bài giảng keo tụ tạo bông

Hệ keoƒ Khi các hạt keo tiếp xúc với nhau, chúng tạo thành các hạt có kích thước lớn hơn, tạo bông và kết tủa ƒ Lực giữa các hạt keo: lực hút và lực đẩy tĩnh điện hoặc lực Van der Waals

KEO TỤ - TẠO BÔNG

Coagulation - Flocculation

Giới thiệu chung

Để loại bỏ chất rắn lơ lửng (SS – Suspended

Solid) trong nước/nước thải

Sự liên hệ giữa kích thước hạt và thời gian lắng

20 năm Hạt keo

10 -5

2 năm Hạt keo

10 -2

2 phút Cát mịn

10 -1

10 giây Cát

1

1giây Sỏi

10

Thời gian lắng (độ sâu 1m)

Loại hạt Kích thước hạt

(mm)

Giới thiệu chung (tt)

ƒ Tuyển nổi (Flotation)

–Bọt khí được thêm vào

–Các chất rắn lơ lửng sẽ bám vào bề mặt

của bọt khí và nổi lên

ƒ Lọc (Filtration)

–Chỉ hiệu quả khi kích thước hạt > 1μm

cột lọc

ƒ Keo tụ tạo bông (Coagulation – Flocculation)

Keo tụ tạo bông

– Keo kỵ nước: đất sét, oxit kim loại,…

• Không có ái lực với mt nước

• Dễ keo tụ

• Đa số là những hạt keo vô cơ

– Keo ưa nước: proteins, polymers,…

• Thể hiện ái lực với nước

Cấu tạo hạt keo

Lực tương tác giữa các hạt

Hệ keo

ƒ Khi các hạt keo tiếp xúc với nhau, chúng tạo

thành các hạt có kích thước lớn hơn, tạo bông

và kết tủa

ƒ Lực giữa các hạt keo: lực hút và lực đẩy tĩnh

điện hoặc lực Van der Waals

ƒ Độ lớn: tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các

hạt

ƒ Khả năng ổn định hạt keo là kết quả tổng hợp

Fh và Fđ

ƒ Điện thế zêta < 0,03V → Fh thắng Fđ Khi ζ → 0

thì quá trình keo tụ càng đạt hiệu quả

Sự ổn định hệ keo và giá trị ζ

Năng lượng tương tác của hệ keo

Cơ chế qt keo tụ tạo bông

ƒ Qt nén lớp điện tích kép, giảm thế điện động

zêta nhờ ion trái dấu

ƒ Quá trình keo tụ do hấp phụ ion trái dấu trên

bề mặt, trung hòa điện tích tạo ra điểm đẳng

điện ζ = 0

ƒ Cơ chế hấp phụ - tạo cầu nối

Các polymer có thể ion hóa, nhờ cấu trúc

mạch dài chúng tạo cầu nối giữa các hạt keo

Cơ chế (tt)

ƒ Trung hòa điện tích

– Sự hấp phụ các chất mang điện tích trái dấu với các

hạt keo

– Giảm thế điện thế bề mặt và làm mất ổn định hệ

keo

– Hàm lượng chất keo tụ tăng → nồng độ hạt keo tăng

– Quá nhiều chất keo tụ → tái ổn định hệ keo

Cơ chế tạo cầu nối

ƒ Phản ứng 1: phân tử polymer kết dính với hạt keo

(tích điện trái dấu)

ƒ Phản ứng 2: phần còn lại của polymer ở trên liên

kết với những vị trí hoạt tính trên bề mặt các hạt

keo khác

Cơ chế tạo cầu nối (tt)

ƒ Phản ứng 3: hiện tượng tái bền hạt keo

Cơ chế tạo cầu nối (tt)

hoặc quá lâu, lk giữa hạt keo và polymer

sẽ bị phá vỡ

ƒ Phản ứng 6: tái bền hạt keo

Chất keo tụ (Coagulant)

Thường sử dụng trong xử lý nước và nước

thải: Fe(III) và Al(III)

–Rẻ, phụ thuộc lớn vào pH

Hóa học của chất keo tụ

ƒ Cả Al3+ và Fe3+ đều p/ư mạnh với nước →

các hydroxide kết tủa

Al 3+ + 3H2O → Al(OH)3↓ + 3H +

Fe 3+ + 3H2O → Fe(OH)3↓ + 3H +

Chất keo tụ - Alum

ƒ Tạo thành từ quặng Bauxit hòa tan trong

H2SO4

ƒ Dung dịch tạo thành được loại bỏ tạp chất,

trung hòa, cho bay hơi để tạo thành các miếng

Alum hòa tan và p/ư với kiềm trong nước

Al2(SO4)3(H2O)n↓ + HCO3- →Al(OH) 3 ↓+ CO 2 ↑

+ SO42- + H2O

– Kết tủa Al(OH)3màu trắng

– CO2tạo thành dạng bọt khí trong nước và bám

trên thành cốc thí nghiệm Jar Test

– SO42- tồn tại trong nước

– 1g Alum tiêu thụ hết 0,5g độ kiềm

Alum (tt)

pH < 4

pH = 4,5 → 5 AlOH 2+ , Al8(OH)204+

ƒ Tăng hàm lượng Alum sử dụng → thoát khỏi miền

đảo ngược điện tích

Hợp chất Fe

xử lý nước:

