàm nhiệt độ áp suất, từ giá trò hệ số khuếch tán không khí số hợp chất tra cứu từ sách kỹ thuật phải hiệu chỉnh với điều kiện thực tế môi trường công thức sau D1 = D2 (P2/P1) (T1/T2)m (3-13) Trong hệ số mũ m theo lý thuyết 1.5 Trong thực tế đo đạc giá trò giao động từ 1.75 đến 2.0 Dùng phương pháp Wilke-Chang (ước tính hệ số khuếch tán nước) 5.06 x 10 −7 T D= μ V 0.6 Ở D = hệ số khuếch tán T = nhiệt độ (K) μ = độ nhớt nước (centipoise, cP) V = thể tích mol chất ô nhiễm (cm3/mol) Thể tích mol chất ước tính phương pháp LeBas sử dụng giá trò Bảng 2.3 Bảng 2.3 Thể tích riêng * Nguyên tố/hợp chất Thể tích riêng (cm3/g-mol) Nguyên tố Thể tích riêng (cm3/g-mol) Carbon (C) Hydrogen (H) Oxygen (O) chất ngoại trừ ester, ether, acid, liên kết với, S,P,N Oxygen liên kết methyl ester ether Oxygen liên kết ethyl ester ether Oxygen liên kết ester ether cao phân tử Oxygen liên kết acid 14,8 3,7 7,4 Bromine (Br) Chlorine (Cl) Fluorine (F) 27 24,6 8,7 9,1 9,9 11 37 25,6 -6 Oxygen liên kết với S,P,N 8,3 Nitrogen liên kết đôi 15,6 Nitrogen amin bậc thấp Nitrogen amin bậc cao 10,5 12 Iodine (I) Sulfur (S) Vòng có cấu tử Vòng có cấu tử Vòng có cấu tử Vòng có cấu tử Naphthalene Anthracene 12 -8,5 -11,5 -15 -30 -47,5 ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-18 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREEN EYE ENVIRONMENT GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com * Phương pháp thể tích gia tăng không nên dùng để ước tính hệ số khuếch tán cho phân tử đơn giản Đối với chất đơn giản giá trò sau dùng:H2, 14.3; O2 25.6; N2 31.2; không khí 29.9; CO 30.7; CO2 34.0; SO2 44.8; NO 23.6; N2O 36.4; NH3 25.8; H2O 18.9; H2S 32.9; Cl2 48.4; Br2 53.2; I2 71.5 Ví dụ: Xác đònh hệ số khuếch tán methanol nước 25oC Cho biết nhiệt độ độ nhớt nước μ = 0,89 cP Giải Theo phương pháp Wilke-Chang, hệ số khuếch tán methanol (CH3OH) nước tính theo công thức sau 5.06 x 10 −7 x T D= μ V 0.6 Với T = 25 +273,2 = 298,2 K μ = 0,89 cP Thể tích mol dựa theo phương pháp LeBas tính sau Từ công thức cho thấy methanol gồm nguyên tử C, nguyên tử H nguyên tử O, dựa vào bảng 3, thể tích mol thành phần methanol C = x 14.8 = 14,8 H = x 3.7 = 14,8 O = x 7.4 = 7,4 Như thể tích mol methanol V = 14,8 + 14,8 + 7,4 = 37,0 cm3/mol D= 5.06 x 10 −7 (298.2 K ) (0.89)(37.0) 0.6 D = 1.942 x 10-5 cm2/s HỆ SỐ RIÊNG PHẦN (PARTITION COEFFICIENT) Hệ số riêng phần số thực nghiệm biểu diễn phân bố chất hai môi trường khác Trong quản lý chất thải nguy hại ba hệ số riêng phần quan trọng cần quan tâm xem xét chất là: hệ số riêng phần octanol-nước (octanol-water), hệ số riêng phần đất-nước (the soil water partition coefficient), hệ số riêng phần hơi-lỏng (vapor liquid partition) Hệ số riêng phần octanol-nước (octanol-water partition coefficient) hệ số phân bố chất hai