Nghien Ckh1

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

LỜI NÓI ĐẦU 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. Lượng nước này phần lớn được lấy từ nguồn nước ngầm với hàm lượng sắt và mangan tương đối cao. Kết quả làm cho sức khoẻ của người dân suy giảm nghiêm trọng và hư hại thiết bị sinh hoạt và làm thức ăn mất ngon. Một vấn đề nữa chúng ta muốn nói đến đó là nước ta phần lớn dân số sống ở vùng nông thôn, nơi mà nước cấp được xử lý chưa đến với họ đặt biệt là người dân sống ở miền núi. Cùng với sự phát triển của công nghiệp, khoa học và công nghệ đã đưa yêu cầu chất lượng cuộc sống của con người lên cao hơn và yêu cầu sử dụng nước cũng vậy. Nói thì vậy nhưng nước ta số người dân sử dụng nước sinh hoạt được xử lý trong hộ gia dình rất ít và gần như chưa có đây là vấn đề quan trọng cần được quan tâm. Nhằm nâng cao chất lượng nước sinh hoạt cho người dân ở nông thôn và không quá tốn kém về kinh tế, đây là lý do chúng làm đề tài “xây dựng mô hình khí Mn và Fe trong nước ngầm dùng tấm cascade sử dụng trong hộ gia đình”.

1

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

MỤC LỤC Trang PHẦN 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ .......................................................................................4 Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ NƯỚC NGẦM.......................................................5 1. Nguồn nước ngầm...............................................................................................5 2. Thành phần nước ngầm.......................................................................................5 3. Ảnh hưởng của nước ngầm đến sức khỏe............................................................6 Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM................7 1. Các phương pháp khử sắt trong nước ngầm........................................................7 1.1. Phương pháp oxy hóa sắt..................................................................................8 1.2. Phương pháp khử sắt bằng quá trình oxy hóa ..................................................8 1.3. Khử sắt bằng hóa chất......................................................................................9 2. Một số thiết bị khử sắt.......................................................................................11 2.1. Làm thoáng đơn giản trên bề mặt bể lọc.........................................................11 2.2. Tháp làm thoáng tự nhiên..............................................................................11 2.3. Tháp làm thoáng cưỡng bức...........................................................................11 3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử sắt......................................................13 PHẦN 2 :

GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ................................................................14

Chương 1 : MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ..........................................................................15 Chương 2 : PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU......................................................16 1. Phương pháp xác định kim loại bằng máy quang phổ UV-VIS.........................16 2. Các phương pháp xác định lượng bằng phương pháp trắc quang.....................18 3. Hóa chất và thiết bị............................................................................................19 3.1. Thiết bị...........................................................................................................19

2

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

3.2. Hóa chất.........................................................................................................20 4. Xây dựng đường chuẩn.....................................................................................21 5. Tiến hành nghiên cứu hiệu quả xử lý.................................................................23 PHẦN 3 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................32 1. Kết luận.............................................................................................................33 2. Kiến nghị ..........................................................................................................33 Tài liệu tham khảo.................................................................................................34

3

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

PHẦN

1

ĐẶT VẤN ĐỀ

4

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Chương 1:

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

TỔNG QUAN VỀ NƯỚC NGẦM

1. Nguồn nước ngầm Nước ngầm tạo thành bởi nước mưa trên mặt đất, thấm qua các lớp đất, được lọc sạch và giữ lại trong các lớp đất chứa nước. Lớp đất giữ nước thường là cát ,sỏi, cuội hoặc lẫn lộn các thứ trên với các cỡ hạt và thành phần khác nhau.Lớp đất cản nước thường là đất sét, đất thịt…Ngoài ra nước ngầm có thể còn do nước thấm từ đáy, thành sông hoặc hồ tạo ra. Có hai loại nước ngầm: • Nước ngầm không áp: thường là nước ngầm mạch nông ở độ sâu từ 3 đến 10 met. Loại này thường bị nhiễm bẩn nhiều, trữ lượng ít và chịu ảnh hưởng trực tiếp của thời tiết. • Nước ngầm có áp: thường là nước ngầm mạch sâu trên 20m chất lượng nước tốt hơn, trữ lượng nước tương đối phong phú. Đôi khi nước ngầm còn gọi là nước mạch từ các sườn núi hoặc thung lũng chảy lộ thiên ra ngoài mặt đất đó là do các kẽ nứt thông với các lớp đất chứa nước gây ra. Nước ngầm có ưu điểm là rất trong sạch hàm lượng cặn nhỏ, ít vi trùng,xử lý đơn giản,vì vậy nước ngầm thường được ưu tiên chọn làm nước sinh hoạt. Ở nước ta nước ngầm tương đối phong phú và được sử dụng hầu hết trong cả nước. 2.Thành phần nước ngầm Thành phần chất lượng của nước ngầm phụ thuộc vào nguồn gốc của nước ngầm, cấu trúc địa tầng của khu vực và chiều sâu địa tầng nơi khai thác nước. Ở các khu vực được bảo vệ tốt, ít có nguồn thải gây nhiễm bẩn , dựa theo thành phần nước ngầm thì nước ngầm cũng có 2 loại khác nhau.

