Tài liệu Giáo trình thí nghiệm hóa kỹ thuật môi trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG GIÁO TRÌNH THÍ NGHIỆM HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG LÊ PHÚ ĐÔNG Tháng 7/2017 BÀI 1 LẤY MẪU VÀ BẢO QUẢN MẪU 1.1. Đại cương Lấy mẫu là thu thập một thể tích mẫu thích hợp, sau đó xử lý, vận chuyển đến nơi phân tích, đảm bảo chất lượng mẫu chưa thay đổi. Việc lấy mẫu và bảo quản phải thận trọng, tuân thủ theo đúng quy định kỹ thuật sao cho mẫu nước vẫn giữ nguyên những đặc tính cơ bản. Nếu có thay đổi cũng không đáng kể. 1.2. Mục đích lấy mẫu - Điều tra chất lượng nước. - Phát hiện, đánh giá ô nhiễm. - Xác định tính thích hợp cho việc sử dụng nguồn nước với nhiều mục đích khác nhau. - Tham gia vào quá trình quản lý nguồn tài nguyên nước. 1.3. Phương thức lấy mẫu 1.3.1 Chuẩn bị dụng cụ - Thiết bị thu mẫu: bình chứa mẫu (bằng nhựa, thép không rỉ hoặc thủy tinh), thiết bị phân tầng đáy, thủy sinh. Thiết bị lấy mẫu ở các độ sâu khác nhau (thiết bị lấy mẫu đóng kín theo chiều sâu), gầu lấy mẫu, bơm lấy mẫu, thiết bị thu mẫu tự động. - Bình chứa mẫu có dung tích 2 lít (phân tích các chỉ tiêu hóa lý) phải sạch, khô và tráng ít nhất 3 lần bằng chính nguồn nước trước khi lấy mẫu. Mẫu nước cần lấy đầy bình và đậy kín nắp. Riêng mẫu phân tích vi sinh cần lấy trong bình riêng đã được thanh trùng ở nhiệt độ 175oC trong 1 giờ và mẫu không được lấy quá đầy. - Chai lấy mẫu nước ở độ sâu 1 – 20m. - Ghi nhận vào hồ sơ lấy mẫu: Chai lấy mẫu cần được dán nhãn, ghi chép đầy đủ những chi tiết liên quan đến việc lấy mẫu như: - Thời điểm lấy mẫu (ngày, giờ) - Tên người lấy mẫu, vị trí lấy mẫu - Loại mẫu - Các dữ liệu về thời tiết, mực nước, dòng chảy, khoảng cách bờ, độ sâu - Phương pháp lấy mẫu - Các công trình liên hệ đến mẫu nước. - Chi tiết về phương pháp lưu giữ mẫu đã dùng. 1.3.2 Phương pháp lấy mẫu Mẫu lấy từ hệ thống phân phối nước của thành phố hoặc từ giếng ngầm đều cần xả hoặc bơm bỏ lượng nước ban đầu trước khi lấy mẫu để đảm bảo đúng chất lượng nguồn. Chú ý xả lượng nước ứ đọng tại vòi khoảng 2 giờ trước khi lấy mẫu hoặc bơm xả rửa nước ban đầu với tốc độ cao trước khi lấy mẫu. Đối với các nguồn nước cần giám sát ô nhiễm nên chọn lấy mẫu ở nhiệt độ sâu khác nhau và theo diện rộng. Không nên lấy mẫu trong các vách của giếng khoan vì chất lượng nước đã bị biến đổi do hoạt động hóa học và sinh học. Mẫu nước lấy ở sông, suối hay kênh rạch có tính chất thay đổi theo độ sâu, dòng chảy, khoảng cách bờ, các yếu tố về thời tiết… do vậy cần chọn lấy mẫu hỗn hợp hay lấy mẫu riêng biệt. Nếu lấy mẫu bất kỳ, cần chọn mẫu ở độ sâu trung bình tại vị trí giữa dòng. Đối với các vị trí tiếp nhận nguồn nước thải cần cẩn thận chọn nơi và địa điểm lấy mẫu (phụ thuộc vào tốc độ, hướng dòng chảy), do vậy nên xem xét lấy mẫu ở nhiều độ sâu (do phân tầng) và theo chiều dọc, ngang. Mẫu nước lấy từ ao hồ chịu ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố: lưu lượng mưa, lượng nước chảy tràn trên bề mặt, gió, yếu tố phân tầng theo mùa… Do vậy, việc chọn lấy mẫu phải tùy thuộc vào mục đích khảo sát và điều kiện địa phương. Riêng về lấy mẫu hỗn hợp, nên chọn lấy mẫu ở nhiều vị trí (giữa dòng, bờ trái, bờ phải), theo nhiều độ sâu khác nhau (từ mặt thoáng xuống tận đáy). Đối với nước ao, hồ chất lượng nước thường thay đổi theo mùa, tần số lấy mẫu phụ thuộc vào yêu cầu kiểm tra. Tuy nhiên, khoảng cách một tháng giữa các lần lấy mẫu là chấp nhận đặc trưng cho chất lượng trong thời gian dài. Nước thải của các nhà máy công nghiệp nên lấy ở các phân xưởng sản xuất