Cấp thoát nước - Chương 2 ppt

Trong trạng thái tĩnh, misen keo trung hoà về điện các ion của hạt Misen đ−ợc trung hoà bởi các ion trái dấu của tầng khuyếch tán Do chuyển động Brown →1 số ion tầng khuyếch tán tách kh

Ch ươ ng 2.

CH¦¥NG 2 KEO Tô CÆN BÈN TRONG N¦íC

2.1 Kh¸i niÖm chung CÊu t¹o h¹t keo

2.2 C¸c ph−¬ng ph¸p keo tô 2.3 C¬ chÕ qu¸ tr×nh keo tô t¹o b«ng

2.1 Khái niệm chung

2.1.1 Cấu tạo hạt keo, tính bền của hạt keo

a Cấu tạo của hạt keo: Hạt keo có cấu tạo rất phức tạp:

+ ở giữa có nhân keo: là tập hợp hàng trăm hoặc hàng nghìn phân tử

+ Lớp hấp phụ: được tạo ra do nhân keo có khả năng hấp phụ mạnh và hấp

phụ chọn lọc những ion có trong thành phần nhân hạt keo.

+ Lớp đối ion: do nhân keo và lớp ion kề sát mang điện và hút những ion

ngược dấu bao quanh tạo ra (hạt keo).

+ Lớp khuếch tán: hạt keo còn hút những ion ngược dấu ở xa hơn tạo ra

Ví dụ: AgNO3+ NaCl = AgCl↓ + NaNO3.Tập hợp m phân tử AgCl tạo thành

nhân keo Giả sử trong dung dịch dư ion Ag + , chúng sẽ tạo hạt keo dương

{m[AgCl] nAg ++ (n – x)NO3- } +xxNO3

-Nhân keo Lớp hấp phụ

Hạt keo Misen keo

Khái niệm chung về hệ keo

Trong trạng thái tĩnh, misen keo trung hoà về điện (các ion

của hạt Misen đ−ợc trung hoà bởi các ion trái dấu của tầng

khuyếch tán)

Do chuyển động Brown →1 số ion tầng khuyếch tán tách

khỏi hạt →hạt keo trở nên có điện tích

ε- thế nhiệt động trên bề mặt nhân keo

ζ- thế điện động trên bề mặt hạt keocủa các ion lớp vỏ nhân (2 tầng)của các ion lớp khuyếch táncủa các lớp ion kép (tầng hấp phụ)

Khái niệm chung về hệ keo

b Tính bền của hệ keo

Độ bền của hệ keo phụ thuộc: bản chất phân tán, độ phân tán, dung

môi, sự có mặt của các chất làm bền (chất hoạt động bề mặt), nồng độ hạt

phân tán và nhiệt độ.

c Sự đồng tụ của keo và pepti hoá

Sự đông tụ: là hiện tượng các hạt keo dính kết lại với nhau và tạo thành

kết tủa Do một nguyên nhân nào đó đẩy ion nghịch ở vỏ khuyếch tán đi

vào lớp hấp phụ của hạt keo, làm giảm điện tích hạt keo, giảm lực đẩy, gây

nên sự keo tụ.

Sự pepti hoá: là quá trình ngược lại với sự keo tụ Xảy ra khi:

+ Các sản phẩm đông tụ tiếp xúc với dung dịch điện ly làm cho chúng

khả năng tích điện lai, lực kết dính yếu đi, lực khuyếch tán tăng, dẫn tới sự

phân bố lại các hạt keo và dung dịch keo.

+ Đưa vào dung dịch chất hoạt động bề mặt Tạo ra bề mặt hạt keo lớp

sonvat, sau đó do chuyển động nhiệt các phân tử bị tách ra và tạo thành hệ

keo.