5

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

Nước ngầm hiếu khí: Thông thường nước có oxy có chất lượng tốt. Trong nước có oxy sẽ không có các chất khử như H2S ,CH4, NH4.. Tóm lại trong nước ngầm có chứa các anion và các cation chủ yếu là Na+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, NH4+ và các anion chủ yếu là HCO3-, SO42-, Cl- , cần chú ý là tổng đương lượng các anion bằng tổng đương lượng các cation. Nồng độ các tạp chất chứa trong nước ngầm phụ thuộc vào vị trí địa lý của nguồn nước, thành phần các tầng đất đá trong khu vực, độ hòa tan của các tạp chất trong nước, sự có mặt của các chất dễ bị ph6n hủy bằng sinh hóa trong đất đá. Nước ngầm cũng có thể bị nhiễm bẩn do các hoạt động của con người, như phân bón, chất thải hóa học, nước thải sinh hoạt và công nghiệp, hóa chất bảo vệ thực vật… Các nguồn nước thường chứa hàm lượng lớn chất bẩn hữu cơ NH4+, PO43cũng như các loài vi sinh vật gây bệnh. Xử lý nước ngầm nhiễm bẩn là công việc khá khó khăn để đạt các chỉ tiêu chất lượng nước sạch. 3. Ảnh hưởng của nước ngầm đến sức khỏe Nước có hàm lượng sắt cao, làm cho nước có mùi tanh và có màu vàng, gây ảnh hưởng không tốt đến chất lượng nước ăn uống sinh hoạt và sản xuất. Do đó, khi mà nước có hàm lượng sắt cao hơn giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn thì chúng ta phải tiến hành khử sắt. Khi dùng nước uống nhiễm phèn lâu ngày, chất sắt trong phèn có thể tích tụ lại ở gan, gây xơ gan và ung thư gan. Sắt thừa cũng có thể dẫn đến các bệnh về tim, khớp và thần kinh... Bệnh nhân nhiễm sắt thường có sắc mặt sạm đen hơn nhiều so với trước Ở nước ta, do có nhiều nguồn nước uống nhiễm phèn, nguy cơ ung thư và xơ gan do ngộ độc sắt là khá lớn.

6

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Chương 2

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ SẮT TRONG NƯỚC NGẦM

1. Các phương pháp khử sắt trong nước ngầm Trong nước ngầm sắt thường tồn tại ở dạng ion, sắt có hoá trị 2 (Fe 2+) là thành phần của các muối hoà tan như: Fe(HCO3)2; FeSO4…hàm lượng sắt có trong các nguồn nước ngầm thường cao và phân bố không đồng đều trong các lớp trầm tích dưới đất sâu. Nước có hàm lượng sắt cao, làm cho nước có mùi tanh và có màu vàng, gây ảnh hưởng không tốt đến chất l ượng nước ăn uống sinh hoạt và sản xuất. Do đó, khi mà nước có hàm lượng sắt cao hơn giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn thì chúng ta phải tiến hành khử sắt. Các hợp chất vô cơ của ion sắt hoá trị II Các hợp chất vô cơ của ion sắt hoá trị II: -

FeS, Fe(OH)2, FeCO3, Fe(HCO3)2, FeSO4, v.v…

-

Các hợp chất vô cơ của ion sắt hoá trị III: Fe(OH)3, FeCl3 …trong đó Fe(OH)3 là chất keo tụ, dễ dàng lắng đọng trong các bể lắng v à bể lọc. Vì thế các hợp chất vô cơ của sắt hoà tan trong nước hoàn toàn có thể xử lý bằng phương pháp lý học: làm thoáng lấy oxy của không khí để oxy hoá sắt hoá trị II th ành sắt hoá trị III và cho quá trình thuỷ phân, keo tụ Fe(OH)3 xảy ra hoàn toàn trong các bể lắng, bể lọc tiếp xúc v à các 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 hoà tan Fe(OH)+, Fe(OH)3 tồn tại tuỳ thuộc vào giá trị thế oxy hoá khử và pH của môi trường.

-

Các loại phức chất và hỗn hợp các ion hoà tan của sắt không thể khử bằng ph ương pháp lý học thông thường, mà phải kết hợp với phương pháp hoá học. Muốn khử sắt ở dạng này phải cho thêm vào nước các chất oxy hoá như: Cl-,

