Tài liệu Nghiên cứu mô hình xử lý sắt trong nước ngầm bằng bể lọc trên địa bàn xã bản ngoại huyện đại từ tỉnh thái nguyên

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM NGÔ QUỲNH NGA NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH XỬ LÝ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG BỂ LỌC TRÊN ĐỊA BÀN XÃ BẢN NGOẠI HUYỆN ĐẠI TỪ, TỈNH THÁI NGUYÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG THÁI NGUYÊN - 2017 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM NGÔ QUỲNH NGA NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH XỬ LÝ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG BỂ LỌC TRÊN ĐỊA BÀN XÃ BẢN NGOẠI HUYỆN ĐẠI TỪ, TỈNH THÁI NGUYÊN Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 60 44 03 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Trần Thị Phả THÁI NGUYÊN - 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Ngô Quỳnh Nga, học viên Lớp Cao học Khoa học môi trường K23 (khóa học 2015 – 2017), Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sỹ là sản phẩm nghiên cứu, thảo luận của cá nhân tôi, không phải sao chép từ các đề tài nghiên cứu khác. Các số liệu thể hiện trong luận văn được điều tra có cơ sở. Tôi xin chịu trách nhiệm về tính trung thực và kết quả từ nghiên cứu của mình. Thái Nguyên, ngày 06 tháng 10 năm 2017 Học viên Ngô Quỳnh Nga ii LỜI CÁM ƠN Trước tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô giảng dạy lớp Cao học Khoa học môi trường K23, Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã rất tâm huyết truyền đạt những kiến thức giúp cho các học viên nâng cao trình độ năng lực chuyên môn, tiếp cận và giải quyết vấn đề một cách khoa học, sáng tạo, làm cơ sở vận dụng vào thực tiễn công tác. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Trần Thị Phả, Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài để tôi có thể nghiên cứu, viết đề tài đúng hướng, đảm bảo chất lượng nội dung và tiến độ yêu cầu. Tôi cũng xin được cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, Phòng Quản lý đào tạo sau đại học - Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để các học viên hoàn thành tốt khóa học và đủ điều kiện để bảo vệ Luận văn Thạc sỹ trong thời gian sớm nhất. Sau cùng tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình, cơ quan, đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học và nghiên cứu, thực hiện đề tài Luận văn Thạc sỹ. Do thời gian có hạn và kiến thức chuyên môn, kinh nghiệm thực tiễn chưa nhiều nên đề tài Luận văn này còn nhiều hạn chế, thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến chỉ bảo, đóng góp của các Thầy, Cô, các chuyên gia và những người quan tâm đến đề tài nghiên cứu này. Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 06 tháng 10 năm 2017 Học viên Ngô Quỳnh Nga iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CÁM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................ vii DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................. viii MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 1 1.2. Mục tiêu của đề tài .................................................................................. 2 1.2.1. Mục tiêu chung ................................................................................. 2 1.2.2. Mục tiêu cụ thể ................................................................................. 2 1.3. Yêu cầu của đề tài ................................................................................... 