Hóa học - Khử sắt

KHỬ SẮT 1.Các trạng thái tồn tại tự nhiên của sắt trong các nguồn nước: Trong nước thiên nhiên đều có chứa một hàm lượng sắt nhất định. Dạng tồn tại của sắt và lượng sắt tồn tại phụ thuộc vào từng loại nguồn nước, điều kiện môi trường. Trong nước mặt : tồn tại Fe3+, dạng keo hay dạng huyền phù. Hàm lượng này không lớn và sẽ bị khử. Trong nước ngầm tồn tại khá lớn và ở dạng Fe2+ ;(Fe(HCO3); FeSO4) => làm cho nước có mùi tanh và có màu vàng. 2.Các phương pháp xử lý sắt: 2.1.Khử sắt bằng làm thoáng: Phản ứng Oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ trong môi trường tự do (đây là trường hợp khử Sắt bằng giàn mưa hay thùng quạt gió). Trong nước ngầm, Fe(HCO3)2 là muối không bền vững, thường phân ly theo dạng: Fe(HCO3)2 = 2HCO3- + Fe2+ Nếu trong nước có oxi hòa tan: 4 Fe2+ + O2 + 10 H2O = 4 Fe(OH)3 + 8 H+ H+ + HCO3- = H2O + CO2 Tốc độ của phản ứng oxi hóa được biểu thị theo phương trình sau: V=d[Fe2+]dt=Fe2+.[O2][H+]2.K Đây chính là phương trình của Just. Quá trình chuyển Fe2+ thành Fe3+ phụ thuộc các yếu tố sau: -Độ pH: quá trình thủy phân giải phóng H+, nếu môi trường quá nhiều H+ (độ pH thấp) thì phản ứng sẽ bị kìm hãm. -Độ kiềm: độ kiềm càng lớn thì phản ứng càng nhanh, do ion HCO3- trong nước sẽ tác dụng với H+ vừa giải phóng để tạo H2O và CO2. Ngoài ra độ kiềm còn cần thiết cho quá trình thủy phân Fe3+ ở dạng ion thành dạng hiđroxit Fe(OH)3. -CO2 : CO2 giải phóng trong quá trình oxi hóa sắt là nguyên nhân làm giảm pH, làm chậm quá trình khử trùng. -Hàm lượng sắt trong nước ngầm -Lượng O2 hoà tan trong nước : tốc độ phản ứng tăng khi nồng độ O2 hoà tan trong nước tăng. -Nhiệt độ -Thời gian phản ứng -H2S, NH3 các chất hữu cơ trong nước: nếu trong nước có chứa các hợp chất của lưu huỳnh dưới dạng khí H2S, ion HS- hoặc S2- , các hợp chất này là chất khử đối với hệ sắt nên ảnh hưởng rất lớn đến quá trình oxi hoá sắt. Phạm vi ứng dụng: H2S < 0,2mg/l; NH4 < 1mg/l; Độ oxi hoá của nước < 0,15 [Fe2+ ] + 3mgO2/l Sau làm kháng pH > 7, độ kiềm > 2mgđl/l Phản ứng ôxi hoá Fe2+ và thuỷ phân Fe3+ trong môi trường dị thể của lớp vật liệu lọc (Khử sắt bằng làm thoáng đơn giản và lọc): Khi làm thoáng, Fe2+ oxi hoá thành Fe3+ với tỷ lệ nhỏ. Quá trình oxi hoá Fe2+ thành Fe3+ và thuỷ phân Fe3+ thành Fe(OH)3 chủ yếu xảy ra trong lớp vật liệu lọc. Quá trình làm thoáng sẽ tạo ra trên bề mặt các hạt vật liệu lọc một lớp màng có cấu tạo từ hợp chất sắt như: Fe2+, Fe3+ ,Fe(OH)2 , Fe(OH)3 . Lớp màng này có tác dụng làm tăng tốc độ oxi hoá Fe2+ và có khả năng hấp thụ O2. Thời gian để tạo thành lớp màng tiếp xúc