Hóa Học Môi Trường Nước: Tổng Quan và Ứng Dụng

Hóa học môi trường nước (Water Chemistry)

Nội dung của chương 2 1. Cơ bản về Hóa học nước

•

Số lượng và chất lượng nước, tính chất của nước Thành phần của nước: Hóa học và sinh học

• • Chuyển hóa hóa học – sinh học trong môi

2. Ô nhiễm môi trường nước

trường nước

– Nguồn gây ô nhiễm – Tác nhân (các chất) gây ô nhiễm – Các thông số đánh giá ô nhiễm nước – Chỉ tiêu chất lượng nước – Phát tán các chất ô nhiễm trong nước

Cơ bản về hóa học nước

Chu trình nước

4 Water cycle song

Tài nguyên nước của trái đất

• > 70% vỏ trái đất bao phủ bởi nước • 97.5% : nước mặn, chỉ 2.5% là nước ngọt • Gần 70% lượng nước ngọt này đóng băng ở các

vùng cực. – Phần lớn lượng nước còn lại hiện diện dạng độ ẩm trong đất, hoặc nằm trong tầng nước ngầm sâu mà con người không thể tiếp cận để dùng làm nước cấp.

• Chỉ < 1% của lượng nước ngọt trên thế giới

tuyết

(~0.007% của tổng lượng nước trên trái đất) là có thể dùng trực tiếp cho nhu cầu của con người. – Ao hồ, sông, nguồn nước ngầm. – Chỉ luợng nước này được thay mới đều đặn do mưa và

Khả năng được tiếp cận với nước uống an toàn không giống nhau trên toàn thế giới

Nước là thành phần quan trọng trong cơ thể của chúng ta, và sự tồn tại của chúng ta phụ thuộc vào nước trong tự nhiên

Trong môi trường:

• Nước có thể vận chuyển chất độc hại ra, vào và bên trong cơ thể sinh vật

• Các chất hòa tan trong nước, chẳng hạn như một số loại thuốc trừ sâu, ion chì, ion thủy ngân, có thể bị phát tán rộng rãi

• Nước có thể giảm nồng độ các chất ô nhiễm đến mức an toàn bằng cách pha loãng, hoặc đem chúng đi khỏi ( hoặc cả 2)

• Nước mưa có thể mang các chất, bao gồm cả các chất gây nên mưa acid, từ khí quyển xuống trái đất

Tính chất hóa học của nước • Độ phân cực • Khuynh hướng tạo liên kết hydro • Hydrat hóa ion kim loại

Sự khác biệt về độ âm diện của các nguyên tố trong liên kết tạo ra một liên kết phân cực

Điện tích riêng phần do sự phân cực của liên kết

Liên kết phân cực cho phép liên kết hydro xảy ra

Liên kết hydro là một liên kết tĩnh điện của các nguyên tử hydro trong một hợp chất của hydro với một nguyên tố có độ âm điện lớn: O, N, F

Liên kết hydro làm cho nước ở dạng lỏng, trong khi H2S ở dạng khí. Điều tương tự cũng xẩy ra với HF và HCl

Tính chất của khối nước (bodies of water)

• Khối nước bao gồm:

– Nước mặt: sông, suối, hồ,… – Đất ngập nước (Wetland): Là vùng đất ngập nước mức độ

cạn đủ để thực vật có rễ đáy phát triển.

– Cửa sông: là chỗ sông đổ ra biển. Ở đây có sự pha trộn giữa nước mặn và nước ngọt (nuớc lợ), tạo nên các tính chất hóa và sinh rất đặc biệt

– Biển

• Điều kiện vật lý của khối nước ảnh hưởng rất lớn đến các quá trình hóa học và sinh học xảy ra trong nước

• Trong các khối nước không có dòng chảy (hồ), mối

quan hệ nhiệt độ - tỷ trọng tạo nên sự phân biệt thành các lớp rất riêng biệt trong đó

Sự phân lớp của nước hồ

Lớp bề mặt (Epilimnion): 50 - 500μm. Xảy ra sự cân bằng động giữa không khí và nước.

Lớp chính (dị biệt nhiệt- Thermocline): có thể phân chia theo sự phân bố nhiệt độ.

Lớp trên: chịu ảnh hưởng của tia

sáng mặt trời, ở đây xảy ra phần lớn các hoạt động sinh học.

Lớp dưới: ít chịu ảnh hưởng của

Lớp đáy (Hypolimnion): nơi xảy ra các phản ứng trao đổi giữa trầm tích và nước, quá trình sinh học phân hủy các hợp chất hữu cơ tiêu thụ oxi hòa tan, kết quả là hàm lượng oxi giảm, quá trình yếm khí tăng và xảy ra các quá trình khử

tia sáng mặt trời nên có nhiệt độ thấp hơn.

