CHƯƠNG IV CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH LÝ- HOÁ HỌC
IV.2. Các phương pháp phân tích hoá-lý học đối với nước, nước thải và đất Chuẩn bị dung dịch trong phân tích định lượng
9. XÁC ĐỊNH NHU CẦU OXY SINH HOÁ (BOD)
Nhu cầu oxy sinh hoá được định nghĩa là lượng oxy hoà tan được dùng để oxy hoá các thành phần hữu cơ trong nước bởi các vi sinh vật và dưới các điều kiện thí nghiệm nhất đinh. BOD là phương pháp phân tích sinh học dựa trên kinh nghiệm, trong đó các điều kiện của nước như nhiệt độ, nồng độ oxy hoặc loại vi khuẩn đóng vai trò quyết định.
Các yếu tố này và các yếu tố khác nữa dẫn đến khả năng tái sản xuất thấp hơn trong các phương pháp phân tích hoá học thuần tuý. Để giải quyết những hạn chế này, BOD đặc biệt quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nước mặt và nước thải. Tính ứng dụng của nó là không thể thiếu trong tập hợp số liệu trong quá trình xây dựng các nhà máy xử lý nước thải.
Sự phân huỷ sinh hoá trong nước thải thường xảy ra ở hai trạng thái khác nhau. Trạng thái 1, các thành phần hữu cơ được phân huỷ hoàn toàn để chuyển hoá thành CO2 và H2O.
Trạng thái 2, trạng thái nitrat hoá, amonium bị oxy hoá thành nitrít và sau đó thành nitrát bởi hoạt động của các vi sinh vật phân huỷ nitơ. Mặc dù sự tồn tại của amonium, sự nitrát hoá không sảy ra trong nước hoặc nước thải bởi vậy kết quả kiểm tra có thể không chính xác. Sự nitrát hoá chủ yếu quan xát được trong nước thải từ các nhà máy xử lý nước do vậy tồn tại một lượng lớn vi sinh vật phân huỷ nitơ. Trong nhiều trường hợp phân tích nước thải, sự nitrát hoá có thể được hạn chế bằng các chất hạn chế sự hoạt động để tăng khả năng so sánh giữa các tập hợp mẫu phân tích. Tuy nhiên, những chất hạn chế hoạt động không nên sử dụng trong các nghiên cứu với nước sông, do các thông tin môi trường yêu cầu sự tiêu thụ oxy bởi tất cả các vật chất chứa trong nước và không chỉ các thành phần hữu cơ. Để đánh giá BOD nên kết hợp với các đặc tính của nguồn nước.
Thời gian phản ứng 5 ngày thường được sử dụng để đo đạc BOD5. Phương pháp pha loãng được mô tả ở đây trong điều kiện nước bão hoà oxy.
Đối tượng áp dụng: Nước, nước thải
Thiết bị: Bình thuỷ tinh 250 ml – 500 ml có nắp đậy Tủ định ôn tại 20oC.
Hoá chất và dung dịch:
Dung dịch dinh dưỡng: a/ Hoà tan 42,5 g kali dihydrophotphat với 700 ml nước, thêm vào 8.8 g NaOH và 2g (NH4)2SO4 lên thể tích 1 lít.
Giái trị pH của dung dịch được điều chỉnh tới 7,2.
b/ Hoà tan 22,5 g MgSO4.7 H2O trong 1 lít nước cất.
c/ Hoà tan 27,5 g CaCl2 trong 1 lít nước cất d/ Hoà tan 0,15 g FeCl3.6H2O trong 1 lít nước
Pha loãng: Lấy 1 ml mỗi dung dịch dinh dưỡng thêm vào 1 lít nước và tạo điều kiện hiếu khí trong một vài ngày trong bóng tối.
Dung dịch N-allyl thiourea Lấy khoảng 1 mg N-allyl thiourea (C4H8N2S) hoà tan trong 100 ml nước. Dung dịch phải được chuẩn bị trước mỗi lần phân tích.
Chuẩn bị mẫu
Đối với các mẫu phân tích có giá trị pH chua hoặc kiềm phải được chỉnh về pH 7 hoặc 8 bằng HCl hoặc NaOH. Mẫu bảo quản lạnh phải được làm mát tới nhiệt độ phòng trước khi phân tích.