theo từng giờ, từng ca sản xuất và lấy ở vị trí cống chung. Nếu cần lấy mẫu hỗn hợp, khi trộn lẫn các mẫu, cần xử lý thích hợp tránh sự thất thoát các chất dễ bay hơi, ảnh hưởng đến kết quả phân tích mẫu. 1.4. Biện pháp an toàn Trong quá trình lấy mẫu phải chú ý đến các thành phần độc chất trong mẫu do vậy cần áp dụng những biện pháp đề phòng hữu hiệu và xử lý mẫu thích hợp. Độc chất có thể thấm qua da, bay hơi thâm nhập vào phổi, cũng không loại trừ tình trạng ngộ độc qua đường tiêu hóa. Hiện tượng nhiễm bệnh do vi khuẩn, virut. Các phương tiện phòng hộ phổ biến là: găng tay, ủng, kính bảo hộ mắt, khẩu trang… Trong phòng thí nghiệm, khi tiếp xúc với chất độc dễ bay hơi, nhân viên phải trang bị thêm mặt nạ chống hơi độc cá nhân và chỉ mở các bình mẫu nghi ngờ có hơi độc nơi vắng người, thông thoáng tốt hay trong tủ hút mà thôi. Đối với chất hữu cơ dễ cháy, không được phép hút thuốc gần mẫu, nơi chứa mẫu cũng như trong phòng thí nghiệm. Cảnh giác với các tia lửa, ngọn lửa hay nguồn nhiệt quá nóng. Trong phòng kín như phòng lạnh, phòng trữ mẫu, phải lưu ý đến tiếp điểm của công tắc đèn, máy điều nhiệt, bộ phức hợp sử dụng điện… là những nơi có thể gây ra tia lửa điện, nguyên nhân gây ra những vụ cháy nổ. Tùy nguồn nhiễm bẩn mà có biện pháp phòng hộ y tế nghề nghiệp khác nhau. 1.5. Thời gian lưu trữ mẫu và bảo quản mẫu Thời gian lưu trữ mẫu càng ngắn thí kết quả phân tích càng chính xác. Sau khi lấy mẫu đòi hỏi phải phân tích ngay một số các chỉ tiêu sau: pH, nhiệt độ, DO, H2S, CO2, Clo dư. Thời gian lưu trữ tối đa đối với các mẫu được giới hạn như sau: - Nước thiên nhiên không bị ô nhiễm: 72 giờ - Nước gần nguồn gây ô nhiễm: 48 giờ - Nước bị ô nhiễm nặng: 12 giờ Nếu mẫu có thêm hóa chất để bảo đảm, thời gian lưu mẫu có thể kéo dài hơn. Phương pháp bảo quản mẫu nước theo chỉ tiêu phân tích được trình bày trong bảng sau: Bảng 1.1: Phương thức bảo quản và thời gian tồn trữ Chỉ tiêu Phương thức phân tích bảo quản Thời gian tồn trữ Chỉ tiêu Phương thức phân tích bảo quản tối đa Thời gian tồn trữ tối đa Độ cứng (hardness) Không cần thiết DO (0,7ml H2SO4 + 1ml NaN3)/300ml; 10-20oC Calci (Ca2+) Không cần thiết COD 2ml/l H2SO4 7 ngày Chloride (Cl-) Không cần thiết Dầu và mỡ 4oC, 2ml/l H2SO4 28 ngày Floide (F-) Không cần thiết Carbon hữu cơ 2ml/l HCl, pH<2 7 ngày 8 giờ Độ dẫn điện o 4C 28 giờ Cyanide 4oC,NaOH, pH>12, trong tối 24 giờ 24 giờ Độ acid, độ kiềm o 4C 24 giờ Phenol 4oC, H2SO4, pH<2 Mùi 4oC 6 giờ N-NH3 4oC, H2SO4, pH<2 7 ngày Màu o 4C 48 giờ N-NO3 4oC, H2SO4, pH<2 Phân tích ngay Sulphate 4oC; pH < 8 28 giờ Phosphate 4oC 48 giờ H2 S Thêm 2mg/l zine acetate Fe, Mn 4oC, HNO3, pH<2 6 tháng 7 ngày N-NO2; BÀI 2 ĐỘ MÀU 2.1. Đại cương Nước thiên nhiên sạch thường không màu, màu của nước mặt chủ yếu do chất mùn, các chất hòa tan, keo hoặc do thực vật thối rữa. Sự có mặt của một số ion kim loại (Fe, Mn), tảo, than bùn và các chất thải công nghiệp cũng làm cho nước có độ màu. Độ màu của nước được xác định theo thang màu tiêu chuẩn tính bằng đơn vị PtCo. Trong thực tế, độ màu có thể phân thành hai loại: độ màu thực và độ màu biểu kiến. - Độ màu biểu kiến bao gồm cả các chất hòa tan và các chất huyền phù tạo nên, vì thế màu biểu kiến được xác định ngay trên mẫu nguyên thủy mà không cần loại bỏ chất lơ lửng. - Độ màu thực được xác định trên mẫu đã ly tâm và không nên lọc qua giấy lọc vì một phần cấu tử màu dễ bị hấp thụ trên giấy lọc. 2.1.3. Ý nghĩa môi trường Đối với nước cấp, độ màu biểu thị giá trị cảm quan, độ sạch của nước. Riêng với nước thải, độ màu đánh giá phần