Mô tả tính ổn định của nước và ứng dụng của nó

Lời cảm ơn
để hoàn thành đợc đề tài này tôi xin chân thành
cảm ơn tới thầy giáo, Tiến sỹ Nguyễn Hoa Du ngời đÃ
giao đề tài hớng dẫn tận tình và đóng góp những ý kiến
quý báu trong khi làm đề tài, các quý thầy cô giáo
trong khoa Hoá cùng các bạn bè, ngời thân đà giúp đỡ
tôi trong việc thu thập tài liệu, động viên tôi hoàn thành
đề tài này.
Vinh, tháng 5 năm 2003
Nguyễn Thanh Hoài


Nguyễn Thanh Hoài

Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

Mở đầu
Nớc sạch hiện đang là nhu cầu cấp thiết đối với mỗi ngời dân. Đặc biệt
trong thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nớc, song song với nhu cầu phát
triển các ngành kinh tế, vấn đề ô nhiễm nguồn nớc đang trở nên trầm trọng thì
nhu cầu cung cấp và sử dụng nớc sạch lại càng quan trọng, không chỉ đối với mục
đích bảo đảm sức khoẻ cộng đồng, mà còn có ý nghĩa to lớn trong các lĩnh vực
sản xuất công nghiệp.
Một thực tế hiện nay ở các nhà máy nớc là việc xem nhẹ vấn đề tính ổn
định của nguồn nớc và xử lí ổn định nớc. Chính vì vậy, các hiện tợng nh tắc
nghẽn đờng ống do sự tạo kết lắng trong đờng ống hay rò rỉ do đờng ống bị ăn
mòn làm giảm tính bền vững và hiệu quả kinh tế của hệ thống dẫn truyền và thiết
bị sử dụng nớc.
Xuất phát từ thực tế đó chúng tôi chọn đề tài Mô tả tính ổn định của nớc và ứng dụng của nó nh»m xem xÐt mét c¸ch tỉng thĨ vỊ lÝ thut và thực
tiễn vấn đề tính ổn định của nớc.
Hy vọng rằng đề tài của chúng tôi sẽ góp một phần nhỏ vào việc đa những

kiến thức khoa học vào thực tiễn, không ngừng nâng cao chất lợng nguồn nớc và
tính bền vững của các hệ thống cấp nớc.

Chuyên ngành Hóa vô cơ

2


Nguyễn Thanh Hoài

Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

Chơng I

Nớc và các cân bằng ion trong dung dịch nớc
1.1. Khái quát chung về nớc

1.1.1. Cấu tạo và tính chất
Nớc là một hợp chất đợc tạo thành từ hai nguyên tố ôxi và hidro, trong đó
thành phần phân tử bao gồm hai nguyên tử H và một nguyên tử O. Công thức
phân tử là H2O.
ở điều kiện thờng nớc là chất lỏng. Liên kết trong phân tử nớc là liên kết
cộng hoá trị. Nớc có thể chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn hoặc khí tuỳ vào điều
kiện của môi trờng.
Trong dung dịch, nớc có thể tạo liên kết hidro giữa các phân tử do độ âm
điện của ôxi lớn hơn nhiều so với hidro. Khi đó tạo thành mạng lới giữa các phân
tử.
H

H

H
O

H

H

O

O
H

H
O

H

Tại nhiệt độ 0,010C và áp suất 0,006 atm, nớc tồn tại cân bằng giữa ba pha
rắn, lỏng, khí. Đây gọi là điểm ba của nớc.
Về mặt hoá học, nớc là một chất có khả năng phản ứng cao.
Trong công thức H2O, hidro có số oxi hoá +1 còn ôxi có số ôxi hoá - 2 nên
nớc vừa có tính ôxi hoá, vừa có tính khử. Các chất ôxi hoá mạnh hay khử mạnh
thờng không tồn tại trong nớc. Các chất có tính ôxi hoá trung bình hoặc khử
trung bình đều cho phản ứng thuận nghịch.
Nớc cã mét tÝnh chÊt lµ cã momen lìng cùc lín nên khả năng solvat hoá
cao. Do đó nớc là dung môi tốt hoà tan rất nhiều chất nh các muối, axit, bazơ,
oxit và nhiều chất khí nh ôxi, cacbonic, hidro sunfua

Chuyên ngành Hóa vô cơ

3


Nguyễn Thanh Hoài

Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

Thực tế có rất nhiều cân bằng tồn tại trong môi trờng nớc.
1.1.2. Các chỉ tiêu đánh giá chất lợng nớc
Có thể dựa vào một số chỉ tiêu cơ bản sau đây để đánh giá chất lợng của nớc. Các chỉ tiêu này phụ thuộc vào từng quốc gia và nó chỉ cho phép đánh giá
một cách định tính chất lợng mẫu nớc.
1.1.2.1. Độ đục
Độ đục của nớc gây bởi các chất ở trạng thái lơ lửng, các chất hữu cơ phân
rà gây nên. Nớc có độ đục càng cao thì càng có độ nhiễm bẩn cao, khả năng
truyền ánh sáng giảm. Có thể đo độ đục bằng đục kế hoặc bằng cách đo mật độ
quang, lấy đơn vị chuẩn là sự cản quang do 1mg SiO 2 hoà tan trong 1 lít nớc gây
ra.
1.1.2.2. Màu sắc
Màu sắc của nớc là do trong nớc có một hàm lợng các chất bẩn nh sắt, các
phức của axit humic và fulvic, ... hoặc các loài vi sinh vật sống trong nớc nh tảo,
rêu... Độ màu trong nớc gây mất mỹ quan và có thể gây độc hại cho ngời sử
dụng. Xác định độ màu bằng cách đo mật độ quang và so sánh với mẫu tiêu
chuẩn. Mẫu tiêu chuẩn đợc lấy là độ màu do 1mg/l Pt tính theo K2PtCl6 gây ra.
1.1.2.3. Độ cứng của nớc
Là đại lợng biểu thị hàm lợng ion canxi và magiê có trong nớc. Độ cứng
của nớc tự nhiên là do sự hoà tan các thành tạo địa chất (khoáng chất) có chứa
canxi, magie, silic, ... Chúng có thể quá bÃo hoà, và vì vậy có thể tạo thành cặn
lắng trong hệ thống phân phối nớc, hệ thống nớc nóng hay lò hơi... Một số phản
ứng hoà tan các dạng khoáng chất tạo nên độ cứng của níc tù nhiªn nh sau:

CaCO3 (r) + H+

Ca2+ + HCO3−

K1 = 101,856

calcit

MgCO3 (r) + H+

Mg2+ + HCO3

K2 = 102,235

magnesit

Chuyên ngành Hóa vô cơ

4


Nguyễn Thanh Hoài

Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa häc

CaSO4.2H2O(r)

Ca2+ + SO42− + 2H2O

K3 = 10−5,3

th¹ch cao

SiO2 (r) + 2H2O

K4 = 102,77

H4SiO4

vô định hình

Al2Si2O5(OH)4 (r) + 5H2O
Kaolinit

2Al(OH)3 (r) + 2H4SiO4

K5 = 109,93

Gibsit

Mg(OH)2(r)

