Nguyên tắc: Thực hiện thí nghiệm trên mơ hình hấp phụ dạng cột mơ phỏng quá trình hấp phụ liên tục.
Hình 3.2: Mơ hình cột hấp phụ liên tục
Bước 1: Cân khối lượng than hạt (g), sau đĩ dồn than hạt vào cột hấp phụ với chiều cao khoảng H = 15 cm. Xác định lượng than trong cột (g)
Bước 2: Cho mẫu nước điền đầy vào cột than (khơng cĩ bọt khí trong cột). Nước tiếp tục được bơm chảy qua cột với lưu lượng Q = 0,5 và Q = 1 L/h. Lấy mẫu ở những mốc thời gian 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5, 3 giờ và đến khi nồng độ đầu ra bằng đầu vào.
3.5. XỬ LÝ SỐ LIỆU
- Vẽ đồ thị tương quan giữa nồng độ thuốc nhuộm và độ hấp thu. Phương trình tương quan.
- Vẽ đồ thị hiệu quả hấp phụ của than hoạt tính dạng bột theo thời gian với lượng than khác nhau.
- Vẽ đồ thị quan hệ giữa lgC và lgq. Vẽ phương trình Freundlich và Langmuir. So sánh 2 phương trình và nhận xét.
- Vẽ đồ thị biến thiên nồng độ màu đầu ra theo thời gian. Xác định thời gian hay bed volume khi đạt độ màu đầu ra bằng 50% độ màu ban đầu?
3.6. CÂU HỎI ƠN TẬP
Câu 1: Thế nào là than hoạt tính?
Câu 2: Trình bày những ảnh hưởng đối với quá trình hấp phụ bằng than hoạt tính.
Câu 3: Trình bày ý nghĩa của Phương trình Langmuir và Freundlich.
Câu 4: Trình bày ý nghĩa của quá trình thí nghiệm dạng mẻ và dạng cột.
Câu 5: Trình bày cách hồn nguyên than hoạt tính.
3.7. BÁO CÁO KẾT QUẢ PHÂN TÍCH
Sinh viên báo cáo kết quả sau buổi thí nghiệm theo mẫu BÁO CÁO 3 (phần phụ lục).
BÀI THỰC HÀNH SỐ 4
LOẠI BỎ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM
Mục tiêu bài thực hành số 4: Sau khi học xong bài này, sinh viên cĩ khả năng:
Trình bày được các dạng tồn tại của sắt trong nước.
Trình bày được các phương pháp khử sắt trong nước cấp.
Giải thích được bản chất của quá trình khử sắt bằng phương pháp làm thống bằng giàn mưa, phương pháp sục khí.
Giải thích được bản chất của quá trình khử sắt bằng phương pháp dùng hĩa chất (chất oxy hĩa mạnh).
Đánh giá được khả năng khử sắt trong nước cấp khi sử dụng phương pháp sục khí và sử dụng chất oxy hĩa mạnh.
4.1. TỔNG QUAN
Sắt xuất hiện tự nhiên trong đất, trầm tích, nước mặt và nước ngầm. Sắt cĩ thể cĩ trong nước ở hai dạng: hịa tan và khơng hịa tan. Nước cĩ chứa sắt Fe2+ khơng màu, khi tiếp xúc với khơng khí, nước chuyển sang màu nâu do kết tủa sắt Fe3+ xuất hiện....
Trong nước mặt, sắt tồn tại ở dạng hợp chất Fe3+, thường là Fe(OH)3 khơng tan, ở dạng keo hay huyền phù, hoặc ở dạng hợp chất hữu cơ phức tạp ít tan.
Trong nước ngầm, do cĩ pH thấp và hàm lượng oxi hịa tan thấp hoặc hầu như khơng cĩ, sắt tồn tại ở dạng ion. Sắt Fe2+ là thành phần của các muối tan như Fe(HCO3)2, FeSO4. Hàm lượng sắt cĩ trong các nguồn nước ngầm thường cao và phân bố khơng đều trong các lớp trầm tích dưới sâu.
Sắt ảnh hưởng đến sức khỏe con người như thế nào? Sắt là một chất dinh dưỡng vi lượng thiết yếu cho sức khỏe, là thành phần chính của huyết sắc tố, sử dụng để vận chuyển oxy và carbon dioxide trong máu. Thiếu sắt cĩ thể tăng cường hấp thụ chì và độc tính; Tuy nhiên, nếu ăn phải một lượng lớn sắt cĩ thể làm hỏng mạch máu, gây ra nơn mửa/ phân cĩ máu, làm hỏng gan và thận, thậm chí gây tử vong.
Theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt QCVN 01-1:2018/BYT, sắt cĩ nồng độ thấp hơn hoặc bằng 0,3 mg/L.
4.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ SẮT
Hiện nay, cĩ nhiều phương pháp khử sắt của nước ngầm, cĩ thể chia làm ba nhĩm chính như sau:
Hình 4.1: Sơ đồ các phương pháp khử sắt
4.2.1. Khử sắt bằng phương pháp làm thống
Phương pháp khử sắt bằng làm thống là làm giàu oxy cho nước, tạo điều kiện để oxy hĩa Fe2+ thành Fe3+ thực hiện quá trình thuỷ phân để tạo thành hợp chất ít tan Fe(OH)3 rồi dùng bể lắng/lọc để giữ lại.
Tốc độ phản ứng được biểu diễn theo phương trình sau: [ ] 2 2 2 2 d Fe K Fe O OH dt + + − = Trong đĩ: dt Fe d[ 2]
: sự biến thiên [Fe2+] theo thời gian t.
[Fe2+]; [OH-]; [O2]: nồng độ của các ion Fe2+, OH- và oxi.
K: hằng số tốc độ phản ứng, phụ thuộc vào nhiệt độ và chất xúc tác
Như vậy, quá trình chuyển hĩa Fe2+ thành Fe3+ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như pH, O2, hàm lượng sắt của nước ngầm, CO2, độ kiềm, nhiệt độ, thời gian phản ứng.
Khi tất cả ion Fe2+ hịa tan trong nước đã chuyển hĩa thành bơng cặn Fe(OH)3, việc loại bỏ các bơng cặn ra khỏi nước được thực hiện ở bể lắng/lọc theo cơ chế giữ cặn cơ học.
CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH KHỬ SẮT
Trong nước ngầm, sắt (II) bicacbonat là muối khơng bền vững, thường phân ly như sau:
Fe(HCO3)2 = 2HCO32- + Fe2+ (1)
Nếu trong nước cĩ oxy hịa tan, quá trình oxy hĩa và thuỷ phân diễn ra như sau:
4Fe2+ + O2 + 10 H2O = 4Fe(OH)3 + 8H+ (2)
Đồng thời xảy ra phản ứng phụ
4.2.2. Khử sắt bằng phương pháp dùng hĩa chất
4.2.2.1. Khử sắt bằng các chất oxi hĩa mạnh
Các chất oxi hĩa mạnh thường sử dụng để khử sắt là Cl2, KMnO4, O3,… Khi cho các chất oxi hĩa mạnh vào nước, phản ứng diễn ra như sau:
2 Fe2+ + Cl2 + 6 H2O = 2 Fe(OH)3 + 2 Cl- + 6 H+ (4)
3 Fe2+ + KMnO4 + 7 H2O = 3 Fe(OH)3 + MnO2 + K+ + 5 H+(5)
So sánh với phương pháp khử sắt bằng làm thống ta thấy, dùng chất oxi hĩa phản ứng xảy ra nhanh hơn, pH mơi trường thấp hơn (pH< 6). Nếu trong nước cĩ tồn tại các hợp chất như: H2S, NH3 thì chúng sẽ gây ảnh hưởng đến quá trình khử sắt.
4.2.2.2. Khử sắt bằng vơi
Phương pháp khử sắt bằng vơi thường kết hợp với quá trình làm ổn định nước hoặc làm mềm nước. Khi cho vơi vào nước, quá trình khử sắt xảy ra theo 2 trường hợp:
+ Trường hợp nước cĩ oxi hịa tan (vơi được coi như chất xúc tác):
4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O + 4Ca(OH)2 Fe(OH)3+ 4Ca(HCO3)2(6) + Trường hợp nước khơng cĩ oxi hịa tan:
Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 FeCO3 + CaCO3 + H2O (7)
Ghi chú:
Trong phản ứng, để oxi hĩa 1 mg Fe2+, cần 0,64 mg Cl2 hoặc 0,94 mg KMnO4 và đồng thời độ kiềm của nước giảm đi 0,018 mgđl/l.
Ghi chú:
Fe(OH)3 hoặc FeCO3 được tạo thành, dễ dàng lắng lại trong bể lắng và giữ lại hồn tồn trong bể lọc.
