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

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đƣợc đề tài xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo, Tiến sỹ Nguyễn Hoa Du ngƣời giao đề tài hƣớng dẫn tận tình đóng góp ý kiến q báu làm đề tài, quý thầy cô giáo khoa Hoá bạn bè, ngƣời thân giúp đỡ việc thu thập tài liệu, động viên tơi hồn thành đề tài Vinh, tháng năm 2003 Nguyễn Thanh Hoài Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Nguyễn Thanh Hồi MỞ ĐẦU Nƣớc nhu cầu cấp thiết ngƣời dân Đặc biệt thời kỳ công nghiệp hoá, đại hoá đất nƣớc, song song với nhu cầu phát triển ngành kinh tế, vấn đề ô nhiễm nguồn nƣớc trở nên trầm trọng nhu cầu cung cấp sử dụng nƣớc lại quan trọng, khơng mục đích bảo đảm sức khoẻ cộng đồng, mà cịn có ý nghĩa to lớn lĩnh vực sản xuất công nghiệp Một thực tế nhà máy nƣớc việc xem nhẹ vấn đề tính ổn định nguồn nƣớc xử lí ổn định nƣớc Chính vậy, tƣợng nhƣ tắc nghẽn đƣờng ống tạo kết lắng đƣờng ống hay rò rỉ đƣờng ống bị ăn mịn làm giảm tính bền vững hiệu kinh tế hệ thống dẫn truyền thiết bị sử dụng nƣớc Xuất phát từ thực tế chúng tơi chọn đề tài “Mơ tả tính ổn định nước ứng dụng nó” nhằm xem xét cách tổng thể lí thuyết thực tiễn vấn đề tính ổn định nƣớc Hy vọng đề tài chúng tơi góp phần nhỏ vào việc đƣa kiến thức khoa học vào thực tiễn, không ngừng nâng cao chất lƣợng nguồn nƣớc tính bền vững hệ thống cấp nƣớc Chun ngành Hóa vơ Nguyễn Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Thanh Hồi CHƢƠNG I NƯỚC VÀ CÁC CÂN BẰNG ION TRONG DUNG DỊCH NƯỚC 1.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NƢỚC 1.1.1 Cấu tạo tính chất Nƣớc hợp chất đƣợc 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 Ở điều kiện thƣờng nƣớc chất lỏng Liên kết phân tử nƣớc liên kết cộng hố trị Nƣớc chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn khí tuỳ vào điều kiện mơi trƣờng Trong dung dịch, nƣớc tạo liên kết hidro phân tử độ âm điện ôxi lớn nhiều so với hidro Khi tạo thành mạng lƣới phân tử H O H H O O O H H H H H Tại nhiệt độ 0,010C áp suất 0,006 atm, nƣớc tồn cân ba pha rắn, lỏng, khí Đây gọi điểm ba nƣớc Về mặt hoá học, nƣớc chất có khả phản ứng cao Trong cơng thức H2O, hidro có số oxi hố +1 cịn ơxi có số ơxi hố - nên nƣớc vừa có tính ơxi hố, vừa có tính khử Các chất ơxi hố mạnh hay khử mạnh thƣờng khơng tồn nƣớc Các chất có tính ơxi hố trung bình khử trung bình cho phản ứng thuận nghịch Nƣớc có tính chất có momen lƣỡng cực lớn nên khả solvat hố cao Do nƣớc dung mơi tốt hồ tan nhiều chất nhƣ muối, axit, bazơ, oxit nhiều chất khí nhƣ ơxi, cacbonic, hidro sunfua… Chun ngành Hóa vơ Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Nguyễn Thanh Hồi Thực tế có nhiều cân tồn môi trƣờng nƣớc 1.1.2 Các tiêu đánh giá chất lượng nước Có thể dựa vào số tiêu sau để đánh giá chất lƣợng nƣớc Các tiêu