Chapter 13 Khu Fe Mn

3/19/2009

Giaùo trình hoùa kó thuaät moâi tröôøng

Saét vaø Mangan g

1

Saét (Fe) trong töï nhieân Nöôùc trong thieân nhieân thöôøng coù ñoàng thôøi saét vaø mangan, nhöng coù khi coù saét maø khoâng coù mangan. Saét trong caùc nguoàn nöôùc töï nhieân toàn taïi ôû 1 hoaëc nhieàu daïng khaùc nhau nhö sau: Nöôùc maët: ôû daïng ferric Fe3+ Æ caën lô löõng Laø nguyeân toá thöù tö caáu taïo voõ traùi ñaát (Fe - 5%) Thaønh phaàn phoå bieán trong nöôùc ngaàm Nöôùc ngaàm: (maïch trung hoaëc saâu):daïng hoøa tan Ferrous (Fe(HCO3)2, FeSO4 Haøm löôïng saét trong nöôùc ngaàm 0.5 - 50 mg/l

Fe trong nöôùc ngaàm ôû daïng hoøa tan, Ferric (Fe2+) (trong ñieàu kieäm kò khí) Fe coøn toàn taïi ôû daïng phöùc höõu cô Fe(OH)3 ôû daïng khoâng tan (caën lô löõng/keo) Æ loïai boû baúng phöông phaùp loïc Daïng khoâng tan khaùc: magnetite Fe3O4; goethite FeOOH; hematite Fe2O3 2

1

3/19/2009

Caùc vaán ñeà lieân quan vôùi saét trong caáp nöôùc Khoâng aûnh hưởng xaáu ñeán söùc khoûe Fe laø nguyeân toá caàn thieát cho chaát dinh döôõng con ngöôøi (minimum daily requirement for humans 10 - 50 mg/day)

Toáác ñoä haááp thuï Fe toáái ña moããi ngaøy (Provisional Maximum Tolerable Daily Intake PMTDI) laø 0.8 mg Fe / kg troïng löôïng cô theå (by JECFA

as a precaution);

(giaû söû 10% of PMTDI Î löôïng saét toái ña trong nöôùc uoùng chaáp nhaän ñöôïc laø 2 mg/l)

(JECFA- FAO/WHO expert committee on Food Additives)

Maøu naâu ñoû sau khi suïïc khí Muøi tanh, ngöôõng khoâng gaây muøi vaø maøu: 0.30 mg/l (WHO, 1996) 0.04 mg/l ( Faust & Aly, 1999) 3

Caùc vaán ñeà lieân quan vôùi saét trong caáp nöôùc Gaây oá quaàn aùo vaø thieát bò veä sinh Söï sinh truôûng cuûa vi sinh Fe trong heä thoáng caáp nöôùc Î Taêng ñoä ñuïc, chi phí duy tu ñöôøng oáng.

Hồ nước bị nhiễm Sắt

4

2

3/19/2009

Guidelines for Iron in Drinking Water WHO (1996) 0.3 mg/l Guideline value WHO (2004) no guideline value European Community 0.2 0 2 mg/l MAC (desired 0.05 0 05 mg/l) Dutch Water Supply Companies < 0.03 mg/l (recommendation)

5

YÙ nghóa moâi tröôøng (>0.3 mg/l) c (>0 coù où muøi u ñoû saãm ñuïc, maát caûm quan

Gaây ngoä ñoäc vì phaûn öùng vôùi peroxit

Ñôøi soáng

Taét daãn ñöôøng oáng

Taïo phöùc chaát vôùi 1 soá hôïp chaát 6

3

3/19/2009

Caùc PP xaùc ñònh haøm löôïng saét Phöông phaùp Phenalthroline Nguyeân taéc y Ñun soâi maãu vôùi hydroxide amine,, ôû p pH 3.2-3.3 taát caû saét hoøa tan ñeàu bò khöû thaønh saét 2, sau ñoù ion saét 2 seõ phaûn öùng vôùi 3 phaân töû phenanthroline taïo thaønh phöùc chaát coù maøu ñoû cam. Cô cheá phaûn öùng ñöôïc bieåu dieãn nhö sau: Fe(OH)3 + 3H+ → F e 3+ + H2O 4F e 3+ + 2 NH2OH → 4Fe 2+ +N2O+ H2O +4H+ 2+

