PDF Giáo trình hóa kỹ thuật môi trường, Nguyễn Văn Sức

Giáo trình hóa kỹ thuật môi trường, Nguyễn Văn Sức

 

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU..........................................................................................3
MỤC LỤC ................................................................................................5
CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ ................................................................14
Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ QUÁ
TRÌNH HÓA HỌC VÀ DUNG DỊCH .................................................19
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................19
1.2.CÁC ĐỊNH LUẬT CỦA CHẤT KHÍ ...............................................19
1.3. NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC...............................................................22
1.3.1. Nhiệt và công.................................................................................22
1.3.2. Enthalpy.........................................................................................24
1.3.3. Entropy ..........................................................................................25
1.3.4. Năng lượng tự do Gibbs ................................................................25
1.4. ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG................................................................27
1.4.1. Phản ứng bậc zero..........................................................................27
1.4.2. Phản ứng bậc nhất..........................................................................28
1.4.3. Phản ứng bậc hai............................................................................29
1.4.4. Phản ứng giả bậc nhất....................................................................30
1.4.5. Phương trình Arrhenius .................................................................31
1.4.6. Chất xúc tác ...................................................................................32
1.4.7. Xúc tác enzyme..............................................................................32
1.5. DUNG DỊCH ....................................................................................35
1.5.1. Quá trình hòa tan ...........................................................................35
1.5.1.1. Sự hòa tan của chất rắn vào chất lỏng ........................................35
1.5.1.2. Sự hòa tan của chất lỏng trong chất lỏng (sự trộn lẫn) ...............35
1.5.2. Sự hòa tan của chất khí vào trong chất lỏng ..................................35
1.6. DUNG DỊCH ĐIỆN LY ...................................................................36
1.6.1. Chất điện ly....................................................................................36
1.6.1.1.Chất điện ly mạnh........................................................................36
5
1.6.1.2. Chất điện ly yếu ..........................................................................36
1.6.1.3. Chất không điện li.......................................................................37
1.6.2. Axit và baz.....................................................................................37
1.7. CÂN BẰNG HÓA HỌC ..................................................................37
1.7.1. Nguyên lý Le Chatellier.................................................................38
1.7.2. Biểu diễn định lượng của một hệ cân bằng ...................................38
1.7.3. Hoạt độ, cường độ ion và nồng độ molar (M) ...............................39
1.7.4. Hoạt độ theo nồng độ.....................................................................39
1.7.5. Phương trình Debye – Huckel .......................................................40
1.7.6. Biểu diễn các hằng số cân bằng.....................................................40
1.7.6.1. Hằng số phân li của nước, KW...................................................40
1.7.6.2. Tích số tan, Ksp ..........................................................................42
1.7.6.3. Sự phân ly của axit và baz ..........................................................43
1.7.6.4. Sự tạo phức .................................................................................44
1.7.6.5. Cân bằng oxy hóa khử ................................................................48
1.7.6.6. Cân bằng từng bậc ......................................................................48
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP..........................................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ ĐỌC THÊM...........................................52
Chương 2: HÓA HỌC MÔI TRƯỜNG NƯỚC .................................53
2.1. CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG
NƯỚC......................................................................................................53
2.2. TÍNH CHẤT VẬT LÝ VÀ HÓA HỌC CỦA NƯỚC .....................54
2.2.1. Tính chất vật lý của nước ..............................................................54
2.2.2.Các tính chất hóa học vô cơ của nước ...........................................55
2.2.2.1. pH của nước................................................................................55
2.2.2.2. Độ kiềm và độ axit......................................................................56
2.2.2.3. Độ cứng .....................................................................................56
2.2.2.4. Độ dẫn điện.................................................................................58
2.2.3.Tính chất hóa học hữu cơ của nước................................................59
6
2.3. CÁC QUÁ TRÌNH HÒA TAN OXY TRONG NƯỚC TỰ
NHIÊN.....................................................................................................64
2.3.1. Ôxy hòa tan và nhu cầu oxy trong nước ........................................64
2.3.2. Quá trình hòa tan chất khí vào môi trường nước...........................67
2.4. HỆ CARBONAT ..............................................................................71
2.5. ÔXY HÓA KHỬ TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC ........................74
2.5.1.Trạng thái oxy hóa là một tính chất quan trọng của chất
