Hiệu ứng xúc tác của sắt (III) hidroxit đến sự tách loại sắt khỏi nước ngầm

Khoá Luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________ LờI CảM ƠN Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc Thầy giáo-TS Nguyễn Hoa Du - Bộ môn Hoá vô cơ đã giao đề tài, hớng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành tốt đề tài này. Em cũng xin cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo trong bộ môn Hoá vô cơ, phân tích, các Thầy, Cô giáo phụ trách phòng thí nghiệm khoa Hoá đã giúp đỡ và tạo mọi đều kiện trong việc cung cấp hoá chất, dụng cụ thí nghiệm để em thực hiện đề tài. Xin cảm ơn tập thể K40-E 2 Hoá đã động viên, giúp đỡ tôi trong qúa trình thực hiện, hoàn thành đề tài. Vinh, Tháng 5 năm 2004. Lê Thị Nga ___________________________________________________________________ 1 Khoá Luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________ MụC LụC Mở đầu . Phần 1: tổng quan. 1. Nớc trong tự nhiên 1.1 Các tạp chất trong nớc 1.1.1. Khí hoà tan trong nớc. 1.1.2. Cặn lơ lửng 1.1.3. Các tạp chất hữu cơ 1.1.4. Các tạp chất vô cơ 1.2. Sự ô nhiễm nớc 1.3. Tiêu chuẩn chất lợng nớc uống 2. Công nghệ xủ lý nớc ngầm 2.1. Làm thoáng nớc 2.1.1. Làm thoáng đơn giản trên bề mặt lọc 2.1.2. Làm thoáng bằng dàn ma tự nhiên. 2.1.3. Tháp làm thoáng cỡng bức 2.2 Công trình xử lý sơ bộ 2.2.1 Lắng. 2.2.2 Lọc 2.2.3. Khử trùng nớc 3. Sắt trong nớc ngầm 3.1 Đại cơng về sắt 3.2 Sự tồn tại của sắt trong nớc ngầm 3.3 Các phơng pháp phân tích xác định hàm lợng sắt trong nớc 3.3.1 Xác định trắc quang tổng hàm lợng sắt bằng thuốc thử thioxianat 3.3.2 Xác định trắc quang tổng hàm lợng sắt bằng axit sunfosalixilic 3.3.3. Xác định trắc quang tổng hàm lợng sắt bằng thuốc thử o-phenantrolin 3.4 Các phơng pháp tách loại sắt khỏi nớc 3.4.1. Tách loại sắt bằng các chất oxi hoá mạnh 3.4.2 Tách loại sắt bằng vôi 3.4.3 Tách loại sắt bằng trao đổi các cation ___________________________________________________________________ 2 Khoá Luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________ 3.4.4. Tách loại sắt bằng phơng pháp vi sinh vật 3.4.5. Tách loại sắt bằng điện phân 3.4.6. Sự oxi hoá sắt bằng oxi không khí phần 2: thực nghiệm 1. Dụng chất- hoá chất 1.2 Chuẩn bị pha chế các hoá chất 2. Kỹ thuật thí nghiệm 2.1. Nguyên tắc chung 2.2. Xây dựng đờng chuẩn xác định sắt 2.3 Xác định hàm lợng sắt trong nớc bằng phơng pháp trắc quang với thuốc thử o-phenantrolin 3. Kết quả và thảo luận 3.1 Xác định hàm lợng sắt trong nguồn nớc ngầm 3.2 Nghiên cứu hiệu ứng xúc tác của sắt(III)hiđroxit 3.2.1 Chứng minh hiệu ứng xúc tác của sắ(III)hiđroxit Kết luận ___________________________________________________________________ 3 Khoá Luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________ Mở ĐầU húng ta biết rằng nớc là tài sản chung của nhân loại, là nguồn gốc của sự sống, là môi trờng sống trong đó diễn ra các quá trình sống. Nguồn nớc ngọt cung cấp cho nhu cầu sinh hoạt của con ngời đang ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm. Vì vậy việc khai thác và sử dụng hợp lý mọi nguồn nớc là vấn đề cần quan tâm của mọi quốc gia, bởi nguồn nớc ngọt là tài nguyên có hạn. C Nguồn nớc ngầm thờng đợc khai thác sử dụng cho sinh hoạt và