7

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

KMnO4, Ozone, đã phá vỡ liên kết và oxy hoá ion sắt thành ion hoá trị III hoặc cho vào nước các chất keo tụ FeCl 3 , Al(SO4)3 và kiềm hoá để có giá trị pH thích hợp cho quá tr ình đồng keo tụ các loại keo sắt và phèn xảy ra triệt để trong các bể lắng, bể lọc tiếp xúc và bể lọc trong. 1.1 Phương pháp oxy hoá sắt Nguyên lý của phương pháp này là oxy hoá (II) thành s ắt (III) và tách chúng ra khỏi nước dưới dạng hyđroxyt sắt (III). Trong nước ngầm, sắt (II) bicacbonat là một muối không bền, nó dễ d àng thuỷ phân thành sắt (II) hyđroxyt theo phản ứng: Fe(HCO)3)2 + 2H2O → Fe(OH)2 + 2H2CO3 Nếu trong nước có oxy hoà tan, sắt (II) hyđroxyt sẽ bị oxy hoá th ành sắt (III) hyđroxyt theo phản ứng: 4Fe(OH)2 + 2H2O + O2  4Fe(OH)3 ↓ Sắt (III) hyđroxyt trong n ước kết tủa thành bông cặn màu vàng và có thể tách ra khỏi nước một cách dễ dàng nhờ quá trình lắng lọc. Kết hợp các phản ứng tr ên ta có phản ứng chung của quá trình oxy hoá sắt như sau: 4Fe2+ + 8HCO3 + O2 + H2O → 4Fe(OH)3 + 8H+ + 8HCO3 Nước ngầm thường không chứa ôxy hoà tan hoặc có hàm lượng ôxy hoà tan rất thấp. Để tăng nồng độ ôxy hoà tan trong nước ngầm, biện pháp đ ơn giản nhất là làm thoáng. Hiệu quả của bước làm thoáng được xác định theo nhu cầu ôxy cho quá trình khử sắt. 1.2. Phương pháp khử sắt bằng quá trình ôxy hoá Làm thoáng đơn giản bề mặt lọc Nước cần khử sắt được làm thoáng bằng dàn phun mưa ngay trên bề mặt lọc. Chiều cao giàn phun thường lấy cao khoảng 0,7m, lỗ phun có đường kính từ 57mm, lưu lượng tưới vào khoảng 10 m3/m2.h. Lượng ôxy hoà tan trong nước sau khi làm thoáng ở nhiệt độ 250C lấy bằng 40% lượng ôxy hoà tan bão hoà (ở 250C lượng ôxy bão hoà bằng 8,1 mg/l).

8

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

Làm thoáng bằng giàn mưa tự nhiên Nước cần làm thoáng được tưới lên giàn làm thoáng một bặc hay nhiều bậc với các sàn rải xỉ hoặc tre gỗ. Lưu lượng tưới và chiều cao tháp cũng lấy nh ư trường hợp trên. Lượng ôxy hoà tan sau làm thoáng bằng 55% lượng ôxy hoà tan bão hoà. Hàm l ượng CO2 sau làm thoáng giảm 50%. Làm thoáng cưỡng bức Cũng có thể dùng tháp làm thoáng cưỡng bức với lưu lượng tưới từ 30 đến 40 m3/h. Lượng không khí tiếpxúc lấy từ 4 đến 6 m3 cho 1m3 nước. Lượng ôxy hoà tan sau làm thoáng b ằng 70% hàm lượng ôxy hoà tan bão hoà.Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm 75%. 1.3. Khử sắt bằng hoá chất Khi trong nước nguồn có hàm lượng tạp chất hữu cơ cao, các chất hữu cơ sẽ tạo ra dạng keo bảo vệ các ion sắt, như vậy muốn khử sắt phải phá vỡ được màng hữu cơ bảo vệ bằng tác dụng của các chất ôxy hoá mạnh. Đối vớinước ngầm, khi làm lượng sắt quá cao đồng thời tồn tại cả H 2S thì lượng ôxy thu được nhờ làm thoáng không đủ để ôxy hoá hết H2S và sắt, trong trường hợp này cần phải dùng đến hoá chất để khử sắt. Biện pháp khử sắt bằng vôi Khi cho vôi vào nước, độ pH của nước tăng lên. Ở điều kiện giàu ion OH-, các ion Fe2+ thuỷ phân nhanh chóng thành Fe(OH)2 và lắng xuống một phần, thế ôxy hoá khử tiêu chuẩn của hệ Fe(OH)2/Fe(OH)3 giảm xuống, do đó sắt (II) dễ dàng chuyển hoá thành sắt (III). Sắt (III) hyđroxyt kết tụ th ành bông cặn, lắng trong bể lắng và có thể dễ dàng tách ra khỏi nước. Phương pháp này có thể áp dụng cho cả nước mặt và nước ngầm. Nhược điểm của phương pháp này là phải dùng đến các thiết bị pha chế cồng kềnh, quản lý phức tạp, cho nên thường kết hợp khử sắt với quá trình xử lý khác như xử lý ổn định nước bằng kiềm, làm mềm nước bằng vôi kết hợp với sôđa.

9

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

Biện pháp khử sắt bằng Clo Quá trình khử sắt bằng clo được thực hiện nhờ phản ứng sau: 2Fe(HCO3)2 + Cl2 + Ca(HCO3)2 + 6H2O → 2Fe(OH)3CaCl2 + 6H+ + 6HCO3 Biện pháp khử sắt bằng Kali Permanganat (KMnO 4) Khi dùng KMnO4 để khử sắt, qua trình xảy ra rất nhanh vì cặn mangan (IV) hyđroxyt vừa được tạo thành sẽ là nhân tố xúc tác cho quá trình khử. Phản ứng xảy ra theo phương trình sau: 5Fe2+ + MnO4 + 8H+ → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O Biện pháp khử sắt bằng cách lọc qua lớp vật liệu đặc biệt Các vật liệu đặc biệt có khả năng xúc tác, đẩy nhanh quá trình ôxy hoá khử Fe2+ thành Fe3+ và giữ lại trong tầng lọc. Quá trình diễn ra rẩt nhanh chóng v à có hiệu quả cao. Cát đen là một trong những chất có đặc tính như thế. Biện pháp khử sắt bằng phương pháp trao đổi ion Phương pháp trao đổi ion được sử dụng khi kết hợp với quá trình khử cứng. Khi sử dụng thiết bị trao đổi ion để khử sắt, nước ngầm không được tiếp xúc với không khí vì Fe3+ sẽ làm giảm khả năng trao đổi của các ionic. Chỉ có hiệu quả khi khử nước ngầm có hàm lượng sắt thấp. Biện pháp khử sắt bằng phương pháp vi sinh Một số loại vi sinh có khả năng ôxy hoá sắt trong điều kiện mà quá trình ôxy hoá hoá học xảy ra rất khó khăn. Chúng ta cấy các mầm khuẩn sắt trong lớp cáy lọc của bể lọc, thông qua hoạt động của các vi khuẩn sắt được loại ra khỏi nước. Thường sử dụng thiết bị bể lọc chậm để khử sắt.