3 1.4. Ý nghĩa của đề tài.................................................................................... 3 1.4.1. Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học ................................ 3 1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn............................................................................... 3 Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................ 4 1.1. Cơ sở khoa học của đề tài ....................................................................... 4 1.1.1. Cơ sở lý luận ..................................................................................... 4 1.1.2. Cơ sở thực tiễn .................................................................................. 4 1.2. Tổng quan về sắt ..................................................................................... 5 1.2.1. Tính chất lý hóa ................................................................................ 5 1.2.2. Nguyên nhân gây ô nhiễm ................................................................ 9 1.2.3. Ảnh hưởng của sắt .......................................................................... 11 1.2.4. Tiêu chuẩn cho phép đối với Sắt trong nước ăn uống, sinh hoạt ... 12 1.3. Các biện pháp khử sắt trong nước ngầm............................................... 13 1.3.1. Phương pháp oxy hoá sắt ................................................................ 13 1.3.2. Phương pháp khử sắt bằng quá trình ôxy hoá ................................ 14 iv 1.3.3. Khử sắt bằng hoá chất ..................................................................... 14 1.3.4. Dùng hệ thống bể lọc nước ............................................................. 16 1.3.5. So sánh giữa các phương pháp xử lý sắt......................................... 17 1.3.6. Một số giai đoạn về công nghệ khử sắt trong nước cấp ................. 17 1.4. Tổng quan về vật liệu lọc ...................................................................... 18 1.4.1. Than hoạt tính ................................................................................. 18 1.4.2. Cát thạch anh................................................................................... 20 1.4.3. Cát mangan ..................................................................................... 23 1.4.4. Sỏi ................................................................................................... 24 1.5. Thực tiễn tình hình xử lý sắt trong nguồn nước trên thế giới và trong nước... 25 1.5.1. Tình hình xử lý sắt trong nước trên thế giới ................................... 25 1.5.2. Tình hình xử lý sắt trong nước ngầm được sử dụng trong nước sinh hoạt với quy mô hộ gia đình tại khu vực nông thôn ở Việt Nam ..... 27 Chương 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................................................ 30 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................ 30 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................... 30 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 30 2.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu ......................................................... 30 2.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 30 2.4. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 31 2.4.1. Phương pháp thu thập tài liệu ......................................................... 