Mô tả tính ổn định của nước và ứng dụng của nó

Lời cảm ơn để hoàn thành đợc đề tài xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo, Tiến sỹ Nguyễn Hoa Du ngời đà giao đề tài hớng dẫn tận tình đóng góp ý kiến quý báu làm đề tài, quý thầy cô giáo khoa Hoá bạn bè, ngời thân đà giúp đỡ việc thu thập tài liệu, động viên hoàn thành đề tài Vinh, tháng năm 2003 Nguyễn Thanh Hoài Nguyễn Thanh Hoài Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Mở đầu Nớc nhu cầu cấp thiết ngời dân Đặc biệt thời kỳ công nghiệp hoá, đại hoá đất nớc, song song với nhu cầu phát triển ngành kinh tế, vấn đề ô nhiễm nguồn nớc trở nên trầm trọng nhu cầu cung cấp sử dụng nớc lại quan trọng, không mục đích bảo đảm sức khoẻ cộng đồng, mà có ý nghĩa to lớn lĩnh vực sản xuất công nghiệp Một thực tế nhà máy nớc việc xem nhẹ vấn đề tính ổn định nguồn nớc xử lí ổn định nớc Chính vậy, tợng nh tắc nghẽn đờng ống tạo kết lắng đờng ống hay rò rỉ đờng ống bị ăn mòn làm giảm tính bền vững hiệu kinh tế hệ thống dẫn truyền thiết bị sử dụng nớc Xuất phát từ thực tế chọn đề tài Mô tả tính ổn định nớc ứng dụng nh»m xem xÐt mét c¸ch tỉng thĨ vỊ lÝ thut thực tiễn vấn đề tính ổn định nớc Hy vọng đề tài góp phần nhỏ vào việc đa kiến thức khoa học vào thực tiễn, không ngừng nâng cao chất lợng nguồn nớc tính bền vững hệ thống cấp nớc Chuyên ngành Hóa vô Nguyễn Thanh Hoài Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Chơng I Nớc cân ion dung dịch nớc 1.1 Khái quát chung nớc 1.1.1 Cấu tạo tính chất Nớc hợp chất đợc tạo thành từ hai nguyên tố ôxi hidro, thành phần phân tử bao gồm hai nguyên tử H nguyên tử O Công thức phân tử H2O điều kiện thờng nớc chất lỏng Liên kết phân tử nớc liên kết cộng hoá trị Nớc chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn khí tuỳ vào điều kiện môi trờng Trong dung dịch, nớc tạo liên kết hidro phân tử độ âm điện ôxi lớn nhiều so với hidro Khi tạo thành mạng lới phân tử H H H O H H O O H H O H T¹i nhiệt độ 0,010C áp suất 0,006 atm, nớc tồn cân ba pha rắn, lỏng, khí Đây gọi điểm ba nớc Về mặt hoá học, nớc chất có khả phản ứng cao Trong công thức H2O, hidro có số oxi hoá +1 ôxi có số ôxi hoá - nên nớc vừa có tính ôxi hoá, vừa có tính khử Các chất ôxi hoá mạnh hay khử mạnh thờng không tồn nớc Các chất có tính ôxi hoá trung bình khử trung bình cho phản ứng thuận nghịch Nớc có tính chất có momen lỡng cực lớn nên khả solvat hoá cao Do nớc dung môi tốt hoà tan nhiều chất nh muối, axit, bazơ, oxit nhiều chất khí nh ôxi, cacbonic, hidro sunfua Chuyên ngành Hóa vô Nguyễn Thanh Hoài Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Thực tế có nhiều cân tồn môi trờng nớc 1.1.2 Các tiêu đánh giá chất lợng nớc Có thể dựa vào số tiêu sau để đánh giá chất lợng nớc Các tiêu phụ thuộc vào quốc gia cho phép đánh giá cách định tính chất lợng mẫu nớc 1.1.2.1 Độ đục Độ đục nớc gây chất trạng thái lơ lửng, chất hữu phân rà gây nên Nớc có độ đục cao có độ nhiễm bẩn