môi trường hữu nước Môi trường hữu sinh vật cạn sinh vật nước v.v Đây số quan trọng nghiên cứu phát tán, dòch chuyển chất ô nhiễm hữu môi trường Hệ số riêng phần octanol-nước số không thứ nguyên đònh nghóa sau ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-19 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Trong Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com Kow = C0/C C0 = nồng độ octanol (mg/L μg/L) C = nồng độ nước (mg/L μg/L) Giá trò Kow chất khác khoảng từ 10-3 đến 107 Một chất có giá trò Kow thấp ( 0, tiếp tục giải vấn đề Nếu không, đánh giá sơ đồ công nghệ xác đònh vấn đề lần để xác đònh xem vấn đề biến số đặt xác đònh chưa, chưa phải hiệu chỉnh lại Quy đổi thông tin số liệu thu thập hệ đơn vò Giải phương trình b Cân khôí lượng cho hệ thống phản ứng Khi phản ứng, lượng tạo thành tiêu thụ zero phương trình cân khối lượng tổng quát trở thành ∑ Vao − ∑ Ra = Tích luy k ii Trong k oi kii , koi = dòng thành phần thứ i vào khỏi hệ thống Đối với trình tónh trình liên tục ổn đònh, tích lũy = phương trình cân khối lượng hệ thống không phản ứng viết đơn giản sau ∑Vao = ∑ Ra kii koi ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-24 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com Ví dụ: Xét hệ thống xử lý nước ngầm ô nhiễm Cho biết công suất xử lý 50000 L nước ngầm ô nhiễm/ngày với nồng độ benzene trichloroethylene (TCE) nước ngầm 5000 mg/L 10000 mg/L Hệ thống sử dụng nguyên lý giải hấp thụ dòng ngược chiều cách cho dòng không khí vào hệ thống theo chiều từ lên với lưu lượng khí vào 100000 L/ngày Nồng độ benzene nước ngầm đầu 1000 mg/L hiệu loại TCE 60% hiệu tách benzene khỏi nước ngầm Giả thiết dòng khí vào không chứa chất hữu ô nhiễm, hệ thống không xảy phản ứng (có nghóa không khí hòa tan vào nước nước bò lấy vào không khí), trình xảy 25oC, tương đương với nhiệt độ vào nước ngầm không khí Lưu lượng dòng nước khí không đổi trình Giải Sơ đồ dòng cân khối lượng phát triển dựa quan hệ M = QC M = khối lượng mg/ngày (x10-6 = kg/ngày) Q = lưu lượng (L/ngày) C = nồng độ (mg/L) Với dòng vào kí hiệu sau w = nước = vào b = benzene = nước t = TCE = khí a = không khí Qua dựa kiện đề ta có sơ đồ sau Qa3 = 100000 L/ng kg/ng Mb3 Mt3 kg/ng Qw1 = 50000 L/ng Cb1 = 5000 mg/L Ct1 = 10000 mg/L Mb1 = 250 kg/ng Mt1 = 500 kg/ng Qw2 = 50000 L/ng Cb2 = 1000 mg/L Mb2 = 50 kg/ng Mt2 kg/ng Qa1 = 100000 L/ng Phân tích kiện cho thấy đề có 13 biến số: Lưu lượng nước ngầm vào (2) Lưu lượng khí vào ra, (2) Nồng độ benzene dòng nước ngầm vào ra, (2) Nồng độ TCE nước ngầm đầu vào (vấn đề không yêu cầu xác đònh nồng độ TCE mà xác đònh khối lượng), (1) ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-25 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com Khối lượng benzene TCE nước ngầm đầu vào ra, (4) Khối lượng