10

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

2. Một số thiết bị khử sắt 2.1 Làm Thoáng Đơn Giản Trên Bề Mặt Bể Lọc Người ta dùng giàn ống khoan lỗ phun mưa trên bề mặt lọc, lỗ phun có đường kính 5 đến 7 mm, tia nước dùng áp lực phun lên với độ cao 0,5 đến 0,6m. Lưu lượng phun vào khoảng 10m3/m2.h. Làm thoáng trực tiếp trên bề mặt bể lọc chỉ nên áp dụng khi nước nguồn có hàm lượng sắt thấp và không phải khử CO2.

2.2 Tháp Làm Thoáng Tự Nhiên Sử dụng tháp làm thoáng tự nhiên (giàn mưa) khi cần làm giàu ôxy kết hợp với khử khí CO2. Do khả năng trao đổi của O2 lớn hơn CO2 nên tháp được thiết kế cho trường hợp khử CO2. Giàn mưa cho khả năng thu được lượng oxy hoà tan bằng 55% lượng oxy bão hoà và có khả năng khử được 75 – 80% lượng CO2 có trong nước nhưng lượng CO2 còn lạisau khi làm thoáng không xuống thấp hơn 5 – 6 mg/l. 2.3 Tháp Làm Thoáng Cưỡng Bức Cấu tạo của tháp làm thoáng cưỡng bức cũng gần giống như tháp làm thoáng tự nhiên, ở đây chỉ khác là không khí được đưa vào tháp cưỡng bức bằng quạt gió. Không khí đi ngược chiều với chiều rơi của các tia nước. Lưu lượng tưới thường lấy

11

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

từ 30 đến 40 m3/m2h. Lượng không khí cấp vào từ 4 đến 6 m3 cho 1 m3 nước cần làm thoáng. Bể Lắng Tiếp Xúc Bể lắng tiếp xúc có chức năng giữ nước lại sau quá trình làm thoáng trong một thời gian đã để quá trình ôxy hoá và thuỷ phân sắt diễn ra hoàn toàn, đồng thời tách một phần cặn nặng trước khi chuyển sang bể lọc. Trong thực tế thường lấy thời gian lưu của nước từ 30 đến 45 phút. Bể lắng tiếp xúc có thể được thiết kế như bể lắng đứng và thường đặt ngay dưới giàn làm thoáng. Bể lọc tiếp xúc hay bể lọc sơ bộ được áp dụng khi hàm lượng sắt trong nước nguồn cao hoặc cần khử đồng thời cả mangan. Bể lọc tiếp xúc có cấu tạo như các bể lọc thông thường với lớp vật liệu lọc bằng sỏi, than antraxit, sành, sứ, … có kích thước hạt lớn. Tốc độ lọc thường khống chế trong khoảng 15 đến 20 m/h.

Bể Lọc Cặn Sắt Để lọc sạch nước có chứa cặn sắt, sử dụng các bể lọc nhanh thông thường. Do khác với bể lọc cặn bẩn bình thường ở chỗ quá trình ôxy hoá và thuỷ phân sắt còn tiếp tục xảy ra trong lớp vật liệu lọc, nên ngay từ đầu chu kỳ lọc, cặn đã bám sẵn trong lớp vật liệu lọc và độ chứa cặn của lớp vật liệu lọc sẽ cao hơn. Vì vậy, vật liệu lọc có thể lấy cấp phối hạt lớn hơn, đường kính trung bình hạt từ 0,9 đến 1,3 mm, bề dày lớp vật liệu lọc 1,0 đến 1,2 m, tốc độ lọc lấy từ 5 đến 10 m/h. 12

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

Do cặn sắt bám chắc nên phải rửa lọc bằng nước và khí kết hợp, lưu lượng nước rửa thực tế thường dùng từ 10 đến 12 l/m2.s. Nếu sử dụng bể lọc hai lớp gốm antraxit và cát thạch anh thì hiệu quả xử lý sẽ cao hơn.

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử sắt Tốc độ phản ứng của quá trình oxy hoá và thuỷ phân Fe2+ thành Fe3+ tuỳ thuộc vào lượng oxy hoà tan trong nước và nhiệt độ trong nước, pH trong nước. Tốc độ phản ứng tăng khi nồng độ oxy hoà tan trong nước tăng lên.

13

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

PHẦN PHẦN

2 2

GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Chương 1:

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

14

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

Nghiên cứu thiết kế mô hình xử lý sắt và mangan trong nước ngầm dùng trong hộ gia đình.

