Các nguyên lý lọc và khử trùng nước - Nước thiên nhiên: Phần 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:154

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cuốn sách "Nước thiên nhiên-Các nguyên lý lọc và khử trùng nước: Phần 2 cung cấp cho người đọc những kiến thức như: các phương pháp khử trùng nước truyền thống; ozon và ứng dụng; oxy hoá khử, chất oxy hoá, chất khử; công nghệ xử lý nước thải và vi sinh vật. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Các nguyên lý lọc và khử trùng nước - Nước thiên nhiên: Phần 2

Chương 7 CÁ C PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG NƯỚC TRUYỀN THỐNG (Clor và tia cực tím UV) Các nguồn nước trong thiên nhiên đều bị nhiễm bẩn bởi các chất vô cơ và hữu cơ, vì vậy con người đã từ lâu biết lọc nước và khử màu, khử mùi và khử khuẩn trong nước. Trong chương này, khái niệm “khử trùng” được dùng tương đương với tiệt trùng, tiệt khuẩn. Hơn thế nừa, thuật ngữ vi khuẩn, vi trùng được hiểu rộng như các vi sinh vật (microorganims) gồm những sinh vật đom bào (single - celled) có kích thước nhỏ, không quan sát được bằng mắt thường mà phải sử dụng kính hiển vi. Nó bao gồm cả virus, vi khuẩn (vi trùng - becterium), archaea, vi nấm, vi tảo, động vật nguyên sinh...). Clor (chlorine, Cl) là chất diệt khuẩn truyền thống, được tổng hợp và nghiên cứu trong giai đoạn 1630-1774. Từ đó clor là chất đầu tiên được dùng rộng rãi để diệt trùng nước. Clor là chất khí có mùi khó chịu, thuộc nhóm halogen. Clor là chất oxy hóa mạnh với thế oxy hóa/khừ bàng 1,37 V, sau 0 3 (2,07 V), trên 0 2 (1,23 V). Các chất vô cơ, hữu cơ, đơn chất hay hợp chất khi tiếp xúc với các chất oxy hóa đều xảy ra quá trình trao đổi điện tử (quá trình oxy hóa). Các 140 I
Chưong 7 . CÁC PHƯƠNG PHÁP.. chât oxy hóa nhận điện tử từ các hợp chất hóa học mà nó tiếp xúc, khi đó trạng thái oxy hóa thay đổi và tạo thành các hợp chất hóa học mới. Đôi với các tế bào sống, các chất oxy hóa tác động với các enzym, các protein kể các các NDA làm tê liệt sự sống. Đối với các chất bảo vệ thực vật, các hóa chất độc hại thì quá trình oxy hóa tạo thành các hợp chất mới. thường đơn giãn hơn và vì vậy làm thay đổi các tính chất của chúng, thường là giảm hoặc loại bò tính độc hại. Nói chung có thể tóm tất như sau: Quá trình oxy hóa làm thay đổi, phân hủy cấu trúc phân tò của các chất vô cơ và hữu cơ (enzym, NDA, protein...), tạo ra các hợp chất mới với các tính chất mới. Chất oxy hóa mạnh làm quá trình phân hủy mạnh hơn nhanh hơn và triệt để hơn. Các chất oxy hỏa mạnh, thường dùng trong công nghệ xử lý nước và tiệt trùng gồm: • Clor (chất khí, CI2 ), sodium (natrium, natri), potasium (hay kalium, kali), calsium (canxi) hypoclorid (NaOCl, KOC1, CaOCl), cloramin (NH 2 CI). bột bleach (chất tẩy, một dạng cùa clor). Dung dịch các chất này có tên là nước javel; • XútNaOH; • Oxy già H2 O 2 (hydrogen peroxit, thế oxy hóa: 1.78 V); • Nước điện phân (anolyte, electrolyzed oxidizing w ater...); • Ozon (khí, O3); • Con (alcohols, ethanol); • Iodine (I, dung dịch methanol); • Phenolis; • Bạc (silver dihvdrogen citrate), họp kim đồng. Hiệu quà của quá trình tiệt khuẩn phụ thuộc vào nhiều yếu tố: • Chất oxy hóa (chất diệt khuẩn - disinfectant): ozon. clor, oxy già. cloramin...; I 141
