Fe Removal

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA TP. HOÀ CHÍ MINH KHOA MOÂI TRÖÔØNG

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM XỬ LÝ CHẤT THẢI

KHỬ SẮT TRONG NƯỚC CẤP Nhóm thí nghiệm: 1 Ngày thí nghiệm: 10/3/2004 Nơi thí nghiệm: PTNHMT Giáo viên hướng dẫn: Cô Nguyễn Thị Thanh Phượng Sinh viên thực hiện: MSSV Huỳnh Khánh An 90000004 Trần Thị Kim Anh 90000077 Bùi Ngọc Anh 90000022 Nguyễn Văn Bé 90000139 Lê Thị Chu Biên 90000140 Lê Minh Châu 90000207 Đỗ Thị Minh Châu 90000205 Nguyễn T. Quý Châu 90000215

TP. HCM – Tháng 3/2004

Báo cáo thí nghiệm – Khử sắt trong nước cấp

1. TRÍCH YẾU - Yêu cầu: thí nghiệm khử sắt trong nước cấp - Nội dung: + Tìm pH tối ưu + Tìm thời gian phản ứng tối ưu + Nghiên cứu khả năng khử sắt trong nước cấp khi làm thoáng - Kết quả: + pH tối ưu = 7,80 + Tìm thời gian phản ứng tối ưu t = 9-9,5 phút + Nghiên cứu khả năng khử sắt trong nước cấp khi làm thoáng: đạt 89,54 % (pH=8,95, thời gian phản ứng 15 phút). - Kiến nghị: + Thay mô hình hiện nay (từng mẻ) bằng mô hình liên tục cho phù hợp điều kiện thực tế + Cần có đầy đủ dụng cụ thí nghiệm có độ chính xác cao (bình định mức) để xác định hàm lượng sắt chính xác hơn.

Nhóm 1__________________________________________________________________

1

Báo cáo thí nghiệm – Khử sắt trong nước cấp

2. LÝ THUYẾT 2.1. Giới thiệu chung về sắt: Sắt có mặt khắp nơi, cấu tạo nên vỏ trái đất. Trong nước thiên nhiên, kể cả nước mặt và nước ngầm điều có chứa sắt. Hàm lượng sắt và dạng tồn tại của chúng tuỳ thuộc vào từng loại nguồn nước, điều kiện môi trường, nguồn gốc tạo thành... Trong nước mặt, sắt tồn tại ở dạng hợp chất Fe3+, thưòng là Fe(OH)3 không tan, ở dạng keo hay huyền phù, hoặc ở dạng hợp chất hữu cơ phức tạp ít tan. Hàm lượng sắt thay đổi và ít khi vượt quá 1 mg/l, đặc biệt khi nước có tính kiềm và sẽ được khử trong quá trình làm trong nước. Trong nước ngầm, do có pH thấp, sắt tồn tại ở dạng ion. Sắt có hoá trị 2 là thành phần của các muối tan như Fe(HCO3)2, FeSO4. Hàm lượng sắt có trong các nguồn nước ngầm thường cao và phân bố không điều trong các lớp trấm tích dưới sâu. 2.2. Ý nghĩa môi trường: Sắt là nguyên tử vi lượng cần thiết để cho cơ thể cấu tạo hồng cầu. Vì thế, sắt với hàm lượng 0,3 mg/l là mức ấn định cho phép đối với nước sinh hoạt. Vượt quá giới hạn trên, sắt có thể gây ra những trở ngại sau: - Mùi tanh đặc trưng của sắt, khi tiếp xúc với khí trời, kết tủa Fe(OH) 3 hình thành, làm nước có màu đỏ gạch tạo ấn tượng không tốt cho người sử dụng. Vì thế, nước có sắt không thể dùng cho một số nghành công nghiệp đòi hỏi chất lượng cao như: giấy, du lịch, tơ, sợi, dệt, thực phẩm, dược phẩm… - Kết tủa sắt lắng đọng thu hẹp dần tiết diện hữu dụng của ống dẫn trong mạng lưới phân phối nước. Do các lý do trên, việc xử lý sắt có ý nghĩa quan trọng trong đời sống cũng như trong sản xuất công nghiệp. 2.3. Phương pháp xác định sắt: Phương pháp Phenanthroline (Fe = 0-2 mg/l): - Nguyên tắc: khi đun sôi mẫu với hydroxylamin ở pH =3,2- 3,3, tất cả sắt hòa tan đều bị khử thành sắt(II), sau đó ion sắt (II) sẽ tạo phức với ba phân tử 1,10phenanthrolin, phức chất này có màu đỏ cam, xảy ra theo phản ứng:

