Tính chất của dung dịch keo

Tính chất của dung dịch keo

Trong nước mặt, nước ngầm cũng như nước thải, có rất nhiều chất hoà tan, chất keo, chất rắn lơ lửng (nước thải). Xử lý bằng phương pháp keo tụ là cho vào trong nước các chất keo tụ (coagulant). Các chất này sẽ trung hoà các điện tích của các hạt keo hoà tan trong nước, ngăn cản sự chuyển động hỗn loạn của các ion giúp cho việc liên kết tạo bông keo tụ thuận lợi. Đối với nước thải có hàm lượng SS cao, quá trình keo tụ cũng có tác dụng lớn trong việc kết bông cặn để đến quá trình lắng sau đó sẽ loại được các bông cặn này, tức là đã giảm được một lượng SS đáng kể.

Dung dich keo

Hệ phân tán cao – hệ keo : = 1.10-6 – 1.10-4 mm

Hệ keo là do hàng ngàn, hàng chục ngàn phân tử, nguyên tử, ion tập hợp lại – hệ keo là hệ dị thể.

1. Các tính chất của dung dịch keo

- Tính chất quang học

- Tính chất hấp phụ

- Tính chất động học

- Tính chất điện học

1.1. Tính chất quang học – Hiệu ứng Tyndall

Khi chiếu chùm tia sáng qua một bình đựng dung dịch keo, ta thấy có chùm tia sáng hình nón ( hiện tượng đó không thấy ở dung dịch thật ), hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Tyndall.

Nguyên nhân do hạt keo có tính tán xạ ánh sáng, khi được chiếu sáng thì hạt keo trở thành một nguồn sáng mới, mổi hạt keo trên đường đi của tia sáng trở thành nguồn sáng nên khi chiếu chùm tia sáng qua dung dich keo thì thấy chùm sáng hình nón.

1.2. Tính chất hấp phụ

Do có điện tích nên hạt keo có tính hấp phụ:

- Hấp phụ đặc trưng : nếu hạt keo có điện tích dương nó chỉ hấp phụ ion âm và ngược lại.

- Hấp phụ chọn lọc :

Trong dung dịch keo có chất điện ly, bề mặt chất hấp phụ rắn (hạt keo) sẽ ưu tiên hấp phụ các ion theo thứ tự sau:

+ Ion tạo thế : là các ion có trong thành phần cấu tạo nên bề mặt chất hấp phụ ( nhân keo ) hoặc các ion có trong bề mặt vật rắn.

Ví dụ: chất hấp phụ là (AgI)n, trong dung dịch có I- , Cl- , Ca2+ , Mg2+ thì trước hết ion I- sẽ được hấp phụ trên bề mặt (AgI)n

+ Sau khi hấp phụ ưu tiên (I-), bề mặt vật rắn tích điện âm, nó sẽ hấp thụ các ion trái dấu (ion đối). Nếu trong dung dịch có nhiều ion đối thì bề mặt sẽ hấp phụ ion có điện tích lớn hoặc hấp phụ ion nào có bán kính (kể cả vỏ solvat) nhỏ nhất.

Trong dung dịch nước thứ tự ưu tiên là:

Cation hoá trị 1: Cs+ > Rb+ > K+ > Na+ > Li+

Cation hoá trị 2: Ba+2 > Sr+2 > Ca+2 > Mg+2

Anion hoá trị 1: I- > NO3- > Br- > Cl- > F-

- Quá trình hấp phụ có sự trao đổi ion giữa các hạt keo và môi trường được gọi là hấp phụ trao đổi. Ưng dụng trong làm mềm nước.

1.3. Tính chất động học của hệ keo

- Sự khuếch tán: khuếch tán là sự vận chuyển vật chất từ vùng có nồng độ cao đế vùng có nồng độ thấp dưới ảnh hưởng của chuyển động nhiệt hỗn loạn dẫn đến sự san bằng nồng độ các hạt keo trong toàn thể tích của hệ. Do có kích thước lớn hơn nên các hạt keo có vận tốc chuyển động thấp haơn các ion, phân tử.

- Chuyển động Brow: hạt keo luôn chuyển động hỗn loạn, nên các hạt keo khó lắng đây chính là nguyên nhân làm cho hệ bền. Cường độ chuyển động giảm nhanh khi kích thước hạt tăng. Các hạt keo có khối lượng tương đối lớn nên dưới tác dụng của trọng lực các hạt keo có xu hướng lắng xuống.