NƯỚC THIÊN NHIÊN, CÁC NGUYÊN LÝ LỌC VÀ KHỬ TRỪNG NƯỚC • Độ p-H của nước: kiềm hay axit; • Thành phần nước: các chất hòa tan, các hạt (vô cơ, hữu cơ), độ đục...; • Chủng loại vi sinh vật: vi khuẩn, virus, vi sinh vật, nấm, mốc, kén.. • Chủng loại các chất vô cơ, hữu cơ cần loại bỏ: Fe, M n... ammonia, chất bảo vệ thực v ật... 7.1. KHỬ TRÙNG BANG CLOR 7.1.1. Clor Sử dụng chất clor (Cl) để khử khuẩn nước (chlorination) là một kỹ thuật khử khuẩn đã được áp dụng từ lâu (1854, J. Snow). Có thể sử dụng khí clor CI2 , hoặc các loại hợp chất của clor (gọi là chloforms) như natri (sodium) hypoclorid NaOCl hoặc canxi hypocloriđ Ca(OCl) 2 (trong tiếng Anh, các chất khử trùng này có tên thường là “bột bleach” (bột tẩy). Người ta cũng dùng vôi được clo hóa (chlorinated lime) CaO.3 CaOCl2.3 H2O để khử khuẩn. Các hóa chất này gặp nước tạo ra axit hypocloric HOC1 có tác dụng diệt khuẩn. Khí clor và các bột bleach tan trong nước xảy ra phản ứng: C l2 + H20 HOC1 + H* + c r NaOCl + H20 < ~ ỳ Na+ + o c r Ca(OCl) 2 + H20 Ca2+ + OC1 2' Trong các phản ứng này, các anion o c r gặp cation H+ tạo thành axit hypocloric HOC1. Acit này phân ly tạo ra các anion o c r có khả năng diệt khuẩn. Quá trình phân ly HOC1 H+ + o c r phụ thuộc mạnh vào độ pH của nước. Độ pH thấp (3 - 6 ) khả năng phân ly của axit thấp, anion OC1 ít, khả năng khử khuẩn hạn chế. Tăng pH ~ 8 , hiệu quả diệt khuẩn rất 142 I
Chương 7 . CÁC PHƯƠNG PHÁP.. cao. Dung dịch NaOCl hay KOC1 còn có tên là nước Javel (Eau de Javel. Javell Water. Javel là một thị trấn ở Pháp, sần Paris), một chất diệt khuẩn và chất tẩy có tiếna lâu nay. Nòng dộ clor 0,1 - 0.5 ppm ưona 30 phút đủ diệt khuân, đê diệt trứng giun sán cần thời 2 Ìan tiếp xúc lâu hơn. Clor cũns làm kểt tủa Fe và Mn. 7.1.2. Cloramin Clor còn tạo ra cloramin. một chất diệt khuẩn được sử dụno rộns rãi. Khi clor tự do gặp các chất hữu cơ phàn hủy như ammonia, ammonium, chúng thực hiện phản ửna tạo thành cloramin: CI2 + NH 3 (ammonia) -ỳ NH 2 CI (Cloramin) + c r + CỈ2 + N Rị (ammonium) NH;C1 (Cloramin) + c r + H~ Sau đó Clor tiếp tục phản ứns để tạo thành nitơ tự do: 2NH 2 C1 + Cl; -> N 2 + 4C1 + 4H+ 2 NH 3 + 3C1 2 ^ N 2 + 6C1* + 6 H* Như vậv clor \òra có tác dụns nhừ khuân trong nước \ìra có tác dụns loại các ammonia trons nước, biến chúns thành nitơ tự do (quá trình biên nitơ hữu cơ thành N 2 sọi là quá trinh khoáns hóa chất hữu cơ). Vì thê người ta hav dùna thuật nsừ "xử lv" nước hao aồm cá quá trinh diệt khuân, loại bỏ các chất hữu cơ tan ưons nước hay quá trình kết nia một s ô io n k i m l o ạ i t r o n s n ư ớ c . T u y n h iê n , ơ o n a n h i ề u t r ư ờ n s h ợ p c á c k h á i n iệ m đ ó lò n g 2 h é p . đ a n x e n n h a u v à đ ư ợ c h i è u c h i t iẽ t t ù y t h e o n g ừ c ả n h c ụ th è . 7.1.3. Tính nồng độ clor trong xử1lý nước Clor là chảt độc. vì vậy khi sử đựns phải tinh sò lượns đủ đè diệt khuân mà khòna hại cho neười. I 143
NƯỚC THIÊN NHIÊN, CÁC NGUYÊN LÝ LỌC VÀ lịHỬ TRỪNG NƯỚC Dưới đây là một thí dụ hướng dẫn cách tính lượng clor cần để khử khuẩn. Lượng clor dư trong nước cần giới hạn trong phạm vi 0,1 - 0,3 ppm (nồng độ an toàn). Trước tiên lấy một lít nước cần xử lý (A). Chọn một dung dịch có lượng clor biết trước (B). Trộn nước A và dung dịch B, nhận được dung dịch c . Clor trong c sẽ suy giảm do tương tác với các vi sinh vật hay chất hữu cơ có trong nước A. Đo lượng clor trong dung dịch c . Neu nồng độ clor trong c cỡ 0,1 - 0,3 ppm, dung dịch B là thích hợp (dung dịch B chứa lượng clor biết trước). Nếu trong B lượng clor ~ 0, dung dịch B quá loãng để diệt hết khuẩn trong A. Ngược lại, nếu lượng clor trong B > 0,3 ppm, clor trong B thừa và có hại. Bằng cách đó chọn được nồng độ dung dịch B (nồng độ hợp lý của clor) tính bàng g/ỉ hay g/m3. Lượng clor đủ để khử trùng một mẫu nước cụ thể gọi là lượng clor cần (Cl-demand, mg/ỉ) hay dung dịch chuẩn. Đấy chính là dung dịch clor sao cho sau khi xử lý nước, lượng clor còn dư lại ~0,1 - 0,3 ppm (lượng dư bằng không cũng không tốt, chứng tỏ không đủ clor để diệt khuẩn). Lấy chlorine - demand (dung dịch chuẩn, có nồng độ clor g/m 3 đã biết) nhân với lượng nước cần xử lý trong 1 giờ (m 3 /h)->lượng clor cần dùng trong một giờ (g/h) (lượng clor cần có trong 1 giờ để cho vào nước lưu lượng chảy là (X) m 3 /h. Số lượng dung dịch chuẩn cần trong 1 giờ (ỉ/h) = lượng clor trong một giờ (g/h) chia cho nồng độ clor chuẩn (g/ỉ) ->số lít dung dịch chuẩn cần có trong 1 giờ (//h). Như vậy đã tính được số lít dung dịch chuẩn (nước chứa clor) cần trong 1 giờ để xử lý số lít nước (nhiễm khuẩn) trong 1 giờ. 7.1.4. Cách trộn clor vào nước Trường hợp bể lọc cát chậm, clor được hòa vào nước đã lọc. Neu làm ngược lại, clor sẽ tiêu diệt lớp sinh học trong lớp lọc biofilm (lớp schutzdecke). 144 I