benzene TCE dòng khí (khí vào chất hữu không cần xác đònh biến số benzene TCE tronf không khí vào) (2) Có quan hệ số biến số: Lưu lượng vào nước ngầm không khí nhau; Khối lượng benzene nước ngầm vào và khối lượng TCE vào với nồng độ nhân với lưu lượng nước ngầm; Khối lượng benzene TCE không khí đầu lượng nước ngầm vào trừ lượng nước ngầm ra; hiệu tách TCE từ nước ngầm 60% hiệu tách benzene từ nước ngầm Do đó, vấn đề có bậc tự do, thực cho biến số: lưu lượng nước ngầm khí vào, nồng độ vào benzene, nồng độ TCE vào Sơ đồ dùng cho số tương qua biến số Quan hệ (Mt1 – Mt2)/ Mt1 = 0.6 (Mb1 – Mb2)/Mb1 Mb3 = Mb1 – Mb2 Mt3 = Mt1 – Mt2 Bằng cách giải ba phương trình này, ta có Mt2 = 260 kg/ng, Mb3 = 200 kg/ng Mt3 = 240 kg/ng c Cân khối lượng cho hệ thống có phản ứng Phương trình cân khối lượng cho hệ thống có phản ứng dựa phương trình cân khối lượng tổng quát viết sau ∑Vao + ∑ Sinh = ∑ Ra + ∑ Tieu thu kii kig kio kic Trong kig; kic = số phản ứng thành phần thứ I sinh tiêu thụ Chú ý: tỷ lệ chất tham gia vào phản ứng đưa vào nhỏ tỷ lệ phương trình phản ứng chất gọi chất giới hạn Ví dụ Hãy xác đònh lưu lượng molar dòng sản phẩm khí từ trình oxy hóa Ethylene theo phản ứng sau 2C2H4 + O2 → 2C2H4O ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-26 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com Cho biết ethylene oxy đưa vào thiết bò phản ứng 100 kmol/h ethylene 200 kmol/h Tỷ số biến đổi chất giới hạn 40%, phản ứng diễn điều kiện ổn đònh Giải dựa vào kiện đề ta có sơ đồ sau 100 kmol/h C2H4 200 kmol/h O2 n1o kmol/h C2H4 n20 kmol/h O2 n3o kmol/h C2H4O ER fir = 0.4 Phân tích kiện cho thấy đề có biến số quan hệ Bậc tự 3, ba biến số cho sẵn Do đó, vấn đề xác đònh Những phương trình n1o = 100 – 2ER n2o = 200 – ER n3o = + 2ER ER = flr x nlri Đối với vấn đề này, ethylene chất phản ứng giới hạn, tỉ lệ tương ứng với phân tử oxy đầu vào 0.5 phản ứng 2.0 Do đó, nlri = 100 kmol/h giải phương trình thu ER = 40 kmol/h, n1o = 20 kmol/h, n2o = 160 kmol/h n3o= 80 kmol/h Câu hỏi tập Vẽ cấu trúc hợp chất sau • Benzene • 1,1-dichloroethane • Methylene chloride (dichloromethane) • Bis (2-chloroethyl) ether • 1,2-dichloro 2-butene Xác đònh độ tan cadmium hydroxide, Cd(OH)2, hàm pH KSP = 5.33 x 10-15 Hằng số Henry thường cho bảng theo đơn vò áp suất (atm) đưa biểu thức biến đổi giá trò cho trichloroethylene, 550 atm 20oC để số Henry không thứ nguyên Biến đổi số Henry benzene 5.5 x 10-3 atm.m3 /mol 20oC thành số không thứ nguyên Ước tính số Henry cho benzene 25oC từ kiện độ tan áp suất bay cho biết 9,52x10 mmHg, S = 1,78 x 102 mg/l Ước tính hệ số khuếch tán ethylbenzene từ giá trò bảng phenol toluene ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-27 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREEN EYE ENVIRONMENT GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com Ước tính hệ số khuếch tán methyl phenyl sulfide nước 25oC Giải thích khác tích lũy sinh học tích luỹ sinh học tự nhiên (bioconcentration, biomagnification) Ước tính nồng độ ethylbenzene mô cá hồ với nồng độ nước 120 mg/L cho biết BCF = 37,5 l/kg 10 Ước tính hệ số phần carbon hữu KOC benzene từ số liệu (1) độ tan, (2) logKOW phụ lục A sosánh kết đạt với kết đo phụ lục A 11 Dòng nước vào bể có dung tích 5L có lưu lượng kg/s khỏi bể với lưu lượng kg/s ban đầu bể chứa đầy 4/5 (a) Viết cân khối lượng cho bể (b) Sau lâu bể cạn 12 Một thiết bò chưng cất dùng để chưng cất tách loại chất A khỏi hỗn hợp chứa A B Dòng nhập liệu có lưu lượng khối lượng 5000 kg/h theo tỷ lệ 1:1 Dòng đỉnh tháp chưng cất đưa qua thiết bò ngưng với lưu lượng 3500 kg/h Tại thiết bò ngưng, A lấy phân thành hai dòng dòng bao gồm dòng sản phẩm dòng hòa lưu Dòng sản phẩm từ thiết bò ngưng chứa 95% A Dòng lấy đáy tháp chứa 90% B Tìm tỷ lệ dòng tuần hòan/dòng sản phẩm đỉnh 13 Một phản ứng có phương trình lý thuyết sau A + 3B → 2C Cho biết phần trăm A chuyển thành sản phẩm 30% Lưu lượng vào 1000 kg/h với tỷ lệ A B dòng vào 25% 75% B theo khối lượng Khối lượng phân tử A 32 B (a) Tính khối lượng phân tử C (b) Tính thành phần dòng theo khối lượng ThS: Nguyễn Ngọc Châu © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n b n phát hành l i thơng tin t trang 2-28 [...]... Ca2+ + 2OH- → Ca(OH )2 Tích số hòa tan (solubility product) của Ca(OH )2 được tính như sau Ksp = [Ca2+]x[OH- ]2 Bảng 2. 2 Tích số tan của một số kim loại nặng tại điểm cân bằng Phương trình phản ứng H2O (l) = H+ + OHCd2+ + H2O = CdOH+ + H+ Cd2+ + 2H2O = Cd(OH )2( aq) + 2 H+ Cd2+ + 3H2O = Cd(OH)3 - + 3 H+ Cd2+ + 4H2O = Cd(OH)4 -2 + 4 H+ Hg2+ + H2O = HgOH+ + H+ Hg2+ + 2H2O = Hg(OH )2( aq) + 2H+ Hg2+ + 3H2O = Hg(OH)3-... này 2- 18 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREEN EYE ENVIRONMENT GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com * Phương pháp thể tích gia tăng không nên dùng để ước tính hệ số khuếch tán cho các phân tử đơn giản Đối với các chất đơn giản các giá trò sau có thể dùng:H2, 14.3; O2 25 .6; N2 31 .2; không khí 29 .9; CO 30.7; CO2 34.0; SO2 44.8; NO 23 .6; N2O 36.4; NH3 25 .8; H2O 18.9; H2S 32. 9; Cl2 48.4;... ⇒ S= 92. 13 x 10 3 mg / mol Khi đó hằng số Henry ước tính theo độ tan sẽ là H = 0. 029 /5.59 = 5.19 x10-3 atm.m3/mol ⇒ hằng số Henry không thứ nguy n sẽ là 5.19 x 10 −3 atm.m 3 / mol H = = 0 .21 6 (8 .20 5 x 10 −5 atm.m 3 / mol.K ) (20 + 27 3 .2) K ' b Hằng số Henry của Toluene ở 20 oC được tính theo phương trình thực nghiệm sau Với H = e(A-B/T) A = 5.13 (pl A) B = 3. 