4.3. DỤNG CỤ - THIẾT BỊ Bảng 4.1: Danh sách dụng cụ và thiết bị cần dùng STT Dụng cụ Số lượng 1 Erlen 125 mL 10 2 Ống đong 1000 mL 04 3 Ống đong 50 mL 01 4 Bình định mức 50 mL 08 5 Pipet: 2 mL, 5 mL, 10 mL 01 6 Bĩp cao su 02 7 Bình tia 01 8 Bếp điện 01 9 Máy sục khí 04 10 Giấy lọc 4.4. HĨA CHẤT
Sử dụng những hĩa chất cĩ hàm lượng sắt thấp và nước cất khơng cĩ sắt để chuẩn bị các dụng dịch và tác nhân. Các hĩa chất sử dụng bao gồm:
(1) Hydrochloric acid (HCl)đậm đặc
(2) Dung dịch hydroxylamine: Hịa tan 10 g NH2OH.HCl trong 100 mL nước cất.
(3) Dung dịch đạm ammonium acetate (NH3C2H3O2):hịa tan 250 g NH3C2H3O2 trong 150 mL nước cất, thêm 700 mL acid acetic (CH3COOH) đậm đặc. Lắc đều.
(4) Dung dịch phenanthroline (Khơng sử dụng khi dung dịch cĩ màu):
Cách 1: Hịa tan 100 mg 1, 10 phenanthroline (C12H8N2.H2O) trong 100 mL nước cất, khuấy và đun tới 80oC. Khơng được đun sơi.
Cách 2: Cho 10 mL nước cất vào trong cốc chứa 100 mg (C12H8N2.H2O), thêm 2 giọt HCl đậm đặc, khuấy đều đến khi tan hồn tồn, pha lỗng thành 100 mL.
(5) Dung dịch lưu trữ sắt: Thêm 10 mL H2SO4 đậm đặc vào 50 mL nước cất và thêm vào 1,404 g Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O. Sau khi dung dịch đồng nhất, thêm từng giọt KMnO4 cho đến khi xuất hiện màu hồng nhạt khơng đổi. Pha thành 1000 mL với nước cất (1,00 mL = 200 μg Fe)
(6) Dung dịch chuẩn Fe2+(Chuẩn bị mỗi khi sử dụng):
Lấy 50 mL dung dịch lưu trữ sắt (mục 5) cho vào bình định mức 1000 mL, thêm nước cất tới vạch định mức (1,00 mL = 10,00 μg Fe)
Lấy 5 mL dung dịch lưu trữ sắt (mục 5) cho vào bình định mức 1000 mL, thêm nước cất tới vạch định mức (1,00 mL = 1,00 μg Fe)
(6) Dung dịch KMnO4: Hịa tan 5,64 g KMnO4 (đã được sấy và hút ẩm) vào 1000 mL nước cất.
4.5. PHÂN TÍCH SẮT 4.5.1. Lập đường chuẩn
Sử dụng dung dịch chuẩn cĩ nồng độ 1 mL = 10 gFe (10 mg/L). Pha loạt dung dịch chuẩn sắt như sau:
Số tt 0 1 2 3 4 5 TFe Fe(II) ẩ (mL) (Fe2+ 10 mg/L) 0 1 2 3 4 5 VTFe VFe(II) V nước cất (mL) 15 14 13 12 11 10 đậ đặ (mL) 0,5 0,5 . (mL) 0,25 0,25
Đun sơi cho tới khi thể tích dung dịch cịn khoảng 7-8 mL
(mL) 2,5 2,5 2,5
Định mức thành 25 mL bằng nước cất. Lắc đều và đo độ hấp thụ
Cg 0 10 20 30 40 50
C mg/L 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0
Chú thích:
Nếu mẫu bị đục và cĩ màu, thay vì sử dụng nước cất làm mẫu chuẩn trắng, sử dụng chính mẫu làm mẫu chuẩn trắng và xử lý mẫu qua tất cả các bước như trong quá trình thực hiện nhưng khơng cho phenanthroline.
4.5.2. Sắt tổng cộng (TFe)
Lắc đều trước khi phân tích, lấy 25 mL mẫu cho vào erlen. Nếu thể tích mẫu cĩ hàm lượng sắt cao hơn 200 g, sử dụng một lượng mẫu ít hơn. Thêm 0,5 mL HCl đậm đặc và 0,25 mL NH2OH. HCl.
Thêm vài viên bi thuỷ tinh vào erlen, đun sơi khi thể tích cịn khoảng 7 8 mL (nếu mẫu bị cạn, cho vào 1 mL HCl đậm đặc và 5 mL nước cất).