Khái niệm chung về hệ keo

2.1.2 Các tính chất của dung dịch keo

* Tính chất quang học của dung dịch keo

a Thí nghiệm của Tyndall (năm 1896)

Chiếu chùm tia sáng vào dung dịch keo ta thấy

xuất hiện vùng ánh sáng mờ đục trong dung dịch

keo có dạng hình nón Hiện tượng này được gọi là

hiệu ứng Tyndall.

b Nguyên nhân

Do hạt keo có kích thước hạt nhất định Khi

chiếu sáng các hạt keo sẽ khuyếch tán ánh sáng đi

mọi phương Lúc này hạt keo trở thành nguồn sáng

Khái niệm chung về hệ keo

* Chuyển động Brown của hạt keo

Chuyển động Brown của các hạt keo là do chuyển động nhiệt

của các phân tử dung môi gây nên chuyên động nhiệt của các hạt

keo

Chuyển động của các phân tử môi trường là hỗn loạn dẫn đến

chuyển động của các hạt keo cũng luôn luôn thay đổi vận tốc và

Do hạt keo có một khối lượng nào đó nên sẽ chịu tác động của lực

trọng trường gây cho hạt keo sự sa lắng (vsl) Còn chuyển động

Brown làm cho hạt keo khuyếch tán đều trong thể tích hệ (vkt)

Khi có sự cân bằng giữa lực khuyếch tán và sự sa lắng thì trong hệ

keo có sự phân bố hạt keo trong hệ một cách ổn định Nhưng vì một

Tương tác giữa các keo

• Các hạt keo chuyển động nhiệt trong

nước (chuyển động Brown) và có cùng

dấu:

+ Đẩy nhau theo lực đẩy tĩnh điện

+ Hút nhau theo lực hút phân tử (Lực Van

phân tử tăng nhanh →dính kết với nhau Biểu đồ thể hiện

Lực tương tác Van der Waals

Khái niệm chung về hệ keo

* Hiện tượng điện di

Khi đặt dung dịch keo vào trong điện trường dưới tác dụng của

điện trường hạt keo chuyển về phía của điện cực trái dấu, còn dung

môi có chứa các ion ở lớp khuyếch tán chuyển về phía điện cực kia

Dưới tác động của điện trường, pha này chuyển động tương đối

với pha kia, điều này có nghĩa hai pha tích điện ngược dấu nhau

hiện tượng điện chuyển hay điện di.

Khái niệm chung về hệ keo

2.1.3 Phân loại dung dịch keo theo kích thước

a Huyền phù: là hệ phân tán của chất rắn trong chất lỏng, kích thước hạt rắn

trong huyền phù là loại hạt thô (d > 10 -5 m).

- Huyền phù là hệ hầu như không khuyếch tán, dễ bị sa lắng, không khuyếch

tán ánh sáng như dung dịch keo.

- Hệ này kém bền do tính bền động học của nó nhỏ Muốn cho huyền phù bền

người ta thường thêm vào nó chất cao phân tử hay chất hoạt động bề mặt.

b Nhũ tương: là hệ phân tán có phân tử phân tán là lỏng và dung môi là lỏng.

- Nhũ tương lỏng – lỏng là hệ có hai pha có bản chất khác nhau Nhũ tương có

loại lonng và đặc, giới hạn bởi phần trăm pha phân tán trong môi trường phân tán

- Nhũ tương là hệ dị thể không bền nhiệt động (đặc biệt là nhũ tương đặc),

muốn tăng thời gian sống của hệ phải đưa vào trong hệ chất nhũ hoá thích hợp

c Bọt: là những hệ phân tán rất thô và rất đậm đặc khí trong chất lỏng.

- Bọt là một hệ rất kém bền Về tính chất và cấu tạo các bọt khí rất giống với

nhũ tương đậm đặc cao.