31 2.4.2. Phương pháp điều tra xã hội học .................................................... 31 2.4.3. Phương pháp lấy mẫu nước ............................................................ 32 2.4.4. Phương pháp phân tích ................................................................... 33 2.4.5. Phương pháp bố trí thí nghiệm ....................................................... 33 2.4.6. Phương pháp xử lý số liệu .............................................................. 36 v Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ........................ 37 3.1. Đặc điểm và tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước ngầm tại xã Bản Ngoại, huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên ..................................................... 37 3.1.1. Về điều kiện tự nhiên ...................................................................... 37 3.1.2. Điều kiện kinh tế xã hội .................................................................. 38 3.2. Khảo sát, đánh giá hàm lượng sắt trong nước ngầm một số khu vực trên địa bàn xã Bản Ngoại ............................................................................ 42 3.2.1. Nguồn cấp nước .............................................................................. 42 3.2.2. Điều tra, khảo sát chất lượng nguồn nước ngầm thông qua ý kiến của người dân ............................................................................................ 43 3.2.3. Đánh giá hàm lượng sắt có trong nước ngầm đã xử lý và chưa qua xử lý của người dân ............................................................................ 48 3.3. Nghiên cứu mô hình xử lý sắt trong nước nước ngầm ......................... 50 3.3.1. Hiệu quả xử lý sắt trong nước ngầm bằng bể lọc qua 5 ngày lọc đầu tiên ...................................................................................................... 51 3.3.2. Hiệu quả xử lý sắt trong nước ngầm bằng bể lọc sau 8 ngày lọc liên tục ....................................................................................................... 54 3.3.3. Hiệu quả xử lý sắt trong nước ngầm bằng sinh học sau 10 ngày lọc liên tục ................................................................................................. 56 3.3.4. So sánh hiệu quả xử lý Fe đầu ra qua các mốc thời gian khác nhau .. 58 3.3.5. Đề xuất mô hình ứng dụng thực tiễn trên địa bàn xã Bản Ngoại ... 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 63 1. Kết luận .................................................................................................... 63 2. Kiến nghị .................................................................................................. 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 65 PHỤ LỤC vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CO2 : Cacbonic COD : Nhu cầu oxy hóa học CuSO4 : Đồng sunfat Fe : Sắt Fe(OH)2 : Sắt (II) hidroxyt Fe(OH)3 : Sắt (III) hidroxyt FeCl2 : Sắt(II) clorua FeO : Oxyt sắt FeSO4 : Sắt sunfat H2O : Nước H2S : Hyđro sulfua H2SO4 : Acid sunfuaric HNO3 : Acid nitroric KMnO4 : Kali pemanganat O2 : Oxy pH : Độ acid hay độ chua của nước QCVN : Quy chuẩn Việt Nam vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Bảng đặc tính kỹ thuật của cát thạch anh ....................................... 22 Bảng 2.1: Vị trí lấy mẫu nước thực nghiệm.................................................... 32 Bảng 2.2. Độ dày vật liệu lọc theo các công thức khác nhau ......................... 