Mg2+ + 2OH

K6 = 1010,74

Brucit

Trong các loại nớc tự nhiên, thờng lợng CO32 và HCO3 lớn hơn nhiều so
với Cl, SO42 nên cặn CaCO3 (do độ cứng cacbonat) là dạng chủ yếu có thể tạo

thành. Với các loại nớc chứa SO42 u thế hơn cacbonat, thì dạng cặn CaSO4 là u
thế, song CaSO4 có độ tan khá lớn hơn CaCO3 nên độ cứng phi cacbonat ít tạo
cặn lắng.
Nớc có độ cứng cao sẽ ảnh hởng lớn đến sinh hoạt và sản xuất. Tuỳ vào
mục đích sử dụng nớc mà giới hạn cho phép độ cứng rất khác nhau. Chẳng hạn
với nớc cấp sinh hoạt là không quá 5 mmol/l ( tính theo CaCO3 ).
Để làm giảm độ cứng ta có thể đun sôi nớc hoặc dùng biện pháp hoá học.
Chẳng hạn:

2HCO3

CO2 + H2O + CO32

Ca2+ + CO32

CaCO3

Mg2+ + CO3 2−

MgCO3 ↓

Ca2+ + 2HCO3− + Ca(OH)2

↓

2CaCO3

↓+

2H2O.

1.1.2.4. §é pH cđa nớc
Độ pH của nớc là một trong những chỉ tiêu quan trọng liên quan đến chất
lợng nớc và tính ổn định của nớc. Độ pH cho phép ta xác định ®ỵc tÝnh axit hay
tÝnh kiỊm cđa ngn níc ®ång thêi là cơ sở cho phép xác định khuynh hớng xảy
ra các cân bằng trong nguồn nớc đó. Dựa vào đó ngời ta có thể có biện pháp xử lý

Chuyên ngành Hóa vô cơ

5


Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

Nguyễn Thanh Hoài

thích hợp. Xử lý ổn định nớc thực chất là làm cho nớc có pH ổn định trong quá
trình vận chuyển từ đó các cân bằng trong dung dịch cũng ổn định, khống chế đợc các khuynh hớng có hại mà nớc có thể gây ra, đặc biệt là quá trình lắng cặn
hay ăn mòn.
Độ pH của dung dịch nớc là cơ sở để xác định dạng tồn tại chủ yếu của các
cấu tử trong đó, đặc biệt quan trọng là các dạng của các hợp chất cacbon vô cơ
nh CaCO3 ; CO32- ; HCO3- ; CO2 …
1.1.2.5. §é axit và độ kiềm
Độ axit của một loại nớc là khả năng nhờng proton của nớc đó. Độ axit đợc tính bằng đơn vị mg/l tính theo CaCO3. Độ axit không phải là nồng độ cân
bằng của ion H+ nhng nó có liên quan với độ pH của nớc. Độ axit đợc gây ra do
các axit yếu (nh axit cacbonic, axit titanic...) các muối chịu sự thủy phân ( nh
FeSO4, Al2(SO4)3...). Khi độ axit của nớc nhỏ hơn 4,5 thì đó là do các axit mạnh
gây nên .
Hợp chất cacbonđioxit (CO2) là thành phần có trong hầu hết các loại nớc tự
nhiên do quá trình khuếch tán từ không khí vào khi áp suất riêng phần của nó

trong pha lỏng bé hơn trong pha khí hoặc do một số quá trình khác tạo ra. Đây là
một yếu tố gây ra độ axit chủ yếu trong nớc tự nhiên. Độ axit trong nớc là một
trong những yếu tố quan trọng để kiểm soát tính ăn mòn. Trong quá trình xử lý nớc bằng biện pháp hóa học hay sinh học thì độ axit là cơ sở cho việc xác định lợng hóa chất cần đem vào để điều chỉnh pH trong khoảng thích hợp .
Để kiểm soát độ axit trong nớc ngời ta dùng một số biện pháp hoá học làm
tăng hay giảm tính axit trong nớc. Độ axit và độ kiềm trong níc tù nhiªn cã quan
hƯ víi nhau chđ u do cân bằng sau:
2HCO3

CO32 + CO2 + H2O.

Độ kiềm là khả năng tiếp nhận proton của nớc. Độ kiềm cũng tính bằng
mg/l theo CaCO3. Độ kiềm trong nớc đợc tạo ra do sự thủy phân các muối của

Chuyên ngành Hóa vô cơ

6


Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

Nguyễn Thanh Hoài

axit yếu nh cacbonat, silicat, photphat, các bazơ yếu nh NH3, và các bazơ mạnh
hoặc do một số axit hữu cơ bền với quá trình ôxi hoá sinh học đợc tảo tiêu thụ
CO2 gây nên.
Độ kiềm và độ pH đợc ổn định khi các cân bằng trong nớc đợc thiết lập.
Với cân bằng trên ngời ta duy trì lợng CO2 tan vào dung dịch cho phù hợp với lợng CO2 cân bằng bÃo hoà.
1.1.2.6. Một số chỉ tiêu khác
+ Tổng hàm lợng chất rắn(TDS): Đợc tính bằng tổng khối lợng chất rắn
còn lại sau khi sấy khô 1 lít nớc trong nåi c¸ch thủ ë 1030C. TDS tÝnh b»ng mg.

Sù tăng TDS đồng thời với sự tăng tổng hàm lợng các ion có trong thành phần
của nớc nên TDS có ảnh hởng đến lực ion I từ đó làm thay đổi một số thông số
mẫu nớc và có ảnh hởng trực tiếp đến tính toán chỉ số bÃo hoà sau này.
+ Độ dẫn điện riêng(C): Là đại lợng nghịch đảo của điện trở riêng, xác
định bằng điện trở của lớp dung địch nằm giữa hai bản điện cực 1 cm 2 cách nhau
1 cm. Nớc tự nhiên có độ dẫn điện riêng cao hơn nớc tinh khiết do có chứa các
ion của chất điện li. Tại một nhiệt độ xác định độ dẫn của nớc phụ thuộc vào
nồng độ các ion trong đó. Do vậy độ dẫn điện riêng là một thông số đánh giá gần
đúng tổng hàm lợng các chất vô cơ hoà tan.
Ngoài các yếu tố trên thì còn có một số yếu tố khác nh : chất rắn lơ lửng
(SS), hàm lợng ôxi hoà tan (DO), nhu cầu ôxi hoá hoá học (COD), nhu cầu ôxi
hoá sinh học (BOD), clorua, sunfat cũng ảnh hởng đến chất lợng nớc, chẳng
hạn nh nếu hàm lợng sunfat lớn sẽ kết hợp với các ion kim loại trong nớc gây ra
cặn lắng sunfat trong các thiết bị chứa nớc, hàm lợng clorua lớn sẽ ăn mòn đờng
ống hoặc gây độc hại cho ngêi sư dơng níc.
1.1.3 Vai trß cđa níc
Níc rÊt cần thiết cho sự sống. Con ngời cần mỗi ngày khoảng từ 3 - 10 lít
nớc để cung cấp cho các hoạt động. Riêng về nhu cầu uống, mỗi ngày cần 1,83 lít