phụ thuộc vào quốc gia cho phép đánh giá cách định tính chất lƣợng mẫu nƣớc 1.1.2.1 Độ đục Độ đục nƣớc gây chất trạng thái lơ lửng, chất hữu phân rã gây nên Nƣớc 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 SiO2 hoà tan lít nƣớc gây 1.1.2.2 Màu sắc Màu sắc nƣớc nƣớc có hàm lƣợng chất bẩn nhƣ sắt, phức axit humic fulvic, loài vi sinh vật sống nƣớc nhƣ tảo, rêu Độ màu nƣớc gây mỹ quan gây độc hại cho ngƣời sử dụng Xác định độ màu cách đo mật độ quang so sánh với mẫu tiêu chuẩn Mẫu tiêu chuẩn đƣợc lấy độ màu 1mg/l Pt tính theo K2PtCl6 gây 1.1.2.3 Độ cứng nước Là đại lƣợng biểu thị hàm lƣợng ion canxi magiê có nƣớc Độ cứng nƣớc tự nhiên hoà tan thành tạo địa chất (khống chất) có chứa canxi, magie, silic, Chúng q bão hồ, tạo thành cặn lắng hệ thống phân phối nƣớc, hệ thống nƣớc nóng hay lị Một số phản ứng hồ tan dạng khống chất tạo nên độ cứng nƣớc tự nhiên nhƣ sau: CaCO3 (r) + H+ Chun ngành Hóa vơ Ca2+ + HCO3 K1 = 101,856 Nguyễn Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Thanh Hồi calcit Mg2+ + HCO3 MgCO3 (r) + H+ K2 = 102,235 magnesit Ca2+ + SO42 + 2H2O CaSO4.2H2O(r) K3 = 105,3 thạch 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 = 1010,74 Brucit Trong loại nƣớc tự nhiên, thƣờng lƣợng CO32 HCO3 lớn nhiều so với Cl, SO42 nên cặn CaCO3 (do độ cứng cacbonat) dạng chủ yếu tạo thành Với loại nƣớc chứa SO42 ƣu cacbonat, dạng cặn CaSO4 ƣu thế, song CaSO4 có độ tan lớn CaCO3 nên độ cứng phi cacbonat tạo cặn lắng Nƣớc có độ cứng cao ảnh hƣởng lớn đến sinh hoạt sản xuất Tuỳ vào mục đích sử dụng nƣớc mà giới hạn cho phép độ cứng khác Chẳng hạn với nƣớc cấp sinh hoạt khơng q mmol/l ( tính theo CaCO ) Để làm giảm độ cứng ta đun sơi nƣớc dùng biện pháp hố 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 Độ pH nước Chun ngành Hóa vơ Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Nguyễn Thanh Hồi Độ pH nƣớc tiêu quan trọng liên quan đến chất lƣợng nƣớc tính ổn định nƣớc Độ pH cho phép ta xác định đƣợc tính axit hay tính kiềm nguồn nƣớc đồng thời sở cho phép xác định khuynh hƣớng xảy cân nguồn nƣớc Dựa vào ngƣời ta có biện pháp xử lý thích hợp Xử lý ổn định nƣớc thực chất làm cho nƣớc có pH ổn định trình vận chuyển từ cân dung dịch ổn định, khống chế đƣợc khuynh hƣớng có hại mà nƣớc gây ra, đặc biệt q trình lắng cặn hay ăn mịn Độ pH dung dịch nƣớc sở để xác định dạng tồn chủ yếu cấu tử đó, đặc biệt quan trọng dạng hợp chất cacbon vô nhƣ CaCO3 ; CO32- ; HCO3- ; CO2 … 1.1.2.5 Độ axit độ kiềm Độ axit loại nƣớc khả nhƣờng proton nƣớc Độ axit đƣợc tính đơn vị mg/l tính theo CaCO3 Độ axit khơng phải nồng độ cân ion H+ nhƣng có liên quan với độ pH nƣớc Độ axit đƣợc gây axit yếu (nhƣ axit cacbonic, axit titanic ) muối chịu thủy phân ( nhƣ FeSO4, Al2(SO4)3 ) Khi độ axit nƣớc nhỏ 4,5 axit mạnh gây nên Hợp chất cacbonđioxit (CO2) thành phần