Lưu ý: Khơng đun bằng bình định mức
Làm nguội mẫu ở nhiệt độ phịng, chuyển dung dịch vào bình định mức 25 mL, thêm 2,5 mL dung dịch đệm NH4C2H3O2 và 1 mL dung dịch 1,10 Phenanthroline. Cho nước cất tới vạch định mức và lắc đều, sau đĩ để khoảng 10 15 phút cho cường độ màu đạt cực đại và ổn định. Đo độ hấp thu trên máy spectrophotometer ở bước sĩng 510 nm.
Lưu ý: Kết quả phân tích mẫu tỉ lệ 15/25 so với nồng độ Fe của đường chuẩn
4.5.3. Sắt hai (Fe2+)
Việc xác định Fe 2+phải thực hiện tại vị trí lấy mẫu bởi vì cĩ sự thay đổi tỷ lệ giữa Fe 2+ và Fe3+ theo thời gian trong mơi trường acid. Để xác định Fe2+, acid hĩa mẫu theo tỉ lệ 2 mL HCl đậm đặc/ 100 mL mẫu tại thời điểm lấy mẫu.
Lấy 15 mL mẫu đã được acid hố, thêm 1 mL phenanthroline và 2,5 mL dung dịch đệm NH4C2H3O2, lắc đều. Định mức thành 25 mL với nước cất, đợi khoảng 10 15 phút, sau đĩ đo độ hấp thụ A ở bước sĩng 510 nm.
Lưu ý: Kết quả phân tích mẫu tỉ lệ 15/25 so với nồng độ Fe của đường chuẩn
4.6. THỰC NGHIỆM
4.6.1. TN 1: Loại bỏ sắt bằng phương pháp thổi khí
4.6.1.1. Xác định giá trị pH tối ưu
Bước 1: Pha lỗng dung dịch sắt (II) cĩ nồng độ 300 mg/L với nước giếng để được mẫu nước chứa sắt (II) cĩ nồng độ khoảng 20 mg/L.
Bước 2: Cho nước đã pha lỗng trên (cĩ nồng độ khoảng 20 mg/L vào 1 bể (V = 1 L). Lấy 50 mL mẫu nước lọc qua giấy lọc để xác định hàm lượng sắt tổng (TFe) và Fe2+ ban đầu.
Bước 3: Cho nước đã pha lỗng trên (cĩ nồng độ khoảng 20 mg/L) vào 4 bể (V = 1 L), sau đĩ chỉnh pH đến các giá trị khác nhau như: 5 – 6 – 7 – 8 (Lưu ý: dùng dung dịch NaOH 1N chỉnh pH trước, ghi nhận lại thể tích NaOH cần). Lấy 50 mL mẫu nước lọc qua giấy lọc để xác định sắt tổng (TFe) và Fe2+ ban đầu. Lưu ý: Cần làm mẫu đối chứng.
Lưu ý:
Lấy lượng mẫu thích hợp hoặc pha lỗng mẫu để khi so màu khơng vượt đường chuẩn.
Bước 4: Bật máy thổi khí để khí phân tán đều trong bể chứa với thời gian 10 phút để quá trình chuyển hĩa Fe2+ thành Fe3+ xảy ra.
Bước 5: Sau 10 phút, lọc 50 mL nước qua giấy lọc. Lấy mẫu nước xác định hàm lượng sắt tổng và Fe2+ cĩ trong nước sau xử lý.
Bể 1A Bể 1B Bể 1C Bể 1D
pH = 5 pH = 6 pH = 7 pH = 8
V = 1 lít V = 1 lít V = 1 lít V = 1 lít
VNaOH = VNaOH = VNaOH = VNaOH = Fe2+ ban đầu = Fe2+ ban đầu = Fe2+ ban đầu = Fe2+ ban đầu = TFe ban đầu = TFe ban đầu = TFe ban đầu = TFe ban đầu = Fe2+ sau chỉnh pH = Fe2+ sau chỉnh pH = Fe2+ sau chỉnh pH = Fe2+ sau chỉnh pH = TFe sau chỉnh pH = TFe sau chỉnh pH = TFe sau chỉnh pH = TFe sau chỉnh pH =
Lấy mẫu kiểm tra sau 10 phút
Fe2+ sau xử lý = Fe2+ sau xử lý = Fe2+ sau xử lý = Fe2+ sau xử lý = TFe sau xử lý = TFe sau xử lý = TFe sau xử lý = TFe sau xử lý =
pH tối ưu =
4.6.1.2. Xác định thời gian tối ưu
Bước 1: Lấy 1 lít mẫu nước cĩ nồng độ Fe (II) khoảng 20 mg/L vào bể chứa, chỉnh pH đến pH tối ưu (từ mục 4.6.1.1). Lấy 50 mL mẫu nước lọc qua giấy lọc để xác địnhhàm lượng TFe và Fe2+ ban đầu.