Chuyên ngành Hóa vô cơ

7


Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

Nguyễn Thanh Hoài

nớc/ngời. Nớc giúp vận chuyển thức ăn tham gia vào các phản ứng sinh hoá và
các mối liên kết, cấu tạo trong cơ thể. Nớc cần cho tất cả các sinh vật. Có thể nói

ở đâu có nớc là ở đó có sự sống và ngợc lại. Nớc dùng vào việc sinh hoạt, tắm
giặt, rửa Trong cơ thể ngời nớc chiÕm trªn 65%. NÕu thiÕu níc tõ 15 - 20% con
ngời sẽ hôn mê và có thể chết. Trong các loại hoa quả, nớc thờng chiếm một tỷ lệ
rất cao, đến 90%.
Trong sản xuất nông nghiệp, nớc có một vai trò rất quan trọng. Nó tham
gia vào quá trình hoà tan các muối khoáng và các chất trong phân bón cho cây
trồng.
Nớc cũng là một thành phần không thể thiếu đợc trong ngành công nghiệp.
Không có một lĩnh vực công nghiệp nào lại không cần đến nớc, dù chất lợng nớc
có khác nhau. Nớc đóng vai trò là dung môi phản ứng hay tham gia trực tiếp vào
phản ứng, dùng làm chất truyền nhiệt (các thiết bị làm lạnh, thiết bị ngng tụ hay
lò hơi để đốt nóng...). Một lợng nớc lớn dùng để làm sạch các khu công nghiệp,
các thiết bị máy móc. Nớc mang chất thải từ khu công nghiệp ra ngoài
Tóm lại, nớc đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong tất cả các lĩnh vực
kể cả kinh tế xà hội, quân sự cũng nh sinh hoạt hàng ngày. Nớc là nguồn sống
của mọi sinh vật. Vì vậy, bảo vệ và khai thác tiết kiệm, hợp lí các nguồn nớc phải
là mối quan tâm và trách nhiệm chung của toàn xà hội nhằm đảm bảo sự phát
triển bền vững. Để làm đợc điều đó, cần phải có những kiến thức khoa học nhất
định về môi trờng nớc.

1.2. Các cân bằng ion trong môi trờng nớc

1.2.1. Cân bằng axit - bazơ
1.2.1.1.Khái quát chung về cân bằng axit-bazơ

Chuyên ngành Hóa vô cơ

8

Nguyễn Thanh Hoài

Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

Theo quan điểm của Bronsted - Lawry thì axit là các chất có khả năng cho
proton để trở thành bazơ liên hợp của nó. Ngợc lại bazơ là chất có khả năng nhận
proton để trở thành axit liên hợp của nó. Cân bằng axit - bazơ là một cân bằng
trong đó có sự trao đổi proton giữa các cấu tử. Chẳng hạn:
HCl + NaOH = NaCl + H2O.
Theo thuyết khác là thuyết Lewis thì axit là chất có khả năng nhận cặp
electron còn bazơ là chất có khả năng cho cặp electron. Điều này giải thích đợc
bản chất của phản ứng:

NH3 + HCl = NH4Cl.

Tuy nhiên thuyết Lewis không thể định lợng đợc độ mạnh yếu của axit hay
bazơ, do vậy thuyết Bronsted - Lawry đợc dùng phổ biến hơn và có ứng dụng
rộng rÃi hơn trong môi trờng nớc.
Trong dung dịch nớc các axit - bazơ tồn tại rất nhiều và nằm cân bằng với
HS

nhau. Ví dụ:

H+ + S2
H+ + HCO3−

CO2 + H2O
H+ + CN−

HCN

CO32− + H2 O

HCO3− + OH

Nhng thực tế trong dung dịch nớc, H+ không tồn tại dạng tự do mà nó sẽ
xâm nhập vào các phân tử nớc để tạo H3O+, bởi vậy trong dung dịch nớc phần tử
axit mạnh nhất là H3O+ và phần tử bazơ mạnh nhất là OH. Do đó, có thể viết lại
các cân bằng trên nh sau:
S2 +H2O

HS +OH

CO32 + H2O

HCO3− + OH−

CN− + H2O

HCN + OH−

H2CO3 + H2O

H3O + + HCO3

Điều này có nghĩa là khi trong nớc có một phần tử có tính axit mạnh hơn
nớc sẽ lập tức chuyển proton cho nớc để tạo H3O+ và nếu có một bazơ mạnh hơn
Chuyên ngành Hóa vô cơ

9

Nguyễn Thanh Hoài

Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

nớc sẽ lấy proton của nớc tạo OH-. Mỗi cân bằng axit - bazơ đợc đặc trng bằng
hằng số cân bằng của nó. Chẳng hạn với axit HnA:
HnA

H+ + Hn-1A

HnA

2H+ + Hn-2A2−

K2

HnA

nH+ + An−

Kn

K1

…

Trong ®ã: K1 = [H+].[Hn-1A-]/[HnA]
K2 = [H+]2.[Hn-2A2-]/[HnA]

…
Kn = [H+]n.[An-]/[HnA] .
Các hằng số này đặc trng cho khả năng cho proton của HnA, Hn-1A-. Nếu
Ka càng lớn thì mức độ phân ly cho proton càng mạnh và ngợc lại nếu Ka càng bé
thì mức độ phân ly ra H+ u h¬n.
Ngêi ta cịng cã thĨ dïng ký hiƯu pKa ®Ĩ chØ møc ®é ®ã víi quy íc:
pKa = - log10Ka = - lgKa
Vậy thì nếu pKa càng nhỏ thì khả năng cho proton càng mạnh và nếu pKa
càng lớn thì mức độ cho proton càng yếu.
Giá trị của hằng số phân ly là cơ sở để xác định các miền u thế của các cấu
tử trong cân bằng phân ly axit bazơ. Một cách cụ thể, ta lÊy vÝ dơ víi axit HA.
HA

H+ + A-

Ka

Ka = [H+].[A-]/[HA] ⇒ [H+] = Ka.[HA]/[A-].
NÕu gäi pH = - lg [H+] ta cã: pH = pKa +lg([A-]/[HA])
Khi [H+] = Ka hay pH = pKa thì số hạng thứ hai của vế phải bằng 0 hay khi
đó [HA] = [A-].