hóa học.....................................................................................................74
2.5.2. Phương trình Nesrnt.......................................................................75
2.5.3. Giản đồ pE/pH, Giản đồ pE/pH của sắt.........................................78
2.5.3.1. Giới hạn oxy hóa của nước.........................................................78
2.5.3.2. Giới hạn khử của nước................................................................79
2.5.3.3. Đồ thị pE - pH ............................................................................79
2.5.3.4. Áp dụng đồ thị pE-pH.................................................................83
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP..........................................................................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ ĐỌC THÊM...........................................87
Chương 3: HÓA HỌC CỦA KHÍ QUYỂN.........................................89
3.1. BIỂU DIỄN NỒNG ĐỘ CHẤT Ô NHIỄM TRONG
KHÔNG KHÍ...........................................................................................89
3.2. CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC TRONG KHÍ QUYỂN ...................90
3.3. CÁC HẠT TRONG KHÍ QUYỂN ...................................................94
3.4. PHẢN ỨNG HÓA HỌC CỦA CÁC CHẤT Ô NHIỄM VÔ
CƠ TRONG KHÔNG KHÍ .....................................................................98
3.4.1. Ozon...............................................................................................99
3.4.2. Carbon monoxit và carbon dioxit .................................................99
3.4.3. Clo................................................................................................100
3.4.4. Phản ứng của lưu huỳnh và nitơ trong khí quyển .......................100
3.5. PHẢN ỨNG CỦA CÁC CHẤT HỮU CƠ TRONG KHÍ
QUYỂN .................................................................................................103
3.6. SỰ THIẾU HỤT TẦNG OZON.....................................................105
3.7. KHÓI QUANG HÓA ....................................................................108
7
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP........................................................................111
TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ ĐỌC THÊM.........................................112
Chương 4: HÓA HỌC CỦA ĐỊA QUYỂN .......................................113
4.1. KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA ..................................................113
4.2. KHOÁNG SÉT, KHOÁNG VẬT VÀ QUÁ TRÌNH
PHONG HÓA .......................................................................................115
4.3. HÓA HỌC ĐẤT .............................................................................117
4.3.1. Khái niệm chung..........................................................................117
4.3.2. pH của đất ....................................................................................119
4.3.3. Các hợp chất hữu cơ trong đất .....................................................119
4.3.4. Các phản ứng liên quan đến carbon vô cơ...................................122
4.3.5. Phản ứng trao đổi cation ..............................................................123
4.3.6. Sự di chuyển của sulphat và hấp phụ sulfate trong đất................124
4.3.7. Sự vận chuyển phosphat và hấp phụ phosphat trong đất.............125
4.3.8. Các phản ứng liên quan đến nhôm trong đất ...............................125
4.3.9. Phong hóa hóa học.......................................................................126
4.3.10. Sự vận chuyển nitơ trong đất .....................................................126
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP........................................................................127
TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ ĐỌC THÊM.........................................128
Chương 5: PHÂN HỦY CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ, NITƠ,
LƯU HUỲNH VÀ PHOSPHO TRONG MÔI TRƯỜNG ...............129
5.1. CÁC PHẢN ỨNG PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ TRONG
MÔI TRƯỜNG .....................................................................................129
5.1.1.Tổng quan về hóa học hữu cơ: Cấu trúc và phản ứng hóa
học của các phân tử hữu cơ....................................................................129
5.1.2. Các chất diệt côn trùng (Pesticides), diệt cỏ (herbicides),
PCBs, PAHs và các sản phẩm phụ của quá trình sản suất.....................132
5.1.3. Vi khuẩn biến đổi các chất hữu cơ...............................................136
5.2. SỰ BIẾN ĐỔI NITƠ BẰNG VI SINH VẬT.................................140
5.2.1. Phản ứng cố định nitơ..................................................................140
8
5.2.2. Nitrat hóa .....................................................................................140
5.2.3. Khử nitrat ...................................................................................141
5.3.VI KHUẨN BIẾN ĐỔI PHỐT PHO VÀ LƯU HUỲNH ...............142
5.3.1. Các hợp chất của phốt pho...........................................................143
5.3.2. Các phản ứng của vi khuẩn đối với lưu huỳnh ............................144
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP........................................................................147
TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ ĐỌC THÊM.........................................148
Chương 6: CÂN BẰNG VẬT CHẤT TRONG MÔI
TRƯỜNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỂ PHẢN ỨNG
TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI ...........................................................149
6.1. CÂN BẰNG VẬT CHẤT ..............................................................149
6.1.1. Hệ thống bảo toàn vật chất ổn định .............................................150
6.1.2. Hệ thống ổn định ô nhiễm không bảo toàn..................................152
6.1.3. Phương trình từng bước...............................................................154
6.1.4.4. Cân bằng phốt pho trong hồ nước tự nhiên ..............................157
6.2. BỂ PHẢN ỨNG .............................................................................159