nào mức độ ô nhiễm nguồn nước. 2.1.1.Phương pháp xác định Nguyên tắc xác định độ màu dựa vào sự hấp thụ ánh sáng của hợp chất màu có trong dung dịch; phương pháp xác định là phương pháp so màu 2.1.2.Các yếu tố ảnh hưởng - Độ đục ảnh hưởng đến việc xác định màu thực của mẫu - Khi xác định độ màu thực, không nên sử dụng giấy lọc vì một phần màu thực có thể bị hấp thụ trên giấy. - Độ màu phụ thuộc vào pH của nước, do đó trong bảng kết quả nên ghi rõ pH lúc xác định độ màu. 2.2. Thiết bị và hóa chất 2.2.1. Thiết bị - Pipet 10ml: 2 - Erlen 100ml: 6 - pH kế: 1 - Máy ly tâm - Máy Spectrophotometer (máy so màu) 2.2.2 Hóa chất Dung dịch màu chuẩn potassium chloroplatinate K2PtCl6 (500 Pt-Co): Hòa tan 1,246g K2PtCl6 và 1g CoCl.6H2O trong nước cất có chứa 100ml HCl đậm đặc, định mức thành 1 lít. 2.3. Thực hành 2.3.1. Đo độ hấp thụ của mẫu trên máy Spectrophotometer ở bước sóng 455nm - Màu biểu kiến: Đo độ hấp thu của mẫu nước chưa xử lý - Màu thực: Ly tâm mẫu cho đến khi loại bỏ hoàn toàn các hạt huyền phù. Tốc độ và thời gian ly tâm phụ thuộc vào đặc tính và hàm lượng các hạt huyền phù, thời gian ly tâm thường không vượt quá 1 giờ. Đo độ hấp thu của mẫu nước sau ly tâm. 2.3.2. Đo pH, ghi kết quả pH cùng độ màu Bên cạnh phương pháp trên, độ màu còn được xác định trực tiếp trên các máy sao màu (chuyên dùng cho phân tích môi trường) theo chương trình độ màu đã được cài đặt sẵn trên máy bởi các nhà sản xuất. 2.4. Tính toán Lập bảng và vẽ đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa độ màu biểu kiến, độ màu thực và giá trị pH của mẫu nước cần đo. 2.5. Câu hỏi 2.5.1 Nêu nguyên nhân gây nên độ màu của: - Nước mặt (ao, hồ, sông, suối) - Nước thải sinh hoạt - Nước thải công nghiệp 2.5.2 Nêu các biện pháp làm giảm thiểu độ màu của mẫu nước BÀI 3 ĐỘ ACID 3.1. Đại cương Độ acid biểu thị khả năng phóng thích ion H+ do sự có mặt của một số acid yếu trong nước như acid carbonic, acid tanic, acid humic (hình thành từ sự phân hủy chất hữu cơ và sự thủy phân các muối acid mạnh như sulfate nhôm, sắt …). Đặc biệt khi có sự hiện diện của các acid vô cơ, mẫu nước sẽ có pH rất thấp. Nguồn nước thiên nhiên luôn duy trì một thế cân bằng giữa các ion bicarbonate, carbonate và khí carbon dioxide hòa tan. Trong thực nghiệm, hai khoảng pH chuẩn được sử dụng để phân biệt độ acid bao gồm: Khoảng pH thứ nhất ứng với điểm đổi màu của chất chỉ thị methyl cam (từ 4.2 – 4.5) đánh dấu sự chuyển biến ảnh hưởng của các acid vô cơ mạnh sang vùng ảnh hưởng của carbonic acid. Khoảng pH thứ hai ứng với điểm đổi màu của chất chỉ thị phenolphtalein (từ 8.2 – 8.4) chuyển sang vùng ảnh hưởng của nhóm carbonate trong dung dịch. 3.1.1. Ý nghĩa môi trường Nước mang tính acid rất được chú ý do tính ăn mòn của chúng. Đặc biệt trong quá trình xử lý sinh học, pH phải duy trì ở khoảng 6 – 9. Độ acid của nước được dùng để tính chính xác lượng hóa chất sử dụng trong các công trình xử lý nước. 3.1.2. Phương pháp thí nghiệm (Phương pháp chuẩn độ) Dùng dung dịch kiềm mạnh để định phân xác định độ acid. - Độ acid do ảnh hưởng của acid vô cơ được xác định bằng cách định phân điểm đổi màu của chỉ thị methyl da cam nên được gọi là độ acid methyl (dung dịch từ màu đỏ chuyển sang da cam). - Kế tiếp, định phân xác định độ acid toàn phần đến điểm đổi màu của chỉ thị phenolphtalein, gọi là độ acid tổng cộng (dung dịch không màu chuyển sang tím nhạt). 3.