- Ap suất thẩm thấu: áp suất thẩm thấu của dung dịch keo nhỏ hơn nhiều so với dung dịch thật so với cùng điều kiện nhiệt độ, trọng lượng, nguyên nhân do các hạt trong dung dịch keo bị giảm di do sự tập hợp các phân tử, ion thành hạt keo.

1.4. Tính chất điện học

a. Hiện tượng điện động

Các hạt sét tích điện âm chuyển độn vể phía Anốt dưới tác dụng của điện trường gọi là hiện tượng điện chuyển.

Nước đóng vai trò pha phân tán chuyển động về Katốt dưới tác dụng của điện trường gọi là hiện tượng điện thẩm.

Khi cho dòng nước chảy qua một màng xốp đặt trong mà hai đầu có cắm điện cực thì kim của điện kế bị lệch. Hiện tượng đó chứng tỏ pha lỏng chuyển động với pha rắn đã gây ra điện thế gọi là thế chảy.

Khi cho cát thạch anh lắng trong ly đựng nước có cắp điện cực thì kim của điện kế cũng bị lệch. Như vậy pha rắn chuyển động tương đối với pha lỏng sẽ tạo ra điện thế gọi là thế sa lắng.

b. Thế điện động – Điện tích kép

Trên ranh giới phân chia giửa hai pha có thành phần hoá học khác nhau sảy ra quá trình phân bố điện tích kèm theo sự chuyển các phân tử mang điện từ pha này sang pha khác, kết quả là điện tích được tạo thành trên bề mặt của một pha bằng điện tích của pha kia nhưng trái dấu. Như vậy đã có lớp điện tích kép được tạo thành.

Khi nhúng thanh kim loại dễ bị oxy hoá vào dung dịch điện ly thì ion của lưới tinh thể kim loại dễ bị hydrat hoá và chuyển vào dung dịch, trên bề mặt kim loại còn lại điện tử dư. Nhờ lực hút tĩnh điện ở vùng tiếp xúc với bề mặt tích điện âm của kim loại, các ion có điện tích dương (của dung dịch từ kim loại) tập trung lại. Như vậy trên ranh giới kim loại – dung dịch, xuất hiện lớp điện tích képcân bằng có thể xem như một tụ điện phẳng (gọi là lớp Helmholtz). Bề mặt bên trong mang điện tích âm ( - ), bên ngoài ( + ) còn khoảng cách vô cùng nhỏ bé bằng bán kính của ion solvat hoá.

Sự xuất hiện của lớp điện tích kép dẫn đến việc hình thành giữa hai pha điện thế

Giữa ion tạo thế và ion đối có lực hút tĩnh điện và do sự hấp thụ chọn lọc nên số ion đó bị ghì sát vào bề mặt pha rắn và tạo thành lớp hấp phụ (lớp không chuyển động). Tuy nhiên chỉ có một phần ion đối phân bố theo cấu tạocủa lớp Helmholtz, phần còn lại nằm sâu vào dung dịch tạo thành lớp khuếch tán. Các ion này chuyển động tương đối tự do nên lớp khuếch tán là lớp chuyển động.

Thế điện động – Điện tích kép

Nhiều trường hợp số ion đối trong lớp Helmholtz lớn hơn số ion tạo thế khi đó các ion của lớp khuếch tán cùng dấu với ion tạo thế.

Thế điện động ( điện thế Zeta)

- Điện thế xuất hiện giữa lớp chuyển động và không chuyển động được gọi là thế điện động hay điện thế zeta:

- Điện thế xuất hiện giữa pha rắn và pha lỏng gọi là thế nhiệt động :

- Bước nhảy điện thế trong lớp hấp phụ:

Ví dụ: khi thêm chất điện ly hầu như không thay đổi nhưng thay đổi nhiều (do phụ thuộc vào số lượng ion đối ở lớp khuếch tán mà lượng ion đối này phụ thuộc vào nồng độ củ chất điện ly).

2. Các yếu tố ảnh hưởng đến điện thế zeta

là đại lượng đặc trưng cho độ bền của hệ keo.

Các yếu tố ảnh hưởng: lượng chất điện ly, pH, nồng độ chất keo và nhiệt độ.