35 Bảng 3.1: Vị trí tọa độ khu mỏ........................................................................ 41 Bảng 3.2: Trữ lượng khai thác quặng toàn mỏ ............................................... 42 Bảng 3.3. Tỷ lệ nguồn cấp nước trên địa bàn ................................................. 42 Bảng 3.4: Chất lượng nguồn nước qua cảm quan ........................................... 44 Bảng 3.5: Cách sử dụng nguồn nước của người dân ...................................... 45 Bảng 3.6: Đánh giá chung về nguồn nước qua ý kiến người dân ................... 46 Bảng 3.7: Cách xử lý rác thải của người dân .................................................. 47 Bảng 3.8: Tỷ lệ hộ dân sử dụng hóa chất trong nông nghiệp ......................... 48 Bảng 3.9: Kết quả phân tích mẫu thực nghiệm ............................................... 49 Bảng 3.10: Thông số nước ngầm đầu vào....................................................... 51 Bảng 3.11. Hàm lượng Fe đầu ra sau 5 ngày lọc liên tục ............................... 52 Bảng 3.12: Hàm lượng Fe qua 8 ngày lọc ...................................................... 54 Bảng 3.13. Hàm lượng Fe trong 10 ngày lọc liên tục ..................................... 56 Bảng 3.14: Chi phí xây dựng mô hình lọc ...................................................... 61 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Vòng tuần hoàn Sắt (theo L.M.Prescott và cộng sự) ........................ 8 Hình 2.1. Mô hình xử lý sắt trong nước ngầm bằng bể lọc sinh học .............. 33 Hình 3.1: Biểu đồ thể hiện nguồn nước cấp trên địa bàn................................ 43 Hình 3.2: Biểu đồ khảo sát chất lượng nước qua cảm quan của người dân ... 44 Hình 3.3: Hình ảnh nguồn nước qua điều tra, khảo sát .................................. 45 Hình 3.4: Biểu đồ cách sử dụng nguồn nước của người dân .......................... 45 Hình 3.5: Biểu đồ đánh giá chung về nuồn nước của người dân .................... 46 Hình 3.6: Biểu đồ thể hiện cách xử lý rác thải của người dân ........................ 47 Hình 3.7: Biểu đồ thể hiện kết quả lấy mẫu thực nghiệm............................... 49 Hình 3.8: Biểu đồ thể hiện hàm pH và lượng sắt sau 5 ngày lọc.................... 53 Hình 3.9: Biểu đồ thể hiện hàm pH và lượng sắt sau 8 ngày lọc.................... 55 Hình 3.10: Biểu đồ thể hiện hàm pH và lượng Fe sau 10 ngày lọc ................ 57 Hình 3.11: Biểu đồ so sánh pH và hàm lượng Fe qua các mốc thời gian....... 58 Hình 3.12: Mô hình xử lý Fe ........................................................................... 59 1 MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Nước là nhu cầu tất yếu của mọi sinh vật. Không có nước cuộc sống trên trái đất không thể tồn tại được. Hàng ngày trung bình mọi người cần từ 3-10 lít đáp ứng cho nhu cầu ăn uống và sinh hoạt hằng ngày. Trong sinh hoạt nước cấp dùng đáp ứng nhu cầu sinh hoạt ăn uống, vệ sinh, các họat động giải trí, và các họat động công cộng như cứu hỏa, phun nước, tưới đường…còn trong công nghiệp, nước cấp được dùng cho quá trình làm lạnh, sản xuất thực phẩm như đồ hộp, nước giải khát, rượu… Hầu như mọi ngành công nghiệp đều sử dụng nước cấp như là một nguồn nguyên liệu không gì thay thế được trong sản xuất (Trịnh Xuân Lai, 2009)[13]. Nước sinh hoạt hiện nay đang là vấn đề quan tâm cuả tất cả mọi người, đặc biệt ở những khu vực không có nguồn nước sinh hoạt và những khu vực có nguồn nước cấp nhưng không đảm bảo. Tại nhiều