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng Các chất khí hòa tan như CO2, H2S, NH3 có thể bị mất đi hoặc hòa tan vào mẫu trong quá trình lưu trữ hoặc định phân mẫu làm ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Có thể khắc phục bằng cách định phân nhanh, tránh lắc mạnh và giữ nhiệt độ ổn định. Đối với mẫu nước cấp, hàm lượng chlorine cao, có tính tẩy màu làm ảnh hưởng đến kết quả định phân. Trong trường hợp mẫu có độ màu và độ đục cao, phải xác định độ acid bằng phương pháp chuẩn độ điện thế. 3.2. Thiết bị và hóa chất 3.2.1. Thiết bị - Erlen 250ml: 2 - Ống đong 100ml: 1 - Buret 25 hoặc 50 ml: 1 - Pipet 10ml: 1 - Máy khuấy từ: 1 - pH kế: 1 3.2.2. Hóa chất - Dung dịch NaOH 1N: Cân 40g NaOH hòa tan với nước cất sau đó định mức thành 1 lít. - Dung dịch NaOH 0.02 N: lấy 20ml dung dịch NaOH 1N định mức thành 1 lít. - Chỉ thị methyl dacam: Hòa tan 50mg methyl cam trong nước cất thành 1 lít. - Chỉ thị phenolphtalein: Hòa tan 500mg phenolphtalein trong 50ml methanol, định mức thành 100ml. - Dung dịch thiosulfate 0.1 N: Hòa tan 15.8g Na2S2O3 vào nước cất sau đó định mức thành 1 lít. 3.3. Thực hành Nếu là mẫu nước cấp, trước khi định phân thêm 1 giọt Na2S2O3 0.1 N để loại ảnh hưởng của chlorine. 3.3.1 Mẫu có giá trị pH < 4.5 Lấy 100ml mẫu vào erlen, thêm 3 giọt chỉ thị methyl cam. Sau đó định phân bằng dung dịch NaOH 0.02 N đến khi dung dịch chuyển sang màu da cam. Ghi nhận thể tích V1ml dung dịch NaOH đã dùng để tính độ acid methyl cam. 3.3.2 Mẫu có giá trị pH > 4.5 Lấy 100ml mẫu vào erlen, thêm 3 giọt chỉ thị phenolphtalein. Dùng dung dịch NaOH 0.02N định phân đến khi dung dịch vừa có màu tím nhạt. Ghi nhận thể tích V2ml dung dịch NaOH đã dùng, tính độ acid tổng cộng. 3.4. Tính toán Độ acid (mgCaCO3/1) = V .0,02.50.1000 V .1000 = VMau VMau Với V là thể tích dung dịch NaOH dùng định phân (ml): V = V1 + V2 3.5. Câu hỏi 3.5.1. Tại vị trí lấy mẫu pH của mẫu nước đo được là 6.5; khi vận chuyển đến phòng thí nghiệm, pH tăng lên 7.4. Giải thích tại sao? 3.5.2. pH của nước có thể tính từ độ acid của nước hay không, tại sao? 3.5.3. Nêu các nguyên nhân hình thành độ acid của mẫu nước? BÀI 4 ĐỘ KIỀM 4.1. Đại cương Độ kiềm biểu thị khả năng thu nhận proton H+ của nước. Độ kiềm trong nước do 3 ion chính tạo ra: hydroxide, carbonate và bicarbonate. Trong thực tế các muối acid yếu như borate, silicate cũng gây ảnh hưởng lớn đến độ kiềm. Một vài acid hữu cơ bền với sự oxy hóa sinh học như acid humic, dạng muối của chúng có khả năng làm tăng độ kiềm. Những nguồn nước ô nhiễm, muối của acid yếu như acid acetic, propionic cũng làm thay đổi độ kiềm. Ngoài ra, sự có mặt của ammonia cũng ảnh hưởng đến độ kiềm tổng cộng của mẫu nước. Độ kiềm đặc trưng cho khả năng đệm của nước. 4.1.1. Ý nghĩa môi trường Nguồn nước mặt, ở điều kiện thích hợp, có sự xuất hiện của tảo. Chính quá trình phát triển và tăng trưởng của tảo giải phóng một lượng đáng kể carbonate và bicarbonate làm cho pH nước tăng dần có thể lên đến 9 – 10. Ngoài ra một số nguồn nước được xử lý với hóa chất (làm mềm bằng vôi hay soda) có chứa nhóm carbonate và OH- làm tăng độ kiềm. 4.1.2. Phương pháp xác định (phương pháp chuẩn độ) Xác định độ kiềm bằng phương pháp định phân thể tích với chỉ thị phenolphtalein va methyl cam (hoặc chỉ thị hỗn hợp bromresol lục + methyl đỏ) trong từng giai đoạn và tùy trường hợp: - Chỉ thị phenolphtalein sẽ có màu tím nhạt trong môi trường có ion hydroxide và ion carbonate, màu tím sẽ trở nên không màu khi pH < 8.5. - Chỉ thị methyl cam cho màu vàng với bất kỳ ion kiềm nào và trở thành màu đỏ khi dung dịch trở thành acid. Việc định phân được xem là hoàn tất khi dung dịch có màu da cam (pH = 4.5). Vì sự đổi màu của methyl cam khó nhận thấy, nên chọn định phân với chỉ thị hỗn hợp bromocresol lục + methyl đỏ có khoảng đổi màu rõ ràng. 4.