15

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Chương 2:

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1. Phương pháp xác định kim loại bằng máy quang phổ UV-VIS Việc nghiên cứu đặc tính các phần tử hóa học nhờ các phổ hấp thụ điện tử vùng UV và Vis được ứng ụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của khoa học và được phát triển, bắt đầu từ việc nghiên cứu tính chất lượng tử của các phần tử không bền trong các lớp trên của bầu khí quyển cho đến việc xác định số nguyên tử cơ bản có trong phân tử vitamin B12. Người ta dùng phép đo phổ trắc quang trong các vùng phổ UV và Vis để phân tích định tính và phân tích định lượng. Trong phần lớn các phép xác định định lượng thì người ta dùng phép phân tích phổ trắc quang vùng phổ UV, Vis để nghiên cứu các mẫu lỏng. Tuy nhiên phương pháp này cũng được áp dụng ở mức độ như mẫu lỏng cho các mẫu hơi và mẫu rắn. Trạng thái pha của mẫu đóng một vai trò quan trọng do ảnh hưởng đến bản chất các sự chuyển quan sát được trong các phổ hấp thụ vùng UV và Vis. Các ưu điểm của phép đo phổ trắc quang Phép đo phổ trắc quang phân tử trong vùng tử ngoại và khả kiến là một phương pháp phân tích có một số ưu điểm đáng kể. Trước hết, phương pháp này có độ nhạy cao, thường có thể xác định, định lượng các nồng độ nhỏ hơn 10-7M. ưu điểm này có ý nghĩa trong hai lĩnh vực ứng dụng. Thứ nhất là lĩnh vực phân tích vết, phép đo phổ trắc quang trong vùng phổ tử ngoại và khả kiến cho phép tiến hành phép đo định lượng các vi cấu tử của mẫu có hàm lượng cỡ 1 ppm về khối lượng. Trong lĩnh vực thứ hai vi phân tích có thể xác định lượng các câu 1 tử chính trong mẫu có kích thước rất nhỏ.

16

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

So với các phương pháp chuẩn độ và trọng lượng truyền thống thì phép đo phổ trắc quang là một phương pháp phân tích thực hiện được nhanh hơn thuận lợi hơn. Nhờ có phần lớn các máy quang phổ hiện đại mà có thể tiến hành phép phân tích từ 5 đến 10 mẫu trong một phút. Ngoài ra dễ dàng tự động hóa phương pháp đo phổ trắc quang, bắt đầu từ việc đưa mẫu vào cho đến việc tính nồng độ một số cấu tử trong mẫu. Cuối cùng, phương pháp đo phổ trắc quang còn cung cấp các số liệu phân tích cho thông báo cơ bản về cấu trúc phân tử và về bản chất liên kết hóa học. Thực tế thì những nghiên cứu như vậy là một nguồn các tri thức hiện đại của chúng ta về các tính chất lượng tử của vật chất. Các phép đo phổ trắc quang và nguyên tắc hoạt động Bây giờ ta xét thiết bị cơ bản và cơ sở có tính phương pháp của phép đo phổ trắc quang trong các vùng phổ tử ngoại và khả kiến. Vì rằng ở đây ta xét hiện tượng hấp thụ nên các phép xác định định lượng dựa trên định luật Lambert – Beer. Các đòi hỏi về thiết bị được xác định bằng các điều kiện đã nêu trước đây. Để xác định độ truyền quang (trong 100%) của dung dịch chưa biết, chỉ cần đặt cuvet với dung dịch trên đường đi của nguồn sáng và ghi lại các chỉ số của dụng cụ ghi khi nắp mở. Người ta chiếu cuvet chứa mẫu bằng bức xạ đã tách ra có bước sóng phù hợp bức xạ đi qua cuvet chứa mẫu chiếu đến đêtectơ (nhân quang điện hay phoxođiot), đến lượt, đitectơ sẽ bức xạ thành một tín hiệu điện tỉ lệ để đo. Để bảo vệ đitectơ khỏi bức xạ và từ người ta dùng nắp đậy. Bất kỳ lần nào đặt hay lấy cuvet ra khỏi máy đo phổ trắc quang thì cần hạ nắp đậy để tránh làm hỏng đitectơ quang. Sai số trong phép đo quang phổ trắc quang Ta xét tất cả các nguyên nhân có thể gây ra sai số cho phép tính trắc quang phân tử trong vùng tử ngoại và khả kiến. Có một số nguồn gốc sai số trong phép đo phổ trắc quang. Trong số đó có một số sai số xuất hiện do sự lệch khỏi định luật Bia, một số khác có lien quan đến các đặc tính cấu trúc thiết bị của phép đo phổ trắc 17