ƒ FeCl3.6H2O : Ferric chloride

ƒ Fe2(SO4)3(H2O)9 : Ferric sulfate

ƒ FeSO4(H2O)7 : Ferrous sulfate

ƒ Fe2+ thường kết tủa dưới dạng Fe(OH)2 và

FeCO3

ƒ Độ kiềm nước tự nhiên: chủ yếu HCO3- →

thêm vôi vào

-Mô hình Jar Test

Jar Test (tt)

ƒ Mục đích: xác định hàm lượng chất keo tụ thích hợp

ƒ Tiến trình thí nghiệm

– Lấy thể tích mẫu xác định

– Thêm vào chất keo tụ với hàm lượng tăng dần

– Khuấy trộn nhanh trong (3 phút), sau đó khuấy

chậm trong (12 phút), để lắng

– Đo độ đục của mẫu

ƒ Để đánh giá hiệu suất của quá trình keo tụ tạo bông

ƒ Sử dụng hàm lượng chất keo tụ lớn hơn

ƒ Kiểm tra độ kiềm của nước thải đầu vào (thêm Soda)

ƒ Nhiệt độ của nước thấp → p/ư keo tụ không xảy ra

Một số chất keo tụ vô cơ

Động học qt keo tụ tạo bông

ƒ Qt keo tụ: lý thuyết về sự phá bền hạt keo

ƒ Qt tạo bông: sự tiếp xúc giữa các hạt keo đã bị

phá bền, theo các cơ chế sau

– Tiếp xúc do chuyển động nhiệt

• Chuyển động Brown/sự khuyếch tán, tạo thành các hạt Φ →

1µm

• Perikinetic flocculation

– Tiếp xúc từ sự chuyển động của lưu chất

• Gây ra bởi qt khuấy trộn lưu chất

• Orthokinetic flocculation

– Tiếp xúc do quá trình lắng của các hạt

Động học qt keo tụ tạo bông (tt)

ƒ Hạt có kích thước nhỏ: chủ yếu là perikinetic

flocculation

ƒ Nếu Φ=1µm và G=10s-1 thì Jok=Jpk

ƒ Các hạt có xu hướng kết hợp tạo thành hạt

có kích thước 1µm bằng chuyển động Brown

(perikinetic flocculation) → khuấy trộn để duy

trì tiếp tục sự keo tụ tạo bông (orthokinetic

flocculation)

ƒ Độ đục tăng → giá trị G tối ưu giảm

Perikinetic flocculation

– Jpk- tốc độ thay đổi nồng độ các hạt keo theo thời gian do

Perikinetic flocculation

– N0- nồng độ các hạt lơ lửng tại thời điểm t

– η - hệ số hiệu quả của sự va chạm (tiếp xúc)

4 3

.

η μ

2

N d

G dt

dN

Giá trị G và t

ƒ G và t tối ưu phụ thuộc vào

– Thành phần hóa học của nước

– Bản chất và nồng độ của bông cặn

ƒ G tối ưu giảm khi độ đục tăng

ƒ Quá trình tạo bông:

– Ban đầu, bông cặn được tạo thành với giá trị G

cao

– Khi bông cặn lớn dần, giảm dần G để tránh làm

vỡ bông cặn

Giá trị G và t

Chất tạo bông (Flocculant)

Chất tạo bông – vai trò

ƒ Thay đổi pH → thay đổi điện tích bề mặt hạt

Polymer hữu cơ

ƒ Khối lượng phân tử lớn, mạch dài

ƒ Polymer tự nhiên: hiệu quả thấp

ƒ Polymer tổng hợp: hiệu quả cao hơn

Polymer tổng hợp

ƒ Có thể chứa các nhóm mang điện

ƒ Thường sử dụng trong các nhà máy xử lý nước,

nước thải

Thiết bị của quá trình keo tụ

ƒ Trung hòa, làm mất ôn định các hạt keo

Máy trộn tĩnh (Static Mixers)

Máy trộn tĩnh (tt)

và sữa chữa

ống → tạo sự xáo trộn cần thiết để khuếch tán

chất keo tụ

Máy trộn khí nén (Pneumatic Mixers)

ƒ Khí nén được sử dụng như 1 thiết

bị khuấy trộn, được đưa vào thông

qua máy khuếch tán

ƒ Khi bọt khí nổi lên → gây sự xáo

trộn

ƒ Mức độ xáo trộn được điều chỉnh

bởi loại máy khuếch tán và áp suất

cản trở quá trình lắng của bông cặn

Máy trộn cơ học (Mechanical Mixers)

ƒ Sự xáo trộn được tạo ra do động cơ turbin/chân vịt/mái

Quy trình công nghệ xử lý nước thải

KCN Lê Minh Xuân