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng - Lượng chlorine dư trong nước uống ảnh hưởng đến kết quả định phân làm nhạt màu chất chỉ thị. - Màu nước có độ màu và độ đục cao phải dùng phương pháp chuẩn độ điện thế kế. - Những chất kết tủa, xà bông, chất dầu, chất rắn lơ lửng có thể phủ điện cực thủy tinh làm cho điểm cuối đến chậm. Để khắc phục hiện tượng này, có thể chùi electrode mỗi khi tiến hành thí nghiệm. Không lọc, pha loãng hay cô đặc mẫu. 4.2. Thiết bị và hóa chất 4.2.1. Thiết bị - Pipet 10ml: 1 - Erlen 250ml: 2 - Ống đong 100ml: 1 - Buret 25 hoặc 50ml: 1 - Máy khuấy từ: 1 4.2.2. Hóa chất - Dung dịch HCl hay H2SO4 0.02N: Hòa tan 28ml H2SO4 đậm đặc thành 1 lít dung dịch (H2SO4 1N). Lấy 20ml dung dịch H2SO4 1N hòa tan thành 1 lít. Định phân lại nồng độ acid bằng Na2CO3 0.02N (hòa tan 1.06g Na2CO3 đã sấy ở 105oC thành 1 lít). - Chỉ thị phenolphtalein 0.5%: Hòa tan 500mg phenolphtalein trong 50ml methanol, thêm nước cất định mức thành 100ml. - Chỉ thị metyl da cam: Hòa tan 50mg methyl cam trong nước cất thành 100ml. - Chỉ thị hỗn hợp bromocresol lục và methyl đỏ: Hòa tan 20mg methyl đỏ và 200mg bromocresol lục vào ethanol, định mức thành 100ml bằng dung dịch ethanol 95o. 4.3. Thực hành 4.3.1. Mẫu có pH > 8.3 Lấy 100ml mẫu vào erlen, thêm 3 giọt chỉ thị màu phenolphtalein. Định phân bằng dung dịch H2SO4 cho đến khi dung dịch vừa mất màu. Ghi nhận thể tích V1ml H2SO4 0.02N đã dùng để tính độ kiềm phenol (P). 4.3.2. Mẫu có pH < 8.3 Lấy 100ml mẫu vào bình tam giác, thêm 3 giọt chỉ thị màu metyl cam (hay 3 giọt chỉ thị màu hỗn hợp). Làm 2 ống đối chứng, cho vào 2 ống nghiệm mỗi ống 25ml mẫu, ống thứ nhất thêm 1ml H2SO4 1N + 1 giọt metyl cam, ống thứ 2 thêm 1ml NaOH 1N + 1 giọt methyl cam (màu giữa hai ống đối chứng). Nếu dùng chỉ thị hỗn hợp, tại điểm kết thúc dung dịch có màu đỏ xám. Ghi thể tích V2ml H2SO4 0.02N đã dùng để tính độ kiềm methyl cam hay độ kiềm tổng cộng. 4.4. Tính toán - Độ kiềm phenol (mg CaCO3/l) = V1.0,02.50.1000 VMau - Độ kiềm tổng cộng (mg CaCO3/l) = V2 .1000 VMau - Dựa trên kết quả có thể tính độ kiềm do các ion khác nhau gây ra theo bảng sau: Kết quả định phân Độ kiềm do các ion (mg CaCO3/l) OH- CO32- HCO3- P=0 0 0 T P < T/2 0 2P 1 – 2P P = T/2 0 2P 0 P > T/2 2P – T 2(P – T) 0 P=T T 0 0 Trong đó: P: độ kiềm phenol T: độ kiềm tổng cộng OH- (mg/l) = độ kiềm OH- (mg/l CaCO3) x 0.34 CO32- (mg/l) = độ kiềm CO32- (mg/l CaCO3) x 0.6 HCO3- (mg/l) = độ kiềm HCO3- (mg/l CaCO3) x 1.22 4.5. Câu hỏi 4.5.1. Nước có sự xuất hiện của tảo, độ kiềm thay đổi như thế nào? Nêu cơ chế phản ứng? 4.5.2. Nêu ứng dụng từ các số liệu độ kiềm trong phân tích và xử lý nước? 4.5.3. Nêu mối quan hệ giữa carbonic, độ kiềm và pH trong nước tự nhiên? BÀI 5 ĐỘ CỨNG 5.1. Đại cương Độ cứng được hiểu thông thường là khả năng tạo bọt của nước với xà bông. Ion calci và magnes trong nước kết tủa với xà bông, do đó làm giảm sức căng bề mặt và phá hủy đặc tính tạo bọt. Những ion đa hóa trị khác cũng có thể kết tủa với xà bông, nhưng thường những ion này ở dưới dạng phức chất, hoặc là chất hữu cơ, do đó ảnh hưởng của chúng trong nước không đáng kể và rất khó xác định. Nhìn chung độ cứng của nước thiên nhiên do các muối calci hình thành do sự hòa tan của đá vôi dưới tác dụng củq H2CO3 hay sự kiềm hóa của thạch cao bởi nước. Trên thực tế, độ cứng tổng cộng được xác định bằng tổng hàm lượng calci, magnes và được hiển thị bằng mg CaCO3/l. Độ cứng được phân biệt dưới hai dạng: - Độ cứng tạm thời: tổng hàm lượng muối Ca và Mg ở dạng bicarbonate. Độ cứng tạm thời sẽ được loại trừ khi đun sôi nước. - Độ cứng vĩnh viễn: tổng hàm lượng muối Ca và Mg dưới dạng sunfate, chloride. Đơn vị đo độ cứng thường thay đổi tùy thuộc vào các nước: mg đl/l; độ Đức – doH; độ Anh – doE; mg CaCO3/l. 5.1.1.