Chuyên ngành Hóa vô cơ

10


Nguyễn Thanh Hoài

Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

Nếu khi [A-] càng lớn so với [HA] thì tỷ số [A-]/[HA] càng lớn hơn 1, do vậy pH
càng lớn hơn pKa. Khi đó [A-] có u thế hơn [HA]. Ngợc lại nếu pH < pKa thì [HA]
chiếm u thế. Trªn trơc pH ta cã thĨ biĨu diƠn:
[HA] u thÕ

[A-] u thÕ

pH

pKa

T¬ng tù nh vËy víi axit cã n bËc thì sẽ có n khoảng chia, trong đó có một
cấu tử nào đó chiếm u thế. Với một axit xác định ta có thể dựa vào giá trị của pH
để dự đoán cấu tử nào tồn tại trong dung dịch là chủ yếu. Chẳng hạn với axit
cacbonic H2CO3 thì khi pH < 4,35 chđ u tån t¹i CO2; khi pH tăng từ 4,35 đến
6,35 thì CO2 giảm dần đồng thời HCO3- tăng dần; đến pH = 8,4 thì HCO3 chiếm
cỡ xấp xỉ 100% hàm lợng; ở pH > 12,3 thì trong nớc chủ yếu tồn tại CO32.
Để biểu diễn trực quan và định lợng hơn sự biến thiên nồng độ các dạng
axit-bazơ trong cân bằng ngời ta có thể thiết lập sự phụ thuộc giữa độ phân ly của
axit vơí pH của dung dịch.Chẳng hạn với axit HA ở trên:
HA

H+ + A-

Ka=[A-].[H+]/[HA]

Gọi 1 là độ phân ly của axit HA, còn 0 là mức độ tạo thành axit HA,
chúng đợc định lợng bằng các biểu thức:
0= [HA]/C = [HA]/([HA] + [A-]) = [H+]/(Ka + [H+])

vµ: 1 =[A-]/C = [A-]/([HA] + [A-]) = Ka/(Ka + [H+]).
(với C là nồng độ của các dạng tồn tại của HA).
Bởi vì C = [HA] + [A-] nªn ta cã 0 + 1 = 1 do đó [HA] = 0.C và [A-] =
1.C . Tơng tù nh vËy víi axit 2 proton ta cã : [H2A] = 0.C ; [HA-] = 1.C ; [A2-] =
2.C. So sánh các biểu thức đó ta thấy :
0 = [H+].1/ K1 ; 1= [H+].2 / K2...vµ cuèi cïng ta cã n - 1 = [H+].n / Kn
Tõ c¸c biĨu thức đó ta có thể tính toán lập bảng phân bố nồng độ của các
dạng trong dung dịch axit - bazơ phụ thuộc vào pH của môi trờng.

Chuyên ngành Hóa vô cơ

11


Nguyễn Thanh Hoài

Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

Đối với các nguồn nớc tự nhiên, cân bằng các hợp chất cacbon vô cơ và
cân bằng của axit humic và fulvic là tơng đối phổ biến, đặc biệt là cân bằng các
hợp chất cacbon vô cơ có sự chi phối trực tiếp đến tính đệm, độ pH và độ kiềm
của nớc.
1.2.1.2. Cân bằng của các hợp chất Cacbon vô cơ

Nh ta đà nêu trên tính ổn định của nớc phụ thuộc rất nhiều vào các hợp
chất cacbon vô cơ. Trong dung dịch các hợp chất cacbon tồn tại dới các dạng
CO32-, CO2, HCO3-, H2CO3 Hàm lợng các cấu tử này phụ thuộc vào pH của môi
trờng. Mặt khác hàm lợng CO2 hoà tan cũng phụ thuộc pH nên dựa vào pH có thể
biết đợc trong dung dịch hàm lợng cấu tử nào chiếm u thế.
Xét cân bằng:

CO2 + H2O

H2CO3

H+ + HCO3-

K1

Trong đó K1 là hằng số phân ly thứ nhất của axit cacbonic đợc xác định:


[ H + ][ HCO 3 ]
K1
[ HCO 3 ]
=
K1 =
hay +
[ H 2 CO 3 ]
[ H ] [ H 2 CO 3 ]

Nhìn vào biểu thức trên ta thấy

[H 2 CO 3 ]
> 102 tøc lµ cã thĨ xem [HCO3-]
−
[ HCO 3 ]

rất nhỏ hơn so với [H2CO3]. Khi đó trong nớc tồn tại chủ yếu là H2CO3 hay đúng
hơn là CO2 tự do, nghĩa là khi đó [H+]/K1 > 102
[H+] > K2.102 = 10−6,3.102 = 10−4,3

lg[H+] > - 4,3

⇒ pH < 4,3

Biểu thức định lợng K1 có thể viết lại là:

[HCO 3 ]
pH = pK1 + lg
. Do đó, khi nồng độ H2CO3 càng giảm và nồng độ
[H 2 CO 3 ]

HCO3- càng tăng thì giá trị của pH càng tăng. Tơng tự nh trên khi pH = pK1 thì
[HCO3] = [H2CO3]; khi pH > 8,35 th× CO2 tù do bằng trong nớc xem nh không
còn tồn tại hay đúng hơn là tồn tại với lợng không đáng kể nữa. Đồng thời khi đó

Chuyên ngành Hóa vô cơ

12


Nguyễn Thanh Hoài

Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

biến thiên pH bị chi phối bởi cân bằng phân ly thø hai cña axit cacbonic: HCO 3H+ + CO32- K2
2
[H + ][CO 3 − ]
K2 =
−
[ HCO 3 ]

−
[ H + ] [ HCO 3 ]
=
⇒
. Khi pK2 = pH hay pH = 10,33 thì
2
K2
[CO 3 ]

hàm lợng CO32- bằng hàm lợng HCO3-. Khi pH > 12,3 thì hàm lợng HCO3- xem
nh bị triệt tiêu, còn lại CO32-.
Trong khoảng pH từ 6,35 đến 8,4 hàm lợng HCO3- tăng dần và H2CO3
giảm dần đến triệt tiêu tại pH = 8,4. Từ pH cỡ 8,4 đến 10,3 thì hàm lợng HCO3giảm và xuất hiện CO32- tăng dần.
Biểu diễn tơng quan hàm lợng các cấu tử HCO3, H2CO3 , CO32 phụ thuộc
vào pH trên sơ đồ ta có:
100%

HCO3

CO2

50 %
HCO3

CO32

0%
4

6,35

10,33

pH

Hình 1. Sự phụ thuộc của hàm lợng các cấu tử H2CO3 , HCO3−, CO32− theo pH
Tãm l¹i:

pH < 4,3: níc chØ cã CO2 tự do.
pH = 6,3: hàm lợng H2CO3 và HCO3- bằng nhau.
pH = 8,4: hàm lợng HCO3- rất lớn, H2CO3 gần triệt tiêu.
pH = 10,3: hàm lợng HCO3- bằngCO32- .
pH > 12,3: níc chđ u chøa CO32-,cßn HCO3- xem nh hết.

