Giáo trình hóa học môi trường công ty môi trường tầm nhìn xanh

GREEN EYE ENVIRONMENT CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com CHƯƠNG ĐỘ PH 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Thuật ngữ pH sử dụng rộng rãi để biểu diễn tính acid tính kiềm dung dịch pH số biểu diễn nồng độ ion – hydro, hay nói xác nồng độ hoạt tính ion – hydro pH có vai trò quan trọng hầu hết trình lónh vực kỹ thuật môi trường Trong lónh vực cấp nước, pH yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến trình keo tụ hóa học, khử trùng, làm mềm kiểm soát tính ăn mòn nước Trong xử lý nước thải trình sinh học, pH phải trì giới hạn tối ưu cho phát triển vi sinh vật Các trình hóa học sử dụng để keo tụ nước thải, làm khô bùn oxy hợp chất ion cyanua, thường đòi hỏi pH phải trì giới hạn hẹp Vì lý mối quan hệ pH, độ acid độ kiềm, cần phải hiểu biết lý thuyết thực tế pH 1.2 LÝ THUYẾT pH Khái niệm pH phát triển từ hàng loạt nghiên cứu dẫn đến hiểu biết đầy đủ acid base Với khám phá Cavendish năm 1366 hydro, sau người biết tất acid chứa nguyên tố hydro Các nhà hóa học tìm thấy phản ứng trung hòa acid base luôn tạo thành nước Từ khám phá thông tin liên quan, người ta kết luận base chứa nhóm hydroxyl Năm 1887 Arrhenius thông báo lý thuyết ông phân ly thành ion (ionization) Từ đến acid coi chất phân ly tạo thành ion – hydro base phân ly tạo thành ion hydroxyl Theo khái niệm Arrhenius, dung dịch, acid mạnh base mạnh có khả phân ly cao, acid yếu base yếu có khả phân ly dung dịch nước Sự đời phát triển thiết bị thích hợp đo nồng độ hoạt tính ion – hydro chứng minh lý thuyết ThS: Huỳnh Ngọc Phương Mai © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ nguồn bạn phát hành lại thông tin từ trang 1-1 GREEN EYE ENVIRONMENT CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com Đo hoạt độ ion hydro Điện cực hydro thiết bị thích hợp để đo độ hoạt tính ion – hydro Cùng với việc sử dụng điện cực hydro, người ta tìm thấy nước tinh khiết phân ly cho nồng độ ion hydro cân khoảng 10-7 mol/l H2O Ỉ H+ + OH- (1 – 1) Vì nước phân ly tạo thành ion – hydroxyl ion – hydro nên rõ ràng có khoảng 10-7 mol/l ion – hydroxyl tạo thành Thay vào phương trình cân ta có: {H }{OH } = K + − {H O} (1 – 2) Nhöng nồng độ nước lớn ([6,02 x 1023 x 1.000/18] mol/l) giảm bị phân ly nên xem số (hoạt tính tương đương với 1,0) phương trình (1 – 2) viết thành: {H+} {OH-} = Kn (1 – 3) nước tinh khiết 200C, {H+} {OH-} = 10-7 x 10-7 = 10-14 Hằng số tích ion số phân ly nước Khi cho vào nước acid, phân ly nước hoạt tính ion – hydro tăng lên; tiếp theo, hoạt tính ion – hydroxyl phải giảm xuống tuân theo số phân ly Ví dụ, acid cho vào nước để tăng nồng độ hoạt tính {H+} đến 10-1 nồng độ hoạt tính {OH-} phải giảm đến 10-13, để có: 10-1 x 10-13 = 10-14 Ngược lại, base cho vào nước để tăng nồng độ {OH-} đến 10-3 nồng độ {H+} giảm đến 10-11 Và ghi nhớ quan trọng {OH-} {H+} không giảm đến zero ThS: Huỳnh Ngọc Phương Mai © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ nguồn bạn phát hành lại thông tin từ trang 1-2 GREEN EYE ENVIRONMENT CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com GREE Khái niệm pH Việc biểu diễn hoạt tính ion – hydro dạng nồng độ mol không thuận tiện Để khắc phục khó khăn này, năm 1909 Sorenson kiến nghị biểu diển nồng độ hoạt tính ion – hydro dạng logarithm âm kí hiệu pH+ Ký hiệu ông thay ký hiệu đơn