vùng nông thôn, khi mà chương trình đưa nước sạch và vệ sinh môi trường chưa về kịp với người dân thì nước ngầm trở thành nguồn duy nhất phục vụ nhu cầu của đời sống. Tuy nhiên, cùng với quá trình hình thành các khu công nghiệp, khu chế xuất và sinh hoạt đông đúc tại các khu dân cư đã và đang đẩy nguồn tài nguyên quý giá này tới nguy cơ ô nhiễm nặng nề. Nguồn nước bị nhiễm sắt là một điển hình, vấn đề này đã và đang ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng cuộc sống và sản xuất của người dân. Để có thể đảm bảo được sức khỏe cho chính mình và người thân, cộng đồng, xã hội luôn quan tâm đến vấn đề nước sạch sinh hoạt và luôn trăn trở để tìm ra hướng xử lý triệt để chúng.(Trịnh Xuân Lai, 2009)[13]. Bản Ngoại là một xã nằm ở phía Tây Bắc huyện Đại Từ, trong những năm gần đây với sự hoạt động của mỏ khai khoáng sắt và mangan trên địa bàn đã vô 2 tình khiến nguồn nước ngầm sử dụng cho sinh hoạt của người dân bị nhiễm sắt. Việc nguồn nước gặp vấn đề không chỉ gây khó khăn, bất tiện trong sinh hoạt hàng ngày cho người dân mà đằng sau đó còn có những hậu quả vô cùng nghiêm trọng đến chính sức khoẻ người dân. Để có nước sinh hoạt hàng ngày, các hộ gia đình sử dụng nguồn nước đã xử lý qua bể lọc thô sơ chỉ gồm cát là vật liệu lọc chính, tuy nhiên nguồn nước lọc ra cũng không đảm bảo. Do đó, đa phần nguồn nước dung trong ăn uống của người dân phải mua nước bình hoặc nước khoáng nên rất tốn kém. Vì vậy, để có được nguồn nước sạch trong sinh hoạt và không bị nhiễm thành phần sắt trong nước, cần phải xử lý sắt là tiêu chí hàng đầu trong khâu xử lý nước sạch khi đưa vào sử dụng. Xuất phát từ thực tiễn đó em tiến hành thực hiện đề tài “ Nghiên cứu mô hình xử lý sắt trong nước ngầm bằng bể lọc trên địa bàn xã Bản Ngoại, huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên”. 1.2. Mục tiêu của đề tài 1.2.1. Mục tiêu chung - Nghiên cứu mô hình xử lý sắt trong nước ngầm bằng bể lọc trên địa bàn xã Bản Ngoại, huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên. 1.2.2. Mục tiêu cụ thể - Nghiên cứu đặc điểm, tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước ngầm xã Bản Ngoại, Đại Từ, Thái Nguyên. - Khảo sát, đánh giá hàm nước sắt có trong nước ngầm tại một số khu vực trên địa bàn xã Bản Ngoại. - Nghiên cứu mô hình xử lý sắt trong nước ngầm bằng bể lọc qua các mộc thời gian 5 ngày, 8 ngày và 10 ngày với các công thức có độ dày vật liệu lọc khác nhau và đề xuất mô hình tối ưu nhất áp dụng vào thực tiễn. 3 1.3. Yêu cầu của đề tài - Số liệu phải đầy đủ, khách quan, chính xác. - Thông qua nghiên cứu đánh giá được hiệu quả của mô hình xử lý. 1.4. Ý nghĩa của đề tài 1.4.1. Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học - Vận dụng và phát huy những kiến thức đã học vào nghiên cứu. - Nâng cao kiến thức, kỹ năng và rút ra kinh nghiệm thực tế phục vụ cho công tác nghiên cứu sau này. - Nâng cao khả năng tự học tập. tự nghiên cứu và tìm tài liệu. - Bổ sung tư liệu cho học tập. 1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn - Có ý nghĩa trong công tác bảo vệ sức của con người. - Kết quả của đề tài sẽ đưa ra được mô hình xử lý sắt trong nước ngầm phổ cập sử dụng trong các hộ gia đình, nhân rộng quy mô áp dụng trên toàn địa bàn xã. 4 Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Cơ sở khoa học của đề tài 1.1.1. Cơ sở lý luận Trong nước tự nhiên, kể cả nước mặt, nước ngầm đều có chứa sắt. Hàm lượng sắt và dạng tồn tại của chúng tùy thuộc vào từng loại nguồn nước, điều