2.2 Các phương pháp keo tụ

• Các cặn bẩn trong nước (hạt cát, sét, bùn sinh vật phù du, sản

phẩm phân huỷ các chất hữu cơ,…) có kích thước nhỏ (< 10-4mm)

thì khó tách khỏi nước bằng phương pháp lắng cơ học, chúng tồn tại

ở trạng thái lơ lửng trong nước, trong trạng thái cân bằng động

• Cần những yếu tố bên ngoài tác động, phá vỡ trạng thái cân bằng

đó, tạo điều kiện để các hạt cặn lơ lửng kết dính với nhau, tăng kích

thước và khối lượng của chúng →dễ lắng xuống đáy hơn

• Các phương pháp tác động:

- Nung nóng, làm lạnh, dùng các chất điện ly, sử dụng từ

trường,…

- Dùng các hoá chất nhằm tạo ra trong nước hệ keo mới, mang

điện tích ngược dấu với hệ keo cặn bẩn trong nước thiên nhiên và

làm nhân tố keo tụ các hạt cặn bẩn lơ lửng (thường được dùng)

• Các hạt cặn lơ lửng trong nước phần lớn thường đều mang điện

tích âm (cặn gốc silic, các hợp chất hữu cơ), một số mang điện

tích dương (hydroxit sắt, nhôm) Khi thế cân bằng điện động bị

phá vỡ→các hạt liên kết với nhau tạo thành các tổ hợp gọi là

các hạt keo Chúng có thể là keo háo nước hoặc keo kỵ nước

• Keo háo nước (ưa nước): trên bề mặt chúng có 1 lớp màng thuỷ

hoá, gồm các nhóm phân cực bề mặt hoà tan trong nước (như các

nhóm hydroxyl OH-, COOH-,…) Các hạt keo này thường mang

điện tích không lớn và đông tụ dưới tác dụng của các chất điện ly

(ở dạng các ion ngược dấu)

• Keo kỵ nước (cặn bẩn trong nước: bùn, sét, cát…) đóng vai trò

chủ yếu trong công nghệ xử lý nước bằng chất keo tụ

2.2 Các phương pháp keo tụ

2.2 Các phương pháp keo tụ

(1) Tăng động năng hạt keo

Có thể thực hiện được nhờ cách tăng nhiệt độ (khó

thực hiện), khuấy trộn hay tạo dòng chảy xoắn ở trong

công trình xử lý (thường áp dụng, tuy nhiên không thể

đạt được hiệu suất cao nếu chỉ áp dụng phương pháp

này).

Việc tăng động năng của hạt keo làm cho chúng linh

động hơn → tăng số va chạm giữa các hạt keo trong

dung dịch → kích thước các hạt keo tăng → sa lắng

Các phương pháp keo tụ

(2) Giảm lực đẩy tĩnh điện và tăng lực hút Ion:

- Đưa vào nước các hoá chất làm tăng nồng độ của chất

điện ly trung tính (ví dụ như NaCl), dẫn đến giảm độ dày

của lớp điện tích kép (giảm ζ ) → làm giảm lực đẩy tĩnh

điện giữa các hạt → tương tác tổng cộng giữa các hạt keo

bằng không, do đó sự tạp thành tổ hợp các hạt keo có thể

xảy ra khi chúng va chạm, tiếp xúc với nhau

Quá trình keo tụ bằng chất điện ly có thể coi như là một quá trình

keo tụ tối ưu Người ta đn xác định rằng khi sử dụng chất điện ly

với các Ion có hoá trị càng lớn thì hiệu quả keo tụ càng cao và liều

lượng chất điện ly càng giảm đi

Phương pháp này đòi hỏi liều lượng chất keo tụ đưa vào nước phải

rất chính xác Nếu nồng độ các chất điện ly trong nước vượt quá

mức cần thiết sẽ gây ra quá trình tích điện trở lại đối với hạt keo,

làm thế năng tăng lên và hiệu quả keo tụ giảm

Biện pháp này khó ứng dụng trong xử lý nước Tuy nhiên, người

ta có thể quan sát hiện tượng keo tụ này ở vùng cửa sông chảy ra

biển Tại đó, do nồng độ muối cao, các hạt keo huyền phù bị keo tụ

nhanh chóng, tạo ra sự lắng đọng trầm tích bồi cạn cửa sông

2.2 Các phương pháp keo tụ

Các phương pháp keo tụ

(3) Thay đổi pH:

Thay đổi pH của môi trường có thể

làm thay đổi hay làm mất điện tích sơ

cấp (điện tích ứng với điểm đẳng

điện), do đó làm giảm hay triệt tiêu

lực đẩy Tuy nhiên, pH của nhiều loại

hạt thường thấp, ví dụ, đối với:

+ Sét: pH của điểm đẳng điện pH0= 5

DLVO Theory)

2.2 Các phương pháp keo tụ

(4) Đưa vào nước hệ muối kim loại hoá trị III có thể thuỷ phân

(phèn nhôm Al 2 (SO 4 ) 3 , phèn sắt FeCl 3 , Poly Alluminium Chlorid

(PAC) )

- Phèn được phân ly thành các ion kim loại và Anion axit mạnh:

Al2(SO4)3→2Al3++ 3SO4FeCl3→Fe3++ 3Cl- Khi đó:

2-(4a) Các ion kim loại (Al3+, Fe3+) → trung hoà các hạt keo trong

nước mang điện tích (-), làm giảm thế điện động ζ →keo liên kết

lại →tạo bông cặn

(4c) C¸c s¶n phÈm thuû ph©n hoµn toµn cña c¸c Ion kim lo¹i

t¹o c¸c Hydroxit kim lo¹i (Al(OH)3, Fe(OH)3, ) kÕt tña d¹ng

b«ng, cã tÝnh ho¹t tÝnh bÒ mÆt cao →cã kh¶ n¨ng ‘’bÉy’’, hót

b¸m lªn bÒ mÆt c¸c chÊt bÈn (h¹t keo, cÆn, mïi vÞ, vi sinh vËt,

mét sè chÊt tan, ion kim lo¹i nÆng, c¸c h¹t keo trong n−íc, )

2.2 C¸c phư¬ng ph¸p keo tô

Trªn thùc tÕ, khi cho phÌn vµo nưíc, chóng bÞ thuû ph©n vµ t¹o

ra kh«ng chØ Al(OH)3hay Fe(OH)3 mµ cßn t¹o c¸c phøc

Monomers vµ Polymers:

- Monomers: Al3+, Al(OH)2+, Al(OH)2+, Al(OH)3, Al(OH)4-

- Polymers: Al2(OH)24+, Al3(OH)45+, Al13O4(OH)247+,

Nh÷ng phøc nµy mang ®iÖn tÝch dư¬ng, cã kh¶ n¨ng:

- Lµm trung hoµ c¸c ®iÖn tÝch s¬ cÊp mang ®iÖn (-) (c¬ chÕ (4a);

- HÊp phô trªn bÒ mÆt chóng c¸c h¹t keo (c¬ chÕ 4b);

- C¸c s¶n phÈm thuû ph©n hoµn toµn lµ c¸c Hydroxit kim lo¹i kÕt

tña, t¹o b«ng – bÉy c¸c h¹t keo (c¬ chÕ 4c).

2.2 C¸c phư¬ng ph¸p keo tô

(5) §ưa vµo trong nưíc mét chÊt Polymer tù nhiªn hoÆc Polymer tæng

hîp:

Lµm trung hoµ ®iÖn tÝch c¸c h¹t keo, t¹o cÇu nèi gi÷a c¸c h¹t keo c¸ch xa

nhau víi kho¶ng c¸ch lín h¬n kho¶ng c¸ch hiÖu dông cña lùc ®Èy MÆt

kh¸c c¸c Polyme mang ®iÖn, cã thÓ lµm trung hoµ ®iÖn tÝch c¸c h¹t keo

§Ó sù trî keo x¶y ra, c¸c phÇn cña sîi (chuçi) Polymer ph¶i ®ưîc hÊp

phô lªn bÒ mÆt cña mét sè h¹t hay b«ng keo tô C¸c tæ hîp phÇn tö chÊt

bÈn – Polymer – phÇn tö chÊt bÈn ®ưîc h×nh thµnh theo kiÓu nµy

• Tuy nhiªn, cÇn lưu ý, nÕu sö dông Polyme qu¸ liÒu lưîng, sÏ t¸i x¸c lËp

l¹i tr¹ng th¸i bÒn v÷ng cña hÖ keo, lµm gi¶m hiÖu suÊt keo tô

2.2 Các phương pháp keo tụ

Một số hoá chất dùng trong keo tụ

Sulfat Nhôm Al 2 (SO4)3.18H2O;

Sulfat Nhôm tinh chế.

Oxy Clorit Nhôm: Al 2 (OH)5Cl.

Aluminat Natri: NaAlO 2

Một số loại hoá chất dùng để keo tụ nước

- Sulfat Nhôm Al2(SO4)3.18H2O: SX từ quặng Boxit, Nefelin, 1 số loại đất sét,…

- Sulfat Nhôm tinh chế: SX từ nhôm Al2O3tác dụng với H2SO4

- Oxy Clorit Nhôm Al2(OH)5Cl: SX từ Al(OH)3pha chế với HCl

- Aluminat Natri NaAlO2: SX từ Al2O3hay Al(OH)3+ NaOH

- Clorua sắt: FeCl3.6H2O : SX từ Fe + Cl2(ở 700 o C) hoặc quặng sắt + Cl2

- Sulfat sắt II FeSO4.7H2O

- Sulfat sắt III Fe2(SO4)3.2H2O: sản xuất từ Fe2O3+ H2SO4

- Hỗn hợp (Fe2(SO4)3+ FeCl3): thu từ hỗn hợp (FeSO4.7H2O và Cl2)

- Hỗn hợp FeCl3+ Al2(SO4)3theo tỷ lệ 1 /1 hay 2 /1

2.2 Các phương pháp keo tụ

Lượng phèn cần thiết theo hàm lượng cặn của nước nguồn

Nếu nước nguồn đồng thời có độ màu cao, lượng phèn Al2(SO4)3được

tính theo công thức: a = 4√M (M - độ màu, thang màu Pt – Co).

Nếu dùng phèn sắt FeCl3hoặc FeSO4: liều lượng phèn có thể lấy bằng

1/3 – 1/2 giá trị trên

• Chất trợ keo:

+ Tăng hiệu suất của quá trình đông tụ + tiết kiệm hoá chất

+ Đưa vào nước sau phèn và vôi

- Chất keo tụ vô cơ: Axit Silic hoạt tính, Silicat Natri sản xuất

từ thuỷ tinh lỏng (Na2O)m(SiO2)n →đưa vào trong nước →tạo

các Anion →tăng hiệu suất xử lý!

2.3.1 Các giai đoạn của quá trình keo tụ:

Gồm các giai đoạn sau:

+ Pha trộn các chất keo tụ với nước.

+ Thuỷ phân của phèn đồng thời phá huỷ độ bền

vững của hệ keo tự nhiên.

+ Hình thành bông cặn.