Đo đạc
Các mẫu có gía trị BOD5 dự đoán khoảng 6 mg/l không cần thiết phải tiến hành pha loãng. Trong trường hợp nước chứa nhiều vi khuẩn tự do, lấy 5 ml nguồn ra bùn thải tại các nhà máy xử lý nước hoặc 1 ml cặn nước thải thêm vào 1 l nước pha loãng. Việc pha loãng nên được thực hiện trong trường hợp lượng oxy tiêu thụ ít hơn 2 mg/l sau 5 ngày ủ và nồng độ oxy giữ trong mẫu dưới 2 mg/l. Tuy nhiên giá trị BOD không được biết, một số cách pha loãng khác nhau nên được chuẩn bị đêm một trong số khoảng pha loãng nằm trong khoảng đo đạc. Cũng nên xác định COD trước khi xác định BOD, các kết quả của COD sẽ hữu ích cho việc lựa chọn khoảng pha loãng. Các khoảng pha loãng được trình bày trong bảng dưới đây:
Bảng 18. Dãy pha loãng trong xác định nhu cầu oxy sinh hoá Giá trị BOD5 dự đoán (mg/l) ml mẫu lên thể tích 1 lít
0-6 1000 4-12 500 10-30 200 20-60 100 40-120 50 100-300 20 200-600 10 400-1200 5 1000-3000 2 2000-6000 1
Sau khi pha loãng, mẫu được trộn đều và chuyển sang bình đo, tránh sự hình thành bọt khí trong mẫu và đậy nắp bình.
Nồng độ oxy được xác định ngay sử dụng tối thiểu ba mẫu nhắc lại theo phương pháp Winkler hoặc sử dụng điện cực đo oxy. Giữ mẫu ở nhiệt độ 20oC trong 5 ngày. Sau 5 ngày, xác định nồng độ oxy còn lại trong mẫu. Mẫu trắng cũng được đo tương tự.
Các yếu tố gây nhiễu
Lượng oxy tiêu thu do quá trình nitrát hoá có thể được hạn chế bằng việc thêm vào 1 ml dung dịch N-allyl thiourea. Ion clo tự do tồn tại trong nước thải sau phản ứng clo hoá với vật chất hữu cơ sau khoảng 2 giời sẽ không gây nhiễu cho phép đo. Các thành phần khác cũng sử dụng oxy như Fe(II), sunphít bị oxy hoá sau 2 giời do quá trình lắc. Sự tồn tai của các vật chất độc sẽ làm giảm giá trị BOD, trong trường hợp này phải tăng tỷ lệ pha loãng mẫu.
Tính toán kết quả:
Nhu cầu oxy sinh hoá được tính bằng mg/l O2
BOD5 (mg/l) = C D D
B
A( − )+ trong đó: A= tổng thể tích pha loãng (ml)
B= thể tích không pha loãng (ml)
C= lượng oxy tiêu thụ trong mẫu được pha loãng sau 5 ngày (mg/l)
D= lượng oxy tiêu thụ trong nước pha loãng sau 5 ngày (mg/l)
10. XÁC ĐỊNH NHU CẦU OXY HOÁ HOÁ HỌC (COD) (TIÊU HAO KMnO4 và OXY HOÁ VỚI K2Cr2O7)
Nhu cầu oxy hoá hoá học (COD) được định nghĩa là lượng oxy cần thiết để hình thành chất oxy hoá dùng trong phản ứng oxy hoá các thành phần hữu cơ trong nước. Mức độ oxy hoá phụ thuộc vào loại vật chất, pH, nhiệt độ, thời gian phản ứng và nồng dộ chất oxy hoá cũng như các chất thêm vào nếu có. KMnO4 là chất oxy hoá dùng để xác định các thành phần hữu cơ trong nước và nước thải. Phương pháp này dễ thực hiện, tuy nhiên có những mặt hạn chế liên quan đến các vật chất hữu cơ như axít amino, ketones, hoặc axít cacboxylic bão hoà. Các vật chất này không thể oxy hoá bằng KMnO4. Do đó, phương pháp này chủ yếu được áp dụng đối với những khu vực ít ô nhiễm hoặc đánh giá chất lượng nước uống, các kết quả chỉ mang tính chất khuynh hướng. Việc đo đạc chủ yếu thực hiện trong dung dịch axít các ion Mn4+ bị khử thành Mn2+.
MnO4- + 8H+ + 5e- ↔ Mn2+ + 4H2O
Để thu được các kết quả đo COD chính xác hơn, KMnO4 được thay bằng K2Cr2O7
(một chất oxy hoá mạnh hơn).
Cr2O72- + 14H+ + 6e- ↔ 2Cr3+ + 7H2O
Phương pháp này được sử dụng để xác định COD trong tất cả các loại nước và nước thải. Tất cả các vật chất hữu cơ hầu như bị oxy hoá hoàn toàn. Nồng độ (mg/l O2) từ 10 - 15 mg/l có thể an toàn trong đo đạc.
Để diễn dải các kết quả, vấn đề quan trọng cần chú ý đối với các giá trị COD là không thể chuyển đổi trực tiếp lượng đo đạc các vật chất hữu cơ tồn tại khi không định lượng được các thành phần. Các vật chất khác nhau yêu cầu lượng hoá chất dùng trong oxy hoá khác nhau để xảy ra phản ứng oxy hoá hoàn toàn.