1.2.2. Cân bằng ôxi hoá - khử
Trong dung dịch nớc các cân bằng ôxi hoá khử đóng vai trò rất quan trọng.
Nó chi phối đến việc lựa chọn công nghệ xử lý nớc, khử trùng và tách loại kim
Chuyên ngành Hóa vô cơ

13


Nguyễn Thanh Hoài

Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

loại nặng, khí Thờng thì các phản ứng trao đổi electron trong dung dịch nớc
xảy ra với tốc độ chậm và thời điểm kết thúc ngoài sự phụ thuộc vào thế điện cực
chuẩn còn phụ thuộc các yếu tố khác nh lực ion, quá thế các ion, hoạt độ ionelectron Đồng thời, sự phân bố các chất ôxi hoá khử cũng phụ thuộc vào các

yếu tố bên ngoài. Chẳng hạn với hệ ôxi hoá khử sau:
Fe3+ + e = Fe2+

K

K = [Fe2+]/[Fe3+].[e-]
thì [Fe2+] và [Fe3+] đều phụ thuộc vào giá trị p = -lg [e-]. Nếu xem trong hệ
không có sự thuỷ phân hay tạo phức hiđrôxo thì việc tính toán [Fe2+] và [Fe3+] chỉ
phụ thuộc vào [e-] và thế tiêu chuẩn, còn nếu trong hệ có sự tạo phức hiđrôxo hay
thuỷ phân hoặc một số quá trình khác thì việc tính toán phức tạp hơn nhiều.
Đại lợng đặc trng định lợng cho cân bằng oxi hoá khử là thế tiêu chuẩn của
nửa phản ứng. Theo phơng trình Nernst ta cã:
E=E +
0

RT
ln
nF

∏ [ oxi ho¸ ]
∏ [ khư ]

ni

i

nj

j

Và E0 quan hệ với năng lợng Gibbs và hằng sè K theo biÓu thøc:
∆ G0 = - nE0F = - RTlnK.

Trong ®ã: n − sè e− trao ®ỉi; E0 thế điện cực tiêu chuẩn của nửa phản
ứng; F hằng số Faraday.
Các đại lợng trên ngoài việc ảnh hởng đến các giá trị đặc trng của phản ứng,
còn cho phép đánh giá độ triệt để của phản ứng hay là đánh giá một cách định lợng đợc một phản ứng oxi hoá - khử. Chẳng hạn với phản ứng:
2I- + H2O2 + 2H+ =I2 + 2H2O
là tổ hợp của 2 phản ứng thành phần:
2I- - 2e = I2
H2O2 + 2 H+ + 2e = 2H2O

Chuyên ngành Hóa vô c¬

E01 = - 0,54 V
E02 = 1,77 V

14


Nguyễn Thanh Hoài

Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa häc

H2O2 + 2H+ + 2I− = I2 + 2H2O

Do ®ã:

∆E0 = 1,23 V

∆ G0 = - 2. 1,23.96500 = - 237390 J/mol.

⇒ lnK = - ∆ G0/ RT = 237390/ 8,314.298 = 95,815.

K = 4,1.1041.
Phản ứng này xảy ra triệt để về nhiệt động học. Tuy nhiên một phản ứng
xảy ra thực tế còn phụ thuộc vào mặt động học và nhiều yếu tố khác nữa.
1.2.3. Cân bằng kết tủa
Các muối khó tan trong dung dịch nớc nằm cân bằng với các ion của nó. Giả
sử hợp chất AxBy:
AxBy

xAy+ + yBx-

TAxBy

Giá trị TAxBy gọi là tích số tan của hợp chất AxBy và đợc định lợng theo biểu
thức sau:
T =

[ A ] [B ]
y+ x

[

x−

y

A x By ]

Nhng gi¸ trị [AxBy] đối với chất rắn xem bằng đơn vị nên ta có thể viết:
T = [Ay+]x.[B x-]y
Khi dung dịch có nồng độ Ay+ và Bx- thoả mÃn điều kiện [Ay+]x.[Bx-]y > TAxBy
thì xảy ra hiện tợng quá bÃo hoà và kết tủa thêm AxBy. Trờng hợp ngợc lại khi [Ay+]x.
[ Bx-]y < TAxBy thì hợp chất AxBy có thể tiÕp tơc tan.
Níc tù nhiªn chøa nhiỊu cÊu tư nªn cân bằng kết tủa cũng là một trong những
cân bằng phổ biến. Đặc biệt, trong nớc tự nhiên cân bằng của các dạng cacbon vô cơ
(cacbonat) chiếm phần chủ yếu là bản chất hoá học của quá trình phong hoá đá
vôi, tạo thạch nhũ trong các hang động, là nguyên nhân gây nên độ cứng, độ ổn định
của nớc. Các cân bằng đó là:
CaCO3 + H2O + CO2
(1)

Chuyên ngành Hóa vô cơ

CaCO3

Ca2+ + 2HCO3

Ca2+ + CO32

T

15


Nguyễn Thanh Hoài

Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa häc

(2)

CO32- + H2O

HCO3− + OH−

η = Kw. K2-1

(3)

CO2 + 2H2O

HCO3− + H3O+

K1

(4)

CO32- + CO2 + 2H2O

2HCO3

Kw. K1.K2-1.

Các cân bằng kết tđa cã vai trß rÊt quan träng trong viƯc xư lý nớc, đặc biệt
là trong khi lựa chọn tác nhân keo tụ hay làm thoáng.
Cân bằng hoà tan là một cân bằng động. Độ tan của một chất phụ thuộc
vào nhiệt độ và vào các cân bằng khác nhau trong dung dịch, phụ thuộc vào bản
chất từng ion trong hợp chất. Chỉ cần thay đổi một số yếu tố là có thể làm thay

đổi và chuyển dịch cân bằng. Nếu (4) chuyển dịch sang trái thì tích số [M 2+].
[CO32] lớn dần và có thể tạo kết tủa cacbonat. Còn nếu (4) chuyển dịch sang phải
thì các hợp chất cacbonat bị hoà tan dần.
Để đánh giá khuynh hớng tạo thành hay hoà tan cặn lắng, chủ yếu là do
các cân bằng trên, ngời ta dùng khái niệm tính ổn định của nớc.

Chơng II
tính ổn định của nớc
2.1. Tính ăn mòn và lắng cặn của nớc

2.1.1. Tính ăn mòn
2.1.1.1. Định nghĩa
Sự ăn mòn là sự phá huỷ bề mặt vật liệu làm đờng ống hay thiết bị khác do
tác dụng của môi trờng.
Sự ăn mòn thờng xảy ra đối với các kim loại hay hợp kim khi nó ở trong
môi trờng có tính ăn mòn, chẳng hạn nh môi trờng axit pH <7. Thờng thì tính axit

Chuyên ngành Hóa vô cơ

16


Nguyễn Thanh Hoài

Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

càng cao tốc độ ăn mòn càng nhanh. Bản chất chung của quá trình này là hoà tan
kim loại thành ion kim loại đi vào dung dịch.
M - ne = Mn+

E0(Mn+/M)