6.2.1. Bể phản ứng gián đoạn ................................................................160
6.2.2. Bể phản ứng dòng liên tục khuấy trộn hoàn chỉnh ......................162
6.2.3. Bể phản ứng dòng nút (PFR) .......................................................164
6.2.4. Kích thước bể phản ứng...............................................................166
6.2.5. Hình dáng bể phản ứng................................................................168
6.2.6. Sắp xếp các bể phản ứng .............................................................168
6.2.6.1. Các bể phản ứng sắp xếp theo dãy (các bể phản ứng nối tiếp)......... 168
6.2.6.2. Các bể phản ứng đặt song song ................................................172
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP........................................................................177
TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ ĐỌC THÊM.........................................180
Chương 7: CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC XỬ LÝ
NƯỚC VÀ KIỂM SOÁT KHÍ THẢI ................................................181
9
7.1. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ HÓA HỌC............................................181
7.1.1. Phản ứng tạo ra sản phẩm không tan ..........................................181
7.1.2. Làm mềm nước............................................................................187
7.1.2.1. Các phản ứng làm mềm nước ...................................................187
7.1.2.2. Giới hạn của quá trình và kinh nghiệm làm mềm nước............189
7.1.2.3. Những khái niệm tiên tiến trong làm mềm nước bằng
vôi – sôđa...............................................................................................193
7.1.3. Xử lý nước bằng phương pháp keo tụ/đông tụ ............................199
7.1.3.1. Định nghĩa ................................................................................199
7.1.3.2. Các phản ứng hóa học trong nước của một số chất keo tụ ............... 200
7.1.3.3. Bông tụ......................................................................................202
7.1.4. Khử sắt và mangan ......................................................................202
7.1.4.1. Oxy hóa.....................................................................................203
7.1.4.2. Quá trình zeolite mangan..........................................................205
7.1.5. Khử trùng nước............................................................................207
7.1.5.1. Khái niệm về khử trùng ............................................................207
7.1.5.2. Các tác nhân khử trùng .............................................................207
7.1.5.2.1. Các tác nhân hóa học .............................................................207
7.1.5.2.2. Các tác nhân vật lý.................................................................207
7.1.5.3. Cơ chế khử trùng ......................................................................208
7.1.5.4. Khử trùng với clo và các hợp chất của clo ...............................210
7.1.5.4.1. Phản ứng của clo trong nước .................................................211
7.1.5.4.2. Phản ứng của hypoclorit trong nước......................................211
7.1.5.4.3. Clo phản ứng với ammonia ...................................................211
7.1.5.4.4. Clo phản ứng với các chất hữu cơ .........................................212
7.1.5.4.5. Phản ứng điểm thoát (breakpoint với clo) .............................212
7.1.5.5. Khử trùng với clo dioxit ...........................................................213
7.1.5.6. Khử clo .....................................................................................213
7.1.5.7. Khử trùng với ozon...................................................................215
10
7.1.5.8. Các phương pháp khử trùng khác.............................................215
7.1.6. Các phương pháp hóa học kiểm soát ô nhiễm không khí ............216
7.1.6.1. Kiểm soát khí thải NOx ............................................................216
7.1.6.2. Kiểm soát khí thải SOx.............................................................218
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP........................................................................221
TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ ĐỌC THÊM.........................................222
Chương 8: CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA LÝ XỬ LÝ CHẤT
Ô NHIỄM .............................................................................................223
8.1. PHƯƠNG PHÁP OXY HÓA BẬC CAO ......................................223
8.2. PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ ..........................................................230
8.2.1. Năng lượng bề mặt ......................................................................231
8.2.2. Nhiệt động học hấp phụ bề mặt ...................................................231
8.2.3. Cân bằng hấp phụ ........................................................................233
8.2.4. Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt .................................................234
8.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến hấp phụ..............................................237
8.2.6. Các chất hấp phụ..........................................................................238
8.2.7. Động học hấp phụ........................................................................239
8.3. PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ION ................................................241
8.3.1. Các loại nhựa trao đổi ion............................................................241
8.3.2. Phản ứng trao đổi ion...................................................................243
8.4. QUÁ TRÌNH MÀNG.....................................................................247
8.4.1. Định nghĩa ...................................................................................247
8.4.2. Các quá trình màng sử dụng trong xử lý nước ............................249
8.4.3. Cấu hình của màng ......................................................................249