Chương 7 . CÁC PHƯƠNG PHÁP.. Trường hợp bể cát nhanh, clor được hòa vào sau quá trình kết bông và lăng đọng, tức là khi nước đã tương đối trong (trước khi lọc). Clor có thê cho vào nước từng đợt, định kỳ hay cho vào liên tục. Phương pháp khuếch tán cỉor: Hình 7.1. Khử trùng nước giếng bằng clor (bộtJavel)ởnông thôn Án Độ. Chất diệt khuẩn khuếch tán vào nước giếng từ từ, ít gây độc, mỗi tuần thay một làn. Hàng ngày dùng 10-20% nước trong giếng. Một cân bột NaOCl (soda hypochlorid, bột bleach) trộn đều với 1,5 ks cát thô (kích thước hạt cát -1,5 mm). Chuẩn bị một bình gốm. ưên thành bình đục vài lỗ nhỏ -1 0 mm. Hồn hợp cát - bleach được cho vào bình (1/2 thể tích) miệng bình bọc kín bàng ni lông. Bình nối với một sợi dây và thả xuống giếng nước, cách đáy khoan. 2 1 m. Nước sẽ vào bình, gặp bột Javel, tạo ra các axit và ion ocr có tác dụng diệt khuân. Các ion này khuêch tán từ từ vào nước giếng và kéo dài cà tuần. Sau đó rút bình lên và thay bột Javel. Việc đó tiến hành định kỳ hàng tuần hoặc I 145
NƯỚC THIÊN NHIÊN, CÁC NGUYÊN LÝ LỌC VÀ KHỬ TRÙNG NƯỚC 1 0ngày tày vào dung lượng nước giếng và lượng nước sừ dụng hàng ngày (thường 10 - 15% số nước giếng). Đây là phương pháp thủ công, đơn giản và khá an toàn vì nước Javen ngấm dần vào nước giêng, không gây độc. Nông thôn Án Độ hay sử dụng phương pháp này (hình 7.1). Clor (dạng khí hay dung dịch) cũng có thể bơm liên tục vào dòng nước chẩy vào các bể xử lý nước. Tốc độ bơm, nồng độ clor được tính toán để bảo đảm khả năng diệt khuẩn và không để lượng clor thừa quá liều lượng. Nồng độ clor dư trong nước giới hạn trong phạm vi < 0,2 ppm. 7.2. CÁC CHẤT DIỆT KHUẨN KHÁC Potasium Permanganat K M nO ị (thuốc tím): Đây là chất oxy hóa mạnh, sử dụng để khử khuẩn trong nước. Ngoài khuẩn, thuốc tím còn khừ và kết tủa Fe, Mn, khừ mùi trong nước. Nồng độ hợp lý là 1 -5 ppm. Bạc A g và các ion kim loại nặng khác: lon bạc nồng độ 0,03 - 0,04 ppm có khả năng diệt khuẩn, nấm, bào tử... tốt. Các ion Ag và kim loại nặng có hiệu ứng olio dynamic - hiệu ứng làm hạn chế khả năng trao đổi chất, hạn chế khả năng phát triển của tế bào. Các muối nitrat bạc được sử dụng cho mục tiêu này (cấp ion Ag +). 7.3. KHOÁNG HÓA CÁC HỢP CHẤT HỮU c ơ (NITRIFICATION VÀ DENITRIFICATION) Các họp chất hữu cơ có thể lọc được, đồng thời có thể xử lý bàng các phương pháp hóa - sinh. Nitơ trong nước thường ở dạng ammonia NH 3 (pH > 9,4) và ammonium NH4+ (pH < 9,4). Chúng là sản phẩm của sự phân hủy các chất hữu cơ: cây cỏ, các sinh vật. NH 3 có thể loại bỏ bằng cách sục không khí vào nước. Như trong mục 7.1.2 vừa nói ammonia gặp clor tạo thành cloramin CỈ2 + NH 3 (ammonia)->NH2Cl (cloramin) + c r + H+. 146 I