2.1. Chất điện ly

- phụ thuộc vào lượng ion đối của lớp khuếch tán, vậy khi thay đổi về lượng và dâu của chúng thì cũng thay đổi theo.

- Khi thêm chất điện ly vào hệ không hề thay đổi, bằng thực nghiệm người ta thấy giảm.

Các ion của chất điện ly cùng dấu với ion ở lớp khuếch tánđã ép các ion này dần vào bề mặt của pha rắn, bề dày của lớp điện tích kép giảm đến khi bằng bề dày của lớp Helmholtz, giảm dần cho tới khi bằng 0 và hệ đạt trạng thái đẳng điện.

Bằng thực nghiệm người ta chứng minh được rằng các ion đối nào có khả năng hấp phụ lớn hơn cũng như các ion hoá trị cao làm giảm mạnh. Đối với các ion có hoá trị giống nhau, khả năng hấp phụ sẽ phụ thuộc vào bán kính ion.

2.2. Ảnh hưởng pH

- pH có ảnh hưởng lớn đến vì H+, OH- có khả năng hấp phụ lớn.

- Trong các dung dịch mà pha phân tán có tính chất kưỡng tính như Al(OH)3 thì sự biến thiên pH của môi trường có thể gây ra sự đổi dấu điện của hạt keo do sự thay đổi tính ion hoá của các phân tử trong pha phân tán.

- Sự đổi dấu của trong trường hợp thay đổi pH của môi trường chỉ khác với trường hợp thêm chất điện ly ở chổ: các ion tao thế mới sau khi đổi dấu không từ dung dịch chuyển vào hệ.mà được tạo nên chính từ chất tạo nên phan phân tán do sự thay đổi phản ứng ion hoá.

2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ lam2 tang chuyển động nhiệt của các ion đối, do đó độ dày của lớp vật liệu kép và thế điện động tăng khi nhiệt độ tăng. Mặt khác khi nhiệt độ tăng làm cho quá trình giải hấp tăng do vây làm giảm, khi giảm nhiệt độ thì tăng.

2.4. Ảnh hưởng của nồng độ chất keo

Khi pha loãng lớp keo giãn ra, do đó tăng. Cũng có trường hợp gây nên sự phản hấp phụ ion quyết định thế hiệu, do đó giảm kéo theo giảm. Khi nồng độ đậm đặc thì tác dụng ngược lại.

Cơ cế quá trình keo tụ tạo bông

Cơ chế quá trình keo tụ tạo bông

Trong quá trình lắng cơ học chỉ tách được các hạt chất rắn huyền phù có kích thước lớn (δ > 1.10-2), còn các hạt nhỏ hơn ở dạng keo không thể lắng được. Ta có thể tăng kích cở các hạt nhờ tác dụng tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết vào các tập hợp hạt để có thể lắng được. Muốn vậy, trước hết cần trung hoà điện tích của chúng, thứ đến là liên kết chúng lại với nhau.

Xử lý bằng phương pháp keo tụ là cho vào trong nước một loại hoá chất gọi là chất keo tụ có thể đủ làm cho những hạt rất nhỏ biến thành những hạt lớn lắng xuống. Thông thường quá trình keo tụ tạo bông sảy ra qua hai giai đoạn:
– Bản thân chất keo tụ phát sinh thuỷ phân, quá trình hình thành dung dịch keo, và ngưng tụ.
– Trung hoà hấp phụ lọc các tạp chất trong nước.
Kết quả của quá trình trên là hình thành các hạt lớn lắng xuống.

Những hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm trong nước (keo sét, protein …) sẽ hút các ion dương tạo ra hai lớp điện tích dương bên trong và bên ngoài. Lớp ion dương bên ngoài liên kết lỏng lẻo nên có thể dể dàng bị trợt ra. Như vậy điện tích âm của hạt bị giảm xuống. Thế điện động hay thế zeta bị giảm xuống.

Cơ chế quá trình keo tụ tạo bông

Mục tiêu đề ra là giảm thế zeta, tức là giảm chiều cao của hàng rào năng lượng đến giá trị giới hạn, sao cho các hạt rắn không đẩy lẫn nhau bằng cách cho thêm vào các ion có điện tích dương để phá vỡ sự ổn định của trang thái keo của các hạt nhờ trung hoà điện tích. Khả năng dính kết tạo bông keo tụ tăng lên khi điện tích của hạt giảm xuống và keo tụ tốt nhất khi điện tích của hạt bằng không. Chính vì vậy lực tác dung lẫn nhau giữa các hạt mang điện tích khác nhau giữ vai trò chủ yếu trong keo tụ. Lực hút phân tử tăng nhanh khi giảm khoảng cách giữa các hạt bằng các tạo nên những chuyển động khác nhau được tạo ra do quá trình khuấy trộn.

