Đang tải... (xem toàn văn)
Thảo luận hóa môi trường Nước gồm các nội dung chính như: Nước – tài nguyên nước và chu trình của nước, các loại nước, nước biển, nước ngọt (nước tự nhiên),...Mời các bạn cùng tham khảo!
KHOA HĨA LÝ KỸ THUẬT BỘ MƠN KỸ THUẬT MƠI TRƯỜNG ********* THẢO LUẬN HĨA MƠI TRƯỜNG CHỦ ĐỀ: NƯỚC MỤC LỤC Câu hỏi thảo luận DANH MỤC BẢNG CHƯƠNG III: HĨA HỌC MƠI TRƯỜNG THỦY QUYỂN I. NƯỚC – TÀI NGUN NƯỚC VÀ CHU TRÌNH CỦA NƯỚC 1. Nước 1.1. Cấu trúc của nước. Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có cơng thức hóa học là H2O.Phân tử nước bao gồm hai ngun tử hidro và một ngun tử oxy. Về mặt hình học thì phân tử nước có góc lien kết là 104,45° . Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện. Chiều dài của lien kết OH là 96,84 picơmét Ơxy có độ âm điện cao hơn hiđrơ. Việc cấu tạo thành hình ba góc và việc tích điện từng phần khác nhau của các ngun tử đã dẫn đến cực tính dương ở các ngun tử hiđrơ và cực tính âm ở ngun tử ơxy, gây ra sự lưỡng cực. Dựa trên hai cặp điện tử đơn độc của ngun tử ơxy, lý thuyết VSEPR đã giải thích sự sắp xếp thành góc của hai ngun tử hiđrơ, việc tạo thành moment lưỡng cực và vì vậy mà nước có các tính chất đặc biệt Vì phân tử nước có tích điện từng phần khác nhau nên một số sóng điện từ nhất định như sóng cực ngắn có khả năng làm cho các phân tử nước dao động, dẫn đến việc nước được đun nóng. Hiện tượng này được áp dụng để chế tạo lò vi sóng 1.2. Tính chất của nước Nước khơng có mùi, màu và vị. Nước là chất duy nhất chúng ta gặp trên mặt đất trong điều kiện tự nhiên mà tồn tại ở cả 3 thể là rắn, lỏng và khí. Các phân tử nước tương tác lẫn nhau thơng qua liên kết hiđrơ và nhờ vậy có lực hút phân tử lớn. Đây khơng phải là một liên kết bền vững. Liên kết của các phân tử nước thơng qua liên kết hiđrơ chỉ tồn tại trong một phần nhỏ của một giây, sau đó các phân tử nước tách ra khỏi liên kết này và liên kết với các phân tử nước khác Đường kính nhỏ của ngun tử hiđrơ đóng vai trò quan trọng cho việc tạo thành các liên kết hiđrơ, bởi vì chỉ có như vậy ngun tử hiđrơ mới có thể đến gần ngun tử ơxy một chừng mực đầy đủ. Các chất tương đương của nước, thí dụ như đihiđrơ sulfua (H2S), khơng tạo thành các liên kết tương tự vì hiệu số điện tích q nhỏ giữa các phần liên kết. Việc tạo chuỗi của các phân tử nước thơng qua liên kết cầu nối hiđrơ là ngun nhân cho nhiều tính chất đặc biệt của nước, thí dụ như nước mặc dù có khối lượng mol nhỏ vào khoảng 18 g/mol vẫn ở thể lỏng trong điều kiện tiêu chuẩn. Ngược lại, H2S tồn tại ở dạng khí cùng ở trong những điều kiện này. Nước có khối lượng riêng lớn nhất ở 4 độ Celcius và nhờ vào đó mà băng đá có thể nổi lên trên mặt nước; hiện tượng này được giải thích nhờ vào liên kết cầu nối hiđrơ Cấu tạo của phân tử nước tạo nên các liên kết hiđrơ giữa các phân tử là sở cho nhiều tính chất của nước. Cho đến nay một số tính chất của nước vẫn còn là câu đố cho các nhà nghiên cứu mặc dù nước đã được nghiên cứu từ lâu. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sơi của nước đã được Anders Celsius dùng làm hai điểm mốc cho độ bách phân Celcius. Cụ thể, nhiệt độ nóng chảy của nước là 0 độ Celcius, còn nhiệt độ sơi (760 mm Hg) bằng 100 độ Celcius. Nước đóng băng được gọi là nước đá. Nước đã hóa hơi được gọi là hơi nước. Nước có nhiệt độ sơi tương đối cao nhờ liên kết hiđrơ Dưới áp suất bình thường nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cao nhất là 4 °C: 1 g/cm³ đó là vì nước vẫn tiếp tục giãn nở khi nhiệt độ giảm xuống dưới 4 °C. Điều này khơng được quan sát bất kỳ một chất nào khác. Điều này có nghĩa là: Với nhiệt độ trên 4 °C, nước có đặc tính giống mọi vật khác là nóng nở, lạnh co; nhưng với nhiệt độ dưới 4 °C, nước lại lạnh nở, nóng co. Do hình thể đặc biệt của phân tử nước (với góc liên kết 104,45°), khi bị làm lạnh các phân tử phải dời xa ra để tạo liên kết tinh thể lục giác mở. Vì vậy mà tỉ trọng của nước đá nhẹ hơn nước thể lỏng Khi đơng lạnh dưới 4°C, các phân tử nước phải dờ xa ra để tạo liên kết thể lục giác mở Nước là một dung mơi tốt nhờ vào tính lưỡng cực. Các hợp chất phân cực hoặc có tính ion như axít, rượu và muối đều dễ tan trong nước. Tính hòa tan của nước đóng vai trò rất quan trọng trong sinh học vì nhiều phản ứng hóa sinh chỉ xảy ra trong dung dịch nước Nước tinh khiết khơng dẫn điện. Mặc dù vậy, do có tính hòa tan tốt, nước hay có tạp chất pha lẫn, thường là các muối, tạo ra các ion tự do trong dung dịch nước cho phép dòng điện chạy qua Về mặt hóa học, nước là một chất lưỡng tính, có thể phản ứng như một axit hay bazơ. Ở 7 pH (trung tính) hàm lượng các ion hydroxyt (OH) cân bằng với hàm lượng của hydronium (H3O+). Khi phản ứng với một axit manh hơn như HCl, nước phản ứng như một chất kiềm HCl + H2O ↔ H3O+ + Cl Với ammoniac nước lại phản ứng như một axit NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH 1.3. Vai trò của nước Cuộc sống trên Trái Đất bắt nguồn từ trong nước. Tất cả các sự sống trên Trái Đất đều phụ thuộc vào nước và vòng tuần hồn nước Nước có ảnh hưởng quyết định đến khí hậu và là ngun nhân tạo ra thời tiết. Năng lượng mặt trời sưởi ấm khơng đồng đều các đại dương đã tạo nên các dòng hải lưu trên tồn cầu. Dòng hải lưu Gulf Stream vận chuyển nước ấm từ vùng Vịnh Mexico đến Bắc Đại Tây Dương làm ảnh hưởng đến khí hậu của vài vùng châu Âu Nước là thành phần quan trọng của các tế bào sinh học và là mơi trường của các q trình sinh hóa cơ bản như quang hợp Hơn 70% diện tích của Trái Đất được bao phủ bởi nước. Lượng nước trên Trái Đất có vào khoảng 1,38 tỉ km³. Trong đó 97,4% là nước mặn trong các đại dương trên thế giới, phần còn lại, 2,6%, là nước ngọt, tồn tại chủ yếu dưới dạng băng tuyết đóng ở hai cực và trên các ngọn núi, chỉ có 0,3% nước trên tồn giới (hay 3,6 triệu km³) là có thể sử dụng làm nước uống. Việc cung cấp nước uống sẽ là một trong những thử thách lớn nhất của lồi người trong vài thập niên tới đây. Nguồn