Ý nghĩa môi trường Nước cứng hầu như không gây hại đến sức khỏe con người, tuy nhiên ở hàm lượng cao, nước cứng ảnh hưởng đến nhu cầu sinh hoạt (tiêu hao nhiều xà phòng, rau luộc lâu chín), gây nguy hiểm khi cấp nước cho lò hơi và một số ngành công nghiệp khác như dệt, phim ảnh … Nước cứng chứa hàm lượng magie cao thường có vị đắng. Thông thường nước mềm có độ cứng nhỏ hơn 50mg CaCO3/l còn nước cứng lớn hơn CaCO3/l 300mg. 5.1.2. Phương pháp xác định (phương pháp định phân bằng EDTA) Ethylene diamine tetra acetic acid (EDTA) hoặc muối natri dẫn suất (Na – EATA) khi thêm vào dung dịch chứa những ion kim loại đa hóa trị dương, ở pH 10.0 ± 0.1, sẽ tạo thành các phức chất. Đối với hai ion calci và magnes, nếu có một lượng nhỏ chỉ thị màu hữu cơ như erichrome black T, dung dịch sẽ trở thành màu đỏ rượu vang. Khi định phân bằng EDTA, phản ứng tạo phức giữa EDTA với ion calci, magnes sẽ làm chuyển màu dung dịch từ đỏ rượu vang sang xanh dương tại điểm kết thúc. 5.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng Sự có mặt của một vài ion kim loại nặng làm cho chỉ thị màu nhạt dần hay không rõ ràng tại điểm kết thúc. Có thể khắc phụ trở ngại này bằng cách thêm chất che trước lúc định phân. Muối Mg – EDTA có tác dụng như một chất phản ứng kép vừa tạo phức với các kim loại nặng, vừa giải phóng Mg vào trong mẫu, có thể dùng thay thế cho các chất che có mùi khó chịu và độc tính. Bảng 5.1 Hướng dẫn cách sử dụng chất che tùy thuộc hàm lượng kim loại nặng hay lượng polyphosphate có trong mẫu ( Hàm lượng tối đa các chất gây nhiễm cần loại bỏ, chất che) Chất gây trở ngại Hàm lượng tối đa chất gây trở ngại (mg/l) Chất che 1 Chất che 2 Nhôm 20 20 Basium + + Cadmium + + Cobalt Trên 20 0.3 Đồng Trên 30 20 Sắt Trên 30 5 Chì + 20 Mangané (Mn2+) + 1 Trên 20 0.3 Strontium + + Kẽm + 200 Nicken Polyphosphate 100 Liều lượng định phân thích hợp khi định phân 50ml mẫu. Những lưu ý khi định phân Kỹ thuật định phân, nhiệt độ định phân ảnh hưởng đến kết quả phân tích. - Định phân ở nhiệt độ đông đặc: kết quả kém chính xác do sự đổi màu diễn ra chậm. - Định phân ở nhiệt độ cao: chỉ thị màu bị phân hủy pH có thể tạo ra môi trường dẫn đến kết tủa CaCO3. Nhưng định phân quá lâu cũng có thể hòa tan lại kết tủa. Nhằm giảm thiểu kết tủa CaCO3 tạo thành, việc định phân cần hoàn tất trong vòng 5 phút. Ba phương pháp sau đây làm giảm kết tủa CaCO3. - Pha loãng mẫu bằng nước cất để tối giảm lượng CaCO3. - Nếu độ cứng đã được biết hay đã được xác định bằng phương pháp định phân sơ bộ, thêm nhanh EDTA với khoảng 90% lượng cần dùng hay một tỷ lệ thích hợp tùy vào thể tích mẫu cần định phân trước khi chỉnh pH bằng dung dịch đệm. - Axit hóa mẫu và khuấy trong vòng 2 phút để đuổi CO2 trước khi chỉnh pH. Xác định độ kiềm sau mỗi lần thêm acid. Nếu nồng độ Ca2+ > 5.10-3M, kết quả chuẩn độ gây sai thiếu nên cần pha loãng mẫu trước khi phân tích. 5.2. Thiết bị và hóa chất 5.2.1 Thiết bị - Erlen 250ml: 2 - Erlen 125ml: 2 - Ống đong 50ml: 1 - Buret 25ml: 1 - Pipet 10ml: 3 5.2.2. Hóa chất - Dung dịch đệm: Dung dịch 1: Hòa tan 1.179g EDTA (Na – EDTA) và 644mg MgCl2 (có thể thay bằng 780mg MgSO4.7H2O) trong 50ml nước cất. Dung dịch 2: Hòa tan 16.9g NH4Cl trong 143ml NH4OH đậm đặc. Trộn đều