Bài giảng Hoá học trong kỹ thuật và khoa học môi trường: Chương 2 - TS. Võ Nguyễn Xuân Quế

Bài giảng Hoá học trong kỹ thuật và khoa học môi trường: Chương 2 Thành phần vô cơ trong nước tự nhiên, cung cấp cho người học những kiến thức như Thành phần chất hòa tan và lơ lững trong nước tự nhiên; Nguồn gốc của các thành phần hòa tan và lơ lững trong nước tự nhiên; Mối liên hệ giữa chu trình tuần hoàn nước tự nhiên và thành phần hóa học trong nước; Phương pháp phân tích thành phần vô cơ trong nước.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Hoá học trong kỹ thuật và khoa học môi trường: Chương 2 - TS. Võ Nguyễn Xuân Quế CHƯƠNG 2:THÀNH PHẦN VÔ CƠ TRONG NƯỚC TỰ NHIÊN TS. Võ Nguyễn Xuân Quế NỘI DUNG1. Thành phần chất hòa tan và lơ lững trong nước tự nhiên2. Nguồn gốc của các thành phần hòa tan và lơ lững trong nước tự nhiên3. Mối liên hệ giữa chu trình tuần hoàn nước tự nhiên và thành phần hóa học trong nước4. Phương pháp phân tích thành phần vô cơ trong nước THÀNH PHẦN NGUYÊN TỐ TRONG NƯỚC Hầu hết các nguyên tố tồn tại trong nước dưới dạng nhiều dạng hóa học khác nhau (ion hoặc phân tử) 1. 9 nguyên tố đa lượng trong nước tự nhiên: H, O, Na, Mg, K, Ca, Si, S, Cl 2. 4 nguyên tố phổ biến trong nước ngọt nhưng thường có ở nồng độ THÀNH PHẦN NGUYÊN TỐ TRONG NƯỚC Các thông số hóa lý phổ biến dùng để mô tả chất lượng nước bao gồm: 1. Độ màu 2. Độ dẫn điện 3. Hàm lượng chất rắn hòa tan/lơ lững 4. Nhiệt độ 5. Độ trong/ độ đục 6. Khả năng keo tụ/tạo bông (độ kiềm, BOD, COD, DOC/TOC, DIC, độ cứng) 7. Khí hòa tan (O2, N2, CO2) 8. Dinh dưỡng (NH4+, NO3-, DON, TON, PO43-, HPO42-, H2PO4-, TP, Silica (Si(OH)4) 9. Chất ô nhiễm (kim loại nặng, chất hữu cơ khó phân hủy, …)THÀNH PHẦN VÔ CƠ TRONG NƯỚC TỰ NHIÊN Thành phần vô cơ chính trong nguồn nước ngọt tự nhiên, chiếm 95 - 99% tổng hàm lượng chất vô vơ hòa tan ở điều kiện pH tự nhiên, gồm có: 1. Các ion Ca2+, Mg2+, Na+, K+, HCO3-, SO42−, Cl− 2. Silica (Si(OH)4 Mức phân bố của mỗi ion trong tổng hàm lượng chất hòa tan trong nước phụ thuộc vào điều kiện địa hóa cụ thể, tuân theo các xu hướng chung như sau: 1. Mức phân bố trong nước tự nhiên tuân theo thứ tự sắp xếp phổ biến sau: [Ca2+] > [Mg2+] > [Na+] > [K+] 1. Cl− thường có nồng độ thấp trong nguồn nước ở sâu trong lục địa với điều kiện khí hậu ẩm ướt 2. Thứ tự trên không áp dụng đối với các nguồn nước có cường độ ion cao (nước lợ và nước mặn): [Na+] > [M2+], đặc biệt là Ca2+; [Cl-] cao trong nước lợ và nước mặn cũng vì lý do tương tự. 3. Không thể xác định quy luật phân phối của thành phần trong nước tự nhiên có cường độ ion thấp, thường hiện diện ở những vùng đất nghèo dinh dưỡng với thành phần đá granit có tốc độ phong hóa chậm.THÀNH PHẦN VÔ CƠ TRONG NƯỚC TỰ NHIÊNPhản ứng hóa học của các thành phần chính Phản ứng loại độ cứng của nước: Mg2+ + OH- = Mg(OH)2(rắn) Ca2+ + OH- = Ca(OH)2(rắn) Tỷ lệ [Na+] : [Ca2+] + [Mg2+] cao trong dung dịch đất gây ra hiện tượng đất bị