+ Fe2+

3 N

N

N N N Fe N N N

1,10 Phenanthroline Đỏ cam

7

Caùc PP xaùc ñònh haøm löôïng saét Caùc yeáu toá aûnh höôûng cuûa phöông phaùp Caùc chaát oxy hoaù nhö :cyanua, phosphate, crom, keõm coù haøm löôïng vöôït quaù 10 laàn so vôùi haøm löôïng saéét ñeààu aûnh höôûng ñeán keát quaû phaân tích Cobalt, ñoàng coù haøm löôïng > 5mg/l gaây trôû ngaïi ñeán keát quaû phaân tích. Neáu maãu coù maøu hoaëc chöùa haøm löôïng chaát höõu cô cao, neân ñun caïn vaø duøng acid ñeå hoaø tan caën Maããu nöôùùc chöùùa haøøm löôïng saéét cao deãã keáát tuûûa, dính í vaøo thaønh bình. Do vaäy, caàn acid hoaù maãu ngay

sau khi laáy ñoàng thôøi nhôù laéc maãu thaät kyõ tröôùc

khi phaân tích.

8

4

3/19/2009

PP xaùc ñònh haøm löôïng saét trong ñaát Nguyeân taéc Phöông phaùp döïa treân nguyeân taéc ruùt Fe2+ vaø Fe3+ tö (co pH=5.6töø ñat ñaát bang baèng dung dòch KCl 1N (coù pH=5 66.0). Sau ñoù khöû toaøn boä Fe3+ thaønh Fe2+ vaø xaùc ñònh haøm löôïng saét baèng phöông phaùp so maøu phöùc taïp Fe2+ vôùi octophenanthroline.

9

PP xaùc ñònh haøm löôïng saét trong ñaát (tt) Caùch tieán haønh Caân 40 mg ñaát cho vaøo bình tam giaùc coù dung tích 200250 ml. Theâm 100 ml dung dòch KCl 1N. Laéc 5 phuùt hoaëc khuaáy ñeu ñeàu 1 phut. phuùt Ñe Ñeå yen yeân qua ñem, ñeâm sau ño ñoù môi môùi loï loc khuay c. Huùt 5 ml dung dòch cho vaøo bình ñònh möùc 50 ml,theâm vaøo 5 ml dung dòch ñeäm amonaxetat – axit axetic (pH = 4.1-4.2) theâm 2 ml dung dòch hydroxiaminclorua 10%, theâm 2 ml dung dòch octophenanthroline 0.25% roài theâm nöôùc caát ñeán vaïch. S Sau 30 phuù h ùt ño ñ maäät ñoä ñ ä quang hoï h c cuûûa dung d dò h baè dòch b èn g maùy so maøu quang hoïc ñieän vôùi kính loïc maøu xanh laù caây. Döïa vaøo ñoà thò chuaån xaùc ñònh haøm löôïng saét coù trong maãu phaân tích. 10

5

3/19/2009

Caùc phöông phaùp khöû saét Khöû saét trong nöôùc maët: Phöông phaùp keo tuï taïo boâng Oxy hoùùa sô boä keáát hôïp keo tuï Khöû saét trong nöôùc ngaàm: Phöông phaùp oxy hoùa – keát tuûa Phöông phaùp trao ñoåi ion Phöông phaù phap p loï loc c maø mang ng

11

Nguyeân taéc khöû saét Phaûn öùng khöû saét vôùi caùc taùc nhaân oxy hoùa khaùc nhau Oxygen: laø lam m thoaù thoang ng khöû khö sat saét 4Fe(HCO3)2 + O2 + H2O → 4Fe(OH)3 ↓ + 8H2O

Löôïng chaát oxy Löôïng kieàm hoùa caàn tieâu toán mg/mg Fe2+ mg/mg Fe2+ 0 14 0,14

1 80 1,80

Chlorine: 2Fe(HCO3)2 + Ca(HCO3)2 + Cl2 → 2Fe(OH)3↓ + CaCl2 + 6CO2

0,64

2,70

Chlorine dioxide: FFe(HCO (HCO3)2 + NaHCO N HCO3 + ClO2 → Fe(OH) F (OH)3↓ + NaClO2 + 3CO2

1,21

2,70

Potassium permangannate: 3Fe(HCO3)2 + KMnO4 + H2O → 3Fe(OH)3↓ + MnO2 + KHCO3 + 5CO2

0,94

1,50

12

6

3/19/2009

ng Laøm thoaùng

Oxy hoùa saét II Æ Saét III keát tuûa Taùch caën Fe keát tuûa baèng phöông phaùp laéng v loïc 4 Fe2+ + 8 HCO3- + O2 +2H2O Æ 4 Fe(OH)3 + 8 CO2 + 8 H2O Oxy hoùa Fe phuï thuoäc vaøo: pH thaáp Æ toác ñoä oxy hoùa giaûm DO, nhieät ñoä CO2 , ñoä kieàm