nước cũng đã là ngun nhân gây ra một trong những cuộc chiến tranh ở Trung Cận Đơng Tầm quan trọng của nước Nước có một vai trò hết sức quan trọng để tạo nên sự sống của tất cả những sinh vật. Cũng chính vì vậy khi tìm kiếm một hành tinh nào đó, điều chúng ta quan tâm trước tiên là ở đó có nước hay khơng? có tồn tại sự sống hay khơng? Hàng ngày chúng ta tiếp xúc với nước và sử dụng nước cho những mục đích khác nhau nhưng có lẽ khơng phải ai cũng hiểu được hết tầm quan trọng, cũng như vai trò của nước đối với sự sống con người nói riêng và sự sống trên hành tinh nói chung. Vậy nước có những vai trò quan trọng như thế nào? 1.3.1. Nước đối với cơ thể Đối với cơ thể con người nước chiếm 70% ở lúc sơ sinh và giảm xuống còn 60% khi trưởng thành,85% khối lượng bộ não được cấu tạo từ nước. Trong cơ thể nước đóng vai trò là dung mơi cho những phản ứng hóa học trong cơ thể xảy ra. Nước vận chuyển những ngun tố dinh dưỡng đến tồn bộ cơ thể Điều hòa thân nhiệt bằng tuyến mồ hơi… Con người vẫn có thể sống sót nếu nhịn ăn 2 tháng, nhưng khơng thể tồn tại được nếu thiếu nước khoảng 34 ngày. Nếu cơ thể mất đi 2% lượng nước thì khả năng làm việc sẽ giảm đi 20%. Nếu mất đi 10% lượng nước thì cơ thể sẽ tự đầu độc và nếu mất 21% lượng nước sẽ dẫn đến tử vong. Do đó cơ thể ln cần phải được cung cấp đủ lượng nước cần thiết để đảm bảo sự hoạt động ổn định của mình. Nhưng việc uống nhiều nước q cũng khơng phải là tốt vì khi đó thận sẽ phải làm việc q tải và nếu tình trạng diễn ra trong một thời gian dài sẽ dẫn đến những biến chứng nguy hiểm 1.3.2. Nước đối với cuộc sống hàng ngày Chắc hẳn cuộc sống của chúng ta sẽ bị đảo lộn rất nhiều nếu bị mất nước trong một thời gian. Đa số hoạt động sinh hoạt hàng ngày của chúng ta đều gắn liền với nước. Từ việc nấu nướng, tắm giặt, vệ sinh đều cần đến nước. Hãy tưởng tượng xem một ngày nào đó lượng nước khơng đủ dùng cho mỗi người hoặc nước khơng còn được sạch nữa thì cuộc sống của chúng ta sẽ ra sao nhỉ? 1.3.3. Nước đối với trái đất Đối với đa số nước tồn tại trên hành tinh là một điều hiển nhiên bởi vì nó cần thiết cho hoạt động sống của tất cả các sinh vật. Nhưng ngồi ra nước trên hành tinh còn có một nhiệm vụ khác rất quan trọng đó là điều hòa nhiệt độ của trái đất. Bởi nước là một chất lỏng có nhiệt dung riêng rất lớn vào khoảng 4200j/kg.K. Tức là để đun nóng 1 kg nước lên 1 độ thì phải cần phải cung cấp 4200J. Do đó năng lượng mặt trời chiếu đến hành tinh của chúng ta là rất lớn nhưng nhiệt độ của trái đất ln được duy trì để đảm bảo sự sống 1.3.4 Thực Trạng nước hiện nay Rất nhiều người trong chúng ta nghĩ rằng nước chiếm 3/4 diện tích trái đất cơ mà. Sao chúng ta lại phải lo thiếu nước? Nhưng các bạn có biết rằng 3/4 hay 75% nước đó lại chứa tới 97% là nước mặn ở các đại dương, cái mà chúng ta khơng thể sử dụng được cho những mục đích hàng ngày được. Đó là chưa kể đến 99.7% trong số 3% nước ngọt lại tồn tại ở dạng băng đá và tuyết. Vậy chỉ còn 0.3% trong