Chương 7 . CÁC pHƯƠNc PHÁP.. Sau đó clor tiếp tục phản ứng để tạo thành nitơ tự do: 2NH 2 C1 + C h -» N 2 + 4C1 + 4H+ Như vậy clor \òra có tác dụng nhừ khuẩn trong nước vòra có tác dụng loại các ammonia trong nước, biển chúng thành nitơ tự do. Quá trình phân hủy protein (protein là hợp chất hữu cơ chứa ít nhất 4 nguyên tố c, H, o và N), về nguyên lý xảy ra theo nhiều bước: Protein (C-H-0 -N)->ammonia NH3->(nitrit) NOị’ nitrat NO3 -»N 2 Í . Quá trinh đó aọi là quá trình vô cơ hóa chất hữu cơ hay khoáng hỏa protein, biến nitơ hữu cơ (protein) thành nitơ vô cơ thông qua các giai đoạn nitrit hóa và khừ nitrit hóa. Quá trình nitrat hóa (oxy hóa các ammonia): 2NHV + 3 0 2 -» N 0 2' +4B t + H2 0 , sau đó 2N 02'+ 0 2 -> 2 NO 3 ' Các sản phẩm oxit nitơ các loại cần cho cây cối, nhưna lại có hại cho con người và vật nuôi. Các ion NO 2 ' và NO 3 ' với nồng độ > 10 ppm đã ảnh hưởng tới sức khòe. Quá trình cần thiết tiếp theo là khử nitrat (denitrification), tức là biến các oxit nitric thành nitơ tự do. 4N 03* + 5 CH: OH (formandehyt) + 4H+ -» 2N 2 + 5 C 0 2 + 7H20 (sừ dụns formandehyt để khử nitrat). Như vậy bàns con đườna hóa - sinh học. có thê loại bò các hợp chât nitơ vô cơ và hữu cơ: Protein (C-H-O-N) ->N 2 T. 7.4. KHỬ TRÙNG BẰNG TIA cự c TÍM uv (ULTRAVIOLET) Ánh sáne phát ra từ Mặt Trời hay từ naọn nến, từ bóna đèn điện... được quan niệm là có tính chất sóng. Một tia sán® đi qua một khe hẹp sẽ tạo ra các quầns sáns - tối xen kẽ nhau siốnơ như khi một viên sòi rơi I 1 47
NƯỚC THIÊN NHIÊN, CÁC NGUYÊN LÝ LỌC VÂ KHỬ TRÙNG NƯỚC xuống nước tạo ra các vòng tròn lồi - lõm đan xen (mặt nước gọm sóng) (hình 7.2). Sóng nước hay sóng ánh sáng tuy có bản chất rất khác nhau, nhưng đều đặc trưng bởi bước sóng X (độ dài, mét) và số sóng V ( m số lượng sóng trong 1 mét). Quan hệ giữa chúng như sau: V = M \ . Hình 7.2. Ánh sáng có tính chất sóng và đặc trưng bởi độ dài bước sóng Ả tương tự như sóng trên mặt hò (phải). Màu của ánh sáng tương ứng với các bước sóng khác nhau, thí dụ ánh sáng đỏ có bước sóng dài, cỡ 600 nm, ánh sáng xanh ~ 500 nm, ánh sáng màu tím cỡ 400 nm. Ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn nữa gọi là ánh sáng cực tím hay từ ngoại (ultra - violet, ƯV, 150 - 380 nm). Ánh sáng có bước sóng dài hơn 600 nm: ánh sáng hồng ngoại (Infared). Ánh sáng trong vùng giữa tử ngoại và hồng ngoại là vùng ánh sáng mà mắt ta cảm nhận thấy. Tia hồng ngoại và tử ngoại là ánh sáng không nhìn thấy. Ánh sáng mặt trời có nhiều màu phát ra đồng thời, và tổng hợp thành ánh sáng trắng. Phơi nắng nhiều da bị “bỏng” là do các tia cực tím có trong ánh sáng mặt trời gây nên. Ánh sáng có năng lượng: làm nóng mọi vật khi nắng chiếu vào, tạo ra điện khi chiếu tia nắng lên tấm panel silicon... Trong vật lý, người ta biểu diễn năng lượng E của ánh sáng như sau: E = pC (C: tốc độ của photon còn gọi là quang từ hay “hạt ánh sáng” hay gọn hơn là tốc độ ánh sáng ~ 300.000 km/giây, p: momen động lượng của photon, p = h /l (h: hằng số Planck ~ 6 ,6 . 10 0 4 m 2 .kg/s). Cuối cùng có E = hC/A.. Như vậy, bước sóng X càng nhô, năng lượng của ánh sáng càng lớn, tia c ự c t ím u v c ó b ư ớ c s ó n g n h ỏ t ư ơ n g ứ n g v ớ i n ă n g lư ợ n g lớ n , v ì v ậ y c ó 148 I
Chương 7 . CÁC PHƯƠNG PHÁP- tác dụng diệt khuẩn, nói chung là làm hòng các tế bào sống, kể cà da của chúng ta khi phơi nấng quá nhiều. Hình 7.3. Phố ánh sáng mặt trời, vùng giữa là tia cực tím uv. Tia u v cũng gòm nhiều loợi: u v (A) có bước sóng dài nhất, năng lượng thấp nhất và ít có tác dụng sinh - hóa. Tia cực tím có tác dụng diệt khuẩn mạnh nhất là loọi UV(C) có bước sóng trong vùng 200 - 280 nm. Khả năng diệt khuẩn hiệu quả nhất của tia cực tím có bước sóng trong khoảng X ~ 250 - 270 nm (ƯV loại c , diệt khuẩn mạnh nhất), ƯV(B) (280 - 320 nm) cũng có khả năng diệt khuẩn, loại UV(A), 320 - 380 nm. ít khả năng diệt khuẩn (tất cả các tia ư v mắt nsười không nhìn thấy) (hình 7.3). Tia cực tím có ưong ánh sáng mặt ừời. trong tia sáng phát ra từ lửa que hàn, trong các loại đèn chuyên dụng gọi là đèn LTV. Trong đèn ƯV có hơi thủy ngân. (Các đèn điện thôns thường cũns có thành phần cực tím song cường độ rất nhỏ). Đèn tia cực tím 2 Ĩốna như đèn ống. tuy nhiên ưên thành ống không có (hoặc ít khi có) bột huỳnh quanơ. Bên trons đèn u v có một lượng nhỏ hơi thủy ngân và khí arson áp suất nhò. Hai điện cực của đèn ƯV nối với một nguồn cao áp (vài trăm, vài nghìn von). Các điện từ năne lượna cao bắn phá hơi thủy naân và các nauyên I 1 49
