Item: Cơ sở lý thuyết quá trình keo tụ, tạo bông
Rating: 6
Author: Unknown

PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ, TẠO BÔNG

Cụm hóa lý

1. Cơ sở lý thuyết quá trình keo tụ, tạo bông

Trong nguồn nước, một phần các hạt thường tồn tại ở dạng các hạt keo mịn phân tán, kích thước của hạt thường dao động trong khoảng 0,1 đến 10 m. Các hạt này không nổi cũng không lắng, và do đó tương đối khó tách loại. Vì kích thước hạt nhỏ, tỷ số diện tích bề mặt và thể tích của chúng rất lớn nên hiện tượng hoá học bề mặt trở nên rất quan trọng. Theo nguyên tắc, các hạt nhỏ trong nước có khuynh hướng keo tụ do lực hút VanderWaals giữa các hạt. Lực này có thể dẫn đến sự dính kết giữa các hạt ngay khi khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ nhờ va chạm. Sự va chạm xảy ra do chuyển động Brown và do tác động của sự xáo trộn. Tuy nhiên, trong trường hợp phân tán keo, các hạt duy trì trạng thái phân tán nhờ lực đẩy tĩnh điện vì bề mặt các hạt mang điện tích, có thể là điện tích âm hoặc điện tích dương nhờ sự hấp thụ có chọn lọc các ion trong dung dịch hoặc sự ion hoá các nhóm hoạt hoá. Trạng thái lơ lửng của các hạt keo được bền hoá nhờ lực đẩy tĩnh điện. Do đó, để phá tính bền của hạt keo cần trung hoà điện tích bề mặt của chúng, quá trình này được gọi là quá trình keo tụ. Các hạt keo đã bị trung hoà điện tích có thể liên kết với những hạt keo khác tạo thành bông cặn có kích thước lớn hơn, nặng hơn và lắng xuống, quá trình này được gọi là quá trình tạo bông. Quá trình thuỷ phân các chất keo tụ và tạo thành bông cặn xảy ra theo các giai đoạn sau :

Me3+ + HOH = Me(OH)2+ + H+

Me(OH)2+ + HOH = Me(OH)+ + H+

Me(OH)+ + HOH = Me(OH)3 + H+

------------------------------------------------

Me3+ + HOH = Me(OH)3 + H+.

Những chất keo tụ thường dùng nhất là các muối sắt và muối nhôm như:
- Al2(SO4)3, Al2(SO4)3.18H2O, NaAlO2, Al2(OH)5Cl, Kal(SO4)2.12H2O, NH4Al(SO4)2.12H2O.
- FeCl3, Fe2(SO4)3.2H2O, Fe2(SO4)3.3H2O, Fe2(SO4)3.7H2O.
Muối nhôm:
Trong các loại phèn nhôm, Al2(SO4)3 được dùng rộng rãi nhất do có tính hoà tan tốt trong nước, chi phí thấp và hoạt động có hiệu quả trong khoảng pH = 5,0 –7,5. Quá trình điện ly và thuỷ phân Al2(SO4)3 xảy ra như sau :

Al3+ + H2O = AlOH+ + H+

AlOH+ + H2O = Al(OH)2+ + H+

Al(OH)2+ + H2O = Al(OH)3 + H+

Al(OH)3 + H2O = Al(OH)4- + H+

Ngoài ra, Al2(SO4)3 có thể tác dụng với Ca(HCO3)2 trong nước theo phương trình phản ứng sau :

Al(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 = Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2

Trong phần lớn các trường hợp, người ta sử dụng hỗn hợp NaAlO2 và Al2(SO4)3 theo tỷ lệ (10:1) – (20:1). Phản ứng xảy ra như sau :

6NaAlO2 + Al2(SO4)3 + 12H2O = 8Al(OH)3 + 2Na2SO4.

Việc sử dụng hỗn hợp muối trên cho phép mở rộng khoảng pH tối ưu của môi trường cũng như tăng hiệu quả quátrình keo tụ tạo bông.
Muối sắt:
Các muối sắt được sử dụng làm chất keo tụ có nhiều ưu điểm hơn so với các muối nhôm do :
- Tác dụng tốt hơn ở nhiệt độ thấp;
- Có khoảng giá trị pH tối ưu của môi trường rộng hơn;
- Độ bền lớn;
- Có thể khử mùi H2S.
Tuy nhiên, các muối sắt cũng có nhược điểm là tạo thành phức hoà tan có màu do phản ứng của ion với các hợp chất hữu cơ. Quá trình keo tụ sử dụng muối sắt xảy ra do các phản ứng sau :

FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 + HCl

Fe2(SO4)3 + 6H2O = Fe(OH)3 + 3H2SO4.

