CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 QUÁ TRÌNH KEO TỤ 1.1 Định nghĩa Tạp chất trong nước thiên nhiên thường đa dạng về chủng loại và kích thước. Chúng có thể là các hạt cát, sét, mùn, sinh vật phù du, sản phẩm hữu cơ phân hủy… Kích thước hạt dao động từ vài micromet (µm) đến vài milimet (mm). Bằng các phương pháp xử lý như lắng lọc và tuyển nổi, chỉ có thể loại bỏ các hạt có kích thước lớn hơn 10-4 mm. Đối với các hạt có kích thước nhỏ hơn thì đòi hỏi phải tốn rất nhiều thời gian và cũng khó thể đạt được hiệu quả xử lý cao.
Do đó, đối với các hạt có kích thước nhỏ, áp dụng nhiều phương pháp khác như keo tụ tạo bông, đông tụ sinh học, lọc qua màng,… đã được sử dụng. Keo tụ tạo bông là phương pháp hóa lý để tách các phần tử nhỏ ở dạng lơ lửng (pha phân tán) trong dòng lỏng (pha liên tục, thường là nước) bằng cách sử dụng hóa chất. Trong đó, các hạt keo nhỏ lơ lửng trong nước nhờ tác dụng của chất keo tụ mà liên kết với nhau tạo bông cặn có kích thước lớn hơn và người ta có thể tách chúng ra khỏi nước dễ dàng bằng các phương pháp lắng trọng lực và tuyển nổi.2 Cơ chế của quá trình keo tụ Tùy thuộc vào nguồn gốc xuất xứ, các hạt keo trong nước có thể mang điện tích dương hoặc âm. Các hạt sét, các vi sinh vật, các acid humic và fulvic, các hợp chất hữu cơ khác trong nước thường mang diện tích âm.
Các hydroxit nhôm và sắt thường mang điện tích dương. Nguyên nhân cơ bản làm dung dịch keo trong nước rất khó lắng là do dung dịch keo cùng loại có mang diện tích cùng dấu và sinh ra lực đẩy giữa chúng với nhau. Một nguyên nhân khác làm cho dung dịch keo khó lắng xuống là do ái lực của nó với các phân tử nước bao quanh. “Hydrophilic” là thuật ngữ nói chung dành cho các hạt keo ưa nước.
“Hydrophobic” là thuật ngữ dành cho các hạt keo kị nước. Các 7 hạt keo ưa nước thường có nguồn gốc vô cơ và là các hạt sét, các oxit kim loại. Các hạt keo kị nước có nguồn gốc hữu cơ và là các vi sinh vật, các acid humic và fulvic. Điện thế trên bề mặt giữa lớp ngoài của lớp điện tích kép và lớp trong của lớp khuếch tán thường gọi là thế điện động zeta.
Giữa các hạt keo tồn tại lực hấp dẫn Van der Waals, lực hút và lực đẩy tĩnh điện. Khả năng ổn định của hạt keo là kết quả tổng hợp của lực hút và lực đẩy. Nếu lực hút thắng lực đẩy thì keo tụ rất dễ thực hiện. Khi thế điện động α lớn, dung dịch keo là ổn định.
Khi thế điện động zeta giảm dần tới 0, dung dịch keo mất ổn định và dễ dàng tập hợp lại thành đám lớn lắng xuống. Trạng thái dung dịch keo khi thế điện động α = 0 được gọi là trạng thái đẳng điện và trị số pH ở trạng thái này được gọi là điểm đẳng điện. Như vậy theo lý thuyết, nếu muốn quá trình keo tụ xảy ra thì thế điện động zeta cả dung dịch keo cần phải giảm thấp xuống dưới một giá trị tới hạn nào đó. Cơ chế mất ổn định: Nén lớp điện tích kép: Quá trình đòi hỏi nồng độ cao của các ion trái dấu cho vào để giảm thế điện động α.