NƯỚC THIÊN NHIÊN, CÁC NGUYÊN LÝ LỌC VÀ KHỪ TRÙNG NƯỚC tử Ar, làm cho chúng bị kích thích. Khi các nguyên tử Ar và Hg ttở lại trạng thái bình thường, chúng phát ra tia cực tím. Nguyên tử Ar cũng bị kích thích bới tia cực tím phát ra từ Hg. Nước vào Hình 7.4. Đèn phát tia cực tím uv và sơ đò khử trùng nước bằng tia uv. Cường độ ~ 100 mWs/cm2 thời gian tiếp xúc 20 - 20 s. (1): cửa đế đo cường , độ tia uv, (2): cơ cấu trượt để lau sợch bề mặt đèn uv. Góc bên trái là ảnh một thiết bị khử trùng nước bồng tia uv. Nói về khái niệm “kích thích”: có thể hình dung như một vật vốn ở mặt đất bị làn gió mạnh hất tung lên cao, tức là bị “kích thích”, khi rơi xuống đất, rơi vào đâu, có thể phá hủy chỗ đó, tức là phát ra năng lượng khi chuyển từ trạng thái kích thích về rạng thái ban đầu (vật thể phát năng lượng c» học). Các nguyên từ Hg và Ar phát ra năng lượng quang học (ánh sáng). Tia cực tím phát ra từ hơi Hg và Ar đi qua vỏ đèn rọi ra ngoài. Vỏ đèn thường làm bàng thạch anh hoặc thủy tinh chuyên dụng vì chúng ít hấp thụ tia uv. Đèn uv phát ra tia tử ngoại uv với nhiều bước sóng khác nhau (dưới 400 nm). Tuy nhiên có một số cụm bước sóng có cường độ mạnh nhất. Cụ thể là bước sóng 253,7 nm và 184,9 nm thích hợp để diệt khuẩn trong nước và không khí. Cơ chế diệt khuẩn của tia ƯV thiên về phá hủy các đại phân tử gen, các DNA (deoxyribonucleic acid) của vi khuẩn làm cho chúng không phát triển, không sinh sản được. 1 50 I
Chưong 7- CÁC PHƯƠNG PHÁP.. Khả nàng diệt khuẩn của tia cực tím phụ thuộc vào liều lưọng của chúng. Liều lượng đo bàng đơn vị mW.s/cm 2 (W.T/S: công suất ánh sảng w (mill \vat) x thời sian phori sáng T (s, giây) /diện tích chiếu sáng s (cm2). Đại lượng này phụ thuộc vào công suất điện, hiệu suất phát u v của đèn. khoảng cách giữa đèn và đổi tượns cần khử trùng (nước), tốc độ nước, chiều dài của đèn). Trons xử lý nước, liều tối thiểu, theo nhiều tài liệu là 1 8 - 3 8 mWs/crrr. Thí dụ. độ giảm khuẩn là 1 log (90 %) khi liều lượng u v là 80 - 120 mWs/cm2, giảm 4 log (99,99%) khi liều lượng u v bàng 90 - 140 mWs/cm2. Đèn uv đặt trong đường ổng dần nước cần xử lý (nước chảy quanh thành ngoài của đèn. tiếp xúc trực tiểp với vỏ đèn), ông dẫn nước có đườna nước vào và ra. có lồ đo cườns độ tia ƯV, vỏ đèn ư v có lắp một vành gạt để aạt các chất bẩn bám vào làm giảm tác dụns của tia u v (hình 7.4). Những ưu điểm của phươns pháp diệt khuẩn bằns tia cực tím UV: Khòns làm thay đổi thành phần nước, không làm ảnh hường tới chất khoánơ có trons nước (clor có thể làm thay đổi thành phần một sổ chất hữu cơ trons nước). Khôns tạo ra các sản phẩm mới tro nơ nước. Không gây ảnh hườnơ khi 'Thừa" cường độ tia ƯV (clor. Na. K-hypochlorid dư thừa là có hại). Khôns có dư lượns. khôna gây mùi vị mói của nước. Loại bỏ được một số mùi vị cỏ trong nước. Khônơ cần bình chứa chất diệt khuẩn (nếu dùns hóa chat thì cần bình chứa). Thời gian tiếp xúc với nước ngấn. 1 0 - 3 0 giây (khi dùng các hóa chất cần nhiều phút). Nhược điểm: ƯV chi tác độns tức thời, vi khuẩn ưons nước có thể hồi phục. Tia ƯV ít tác dụng khi nước đục. khi nồns độ chất rắn hòa tan và lơ lửne lớn. Khoảng cách từ mặt nước tới đèn khoảna 15 mm. I 151