cao, khả truyền ánh sáng giảm Có thể đo độ đục đục kế cách đo mật độ quang, lấy đơn vị chuẩn cản quang 1mg SiO hoà tan lít nớc gây 1.1.2.2 Màu sắc Màu sắc nớc nớc có hàm lợng chất bẩn nh sắt, phức axit humic fulvic, loài vi sinh vật sống nớc nh tảo, rêu Độ màu nớc gây mỹ quan gây độc hại cho ngời sử dụng Xác định độ màu cách đo mật độ quang so sánh với mẫu tiêu chuẩn Mẫu tiêu chuẩn đợc lấy độ màu 1mg/l Pt tính theo K2PtCl6 gây 1.1.2.3 Độ cứng nớc Là đại lợng biểu thị hàm lợng ion canxi magiê có nớc Độ cứng nớc tự nhiên hoà tan thành tạo địa chất (khoáng chất) có chứa canxi, magie, silic, Chúng bÃo hoà, tạo thành cặn lắng hệ thống phân phối nớc, hệ thống nớc nóng hay lò Một số phản ứng hoà tan dạng khoáng chất tạo nên độ cứng nớc tự nhiên nh sau: CaCO3 (r) + H+ Ca2+ + HCO3− K1 = 101,856 calcit MgCO3 (r) + H+ Mg2+ + HCO3− K2 = 102,235 magnesit Chuyên ngành Hóa vô Nguyễn Thanh Hoài Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa häc CaSO4.2H2O(r) Ca2+ + SO42− + 2H2O K3 = 10−5,3 th¹ch cao SiO2 (r) + 2H2O K4 = 10−2,77 H4SiO4 vô định hình Al2Si2O5(OH)4 (r) + 5H2O Kaolinit 2Al(OH)3 (r) + 2H4SiO4 K5 = 10−9,93 Gibsit Mg(OH)2(r) Mg2+ + 2OH− K6 = 1010,74 Brucit Trong loại nớc tự nhiên, thờng lợng CO32 HCO3 lớn nhiều so với Cl, SO42 nên cặn CaCO3 (do độ cứng cacbonat) dạng chủ yếu tạo thành Với loại nớc chứa SO42 u cacbonat, dạng cặn CaSO4 u thế, song CaSO4 có độ tan lớn CaCO3 nên độ cứng phi cacbonat tạo cặn lắng Nớc có độ cứng cao ảnh hởng lớn đến sinh hoạt sản xuất Tuỳ vào mục đích sử dụng nớc mà giới hạn cho phép độ cứng khác Chẳng hạn với nớc cấp sinh hoạt không mmol/l ( tính theo CaCO3 ) Để làm giảm độ cứng ta đun sôi nớc dùng biện pháp hoá học Chẳng hạn: 2HCO3− CO2 + H2O + CO32− Ca2+ + CO32− CaCO3 Mg2+ + CO3 2− MgCO3 ↓ Ca2+ + 2HCO3− + Ca(OH)2 ↓ 2CaCO3 ↓+ 2H2O 1.1.2.4 §é pH cđa níc Độ pH nớc tiêu quan trọng liên quan đến chất lợng nớc tính ổn định nớc Độ pH cho phép ta xác định đợc tính axit hay tính kiềm nguồn nớc đồng thời sở cho phép xác định khuynh hớng xảy cân nguồn nớc Dựa vào ngời ta có biện pháp xử lý Chuyên ngành Hóa vô Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Nguyễn Thanh Hoài thích hợp Xử lý ổn định nớc thực chất làm cho nớc có pH ổn định trình vận chuyển từ cân dung dịch ổn định, khống chế đợc khuynh hớng có hại mà nớc gây ra, đặc biệt trình lắng cặn hay ăn mòn Độ pH dung dịch nớc sở để xác định dạng tồn chủ yếu cấu tử đó, đặc biệt quan trọng dạng hợp chất cacbon vô nh CaCO3 ; CO32- ; HCO3- ; CO2 1.1.2.5 Độ axit độ kiềm Độ axit loại nớc khả nhờng proton nớc Độ axit đợc tính đơn vị mg/l tính theo CaCO3 Độ axit nồng độ cân ion H+ nhng có liên quan với độ pH nớc Độ axit đợc gây c¸c axit yÕu (nh axit cacbonic, axit titanic ) muối chịu thủy phân ( nh FeSO4, Al2(SO4)3 ) Khi độ axit nớc nhỏ 4,5 axit mạnh gây nên Hợp chất cacbonđioxit (CO2) thành phần có hầu hết loại nớc tự nhiên trình khuếch tán từ không khí vào áp suất riêng phần