sản xuất vì ít bị ô nhiễm hơn nớc mặt. Tuy nhiên nớc ngầm thờng bị nhiễm sắt, mangan, amni, các chất hữu cơ .và có độ cứng cao. Việc tách loại thờng bằng phơng pháp oxi hoá sắt(II) bằng oxi không khí kết hợp lắng lọc. Quá trình này thơng tốn thời gian. Gần đây nhiều công trình nghiên cứu cho thấy quá trình oxi hoá sắt(II) và tách loại sắt dới dạng Fe(OH) 3 đợc xúc tác bởi một số chất nh: mangan oxyt, mangan(IV)hiddroxit, sắt(III)hiđroxit, muối của đồng, mangan, photphat . Do thời gian có hạn trong khoá luận này chúng tôi chỉ nghiên cứu "Hiệu ứng xúc tác của sắt(III) hiđroxit đến sự tách loại sắt khỏi nớc ngầm" Mẫu nớc lấy nghiên cứu ở khu vực ký túc xã-1 Đại học vinh. Đề tài bao gồm các nội dung: - Xác định một số chỉ tiêu chất lợng mẫu nớc ngầm. - Nghiên cứu hiệu ứng xúc tác của Fe(OH) 3 đến quá trình tách loại sắt. - Nhận xét và nêu một số biện pháp ứng dụng hiệu ứng xúc tác của Fe(OH) 3 vào thực tế. Phần 1 ___________________________________________________________________ 4 Khoá Luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________ TổNG QUAN 1. Nớc trong tự nhiên: Khối lợng toàn bộ nguồn nớc trên trái đất ớc tính 1454 triệu Km 3 , trong đó nớc mặt chiếm 97.5%, các tầng băng tuyết ở bắc cực và nam cực chiếm 2.14%, nớc ngầm khoảng 0.26%, phần nớc còn lại phủ trên khoảng 2% diện tích trái đất, đây chính là nguồn nớc ngọt con ngời thờng xuyên sử dụng. Với dân số thế giới đạt trên 8.5 tỷ ngời, tăng2.5 tỷ so với dân số hiện tại, trong đó 83.4% tập trung ở các nớc đang phát triển, vậy nguồn tài nguyên nớc đang ngày càng trở nên khan hiếm ở nhiều nơi [3] Nớc tự nhiên có đặc điểm phụ thuộc vào địa phơng, địa hình mà nó đi qua, ngoài ra còn phụ thuộc vào thời gian, mùa vụ, vì các nguồn nớc tự nhiên không nối liền với nhau nh nớc biển, đại dơng, do vậy mà chúng không bị hoà trộn vào nhau, cho nên thành phần của mỗi nguồn nớc là khác nhau. Trong nớc thờng chứa một lợng chất không tan có nguồn gốc vô cơ hoặc hữu cơ, các tạp chất này cần phải loại bỏ để đảm bảo an toàn cho con ngời và sinh vật khi sử dụng nớc. Nớc đợc phân thành hai nguồn chính. Nớc trên bề mặt và nớc dới mặt đất. Nớc trên bề mặt có nguồn gốc từ nớc ma, sông, ao, hồ .nớc bề mặt là nguồn nớc tự nhiên tiếp xúc nhiều với không khí, với con ngời, đi qua nhiều vùng sinh thái, dân c. Chính vì lẽ đó mà nớc bề mặt là nguồn nớc dễ bị ô nhiễm nhất, chất lợng nớc phụ thuộc nhiều vào môi trờng xung quanh, bởi thế thông thờng nớc bề mặt bị ônhiễm nhiều chất khí hoà tan, các chất thải sinh hoạt, nớc thải công nghiệp, nông nghiệp, hoá chất bảo vệ thực vật . với những mức độ khác nhau. Nớc dới mặt đất hay còn gọi là nguồn nớc ngầm đợc tạo thành do nớc ma, nớc mặt và hơi nớc ngng tụ thẩm thấu vào lòng đất mà thành. Nớc ngầm đợc giữ lại hoặc chuyển động trong các lỗ rỗng hay khe nứt của các tầng đất đá tạo nên tầng nớc ngầm.Trong quá trình thẩm thấu của các loại ___________________________________________________________________ 5 Khoá Luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________ nớc trên qua các lớp đất đá, các tạp chất, vi trùng đợc loại bỏ bớt, vì vậy mà nguồn nớc ngầm ít chứa các tạp chất ô nhiễm hơn và có nhiệt độ tơng đối ổn định (17-27 o C). Mặt khác nguồn