Sự hoà tan này phụ thuộc vào thế điện cực của cặp Mn+/M. Nếu thế E0 này
càng âm thì kim loại càng dễ hoà tan vào dung dịch.
2.1.1.2. Các loại ăn mòn
Dựa vào đặc tính hay bản chất của quá trình ăn mòn, ngời ta chia ra làm
hai loại: ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hoá.
Ăn mòn hoá học là ăn mòn xảy ra do tác dụng hoá học giữa vật liệu và môi
trờng khí hoặc hơi ở nhiệt độ cao. Bản chất của quá trình này là quá trình oxi
hoá- khử trong đó eletron của vật liệu đợc chuyển trực tiếp cho chất oxi hoá trong
môi trờng.
Chẳng hạn nh tác dụng của Fe với hơi nớc ở nhiệt độ cao là một quá trình
ăn mòn hoá học:
3Fe + 4H2O

t0

Fe3O4 + 4H2

Kết quả là tạo ra một lớp oxit sắt bám trên bề mặt, trong khi Fe bị ăn mòn.
Ăn mòn điện hoá là loại ăn mòn do vật liệu tiếp xúc trực tiếp với chất điện
li và có kèm theo sự tạo thành dòng điện hoá. Đây là loại ăn mòn thờng xảy ra
phổ biến và rộng rÃi nhất trong đời sống, sản xuất. Khi xảy ra ăn mòn điện hoá
thì bản thân vật liệu là các điện cực. Chất bị ăn mòn (chất khử) không chuyển
electron trực tiếp cho chất oxi hoá, mà cho điện cực khác ở đó chất oxi hoá
nhận electron. Nh vậy ăn mòn điện hoá thực chất cũng là một quá trình oxi hoá
khử xảy ra trên các điện cực.
Đối với ®êng èng dÉn b»ng kim lo¹i khi tiÕp xóc trùc tiếp với môi trờng thì
môi trờng chất điện li có tính oxi hoá chủ yếu là do trong nớc có H+:
M + nH+ = Mn+ + n/2H2

hoặc do oxi hoà tan:
Chuyên ngành Hóa vô cơ

17


Nguyễn Thanh Hoài

Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

M - ne
O2 + 4e + 2H2O

Mn+
4OH

2.1.1.3. Các dạng ăn mòn
Cả 2 loại ăn mòn trên không phải tạo ra trên bề mặt vật liệu những dạng
nh nhau, tốc độ cũng khác nhau. Ngời ta phân chia thành một số dạng sau:
+ Ăn mòn đều đặn: đợc xem nh xảy ra trên toàn bộ các điểm bề mặt với
tốc độ nh nhau. Nó có thể đợc mô tả giống nh sự ăn mòn do axit trong môi trờng
nớc với nồng độ nào đó khi không có lớp bảo vệ.
+ Ăn mòn rỗ: là loại ăn mòn không đều đặn xảy ra trên vùng gần anôt cố
định, có thể sâu và nhọn. Loại này xuất hiện do bề mặt đợc bảo vệ nhng không
đồng đều và không ngăn chặn đợc ăn mòn. Ăn mòn rỗ thờng đi kèm với ăn mòn
do pin - nồng độ, ăn mòn do pin điện hoá
+ Ăn mòn do pin điện hoá: là kết quả của sự ăn mòn do có sự tiếp xúc của
hai kim loại có bản chất khác nhau nằm trong một môi trờng nh nhau. Bản chất là
chúng chuyển điện tích cho nhau một cách trực tiếp. Kết quả là kim loại hoạt
động hơn bị ăn mòn.

+ Ăn mòn do pin - nồng độ: xuất hiện khi có sự khác nhau mang bản chất
vô cơ nh sự khác nhau giữa nồng ®é axit, nång ®é ion kim lo¹i, nång ®é cation,
anion, nồng độ oxi hoà tan hay sự tiếp xúc của một kim loại trong môi trờng ion
của nó.
+ Ăn mòn trong đờng nứt: là một dạng ăn mòn do pin nồng độ. Khi đó sự
chênh lệch giữa nồng độ oxi ở trong và ngoài đờng nứt là nguyên nhân của sự ăn
mòn. Một ví dụ nữa là ăn mòn dới lớp cặn lắng: cặn bùn và các chất lơ lửng ngay
trên bề mặt kim loại hình thành một lớp pin điện giữa khu vực dới cặn lắng và bề
mặt kim loại sạch sát nó. Vùng dới của vật lắng trở thành anốt và bị ăn mòn dần.
+ Ăn mòn do vi khuẩn: là loại ăn mòn do hoạt động của vi khuẩn bên
ngoài làm phá huỷ kim loại. Loại này thờng thể hiện rõ tại những nơi có các hạt

Chuyên ngành Hóa vô cơ

18


Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

Nguyễn Thanh Hoài

nhỏ trên bề mặt kim loại tạo ra các vùng anôt liên tục, từ đó kim loại bị ăn mòn
dần và bị phá huỷ. Loại này thờng thấy trong đờng ống dẫn nớc.
+ Ăn mòn do dòng nhiễu: Sự phát sinh loại ăn mòn này là do các tác nhân
bên ngoài khác. Chẳng hạn nh phần dới đất gần sát với đờng ray làm ăn mòn đờng ray. Rõ nhất là trong hệ thống dẫn nớc, sự có mặt các tác nhân gây ra ăn mòn
này rất nhiều.
2.1.2. Tính lắng cặn
2.1.2.1. Định nghĩa
Sự lắng cặn là hiện tợng các phần tử ở dạng huyền phù kết hợp với nhau
tạo thành các hạt có kích thớc lớn hơn lắng xuống đờng ống hay thiết bị chứa nớc

làm bám một lớp chất rắn khó hoà tan ở bề mặt vật liệu.

2.1.2.2. Nguyên nhân hình thành cặn lắng
Cặn trong thiết bị chứa nớc hay trong đờng ống dẫn nớc đợc tạo ra tuỳ
thuộc vào nguồn gốc của nó. Dựa vào đó ngời ta chia làm 2 loại cặn là cặn hữu cơ
và cặn vô cơ.
Cặn hữu cơ đợc tạo ra là do các rong rêu và vi sinh vật bám vào thành và
sinh sôi nảy nở. Phần lớn các loại cặn này thờng dễ xử lí. Nếu bề mặt lắng cặn có
diện tích rộng có thể dùng bàn chải sắt đánh sạch (phơng pháp cơ học) hay dùng
các hoá chất. Nếu bề mặt lắng cặn có diện tích bé, chẳng hạn trong đờng ống dẫn
nớc, ta dùng viên bi cao su đẩy với áp suất cao hoặc dùng clo để diệt vi sinh vật
làm cho nó không có khả năng tạo kết lắng hữu cơ nữa.
Cặn vô cơ đợc tạo thành chủ yếu là do tác động phân giải của muối
hidrocacbonat thành muối cacbonat. Cân bằng đó xảy ra nh sau:
M(HCO3)2 = CO2 + H2O + MCO3

Chuyên ngành Hóa vô cơ

19


Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

Nguyễn Thanh Hoài

Trong đó M là kim loại hoá trị 2, chủ yếu là kim loại kiềm thổ. Khi một
tác nhân nào đó khử đi CO2 tự do trong nớc thì cân bằng đó sẽ chuyển dịch về
phía tạo ra CO32 làm cho tốc độ hình thành cặn càng nhanh và xu hớng hình
thành cặn càng nhiều. Do vậy muốn nớc không có cặn cacbonat thì phải giữ hàm
lợng CO2 tự do trong nớc ổn định theo cân bằng trên.