Chương 8 OZON VÀ ÚNG DỤNG A. CẤU TRÚC PHÂN TỬ VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA OZON 8.1. CẤU TRÚC PHÂN TỬ CỦA OZON Ozon là chất khí có mùi hắc (ozon tiếng Hy Lạp có nghĩa là “mùi”), có màu xanh nhẹ. Phân tử gam: 48 g/mol (3 X 16 = 48 g), mật độ 0,002144 g/cm3, điểm nóng chảy (chuyển trạng thái rắn->lỏng): -192°c, điển sôi (lỏng -> khí): -112°c. Công thức hóa học O 3 (phân tử ozon có 3 nguyên tử oxy). Các nguyên tử oxy bố trí không đối xứng, điều đó làm cho điện tích của chúng cũng không đối xứng, tạo thành momen lưỡng cực điện có giá trị 0,53 D (D: Debye, đơn vị đo momen lưỡng cực điện (hình 8 . 1 )). Hình 8.1. Phân tử ozon gồm 3 nguyên tử oxy, chúng bố trí không đối xứng, điều đó làm cho điện tích của chúng cũng không đối xứng, tợo thành momen lưỡng cực điện có giá trị 0,53 D (D: Debye, đơn vị đo momen lưỡng cực điện). 152 I
Chưcmg 8. OZON VÀ ỨNG DỤNG Cẩu trúc điện tử và phân từ Nguyên tử oxy có 8 điện từ phân bổ trên 2 phân lớp. Phân lớp gần hạt nhân có 2 điện tử (lớp có sổ lượng tử chinh n = 1 và số lượng từ quĩ đạo bằng 0 và được ký hiệu là s, trên phân lớp 1 s có 2 điện tử nên phân lớp này ký hiệu là: ls ). Phân lớp ngoài, xa hạt nhân, thườne gọi là lớp điện tử hóa trị có 6 điện từ (n = 2 ) được ký hiệu 2 s:p 4 (con số trên cao bên phải chi sổ điện tử). Theo thuyết nguyên tử lượng từ, với n = 2, tổng số điện tử cho phép tại lớp hóa trị là 8 (2s2 2p6) (hình 8.2). Theo thuyết nguyên tử Bohr, oxy chi có hai lớp điện tử: lớp trons (n = 1) có 2 điện tử và lớp ngoài, lớp hóa trị (n = 2) có 6 điện tử. Như vậy dù là theo mô hình nào thì nguyên tử oxy còn 2 vị tri trốn 2 trons lóp hóa trị nên có thể nhận thêm 2 điện tử nữa cho đủ 8 vì vậy hai nsuyên từ oxy chung nhau 2 cặp điện tử để mồi nsuyên từ đều có đủ 8 điện tử (hình 8.3). Hình 8.2. Câu trúc điện tử của nguyền tử oxy. Theo mô hình lượng tử (trái), lớp trong cùng (ls 2) có đủ 2 điện tử, lớp ngoài với n = 2 tách làm hai phân lớp sớt nhau: 2s2 (2 điện tử) và 2p4 (4 điện tử). Lớp 2p4 cho phép có 6 điện tử, vì vậy thiếu 2 điện tử. Theo mô hình Bohr (phải) 2 lớp ngoài với n=2 nhập làm một (6 điện tử) và cũng thiếu 2 điện tử. Vì vậy oxy có thể tiếp nhộn 2 điện tử. Chất có khả nâng nhận điện tử là chất oxy hóa. Do thiếu điện tử lớp naoài. các neuyên tử oxy kêt hợp với nhau đẽ dùng chuna điện tử của nhau (cho đủ 8 điện tử hai lớp ngoài) và tạo thành phàn tử oxy Ơ 2 bền vùn 2 hơn với năns lượng thấp hơn. Liên kết như vậv có tên là liên kết đồng hóa trị (sử dụng chung các điện tử hóa trị) I 153
NƯỚC THIÊN NHIÊN, CÁC NGUYÊN LÝ LỌC VÀ KHỬ TRÙNC NƯỚC (hình 8.3a). Trong tự nhiên, oxy tồn tại dưới dạng Ơ2 - Tuy nhiên nếu cấp năng lượng cho oxy, phân tò oxy có thể bị phân ly thành các nguyên tò Oi, nguyên tử đom oxy này tái kết hợp với các phân tử oxy O2 tạo thành phân tử ozon: O 3 . Trong tự nhiên, ozon hình thành ở tầng bình lưu (ở độ cao 25 - 30 km cao hom mặt biển, hình 8.15) dưới tác động của tia năng lượng cao là tia cực tím ƯV (Ultra Violet, một thành phần của ánh sáng mặt trời). Trong khí quyển gần mặt đất, dưới tác động của các tia sét (phóng điện, nhiệt độ cao) oxy cũng biến thành ozon. Cả hai nguyên lý tự nhiên đó được con người sử dụng để tạo ra ozon nhân tạo trong các thiết bị phát ra khí ozon. Hình 8.3. Câu trúc phân tử oxy 0 2 (a) và ozon 03(b). Hai lớp ngoài cùng (2s2 +2p4 , 6 điện tử) cùng dùng chung 2 điện tử của nguyên tử khác (2 cặp điện tử), vậy lớp này có đủ 8 điện tử. Ký hiệu vọch nối 'ẻ , -“ • •• "=" chỉ một đôi hoặc hai đôi điện tử. •• Phân tử oỉon gòm 3 nguyên tử, hai nguyên tử nối với nhau bàng hai cộp điện tử, còn nguyên tử oxy thứ ba nối với 0 2 bằng một cặp. Như vậy nguyên tử thứ ba liên kết lỏng lẻo với 0 2 và vì vậy ozon dễ b % ể : • trở về trọng thái bền 0 3 -ỳ 0 2. Phân tử ozon gồm 3 nguyên tử oxy, chúng liên kết với nhau theo cách trao đổi, dùng chung đôi điện từ (đồng hóa trị) sao cho mỗi nguyên tử có đủ 8 điện tử vành ngoài (đúng hom là 6 điện tử trong phân lớp 2 p4). Tuy nhiên chúng liên kết không hoàn toàn như nhau: hai nguyên tử oxy liên kết với nhau giống như phân tử 0 2 (hình 3.8a). Nguyên tử thứ ba dùng chung hai điện tử của các nguyên tử oxy (hình 8.3b). Như vậy cà 3 nguyên tử đều có đủ 8 điện tử, tuy nhiên hai nguyên tử liên kết bàng 2 cặp điện tử nguyên tử thứ ba liên kết bàng một căp Như vậy nguyên tử thứ ba liên kết lỏng lẻo trong phân tử O 3 và đấy là lý do vì sao 0 3 không bền vững và tái hợp thành oxy thông thường 0 2. 154 I