8.4.4. Hiện tượng tắc màng....................................................................250
8.4.5. Lý thuyết truyền khối qua màng..................................................251
8.4.6. Mô hình khuếch tán – dung dịch .................................................254
8.4.7. Sự chênh lệch nồng độ và áp suất trong màng ............................254
11
8.4.8. Thẩm tách ....................................................................................256
8.4.9. Thẩm thấu ngược .........................................................................257
8.4.10. Điện thẩm tách...........................................................................260
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP........................................................................263
TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ ĐỌC THÊM.........................................264
Chương 9: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẪU MÔI
TRƯỜNG .............................................................................................265
9.1. GIỚI THIỆU CHUNG....................................................................265
9.1.1. Thu mẫu và sự thay đổi của mẫu .................................................265
9.1.1.1. Tính đại diện của mẫu...............................................................265
9.1.1.2. Lưu giữ mẫu..............................................................................266
9.1.1.3. Đảm bảo chất lượng (QA) và kiểm soát chất lượng trong
phân tích môi trường (QC) ....................................................................266
9.1.1.4. Lựa chọn phương pháp phân tích thích hợp .............................267
9.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH.............................................267
9.2.1. Phương pháp phân tích cổ điển....................................................267
9.2.2. Các phương pháp quang phổ .......................................................269
9.2.3. Quá trình hấp thụ bức xạ .............................................................269
9.2.3.1. Sự hấp thụ nguyên tử ................................................................269
9.2.3.2. Sự hấp thụ phân tử ....................................................................270
9.2.3.3. Quang phổ.................................................................................270
9.2.3.4. Định luật Lambert-Beer............................................................270
9.2.3.5. Xác định độ hấp thụ riêng.........................................................272
9.2.3.6. Đo độ hấp thụ............................................................................273
9.2.4. Quang phổ UV/Vis ......................................................................273
9.2.5. Áp dụng phân tích định lượng .....................................................275
9.2.5.1. Phân tích đơn chất.....................................................................277
9.2.5.2. Phân tích định lượng hỗn hợp...................................................278
9.3. QUANG PHỔ DỰA TRÊN SỰ TÁN XẠ .....................................279
12
9.3.1. Nguồn gốc tán xạ .........................................................................279
9.3.2. Độ đục..........................................................................................280
9.3.3. Xác định nồng độ bằng phương pháp đo độ đục .........................280
9.3.4. Xác định nồng độ bằng cách đo nephelometry............................281
9.3.5. Lĩnh vực áp dụng .........................................................................281
9.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐIỆN HÓA.........................281
9.4.1. Phương pháp điện hóa .................................................................281
9.4.2. Điện thế và nồng độ - phương trình Nernst .................................282
9.4.3. Các điện cực so sánh....................................................................282
9.4.4. Điện cực hydro ............................................................................283
9.4.5. Điện cực calomel .........................................................................283
9.4.6. Điện cực Ag/AgCl .......................................................................283
9.4.7. Điện cực chỉ thị kim loại .............................................................284
9.4.7.1. Điện cực chỉ thị loại 1...............................................................284
9.4.7.2. Điện cực loại 2..........................................................................285
9.4.8. Điện cực màng.............................................................................285
9.4.9. Điện cực chọn lọc ion thủy tinh...................................................287
9.4.10. Áp dụng phương pháp đo điện thế.............................................287
9.4.11. Phân tích định lượng sử dụng chuẩn ngoài................................287
9.5. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CỰC PHỔ....................................290
9.5.1. Hoạt động của điện cực giọt thủy ngân (DME)...........................291
9.5.2. Dòng khuếch tán ..........................................................................292
9.5.3. Thế bán sóng................................................................................292
9.5.4. Phương pháp volta hòa tan ..........................................................293
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP........................................................................295
TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ ĐỌC THÊM.........................................295
PHỤ LỤC ..............................................................................................295

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO VÀ ĐỌC THÊM
9.1. David Harvey; Modern analytical chemistry, Mc Graw Hill
International Publishser, 2004.
9.2. Nguyễn Thạch Cát, Từ Vọng Nghi, Đào Hữu Vinh, Cơ sở lý thuyết
hóa học phân tích, NXB Đại học và Trung học Chuyên nghiệp, Hà
nội 1980.
9.3. Allen J. Bard, Larry R. Faulker, Electrochemical methods, Fundamental
and applications, The United States of America, 1980.
9.4. Từ Văn Mặc, Phân tích hóa lý, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà
Nội, 1995