Nhóm 1__________________________________________________________________

2

Báo cáo thí nghiệm – Khử sắt trong nước cấp

Fe(OH)3 +

3 H+

→ Fe3+ +

4 Fe3+

2 NH2OH

→ 4 Fe2+ + N2O + H2O + 4 H+

+

H2O 2+

N

N

3

+ Fe2+ N

Fe

N N

N N

N

1,10-phenanthroline

Phöù c chaá t maø u cam

Ở pH: 3-9, cường độ màu tỉ lệ với hàm lượng sắt (II) trong dung dịch đo. Để phản ứng nhanh và hoàn toàn, cần điều chỉnh pH = 2.9- 3.5 và dùng lượng thừa phenanthrolin 2.4. Các phương pháp khử sắt: Hiện nay, có nhiều phương pháp khử sắt của nước ngầm, có thể chia làm ba nhóm chính như sau: - Khử sắt bằng phương pháp làm thoáng. - Khử sắt bằng phương pháp dùng hoá chất - Các phương pháp khử sắt khác. 2.4.1. Khử sắt bằng phương pháp làm thoáng: Thực chất của phương pháp khử sắt bằng làm thoáng là làm giàu oxy cho nước, tạo điều kiện để oxy hoá Fe2+ thành Fe3+ thực hiện qua trình thuỷ phân để tạo thành hợp chất ít tan Fe(OH)3 rồi dùng bể lọc để giữ lại. Làm thoáng có thể là làm thoáng tự nhiên hay làm thoáng nhân tạo. Sau khi làm thoáng, quá trình oxy hoá Fe2+ và thuỷ phân Fe3+ có thể xảy ra trong môi trường tự do, môi trường hạt hay môi trường xúc tác. - Trong nước ngầm, sắt (II) bicacbonat là muối không bền vững, thường phân ly theo dạng sau: Fe(HCO3)2 = 2HCO32- + Fe2+ - Nếu trong nước có oxy hoà tan, quá trình oxy hoá và thuỷ phân diễn ra như sau: 4Fe2+ + O2 + 10H2O = 4Fe(OH)3 + 8H+

Nhóm 1__________________________________________________________________

3

Báo cáo thí nghiệm – Khử sắt trong nước cấp

Đồng thời xảy ra phản ứng phụ H+ + HCO3- = H2O + CO2 - Tốc độ phản ứng được biểu diễn theo phưong trình sau:

V=

d [ Fe 2+ ] [ Fe 2+ ][O2 ] = K dt [ H + ]2

Đây chính là phương trình của Just. Trong đó: v: vận tốc oxi hoá d [ Fe 2+ ]: sự biến thiên [Fe2+] theo thời gian t. dt

[Fe2+]; [H+]; [O2]: nồng độ của các ion Fe2+, H+ và oxi. K: hằng số tốc độ phản ứng, phụ thuộc vào nhiệt độ và chất xúc tác Như vậy, quá trình chuyển hoá Fe2+ thành Fe3+ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như pH; O2; hàm lượng sắt của nước ngầm; CO2; độ kiềm, nhiệt độ, thời gian phản ứng. Ngoài ra, tốc độ oxi hóa sắt(II) còn phụ thuộc vào oxy hóa khử tiêu chuẩn. Khi tất cả ion Fe2+ hoà tan trong nước đã chuyển hóa thành bông cặn Fe(OH) 3, việc loại bỏ các bông cặn ra khỏi nước được thực hiện ở bể lọc chủ yếu theo cơ chế giữ cặn cơ học. 2.4.2. Khử sắt bằng phương pháp dùng hóa chất 2.4.2.1. Khử sắt bằng các chất oxy hóa mạnh: Các chất oxy hóa mạnh thường được sử dụng để khử sắt là: Cl2, KMnO4, O3… Khi cho các chất oxy hóa mạnh vào nước, phản ứng diễn ra như sau: 2Fe2+ +Cl2 + 6H2O = 2Fe(OH)3 + 2Cl- + 6H+ 3Fe2+ + KMnO4 + 7H2O = 3Fe(OH)3 + MnO2 + K+ + 5H+ Trong phản ứng, để oxy hoá 1 mg Fe2+, cần 0,64 mg Cl2 hoặc 0,94 mg KMnO4. Đồng thời, độ kiềm của nước giảm đi 0,018 mgđl/l.