cđa nã pha láng bÐ h¬n pha khÝ số trình khác tạo Đây yếu tố gây độ axit chủ yếu nớc tự nhiên Độ axit nớc yếu tố quan trọng để kiểm soát tính ăn mòn Trong trình xử lý nớc biện pháp hóa học hay sinh học độ axit sở cho việc xác định lợng hóa chất cần đem vào để điều chỉnh pH khoảng thích hợp Để kiểm soát độ axit nớc ngời ta dùng số biện pháp hoá học làm tăng hay giảm tính axit nớc Độ axit độ kiềm níc tù nhiªn cã quan hƯ víi chđ yÕu c©n b»ng sau: 2HCO3− CO32− + CO2 + H2O Độ kiềm khả tiếp nhận proton níc §é kiỊm cịng tÝnh b»ng mg/l theo CaCO3 §é kiềm nớc đợc tạo thủy phân muối Chuyên ngành Hóa vô Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Nguyễn Thanh Hoài axit yếu nh cacbonat, silicat, photphat, bazơ yếu nh NH3, bazơ mạnh số axit hữu bền với trình ôxi hoá sinh học đợc tảo tiêu thụ CO2 gây nên Độ kiềm độ pH đợc ổn định cân nớc đợc thiết lập Với cân ngời ta trì lợng CO2 tan vào dung dịch cho phù hợp với lợng CO2 cân bÃo hoà 1.1.2.6 Một số tiêu khác + Tổng hàm lợng chất rắn(TDS): Đợc tính tổng khối lợng chất rắn lại sau sấy khô lít nớc nồi cách thuỷ 1030C TDS tính mg Sự tăng TDS đồng thời với tăng tổng hàm lợng ion có thành phần nớc nên TDS có ảnh hởng đến lực ion I từ làm thay đổi số thông số mẫu nớc có ảnh hởng trực tiếp đến tính toán số bÃo hoà sau + Độ dẫn điện riêng(C): Là đại lợng nghịch đảo điện trở riêng, xác định điện trở lớp dung địch nằm hai điện cùc cm c¸ch cm Níc tù nhiên có độ dẫn điện riêng cao nớc tinh khiết có chứa ion chất điện li Tại nhiệt độ xác định độ dẫn nớc phụ thuộc vào nồng độ ion Do độ dẫn điện riêng thông số đánh giá gần tổng hàm lợng chất vô hoà tan Ngoài yếu tố có số yếu tố khác nh : chất rắn lơ lửng (SS), hàm lợng ôxi hoà tan (DO), nhu cầu ôxi hoá hoá học (COD), nhu cầu ôxi hoá sinh học (BOD), clorua, sunfat ảnh hởng đến chất lợng nớc, chẳng hạn nh hàm lợng sunfat lớn kết hợp với ion kim loại nớc gây cặn lắng sunfat thiết bị chứa nớc, hàm lợng clorua lớn ăn mòn đờng ống gây độc hại cho ngời sử dụng nớc 1.1.3 Vai trò nớc Nớc cần thiết cho sống Con ngời cần ngày khoảng từ - 10 lít nớc để cung cấp cho hoạt động Riêng nhu cầu uống, ngày cần 1,83 lít Chuyên ngành Hóa vô Luận văn tốt nghiệp Đại häc ngµnh Hãa häc Ngun Thanh Hoµi níc/ngêi Níc gióp vận chuyển thức ăn tham gia vào phản ứng sinh hoá mối liên kết, cấu tạo thể Nớc cần cho tất sinh vật Có thể nói đâu có nớc có sống ngợc lại Nớc dùng vào việc sinh hoạt, tắm giặt, rửa Trong thể ngời nớc chiÕm trªn 65% NÕu thiÕu níc tõ 15 - 20% ngời hôn mê chết Trong loại hoa quả, nớc thờng chiếm tỷ lệ cao, đến 90% Trong sản xuất nông nghiệp, nớc cã mét vai trß rÊt quan träng Nã tham gia vào trình hoà tan muối khoáng chất phân bón cho trồng Nớc thành phần thiếu đợc ngành công nghiệp Không có lĩnh vực công nghiệp lại không cần đến nớc, dù chất lợng nớc có khác Nớc đóng vai trò dung môi phản ứng hay tham gia trực tiếp vào phản ứng, dùng làm chất truyền nhiệt (các thiết bị làm