Sự tạo bông nhờ trung hòa điện tích, giảm thế điện động Zeta làm cho lực hút mạnh hơn lực đẩy và tạo ra sự kết dính giữa các hạt keo. Hấp thụ và trung hóa diện tích: tạo ra điểm đẳng điện α = 0: các hạt keo hấp phụ ion trái dấu lên bề mặt song song với cơ chế nén lớp điện tích kép nhưng cơ chế hấp phụ mạnh hơn. Hấp phụ ion trái dấu làm trung hòa điện tích, giảm thế điện động α tạo ra khả năng kết dính giữa các hạt keo. Kết dính và lắng: Quá trình keo tụ do hấp phụ tĩnh điện thành từng lớp các hạt keo đều tích điện, nhờ lực tĩnh điện chúng có xu thế kết hợp với nhau , Khi lắng, chúng hấp phụ cuốn theo các hạt keo khác, các cặn bẩn, các chất vô cơ, hữu cơ lơ lửng và hòa tan trong nước.
Hấp phụ và tạo liên kết bắc cầu: Các polyme vô cơ hoặc hữu cơ (không pHải Al hoặc Fe) có thể ion hóa, nhờ cấu trúc mạch dài chúng tạo ra cầu nối giữa các hạt keo.3 Các phương pháp keo tụ Có 3 phương pháp keo tụ 1- Cho dung dịch keo mang điện tích ngược dấu vào nhằm trung hòa điện với dung dịch keo sẳn có trong nước, đưa đến thế điện động α của cả hai loại dung dịch keo đều giảm nhỏ. 2- Cho các ion hóa trị cao có điện tích ngược dấu với dấu điện tích hạt keo vào nước để giảm thấp thế điện đông α của dung dịch keo này vì các ion phần hóa trị cao dễ từ lớp khuếch tán đi vào lớp hấp phụ. 3- Tăng lớn nồng độ các loại muối trong nước làm nén nhỏ các lớp hấp phụ và khuếch tán của hạt keo. Kết quả là rất nhiều ion trên bề mặt hạt keo sẽ sát lạ gần nhau đưa đến thế điện động zeta của dung dịch keo giảm nhỏ.
Đối với quá trình keo tụ dùng phèn nhôm hoặc phèn sắt, 3 loại bông cặn sau có thể được hình thành: - Loại thứ nhất: là tổ hợp các hạt keo tự nhiên bị phá vỡ thế điện động α, loại này chỉ chiếm số lượng nhỏ - Loại thứ hai: gồm các hạt keo mang diện tích trái dấu nên kết hợp với nhau và trung hòa về điện tích. Loại này không có khả năng kết dính và hấp phụ trong quá trình lắng tiếp theo và số lượng cũng không đáng kể. - Loại thứ ba: được hình thành từ các hạt keo do thủy phân chất keo tụ với các anion có trong nước nên bông cặn có hoạt tính bề mặt cao, có khả năng hấp thụ các chất bẩn trong khi lắng và tạo các bông cặn lớn hơn. Trong xử lý nước, loại bông cặn thứ ba chiếm ưu thế và quyết định hiệu quả của quá trình keo tụ.4 Các yếu tố ảnh hưởng của quá trình keo tụ 1.1 Giá trị pH của nước Ảnh hưởng của pH đến độ hòa tan của chất keo tụ như phèn nhôm hoặc phèn sắt.
9 Phèn nhôm: Đối với Al(OH)3. Đây là một hydroxyt lưỡng tính điển hình. Trị số pH của nước quá cao hoặc quá thấp đều làm cho nó hòa tan, khiến lượng nhôm dư trong nước tăng lên. - Khi pH < 5,5: Al(OH)3 có tác dụng rõ ràng như một chất kiềm, Al3+ tăng nhiều: Al(OH)3 + 3H+ Al3+ + 3H2O - Khi pH < 7,5: Al(OH)3 có tác dụng rõ ràng như một chất acid, Al3+ tăng nhiều Al(OH)3 + OH- AlO2- + 2H2O - Khi pH > 9,0: độ hòa tan của Al(OH)3 nhanh chóng tăng lên gần như hoàn toàn Trong phạm vi giá trị pH từ 5,5 ÷ 7,5, lượng phèn nhôm dư trong nước đều rất nhỏ Phèn sắt: gồm sắt (II) và sắt (III) Phèn sắt (II): - Khi pH > 6 thì Fe (II) sẽ bị thủy phân thành Fe(OH)2.