Lôùp VL l c xuùc taùc:

QT laøm thoaùng Î lôùp maøng treân beà maëët VL loc ï ((coù caáu tao ï töø Fe(III), Fe(OH)2 Fe (OH)3 Î Xuùc yac1 taêng toác ñoä oxi hoùa Fe(II). Thôøi gian taïo thaønh lôùp maøng xuùc taùc phuï thuoäc vaøo: haøm löôïng saét, côû haït, chieàu daøy LVLL, toác ñoä loïc. 13

Phương pháp pháp là làm m thoáng thoáng Laøm thoaùng Æ (kieàm hoùa) Æ lắng tiếp xúc Æloïc: 9 Saét cao và kết hợp khử cứng 9 Kieàm hoùa baèng voâi, xuùt 9 Lắng Lắ tiếp tiế xúc: ú thời gian i lưu l 30 45 phút, 30-45 hút tạo t điều điề kiện kiệ quá á ttrình ì h oxy hoá diển ra hoàn toàn và giử lại cặn lắng được 9 Loïc nhanh coù toác ñoä loïc < 7m/h

Voâi Voi Töø gieáng

Loïc Laøm thoaùng

chænh pH Laéng tieáp xuùc

14

7

3/19/2009

Mangan (Mn) trong töï nhieân Haøm löôïng mangan trong nöôùc thöôøng nhoû hôn 3mg/l, raát ít khi vöôït quaù 5 mg/l. Trong nöôc ng mangan phai nöôùc cap caáp cong coâng nghieäp, ham haøm löôï löông phaûi tö töø 0,03 mg/l trôû xuoáng. Trong nöôùc ngaàm, mangan thöôøng toàn taïi ôû daïng Mn(HCO3 )2 Trong nöôùc maët, mangan thöôøng toàn taïi ôû daïng MnSO4 Ngoaøi ra, mangan coøn toàn taïi ôû daïng caùc phöùc chaát höõu cô. ô Haøm löôïng mangan nöôùc ngaàm thöôøng cao hôn nöôùc maët.

15

Moät soá phöông phaùp xaùc ñònh Mn Phöông phaùp so maøu: Phuï thuoäc vaøo söï Oxy hoùa Mn ôû traïng thaùi Oxy hoùa thaáp thaønh Mn+7, khi ñoù seõ hình thaønh maøu raát roõ cuûa Ion Permanganate Maøu taïo ra tæ leä thuaän vôùi noàng ñoä cuûa Mn trong moät khoaûng dao ñoäng cho pheùp thích hôïp vôùi ñònh luaät Beer vaø ño baèng Quang Phoå Keá . Clorua seõ aûnh höôûng ñeán keát quaû Thí nghieäm do tính khöû cuûa Cl- trong moâi tröôøng Acid.

16

8

3/19/2009

Moät soá phöông phaùp xaùc ñònh Mn Phöông phaùp Persulface Phöông phaùp Persulface laø pp thích hôïp duøng trong phaân tích chæ tieâu Mn vì khoâng caàn phaûi xöû lí maãu nöôùc ñeå khaéc phuïc anh cua aûnh höông höôûng cuû a Cl- . AÛnh höôûng cuûa Cl- coù theå khaéc phuïc baèng caùch theâm Hg2+ ñeå taïo phöùc HgCl2, vì haèng soá beàn cuûa HgCl2 (=1,7.10 13), noàng ñoä cuûa Cl- giaûm ñeán möùc thaáp neân ko theå khöû Ion Permanganate. Söï Oxy hoùa Mn ôû traïng thaùi Oxy hoùa thaáp hôn thaønh Permanganate döôùi taùc duïng cuûa Persulfate ñoøi hoûi coù maët chaát xuc chat xuùc tac taùc Ag+. Ag+ Phan Phaûn öng öùng xaû xay y ra theo Pt sau : 2+ 22Mn + 5S208 +8H20=2Mn04- +10S042- +16H+ Maøu do Ion Permanganate taïo ra beàn trong vaøi giôø vôùi ñieàu kieän nöôùc caát coù chaát löôïng toát vaø maãu ñöôïc abro quaûn ko bò nhieãm buïi töø khoâng khí . 17