lạnh, thiết bị ngng tụ hay lò để đốt nóng ) Một lợng nớc lớn dùng để làm khu công nghiệp, thiết bị máy móc Nớc mang chất thải từ khu công nghiệp Tóm lại, nớc đóng vai trò đặc biệt quan trọng tất lĩnh vực kể kinh tế xà hội, quân nh sinh hoạt hàng ngày Nớc nguồn sống sinh vật Vì vậy, bảo vệ khai thác tiết kiệm, hợp lí nguồn nớc phải mối quan tâm trách nhiệm chung toàn xà hội nhằm đảm bảo phát triển bền vững Để làm đợc điều đó, cần phải có kiến thức khoa học định môi trờng nớc 1.2 Các cân ion môi trờng nớc 1.2.1 Cân axit - bazơ 1.2.1.1.Khái quát chung cân axit-bazơ Chuyên ngành Hóa vô Nguyễn Thanh Hoài Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Theo quan điểm Bronsted - Lawry axit chất có khả cho proton để trở thành bazơ liên hợp Ngợc lại bazơ chất có khả nhận proton để trở thành axit liên hợp Cân axit - bazơ cân có trao đổi proton cấu tử Chẳng hạn: HCl + NaOH = NaCl + H2O Theo thuyết khác thuyết Lewis axit chất có khả nhận cặp electron bazơ chất có khả cho cặp electron Điều giải thích đợc chất phản ứng: NH3 + HCl = NH4Cl Tuy nhiên thuyết Lewis định lợng đợc độ mạnh yếu axit hay bazơ, thuyết Bronsted - Lawry đợc dùng phổ biến có ứng dụng rộng rÃi môi trờng nớc Trong dung dịch nớc axit - bazơ tồn nhiều nằm cân với HS Ví dô: H+ + S2− H+ + HCO3− CO2 + H2O H+ + CN− HCN CO32− + H2 O HCO3− + OH Nhng thực tế dung dịch nớc, H+ không tồn dạng tự mà xâm nhập vào phân tử nớc để tạo H3O+, dung dịch nớc phần tử axit mạnh H3O+ phần tử bazơ mạnh OH Do đó, viết lại cân nh sau: S2− +H2O HS− +OH− CO32− + H2O HCO3− + OH− CN− + H2O HCN + OH− H2CO3 + H2O H3O + + HCO3 Điều có nghĩa nớc có phần tử có tính axit mạnh nớc chuyển proton cho nớc để tạo H3O+ có bazơ mạnh Chuyên ngành Hóa vô Nguyễn Thanh Hoài Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học nớc lấy proton nớc tạo OH- Mỗi cân axit - bazơ đợc đặc trng số cân Chẳng hạn với axit HnA: HnA H+ + Hn-1A HnA 2H+ + Hn-2A2− K2 HnA nH+ + An− Kn K1 … Trong ®ã: K1 = [H+].[Hn-1A-]/[HnA] K2 = [H+]2.[Hn-2A2-]/[HnA] Kn = [H+]n.[An-]/[HnA] Các số đặc trng cho khả cho proton HnA, Hn-1A- Nếu Ka lớn mức độ phân ly cho proton mạnh ngợc lại Ka bé mức độ phân ly H+ yếu Ngời ta cịng cã thĨ dïng ký hiƯu pKa ®Ĩ chØ møc ®é ®ã víi quy íc: pKa = - log10Ka = - lgKa Vậy pKa nhỏ khả cho proton mạnh pKa lớn mức độ cho proton yếu Giá trị số phân ly sở để xác định miền u cấu tử cân phân ly axit bazơ Một cách cụ thể, ta lÊy vÝ dơ víi axit HA HA H+ + A- Ka Ka = [H+].[A-]/[HA] ⇒ [H+] = Ka.[HA]/[A-] NÕu gäi pH = - lg [H+] ta cã: pH = pKa +lg([A-]/[HA]) Khi [H+] = Ka hay pH = pKa số hạng thứ hai vế phải hay [HA] = [A-] Chuyên ngành Hóa vô 10 Nguyễn Thanh Hoài Luận văn tốt nghiệp Đại häc ngµnh Hãa häc I= ∑C i Zi E= 60954 − 68,937 = 80,095 116 + 293 = 2,29 10-2 A = 1,82.