tổng số 3/4 kia là nước ngọt mà chúng ta có thể sử dụng cho mục đích sinh hoạt của mình được. Q là ít phải khơng nào? Mặc dù lượng nước ngọt ít là vậy nhưng hàng ngày chúng ta vẫn đang ln làm cho nó ít hơn bằng sự vơ tâm trong cách sử dụng nước một cách hoang phí và làm ơ nhiễm nguồn nước Hiện nay cơng nghiệp phát triển kéo theo đó là việc thải ra mơi trường một lượng lớn nước thải. Nếu lượng nước thải này khơng được xử lý một cách bài bản thì việc ơ nhiễm nguồn nước là điều khó tránh khỏi. Báo chí đã phanh phui rất nhiều những doanh nghiệp vì khơng muốn bỏ ra một số tiền lớn xử lý nước thải đã cố tình che dấu việc thải trực tiếp nước sau sản xuất ra tự nhiên. Điều này sẽ dẫn đến việc ơ nhiễm nguồn nước xung quanh và trực tiếp ảnh hưởng đến sức khỏe của người dân xung quanh đó Tương lai… Theo như dự đốn của những nhà phân tích thì trong tương lai nước sạch sẽ là một nguồn tài ngun q hiếm khơng khác gì dầu mỏ ở những thập kỷ trước và thậm trí nước còn có tầm quan trọng hơn rất nhiều. Dầu mỏ có thể được thay thế bằng khí đốt và những nguồn nhiên liệu khác. Nhưng nước thì khơng. Sẽ khơng khó tưởng tượng ra viễn cảnh xung đột giữa những quốc gia xung quanh việc chiếm hữu nguồn nước sinh hoạt Giải pháp? Trong khi dân số ngày càng tăng, nguồn nước lại ngày càng giảm thì việc tìm đến một giải phải tái xử lý, sử dụng nguồn nước ơ nhiễm là một phương pháp cần thiết. Ngày nay chúng ta cũng đang dần từng bước trong việc phát triển những hệ thống xử lý và tái tạo nguồn nước ơ nhiễm để phục vụ cho việc sinh hoạt. Trong tương lai rất có thể chúng ta sẽ có những thiết bị tái chế nước với hiệu quả cao và giá thành rẻ, nhưng trước mắt việc mà mỗi người chúng ta có thể làm được đó là hãy sử dụng nước một cách phù hợp tránh lãng phí và có ý thức hơn trong việc bảo vệ mơi trường, tránh làm ơ nhiễm nguồn nước 2. Tài ngun nước Nước bao phủ 71% diện tích của quả đất trong đó có 97% là nước mặn, còn lại là nước ngọt. Nước giữ cho khí hậu tương đối ổn định và pha lỗng các yếu tố gây ơ nhiễm mơi trường, nó còn là thành phần cấu tạo chính yếu trong thể sinh vật, chiếm từ 50%97% trọng lượng của cơ thể, ch ẳng h ạn nh ư ở người nước chiếm 70% trọng lượng cơ thể và ở Sứa biển nước chiếm tới 97% Trong 3% lượng nước ngọt có trên quả đất thì có khoảng hơn 3/4 lượng nước mà con người khơng sử dụng được vì nó nằm q sâu trong lòng đất, bị đóng băng, ở dạng hơi trong khí quyển và ở dạng tuyết trên lục điạ chỉ có 0, 5% nước ngọt hiện diện trong sơng, suối, ao, hồ mà con người đã và đang sử dụng. Tuy nhiên, nếu ta trừ phần nước bị ơ nhiễm ra thì chỉ có khoảng 0,003% là nước ngọt sạch mà con người có thể sử dụng được và nếu tính ra trung bình mỗi người được cung cấp 879.000 lít nước ngọt để sử dụng (Miller, 1988) Theo hiểu biết hiện nay thì nước trên hành tinh của chúng ta phát sinh từ 3 nguồn: bên trong lòng đất, từ các thiên thạch ngồi quả đất mang vào và từ tầng khí quyển; trong nguồn gốc từ bên lòng đất chủ yếu. Nước có nguồn gốc bên trong lòng đất được hình thành ở lớp vỏ giữa của quả đất do q trình phân hóa các lớp nham thạch ở nhiệt độ cao tạo ra, sau đó theo các khe nứt của lớp vỏ ngồi nước thốt dần qua lớp vỏ ngồi thì biến thành thể hơi, bốc hơi và cuối cùng ngưng tụ lại thành thể lỏng và rơi xuống mặt đất. Trên mặt đất, nước chảy tràn từ nơi cao đến nơi thấp và tràn ngập các vùng trủng tạo nên các đại dương mênh mơng và các sơng hồ ngun thủy 10 Lớp dưới: Ít chịu ảnh hưởng của tia sáng mặt trời nên có nhiệt độ thấp 2.2.3.Lớp đáy Ở lớp này xảy ra phản ứng trao đổi giữa trầm tích và nước, q trình sinh học phân hủy các hợp chất hữu cơ để tiêu thụ oxi hòa tan, kết quả là hàm lượng oxi giảm, các vi khuẩn yếm khí tăng và xảy ra các q trình khử NO3 NO2 N2 và SO42 H2S Ion kim loại nặng nếu có thể sẽ kết tủa dưới dạng sunfit và lắng xuống đáy Bảng 2.2. Sự phân tầng nhiệt độ trong hồ và các liên kết phản ứng lý hóa –sinh Nhiệt Vùng Độ sâu Quan sát trạng thái độ (0C) (m) Vùng nóng ấm Trạng thái hiếu khí, quang hợp, tồn epilimnion tại các động thực vật phù du, bậc cao trong giới sinh vật dưới nước 17 Vùng gián đoạn 12 Nhiệt độ giảm và tạo vùng gián đoạn thermocline vật lý Vùng lạnh, độ 21 Trạng thái yếm khí NO3 ….NO2 nhớt ….NH3…N2 SO42….H2S, kết tủa cao sunfit kim loại, thành phần hữu cơ hypilimnion bậc cao phát triển, , vi sinh vật hiếm khí Vùng lắng 36 Thành phần hữu bậc cao, sunfit kim loại, vi sinh vật hiếm khí nước tù 20 2.3. Phức chất trong nước Trong nước tự nhiên tồn tại nhiều chất có khả năng tham gia tạo phức Người ta đã thấy rằng các phối tử tìm thấy trong nước tự nhiên có chứa một loạt các nhóm hữu cơ có liên kết phối tử với ion kim loại . Thí dụ: nhóm cacboxyl, amin thơm, fenoxyt, nhóm phot phat Các kim loại tham gia tạo phức với các nhóm trên như: Mg2+, Ca2+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Zn2+, Co2+, Ni2+ ,Sr2+, Cu2+, Cd2+, Ba2+…và các phức này có mặt trong nước tự nhiên. Ở đây ta quan tâm đến các phức tự nhiên như axit humic là những phức chất quan trọng 2.3.1.Các hợp chất humic (mùn) Các hợp chất humic được các nhà hóa học phát hiện ra sự tồn tại của chúng trong nước từ những năm 1800 nhưng cấu trúc và đặc tính hóa học của chúng đễn nay vẫn còn chưa rõ Các hợp chất humic là các hợp chất khơng suy biến được tạo nên qua sự phân hủy của thực vật. Chúng xuất hiện như là một chất lắng trong đầm lầy hoặc lớp trầm tích của nước hay bất cứ nơi nào có nhiều thực vật bị phân hủy Các hợp chất humic được phân loại theo độ tan: Nếu lấy chất mùn chiết với bazơ mạnh rồi cho sản phẩm tan trong axit ta có: Humin là những sản phẩm gốc thực vật khơng chiết được Axit humic là sản phẩm kết tủa trong q trình axit hóa Axit fulvic là những chất hữu cơ còn lại trong dung dịch axit Các hợp chất humic ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của nước như: tính bazơ, tính hấp phụ và đặc tính tạo phức 21 Ví dụ: các axit fulvic có ảnh hưởng tới đặc tính của nước trong