Ví dụ: oxalic axít (C2H2O4) 0,18 mg/mg chất axetic axít (C2H4O2) 1,07 mg/mg chất
phenol (C6H6O) 2,38 mg/mg chất
Đối với nước thải sinh hoạt thường là 1,2 mg COD/ mg chất hữu cơ.
Sự thay đổi các ion vô cơ có thể bị oxy hoá đồng thời (ví dụ: nitrít, sunphít, F(II)).
Nồng độ clo cao gây nhiễu, do đó có thể sử dụng ion Hg hoặc khử hơi HCl trước khi xác định. Ion bạc thường được thêm vào để tăng phản ứng oxy hoá.
Đối tượng áp dụng: Nước, nước thải, đất (phương pháp K2Cr2O7) a/ Phương pháp KMnO4
• Dụng cụ chuẩn độ
• Bếp đun
Hoá chất và dung dịch
KMnO4 Lấy 3,1608 g KMnO4 lện thể tích 1 lít bằng nước đun sôi.
Lấy 100 ml lên thể tích 1 lít. Hệ số chuẩn độ được xác định bằng axít oxalic trước khi sử dụng. Bảo quản dung dịch trong bóng tối.
Axít oxalic Lấy 6,3033 g axít oxalic (C2H2O4.2H2O) lên thể tích 1 lít.bằng nước cất + 50 ml H2SO4 đậm đặc. Lấy 100 ml dung dịch này + 50 ml H2SO4 đậm đặc sau đó lên thể tích 1 lít.
Dung dịch ổn định trong 6 tháng, trong bóng tối.
Axít sunphuaric (d=1,27) Lấy 100 ml dung dịch H2SO4 đậm đặc + 200 ml nước.
Dung dịch KMnO4 được thêm vào cho tới khi xuất hiện màu hồng.
Chuẩn bị mẫu
Đo mẫu nên thực hiện càng sớm càng tốt sau khi thu thập mẫu ngoài hiện trường. Sử dụng hạt thủy tinh trong quá trình công pháp mẫu.
Đo đạc
Điều chỉnh hệ số chuẩn độ của dung dịch KMnO4 được thực hiện bằng cách dun sôi 100 ml nước cất và 5 ml H2SO4. Thêm vào dung dịch KMnO4 cho đến khi xuất hiện màu hồng nhạt. Sau đó dùng pipet thêm vào 20 ml axít oxalic và chuẩn độ dung dịch bằng KMnO4 tới khi xuất hiện màu hồng nhạt. Tổng lượng tiêu hao x nên nằm trong khoảng giữa 19 và 21 ml. Hệ số chuẩn độ được tính như sau: f= 20/x.
Phép đo được thực hiện bằng cách lấy 100 ml mẫu (hoặc thể tích nhỏ hơn) vào bình tam giác sau đó thêm 5 ml H2SO4 (d=1,27). Bình tam giác được đậy bằng miếng kính mỏng, đun sôi 5 phút. Trong khi đun, dùng pipet thêm vào 20 ml dung dịch KMnO4, để sủi bọt trong vòng 10 phút. Thêm vào 20 ml oxalic axít đun hỗn hợp dung dịch cho tới khi mất màu. Nhiệt độ dung dịch khoảng 80oC được chuẩn độ bằng KMnO4 cho tới khi xuất hiện màu hồng (bền khoảng 30 giây). Thể tích tiêu hao nên nằm trong khoảng 4 – 12 ml. Khi nồng độ trong mẫu lớn, nên chuẩn độ với thể tích nhỏ hơn. Sử dụng 100 ml nước cất làm mẫu trắng, đo mẫu trắng tương tự như mẫu đo.
Các yếu tố gây nhiếu
H2S, sunphít, và nitrít là yếu tố gây nhiễu, nhưng có thể loại bỏ trong môi trường axít.
Nồng độ ion clo vượt quá 300 mg/l cũng gây nhiễu phép đo. Trong những trường hờp này, mẫu phải được pha loãng để thu được giá trị nồng độ thấp hơn.
Tính toán kết quả
Lượng tiêu hao KMnO4 (mg/l)
KMnO4 (mg/l) =
V
mg f
b
a ). .316 ( −
Trong đó: a: Lượng KMnO4 tiêu thụ bởi mẫu đo (ml) b: Lượng KMnO4 tiêu thụ bởi mẫu trắng f: Hệ số chuẩn độ của dung dịch KMnO4
V: Thể tích mẫu (ml) b/ Phương pháp K2Cr2O7
Thiết bị
• Thiết bị cất, bình tam giác 250 ml, hạt thuỷ tinh.
• Bếp đun
• Thiết bị chuẩn độ Hoá chất và dung dịch
Axít sunphuaric, có chứa bạc Lấy 15 g bạc sunphát hoà tan trong 1 lít H2SO4 đậm đặc.
Dung dịch K2Cr2O7 Lấy 12,259 g K2Cr2O7 (sấy khô trong 2 giời tạ nhiệt độ 105oC) lên thể tích 1 lít.
Lấy 100 ml dung dịch này lên thể tích 1 lít.
Dung dịch Ferrous amonium
sunphát Lấy 98 g (Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O) hoà tan trong nước.
Thêm vào dung dịch 20 ml dung dịch axít H2SO4 đậm đặc sau đó lên thể tích 1 lít. Lấy 100 ml dung dịch này lên thể tích 1 lít bằng nước cất.
Hệ số của dung dịch được điều chỉnh bằng K2Cr2O7
trước khi sử dụng.
Dung dịch chỉ thị Ferroin Lấy 0,98 g dung dịch Ferrous amonium sunphát và 1,485 g 1,10-phenanthrolin (C12H8N2.H2O) sau đó lên thể tích 1 lít bằng nước cất.
HgSO4 Lấy 10 ml axít H2SO4 đậm đặc + 5 hoặc 15 g HgSO4
lên thể tích 100 ml bằng nước cất.
Chuẩn bị mẫu
Việc đo đạc nên được thực hiện càng sớm càng tốt sau khi thu mẫu. Dụng cụ thuỷ tinh phải sạch. Các mẫu nước thải thường được đo sau 2 giời để loại bỏ cặn trong mẫu.
Đo đạc
Hệ số điều chỉnh của dung dịnh ferro amonium sunphát được tiến hành như sau: Pha loãng 10 ml dung dịch K2Cr2O7 đến 100 ml. Thêm vào 30 ml dung dịch H2SO4 đậm đặc, dung dịch được để nguội và được chuẩn độ với ferro amonium sunphát sau khi thêm vào
3 giọt chỉ thị ferroin. Lượng tiêu hao x (ml) được sử dụng để tính toán hệ số theo công thức sau f=10/x.
Xác định mẫu được thực hiện như sau: lấy 20 ml mẫu và 10 ml dung dịch K2Cr2O7 đậm đặc chuyển vào bình tam giác (kèm với một vài hạt thuỷ tinh). Thêm vào 30 ml bạc có chứa axít sunphuaric và lắc đều. Dung dịch được đun hồi lưu trong 2 giời.
Đối với những mẫu nước và nước thải đã có những thông tin về kết quả trước đó, thơi gian đun hồi lưu có thể rút ngắn.
Sau khi đun, dung dịch được để nguội và thêm vào nước cất cho đến khi thể tích dung dịch trong bình tam giác đạt khoảng 150 ml. Sau khi để nguội ở nhiệt độ phòng, lượng dư của K2Cr2O7 được chuẩn độ lại với dung dịch ferro amonium sunphát. Chỉ thị thay đổi màu từ xanh - nâu đỏ tại điểm chuẩn độ cuối cùng. Mẫu đối chứng được dùng bằng 20 ml nước cất, các bước đo cũng được thực hiện tương tự.
Việc thêm vào dung dịch HgSO4 là không nhất thiết phải thực hiện khi nồng độ Cl trong mẫu nhỏ hơn 100 mg/l. Ở nồng độ 500 hoăc 1500 mg/l, nên thêm vào 2 ml dung dịch HgSO4 trước khi đun hồi lưu.
Đối với các mẫu có nồng độ thấp các chất hữu cơ, có thể sử dụng dung dịch K2Cr2O7
và ferro amonium sunphát ít đậm đặc. Hoá chất sử dụng phải có độ tinh kiết cao. Thiết bị thuỷ tinh phải được rửa sạch với axít chromic sunphuaric trước khi sử dụng. Phương pháp kiểm tra chất lượng có thể được kiểm tra bằng Kali phthata. 425.1 mg chất này (sấy khô tại 105oC lên thể tích 1 lit tương ứng với giá trị COD = 500 mg/l.
Các yếu tố gây nhiếu
Các yếu tố gây nhiễu chủ yếu do các ion Clo, phương pháp hạn chế đã được mô tả ở trên.
Tính toán kết quả
Giá trị COD sử dụng đơn vị mg/l O2.
COD (mg/l) =
V f b
a ). .8.1000 ( −
trong đó: a= lượng tiêu hao ferro amonium sunphát bởi mẫu trắng (ml) b= lượng tiêu hao ferro amonium sunphát bởi mẫu (ml)
f= hệ số chuẩn độ của dung dịch ferro amonium sunphát (nồng độ) V= thể tích mẫu (ml)
8= Đương lượng của O2