giản pH biểu diển pH = - log{H+} hoaëc pH = log (1 – 5) + {H } pH thường nằm dãy từ đến 14, với pH 250C biểu diễn tính trung hòa tuyệt đối Dãy acid Dãy kiềm 14 Thang pH Vì số Kn thay đổi theo thay đổi nhiệt độ, nên pH tính trung hòa thay đổi với nhiệt độ, 7,5 00C 6,5 600C Tính acid tăng giá trị pH giảm tính kiềm tăng giá trị pH tăng 1.3 ĐO pH Điện cực hydro tiêu chuẩn tuyệt đối để đo pH Nhưng không thuận lợi không thích ứng việc sử dụng rộng rãi, đặc biệt nghiên cứu trường dung dịch có chứa chất hấp phụ lên platin đen Sự thay đổi chất thị chuẩn độ với điện cực để xác định tính chất độ màu chúng mức độ thay đổi pH Từ nghiên cứu này, xác định cách xác việc chọn chất thị có khả thay đổi độ màu cách đáng kể dãy pH có liên quan Việc sử dụng chất thị thay việc phát triển điện cực thủy tinh Khoảng năm 1925, người ta tìm thấy điện cực chế tạo thủy tinh có khả đo hoạt tính ion – hydro mà không bị ảnh hưởng hầu hết ion khác Việc sử dụng trở thành phương pháp tiêu chuẩn để đo pH ThS: Huỳnh Ngọc Phương Mai © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ nguồn bạn phát hành lại thông tin từ trang 1-3 GREEN EYE ENVIRONMENT CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com GREE Đo điện cực thủy tinh Các loại máy đo pH sử dụng điện cực thủy tinh nhiều công ty chế tạo Chúng thay đổi từ loại máy pH công trường sử dụng pin với giá vài trăm USD đến loại thiết bị có độ xác cao với giá ngàn USD Các loại máy đo pH sử dụng điện 110V chế tạo từ năm 1940 đáp ứng hầu hết yêu cầu phòng thí nghiệm, chúng có khả đo pH với độ xác 0,1 đơn vị Các máy đo pH di động sử dụng pin thích hợp với việc công trường Việc đo pH thực nhiều loại vật liệu điều kiện khác nhau, điều cho thấy phải lưu ý đến loại điện cực Việc đo giá trị pH cao 10 nhiệt độ cao tốt thực với điện cực thủy tinh đặc biệt Các thiết bị đo pH thường chuẩn độ dung dịch pH chuẩn 1.4 PHÂN TÍCH SỐ LIỆU pH Số liệu pH luôn phân tích dạng hoạt tính ion – hydro, số đo tính acid kiềm dung dịch Một cách gần đúng, giả thiết nồng độ ion – hydro {H+} = {H+} nồng độ hoạt tính ion – hydro Vì vậy, pH = pH = 10 pH = 4,5 {H+} = 10-2 {H+} = 10-10 {H+} = 10-4,5 pH khoâng đo độ acid tổng cộng độ kiềm tổng cộng Điều trình bày việc so sánh pH dung dịch acid sulfuric acid acetic N/10 pH dung dịch acid sulfuric khoảng có phân ly mạnh pH dung dịch acid acetic khoảng phân ly yếu Trong vài thí dụ pOH, hoạt tính ion-hydroxyl, dung dịch mối quan tâm Người ta thường tính pOH cách sử dụng mối quan hệ cho Phương trình (1-3) Phép tính gần thực từ mối quan hệ: pH + pOH = 14 hoaëc pOH = 14 – pH (1 - 6) (1 - 7) ThS: Huỳnh Ngọc Phương Mai © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ nguồn bạn phát hành lại thông tin từ trang 1-4 GREEN EYE ENVIRONMENT CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com [OH-] [H+] dung dịch không giảm đến zero Khái niệm pOH, hoạt tính ion – hydroxyl đặc biệt quan trọng phản ứng kết tủa liên quan đến việc tạo thành hydroxide Ví dụ, việc kết tủa Mg2+ trình làm mềm nước vôi trình keo tụ hóa học sử dụng phèn sắt phèn nhôm ThS: Huỳnh Ngọc Phương Mai © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ nguồn bạn phát hành lại thông tin từ trang 1-5 GREEN EYE ENVIRONMENT CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com CHƯƠNG ĐỘ ACID 2.1 KHÁI NIỆM CHUNG Hầu hết nguồn nước thiên nhiên, nước thải sinh hoạt nhiều loại nước thải