Chưcmg 8. OZON VÀ ỨNG DỤNG 8.2. Sự HÌNH THÀNH OZON TRONG THIÊN NHIÊN, CHU TRÌNH O XY-O ZO N Các nguyên tử đều có một năng lượng nhất định Eo (động năng, thế năng của các điện tử trong điện trường hạt nhân...). Nguyên tử oxy cũng vậy, nếu có hai nguyên tử oxy rời rạc nhau, chúng cỏ năng lượng là 2E(Oi), tuy nhiên khi chúng liên kết với nhau thành phân tử Ơ 2 thì năng lượng của chúng giảm đi ( 0 2 ) < 2 E ( 0 ,) = E ( 0 1 + E (0 i) ) Đấy là lý do vì sao một số nsuyên từ thường kết hợp với nhau tạo thành phân tử (O 2 , H 2 , N ị...)- Năng lượng liên kết của phân tử oxy là 497 kJ/m oỊ của phân từ nitơ là 950 kJ/mol (1 mol khí oxy bàng 36 g, khí nitơ bàng 28 g. Một kJ (kiloJoule) ~ 0,27 W-h, 1 kJ~ 1/4 gam thuổc nổTNT). Để tạo ra khí ozon, tnrớc hết phài “phá hủy” liên kết của phân tử oxy O2 . tạo ra oxy nguyên tử Oi theo sơ đồ: Hình 8.4. Các phân tử oxy (O2, bèn vững) bị tia cực tỉm hoặc tia sét phá hủy (cấp năng lượng để tự phá hủy) tợo thành oxy nguyên tử Oh nguyên tử oxy kết hợp với phân tử oxy 0 2 tọo thành phân tử ozon 03 (kém bèn vững). 0 2 +hc/Ả -ỳ 2 0 h 0 2 + 0 : f--> 0 3 ■(E=hc/Ả: nõng lượng của ánh sáng). I 155
NƯỚC THIÊN NHIÊN, CÁC NGUYÊN LÝ LỌC VÀ KHỬ TRÙNc NƯỚC O2 + năng lượng (497kJ/mol) -ỳ Oi và sau đó: Oi + O 2 -^ 0 3 . Năng lượng để phá hủy phân tử oxy trên tầng bình lưu (ít nhất là 497 kJ cho 1 mol oxy) lấy từ năng lượng tia cực tím E(UV) = hcík (h: hằng số Planck, X: bước sóng tia u v ~ 200 nm, c: tốc độ ánh sáng) (hình 8.4). Trong các máy phát ozon, năng lượng của môi trường phóng điện hào quang (corona), plasma cấp cho phân tử oxy để biến chúng thành nguyên tò oxy và sau đó kết hợp lại thành phân tử ozon. Ozon cũng có thể tạo ra bằng cách chiếu tia cực tím ƯV nhân tạo vào oxy tương tự như quá trình xảy ra trên tầng bình lưu. Ozon được hình thành khi O2 kết hợp với O i: O2 +Oi->Ơ 3. Năng lượng của O3 nhỏ hơn tổng năng lượng của O2 và Oi, nhưng cao hơn năng lượng của O2 , vì vậy nếu được kích thích 0 3 - > 0 2 + Oi và 2 0 1 - > 0 2 tức là hệ trở về trạng thái có năng lượng nhỏ nhất tương tự như nước dù được bơm lên cao, rồi cuối cùng cũng phải chẩy về chồ trũng (hình 8.5). Đấy chính là chu trình oxy - ozon trong tự nhiên (hình 8 .6 ). Hình 8.5. Phân tử ozon 0 3 không bền vững (nâng lượng của hệ lớn, nguyên tử thứ ba liền kết lỏng lẻo với hai nguyên tử kia), vì vậy ozon dễ bị phân hủy thành 0 2 và Oh Oị lợi liên kết với nhau tợo thành 0 2 (quá trình này cũng cần nâng lượng kích hoợt lấy từ năng lượng tiaUV(B): 20 ị + UV(B) 20z + 2 01->302 Như vậy ozon hấp thụ tia cực tím UV(B), hợn chế đáng kể tia nguy hiểm này truyền tới mọt đất. 156 I
Chương 8. OZON VẢ ỨNG DỤNG Hình 8.6. Chu trình oxy-ozon được thực hiện trên tầng bình lưu bằng cách oxy nhận năng lượng của tia cực tím UV(C) để tạo thành 0 3 và 0 3 nhận năng lượng UV(B) (hấp thụ tia UV) để kích thích 0 3-> Oỉ -ỳ 0 2. Năng lượng của tia u v bằng E= hc/Ầ (h: hằng số Planck, A: bước sóng của tia cực tím). Tia UV(C) bị oxy và nitơ hấp thụ hoàn toàn trong khí quyển, tia UV(B )(có hợi) bị ozon hấp thụ gan hết, lượng UV(C) xuống tới mặt đất ít đi nhiều. 8.3. CÁC TÍNH CHẤT Nổl BẬT CỦA OZON 8.3.1. Oxy hóa Ozon (O 3 ) là chất khí có mầu xanh nhẹ, có mùi hăns khỏ chịu. Nhiều người có thể nhận biết được mùi của ozon trona khôns khí với nồng độ rất thấp. -1 0 ppb (mười phần tỳ). Trons tự nhiên ozon hình thành tronơ khí quvèn từ phàn tử oxy dưới tác độns của tia cực tím (tia u v , có năna lượns cao và có trons thành phần của ánh sána mặt ười). Ozon là chất oxy hóa mạnh thứ hai sau flour. The O XV hóa khử của ozon là 2.05 V (flour: 2.87 V; oxy: 1,23 V; clor: 1.36 V...). Vì vậy ozon dễ nhận điện tử và oxv hóa các hợp chất, biến đòi cấu trúc phàn tử và làm thay đôi tinh chất của chúns. 8.3.2. Độ hòa tan trong nước Ozon hòa tan ơong nước nhiều hơn so với O XY nhưna kém hơn so với clor. Độ hòa tan của O 3 trons nước phụ thuộc vào nhiệt độ nước và phụ I 157