(80,095 293)-3/2.106 = 0,506 2,29.10 −2 − 0,3.2,29.10 −2 ] = 0,063 −2 − 2,29.10 pfm = A [ pK2 = 10,38; pKs = 8,45; pCa2+ = 2,42; pTAlK = 2,58 VËy pHs = 10,38 - 8,45 + 2,42 + 2,58 + 5.0,063 = 7,25 ⇒ SI = - 7,25 = 1,75 > Nh vËy, mÉu níc trªn cã khuynh híng kÕt l¾ng CaCO3 VÝ dơ 2: Mét mÉu níc bỊ mặt có thành phần nh sau: pH = 6,3; TALK = 12mg/ lÝt (theo CaCO3) ; Ca2+ = 62 mg/ lít (theo CaCO3); nhiệt độ 200C TDS = 250 mg/ lÝt Nh vËy, víi mÉu níc nµy ta tÝnh toán lực ion I theo công thức: I = TDS/ 40.000 = 250/ 40.000 = 6,25 10-4 Do ®ã I = 6,25.10 = 0,079 200C giá trị A đợc lấy 0,506 nh từ ta cã: 0,079 pfm = 0,506 [1 −0,079 −0,3.6,25.10 −4 ] = 0,0425 pCa2+ = 3,92; pTALK = 3,21 ⇒ pHs = 10,38 - 8,45 + 3,92 + 3,21 + 5.0,0425 = 9,2725 ⇒ SI = 6,3 - 9,2725 = - 2,9725 < Vậy, với thành phần mẫu nớc nh nớc có khuynh hớng hoà tan lớp CaCO3 bảo vệ từ vật liệu làm đờng ống bị ăn mòn Chuyên ngành Hóa vô 36 Nguyễn Thanh Hoài Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học 3.2 Tính toán định lợng để xử lý ổn định nớc axit Trở lại cân (*) đây: CaCO3 + CO2 + H2O Ca(HCO3)2 (*) Khi mÉu níc cã chØ sè b·o hoµ SI > tức dung dịch nớc thiếu CO2 so với lợng CO2 đủ để trì cân Để bù lại thiếu hụt cân chuyển dịch sang trái để tạo CO2 Nhng đồng thời với việc tạo CO2 tạo kết lắng CaCO3 làm cho đờng ống hay thiết bị chứa nớc bị lắng cặn CaCO3, làm tắc nghẽn đờng ống Do vậy, muốn tạo CO2 mà không tạo CaCO3 ta dùng axit để xử lý Khi axit hoá xảy phản ứng: H+ + HCO3 H2O + CO2 Dựa vào giá trị SI ta xác định lợng axit cần thiết để đem vào xử lý Việc xác định nh tuỳ thuộc vào giá trị SI hay tuỳ thuộc vào pH0 nguồn nớc pHs cân Có ba trờng hợp sau x¶y ra: +) pH0 > pHs > 8,4 +) pH0 > 8,4> pHs +) pHs < pH0 < 8,4 3.2.1 Trờng hợp 1(pHs < pH0 < 8,4) Theo sơ đồ phụ thuộc hàm lợng cấu tử hợp chất cacbon pH0 < 8,4 độ kiỊm níc thùc tÕ b»ng lỵng HCO3− Trong trêng hợp biến thiên pH đợc biểu diễn phơng trình phân ly bậc axit cacbonic H2co3 H+ + HCO3− K1 ⇒ pH = pK1 + lg[HCO3−] - lg[H2co3] pH = pK1 + lgKi - lg[H2co3] Gi¶ sử ban đầu mẫu nớc có độ kiềm toàn phần Ki0, có pH0 Khi axit hoá lợng HCO3 giảm CO2 tăng lên Chẳng hạn với H2SO4 ta có phản ứng: Chuyên ngành Hóa vô 37 Nguyễn Thanh Hoài Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa häc Ca(HCO3)2 + H2SO4 = CaSO4 + 2H2co3 VËy axit hoá pH độ kiềm nớc giảm xuống, độ pH 8,4 giảm xuống A pHs bÃo hoà lại tăng pH0 lên Có thể hình dung C pH nh sau: (hình 2) pH ì Đoạn AB biểu pHs Ki thị số bÃo hoà SI Khi axit hoá dẫn đến hàm lợng HCO giảm Kis pHs B Ki0 Độ kiềm Hình 2: Đồ thị giải thích trình axit hoá xuống H2co3 tăng lên theo tû lƯ mol lµ 1: Nhng mol HCO3 đơng lợng gam nó, mol H2co3 đơng lợng gam thay đổi giá trị HCO3- lợng Ki lợng H2co3 bị biến đổi lợng 2Ki theo chiều ngợc lại Vậy ta có, trớc axit hãa: pH0 = pK1 + lg [Ki0] - lg [H2co3]0 Sau axit hoá hàm lợng HCO3- giảm Ki H2co3 tăng lên lợng 2Ki ®ã: pH1 = pK1 + lg[Ki0 + ∆Ki] - lg([H2co3]0 - 2Ki) độ kiềm giảm nên ∆Ki = Ki1 - Ki0 < 0, biÓu thøc ë giá trị đại số nên Ki phải đổi dÊu thµnh Ki0 + ∆Ki vµ [H2co3]0 - 2∆Ki ∆pH = pH1 -pH0 = lg K i + ∆K i [H CO ] − 2∆K