kiện môi trường và nguồn gốc tạo thành chúng. Trong nước ngầm sắt tồn tại dạng ion, sắt có hóa trị II( Fe2+) là thành phần của các muối hòa tan như: bicacbonat Fe(HCO3)2, sunfat FeSO4. Hàm lượng sắt có trong nước ngầm thường cao và phân bố không đều trong trầm tích dưới sâu. Khi tiếp xúc với oxy hoặc các tác nhân oxy hóa, ion Fe2+ bị oxy hóa thành ion Fe3+ và kết tủa thành bông cặn Fe(OH)3 có màu nâu đỏ. Các bông cặn có khả năng lắng lọc trên bề mặt của vật liệu lọc. Ở Việt Nam, phần lớn dân số dùng nước giếng khoan với quy mô hộ gia đình. Nồng độ sắt trong nước ngầm tương đối cao khoảng từ 1 - 30 mg/l. Do vậy, việc nghiên cứu mô hình xử lý sắt bằng bể lọc với các vật liệu lọc có giá thành rẻ, mô hình đơn giản để các hộ dân có thể thực hiện được là cần thiết. 1.1.2. Cơ sở thực tiễn Theo tổ chức Y tế thế giới, thì hiện nay đến 80% bệnh tật ở các quốc gia đang phát triển có liên quan đến nguồn nước và môi trường. Và tại Việt Nam, mỗi năm có đến 9.000 trường hợp tử vong, 200.000 người mắc bệnh ung thư mà có nguyên nhân chính bắt nguồn từ ô nhiễm nguồn nước, điển hình là nguồn nước bị ô nhiễm do sắt. Việc nguồn nước gặp vấn đề không chỉ gây khó khăn, bất tiện trong sinh hoạt hàng ngày cho người dân mà đằng sau đó còn có những hậu quả vô cùng nghiêm trọng đến chính sức khoẻ người tiêu dùng (Đinh Hải Hà, 2009)[8]. 5 Việc nguồn nước gặp vấn đề không chỉ gây khó khăn, bất tiện trong sinh hoạt hàng ngày cho người dân mà đằng sau đó còn có những hậu quả vô cùng nghiêm trọng đến chính sức khoẻ người tiêu dùng. Đặc biệt nguồn nước sinh hoạt nếu chứa nhiều nhôm và sắt sẽ gây những hậu quả xấu cho cơ thể là điều kiện thuận lợi bùng lên các dịch bệnh vô cùng nghiêm trọng, tiêu chảy, bại liệt, giun sán, viêm não, đau mắt hột, nấm,… Trong thực tế nước thải cũng như nước sinh hoạt thì hàm lượng sắt cao sẽ gây ảnh hưởng không tốt đến quá trình xử lý mà nhất là quá trình xử lý sinh học vì bản thân sắt cũng là một kim loại nặng ức chế hoạt động của một số sinh vật. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng nước ra và hiệu quả xử lý. Vì thế mà trong xử lý nước sinh hoạt mà nguồn nước lấy từ nước ngầm thì bao giờ quá trình đầu tiên cũng là đuổi khí và khử sắt (Trần Giữa, 1998) [7]. 1.2. Tổng quan về sắt 1.2.1. Tính chất lý hóa 1.2.1.1. Tính chất vật lý - Sắt nguyên chất có ánh bạc, dẻo, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, nóng chảy ở 1539oC. - Dưới 800oC sắt có tính nhiễm từ, bị nam châm hút và trở thành nam châm (tạm thời). 1.2.1.2. Tính chất hóa học Tính chất hóa học cơ bản của sắt là tính khử và nguyên tử sắt có thể bị oxi hóa thành ion Fe2+ hoặc Fe3+ , tuỳ thuộc vào chất oxi hóa đã tác dụng với sắt. * Phản ứng với O2: - Ở nhiệt độ thường, trong không khí khô, tạo thành lớp oxit bề mặt (Fe3O4). - Trong không khí ẩm, sắt bị gỉ (do bị ăn mòn điện hoá). - Khi nóng đỏ, cháy với oxi:3Fe + 2O2 -> Fe3O4b. 6 Phản ứng với các phi kim: Khi bị đốt nóng, Fe phản ứng với hầu hết các phi kim. * Phản ứng với nước: Ở nhiệt độ nóng đỏ, Fe phản ứng mạnh với hơi nước: Fe + H2O -> FeO + H2 3Fe + 4H2O -> Fe3O4 + 4H2d. Phản ứng với axit thông thường: Fe + H2SO4 -> FeSO4 + H2e. * Phản ứng với axit oxi hoá: - Fe bị thụ động hoá bởi HNO3 đặc, nguội và H2SO4 đặc, nguội. - Trong các trường hợp khác (H2SO4 đặc, nóng; HNO3 loãng), Fe dễ dàng phản ứng. Fe + 2H2SO4 (đ) -> FeSO4 + SO2 + 2H2O Fe + 4HNO3(l) -> Fe(NO3)3- + NO+ 2H2O * Với dung dịch kiềm: Fe không tác dụng với dung dịch kiềm. Đẩy kim loại yếu