- Khi pH từ 8 ÷ 9 và có sự tồn tại cuả O2 tạo thành Fe(OH)3 Fe2+ + 2H Fe(OH)2 + 2H+ Phèn sắt (III): - Khi pH >3,5 thì Fe (III) sẽ bị thủy phân: Fe3+ + 3H2O Fe(OH)3 + 3H+ Ảnh hưởng của pH đối với điện tích hạt keo: điện tích của hạt keo trong nước có quan hệ với thành phần của ion trong nước, đặc biệt là các ion H+. Ảnh hưởng của pH đối với chất hữu cơ trong nước: - Khi pH thấp, các hạt keo của acid humic và fulvic mang điện tích âm, do đó dễ dàng bị keo tụ bởi phèn nhôm hoặc phèn sắt. - Khi pH cao, các hạt keo của acid humic và fulvic mang diện tích dương, nên hiệu quả keo tụ bởi phèn nhôm hoặc phèn sắt sẽ giảm đáng kể. - Khi pH thích hợp là từ 6 ÷ 6,5.2 Liều lượng chất keo tụ Quá trình keo tụ không phải là một loại phản ứng hóa học đơn thuần, nên lượng phèn cần cho vào không thể căn cứ vào tính toán để xác định.
Tùy điều kiện cụ thể khác nhau, phải thực nghiệm chuyên môn để tìm ra lượng phèn tối ưu cho vào. Lượng phèn tối ưu cho vào trong nước nói chung là 0,1 ÷ 0,5 mgđl/l, nếu dùng Al2(SO4)3.18H2O thì tương đương 10 ÷ 50 mg/l, nói chung vật huyền phù trong nước càng nhiều, lượng chất keo tụ cần thiết càng lớn. Cũng có thể chất hữu cơ trong nước tương đối ít mà lượng keo tụ vẫn cần tương đối nhiều.3 Cường độ khuấy trộn Tốc độ khuấy trộn tốt nhất là từ nhanh chuyển sang chậm. Khi mới cho chất keo tụ vào thì phải khuấy nhanh vì sự thủy phân của chất keo tụ trong nước và tốc độ hình thành hệ keo rất nhanh.
Khuấy nhanh mới có khả năng tạo ra một lượng lớn hạt keo làm cho nó nhanh chóng khuếch tán đến các nơi trong nước. Sau khi đã hình thành bông cặn, không nên khuấy nhanh vì không những làm cho bông cặn khó lớn lên mà có thể đánh vỡ chúng.4 Tạp chất trong nước Các ion ngược dấu là một loại tạp chất ảnh hưởng đến quá trình keo tụ. Khi trong nước thiên nhiên có chứa một lượng lớn các hợp chất hữu cơ cao phân tử, chúng có thể hấp phụ lên bề mặt của dung dịch keo, dẫn tới tác dụng bảo vệ dung dịch keo, làm cho quá trình keo khó khăn, hiệu quả keo tụ trở nên rất thấp. Trong trường hợp này, có thể dùng biện pháp oxy hóa sơ bộ bằng các hợp chất của chlorine hoặc ozone để phân hủy các hợp chất hữu cơ này.5 Nhiệt độ nước Khi dùng muối nhôm làm chất keo tụ, nhiệt độ nước ảnh hưởng lớn đến hiệu quả keo tụ.
Khi nhiệt độ nước rất thấp (nhỏ hơn 5oC), bông phèn sinh ra to mà xốp, chứa phần nước nhiều, lắng xuống chậm nên hiệu quả kém. 11 Khi dùng nhôm sulfat tiến hành keo tụ nước thiên nhiên, nhiệt độ nước tốt nhất là 25 ÷ 30oC, khi dùng muối sắt làm chất keo tụ, ảnh hưởng của nhiệt độ nước đối với hiệu quả keo tụ không lớn.5 Các loại chất keo tụ 1.1 Phèn nhôm: Công thức chung của phèn nhôm: Al2(SO4)3.nH2O - Phân loại: • Phèn nhôm đơn: Al2(SO4)3.nH2O • Phèn nhôm kép: MAl2(SO4)3.12H2O - Với M là các kim loại hóa trị 1 như Na+, K+, Ce+, Rb+, hoặc NH4+ - Loại phèn thường sử dụng dưới dạng Al2(SO4)3.18H2O • Tính chất vật lý: dạng bột, màu hơi trắng ngà hoặc hơi vàng. • Thành phần hóa học: Bảng 1-1 Thành phần hóa học của phèn nhôm Al2(SO4)3.