02 x103 (pl A) T = 20 + 27 3 .2 = 29 3 .2 K ⇒H... của quá trình Một chất có thể có rất nhiều tính chất hóa lý liên quan, tuy nhiên trong giáo trình này chủ yếu tập trung vào một số tính chất quan trọng có liên quan trong vấn đề quản lý và kiểm soát chất thải nguy hại Tính hòa tan Tính hòa tan của một chất hay của một dung dòch là mức độ hòa tan của chất (hay dung dòch) đó vào chất (hay dung dòch) khác hay dung môi Độ tan của một chất hóa học trong... Theo khối lượng phân tử: D1 = D2 (M2/M1)1 /2 Ví dụ: Ước tính hệ số khuếch tán của ethyl alcohol (E) trong nước thông qua các hệ số khuếch tán của methyl alcohol (M) và n-butyl alcohol (B) từ các giá trò được cho dưới đây D (cm2/s)10 1.75 x 10-5 0.56 x 10-5 1 .24 x 10-5 Hợp chất Methyl alcohol n-Butyl alcohol Ethyl alcohol Khối lượng phân tử 32. 05 72. 12 46.07 Nhiệt độ 25 oC 25 oC 25 oC Giải Hệ số khuyếch tán... tin t trang này 2- 12 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com 2. 2 MỘT SỐ TÍNH CHẤT HÓA LÝ CƠ BẢN Tính chất hóa lý của các chất là một thông số rất quan trọng Dựa trên các tính chất này sẽ dự đoán hay xác đònh được sự tương tác, con đường lan truyền của chúng với môi trường như thế nào, lựa chọn phương pháp xử lý hợp lý cũng như dự... nếu một tỷ lệ chất tham gia vào phản ứng được đưa vào nhỏ hơn tỷ lệ của phương trình phản ứng thì chất đó gọi là chất giới hạn Ví dụ Hãy xác đònh lưu lượng molar của dòng sản phẩm khí ra từ quá trình oxy hóa Ethylene theo phản ứng sau 2C2H4 + O2 → 2C2H4O ThS: Nguy n Ngọc Châu © Copyright 20 06 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n khi b n phát hành l i thơng tin t trang này 2- 26 CÔNG TY MÔI... ở 20 oC từ áp suất bay hơi và độ tan Từ đó chuyển hằng số này thành hằng số không thứ nguy n So sánh giá trò hằng số Henry vừa tính toán với giá trò tra được từ tài liệu Cho biết ở 20 oC áp suất bay hơi của toluen là 22 0 mmHg [Pvp = 22 .0 (mmHg)], độ tan là 5,151 02 mg/l (S = 5.15 X1 02 mg/l), khối lượng phân tử M = 92, 13 g/mol Các hệ số A,B trong phương trình thực nghiệm lần lượt là A = 5.13, B = 3. 02. .. = 3. 02 x103 (pl A) ThS: Nguy n Ngọc Châu © Copyright 20 06 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ ngu n khi b n phát hành l i thơng tin t trang này 2- 15 CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREE GREEN EYE ENVIRONMENT Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com Giải a Ta có A: ở 20 oC Pvp = 22 .0 (mmHg) = 22 .0 (mmHg)/760 (mmHg/atm) = 0. 029 atm S = 5.15 X1 02 mg/L 5.15 x 10 2 mg / L = 5.59 x 10 −3... tính chất hóa học của các thành phần khác có trong nước Độ hòa tan trong nước thường được biểu diễn bằng đơn vò mg/L, hoặc phần triệu (ppm) Trong lónh vực môi trường đơn vò thường dùng là mg/L (= ppm), và μg/L (= một phần tỷ -ppb) Bảng 2. 2 trình bày một số tích số tan của một số kim loại nặng thường được quan tâm trong quản lý chất thải nguy hại Ví dụ: khi xem xét tính tan của Ca(OH )2 từ phản ứng Ca2+