khi đó các humin khơng tan và axit humic tác động đến chất lượng nước thơng qua trao đổi cation, các chất hữu cơ… với nước Cho tới nay người ta đã biết được các hợp chất humic là những chất điện ly có phân tử lượng cao, từ vài trăm (axit fulvic) tới vài vạn (axit humic và humin). Chúng khơng phải là những phần tử riêng lẻ mà liên kết với (humin, axit humic và axit fulvic). Các hợp chất humic này hình thành một bộ khung cacbon có chứa các gốc thơm, một số nhóm oxi hoạt động và có thể có những nhóm giống protein và cacbuahidro. Các thành phần này có thể dễ dàng bị hydro hóa từ các nhân thơm mà lại bền với phản ứng sinh học. Thơng thường các hợp chất humic chứa 45 55% C, 35 45% O, 3 6% H, 1 5% N và 0 1% S,. Khi phân hủy các hợp chất humic có thể thu được một số sản phẩm phân hủy điển hình như sau: Catechol Syring anđêhit Axit 3,5 đihiđroxibenzoic Các hợp chất humic khi tạo phức với các ion kim loại sẽ xảy ra các nhóm Cacboxi, Phenol, hydroxyl… Phenolic hiđroxyl 2 nhóm cacboxyl 1 nhóm cacboxyl 2.3.2.Các phức chất còn lại Các chất tạo phức Cl, OH, CN, P3O105…và các chất hữu cơ có khả năng tạo phức vòng càng (chelat) với các ion kim loại, tạo thành hàng loạt các phức trung gian với hình thái hóa học khác CdCl+, CdCl3 , CdCl , B(OH)4 Mỗi hình thái của phức có ảnh hưởng đến tính chất của nước. Thí dụ 22 các ion Cu2+ ở nồng độ thấp(vi lượng) thì rất cần cho dinh dưỡng nhưng nếu ở nồng độ cao thì chúng gây độc trong nước Các phức kim loại còn ảnh hưởng tới thế oxi hóa khử, các cân bằng hòa tan và cân bằng sinh học trong nước 2.4. Các khí tan trong nước Các khí trong khí quyển đều có trong nước, nhưng ở mức độ khác nhau Các khí tan vào nước là do q trình khuếch tán và đối lưu Độ tan của các khí vào nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bản chất của khí, nhiệt độ, áp suất, độ sạch của nước, chiều sâu của lớp nước Trong số các khí tan vào nước thì khí CO2 và O2 có ý nghĩa lớn đối với q trình quang hợp và hơ hấp của các sinh vật sống trong nước 2.4.1 Khí oxi : Tan trong nước rất ít và khơng tác dụng với nước. Nồng độ bão hòa của oxi trong nước ở điều kiện nhất định được tính theo định luật Henry Độ tan của oxi trong nước sạch điều kiện tiêu chuẩn là 14,6 mgO 2/l nước; ở 350C, 1atm là 7 mg/l; ở 250C, 1 atm là 8 mg/l. Trong tự nhiên, lượng oxi hòa tan vào nước tự nhiên mùa thu và mùa đơng nhiều hơn mùa hè. Ở lớp nước bề mặt, lượng oxi tan vào nước còn phụ thuộc vào sự khuấy trộn, sóng gió, còn ở lớp dưới phụ thuộc vào sự xáo trộn (đối lưu) của nguồn nước và khả năng tiêu thụ oxi các các vi sinh vật. Vậy lượng oxi tan vào nước giảm dần theo chiều sâu của lớp nước Oxi tan vào nước tham gia vào các q trình oxi hóa sau: Oxi hóa các hợp chất hữu cơ bởi vi sinh vật (VSV): CH2O +O2 CO2 + H2O Oxi hóa các hợp chất nitơ bằng VSV: NH4+ + 2/O2 NO3– + H2O +2H+ 23 Oxi hóa các chất khử trong nước: 4Fe2+ + O2 +10 H2O ⟶ 4 Fe(OH)3(r) + 8H+ 2SO32 +O2 ⟶ 2SO42 Ở những vùng nước lượng oxi q ít (