nớc ngầm ít chịu ảnh hởng yếu tố tác động của con ngời, tiếp xúc ít với không khí, do vậy mà nguồn nớc ngầm có chất lợng tốt hơn nguồn nớc bề mặt. Thành phần của nguồn nớc nầm th- ờng chứa các hợp chất vô cơ nh NH 4 + , Mn 2+ , Fe 2+ , Cl - , Ca 2+ , Mg 2+ , HCO 3 - , CO 3 2- . Nếu hàm lợng các chất trên lớn hơn tiêu chuẩn cho phép thì cần phải xử lý nớc trớc khi sử dụng. Nớc ngầm đợc nhiều lớp bảo vệ nên ít bị nhiễm bẩn bởi các hợp chất hữu cơ hay vi trùng, vi khuẩn, cho nên nớc ngầm là nguồn nớc mà giờ đây đang đợc nhiều quốc gia chú ý và khai thác triệt để, khi nguồn nớc mặt đang ngày bị đe doạ bởi sợ ô nhiễm, nhiễm khuẩn ngày càng cao. 1.1. Các tạp chất trong nớc. Nớc tự nhiên là một hệ dị thể gồm nhiều hợp phần khác nhau, nhng có thể chia các loại tạp chất có trong thành phần nớc nh sau. 1.1.1. Khí hoà tan trong nớc. Trong nớc tự nhiên thờng chứa các khí có hàm lợng lớn là O 2 , CO 2 , H 2 S và các khí có hàm lợng ít hơn nh CH 4 , Ar, He, Rn, NO x , NH 3 . sự có mặt của các khí trong nớc thờng có ảnh hởng không tốt nên khi sử dụng n- ớc cần phải loại bỏ. Các khí quan trọng O 2 , CO 2 , H 2 S . Khí H 2 S là sản phẩm của quá trình phân huỷ các chất hữu cơ, phân rác. Trong nớc ngầm H 2 S đợc tạo ra chủ yếu do quá trình phân huỷ các ion sunphua dới tác dụng của vi khuẩn, khi trong nớc có H 2 S làm cho nớc có mùi trứng thối khó chịu và ăn mòn kim loại. Khí O 2 có nhiều trong nớc mặt (70-80%) lợng bão hoà hoặc cao hơn nữa) do bề mặt thoáng tiếp xúc nhiều với không khí, tuy nhiên hàm lợng O 2 hoà tan trong nớc phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, đặc tính của nguồn nớc. Trong nớc ngầm hàm lợng O 2 hoà tan rất thấp hoặc không có do các phản ứng oxi hoá-khử xảy ra trong lòng đất tiêu hao hết O 2 . Hàm lợng oxi đợc ___________________________________________________________________ 6 Khoá Luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________ xác định qua chỉ số độ oxi hoà tan DO (mg/l) thờng đợc đo bằng máy hoặc chuẩn độ theo wrigle. Đối với khí CO 2 , hàm lợng có trong nớc mặt rất ít, còn trong nớc ngầm chứa hàm lợng lớn, điều này là do ở điều kiện yếm khí các hợp chất hữu cơ phân huỷ trong nớc sẽ sinh ra một lợng lớn CO 2 , mặt khác gốc cacbonat có thể tồn tại trong nớc dới dạng CO 2 hoà tan, lợng CO 2 hoà tan trong nớc gọi là lợng CO 2 tự do, khi độ pH của nớc càng thấp thì lợng CO 2 tự do càng nhiều, xác định độ hoà tan CO 2 trong nớc có thể bằng phơng pháp chuẩn độ tại chỗ. Việc xác định hàm lợng O 2 , CO 2 hoà tan có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ xử lý nớc, nhất là nớc ngầm. Nếu lợng CO 2 cao, O 2 thấp thì sẽ gây cản trở đến quá trình oxh sắt và mangan. Nếu lợng CO 2 cao, O 2 cao hoặc cả hai đều cao thì sẽ gây ăn mòn đờng ống, thiết bị. Hàm lợng CO 2 quá thấp thì gây hiện tợng đóng căn đờng ống. 1.1.2. Cặn lơ lửng. Cặn lơ lửng là đặc trng cho nớc bề mặt. Nguồn gốc của cặn lơ lửng là đất, bùn, bụi trên mặt đất đợc rửa trôi, cặn lơ lửng có nguồn gốc từ vô cơ, hữu cơ hoặc sinh học, với hàm lợng thờng thay đổi, cao vào mùa lũ thấp vào mùa khô. Trong mùa ma lũ hàm lợng cặn lơ lửng thờng tăng vọt có thể do nạn chặt phá rừng đầu nguồn ngày một tăng, làm giảm độ che phủ và làm tăng