Nhóm 1__________________________________________________________________

4

Báo cáo thí nghiệm – Khử sắt trong nước cấp

So sánh với phương pháp khử sắt bằng làm thoáng ta thấy, dùng chất oxy hóa mạnh, phản ứng xảy ra nhanh hơn, pH môi trường thấp hơn. Nếu trong nước có tồn tại các chất như H2S, NH3 thì chúng gây ảnh hưởng tới quá trình khử sắt do phản ứng: 2H2S + O2 = 2S + 2H2O 2.4.2.2. Khử sắt bằng vôi: Phương pháp khử sắt bằng vôi thường không đứng độc lập mà kết hợp với các quá trình làm ổn định hoặc làm mềm nước. Khi cho vôi vào nước, quá trình khử sắt sẽ xảy ra theo hai trường hợp: - Trường hợp nước có oxi hòa tan: vôi được coi như chất xúc tác, phản ứng khử sắt diễn ra như sau: 4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O + 4Ca(OH)2 → Fe(OH)3 ↓ + 4Ca(HCO3)2 Sắt(III) hydroxit được tạo thành, dễ dàng lắng lại trong bể lắng và được giữ lại hoàn toàn trong bể lọc. - Trong trường hợp không có oxy hoà tan: khi cho vôi vào nước, phản ứng diễn ra như sau: Fe(HCO3) + Ca(OH)2

→ FeCO3 + CaCO3 + H2O

Sắt được khử dưới dạng FeCO3 chứ không phải hydroxit sắt. 2.4.2.3. Các phương pháp khử sắt khác: - Khử sắt bằng trao đổi cation. - Khử sắt bằng điện phân. - Khử sắt bằng phương pháp vi sinh vật. - Khử sắt ngay trong lòng đất.

Nhóm 1__________________________________________________________________

5

Báo cáo thí nghiệm – Khử sắt trong nước cấp

3. THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM: 3.1. Hóa chất – dụng cụ: 3.1.1. Dùng trong thí nghiệm khử sắt: - 1 ống đong 25ml - 1 ống đong 50ml - Máy đo pH - Dung dịch NaOH 1N - Dung dịch NaOH 5N - Dung dịch FeSO4 3.1.2. Dùng trong xác định hàm lượng sắt: - Erlen 100ml - Bình định mức 50 ml. - Pipet - Quang phổ kế với bước sóng 510 nm. - Bếp điện. - Dung dịch HCl đđ. - Dung dịch đệm Amonium acetate - Dung dịch Phenenthroline. - Dung dịch Hydroxylamin. 3.2. Khử sắt trong nước cấp bằng phương pháp làm thoáng. 3.2.1. Thí nghiệm 1: xác định giá trị pH tối ưu: - Nước cấp trong bể chứa nước thô có hàm lượng sắt khoảng 5ppm, ở các giá trị pH khác nhau như: 5,5-6,5-7,5 (dùng dung dịch FeSO4 và NaoH 1N)

Nhóm 1__________________________________________________________________

6

Báo cáo thí nghiệm – Khử sắt trong nước cấp

- Mở van 1 và van 2, bật bơm, bơm nước thô lên giàn mưa với lưu lượng 4l/phút. - Thời gian phản ứng 15 phút để quá trình chuyển hoá Fe2+ thành Fe3+ xảy ra ( thời gian sục khí sau khi nước từ giàn mưa, qua sàn tung nước xuống hết bể sục khí). - Sau đó, mở van 3 và van 4, đóng van 1 và van 2. Tiếp tục bơm nước qua cột lọc cát với lưu lượng 1,5-2phút/l. Lấy mẫu nước ở van số 5. Xác định hàm lượng sắt có trong nước cấp đã xử lý (sau khi được chảy qua cột lọc 15 phút) 3.2.2. Thí nghiệm 2: xác định thời gian tối ưu - Nước cấp trong bể chứa nước thô có hàm lượng sắt khoảng 5ppm, ở giá trị pH=7 (dùng dung dịch FeSO4 và NaoH 1N) - Nước cấp bơm lên giàn mưa. Thay đổi thời gian phản ứng 5-10-15 phút của quá trình chuyển hoá Fe2+ thành Fe3 (thời gian sục khí sau khi nước từ giàn mưa, qua sàn tung nước xuống hết bể sục khí). - Tiếp tục bơm nước qua cột lọc, xác định hàm lượng sắt có trong nước cấp đã xử lý (sau khi được chảy qua cột lọc 15 phút) 3.2.3. Thí nghiệm 3: xác định khả năng khử sắt bằng phương pháp làm thoáng: - Nước cấp trong nước thô có hàm lượng sắt khoảng 30ppm, ở giá trị pH ≈ 7 (dùng dung dịch FeSO4 và NaoH 6N) - Nước cấp bơm lên giàn mưa, thời gian phản ứng 15 phút để quá trình chuyển hoá Fe2+ thành Fe3. - Tiếp tục bơm nước qua cột lọc, xác định hàm lượng sắt có trong nước cấp đã xử lý (sau khi được chảy qua cột lọc 15 phút)