2.3 Cơ chế của quá trình keo tụ

2.3 Cơ chế của quá trình keo tụ

Về thực chất ba giai đoạn này xẩy ra liên tục và gần như đồng thời Với

các phương pháp keo tụ khác nhau, sự khác biệt có tính đặc trưng chủ yếu

là ở hai giai đoạn đầu của quá trình keo tụ

Khi cho hoá chất vào nước, quá trình thuỷ phân, hấp phụ và trao đổi ion

của lớp điện tích kép diễn ra rất nhanh chóng, phụ thuộc vào điều kiện môi

trường phản ứng

Sau đó bắt đầu quá trình hình thành các bông cặn Hiệu quả của giai

đoạn này phụ thuộc chủ yếu vào số lượng va chạm và kết dính với nhau tạo

thành các bông cặn có kích thước lớn dần lên cho đến lúc chúng không còn

tham gia vào quá trình chuyển động nhiệt

Muốn có hiệu quả keo tụ cao cần tạo điều kiện cho các bông cặn tiếp tục

chuyển động và va chạm nhau

Giai đoạn hình thành các bông cặn là khâu cuối cùng có tính chất quyết

định đến hiệu quả của toàn bộ các quá trình keo tụ cặn bẩn.

2.3.2 Keo tụ tiếp xúc

• Nguyên lý: lợi dụng khả năng kết bám của các hạt cặn lên bề mặt

• Quá trình hình thành bông cặn trong môi trường tiếp xúc diễn ra

với tốc độ nhanh và hiệu quả hơn sự tạo thành bông căn trong môi

trường chất lỏng:

- Cường độ va chạm giữa các hạt cặn với các hạt vật liệu lọc có

kích thước lớn cao hơn nhiều so với cường độ va chạm dính

kết với các hạt lớn không mang điện của lớp vật liệu lọc do lực

hút phân tử

- Ngay cả khi nồng độ các hạt còn chưa đủ để tạo điều kiện keo

tụ trong môi trường nước, nhưng trong môi trường tiếp xúc

quá trình keo tụ đn xảy ra

• Quá trình keo tiếp xúc hiệu quả nhất xảy ra

ngay sau khi pha chất keo tụ vào nước (bể lọc

tiếp xúc sau ngăn trộn + tách khí, không có

ngăn phản ứng).

• Lúc đầu khi tăng liều lượng phèn, độ đục và độ

màu của nước giảm rất ít sau đó khi đến một

liều lượng nhất định bắt đầu ngưỡng keo tụ, độ

đục và độ màu của nước giảm rất nhanh Tiếp

theo nếu tăng liều lượng phèn hơn nữa, hiểu

quả xử lý cũng không tăng đáng kể.

2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu

quả quá trình keo tụ bằng phèn

(1) Độ pH của nước

• Phản ứng thuỷ phân phèn tạo ion H+→pH↓, Ki↓, (CO2↑)

→Đẩy hệ keo lệch khỏi điểm đẳng điện và giảm tốc độ phản ứng

thuỷ phân→pH của dung dịch được điều chỉnh bằng:

+ Độ kiềm tự nhiên của nước

+ Nếu không đủ độ kiềm: sử dụng vôi/sôđa/xút

(2) Độ kiềm tự nhiên của nước

Độ kiềm ảnh hưởng trực tiếp đến pH của nước

2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu

quả quá trình keo tụ bằng phèn

+ Nếu Ki lớn → trung hoà ion H+ sinh ra do quá trình thuỷ phân

phèn→pH thay đổi ít

+ Nếu độ kiềm Ki thấp, không đủ để trung hoà ion H+ → phải sử

dụng hoá chất để nâng độ kiềm Ki trong nước (sử dụng vôi, sôđa,

xút)

CO32-+ H+→HCO3-→Ki↑

OH- + H+→H2O

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả

quá trình keo tụ bằng phèn

- Xác định độ kiềm trong nước sau khi đưa phèn vào:

- Xác định lượng kiềm cần đưa vào nước:

p K

e

L e L

+ LK, eK: liều lượng (mg/l) và đương lượng (mgđl/l) của chất kiềm

+ Lp, ep: liều lượng (mg.l) và đương lượng (mgđl/l) của chất phèn sử dụng

+ Kitp: độ kiềm toàn phần của nước, mgđl/l

+ 0,5: Độ kiềm dự trữ, mgđl/l

- Nếu: L < 0 →lượng kiềm trong nước đủ để trung hoà ion H+

k k

p

p i i

e

L e

L K K