. NƯỚC THIÊN NHIÊN, CÁC NGUYÊN LÝ LỌC VÀ KHỬ TRÙNG NƯỚC thuộc vào nồng'độ của khí ozon sục vào nước (hình 8.7 và bảng 8.1). Có thể tham khảo các con số sau: độ hòa tan của ozon (khi sục khí ozon có nồng độ 100%) trong nước tại 0°C: 1050 mg/ỉ (nguồn: Wikipedia), 640 mg/ỉ (nguồn: Ozone Solutions), 570 mg/ỉ (Kinman) và tại 25°C: ozon trong nước là 109 mg/ỉ, oxy tan trong nước 8 mg/ỉ (điều kiện chuẩn). Nồng độ ozon hợp lý trong khử khuẩn nước cỡ 0,2 - 10 ppm (mg//), đôi khi đến 30 ppm. Hình 8.7. Độ hòa tan của khí Nong đọ ° 3 tronenước ozon trong nước phụ thuộc vào (i) nhiệt độ nước và (ii) nòng độ khí ozon sục vào nước (g/m3 Thí dụ tại 0°c, ). nếu sục khí ozon có nòng độ 260 g/m 3 vào nước, nồng độ ozon trong nước là ~ 1 2 0 mg/l, nếu nòng độ khí ozon là 25 g/m3 nòng độ ozon , trong nước giảm ~ 6 lần, đọt ~20 mg/l (sơ đò bán định lượng). Trên thực tế, ozon dùng để trộn vào nước có nồng độ thấp, cỡ vài % (máy ozon dùng khí đầu vào là không khí chỉ tạo ra ozon nồng độ 1 - 3%, nếu dùng oxy sạch > 90%, nồng độ ozon có thể đạt 6 %, nếu dùng tia cực tím UV: nồng độ ozon chỉ bằng 0,5%), vì vậy, nồng độ ozon trong nước thấp hơn các giá trị cỡ 1 0 0 - 1 . 0 0 0 ppm nhiều (khi dùng ozon có nồng độ 1 0 0 %) và phụ thuộc vào nồng độ khí ozon sục vào. Đồ thị hình 8.7 cho biết nồng độ ozon trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ nước và vào nồng độ khí ozon đưa vào nước. Bảng 8.1 cho biết các nồng độ ozon trong nước khi sục khí ozon 1 - 3 % (thực tế các máy ozon chỉ tạo ra được nồng độ O3 cao n hất đến 6 % ). Thời gian bán phân hủy (thời gian sổng): Ozon là chất khí kém bền vững, vì vậy chúng thường phân hủy (tự phân hủy hay khi được kích 158 I
Chưong 8. OZON VÀ ỨNG DỤNG hoạt) để trờ lại thành oxy (xem hình 8.5). Tính chất đó của ozon được đặc tnm e bời thời gian bán phân hủy (thời gian để 1 / 2 lượng ozon tái hợp thành oxy). Thời gian bán phân hùy của ozon phụ thuộc manh vào nhiệt độ. Bảns 8 . 2 cho biết thời ơian bán phán hủy của ozon trong môi trường khi và nước theo nhiệt độ. Ozon trona nước phán hủy nhanh hơn trong không khí. Tại nhiệt độ ~350°c, khí ozon phân hùy dườne như tức thời. Như vậy khác với các chất khử khuẩn khác luôn còn dư lại trong nước. ozon sau khi diệt khuẩn, tái hợp thành oxy. số liệu trong bảng 8 . 2 chi thời gian phản hủy do tác độns của năns lượna nhiệt. Ozon trong nước cất (sạch) tồn tại 20 phút (20°C). nhưng cũng tại nhiệt độ đó. O; chi tồn tại vài phút trons nước bẳn do ozon bị tiêu hao để oxy hỏa các tạp chất đó. Bàng 8.1. Nòng độ ozon trong nước (mg/l hay ppm) phụ thuộc vào nhiệt độ nước (°C) và nòng độ khí ozon sục vào nước (%) Nồng độ o:on Nồng độ O 11 trong nước (mg/ì, ppm) ZO tronạ không khi tại các nhiệt độ nước dùtìơ đê sục vào 5°c 10 °c 15°c 2 0 °c nước (%) 1.5 (%) 11 9,7 8.4 6,4 (ma//, ppm) 2% 14.8 13 1 1 ,2 8.6 3% 2 2 19.3 16.8 1 2 .8 Mật độ không khi tại mực nước biến 1 .2 0 0 g m s, mật độ khi ozon là 2.144 g m'\ 3% (thế ríchỊ - 64 g O3 , - 5 % (trọng ỉượìig). 3% thế rích - 64 g oion 771'. 8.4. OZON VÀ AN TOÀN sứ c KHỎE Vấn đề liều lượns là quan ơọns nhất khi sử dụns các hóa chat, các chất tẩv. các chât diệt khuân và các loại thuốc chừa bệnh, thực phàm chức năna và cả thực phàm dims hànơ ngày... Ozon là chất oxv hóa mạnh, có I 159