dung dịch 1 và dung dịch 2 rồi pha loãng với nước cất thành 250ml. Những tác nhân che: - Chất che 1: Dùng NaOH trung hòa mẫu đến pH = 6 (nếu mẫu có tính acid) thêm 250mg NaCN dạng tinh thể, thêm đủ dung dịch đệm đảm bảo pH = 10 ± 0.1. - Chất che 2: Hòa tan 5g NaS.9H2O trong 100ml nước cất và bảo quản trong chai kín có đậy nút. - Chất chỉ thị màu EBT: sử dụng ở dạng bột khô Dung dịch chuẩn EDTA 0.01M: Hòa tan 3.723g EDTA trong nước cất và định mức thành 1 lít. Dung dịch này cần được chứa trong chai thủy tinh trung tính hay bình nhựa polyethylene. Dung dịch chuẩn calcium (1mg CaCO3/1ml): cho 1g CaCO3 (hàng tinh khiết) vào erlen 500ml, thêm từ từ dung dịch HCl 1 - 1 vào erlen cho đến khi tan hoàn toàn CaCO3. Thêm 200ml nước cất và đun sôi để đuổi CO2, làm lạnh, thêm vài giọt chỉ thị methyl đỏ. Dùng NH4OH 3N hoặc HCl (1 – 1) chỉnh lại pH đến khi có màu cam. Định mức dung dịch thành 1 lít với nước cất. - Dung dịch sodium hydroxide: NaOH 0.1N. 5.3. Thực hành Lấy một thể tích mẫu sao cho lượng EDTA chuẩn độ không quá 15ml, hoàn thành việc định phân trong vòng 5 phút tính từ thời điểm cho dung dịch đệm. Pha loãng 25ml mẫu thành 50ml với nước cất. Thêm vào dung dịch mẫu 1ml tới 2ml dung dịch đệm (thường dùng 1ml) đủ để đạt pH 10 ± 0.1. Thêm chất che nếu sự thay đổi màu tại điểm kết thúc chuẩn độ không rõ ràng. Thêm chất chỉ thị màu. Chuẩn độ từ từ bằng dung dịch EDTA cho đến lúc có màu xanh da trời tại điểm kết thúc. Trường hợp mẫu nước có độ cứng thấp: (nước sau khi cho qua trao đổi ion, các loại nước mềm khác và các loại nước thiên nhiên có độ cứng thấp (ít hơn 5ml), chọn sử dụng thể tích mẫu lớn (100ml – 1000ml) để định phân và thêm vào một lượng dung dịch đệm, chất che, chất chỉ thị màu theo tỷ lệ tương đương. Tiến hành định phân bằng EDTA tương tự như phần trên. Ngoài ra, cần tiến hành chuẩn độ tương đối với mẫu thử không (nước cất). Thể tích EDTA tham gia phản ứng sẽ là thể tích EDTA dùng định phân cho mẫu thử không. 5.4. Tính toán Độ cứng tổng mg CaCO3/l = V1.C EDTA .1000.100 V1.1000 = VMau VMau Trong đó: V1 – thể tích EDTA chuẩn độ (ml); CEDTA – nồng độ mol của dung dịch EDTA; Vmẫu – thể tích dung dịch mẫu (ml). 5.5. Câu hỏi 5.5.1. Nguyên nhân gây ra độ cứng của nước? 5.5.2. Nêu ứng dụng số liệu độ cứng trong phân tích và xử lý nước? 5.5.3. Giải thích hiện tượng gây ra độ cứng giả trong nước? BÀI 6 6.1 Đại cương CALCI 6.1.1. Ý nghĩa môi trường Calci là một trong những nguyên tố thường hiện diện trong nước thiên nhiên khi nước chảy qua những vùng có nhiều đá vôi, thạch cao …Thông thường hàm lượng calci có trong nước từ 0 đến vài trăm mg/l. Chính sự có mặt của calci hình thành nên calcicarbonate, theo thời gian tích tụ có thể tạo nên một màng vẩy cứng bám vào mặt trong các ống dẫn, bảo vệ kim loại chống lại sự ăn mòn. Tuy nhiên lớp màng này lại gây nguy hại cho những thiết bị sử dụng ở nhiệt độ cao như nồi hơi …Do vậy, để hạn chế tác hại trên cần áp dụng phương pháp làm mềm nước bằng hóa chất hoặc nhựa trao đổi ion để khử calci đến giới hạn chấp nhận được. 6.1.2. Phương pháp xác định (phương pháp định phân) Độ cứng của nước chủ yếu do các muối calci và magnes tạo nên. Ở pH 12 – 13, magnes sẽ kết tủa ở dạng hydroxyt. Calci còn lại sẽ kết hợp với chỉ thị màu tạo thành dung dịch có màu hồng. Khi định phân bằng EDTA, EDTA tạo phức với calci. Tại điểm kết thúc, dung dịch chuyển từ màu hồng sang màu tím. 6.