tác gọi là thời gian luyện vật liệu lọc. Thời gian này phụ thuộc vào các yếu tố: cỡ hạt, chiều dày lớp vật liệu, tốc độ lọc, hàm lượng cặn . Thời gian luyện vật liệu lọc khoảng 140-330giờ. Để rút ngắn thời gian lọc, người ta đưa thêm vào dung dịch FeSO4 5% với tỷ lệ sao cho hàm lượng sắt đạt 30-40mg/l Phạm vi ứng dụng: pH > 6,8; Fe2+ ≤15mg/l; NH4 <1mg/l Độ oxi hoá ≤0,15 [Fe2+].5mgO2/l Độ màu khi chưa tiếp xúc với không khí ≤ 15 Phản ứng oxi hoá Fe2+ thành Fe3+ khi có mặt lớp màng xúc tác là oxi mangan Lớp màng oxit mangan là chất xúc tác làm tăng quá trình oxi hoá Fe2+ thành Fe3+ ngay cả trong trường hợp pH thấp (pH<5) MnOMn2O7 + 4Fe(HCO3)2 + H2O à3MnO2 + 4Fe(OH)3 + 8CO2 3MnO2 + O2 à MnOMn2O7 Dưới tác dụng xúc tác của MnOMn2O7 khi có hợp chất Fe2+ đi qua sẽ tạo thành Fe(OH)3. Kết thúc phản ứng MnOMn2O7 lại được hình thành. Do đó lớp màng càng dày, quá trình phản ứng xảy ra càng nhanh. Trong quá trình sử dụng, lớp màng tăng lên đến 1 giới hạn nhất định thì phải bỏ lớp màng đi để thay thế. Thực tế luyện cát lọc với KMnO4 tạo thành lớp màng MnOMn2O7 Khử sắt bằng phương pháp dùng hoá chất a.Khử sắt bằng các chất oxi hoá mạnh Các chất oxi hoá mạnh thường sử dụng để khử sắt là: Cl2 , KMnO4 , O3Khi cho các chất oxi hoá mạnh vào nước, phản ứng diễn ra: 2Fe2+ + Cl2 + 6H2O = 2Fe(OH)3 + Cl- + 6H+ 3Fe2+ + KMnO4 + 7H2O = 3Fe(OH)3 + MnO2 + K+ + 5H+ Trong phản ứng, để oxi hoá 1mg Fe2+ cần 0,64 mgCl2 hoặc 0,94mg KMnO4 và đồng thời độ kiềm của nước giảm đi 0,018mgđl/l. So sánh với phương pháp khử sắt bằng làm thoáng, dùng chất oxi hoá mạnh phản ứng xảy ra nhanh hơn, pH môi trường thấp hơn (pH<6). Trong nước có tồn tại các hợp chất như: H2S, NH3 thì chúng sẽ gây ảnh hưởng đến quá trình khử sắt. Khử sắt bằng vôi: Khử sắt bằng vôi thường kết hợp với quá trình làm ổn định nước hoặc làm mềm nước. Quá trình khử sắt bằng vôi xảy ra theo 2 trường hợp: -Trường hợp nước có oxi hòa tan: 4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O + 4Ca(OH)2 à 4Fe(OH)3↓ +4Ca(HCO3)2 -Trường hợp nước không có oxi hòa tan: Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 à FeCO3 + CaCO3 + H2O 3.Các phương pháp khử sắt khác: a.Khử sắt bằng trao đổi cation: Cho nước đi qua lớp vật liệu lọc có khả băng trao đổi ion. Các ion H+ và Na+ có trong thành phần vật liệu lọc sẽ trao đổi với ion Fe2+ có trong nước, kết quả Fe2+ được giữ lại trong lớp vật liệu lọc. 2[K]Na + Fe(HCO3)2 à [K]2Fe + 2NaHCO3 2[K]H + Fe(HCO3)2 à [K]2Fe + H2CO3 Cation được tái sinh bằng HCl, NaCl HCl + [K]2Fe → [K]H + FeCl2 NaCl + [K]2Fe → [K]Na + FeCl2 Phương pháp này đem lại hiệu