i − lg Ki0 [H CO ]0 Trong ®ã: Ki0: độ kiềm toàn phần nớc nguồn Chuyên ngành Hóa vô 38 Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Nguyễn Thanh Hoài [H2co3]0: hàm lợng axit cacbonic nớc nguồn, pH0, pH1: giá trị pH trớc sau xử lý axit Tơng tự nh giá trị pHs đợc xác định theo biểu thức pHs = pK2 - pKs + pCa2+ - lgKi0 pH1 = pK2 - pKs + pCa2+ - lg(Ki0 + ∆Ki) Do vËy: K i0 ∆pHs = pH1 - pHs = lg K + ∆K i0 i ChØ sè b·o hoµ trờng hợp là: SI = -pH + pHs - pH pH = pH1 - pH0 < mà I giá trị tổng hai đoạn trªn trơc sè SI = lg [ H CO ]0 − 2∆K i K + ∆K i K i0 − lg i + lg [H CO ]0 K i0 K i + ∆K i K i20 ([ H CO ]0 − 2∆K i ) SI = lg (K i + ∆K i ) [ H CO ]0 K i20 ([ H CO ]0 − 2∆K i ) Đặt B = 10 ta có: B = (K i + ∆K i ) [ H CO ]0 SI 2 ⇒ K i [H2co3]0 - K i ∆Ki=B [H2co3]0 K i + 2B [H2co3]0 Ki0 ∆Ki+ B[H2co3]0 ∆ K i2 chia vÕ cho [H2co3]0 Ki0 ta cã: K i0 ∆K i2 Ki0 - 2∆Ki [H CO ]0 = B Ki0+ 2B ∆Ki + B K i Đặt tỷ số = Ki0/[H2co3]0 ta có: B K i0 ∆ K i2 + 2(B + ϕ) ∆Ki + (B-1) Ki0 = Giải phơng trình ta thu đợc Chuyên ngành Hóa vô 39 Nguyễn Thanh Hoài Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học ∆Ki = Ki0 ϕ2 B + 2ϕB + − (ϕB + 1) ϕB ∆Ki = α.Ki0 (trong ®ã α = ϕ2 B + 2ϕB + − (ϕB + 1) B ) Giá trị phụ thuộc vào pH0 cđa níc ngn vµ chØ sè b·o hoµ SI Từ biến thiên độ kiềm ta tính đợc lợng axit cần đem vào xử lý đa nớc trạng thái ổn định ma = eKi 100 100..K i e = (g/l) P P Trong ®ã: P: hàm lợng axit nguyên chất axit kỹ thuật (%) e: đơng lợng gam axit (g/mol) : hệ số tính toán xác định theo đồ thị hình Chuyên ngành Hóa vô 40 Nguyễn Thanh Hoài Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Hình 3: Đồ thị xác định giá trị xử lý ổn ®Þnh níc b»ng axit [8] SI = 2,5 SI = 2,0 SI = 1,5 SI = 1,0 SI = 0,5 SI = 0,2 pH cđa níc 3.2.2 Trêng hỵp (pH0 > 8,4 > pHs) Khi mÉu níc cã gi¸ trị pH nằm khoảng độ kiềm nớc bao gồm tổng hàm lợng HCO3 CO32 có nớc Đây độ kiềm toàn phần nớc Muốn xác định lợng axit cần thiết để làm ổn định nớc cần chuyển CO32 HCO3 cách axit hoá trớc đà với liều lợng độ kiềm tính theo phenol phtalein Khi ®ã: H+ + CO32− = HCO3− sau lại tiếp tục axit hoá để đến pH0 = pHs Mặt khác axit hoá lần nớc độ kiềm chủ yếu HCO3 giá trị pH cỡ 8,4 Vì vậy, số bÃo hoà SI đợc tính theo công thức: SI = 8,4 - pHs Chuyên ngành Hóa vô 41 Nguyễn Thanh Hoài Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Giá trị đợc xác định đồ thị (hình 3) lợng axit cần thiết tổng lợng axit để axit hãa hai lÇn: ma = e KF 100 100 + e.K i1 α P P (g/l) ®ã: ma: khèi lợng axit cần đem vào xử lý (đlg/lít) KF: độ kiÒm tÝnh theo phenolphtalein Ki1: Ki1 = Ki0 - KF hay 100 ma = e.[KF + α.(Ki0 - KF)] P 100 = e.[α.Ki0+ (1-α)KF] P (g/l) 3.2.3 Trêng hỵp (pH0 > pHs > 8,4) Nh ta ®· thÊy ë trên, pH0 > 8,4 độ kiềm nớc đợc tính lợng CO32 có nớc Giá trị pH đợc biến thiên theo trình phân ly thø cña axit cacbonic [ H + ].