Bước 2: Bật máy thổi khí để khí phân tán đều trong bể chứa, cứ sau thời gian thổi khí, lấy một lượng mẫu khoảng 50 ml lọc mẫu qua giấy lọc rồi đem phân tích Fe2+ và TFe. Thay đổi thời gian thổi khí 5 – 10 – 20 – 30 phút để kiểm tra quá trình chuyển hĩa Fe2+ thành Fe3+. Lưu ý: Cần làm mẫu đối chứng. Máy thổi khí Máy thổi khí Máy thổi khí Máy thổi khí
4.6.1.3. Xác định khả năng khử sắt với hàm lượng sắt cao
Bước 1: Pha lỗng dung dịch Fe2+ cĩ nồng độ 300 mg/L với nước giếng để cĩ nồng độ Fe2+ khoảng 60 mg/L.
Bước 2: Lấy 1 lít nước cĩ nồng độ 60 mg/L, chỉnh pH về pH tối ưu (mục 4.6.1.1). Lấy 50 mL mẫu nước lọc qua giấy lọc để xác định hàm lượng TFe và Fe2+ ban đầu. Tiến hành thổi khí trong thời gian tối ưu (mục 4.6.1.2) để chuyển hĩa Fe2+ thành Fe3+. Lưu ý: Cần làm mẫu đối chứng.
Bước 3: Sau khi lấy mẫu, tiến hành lọc mẫu qua giấy lọc rồi xác định hàm lượng Fe2+ và TFe tổng cĩ trong nước đã xử lý.
Bể 2 Ban đầu Sau khi thêm NaOH 5 phút 10 phút 20 phút 30 phút pH VNaOH Fe2+ TFe
Thời gian tối ưu =
Bể 3 pH tối ưu
Ban đầu Sau khi thêm NaOH
30 phút
V=1 L, pH tối ưu; thời gian tối ưu pH
Fe2+ TFe
Thời gian tối ưu =
Máy thổi khí Máy thổi khí
4.6.2. TN 2: Loại bỏ sắt bằng giàn mưa
Nước giếng sẽ được pha hàm lượng sắt khoảng 20 mg/L và chỉnh pH về giá trị tối ưu được xác định ở thí nghiệm trên được bơm lên giàn mưa với lưu lượng 30 L/h. Nước khi đi qua các sàn tung sẽ phản ứng với oxy và chuyển hĩa từ Fe2+ sang Fe3+. Kết tủa Fe(OH)3 sẽ được lắng trong bể lắng rồi được giữ trong bể lọc. Lấy 50 mL mẫu nước sau bể lọc để xác định hàm lượng sắt tổng (TFe) và Fe2+ sau xử lý.
Hình 4.1: Mơ hình giàn mưa
4.6.3. TN 3: Loại bỏ sắt bằng phương pháp hĩa chất
Bước 1: Pha lỗng dung dịch Fe2+ cĩ nồng độ 300 mg/L với nước giếng để cĩ nồng độ Fe2+ khoảng 60 mg/L. Chỉnh pH đến pH tối ưu (dùng dung dịch NaOH 1N hoặc 0,1N) từ thí nghiệm 1. Lấy 50 mL mẫu nước lọc qua giấy lọc để xác định hàm lượng sắt tổng (TFe) và Fe2+ ban đầu.
Bước 2: Cho nước đã pha lỗng vào 4 bể (V = 1 L). Sau đĩ, cho 10 – 15 – 20 – 25 mL dung dịch KMnO4 (5,64 g/L) vào chuyển hĩa hồn tồn Fe2+ thành Fe3+ trong thời gian tối ưu (t) thu được từ thí nghiệm 2 (khuấy mạnh 1 phút, khuấy nhẹ (t -1) phút). Lấy 50 mL nước lọc giấy lọc, xác định hàm lượng TFe và Fe2+ cĩ trong nước cấp đã xử lý. Lưu ý: Cần làm mẫu đối chứng.
Bể 4A Bể 4B Bể 4C Bể 4D
pH tối ưu pH tối ưu pH tối ưu pH tối ưu
V = 1 lít V = 1 lít V = 1 lít V = 1 lít
NaOH = NaOH = NaOH = NaOH =
TFe ban đầu = TFe ban đầu = TFe ban đầu = TFe ban đầu =