khỏi hợp chất: Fe + CuSO4 -> Cu + FeSO4. Hợp chất. OxitCó 3 loại: FeO, Fe2O3, Fe3O4 (FeO.Fe2O3). - Cả 3 đều là chất rắn, không tác dụng với H2O và không tan trong H2OVới chất khử (như CO, H2 ở nhiệt độ cao) : Oxit chứa sắt có số oxi hoá cao bị khử thành oxit có số oxi hoá thấp rồi thành kim loại: Fe2O3 -> Fe3O4 -> FeO -> Fe - Với chất oxi hoá: Oxit chứa sắt có số oxi hoá thấp biến thành oxit có số oxi hoá cao: 2FeO + 1/2O2 -> Fe2O3 - Cả 3 đều là oxit bazơ, hoà tan trong axit, không hoà tan trong kiềm. FeO + 2HCl -> FeCl2 + H2OFe3O4 + 3H2SO4 -> FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 3H2O Nếu hoà tan trong axit oxi hoá thì tạo thành muối Fe3+: 3FeO + 10HNO3 -> 3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O. HiđroxitFe(OH)2 ¯ có màu trắng. Fe(OH)3 ¯ có màu nâu. - Cả 2 hiđroxit này đều ít tan trong nước. 7 - Khi nung nóng (không có không khí), bị mất nước tạo thành oxit: Fe(OH)2 -> FeO + H2O 2Fe(OH)3 -> Fe2O3 + 3H2O 10FeSO4 + 2KMnO4 + 18H2SO4 -> 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 2MnSO4 + 18H2O +) Muối Fe3+ có tính oxi hoá FeCl3+ KI -> FeCl2 + KCl + 1/2I2Fe2(SO4)3 + 3Na2S -> 2FeS + 3Na2SO4 + S. * Cách nhận biết +) Nhận biết hợp chất của Fe2+ - Bằng phản ứng tạo kết tủa Fe(OH)2 màu trắng, rồi bị oxi hoá dần thành Fe(OH)3 màu nâu. - Bằng phản ứng thể hiện tính khử của Fe2+. +) Nhận biết hợp chất của Fe3+ Bằng phản ứng tạo thành kết tủa Fe(OH)3 màu nâu đỏ. 1.2.2.3. Các dạng tồn tại Trong tự nhiên, sắt tồn tại chủ yếu trong các khoáng chất sau: Oxit sắt từ (Fe3O4), hêmatit (Fe2O3), hêmatit nâu (Fe2O3 . H2O), xeđerit (FeCO3), pirit (FeS2)5. Có 4 dạng tồn tại phổ biến của sắt được tìm thấy trong nước uống là: ferrous (Fe2+), ferric (Fe3+), sắt hữu cơ và vi khuẩn phân hủy sắt. Nước bị ô nhiễm bởi Fe2+ và khi sắt (II) tiếp xúc với khong khí nó sẽ chuyển thành sắt (III) là chất kết tủa. Nước bị ô nhiễm bởi sắt (III) sẽ xuất hiện vẩn đục màu nâu đỏ và lắng xuống đáy. Sắt hữu cơ có thể làm cho nước có màu nhưng không kết tủa và lắng xuống (Lê Huy Bá, 2009)[2]. Trong nước ngầm sắt thường tồn tại dạng ion, muối Fe2+ của sắt có hóa trị (II) là thành phần của các muối hòa tan là: Fe(HCO3)2, FeSO4.... hàm lượng sắt trong nước ngầm thường cao và phân bố không đều trong các lớp trầm tích dưới đất đá sâu (Lê Huy Bá, 2009) [2] 8 - Các hợp chất vô cơ hóa trị (II) của ion sắt: FeS, Fe(HCO3)2, Fe(OH)2, FeCO3... - Các hợp chất vô cơ của ion sắt hóa trị (III): FeCl3, Fe(OH)3.... Trong đó Fe(OH)3 là chất keo tụ dễ lắng đọng trong các bể và lắng và bể lọc. - Các phức chất vô cơ của ion sắt với silicat, photphat FeSiO(OH)3+ - Các phức chất hữu cơ của ion sắt với axit humic, funvic... - Các ion sắt hòa tan Fe(OH)2, Fe(OH)3 tồn tại tùy thuộc vào giá trị thế oxy hóa khử và pH môi trường. * Vòng tuần hoàn của sắt trong tự nhiên Trong thiên nhiên sắt chủ yếu tồn tại dưới dạng quặng sắt vàng (FeS 2) tồn tại trong thạch quyển, trong nước có ít hơn. Sắt tồn tại dưới 2 dạng oxy hóa Fe2+ và Fe3+. Khi chịu ảnh hưởng của vi sinh vật, pH và thế oxy hóa khử, 2 dạng đó có thể chuyển hóa lẫn nhau. Chỉ có sắt hóa trị 2 mới được vi sinhvật hấp thu sử dụng, chuyển hóa thành các chất hữu cơ chứa sắt. Sắt (II), sắt (III) và chất hữu cơ chứa sắt dưới tác dụng của vi sinh vật sẽ xẩy ra các phản ứng oxy hóa, khử, thực hiện vòng tuần hoàn sinh địa hóa học của sắt (hình dưới )(Đặng Kim Chi, 2005)[5]. Hình 1.1. Vòng tuần hoàn Sắt (theo L.M.Prescott và cộng sự)[5] 9 Khi pH trung tính, sắt 2 trong không