Moät soá phöông phaùp xaùc ñònh Mn Phöông phaùp Traéc Quang duøng Fomaldoxim Phaïm vi aùp duïng Phöông phaùp naøy duøng ñeå xaùc ñònh mangan trong khoaûng noàng ñoä töø 0,01mg/l ñeán 5mg/l. Nhöõng noàng ñoä mangan lôù hôn hô 5mg/l 5 /l coù the th å xac ù ñònh ñò h ñöôï ñöô c sau khi ña ñ õ pha h loang l õ lôn maãu thích hôïp. Phöông phaùp naøy khoâng aùp duïng cho caùc loaïi nöôùc bò oâ nhieãm cao. Nguyeân taéc Theâm dung dòch fomaldoxim vaøo maãu thöû vaø ño quang phöùc maøu ñoû da cam ôû böôùc soùng khoaûng 450nm. Neá eu u Mn toà o n tai aï döô döôùi daï dang g huyeà uye n p phuø u hoaë oaëc lieâ en keá e t vôù ô i cac caùc hôïp chaát höõu cô, caàn phaûi xöû lyù tröôùc ñeå chuyeån mangan thaønh daïng phaûn öùng ñöôïc vôùi fomaldoxim. Phöùc chaát mangan fomaldoxim beàn ôû pH giöõa 9,5 vaø 10,5 vaø cöôøng ñoä maøu tyû leä vôùi löôïng mangan coù trong dung dòch. Quan heä tuyeán tính giöõa noàng ñoä vaø ñoä haáp thuï ñaït tôùi noàng ñoä mangan 5mg/l. Haáp thuï cöïc ñaïi ôû khoaûng 18 450nm (heä soá haáp thuï mol laø 11 x 103l/mol.cm).

9

3/19/2009

Caùc phöông phaùp khöû Mangan Thöïc teá khöû Mn ñöôïc tieán

nh song song vôùi khöû saét;

Mn trong nöôùc ngaàm ôû daïng Mn2+ hoaëc MnOH+ Mn (II) Æ Mn (III) va vaø Mn (IV) ket keát tuû tua a Laøm thoaùng: 2 Mn(HCO)3 + O2 + 6H2O Æ 2 Mn(OH)4 + 4H+ + 4 HCO3Oxy hoùa Mn xaûy ra nhanh ôû pH > 8 khi coù chaát xuùc taùc MnO2. Chaát xuùc taùc naøy hình thaønh trong qtrình loïc do sö oxy hoa söï hoùa chaäm Mn (II) thaø thanh nh MnO2 tren treân be beà maët loï loc c theo phaûn öùng: Mn2+ + MnO2 Æ MnO2.Mn2+ MnO2.Mn2+ + O2 Æ 2MnO2

Î hình thaønh caùt ñen 19

Caùc phöông phaùp khöû Mangan Laøm thoaùng Æ loïc oxyhoùa maïnh Æ laéng (coù/khoâng) Æ loïc: 2 + 2ClO + 2H O Æ MnO + 2O + 2Cl- + 4H+ Mn2+ 2 2 2 2

1 mg Mn2+ caàn 2.5 mg ClO2 Ozon: Mn2+ +O3+H2O Æ MnO2+O2+2H+

Khi chon ï p phöông gp phaùp khöû mangan g vaø saét trong g nöôùc nguoàn neân tieán haønh thöïc hieän taïi choå ñeå coù ñöôïc phöông aùn hieäu quaû vaø toái öu.

20

10

3/19/2009

Nguyeân taéc khöû mangan Phaûn öùng khöû mangan vôùi caùc taùc nhaân oxy hoùa khaùc nhau Oxygen: laø lam m thoaù thoang ng khöû khö sat saét 2MnSO4 + Ca(HCO3)2 + O2 → MnO2↓ + 8CaSO4 + 2H2O + 2CO2

Löôïng chaát oxy Löôïng kieàm hoùa caàn tieâu toán mg/mg Fe2+ mg/mg Fe2+ 0 29 0,29

1 80 1,80

Chlorine: Mn(HCO3)2 + Ca(HCO3)2 + Cl2 → MnO2↓ + CaCl2 + 2H2O + 4CO2

1,29

3,64

Chlorine dioxide: Mn(HCO M (HCO3)2 + 2NaHCO 2N HCO3 + 2ClO2 → MnO M O2↓ + 2NaClO2 + 2H2O + 2CO2

2,46

3,60

Potassium permangannate: 3Fe(HCO3)2 + 2KMnO4 → 5MnO2↓ + 2KHCO3 + 2H2O + 4CO2

1,92

1,21

21

11