B ảng 3.1 Thành phần một số ion hòa tan trong nước tự nhiên
3.3. MỘT SỐ QUÁ TRÌNH HÓA HỌC TRONG NƯỚC 1 Quá trình tạo phức
3.3.1. Quá trình tạo phức
Trong nước có rất nhiều ion kim loại nhưng tồn tại chủ yếu ở dạng các hợp chất phức, nhất là các hợp chất phức mà phối tử là các hợp chất hữu cơ cho nên chúng rất bền. Các chất tạo phức vòng càng ( chelate ) như axit humic, axit fulvic thường có trong đất và được rửa trôi vào nước tự nhiên. Các chất tạo phức vòng càng tổng hợp như polyphotphat; natrietylenđiamin tetraaitaxetic ( EDTA ), natrinitrilotriaxitaxetic ( NTA ) và natrixitrat có trong nước thải công nghiệp và được xả vào hệ thống nước với những lượng nhỏ. Những phối tử này tạo phức với hầu hết các ion kim loại có trong nước tự nhiên và trong các hệ sinh học như : Mg2+, Ca2+, Mn2+, Re2+, Fe2+, Cu2+, Zn2+, Ni2+, Sr2+, Cd2+, Ba2+...
Các chất tạo phức quan trọng nhất với các ion kim loại là các hợp chất humic, có thể nói chúng là thành phần tự nhiên của nước, rất bền và hầu như
không bị phân hủy, còn được gọi là chất mùn khi ở trong môi trường đất. Các hợp chất này được tạo ra trong quá trình phân hủy thực vật, là hợp chất cao phân tử đặc biệt, xuất hiện trong quá trình hình thành thổ nhưỡng, rồi bị rửa trôi vào môi trường nước. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về các hợp chất này, tuy nhiên vẫn chưa đưa ra được công thức cấu tạo chính xác, người ta phân chúng ra làm ba loại dựa vào độ hòa tan, đó là humin, axit humic, axit funvic.
Axit humic là hợp chất cao phân tử có màu đen hoặc hơi nâu sẫm. Thành phần nguyên tố bao gồm: C ( 52 ÷ 62% ); H ( 2,8 ÷ 4,5%); O ( 32 ÷ 39% ); N (3,5 ÷ 4,5%); S; P... . Axit humic không hòa tan trong nước, chỉ hòa tan trong dung dịch kiềm.
Axit funvic cũng là những hợp chất cao phân tử có màu vàng hoặc nâu nhạt. Thành phần nguyên tố bao gồm: C (44 ÷ 48%); H (4 ÷ 5,5%); O (44 ÷ 48%); N (1,5 ÷ 2,5%); S; P... . Axit funvic chứa nhiều nhóm chức axit hơn nên tính axit mạnh hơn axit humic, hòa tan được cả trong dung dịch axit, người ta dựa vào tính chất này để tách axit funvic khỏi axit humic.
Humin là những phức của axit humic và axit funvic liên kết bền với nhau và với phần khoáng của đất, rất bền và khó phân hủy, chúng bị rửa trôi từ đất vào nước.
Trong nước, các hợp chất humic có thể bị phân hủy trong những điều kiện nhất định thành các hợp phần giống protein hay các hợp chất hidrocacbon, các phần có nhân thơm rất bền vững, sẽ tạo hợp chất phức bền vững với các ion kim loại, mặt khác chúng cũng ảnh hưởng đến môi trường pH của nước, ảnh hưởng
đến tính chất của nước.
3.3.2. Các quá trình oxi hóa-khử
Trong nước xảy ra rất nhiều phản ứng oxi hóa-khử của các chất khác nhau trong những điều kiện phản ứng và những sự xúc tác nhất định, tuy nhiên phải nói rằng xúc tác quan trọng nhất và phổ biến nhất chính là các loại vi sinh vật trong nước.
Các vi sinh vật xúc tác cho nhiều quá trình oxi hóa-khử, cũng từđó tạo ra năng lượng cần thiết cho các quá trình trao đổi chất để sinh trưởng và phát triển của chúng. Một số phản ứng oxi hóa-khử quan trọng về mặt môi trường như sau:
- Sự phân hủy các hợp chất hữu cơ: {CH2O} + O2 → CO2 + H2O
- Phản ứng oxi hóa-khử của các hợp chất vô cơ: rất nhiều các phản ứng khác nhau trong những điều kiện nhất định, ví dụ như:
H2S + 4H2O → SO42- + 10H+ 2NH3 + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O 2HNO2 + O2 → 2HNO3
Trong nước, các hợp chất của nitơ lại có thể chuyển hóa lẫn nhau, ví dụ
trong điều kiện thiếu oxy, dưới tác dụng của vi khuẩn, NO3- bị khử tạo ra N2 hoặc có thể bị khửđến tận NH3
4NO3- + 5C → 2N2 + 3CO2 + 2CO32-
Hàm lượng của ion NO3- trong nước thường cao hơn NO2- và ở tầng nước mặt nhiều hơn ở lớp đáy do sự oxyhóa của NO2- thành NO3- và cũng chính vì vậy mà hàm lượng ion NO2- rất không ổn định.
Sắt ở trong nước cũng tồn tại ở nhiều dạng như Fe2+, Fe3+, Fe(OH)2, Fe(OH)3, Fe(OH)+, Fe(OH)2+,Fe(OH)2+, Fe(HCO3)2 … chúng chuyển hóa lẫn nhau qua các quá trình oxi hóa-khử và phụ thuộc vào môi trường pH cũng như
sự có mặt của các vi sinh vật:
Fe2+ + 2HCO3- + 2H2O Fe(OH)2 + 2H2CO3 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3
Hợp chất Fe(OH)2 chủ yếu tồn tại trong nước ngầm vì ở đó thiếu O2 và có nhiều CO2 nên sắt trong nham thạch tan ra, thường là dạng Fe(HCO3)2 là chủ
yếu và tạo thành Fe(OH)2. Còn hợp chất Fe(OH)3 lại tồn tại trong tầng nước mặt vì ở đó nhiều O2 hòa tan và ở dạng keo. Khi trong nước có nhiều chất mục nát thì tính ổn định của keo sắt được nâng cao rõ rệt, và nếu có các loại vi khuẩn phân hủy các chất hữu cơ thì sẽ tạo ra các chất kết tủa có chứa sắt.