Nhóm 1__________________________________________________________________

7

Báo cáo thí nghiệm – Khử sắt trong nước cấp

Nhóm 1__________________________________________________________________

8

Báo cáo thí nghiệm – Khử sắt trong nước cấp

3.3. Quy trình xác định hàm lượng sắt (Phenanthroline) + Lắc kỹ mẫu, lấy 25 ml mẫu vào elen 125 ml. + Thêm 1 ml acid HClđđ và 1 ml dd hydroxylamin vào mẫu. + Cô mẫu đến còn khoảng 10 ml. Làm nguội mẫu đến nhiệt dộ phòng. Cho lượng mẫu này vào ống đong tráng erlen bằng vài nước cất không sắt, nhập nước rửa vào ống, rồi định mức đến vạch 18 ml bằng nước cất không sắt + Cho vào mẫu 5 ml dung dịch đệm Amonium acatate và 2 ml dd Phenanthroline, lắc đều mẫu. + Để yên từ 10-15 phút để sự hiện màu xảy ra hoàn toàn. Đo mẫu ở bước sóng 510 nm. 3.4. Kết quả thô: mỗi thí nghiệm xác định hàm lượng sắt được thực hiện 2 lần 3.4.1. Thí nghiệm 1: xác định giá trị pH tối ưu: - Đầu vào: pha loãng mẫu 20 lần - Đầu ra: pha loãng mẫu 10 lần Đầu vào

Lần TN

pH

1

Đầu ra

5,91

Độ hấp thu 0,698

6,63

Độ hấp thu 0,256

2

6,80

0,709

7,20

0,202

3

7,30

0,710

7,24

0,143

pH

3.4.2. Thí nghiệm 2: xác định thời gian tối ưu: - Đầu vào: pha loãng mẫu 10 lần - Đầu ra: pha loãng mẫu 10 lần Đầu vào

Đầu ra

Thời gian (phút)

pH

Độ hấp thu

pH

Độ hấp thu

5

7,28

0,241

8,70

0,099

Nhóm 1__________________________________________________________________

9

Báo cáo thí nghiệm – Khử sắt trong nước cấp

10

7,28

0,241

8,25

0,071

15

7,28

0,241

7,78

0,144

3.4.3. Thí nghiệm 3: xác định khả năng khử sắt bằng phương pháp làm thoáng: - Đầu vào: pha loãng mẫu 25 lần - Đầu ra: pha loãng mẫu 10 lần Đầu vào Độ hấp pH thu 8,95

0,491

Đầu ra Độ hấp pH thu 7 0,176 ,75

Nhóm 1__________________________________________________________________

10

Báo cáo thí nghiệm – Khử sắt trong nước cấp

11

4. KẾT QUẢ: Phương trình đường chuẩn sắt: A = 0,9564C + 0,0645 Trong đó: - A: độ hấp thu - C: nồng độ (mg/l) 4.1. Thí nghiệm 1: xác định giá trị pH tối ưu: Lần TN

pH 5 ,91 6 ,80 7 ,30

1 2 3

1

Đầu vào pH 5,91

2

6,80

3

7,30

Lần TN

Đầu vào Nồng độ (ppm)

pH

Đầu ra Nồng độ (ppm)