quả khử sắt cao, thường sử dụng cho nguồn nước có chứa Fe2+ ở dạng hòa tan. Dùng kết hợp với làm mềm nước. Chi phí cho khử Fe2+ bằng trao đổi cation giá khá đắt. b.Khử sắt bằng điện phân: Dùng cực âm bằng sắt, nhôm, cực dương bằng đồng, bạch kim hay đồng mạ kền. c.Khử sắt bằng phương pháp vi sinh vật: Cấy các mầm khuẩn sắt trong lớp cát lọc của bể lọc. d.Khử sắt ngay trong lòng đất: Dựa trên nguyên tắc, các ion Ca2+, Mg2+ gắn trên khoáng vật của tầng đất đá chứa nước có khẳnng trao đổi ion với các ion Fe2+ của nước ngầm. 3.Sự biến đổi thành phần tính chất của nước khi khử sắt: 1.Độ PH: Khi trong nước nguồn tồn tại nhiều sắt ở dạng bicacbonat Fe(HCO3)2 thì lượng CO2 được giải phóng quá trình oxi hóa Fe2+ thành F3+ và thủy phân Fe3+ thành Fe(OH)3 là nguyên nhân làm giảm PH của nước làm chậm trễ quá trình khử sắt. Vì vậy cần đuổi CO2 tự do ra khỏi nước nhờ các công trình làm thoáng. Quá trình khử sắt sẽ xảy ra nhanh chóng khi độ PH của nước sau làm thoáng đạt từ 7 - 7,5. Nếu sau làm thoáng độ PH <7 thì sẽ không khử hết sắt trong nước. Khi độ PH của nước nguồn sau làm thoáng nhỏ, có thể nâng độ Ph bằng cách kiềm hóa hoặc có biện pháp tăng hiệu quả đuổi CO2 tự do ra khỏi nước. 2.Độ kiềm của nước: Độ kiềm của nước có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình khử sắt và độ PH của nước. Độ kiềm càng lớn, lượng CO2 tự do trong nước càng nhỏ thì độ PH của nước càng cao. Độ kiềm trong nước cao là do trong nước có nhiều muối bicacbônat, các muối này không bền vững, dễ dàng tách ra CO2 tự do. Để oxi hóa và thủy phân 1mg Fe2+ thì tiêu thụ 0,143 mg O2 đồng thời làm tăng 1,60 mg CO2 và độ kiềm giảm 0,036 mgđ/l. Độ kiềm của nước sau khi khử sắt: K i= Ki0 -0,036CFe02+ (gdl/l) Trong đó: - Kio: độ kiềm ban đầu của nước nguồn (mgđl/l) - CFe02+: hàm lượng sắt của nước nguồn (mg/l) 3. Hàm lượng CO2 tự do trong nước: Trong quá trình khử sắt sẽ tạo thành CO2 tự do. Lượng CO2 giải phóng tùy thuộc vào loại công trình làm thoáng Hàm lượng CO2 còn lại trong nước sau làm thoáng xác định theo công thức CCO01-a+1,60CFe02+ Trong đó: CCO0 : Hàm lượng CO2 của nước nguồn trước khi làm thoáng (mg/l) CFe02+: Hàm lượng sắt của nước nguồn. a: Hiệu quả khử CO2 của công trình làm thoáng theo TCN 33-85. Nếu PH < 6,8 thì không thể khử sắt bằng làm thoáng độc lập được. Khi đó kết hợp với các biện pháp sau: pha vôi, pha clo, kết hợp vôi và clo. lọc xúc tác hay lọc cation. Khi sắt tồn tại dưới dạng hợp chất hữu cơ ít tan, dùng biện pháp làm thoáng sẽ không mang lại hiệu quả. Trường hợp này cần dùng biện pháp làm thoáng kết hợp với Clo hóa sơ bộ.