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

quang trong vùng phổ tử ngoại và khả kiến. Các sai số này xuất hiện do có sự thay đổi công suất của nguồn sáng, các đặc tính của đêtectơ nhiễu điện, các vị trí của cuvet. Ngoài ra luôn luôn xuất hiện sai số chủ quan của người đo máy có lien quan đến việc tính các chỉ sối theo thang mật độ quang hay độ truyền quang. Mặc dầu người ta tìm cách giảm các sai số này đến cực tiểu hay triệt tiêu bằng phương pháp đồ thị chuẩn nhưng sai số tổng cộng của tất cả các nguồn sai số này thường là từ 0,2 – 1%. 2.Các phương pháp xác định lượng bằng phương pháp trắc quang Có rất nhiều phương pháp xác định hàm lượng bằng phương pháp trắc quang, nhưng ở đây chúng ta chỉ quan tâm nhất đến phương pháp đường chuẩn để xác định hàm lượng. Đây chính là phương pháp mà chúng ta dùng để xác dịnh hàm lượng sắt. Phương pháp cặp đôi hay còn gọi là phương pháp chuẩn độ Phương pháp đường chuẩn Phương pháp đường chuẩn áp dụng thuận tiện cho phép phân tích hàng loạt mẫu và tính kết quả được nhanh. Trước hết phải pha chế một dãy dung dịch chuẩn có lượng dung dịch chuẩn tăng dần theo nồng độ. Đo mật độ quang của dãy dung dịch và lập đồ thị chuẩn A = f(c). để tiến hành định lượng chất x trong dung dịch phân tích ta tiến hành pha chế các dung dịch phân tích trong các điều kiện như xây dựng đường chuẩn rồi đem đo mật độ quang Ax. Để xác định nồng độ Cx, trước tiên ta cần xử lí thống kê đường chuẩn dạng: A = (a ±εa) + (b ±εb)C (1) Sau đó thay Ax vào phương trình (1) ta tìm được Cx Phương pháp này có ưu điểm là xác định được hàng loạt mẫu. Điều kiện áp dụng của phương pháp này là các dung dịch màu hấp thụ ánh sáng tuân theo định luật Bia.

18

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

3. Hóa chất và thiết bị : 3.1. Thiết bị : Pipet 2ml : 2 Pipet 5ml : 2 Pipet 10ml : 2 Bình định mức 100ml : 1 Bình định mức 50ml : 6 Cốc 100ml : 3 Cốc 500ml : 2 Máy UV-VIS : 1 Mô hình cascade. Sau quá trình nghiên cứu tài liệu và thảm khảo ý kiến thầy hướng dẫn chúng tôi đã đưa ra mô hình cascade được mô tả như sau : -

Sử dụng 1 tấm kính dày 5mm, hình chữ nhật chiều dài 1,5m chiều rộng 0,5m.

-

Sau đó tạo hình hợp bằng cách bo 4 cạnh của tấm kính trên bởi các tấm kính với chiều cao của hình hợp là 5cm. Với tấm một bên của hình hộp chữ nhật ta chừa 10cm không bo nằm ở tâm cạnh đó.

-

Đế của mô hình ta chọn vật liệu thanh nhôm với 2 chân khung để đảm bảo độ vững của mô hình, chân trước cố định với chiều cao 30cm, chân sau có thể di chuyên lên xuống để thay đổi độ cao. Làm thay đổi độ nghiên của tấm cascade.

-

Mô hình cơ bản đã hoàn thành ban đâu tiến hành thí nghiệm ta gắng 3 thanh nhựa ống đường kính 27mm được xẻ đôi gắn lên mô hình như ảnh sau.

19

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

Hình 1 : Mô hình cascade -

Chúng ta sẽ co bồn nhỏ 20lit đặt cao trên đế 1,5m. Nước sẽ chảy từ bồn qua ống dẫn đường kính 10mm và đến phía cao hơn của mô hình sẽ có một ống 10mm đặt ngang với chiều dài là 47cm được dục các lổ nhỏ đường kính 1mm cách nhau 20mm sẽ dục 1 lổ trên 1 đường thẳng, nước sẽ phân phối bằng tia nhỏ đều trên tấm cascade.

-

Chúng ta tiến hành thí nghiệm khảo sát khả năng xử lý, cho nước chảy với tốc độ chậm, Sau đó tăng thêm các bậc cascade và tiếp tục khảo sát kết quả.

3.2. Hóa chất : -

Dung dịch đệm amonium acetate CH3COOH: hoà tan 250g CH3COOH trong 150ml nước cất, thêm 700ml CH3COOH đậm đặc, lắc đều.

-

Dung dịch phenanphroline: Hoà tan 100mg 1,10 phenanphroline (C12H8N2H2O) vào 10ml mước cất, thêm 2 giọt HCL đậm đặc. Khuấy đều cho đến khi hoà tan hoàn toàn sau đó định mức thành 100ml.

20

Báo cáo nghiên cứu khoa học

-

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

Dung dịch sắt ban đầu sắt: lấy 0,4964g FeSO4.7H2O trong 50ml nước cất rồi định mức thành 100ml.

Dung dịch chuẩn sắt: lấy 10ml dung dịch sắt ban đầu cho vào bình định mức 100ml cho nước cất đến vạch. 4. Xây dựng đường chuẩn Xây dựng đường chuẩn là một khâu hết sức quan trọng trong phương pháp xác định hàm lượng bằng máy quang phổ hấp thụ phân tử vùng tử ngoại, khả kiến hay là máy UV-Vis. Tiến hành cho hóa chất lần lượt như bảng sau: stt 0 1 2 3 V dd chuẩn ml 0 0,2 0,4 0,6 V dd đệm Amonium acetate, ml 2,5 2,5 2,5 2,5 V dd phenanthroline, ml 2 2 2 2 Chuyển vào bình định mức 50ml, cho nước đến vạch C mg 0 0,02 0,04 0,06 C mg/l 0 0,4 0,8 1,2 Đo độ hấp thu ở bước sóng 510nm