[CO − ] K2 = − [ HCO ] hay: − [HCO ] pH = pK2 - lg [CO ] Dùng axit để axit hoá khoảng pH > 8,4 chuyển ion CO32 thành HCO3 tức xảy phản ứng: lúc đầu: CO32 + H+ HCO3− − [HCO ]0 pH0 = pK2 - lg [CO − ]0 − − [HCO ]0 + ∆[HCO ] sau axit ho¸: pH1 = pK2 - lg − [CO 3− ]0 2[HCO ] Chuyên ngành Hóa vô 42 Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Nguyễn Thanh Hoài tơng quan chuyển đổi HCO3- vµ CO32- lµ 1: vỊ tû lƯ mol nhng đơng lợng gam theo tỷ lệ 1: nên đơng lợng gam HCO3- đợc tạo phải cần đơng lợng gam CO32- Do ®ã: − − − [HCO ]0 [HCO ]0 + ∆[HCO ] ∆pH = pH1 - pH0 = lg - lg 2 − [CO − ]0 [CO 3− ]0 − 2∆[HCO ] − − [HCO ]0 [CO − ]0 − 2∆[HCO ] + lg = lg − − [HCO ]0 + ∆[HCO ] [CO − ]0 Trong [HCO3-]0 [CO32-]0 hàm lợng ban đầu ion tơng ứng nớc nguồn Mặt khác [HCO3-]0 + [CO32-]0 độ kiềm nớc nguồn, axit hoá lợng CO32- chuyển thành HCO3- biến thiên ®é kiÒm tÝnh theo phenol phtalein Do ®ã: ma = e KF 100 (g/l) P 3.3 Tính toán định lợng ®Ĩ xư lý ỉn ®Þnh níc b»ng kiỊm Khi nớc lợng CO2 lớn lợng CO2 cân phơng trình (*) cân chuyển phía tạo HCO3, phần CaCO3 bị hoà tan Nếu có lớp CaCO3 bảo vệ đờng ống lớp CaCO3 bị xâm thực (ăn mòn) lợng CO2 gọi lợng CO2 xâm thực Do vậy, mn khư CO2 d ta dïng kiỊm ®Ĩ xư lý Khi kiềm hoá xảy phản ứng : OH + CO2 = HCO3 Cũng nh trình axit hoá, xảy hai trờng hợp sau: +) pH0 < pHs < 8,4 +) pH0 < 8,4 < pHs 3.3.1 Trờng hợp (pH0 < pHs < 8,4) Chuyên ngành Hóa vô 43 Nguyễn Thanh Hoài Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Trong trờng hợp pH0 < 8,4 nên trình kiềm hoá biến thiên pH tuân theo phơng trình phân ly bËc cña axit cacbonic: − [ HCO ] pH = pK1 + lg [H CO ] Khi kiềm hoá độ kiềm nớc tăng lên đồng thời độ pHs nớc giảm xuống Có thể hình dung theo sơ đồ hình Tại điểm C nớc đợc ổn định pHịs: giá trị pHs trớc kiềm hoá pH pH1: giá trị sau kiềm hoá 8,4 pH0: giá trị pH nớc nguồn pHs Ki0, Ki1: độ kiềm trớc sau kiềm pH1 A C hoá pH0 Ki: biến thiên độ kiềm B Ki Lúc đầu giá trị pH tính theo: Ki0 [HCO ] pH0 = pK1 + lg [H CO ] Ki1 Độkiềm Hình 4: Đồ thị giải thích trình kiềm hoá trường hợp Sau kiềm hoá ta có độ kiềm tăng lên Ki Do tăng độ kiềm giảm CO2 theo tỷ lệ số mol 1:1 nh đơng lợng gam nªn ta cã: K + ∆K i0 pH1 = pK1 + lg [H CO ]i vËy K i + ∆K i K i0 ∆pH = pH1 - pH0 = lg [H CO ] - lg [H CO ] = lg 3 giá trÞ pHs: K i + ∆K i K i0 pHs = pK2 - pKs - lgCa2+ - lg Ki0 + 5pfm pH1 = pK2 - pKs - lgCa2+ - lg (Ki0 + ∆Ki) + 5pfm K i0 ⇒ ∆pHs = pH1 - pH0 = lg K + ∆K i0 i Chuyên ngành Hóa vô 44 Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Nguyễn Thanh Hoài giá trị SI đợc tính theo: SI = - ∆pHs + ∆pH K i0 K i + ∆K i (K i + ∆ K i ) SI = - lg K + ∆K + lg K = lg i0 i i0 K 2i0 Đặt B = 10SI ta cã: (K i + ∆ K i ) B= ⇒ K i20 + Ki0 ∆Ki + ∆ K i2 = B K i20 K i0 2 ∆ K i + 2Ki0 ∆Ki + (1-B) K i = ⇒∆’ = B K i Ki = Đặt ( B − )= − K i + B.K i20 = B.K i20 − K i = ( B − 1).K i β ta cã: ∆Ki = Ki0 Giá trị đợc xác định theo đồ thị hình Lợng kiềm dùng trờng hợp là: mk = e Ki Trong đó: 100 100.e..K i = (g/l) P P P: hàm lợng kiềm có kiềm kỹ thuật (%) e: đơng lợng gam