diện tích đất trồng, đồi núi trọc. Có thể đo hàm lợng cặn lơ lửng bởi hai chỉ số: Hàm lợng cặn lơ lửng (mg/l) hoặc độ đục. Hàm lợng cặn lơ lửng trong nớc sông Việt nam dao động từ vài chục mg/l vào mùa nớc trong đến vài nghìn mg/l vào màu ma lũ. 1.1.3. Các tạp chất hữu cơ. Trong nớc tự nhiên thờng gặp các tạp chất hữu cơ là axit Humic, axit fulvic, phenol, focmandehit. Hiện nay nguồn nớc thải đã đa vào nớc rất nhiều thành phần các hợp chất hữu cơ nh dạng cacbon hiđrat, mỡ, thuốc trừ sâu, phân bón, dầu, mỡ tồn tại ở dạng hoà tan hay cặn lơ lửng. Những ___________________________________________________________________ 7 Khoá Luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________ chất hữu cơ này có ảnh hởng rất lớn đến chất lợng của nớc nh màu sắc, mùi vị . đồng thời làm giảm chỉ số DO, tăng chỉ số COD và BOD. Chất hữu cơ trong nớc đợc đặc trng gián tiếp bằng 2 chỉ số: độ màu và chỉ số oxy hoá (mg/l). Ngày nay đã có máy xác định trực tiếptổng lợng hữu cơ dới dạng TOC (tổng cacbon hữu cơ). 1.1.4. Các tạp chất vô cơ. Các muối vô cơ là phần quan trọng nhất của các hợp chất hoà tan trong nớc, nó thờng tồn tại dới dạng ion (cation, anion) và dạng phân tử, các ion có hàm lợng lớn là Na + , K + , Mg 2+ ,Ca 2+ , Cl - , HCO 3 - , CO 3 3- , SO 4 2- . Các ion có hàm lợng nhỏ hơn là: Fe 2+ , Fe 3+ , Mn 2+ , Br - , I - , F - , HPO 4 2- , H 2 SO 3 - , HS - , HSiO 3 - . Còn lại là các ion của các nguyên tố siêu vi lợng nh: Pb, Cd, Se, As, Cu .và các chất khí (đã nói ở trên). Hàm lợng các muối tan đợc đánh giá qua chỉ tiêu các chất tan (TDS, mg/l). Nớc ngầm chứa nhiều Ca 2+ , Mg 2+ , HCO 3 - , Cl - , SO 4 2- . Nếu Ca 2+ và Mg 2+ đi kèm với HCO 3 - thì tạo nớc cứng tạm thời, nếu đi kèm với Cl - , SO 4 2- thì tạo nớc cứng vĩnh cửu. độ cứng của nớc cao thì sẽ gây cặn đờng ống, thiết bị, đóng cặn bình đun nớc và nồi hơi, giặt quần áo tốn xà phòng . Sắt và mangan là tạp chất phổ biến trong nớc ngầm, do trong môi tr- ờng yếm khí nên sắt và mangan tồn tại ở dạng khử Fe 2+ và Mn 2+ . Trạng thái phổ biến là Fe(HCO 3 ) 2 và Mn(HCO 3 ) 2 , dới dạng phức axít humic, fulvic, các phức này làm tăng nồng độ của chúng trong nớc, khó bị oxyhoá bằng oxi không khí và khó chuyển về các dạng kết tủa. Mặc dù chúng không độc nếu hàm lợng sắt không quá 0.5mg/l, mangan không quá 0.05mg/l. Song chúng cũng cần phải đợc loại bỏ trớc khi sử dụng bởi nó liên quan đến độ màu, độ đục, mùi vị, sự kết lắng các oxit trong đờng ống, tăng vi khuẩn a sắt. Các hợp chất chứa nitơ: Là sản phẩm của quá trình phân huỷ yếm khí hoặc hiếu khí các hợp chất hữu cơ (các chất có nguồn gốc từ protein). Dới tác dụng của vi khuẩn yếm khí tạo thành NH 4 + , ở điều kiện hiếu khí tạo thành NO 2 - , NO 3 - . ___________________________________________________________________ 8 Khoá Luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________ Các tạp chất của axit silic: Hàm lợng dạng ion hoà tan tuỳ thuộc vào độ pH của nớc, độ axit silic cao trong nớc làm ảnh hởng khó khăn đến việc khử sắt. Sunfat và clorua: Nếu hàm lợng clorua >250 mg/l làm cho nớc có vị mặn, các nguồn nớc có hàm lợng clorua lên tới 500-1000 mg/l có thể gây ra bệnh thận. Còn nớc có hàm lợng sunfat cao (>250 mg/l) có tính độc hại cho sức khoẻ con ngời. Iôt và flo: Thờng gặp trong nớc ở dạng ion và chúng có ảnh hởng trực tiếp tới sức khoẻ con ngời. Hàm lợng flo trong nớc uống <0.7 mg/l dễ gây bệnh đau răng, 1.5 mg/l làm hỏng men răng. ở những vùng thiếu iôt thờng gây bệnh bớu cổ, ngợc lại nếu nhiều iot cũng gây hại cho sức khoẻ [2]. 