Tuy nhhiên trong nớc có rất nhiều cân bằng tồn tại đồng thời với nhau,
hàm lợng CO32 tự do trong nớc của các muối tan tạo ra kết hợp với ion M2+ cũng
có thể tạo ra cặn lặng trong nớc. Một số chất lắng cặn khác nh muối sunfua của
các kim loại nặng nh PbS, CuS, MnS…, c¸c muèi silicat nh CaSiO3, MgSiO3, các
hidroxit nh Mg(OH)2, Fe(OH)3, MnO2.xH2O...cũng có thể tạo ra trong nớc.
Trong hệ thống đờng ống dẫn nớc, sự lắng cặn tạo ra nhiều hình dạng khác
nhau. Có thể tạo lớp cặn mặt dới dày, mặt trên mỏng đó là cặn thô lệch tâm. ở
các đoạn ống đứng thì lớp cặn đó có thể có độ dày đồng đều. Nếu sự đóng cặn
trong nớc là cục bộ thì sẽ tạo thành các điểm nhấp nhô bên trong đờng ống.
2.1.2.3. Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình hình thành cặn
Chất nớc là yếu tố quyết định đến khả năng hình thành cặn lắng trong đờng ống hay thiết bị. Sự lắng cặn và tốc độ lắng cặn phụ thuộc hay chịu ảnh hởng
trực tiếp bởi các yếu tố sau:
a- Hàm lợng chất lơ lửng: Hàm lợng chất lơ lửng huyền phù trong nớc có
ảnh hởng đến khả năng và tốc độ hình thành cặn lắng. Hàm lợng đó càng cao thì
khả năng lắng cặn càng nhiều vì khi đó sự kết hợp các hạt có kích thớc nhỏ thành
các hạt có kích thớc lớn là sự kết hợp tự nhiên, tức là quá trình kết lắng sẽ tự
diễn biến.
b-Trong nớc có hàm lợng sunfua với nồng độ cao cũng làm cho tốc độ
lắng cặn càng nhanh dới các dạng muối sunfua của các kim loại nặng nh PbS,
CuS, ZnS.

Chuyên ngành Hóa vô cơ

20


Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

Nguyễn Thanh Hoài

c- Chỉ số pH: Đây là yếu tố ảnh hởng nhiều đến sự hình thành lắng cặn
thông qua các cân bằng xảy ra trong nớc. Đặc biệt thông dụng phổ biến nhất là
cân bằng các hợp chất cacbon vô cơ:
2HCO3

H2O + CO2 + CO32.

Bằng cách tính toán cho cân bằng các hợp chất trên rút ra sự phụ thuộc của
hàm lợng các dạng tồn tại các cấu tử đó vào pH ®· cho phÐp kÕt luËn: khi pH <
4,35 trong níc chØ tån t¹i CO2 tù do; khi pH > 4,35 và pH < 8,35 trong nớc có
đồng thời cả dạng HCO3 và CO2 tự do; khi pH > 8,35 và pH < 12,3 thì trong nớc
tồn tại đồng thời cả HCO3 và CO32; nếu pH > 12,3 thì trong níc chØ tån t¹i
CO32−. Do vËy nÕu khèng chÕ pH ở một giá trị nào đó sẽ cho ta biết đợc cấu tử
nào chiếm u thế và nếu biết đợc thành phần của mẫu nớc sẽ dự đoán đợc nớc có
khả năng tạo thành kết lắng cacbonat hay không.
d- Hàm lợng oxi hoà tan (DO): Mặc dù trong nớc sau khi đà xử lý qua các
quá trình khử sắt và mangan nhng giá trị nồng độ các ion đó cha thể bằng 0. Nếu
có hàm lợng oxi hoà tan trong nớc sẽ oxi hoá Mn2+ thành Mn+4 hoặc Fe2+ thành
Fe3+. Ngoài ra oxi còn oxi hoá các hợp chất sunfua vỊ lu hnh t¹o hun phï lu
hnh.
2H2S + O2 = 2S + 2H2O.
e- Các chỉ số trên đây có ảnh hởng trực tiếp đến khả năng hình thành cặn
lắng trong nớc. Bên cạnh đó còn có một số yếu tố có liên quan đến quá trình này
nh áp suất, nhiệt độ, vi khuẩn Chẳng hạn nếu áp suất cao thì hàm lợng oxi hoà
tan cao, hàm lợng CO2 tự do cũng cao làm cho cân bằng nêu trên tạo bicacbonat.
Do các hằng số cân bằng nh K1, K2, Ks phụ thuộc vào nhiệt độ nên nhiệt độ
cũng ảnh hởng đến hàm lợng kết tuả CaCO3, trong khoảng pH xác định.
Chẳng hạn, một mẫu nớc tự nhiên có pH = 7,3, tại 150C nồng độ Ca2+ đợc
tính theo công thøc : lg[Ca2+] = - 0,5pH + 0,5 (pK2 - pKs)
(K1, K2 là hằng số phân ly của axit cacbonic; Ks là tích số tan của CaCO3).

Chuyên ngành Hóa vô c¬

21


Nguyễn Thanh Hoài

Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa häc

lg[Ca2+] = - 0,5 . 7,3 + 0,5.(10,43 - 8,215)
⇒ [Ca2+] = 2,87 . 10−3M
⇒ m Ca = 2,87 . 10−3. 40 = 114,69 (mg /lÝt)
2+

NÕu ë nhiƯt ®é 500C lợng Ca2+ là:
lg [Ca2+] = - 0,5 .7,3 + 0,5.(10,172 - 8,625)
⇒[Ca2+] = 1,33 .10−3M
⇒ m Ca = 53 (mg/lÝt).
2+

2.2. Bản chất của tính ổn định của nớc

2.2.1. Khái niệm tính ổn định của nớc
Trong môi trờng nớc thờng xảy ra các cân bằng liên quan trực tiếp tới các
hiện tợng xảy ra trong khi lu chuyển nớc nh quá trình tạo cặn lắng hay ăn mòn
lớp cặn lắng hay vật liệu kết cấu. Các hợp chất tham gia các cân bằng loại này thờng bao gồm các cấu tử nh CO2; CO32−; HCO3−; H2CO3 ; CaCO3… ë trong dung
dÞch nớc các cấu tử này tạo ra sự chuyển hoá giữa các dạng với nhau theo các cân
bằng sau:
H2O + CO2

H2CO3

H2CO3

H+ + HCO3−

HCO3−

H+ + CO32−

K2

CaCO3

Ca2+ + CO32−

Ks

CaCO3 + H2O + CO2
CaCO3 + H+

K1

Ca(HCO3)2

Ca2+ + HCO3

Ngoài ra còn có các cân bằng khác tồn tại đồng thời với nhau nh cân bằng
các hợp chất sunfua S2; sunphat SO42; clorua ClChẳng hạn:

Chuyên ngành Hóa vô cơ

22


Nguyễn Thanh Hoài

Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa häc

Mg2+ + HCO3−

MgCO3 (r) + H+

Ca2+ + SO42− + 2H2O

CaSO4.2H2O(r)
SiO2 (r) + 2H2O

H4SiO4

Al2Si2O5(OH)4 (r) + 5H2O

Mg2+ + 2OH−

Mg(OH)2(r)
PbS

2Al(OH)3 (r) + 2H4SiO4

Pb2+ + S2

CuS

Cu2+ + S2

...
Hiện tợng lắng cặn hay hoà tan cặn lắng là do các cân bằng trên cha đợc
thiết lập. Quá trình thiết lập các cân bằng này làm thay đổi nồng độ các dạng ion
trong nớc. Vì vậy, để đặc trng cho tính chất này, ngời ta sử dụng khái niệm tính
ổn định của nớc. Tính ổn định của nớc đợc chi phối hay chịu tác động trực tiếp
của tính ổn định của các cân bằng trong môi trờng nớc, chủ yếu là các cân bằng
của các hợp chất cacbon vô cơ, bởi vì chúng thờng chiếm phần cơ bản trong tổng
số các chất rắn hoà tan, các chất có thể tạo kết tủa.
Nh vậy tính ổn định của nớc thực chất là sự ổn định của các cân bằng dị
thể (hoà tan và kết tủa) xảy ra trong dung dịch nớc, đặc biệt là các cân bằng
của các hợp chất cacbon vô cơ. Do đó, khi khảo sát tính ổn định của một nguồn
nớc, ngời ta thờng chỉ chú ý đến các cân bằng của canxi cacbonat.
2.2.2. Cân bằng hoà tan canxi cacbonat
Nh trên đà nêu, cân bằng quan trọng và chủ yếu trong nớc có liên quan
trực tiếp đến quá trình ăn mòn và kết lắng trong đờng ống hay thiết bị chứa nớc là
cân bằng bÃo hòa CaCO3. Cân bằng đó đợc mô tả nh sau:
CaCO3 + H2O + CO2

Ca(HCO3)2

(*)

Nhìn vào cân bằng trên ta thấy sẽ có một lợng CO2 đủ để tạo cho cân bằng
trên thiết lập và ổn định. Lợng CO2 đó gọi là lợng CO2 bÃo hoà. Thực tế lợng CO2

trong nớc tự nhiên luôn khác so với lợng CO2 bÃo hoà. Khi lợng CO2 trong nớc tự

Chuyên ngành Hóa vô cơ

23


Nguyễn Thanh Hoài

Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

nhiên lớn hơn lợng CO2 bÃo hoà thì cân bằng sẽ chuyển dịch sang phải nghĩa là
làm cho một lợng CaCO3 bị hoà tan. Khi đó lợng CO2 d gọi là CO2 xâm thực và
nếu nớc chảy qua các thiết bị có một lớp CaCO 3 thì lớp CaCO3 của thiết bị đó sẽ
bị ăn mòn. Ngợc lại nếu trong nớc tự nhiên có lợng CO2 thấp hơn lợng CO2 bÃo
hoà thì cân bằng trên sẽ chuyển dịch sang trái làm cho kết tủa thêm một lợng
CaCO3. Khi đó nớc trong đờng ống sẽ tạo ra một lớp CaCO3 bám trên bề mặt
trong của ống ...dần dần làm tắc nghẽn đờng ống gây cản trở lớn đến việc lu
chuyển của nớc.
Vậy muốn duy trì một nguồn nớc ổn định không xảy ra các hiện tợng trên
(kết lắng và ăn mòn) thì cần phải xử lý sao cho lợng CO2 trong nớc phải đúng
bằng lợng CO2 bÃo hoà.
2.2.3. Các yếu tố ảnh hởng đến cân bằng hoà tan CaCO3
Trớc hết ta thấy rằng cân bằng hoà tan CaCO3 phụ thuộc vào hàm lợng CO2
trong nớc. Hàm lợng CO2 này lại phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ áp suất riêng phần CO2: Theo định luật Henry nồng độ CO2 hoà tan phụ
thuộc vào áp suất theo biểu thức:

Ci = KHi.Pi

Trong đó: Ci: nồng độ CO2 hoà tan
KHi: hằng số Henry.
Pi: áp suất riêng phần CO2.
Khi áp suất càng tăng thì nồng độ CO2 hoà tan càng lớn và ngợc lại.
+ Nhiệt độ: Nhiệt độ cũng làm thay đổi hàm lợng CO2 hoà tan trong nớc.
Do quá trình hòa tan của khí vào nớc là quá trình giảm entropy (S < 0) đi đôi
với việc giải phóng năng lợng, nên khi nhiệt độ tăng thì độ tan của CO2 giảm.
+ Quá trình hoà tan CO2 cũng chịu ảnh hởng của các tạp chất có trong nớc.
Sự phụ thuộc này đợc biểu thị qua công thức tính nồng độ khí bÃo hoà:
Cs = KD.Ck/.
Trong đó:

Cs : nồng độ bÃo hoà khí trong pha lỏng.

Chuyên ngành Hóa vô cơ

24


Luận văn tốt nghiệp Đại học ngành Hóa học

Nguyễn Thanh Hoài

Ck: nồng độ khí trong pha khí.
KD: hệ số khuếch tán.
: hệ số nhiễm bẩn của nớc.
Nếu nớc có độ nhiễm bẩn càng cao thì càng lớn, khi đó Cs càng nhỏ tức
là hàm lợng CO2 hoà tan càng thấp. Điều này cũng đồng thời với việc khả năng
tạo CaCO3 càng lớn do cân bằng (*) chuyển dịch sang trái.
+ pH của môi trờng : yếu tố pH có ảnh hởng đến hầu hết các cân bằng

trong dung dịch nớc kể cả các cân bằng nh cân bằng hấp phụ mang bản chất vật
lí. Tuỳ thuộc vào pH mà các cấu tử trong hệ tồn tại với các hàm lợng khác nhau.
Chẳng hạn, với axit cacbonic thì khi pH tăng dần, tính u thế chuyển từ CO2 đến
HCO3 và đến CO32 (xem mục 1.2.1.2. ở trên).
+ Sự có mặt của các ion khác trong nớc có ảnh hởng đến cân bằng (*). Bản
chất của sự ảnh hởng này là các ion làm thay đổi lực ion của nớc, do đó làm thay
đổi hệ số hoạt độ của các dạng CO2, CO32 hay HCO3 trong cân bằng (*). Chẳng
hạn sự thay đổi độ kiềm (chủ yếu là HCO3-) làm cho nồng độ cân bằng của HCO3thay đổi từ đó thay đổi cân bằng (*).
Ngoài ra yếu tố tốc độ lu chuyển của nớc cũng ảnh hởng đến tốc độ đạt
đến cân bằng (*).
2.2.4. Tác hại của tính không ổn định cđa níc
Níc dïng trong rÊt nhiỊu lÜnh vùc kh¸c nhau nên tùy thuộc vào mục đích
sử dụng mà yêu cầu về chất lợng nớc cũng khác nhau. Nhng có một tính chất mà
bất kỳ loại nớc nào cũng cần đến là tính ổn định.
Nếu nh một mẫu nớc nào đó cha có tính ổn định thì sẽ xảy ra các hiện tợng khác nhau trong khi sử dụng, trong đó hai hiện tợng : lắng cặn và ăn mòn là
rất đáng quan tâm.
Nớc có khuynh hớng kết lắng sẽ tạo ra trên bề mặt vật liệu một lớp cặn
khó tan, gây cản trở rất lớn đến quá trình lu chuyển hoặc dần dần làm tắc nghẽn

Chuyên ngành Hóa vô cơ

25