kiềm (g/mol) Chuyên ngành Hóa vô 45 Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Chuyên ngành Hóa vô Nguyễn Thanh Hoài 46 Nguyễn Thanh Hoài Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học 3.3.2 Trờng hỵp (pH0 < 8,4 < pHs) Khi níc cã pH0 < 8,4 < pHs việc tính toán có phức tạp biến pHs đổi pHs pH0 không B pH1 theo đờng cố định SI= -2,5 C 8,4 D SI= -2,0 mà biến thiên pH0 theo hai khoảng đồ thị hình Khi kiềm hoá giá trị pH0 tăng lên pH0 A SI=1 -1,5 K K giá trị pHs giảm xuống nhiên giá trị pH0 lại tăng theo hai đờng khác Độ kiềm Hình 6: Đồ thị giải thích trình kiềm hoá trường hợp SI= -1,0 từ pH0 ban đầu đến 8,4 độ kiềm nớc HCO3 Nhng từ 8,4 trở HCO3- có CO32- quy luật biến đổi khác ban đầu Tơng tự nh trình axit hoá trình biên thiên ®é kiỊm lµ: ∆Ki = ∆K1 + ∆K2 = (χ+ξ+χξ) Ki0 SI=0,5 Hình : Đồ thị xác định hệ số trình xử lý nớc kiềm đó: hệ số phụ thuộc vào pH0 giá trị SI đợc xác định SI=0 trờng hợp pH0 < pHs < 8,4 đồ thị hình Lợng kiềm trờng hợp đợc xác định công thức: Hình : Đồ thị xác định hệ số trình xư lý níc b»ng kiỊm e.100 (pH mk = (χ+ξtrong trêng hỵp (g/l) < pHs < 8,4)[8] +χξ) Ki0 P Hình : Đồ thị xác định hệ số trình xử lý nớc kiềm trờng hợp pH0 < pHs < 8,4 Chuyên ngành Hóa vô 47 Luận văn tốt nghiệp Đại häc ngµnh Hãa häc Ngun Thanh Hoµi Nh vËy, phân tích biết độ kiềm độ pH nớc nguồn với thành phần mẫu nớc ta xác định đợc khuynh hớng thể hiện tợng xảy từ có phơng pháp xử lý định lợng đợc lợng hoá chất đem vào để xử lý Chuyên ngành Hóa vô 48 Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Nguyễn Thanh Hoài Hình 7: Đồ thị xác định giá trị , kiềm hoá trờng hợp (pH0 < 8,4< pHs)[8] Chuyên ngành Hóa vô 49 Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Nguyễn Thanh Hoài 3.4 TíNH TOáN định lợng xử lý ổn định nớc bằnh ngôn ngữ lập trình pascal 3.4.1 Sơ đồ khối toán Để thuận lợi đơn giản việc tính toán số bÃo hoà nh định lợng lợng hoá chất cần đem vào để xử lý ổn định nớc, ta mô hình hoá toán sử dụng ngôn ngữ lập trình Pascal để lập trình giải toán xử lý ổn định nớc Muốn cần phân tích mẫu nớc để biết đợc đại lợng đầu vào (Input) nh pH, TALK, TDS, Ca2+, nhiệt độ, độ kiềm, đồng thời sau biết đợc phơng pháp xử lý cần nhập thêm thông số khác nh đơng lợng gam axit (hoặc kiềm), giá trị (hoặc , , ).Ta mô tả toán sơ đồ khối nh sau: Chuyên ngành Hóa vô 50 ... ion nớc Vì vậy, để đặc trng cho tính chất này, ngời ta sử dụng khái niệm tính ổn định nớc Tính ổn định nớc đợc chi phối hay chịu tác động trực tiếp tính ổn định cân môi trờng nớc, chủ yếu cân hợp... niệm tính ổn định nớc Chơng II tính ổn định nớc 2.1 Tính ăn mòn lắng cặn nớc 2.1.1 Tính ăn mòn 2.1.1.1 Định nghĩa Sự ăn mòn phá huỷ bề mặt vật liệu làm đờng ống hay thiết bị khác tác dụng môi... chọn đề tài Mô tả tính ổn định nớc øng dơng cđa nã” nh»m xem xÐt mét c¸ch tỉng thể lí thuyết thực tiễn vấn đề tính ổn định nớc Hy vọng đề tài góp phần nhỏ vào việc đa kiến thức khoa học vào thực