có hầu hết loại nƣớc tự nhiên trình khuếch tán từ khơng khí vào áp suất riêng phần pha lỏng bé pha khí số q trình khác tạo Đây yếu tố gây độ axit chủ yếu nƣớc tự nhiên Độ axit nƣớc yếu tố quan trọng để kiểm soát tính ăn mịn Trong q trình xử lý nƣớc biện pháp hóa học hay sinh học độ axit sở cho việc xác định lƣợng hóa chất cần đem vào để điều chỉnh pH khoảng thích hợp Chun ngành Hóa vơ Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Nguyễn Thanh Hồi Để kiểm soát độ axit nƣớc ngƣời ta dùng số biện pháp hoá học làm tăng hay giảm tính axit nƣớc Độ axit độ kiềm nƣớc tự nhiên có quan hệ với chủ yếu cân sau: 2HCO3 CO32 + CO2 + H2O Độ kiềm khả tiếp nhận proton nƣớc Độ kiềm tính mg/l theo CaCO3 Độ kiềm nƣớc đƣợc tạo thủy phân muối axit yếu nhƣ cacbonat, silicat, photphat…, bazơ yếu nhƣ NH3, bazơ mạnh số axit hữu bền với q trình ơxi hố sinh học đƣợc tảo tiêu thụ CO2 gây nên Độ kiềm độ pH đƣợc ổn định cân nƣớc đƣợc thiết lập Với cân ngƣời ta trì lƣợng CO2 tan vào dung dịch cho phù hợp với lƣợng CO2 cân bão hoà 1.1.2.6 Một số tiêu khác + Tổng hàm lƣợng chất rắn(TDS): Đƣợc tính tổng khối lƣợng chất rắn cịn lại sau sấy khơ lít nƣớc nồi cách thuỷ 103 0C TDS tính mg Sự tăng TDS đồng thời với tăng tổng hàm lƣợng ion có thành phần nƣớc nên TDS có ảnh hƣởng đến lực ion I từ làm thay đổi số thông số mẫu nƣớc có ảnh hƣởng trực tiếp đến tính tốn số bão hoà sau + Độ dẫn điện riêng(C): Là đại lƣợng nghịch đảo điện trở riêng, xác định điện trở lớp dung địch nằm hai điện cực cm2 cách cm Nƣớc tự nhiên có độ dẫn điện riêng cao nƣớc tinh khiết có chứa ion chất điện li Tại nhiệt độ xác định độ dẫn nƣớc phụ thuộc vào nồng độ ion Do độ dẫn điện riêng thông số đánh giá gần tổng hàm lƣợng chất vô hồ tan Chun ngành Hóa vơ Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Nguyễn Thanh Hồi Ngồi yếu tố cịn có số yếu tố khác nhƣ : chất rắn lơ lửng (SS), hàm lƣợng ơxi hồ tan (DO), nhu cầu ơxi hố hố học (COD), nhu cầu ơxi hố sinh học (BOD), clorua, sunfat… ảnh hƣởng đến chất lƣợng nƣớc, chẳng hạn nhƣ hàm lƣợng sunfat lớn kết hợp với ion kim loại nƣớc gây cặn lắng sunfat thiết bị chứa nƣớc, hàm lƣợng clorua lớn ăn mòn đƣờng ống gây độc hại cho ngƣời sử dụng nƣớc 1.1.3 Vai trò nước Nƣớc cần thiết cho sống Con ngƣời cần ngày khoảng từ 10 lít nƣớc để cung cấp cho hoạt động Riêng nhu cầu uống, ngày cần 1,83 lít nƣớc/ngƣời Nƣớc giúp vận chuyển thức ăn tham gia vào phản ứng sinh hoá mối liên kết, cấu tạo thể Nƣớc cần cho tất sinh vật Có thể nói đâu có nƣớc có sống ngƣợc lại Nƣớc dùng vào việc sinh hoạt, tắm giặt, rửa… Trong thể ngƣời nƣớc chiếm 65% Nếu thiếu nƣớc từ 15 - 20% ngƣời mê chết Trong loại hoa quả, nƣớc thƣờng chiếm tỷ lệ cao, đến 90% Trong sản xuất nông nghiệp, nƣớc có vai trị quan trọng Nó tham gia vào q trình hồ tan muối khống chất phân bón cho trồng Nƣớc thành phần thiếu