Trong điều kiện kiềm hoá :

2FeCl3 + 3Ca(OH)2 = Fe(OH)3 + 3CaCL2

FeSO4 + 3Ca(OH)2 = 2Fe(OH)3 + 3CaSO4.

Chất trợ keo tụ:
Để tăng hiệu quả quá trình keo tụ tạo bông, người ta thường sử dụng các chất trợ keo tụ (flucculant). Việc sử dụng chất trợ keo tụ cho phép giảm liều lượng chất keo tụ, giảm thời gian quátrình keo tụ và tăng tốc độ lắng của các bông keo. Các chất trợ keo tụ nguồn gốc thiên nhiên thường dùng là tinh bột, dextrin (C6H10O5)n, các ete, cellulose, dioxit silic hoạt tính (xSiO2.yH2O).
Các chất trợ keo tụ tổng hợp thường dùng là polyacrylamit (CH2CHCONH2)n. Tuỳ thuộc vào các nhóm ion khi phân ly mà các chất trợ đông tụ có điện tích âm hoặc dương như polyacrylic acid (CH2CHCOO)n hoặc polydiallyldimetyl – amon.

2. Xác định liều lượng chất keo tụ

Liều lượng chất keo tụ tối ưu sử dụng trong thực tế được xác định bằng thí nghiệm Jartest
2.1. Các bước tiến hành
Pha mẫu nước bã thải : cân 0,4g phẩm nhuộm pha với nước máy thành 20lit để làm dung dịch nước thải.
Thí nghiệm 1 : xác định giá trị pH tối ưu
Lấy một lit nước thải cho vào cốc 1000ml. Sau đó thêm vào cốc 5ml phèn 5% để nồng độ phèn trong dung dịch đạt 250mg/l.
Dùng dung dịch NaOH 1N để chỉnh pH dung dịch đến các giá trị 4, 5, 6, 7, 8, 9. ghi nhận các thể tích NaOH đã dùng.
Chuẩn bị 6 cốc 1000ml, cho vào mỗi cốc 1 lít nước thải, thêm vào mỗi cốc 5ml phèn 5% và các thể tích NaOH 1N (đã xác định ở phần trên) tương ứng với các giá trị pH là 4, 5, 6, 7, 8, 9. đưa 6 cốc vào giàn Jarest, bật máy khuấy ở tốc độ 100 vòng/phút trong 1 phút. Sau đó cho quay chậm trong 15 phút ở tốc độ 15 –20 vòng/phút. Tắt máy khuấy, để lắng tĩnh 30 phút. Sau đó lấy mẫu nước lắng (lớp nước ở phía trên) phân tích các chỉ tiêu pH, độ màu. Giá trị pH tối ưu là giá trị ứng với mẫu có độ màu thấp nhất.
Thí nghiệm 2 : xác định liều lượng phèn tối ưu
Lấy một lít mẫu nước thải cho vào mỗi cốc 1000ml, sau đó đặt các cốc vào thiết bị Jartest. Trong thí nghiệm này, thay đổi liều lượng phèn khác nhau ở 6 cốc 1000ml chứa nước thải ở trên. Sau đó, thêm axit hoặc kiềm để đạt pH tối ưu, tương ứng với liều lượng phèn khác nhau. Mở các cánh khuấy quay ở tốc độ 100vòng/phút trong một phút, sau đó quay chậm trong 15 phút ở tốc độ 15 – 20 vòng/phút. Tắt máy khuấy, để lắng tĩnh 30 phút. Sau đó lấy mẫu nước lắng (lớp nước ở phía trên) phân tích các chỉ tiêu pH, độ màu. Liều lượng phèn tối ưu là liều lượng ứng với mẫu có độ đục, độ màu thấp nhất.
2.2. Kết quả
Thí nghiệm 1: Lập bảng số liệu, dựng đồ thị, trục hoành biểu thị giá trị pH, trục tung biểu thị giá trị độ đục, độ màu, mẫu nứơc thải đã xử lý. Vẽ đường cong biến thiên. Xác định điểm cực tiểu. Từ đó suy ra giá trị pH tối ưu.
Thí nghiệm 2: Lập bảng số liệu, dựng đồ thị, trục hoành biểu thị l iều lượng phèn, trục tung biểu thị giá trị độ đục, độ màu trong nước thải đã xử lý. Vẽ đường cong biến thiên. Xác định điểm cực tiểu. Từ đó suy ra thời gian liều lượng phèn tối ưu.