Thành phần của nước tự nhiên

H/C vô cơ

Các khí hòa tan

H/C hữu cơ

nước mặn;

Nước tự nhiên

– nước giàu hoặc nghèo

dinh dưỡng;

VSV

– nước cứng hoặc mềm; – nước bị ô nhiễm nặng

Chất rắn lơ lửng

hoặc nhẹ...

• Sự phân bố các chất hòa tan và các thành phần khác trong nước quyết định bản chất của nước tự nhiên – nước ngọt, nước lợ,

Thành phần sinh học trong nước tự nhiên

• Vi khuẩn

• Virus

• Nấm

• Tảo

• ĐV nguyên sinh

• ĐV đa bào

• ĐV có xương sống,…

Giới thiệu về hóa học nước

• Để hiểu về ô nhiễm nước, cần phải hiểu rõ giá trị của các hiện tượng hóa học xảy ra trong nước

• Một số hiện tượng hóa học xảy ra trong nước

như: – Sự hòa tan trong nước – Phản ứng acid-base – Phản ứng oxi hóa – khử – Tương tác pha (giữa nước và các pha khác) – Hiện tượng tạo phức

(1)

Các quá trình hóa học nước chính

(2)

Chelation

(3)

(4)

(6)

(5)

(7)

-), từ đó chuyển hóa ion HCO3

Các quá trình sinh học đóng vai trò rất quan trọng trong hóa học nước. VD sự quang hợp của tảo có thể làm tăng pH của nước bằng cách tiêu thụ - thành ion CO2 (CO2 trong nước là HCO3 2-; ion này sẽ phản ứng với Ca2+ trong nước tạo thành CaCO3 kết tủa. CO3

Sự hoà tan trong nước - Các khí hòa tan

• Hầu hết các khí thường gặp trong môi trường đều có

thể hòa tan trong nước, trừ metan

• Độ hòa tan của khí trong nước được tính theo Định

“Độ hòa tan của khí trong nước tỷ lệ với áp suất riêng phần của khí đó tiếp xúc với chất lỏng”

Luật Henry’s

Caq = KHp

• Độ hòa tan của khí phụ thuộc vào nhiệt độ của nước

• 2 khí hòa tan quan trọng: Oxy và CO2

Oxi hòa tan

• Tính nồng độ oxi hòa tan trong nước bão hòa với không khí ở áp suất 1atm và 25°C. Biết áp suất riêng phần của nước ở 25°C là 0.0313 atm. Không khí khô (dry air) chứa 20.95% thể tích oxi

Độ acid của nước

• pH

(cid:190) pH được dùng để đo nồng độ của dd acid hoặc base. pH được đo bằng nồng độ H+ trong dd, pOH đo bằng nồng độ OH-

(cid:190) pH + pOH = 14

• Dung dịch đệm: là dung dịch có chứa các chất có khả năng chống lại sự thay đổi pH VD: Hệ Na2HPO4 và KH2PO4 (cid:190) Nếu H+ được thêm vào : HPO4 (cid:190) Nếu OH- được thêm vào : H2PO4

2- + H+ (cid:198) H2PO4 - - (cid:198) H+ + HPO4 2-

Độ acid của nước (tt)

-: vừa là acid, vừa là base

• Nước, HCO3

2- + H+

- ↔ CO3

HCO3

- + H+ ↔ CO2(aq) + H2O

• Độ acid: là khả năng nước trung hòa ion OH-

HCO3

H2PO4

-, H2S, proteins, acid béo,…

– Nước ô nhiễm: HCl, H2SO4,…

• Độ kiềm: là khả năng nước trung hòa ion H+

– Nước tự nhiên: Do sự hiện diện của các acid yếu: CO2,

CO2 hòa tan • CO2 ← quá trình hấp phụ bề mặt (kk ↔ nước) • CO2 ← quá trình hô hấp của các sinh vật sống trong nước và từ quá trình phân hủy chất hữu cơ, nhất là trong mt nước ô nhiễm

• Nồng độ CO2 hòa tan trong nước → độ kiềm, độ axit,

khả năng xâm thực, quá trình quang hợp,…

• Khi nước đi qua tầng đá vôi, CO2 sẽ được lọc và

chuyển hóa thành bicacbonat

CO2 + CaCO3 + H2O (cid:198) Ca2+ + 2HCO3 -

Hệ CO2 - HCO3

2- trong nước - - CO3

Ví dụ

Tính pH của nước trong điều kiện cân bằng với khí quyển không ô nhiễm ở 25oC

Biết

– nồng độ CO2 trong khí quyển là 350 ppm

(0.0350%) trong không khí khô.

– Ở 25°C, nước cân bằng với khí quyển không ô nhiễm chứa 350 ppm CO2 có nồng độ CO2 hòa tan là 1.146 × 10-5 M

- được tính từ Ka1

Nồng độ H+ và HCO3

Tầm quan trọng của việc xác định độ axit gây ra bởi CO2 và các axit vô cơ

• Nguồn nước mang tính axit ↔ đặc điểm ăn mòn và kinh phí cho việc kiểm soát và loại bỏ nguồn gây ăn mòn vật liệu.