công nghiệp có khả đệm hệ thống carbonic-bicarbonate Trên sở thông tin này, người ta thường xem xét tất nguồn nước có pH nhỏ 8,5 có độ acid Thường thường điểm kết thúc phenolphthalein pH 8,2 đến 8,4 sử dụng điểm tham khảo Khảo sát đường cong acid carbonic cho thấy pH 7,0 carbonic lại phải trung hòa Nó cho thấy thân carbonic không làm giảm pH xuống Từ đường cong định phân acid mạnh tính chất đường cong, người ta kết luận việc trung hòa acid kết thúc pH Vì vậy, từ tính chất đường cong định phân acid carbonic acid mạnh, rõ ràng độ acid nước tự nhiên acid carbonic acid vô mạnh gây ra, acid carbonic ảnh hưởng nước có pH lớn acid mạnh có ảnh hưởng với nước có pH nhỏ 4, trình bày Hình 2.1 2.2 NGUỒN GỐC VÀ TÍNH CHẤT CỦA ĐỘ ACID Acid carbonic thành phần chủ yếu tất nước tự nhiên Nó hòa tan vào nước mặt trình hấp thụ từ khí phụ thuộc vào định luật Henry, nồng độ acid carbonic nhỏ cân carbonic không khí Carbonic tạo thành nước thông qua việc oxy hóa sinh học chất hữu cơ, đặc biệt nước bị ô nhiễm Trong trường hợp vậy, hoạt động quang hợp bị hạn chế, nồng độ carbonic vượt qua cân khí carbonic từ nước thoát vào không khí Vì người ta đến kết luận nước mặt hấp thụ giải phóng cách cân khí carbonic để giữ cân với không khí Khối lượng khí carbonic trạng thái cân nhỏ áp suất riêng phần khí carbonic không khí thấp ThS: Huỳnh Ngọc Phương Mai © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ nguồn bạn phát hành lại thông tin từ trang 2-1 GREEN EYE ENVIRONMENT CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com GREE 10 Điểm kết thúc phenolphthalein Dãy độ acid carbonic Điểm kết thúc methyl cam Dãy thực tế độ acid vô Hình 2.1 Các loại độ acid quan trọng nước bình thường nước thải Nước ngầm nước từ vùng đối lưu hồ chứa phân tầng thường chứa lượng đáng kể khí carbonic Nồng độ kết việc phân hủy sinh học chất hữu có nước hoạt động vi sinh vật, điều kiện khí carbonic tự giải phóng vào khí Khí carbonic sản phẩm cuối trình phân hủy sinh học hiếu khí kị khí; vậy, nồng độ không bị giới hạn khối lượng oxy hòa tan ban đầu Thường nước ngầm có nồng độ khí carbonic khoảng 30 – 50 mg/L Nước ngầm thành phố Hồ Chí Minh tỉnh đồng sông Cửu Long thường có nồng độ khí carbonic từ 80 – 120 mg/L, nhiều nơi tầng nước ngầm mạch sâu (200 – 300 m) nồng độ CO2 lên đến 320 mg/L Điều đặc biệt nước thấm qua lớp đất không chứa đủ carbonate canxi magne để trung hòa carbonic qua việc tạo thành carbonate CO2 + CaCO3 + H2O Ỉ Ca2+ + 2HCO3- (2 – 1) Acid vô có mặt nhiều loại chất thải công nghiệp, đặc biệt loại chất thải công nghiệp luyện kim phần từ sản phẩm loại vật liệu hữu tổng hợp Các nguồn nước thiên nhiên chứa độ acid vô Nước thải từ khu vực hầm mỏ nơi đổ quặng chứa lượng đáng kể acid sulfuric muối acid sulfuric có mặt lưu huỳnh, sulfide pyrit sắt Việc chuyển hóa vật liệu thành acid sulfuric sulfate vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh thực điều kiện hiếu khí ThS: Huỳnh Ngọc Phương Mai © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ nguồn bạn phát hành lại thông tin từ trang 2-2 GREEN EYE ENVIRONMENT COÂNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH 2S + 3O2 + 2H2O FeS2 + 1,5O2 + H2O GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com Vi khuaån 4H+ + 2SO42- (2 – 2) Vi khuẩn Fe2- + 2H+ + 2SO42- (2 – 3) Muối kim loại nặng, đặc biệt ion kim loại hóa trị ba, Fe (III) Al (III) thủy phân nước