đƣợc ngành công nghiệp Khơng có lĩnh vực cơng nghiệp lại khơng cần đến nƣớc, dù chất lƣợng nƣớc có khác Nƣớc đóng vai trị dung mơi phản ứng hay tham gia trực tiếp vào phản ứng, dùng làm chất truyền nhiệt (các thiết bị làm lạnh, thiết bị ngƣng tụ hay lị để đốt nóng ) Một lƣợng nƣớc lớn dùng để làm khu công nghiệp, thiết bị máy móc Nƣớc mang chất thải từ khu cơng nghiệp ngồi… Chun ngành Hóa vơ Nguyễn Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Thanh Hồi Tóm lại, nƣớc đóng vai trò đặc biệt quan trọng tất lĩnh vực kể kinh tế xã hội, quân nhƣ sinh hoạt hàng ngày Nƣớc nguồn sống sinh vật Vì vậy, bảo vệ khai thác tiết kiệm, hợp lí nguồn nƣớc phải mối quan tâm trách nhiệm chung toàn xã hội nhằm đảm bảo phát triển bền vững Để làm đƣợc điều đó, cần phải có kiến thức khoa học định môi trƣờng nƣớc 1.2 CÁC CÂN BẰNG ION TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC 1.2.1 Cân axit - bazơ 1.2.1.1.Khái quát chung cân axit-bazơ Theo quan điểm Bronsted - Lawry axit chất có khả cho proton để trở thành bazơ liên hợp Ngƣợc 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 cịn bazơ chất có khả cho cặp electron Điều giải thích đƣợc chất phản ứng: NH3 + HCl = NH4Cl Tuy nhiên thuyết Lewis định lƣợng đƣợc độ mạnh yếu axit hay bazơ, thuyết Bronsted - Lawry đƣợc dùng phổ biến có ứng dụng rộng rãi mơi trƣờng nƣớc Trong dung dịch nƣớc axit - bazơ tồn nhiều nằm cân với Ví dụ: HS CO2 + H2O Chun ngành Hóa vơ H+ + S2 H+ + HCO3 Nguyễn Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học Thanh Hồi H+ + CN HCN HCO3 + OH… CO32 + H2 O Nhƣng thực tế dung dịch nƣớc, H+ không tồn dạng tự mà xâm nhập vào phân tử nƣớc để tạo H3O+, dung dịch nƣớc phần tử axit mạnh H3O+ phần tử bazơ mạnh OH Do đó, viết lại cân nhƣ sau: S2 +H2O HS +OH CO32 + H2O HCO3 + OH CN + H2O HCN + OH H2CO3 + H2O H3O + + HCO3 Điều có nghĩa nƣớc có phần tử có tính axit mạnh nƣớc chuyển proton cho nƣớc để tạo H 3O+ có bazơ mạnh nƣớc lấy proton nƣớc tạo OH- Mỗi cân axit - bazơ đƣợc đặc trƣng số cân Chẳng hạn với axit HnA: HnA H+ + Hn-1A K1 HnA 2H+ + Hn-2A2 K2 HnA nH+ + An Kn … Trong đó: K1 = [H+].[Hn-1A-]/[HnA] K2 = [H+]2.[Hn-2A2-]/[HnA] … Kn = [H+]n.[An-]/[HnA] Chun ngành Hóa vơ ... tài “Mơ tả tính ổn định nước ứng dụng nó? ?? nhằm xem xét cách tổng thể lí thuyết thực tiễn vấn đề tính ổn định nƣớc Hy vọng đề tài chúng tơi góp phần nhỏ vào việc đƣa kiến thức khoa học vào thực... chủ yếu cân trên, ngƣời ta dùng khái niệm tính ổn định nƣớc CHƢƠNG II TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA NƯỚC 2.1 TÍNH ĂN MỊN VÀ LẮNG CẶN CỦA NƢỚC 2.1.1 Tính ăn mịn 2.1.1.1 Định nghĩa Chun ngành Hóa vơ 16 Nguyễn... axit hay tính kiềm nguồn nƣớc đồng thời sở cho phép xác định khuynh hƣớng xảy cân nguồn nƣớc Dựa vào ngƣời ta có biện pháp xử lý thích hợp Xử lý ổn định nƣớc thực chất làm cho nƣớc có pH ổn định