13,248

6,63

2,002

13,478

7,20

1,438

13,488

7,24

0,821

Đầu ra pH 6,63

% sắt được xử lý 84,886

7,20

89,333

Ảnh hưởng của pH trong xử lý sắt 7,24

96

93,915 y = 2,8642x2 - 31,659x + 172,68 R2 = 1

94 92 90

86

84 5,5

ợ cx ử lý

ắ t đư

% S

88

Nhóm 1__________________________________________________________________ 6,0

6,5

pH đầu vào

7,0

7,5

Báo cáo thí nghiệm – Khử sắt trong nước cấp

- Khi khảo sát pH tối ưu, ta phải cố định các yếu tố khác như nồng độ sắt, thời gian phản ứng (15 phút)… nhưng do điều kiện thí nghiệm: dung dịch sắt ban đầu, lượng nước cho vào… không thật chính xác nên nhóm tiến hành khảo sắt % sắt được xử lý thay cho khảo sát nồng độ sắt sau khi xử lý % Sắt được xử lý = (nồng độ vào – nồng độ ra)/ nồng độ vào - Nhận xét: qua đồ thị ta thấy: + Khả năng xử lý sắt tăng khi pH tăng. +Trong thí nghiệm, % sắt được xử lý đạt giá trị cực đại khi pH= 7,44 + Theo phương trình từ đồ thị, khi pH = 7,80, có thể xử lý được 100 % sắt ⇒ pH=7,80 là pH tối ưu. 4.2. Thí nghiệm 2: xác định thời gian tối ưu: - Đầu vào: cố định + pH = 7,28 + Nồng độ sắt = 1,845ppm Thời gian (phút)

1,0

Đầu ra pH

Nồng độ (ppm) Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 5 8,70 0,361 trong xử lý sắt 10 8,25 0,068 15

7,78

0,831

0,8 0,6

ộ s ắ t còn l

N ồ ng đ

0,2

ạ i (ppm)

0,4

0,0 2,5

Nhóm 1__________________________________________________________________ 5

7,5

10

12,5

Thời gian phản ứng (phút)

15

17,5

12

Báo cáo thí nghiệm – Khử sắt trong nước cấp

- Nhận xét: + Thời gian phản ứng từ 5-10 phút: khả năng xử lý sắt tăng + Thời gian phản ứng từ 10-15 phút: khả năng xử lý sắt giảm dần. Đồng thời, pH cũng giảm dần theo thời gian. Nguyên nhân: có sự hòa tan của khí CO 2 vào trong nước khi thời gian phản ứng kéo dài làm giảm pH + Theo đồ thị: thời gian phản ứng tối ưu là khoảng từ 9-9,5 phút. 4.3. Thí nghiệm 3: xác định khả năng khử sắt bằng phương pháp làm thoáng: Đầu vào

Đầu ra

pH

Nồng độ (ppm)

pH

Nồng độ (ppm)

8 ,95

11,149

7,75

1,166

- Thời gian phản ứng: 15 phút - Nhận xét: mặc dù thời gian phản ứng và pH chưa đạt tối ưu nhưng bằng phương pháp làm thoáng, ta đã xử lý được 89,54% sắt. Điều này cho thấy rằng xử lý sắt trong nước sinh hoạt bằng phương pháp làm thoáng là công nghệ có hiệu quả cao, hoạt động đơn giản, chi phí đầu tư thấp… Tuy nhiên, bên cạnh phương pháp này, cần phải sử dụng các phương pháp khác để nâng cao chất lượng nước phục vụ cho sinh hoạt (nồng độ sắt <0,3 mg/l – Tiêu chuẩn vệ sinh đối với chất lượng nước cấp cho ăn uống và sinh hoạt, tiêu chuẩn tạm thời ban hành kèm theo QĐ số 505BYT/QĐ ngày 13.4.1992)

Nhóm 1__________________________________________________________________

13

Báo cáo thí nghiệm – Khử sắt trong nước cấp

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Standard methods for examination of water and wastewater. 19th edition 1995 2. Clair N. Sawyer, Perry L. McCarty, Gene F. Parkin: Chemistry for environmental engineering. McGraw- Hill International Edition, four edition 3. Trịnh Xuân Lai, Cấp nước – Tập 2: xử lý nước thiên nhiên cấp cho sinh hoạt và công nghiệp. NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2002 4. Khoa Môi Trường – ĐHBK TP.HCM, Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm xử lý chất thải, 2002

Nhóm 1__________________________________________________________________

14