để giải phóng độ acid vô cô FeCl3 + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H+ + 3Cl- (2 – 4) Sự có mặt kim loại nặng thị việc tạo thành kết tủa pH dung dịch chứa kim loại tăng lên trung hòa Nhiều chất thải chứa acid hữu Sự có mặt tính chất chúng xác định cách sử dụng đường cong định phân định tính sắc kí khí 2.3 Ý NGHĨA CỦA ĐỘ ACID CARBONIC VÀ ACID Độ acid quan tâm lónh vực sinh học sức khỏe cộng đồng Khí carbonic nước bia nồng độ cao nhiều cho với nguồn nước thiên nhiên không ảnh hưởng có hại đến sức khỏe Nước chứa acid vô thường không ngon Nước acid quan tâm tính ăn mòn chúng chi phí việc xử lý chất ăn mòn Carbonic yếu tố gây ăn mòn hầu hết loại nước tự nhiên, nhiều loại nước thải công nghiệp acid vô nguyên nhân gây tính ăn mòn Khí carbonic phải tính toán đến trình làm mềm nước sử dụng với soda Trong trình xử lý sinh học, pH phải trì khoảng từ đến 9,5 Tiêu chuẩn thường đòi hỏi việc điều chỉnh pH tới mức thích hợp nhiều trường hợp việc tính toán khối lượng hóa chất cần thiết dựa giá trị độ acid Quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch nhà máy nhiệt điện xe ôtô dẫn đến việc tạo thành oxit nitơ oxit lưu huỳnh Khi hòa tan nước mưa chúng thủy phân tạo thành acid sulfuric acid nitric Kết mưa acid làm giảm pH hồ nước có khả đệm thấp, ảnh hưởng xấu đến đời sống nước làm tăng khối lượng hóa chất nhôm, sắt, silic hòa tan từ đất vào nước bề mặt Vì lý này, việc kiểm soát oxit lưu huỳnh nitơ cần thực thải loại khí đốt vào môi trường không khí ThS: Huỳnh Ngọc Phương Mai © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ nguồn bạn phát hành lại thông tin từ trang 2-3 GREEN EYE ENVIRONMENT CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com 2.4 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH Độ acid carbonic acid vô xác định việc sử dụng dung dịch kiềm tiêu chuẩn Acid vô đo định phân đến pH khoảng 3,7 với điểm kết thúc methyl cam Kết định phân mẫu nước đến điểm kết thúc phenolphthalein với pH 8,3 xác định độ acid vô độ acid acid yếu gây nên Độ acid tổng cộng có tên độ acid phenolphthalein Độ acid carbonic Nếu muốn có kết tin cậy với độ xác cao, cần phải đặc biệt lưu ý lấy mẫu, bảo quản mẫu phân tích mẫu để xác định nồng độ carbonic, không tính đến phương pháp phân tích Trong nguồn nước mà carbonic đóng vai trò quan trọng, áp suất riêng phần thường lớn nhiều lần áp suất khí carbonic khí quyển; tiếp xúc với không khí phải tránh giữ mức độ thất thoát mức nhỏ Vì lý này, việc phân tích thực tốt nơi lấy mẫu, tránh việc tiếp xúc với không khí thay đổi nhiệt độ Mẫu nước phải lấy tương tự lấy mẫu để xác định oxy hòa tan, chẳng hạn dùng ống pipet ngập nước để tránh bọt khí cho phép bình chứa mẫu chảy tràn nước thay chỗ không khí Nếu mẫu phải vận chuyển phòng thí nghiệm để phân tích, chai lấy mẫu phải đậy kín để không khí không lọt vào chai Nhiệt độ phải giữ gần với nhiệt độ nơi lấy mẫu Phương pháp định phân Để giảm đến mức thấp việc tiếp xúc với không khí, tốt nên lấy mẫu định phân ống định mức ống so màu Ống so màu ống định mức phải để chảy tràn việc lấy mẫu với thể tích thích hợp thực cách sử dụng siphon pipet Sau bổ sung khối lượng thích hợp chất thị phenolphthalein, tiến hành định phân để giảm đến mức thấp thất thoát khí carbonic vào không khí Thông thường, ban đầu khối lượng đáng kể khí carbonic bị thất thoát phải khuấy mẫu Kết tin cậy thu việc lấy mẫu