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng - Mẫu chứa các nguyên tố kim loại ở nồng độ tương ứng sẽ cản trở việc xác định điểm cuối. - Nếu nồng độ Ca2+ > 5.10-3M, sẽ có cân bằng phụ tạo tủa Ca(OH)2 gây sai thiếu. - Nồng độ Mg2+ ban đầu cũng không được quá cao vì nếu kết tủa Mg(OH)2 quá nhiều cũng gây sai thiếu. 6.2. Thiết bị và hóa chất 6.2.1. Thiết bị - Erlen 125ml: 2 - Pipet 10ml: 3 - Buret 25ml:1 - Ống đong 100ml: 1 6.2.2. Hóa chất - Dung dịch NaOH 1N: Hòa tan 40g NaOH vào nước cất và định mức thành 1 lít. - Chỉ thị màu murexide: Sử dụng dưới dạng bột tinh thể - Dung dịch EDTA 0.01M: Hòa tan 3.723g EDTA vào nước cất và định mức thành 1 lít. 6.3. Thực hành Để tránh kết tủa, việc định phân cần thực hiện nhanh chóng sau khi nâng pH. Lấy 50ml hay một thể tích mẫu pha loãng đến 50ml sao cho thể tích EDTA dùng định phân không vượt quá 15ml. Nếu mẫu nước có hàm lượng calci vượt quá 300mg/l nên pha loãng hoặc trung hòa với acid rồi đun sôi 1 phút, làm nguội trước khi định phân. Thêm 2ml dung dịch NaOH 1N hoặc một thể tích thích hợp để nâng pH lên 12 – 13, lắc đều. Thêm 0.1 – 0.2mg chỉ thị màu murexide, dung dịch có màu hồng nhạt. Định phân dung dịch EDTA 0.01M, điểm kết thúc dung dịch có màu đỏ tía. Để kiểm soát việc kết thúc chuẩn độ, cần ghi nhận thể tích EDTA đã dùng, sau đó thêm 1 hoặc 2 giọt EDTA để đảm bảo màu của dung dịch không đổi. 6.4. Tính toán Độ cứng calci, mg CaCO3/l = Calci (mg/l) = VEDTA .C EDTA .100.1000 VMau VEDTA .C EDTA .1000.40,08 VMau Trong đó: VEDTA – thể tích EDTA chuẩn độ (ml); CEDTA – nồng độ mol của dung dịch EDTA; Vmau – thể tích dung dịch mẫu (ml). BÀI 7 7.1. Đại cương CHẤT RẮN Chất rắn trong nước tồn tại ở dạng lơ lửng và dạng hoà tan do các chất rửa trôi từ đất, sản phẩm của quá trình phân huỷ các chất hữu cơ, động thực vật và do ảnh hưởng của nước thải sinh hoạt và công nghiệp. 7.1.1. Ý nghĩa môi trường Các nguồn nước cấp có hàm lượng chất rắn cao thường có vị và có thể tạo nên các phản ứng lý học không thuận lợi cho người sử dụng. Hơn nữa hàm lượng cặn lơ lửng cao còn gây ảnh hưởng nghiêm trọng cho việc kiểm soát quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. 7.1.2. Phương pháp xác định (Phương pháp định phân) Chất rắn có thể phân loại thành: chất rắn hoà tan, chất rắn không hoà tan, chất rắn bay hơi, chất rắn ổn định. Chất rắn tổng cộng được xác định bằng cách làm bay hơi nước (sấy ở nhiệt độ 100 – 105oC) và canh phần khô còn lại. Nếu tiếp tục nung phần chất rắn khô còn lại này ở 550 ± 50oC thì phần trọng lượng khô sau khi nung chính là hàm lượng chất rắn ổn định. Hàm lượng chất rắn lơ lửng được xác định bằng cách lọc mẫu qua giấy lọc sợi thuỷ tinh tiêu chuẩn (đã cân xác định trọng lượng ban đầu), sau đó làm khô giấy lọc có cặn để trọng lượng không đổi ở nhiệt độ 103 –105oC. Độ tăng trọng lượng giấy lọc sau khi sấy chính là tổng chất rắn lơ lửng. - Tổng chất rắn hoà tan = chất rắn tổng cộng – tổng chất rắn lơ lửng. - Chất rắn ổn định = chất rắn tổng cộng – chất rắn bay hơi. 7.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng - Loại phễu lọc, kích thước lỗ, độ rộng, diện tích, độ dày của giấy lọc và tính chất vật lý của cặn như: kích thước hạt, khối lượng các chất giữ lại trên giấy lọc là các yếu tố ảnh hưởng đến việc phân tích chất rắn hoà tan. - Nhiệt độ, thời gian làm khô ảnh hưởng quan trọng đến kết quả phân tích. Mẫu có hàm lượng dầu và mỡ cao cũng ảnh hưởng đến kết quả phân tích do khó làm khô đến trọng lượng không đổi trong thời gian thích hợp. 7.2. Thiết bị - Cốc sứ, platin, thuỷ tinh có hàm lượng silicat cao - Tủ nung: Nhiệt độ bằng 550 ± 50oC - Bình hút ẩm, có chứa chất hút ẩm chỉ thị mầu đối với nồng độ ẩm khác nhau. - Ống đong - Giấy lọc.