4 0,8 2,5 2

5 1 2,5 2

0,08 1,6

0,1 2

Lắc đều để 10 phút, tiến hành đo quang phổ bằng máy UV-vis ở bước sóng 510nm. Bảng 1 : thiết lập đường chuẩn stt 0 1 2 3 V dd chuẩn ml 0 0,2 0,4 0,6 V dd đệm Amonium acetate, ml 2,5 2,5 2,5 2,5 V dd phenanthroline, ml 2 2 2 2 Chuyển vào bình định mức 50ml, cho nước đến vạch C mg 0 0,02 0,04 0,06 C mg/l 0 0,4 0,8 1,2 Đo độ hấp thu ở bước sóng 510nm 0 0,134 0,242 0,386

21

4 0,8 2,5 2

5 1 2,5 2

0,08 1,6 0,50 7

0,1 2 0,612

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

Ta vẽ được biểu đồ mối tương quan giữa bước sóng quang phổ và khối lượng sắt

Đồ thị của đường chuẩn Biểu đồ tương quan giữa bước sóng quang phổ và khối lượng sắt (Biểu đồ đường chuẩn) Ta có phương trình tương quan giữa bước sóng và khối lương sắt (phương trình đường chuẩn) y = 6,105x + 0.0099 với hằng số R2 = 0,9974 sai số bình phương R2 = 0,9974 > 0,95 chấp nhận.

22

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

5. Tiến hành nghiên cứu hiệu quả xử lý Xác định giá trị sắt bị ôxy hóa nhiều nhất ở các độ nghiên khác nhau được tiến hành như sau: Điều chỉnh tấm cascade ở độ nghiên 30o

Hình 2: tấm cascade 3 bậc nghiên 300 Tiến hành thí nghiệm : cho 1g FeSO4.7H2O trong cốc cho 200ml nước và khuấy cho tan hoàn toàn sau đó ta cho vào bồn chứa 20l , cho nước vào đến vạch 10l, sau do khuấy đều. và ta tiến hành thí nghiệm xả nước chảy từ từ qua tấm cascade và ở bên dưới ta dùng thau hứng nước vừa chay qua, và ta dùng cốc lấy một ít nước để tiến hành đo độ hấp thụ ở bước sống 510nm. Tiến hành đo mẫu sau khi xử lý như sau: -

Lấy 5ml nước cuối ( nước sau khi xả qua tấm cascade) cho vào bình định mức 50ml.

23

Báo cáo nghiên cứu khoa học

-

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

Thêm 2ml phenanthroline và 2,5ml dung dịch đệm Amonium acetate, lắc đều.

-

Cho nước cất tới vạch định mức và lắc đều, sau đó để khoảng 10-15 phút cho cường độ màu đạt cực đại và ổn định. Đo độ hấp thu trên máy UV-vis ở bước sóng 510nm.

Tiến hành song song là ta đo DO : Ta cung lấy một cốc lấy khoảng 200ml nước ban đầu (ở bình chứa 10l) đem đo DO, dùng máy DO đo độ hòa tan của ôxy trong nước. Tương tự như vậy ta cũng lấy khoảng 200ml nước cuối ( nước khi đã xả qua tấm cascade ) và đem đo DO. Bảng 2 : xác định hàm lượng sắt của tấm cascade 3 bậc nghiên 300 Độ

Bước sóng

DO đầu

DO cuối

đo 30

0,519

6,6

7,1

Sắt trong mẫu, x

Hiệu quả xử lý

mg

(%)

0,0834

16,6%

Hàm lượng sắt trong mẫu tính dựa theo phương trình đường chuẩn y = 6,105x + 0.0099 → x = x=

y − 0,0099 6,105

0,519 − 0,0099 = 0,0834 mg 6,105

Nồng độ sắt còn lại sau xử lý : C = C= Hiệu quả xử lý : H% =

x ×1000 mg/l 5

0,0834 ×1000 = 16 ,68 mg/l 5

20 − c ×100 % 20

H% =

20 − 16,68 ×100 % = 16,6% 20

Tiến hành tương tự như vậy ở độ nghiên 45o (hình 3) 24

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

Hình 3: tấm cascade 3 bậc nghiên 450 Bảng 3 : xác định hàm lượng sắt của tấm cascade 3 bậc nghiên 450 Độ

Bước sóng

DO đầu

DO cuối

đo 45

0,524

6,6

7,1

Sắt trong mẫu, x

Hiệu quả xử lý

mg

(%)

0,0842

15,8%

Hàm lượng sắt trong mẫu tính dựa theo phương trình đường chuẩn y = 6,105x + 0.0099 → x = x=

y − 0,0099 6,105

0,519 − 0,0099 = 0,0842 mg 6,105

Nồng độ sắt còn lại sau xử lý : C = C=

x ×1000 mg/l 5

0,0842 ×1000 =16 ,84 mg/l 5

25

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Hiệu quả xử lý : H% =

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

20 − c ×100 % 20

H% =

20 − 16,84 ×100 % = 15,8% 20

Tiến hành tương tự như vậy ở độ nghiên 60o (hình 4)

Hình 4: tấm cascade 3 bậc nghiên 600 Bảng 2 : xác định hàm lượng sắt của tấm cascade 3 bậc nghiên 600 Độ