lần hai thêm khối lượng chất định phân biết trước tiến hành khuấy trộn Việc định phân hoàn thiện với việc thất thoát khí carbonic không đáng kể Điểm kết thúc cuối xuất chậm, việc định phân kết thúc hoàn toàn màu hồng tồn 30 giây Khi hydroxide natri sử dụng làm chất chuẩn, cần phải chắn không chứa carbonate natri Phản ứng có liên quan đến trình trung hòa xảy theo hai bước ThS: Huỳnh Ngọc Phương Mai © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ nguồn bạn phát hành lại thông tin từ trang 2-4 GREEN EYE ENVIRONMENT CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com GREE 2NaOH + CO2 Ỉ Na2CO3 + H2O Na2CO3 + CO2 + H2O Ỉ 2NaHCO3 (2 – 5) (2 – 6) từ Phương trình (2 – 6) rõ ràng carbonate natri có mặt hydroxide natri gây nên sai số kết phân tích Để khắc phục khó khăn này, dung dịch carbonate natri chất định phân chuẩn giới thiệu để đo acid carbonic Carbonate natri sử dụng theo khả phản ứng cách định lượng với acid carbonic, trình bày Phương trình (2 – 6) Nó có ưu điểm định mua dạng tinh khiết phân tích (PA) Tính toán từ độ pH độ kiềm Có khả tính toán khối lượng carbonic mẫu nước từ phương trình phân ly acid carbonic Khi pH thấp 8,5, số phân ly bậc acid carbonic sử dụng cho biết nồng độ ion – hydro, nồng độ ion – bicarbonate số phân ly K1: [H+] [HCO3-] * [H2CO3 ] = KA1 (2 – 7) Thực tế, [H2CO3*] phương trình thiết lập tương đương với tổng nồng độ mol acid carbonic carbonic khó phân biệt hai dạng acid carbonic Vì carbonic tự chiếm khoảng 99 phần trăm tổng nồng độ, phương trình phương trình gần Việc sử dụng Phương trình (2 – 7) mô tả ví dụ sau Nếu KAl = 4,3 x 10-7, [H+] =10-7 [HCO3-] = 4,3 x 10-7, nồng độ CO2 phải (10-7) x (4,3 x 10-3) / (4,3 x 10-7) = 10-3 mol/L 44 mg/L Mặc dù vậy, để tính toán xác, cần phải kể đến ảnh hưởng ion khác ảnh hưởng nhiệt độ đến số K1 Từ nhận xét thấy việc tính toán khí carbonic tự nước trình phức tạp, hướng dẫn “Standard methods” có trình bày đồ thị để xác định carbonic tự từ pH, độ kiềm, chất rắn hòa tan nhiệt độ Việc xác định carbonic từ số đo độ pH độ kiềm cho kết với độ xác cao, không thực cần thiết Phương pháp gặp phải khó khăn phải biết nồng độ chất rắn hòa tan Điều đòi hỏi phải phân tích riêng biệt phương pháp trọng lượng độ dẫn Tương tự, pH phải đo với độ xác cao, thay đổi nhỏ dẫn đến sai số lớn Ví dụ, pH sai số 0,1 dẫn đến sai số 25 phần trăm xác định carbonic Nó trở thành câu hỏi xem kết tính toán điều kiện phòng thí nghiệm bình thường hóa trường có độ tin cậy kết thu qui trình định phân hay không, việc quan tâm thích hợp thực đến mô tả chi tiết cho phương pháp định phân Xem xét khó khăn phương pháp, người ta thấy qui trình định phân thường phương pháp ThS: Huỳnh Ngọc Phương Mai © Copyright 2006 gree-vn.com, All rights reserved Xin ghi rõ nguồn bạn phát hành lại thông tin từ trang 2-5 ... 3-1 GREEN EYE ENVIRONMENT CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com GREE 3.2 Ý NGHĨA MÔI TRƯỜNG Như biết, độ kiềm nước có ý nghóa mặt sức khỏe cộng đồng... lựa chọn số cân thích hợp Các kỹ sư môi trường nhà hóa học môi trường cần phải hiểu sở qui trình Các qui trình trình bày Tính toán từ số đo độ kiềm Trong qui trình này, độ kiềm phenolphthalein... EYE ENVIRONMENT CÔNG TY MÔI TRƯỜNG TẦM NHÌN XANH GREE Tel: (08)5150181 Fax: (08)8114594 www.gree-vn.com độ xác cần thiết Việc tính toán với độ xác cao thực qui trình (2) (3) Qui trình hai có độ