• Nhân tố ăn mòn trong nước mặt: phổ biến là CO2, trong

công nghiệp là các axit vô cơ.

• Xử lý nước thải bằng pp sinh học, pH = 6 – 9,5.

• Trong lĩnh vực cấp nước, việc xác định độ axit → quyết định phương pháp xử lý, loại và lượng hóa chất sử dụng.

• Nước thải công nghiệp có chứa các axit vô cơ, trước khi thải ra sông, đường ống hoặc các quá trình xử lý sinh học tiếp theo cần phải được xử lý đến giá trị pH thích hợp.

Độ kiềm

• Đinh nghĩa: Độ kiềm là khả năng của nước

nhận ion H+ (proton) • Ý nghĩa của độ kiềm

– Độ kiềm → tính lượng hoá chất cho vào trong xử

lý

– Độ kiềm cao đồng nghĩa với pH cao, và nước

thường chứa một hàm lượng gia tăng các chất rắn hoà tan, không thích hợp dùng trong sản xuất và nước cấp

– Độ kiềm còn được xem là khả năng đệm của

nước

– Độ kiềm còn được xem là độ màu mỡ của nước

Độ kiềm (tt)

2-,

-, CO3

• Các chất chính gây ra độ kiềm: HCO3

OH- (độ kiềm bicarbonate, độ kiềm carbonate và độ kiềm hydroxit)

• Một phần nhỏ độ kiềm gây ra do ammonia và

, CO3

muối của các acid yếu như phosphoric, silicic, boric và các acid hữu cơ

2-]+ [OH-]- [H+]

• Phương trình tính độ kiềm trong mt chỉ chứa HCO3 , OH- là tác nhân gây ra độ kiềm:

-]+ 2[CO3

[alk] = [HCO3

Một vài lưu ý

1. Cần phân biệt giữa tính base (basicity) và độ kiềm

- 0.1M

(alkalinity) – Basicity : Hiển thị bằng sự gia tăng pH – Alkalinity : Hiển thị bằng sự gia tăng khả năng nhận H+

– Dd 0.001M NaOH: pH = 11; 1 liter dd có khả năng trung hoà

-: pH = 5.66; 1 liter dd có khả năng trung hoà

0.001 mol acid – Dd 0.1M HCO3

0.1 mol acid (gấp 100 lần dd trên NaOH 0.001M)

VD: dd NaOH 0.001M và HCO3

2. Đơn vị của độ kiềm: equivalent/L (eq/L) (số mole H+

trung hoà bởi độ kiềm trong 1 liter dd)

2- trong nước

- - CO3

Các tác nhân gây ra độ kiềm phụ thuộc vào pH • Xem lại Hệ CO2 - HCO3 • Kết hợp với công thức tính độ kiềm:

2-]+ [OH-]

[alk] = [HCO3

-]+ 2[CO3

• Tính nồng độ của các ion HCO3

-, CO3

2- và OH- với cùng một độ kiềm và ở 2 giá trị pH (pH 7 và pH 10) trong nước tự nhiên?

Cho biết: độ kiềm của nước tự nhiên

[alk] = 0.001 (eq/L)

Các ion kim loại trong nước

• Các ion kim loại (Mn+): tạo liên kết hoặc kết hợp với các

chất khác để đạt trạng thái bền vững

• Thường tồn tại dưới dạng hydrat hoá M(H2O)x • Gia tăng tối đa trạng thái ổn định của chúng thông qua các

phản ứng acid - base

Nhường H+ (cid:198) acids

Ion kim loại qua các phản ứng này chuyển hoá thành các dạng bền vững hơn

CO2 hoà tan và CaCO3 trong nước

Hằng số tan của CaCO3

Hoá học nước tự nhiên cân bằng với CO2 khí quyển và CaCO3

Độ cứng của nước • Độ cứng là tổng [Ca2+] và [Mg2+] được biểu thị dưới

dạng mg/l của CaCO3 trong dung dịch.

Phân loại độ cứng trong nước • Theo các ion KL: Độ cứng Ca và độ cứng Mg

– Canxi và Magnesium là nguồn chủ yếu gây nên độ cứng trong

nước tự nhiên

– Tổng độ cứng = Độ cứng Ca + Độ cứng Mg

• Theo các anion lk với KL: độ cứng Cacbonat và

độ cứng non-cacbonat

• Độ kiềm carbonat và bicarbonat hiện diện trong

nước được xem là độ cứng carbonat.

Độ cứng của nước (tt) • Độ cứng carbonat (độ cứng tạm thời - temporary hardness), vì có thể loại bỏ bằng quá trình đun

-…

2-, NO3

Độ cứng Non - carbonat = Tổng độ cứng - Độ cứng carbonat

• Độ cứng vĩnh cửu (non - carbonat): được gây ra bởi các ion khác carbonat và bicarbonat, không thể loại bỏ hay lắng chúng bằng đun sôi. Các ion gây nên độ cứng noncarbonat thường là Cl-, SO4