(Nguồn: Thoát nước – tập 2 – Xử lý nước thải – HoàngVăn Huệ)

Cơ chế của quá trình keo tụ là làm mất đi sự ổn định của dung dịch keo có trong nước bằng các biện pháp:

– Nén lớp điện tích kép dược hình thành giữapha rắn và lỏng: giảm điện thế bể mặt bằng hấp phụ và trung hoà điện tích.

– Hình thành các cầu nối giữa các hạt keo.

– Bắt giữ các hạt keo vào bông cặn.

1. Cơ chế trung hoà điện tích

– Hấp thụ các ion hay phân tử mang điện tích trái dấu với điện tích của hạt keo. Liều lượng chất keo tụ tối ưu cho vào sao cho điện thế zeta bằng 0 mV.

– Giảm thế năng bề mặt tức là giảm điện thế zeta khi đó sự đẩy tĩnh điện của các hạt keo giảm xuống và có khả năng kết nối lại nhờ lực tương tác tĩnh điện, khi đó hệ keo mất đi tính ổn định.

– Tăng hàm lượng chất keo tụ, nếu lượng chất keo tụ cho vào quá nhiều sẽ gây hiện tượng keo tụ quét bông. Quá trình này làm tăng hiệu quả keo tụ lên, hệ keo cũng bị mất ổn định.

2. Cơ chế tạo cầu nối

Để tăng cường quá trình keo tụ tạo bông người ta cho thêm vào các hợp chất polymer trợ keo tụ. Các polymer này tạo sự dính kết giữa các hạt keo lại với nhau nếu polymer này và các hạt keo trái dấu nhau.

Cơ chế tạo cầu nối sảy ra ở 5 phản ứng:

– Phản ứng 1: hấp phụ ban đầu ở liều polymer tối ưu, phân từ polymer sẽ kết dính vào hạt keo

– Phản ứng 2: hình thành bông cặn. Đuôi polymer đã hấp phụ có thể duổi ra gắn kết vị trí trống trên bề mặt hạt keo khác dẫn đến việc hình thành bông cặn.

– Phản ứng 3: hấp phụ lần 2 của polymer. Nếu đoạn cuối cùng duỗi ra và không tiếp xúc với vị trí trống trên hạt khác thì polymer sẽ gấp lại và tiếp xúc với mặt khác của chính hạt đó. Nguyên nhân gây ra là do khuếch tán chậm hay độ đục hoặc mật độ hạt keo trong nước thấp.

– Phản ứng 4: khi liều lượng polymer dư làm cho bề mặt hạt keo bảo hoà các đoạn polymer điều này làm cho không còn vị rtí trống để hình thành cầu nối đưa đến hệ keo sẽ ổn định lại.

– Phản ứng 5: vỡ bông cặn. Khi xáo trộn quá lâu hoặc quá nhanh làm cho các bông cặnbị phá vỡ và trở vể trạng thái ổn định ban đầu.

(Nguồn: giáo trình Cấp nước đô thị và công nghiệp – Nguyễn Phước Dân)

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ

Quá trình keo tụ phụ thuộc vào hai cơ chế chính là trung hoà điện tích và hấp phụ tạo cầu nối. Vì thế các yếu tố nào ảnh hưởng đến hai quá trình trên điền gây ảnh hưởng đến quá trình keo tụ tạo bông.
– Ảnh hưởng của pH
– Nhiệt độ nước
– Liều lượng chất keo tụ và chất trợ keo tụ
– Tạp chất trong nước
– Tốc độ khuấy trộn
– Môi chất tiếp xúc: nếu trong nước duy trì một lớp cặn bùn nhất định, khiến cho quá trình kết tủa càng hoàn toàn, tốc độ kết tủa tăng.

(nguồn: Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm Xử lý chất thải)

Ảnh hưởng của pH (quyết định quá trình thuỷ phân của chất keo tụ trong dung dịch) đến quá trình keo tụ là ảnh hưởng quan trọng nhất quyết định hiệu suất của việc xử lý.