chai cứng (sodification) K+ có xu hướng hấp phụ mạnh trên bề mặt hạt đất (đặc biệt đất sét), vì vậy trong nước ngọt [K+] thấp Phản ứng tạo phức giữa Ca2+ và Mg2+ với các phối tử vô cơ và hữu cơ: Mg2+ + nL- = Mg(L) n(2-n) Ca2+ + nL- = Ca(L) n(2-n)THÀNH PHẦN VÔ CƠ TRONG NƯỚC TỰ NHIÊNPhản ứng hóa học của các thành phần chính HCO3- là dạng hóa học tồn tại chủ yếu ở điều kiện pH tự nhiên, có khả năng tham gia nhiều phản ứng hóa học, bao gồm: axit-bazơ, hòa tan, tạo phức và phản ứng oxy hóa khử trong nước tự nhiên (hệ cacbonat). Do đó, quyết định khả năng đệm pH và độ kiềm (khả năng trung hòa axit) của nước tự nhiên. KH Ka1 Ka2 CO2  H2CO3  HCO3−  CO32− Cl- hầu như không tham gia vào các phản ứng hóa học (axit-bazơ, hòa tan, oxy hóa khử và tạo phức) với các cation chính trong nước ngọt. Tuy nhiên, nó là phối tử tạo phức quan trọng đối với một số kim loại vết (Cd2+ và Zn2+) trong nước biển. SO42- tham gia phản ứng khử trong điệu kiện thiếu oxy tạo thành S2-, là phối tử tạo phức với các ion kim loại nặng.THÀNH PHẦN VÔ CƠ TRONG NƯỚC TỰ NHIÊNPhản ứng hóa học của các thành phần chính Silica, SiO2, hiện diện trong nước dưới dạng ngậm nước Si(OH)4 (pKa1 = 9,84), chủ yếu là sản phẩm của quá trình phong hóa đất sét và các khoáng chất aluminosilicat trong đất; là một chất dinh dưỡng cần thiết cho một số loài tảo (diatom – tảo silic), vì vậy nồng độ silica trong nước mặt thay đổi theo mùa, với nồng độ thấp nhất vào mùa hè. Các thành phần vi lượng như Al, Fe, Mn, và F hiện diện ở các dạng hóa học khác nhau trong nước tùy điều kiện môi trường (pH, nhiệt độ, DO) O2 O2 H+ Fe2+  Fe3+ Mn2+  Mn4+ Al3+  Al(OH)3 F- hiện diện ở mức nồng độ ppb trong hầu hết nước ngọt tự nhiên, với ngoại lệ (>1 mg / L) ở một số vùng khô hạn. Do F- được bổ sung vào nước uống ngừa sâu răng (0,7 – 1 mg/L), nồng độ F- trong nước thải đô thị thường cao (~ 1 mg/L)THÀNH PHẦN VÔ CƠ TRONG NƯỚC TỰ NHIÊNNước cứng / Nước mềm Độ cứng: tổng nồng độ của các cation (II) trong nước (= [Ca2+] + [Mg2+]; mg CaCO3/L) Trong nước tự nhiên, độ cứng tương quan chặt chẽ với độ kiềm do sự hòa tan của đá vôi (CaCO3). Nước cứng có độ cứng > 50 mg CaCO3/L với tổng chất rắn hòa tan (TDS) cao và độ pH tương đối cao (> 7). Nước mềm có TDS thấp và pH thấp, có xu hướng ăn mòn kim loại nhiều hơn và dễ bị axit hóa do ảnh hưởng mưa axit (khả năng đệm kém hơn).THÀNH PHẦN VÔ CƠ TRONG NƯỚC TỰ NHIÊNẢnh hưởng của các thành phần chính Nồng độ thành phần vô cơ cao trong nước tưới tiêu gây ảnh hưởng đến hoạt động nông nghiệp pH, độ kiềm, chất dinh dưỡng ảnh hưởng sinh trưởng các loài thực vật thủy sinh Nồng độ Na+, Cl-, SO42- cao trong nước uống gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người Ca2+, Mg2+ và K+ là những thành phần khoáng cần thiết cho sức khỏe con người, đồng thời cũng gây ra những vấn đề (kết tủa xà phòng gây giảm hiệu quả làm sạch, tích tụ cặn khoáng trên đồ thủy tinh, bình đun nước nóng và đường ống nước) Nồng đ ...