Bước sóng

DO đầu

DO cuối

Sắt trong mẫu, X Hiệu quả xử lý

mẫu 60

0,532

(%) 6,6

7,0

0,0855

14,5%

Bảng 5 : tổng hợp kết quả từ các độ nghiên của tấm cascade khác nhau. Độ

Bước sóng

DO đầu

DO cuối 26

Sắt trong mẫu, X Hiệu quả xử lý

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

mẫu

(%)

30

0,519

6,6

7,1

0,0834

16,6

45

0,524

6,6

7,1

0,0842

15,8

60

0,532

6,6

7,0

0,0855

14,5

Hình 5 : đồ thị hiệu quả xử lý Nhận xét Từ kết quả trên ta thấy ở góc nghiêng 30o hàm lượng sắt bị ôxy hóa nhiều nhất, đạt hiệu quả nhất. Vì vậy ta sẽ chọn cố định độ nghiên tấm cascade là 30o, để tiến hành thí nghiệm, và ta tăng dần các bậc của tấm cascade lên đến 9 bậc.

Tấm cascade 5 bậc độ nghiên 300 (hình 6)

27

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

Hình 6 : tấm cascade 5 bậc nghiên 300 Tiến hành đo tương tự như tấm cascade 3 bậc 30o ở bên trên. Bảng 6 : hàm lượng sắt của tấm cascade 5 bậc nghiên 300 Bậc cascade

5

DO đầu

6,6

DO cuối

7.1

Bước sóng

0.504

Sắt có trong

Hiệu quả xử

mẫu, X

lý (%)

0,0809

19,1

Tấm cascade 7 bậc độ nghiên 300 Bảng 7 : hàm lượng sắt của tấm cascade 7 bậc nghiên 300 Bậc cascade

7

DO đầu

6,6

DO cuối

7.2

Bước sóng

0.484

Tấm cascade 9 bậc độ nghiên 300 (hình 7)

28

Sắt có trong

Hiệu quả xử

mẫu, X

lý (%)

0,0777

22,3

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

Hình 7 : tấm cascade 9 bậc nghiên 300 Bảng 8 : hàm lượng sắt của tấm cascade 9 bậc nghiên 300 Bậc cascade

9

DO đầu

6,6

DO cuối

7.2

Bước sóng

0.468

Sắt có trong

Hiệu quả xử

mẫu, x mg

lý (%)

0,075

25

Sắt có trong

Hiệu quả xử

Bảng 9 : tổng hợp kết quả xác định hàm lượng sắt Bậc cascade

DO đầu

DO cuối

Bước sóng 29

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

mẫu, X

lý (%)

3

6,6

7.1

0.519

0,0834

16,6

5

6,6

7.1

0.504

0,0809

19,1

7

6,6

7.2

0.484

0,0777

22,3

9

6,6

7.2

0.468

0,075

25

Đồ thị sự tương quan giữa bậc cascade và hiệu quả xử lý

30

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

Nhận xét : Từ kết quả trên ta thấy khi ta tăng bậc của tấm cascade lên hiệu quả xử lý sẽ tăng dần lên từ 16,6 % lên 25 % . Trong quá trình nghiên cứu hiệu quả xử lý chưa cao chỉ 25 %, chưa đạt hiệu quả trong quá trình loại bỏ hoàn toàn sắt trong nước ngầm.

31

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

PHẦN

3

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

32

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

1. KẾT LUẬN Sau quá trình nghiên cứu nhóm chúng tôi đưa ra mô hình cụ thể trong quá trình làm thoáng khử sắt và mangan trong nước ngầm dùng tấm cascade. Kết quả xử lý đạt 25%. Mô hình này chưa dạt hiệu quả cao trong xử lý sắt. Trong quá trình nghiên cứu nhóm chỉ tiến hành thí nghiệm trong thời gian đo ngắn, lượng sắt trong mẫu cao nên hiệu quả xử lý chưa tối ưu, vật liệu làm là kính đã làm giảm phân tán dòng chảy và tăng tốc độ chảy nhanh nên đã làm giảm khả năng xử lý. Tuy nhiên với kết quả này có thể dưa vào thực tế xử lý nước cho các hộ dân nông thôn.Với mô hình kết hợp bể lắng cát và thời gian lưu lâu nên hiệu quả xử lý sẽ tăng lên. Với giá thành thấp, dễ sử dụng, phù hợp với vùng nông thôn. 2. KIẾN NGHỊ Đề tài cần nghiên cứu với vật liệu có độ nhám cao hơn để tăng khả năng phân tán nước và kết hợp thiết kế bể lắng cát để đưa được một mô hình hoàn chỉnh với hiệu quả xử lý cao, sẽ được ứng dụng trong thực tế hiện nay.

33

Báo cáo nghiên cứu khoa học

GVHD: TS. Nguyễn Văn Sức

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. TS. Đặng Viết Hùng - Giáo trình Xử lý nước cấp 2. TS.Nguyễn Ngọc Dung - Xử Lý Nước Cấp, NXB Xây Dựng, 231 trang. 3. Trịnh Xuân Lai – Tính toán các công trình xử lý và phân phối nước cấp, NXB Xây Dựng 345 trang. 4. Website: www.gree-vn.com- Kỹ thuật xử lý nước ngầm.

34