1.2. Sự ô nhiễm nớc. Nớc bị thay đổi thành phần trong quá trình tuần hoàn của thuỷ quyển và đặc biệt qua sử dụng của con ngời, nh vậy nớc bị ô nhiễm do có tạp chất có nguồn gốc từ thiên nhiên và con ngời. Sự ô nhiễm có nguồn gốc tự nhiên là do ma, tuyết tan, nớc ma rơi xuống mặt đất mãi nhà, đờng phố, khu công nghiệp .kéo theo các chất bẩn xuống sông, hồ hoặc sản phẩm các hoạt động phát triển của sinh vật, vi sinh vật và xác chết của chúng. Còn sự ô nhiễm nhân tạo chủ yếu do nớc xả sinh hoạt, công nghiệp, giao thông vận tải, thuốc trừ sâu diệt cỏ, phân bón trong nông nghiệp [8] từ đó đa vào nớc một lợng các chất làm thay đổi thành phần của nớc, làm chất lợng của nớc bị xấu đi. Tuy nhiên nớc có khẳ năng tự làm sạch thông qua các quá trình biến đổi hoá học, vật lý và sinh học nh: hấp phụ, lắng, lọc, tạo keo, phân tán, biến đổi có xúc tác sinh học (vi khuẩn), oxy hoá-khử, phân li, polime hoá, quá trình trao đổi chất . Nhng khi lợng chất đa vào nớc quá nhiều, vợt quá giới hạn của quá trình tự làm sạch thì nớc sẽ bị ô nhiễm. Vậy ta có thể hiểu rằng " Ô nhiễm nớc là sự thay đổi bất lợi môi trờng nớc hoàn toàn hay đại bộ phận do các hoạt động của con ngời gây ra ". Cụ thể là: ___________________________________________________________________ 9 Khoá Luận tốt nghiệp ___________________________________________________________________ - Tăng hàm lợng muối trong nớc bề mặt và nớc ngầm từ nớc thải, bụi trong khí quyển và các chất thải rắn. - Tăng hàm lợng các ion Ca, Mg, Si trong nớc ngầm và nớc sông do ma hoà tan, phong hoá các quặng cacbonat. - Tăng hàm lợng các chất hữu cơ. - Tăng các loại vi sinh vật gây bệnh cho ngời và gia súc. - Tăng hàm lợng các kim loại nặng trong nớc nh: Pb 2+ , Hg 2+ , Cd 2+ , Ar 3+ , Zn 2+ và các ion PO 4 3- , NO 3 - ,NO 2 - . - Giảm độ pH của nớc ngọt do ô nhiễm bởi H 2 SO 4 , HNO 3 từ khí quyển, tăng hàm lợng SO 4 2- , NO 3 - trong nớc. - Giảm độ oxi hoà tan trong nớc do các quá trình oxyhoá có liên quan đến các quá trình sống của các loại sinh vật, các nguồn chứa nớc và khoáng hoá các hợp chất hữu cơ. - Giảm độ trong của nớc. 1.3.Tiêu chuẩn chất lợng nớc uống. Nguồn nớc uống, nớc sinh hoạt, phải đảm bảo không màu, không mùi, không vị, không chứa các chất độc hại, các vi trùng gây bệnh, các tác nhân gây bệnh. Hàm lợng các chất tan không vợt qua ngỡng cho phép. Bảng sau đây là chất lợng nớc uống [3] Bảng 1: Tiêu chuẩn chất lợng nớc uống Chỉ tiêu chất lợng Tiêu chuẩn Vịêt Nam TC- 20TCN Tiêu chuẩn WHO Mức yêu cầu Mức cho phép ___________________________________________________________________ 10 . 3.4 Các phơng pháp tách loại sắt khỏi nớc 3.4.1. Tách loại sắt bằng các chất oxi hoá mạnh 3.4.2 Tách loại sắt bằng vôi 3.4.3 Tách loại sắt bằng trao đổi. mẫu nớc ngầm. - Nghiên cứu hiệu ứng xúc tác của Fe(OH) 3 đến quá trình tách loại sắt. - Nhận xét và nêu một số biện pháp ứng dụng hiệu ứng xúc tác của Fe(OH)