khí tự phát oxy hóa thành kết tủa hợp chất sắt 3, nhưng khi pH là acid thì sự oxy hóa đó rất chậm, vi khuẩn oxy hóa sắt ưa acid xúc tiến quá trình nói trên, hình thành nên chất lắng tủa g màu nâu và tiếp tục acid hóa chất sinh ra: Fe2+ + 1/4O2 + H+→ Fe3+ + 1/2H2O Fe3+ + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H+ Phản ứng chung là: Fe2+ + 1/4O2 + 5/2 H2O → Fe(OH)3 + 3H+ Sắt là kim loại phong phú tạo nên vỏ trái đất. Sắt hiện diện ở hầu hết các nguồn nước thiên nhiên: Nước ngầm là loại nước rất dễ bị nhiễm sắt hay còn gọi là nhiễm phèn sắt. nước ngầm là loại nước rất dễ bị nhiễm sắt hay còn gọi là nhiễm phèn Trong tự nhiên phèn sắt tồn tại ở dạng hợp chất trong nước ngầm và nước mặt làm cho nước có mùi tanh, có nhiều cặn bẩn màu vàng, nước nếm có vị chua chua, nước bị nhiễm phèn sắt khi dùng giặt quần áo sẽ bị ố vàng (Trần Giữa, 1998)[7]. Trong nước mặt, sắt tồn tại ở dạng hợp chất Fe3+, dạng keo hay huyền phù. Hàm lượng này thường không lớn và sẽ được khử trong quá trình làm trong nước. Trong nước ngầm, sắt thường tồn tại ở dạng ion sắt hóa trị (II) trong thành phần của các muối hòa tan như bicacbonat, sunfat, clorua...Hàm lượng sắt này thường cao và phân bố không đồng đều trong các lớp trầm tích dưới sâu. 1.2.2. Nguyên nhân gây ô nhiễm Trong tự nhiên, theo vòng tuần hoàn của nước, một phần nước được thẩm thấu vào đất và được giữ lại trong các lớp đất đá dưới lòng đất, đó là nước ngầm. Con người khai thác và sử dụng nước ngầm cho các hoạt động sinh hoạt, trồng trọt, thậm chí cho công nghiệp; dẫn đến, sự cạn kiệt về tài nguyên nước 10 ngầm và các lỗ hổng dưới lòng đất ngày nay, làm cho nguồn nước bị ô nhiễm nghiêm trọng đặc biệt là nước nhiễm phèn ( Lê Huy Bá, 2009)[2]. Nguyên nhân chủ yếu của nước ngầm nhiễm phèn là do hàm lượng sắt trong nước ngầm quá cao, và phân bố không đồng đều trong các lớp trầm tích dưới đất sâu. Trong nước ngầm sắt thường tồn tại ở dạng ion, sắt có hóa trị 2 (Fe2+) là thành phần của các muối hòa tan. Sắt (II) bicacbonat là một muối không bền, nó dễ dàng thuỷ phân thành sắt (II) hyđroxyt theo phản ứng sau: Fe(HCO)3)2 + 2H2O → Fe(OH)2 + 2H2CO3 Nếu trong nước có oxy hòa tan, sắt (II) hyđroxyt sẽ bị oxy hoá thành sắt (III) hyđroxyt theo phản ứng sau: 4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4Fe(OH)3 ↓ Trong tự nhiên nước ngầm thường tồn tại ở nhiều dạng khác nhau : Trường hợp 1: sắt hóa trị II bao gồm FeS, Fe(OH)2, FeCO3, Fe(HCO3)2 FeSO4, FeCl2….Chúng chủ yếu tồn tại ở dạng nước ngầm hay những nguồn nước không tiếp xúc với oxy, dạng sắt (II) thường là dạng dễ tan trong nước, có mùi tanh rất khó chịu. Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến tình trạng nước nhiễm phèn này là do mạch nước chảy qua những khu vực có chứa mỏ sắt hay chứa nhiều muối sắt tạo nên nước phèn (Bộ y tế, 2009)[4]. Trường hợp thứ 2: trường hợp sắt hoá trị III gồm: Fe(OH)3, FeCl3, Fe(SO4)3…..Dạng sắt (III) chủ yếu tồn tại ở dạng nước mặt (sông, suối, ao, hồ..) trong các hợp chất của sắt III thì Fe(OH)3 là chất keo tụ, dễ dàng lắng đọng hoàn toàn bể lắng và bể lọc, ngoài ra nó còn là chất keo lơ lửng có thể hấp thụ các chất bẩn trong nước. Chính vì vậy mà khi ta bơm nguồn nước ngầm lên ban đầu thấy nước rất trong nhưng sau đó để cho nước tiếp xúc với không khí (phơi nhiễm) thì nước lại bị đục lại, có mùi tanh đặc trưng và chất đục (cặn sắt đã bị oxi hóa) dễ dàng lắng xuống đáy bể chứa. Điều này là do Fe2+ trong nước bị oxi hoá thành Fe3+ (Bộ y tế, 2009) [4].