Khảo sát khả năng làm trong nước bằng việc kết hợp sử dụng phèn nhôm và Alginate

Kết quá sự phụ thuộc đô Iihớl cùa duns dịch Alginate vào pH.... Kết quả tìm điều kiẽn tối ưu theo phương pháp dường dốc nhát....[r]

BỎ GIÁO DỤC VA ĐÀO TAO ĐAI HOC QUỎC GIA HẢ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHO \ HOC Tự NHIÊN

LUẬN VÃN THẠC SỸ KHOA HOC HÓA HỌC* • • •

HÀ NỘI - 1998

Œiù c ả m (Pit.

Vòi lòng bicL On sảu sắc cm xin cảm on cò Nguvcn Diera Trang

đã ¿iao d c tài và tận tinh hương đẫn cm trong ẳUốL quả triiih

thưc hiện luận văn này.

Em xin chản thành cảm ơn các thầy cò anh chị và các bạn trong

b o aion Hóa K.V thuật, ÍChoa Hóa trường Dại học Khoa hoe Tư nhiòn Dại hoc Q u ố c 31a Hà nội đã tạo điếu kiện giúp đ ỗ cm trong quá trinh làm luận văn.

Hà nội ngày 17 tháng 3 nám 1998.

rO ỉll TCùjtq.

3.1.1 Khuy ếch tán Brown (quá trình per i kinetic ) 15 3.1.2 Sự dịch chuyến cùa chất lóng (quá trinh orthokinetìv) lổ

2.2.2 Khảo sát tốc độ khuấy tói lỉu cho quá trình tạo bóng 3 1 2.2.3 Khảo sát p H làm việc tôi ưu cho quá trình 32

2.2.5 Khảo sát diêu kiện rỏi lãi đói với nước có độ đục ban đẩu khác nhau 33 2.2.6 Khảo sát ảnh hướng cùa một sô kim loại lẻn quá trình 34

MỤC LỤC

Ị 2.2 Hai lực chính tác động lên hạt keo

1.2.3 Lớp điện kép

1 Kết qua thi nghiệm kháo sát đò nhớt dung dịch alginate 36

2 Kết quà kháo sát tốc đò khuấy tỏi ưu cho quá trinh tạo bỏng 37

5 Kết qu ả khảo sát điéu kiện tỏi ưu vói nước có độ dục han đấu khác nhau 45

6 Kết quà đánh giá ánh hường cùa một số kim loại lên quá trinh 46

Bảng 1 Các giai doạn trona quá trình kết tụ 9

Bản2 2 Sự phụ thuộc của G vào nhiệt độ 10

Báng 3 Bàna các giá trị của các thí nahièm có số yếu tố khác nhau 23

Bảng 4 Bảng ma trân mã hóa mó hình bàc 2 đầv đủ cùa hai yếu tố 24

Báng 5 Các mức thí nghiệm cùa phèn và A ls in a t e 30

Bana 6 Báng qui hoạch thưc nghiệm cheo phươns pháp ò vuòns Latin của 3 yếu tố 34

Bàna 7 Các mức nóns đõ của các ion kháo sá t 35

Bàng s Kết quá sự phụ thuộc đô Iihớl cùa duns dịch Alginate vào pH 36

Bảna 9 Đò nhớt của các dung dịch Alginate ờ nổnẹ đô khác n h au 37w U • ơ W • Bảns 10 Kết quá kháo sát tốc độ khuấy tỏi ưu cho quá trình 37

Bans 11 Kết quả kháo sát khoáng pH làm việc tối ưu cho h ệ 38

Báng 12 Kết quà các thí nghiệm thu dươc theo qui hoạch thưc nghiệm 39

Bảng 13 Tóm tát thiết kế thí nghiệm 40

Báng 14 Báng tiến hành thí nghiệm và các giá trị mục tiêu thu dược 40

Bang 15 Bàng mỏ tả dinh lượng ảnh hướng cùa các Yếu tô' 41

Báng 16 Bảng phàn tích phương sai thí nahiệm 41

Báng 17 Báng giá trị các hệ số hồi qui 41

Bána 18 Kết quả ước lượng cho kết quả sa lắ n g 43

Bảnq 19 Kết quả tìm điều kiẽn tối ưu theo phương pháp dường dốc nhát 44

Báng 20 Lươns phèn và Aleinate tối ưu theo tính toán với các đô đuc ban đầu khác n h au 45

Bảng 21 Kết quả khảo sát điều kiện tối ưu đối với dung dịch có đò đục ban dầu khác nhau 46

Bàng 22 Kết quả thí rmhiệm kháo sát ảnh hươns cúa các ion theo phương pháp ỏ vuỏng Latin 46

Bảng 23 Tóm tắt quá trình phân tích phương sai theo ỏ vuòng L atin 47

Bàna 24 Kết quả phàn tích phương sai bằng phương pháp ò vuòng Latin 47

DANH MỤC CAC BANG

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình l Sơ đổ và công thức cấu tao của rrúxen 4

Hình 2 Độ bén của duna dịch keo 7

Hình 3 Lớp đièn kép 8

Hình 4 Sơ đồ phán ứng keo tụ và tạo bònă 12

Hình 5 Sự phu thuòc của tốc độ keo tụ vào nồng đỏ chất điện Ly 13

Hình 6 Sự hấp phụ cùa polymer lên bề mặt hạt keo 17

Hình 7 Sư kết tụ và sự tái ổn định cúa các hạt keo 17

Hình 8 Sơ đổ cấu tạo máy đo dô đ ụ c 29

Hình 9 Đổ thị sự phụ thuộc đô nhớt của dung dịch Alginate vào p H 36

Hình 10 Đổ thị biểu diễn độ nhớt của các dung dịch Alginate ờ nòng độ khác nhau 37

Hình 1 1 Đ ổ thị khảo sát tốc đô khuấy tối ưu cho quá trình 38

Hình 12 Đố thị biểu diẻn khoảng pH làm việc tối ưu cùa h ệ 38

Hình 13 Đổ thị kháo sát điều kiện tối ưu cho các độ đuc ban đầu 46

Hình 14 Pareto Chart của quá trinh qui hoạch thực nghiệm 53

Hình 15 Đồ thị khảo sát ảnh hường tổng thể cùa XI và X 2 53

Hành 16 Đổ thị biểu ciiẻn ảnh hường tương hỗ của XI và X 2 54

HTinh 17 Đổ thị biểu diển của hàm mục tiê u 54

Hình 18 Đổ thị biểu diễn mặt cắt của hàm mục tiêu 55

MỞ ĐẨU

Nước là loại tài nguyên phổ biến nhất trên bề mật trái đất Nó hình thành nên thủy quyển Toàn bộ lượng nước được ước tính vào khoảng l 370 triệu

500.000 tới I triệu km '; à trong các khôi báng tại hai cực khoang 25 triệu km3; vả sau cùng trong khi quyển khoảng 50.000 kmJ, tốn tại ờ dạng hơi hoặc màv Mỗi nám lượng nước bốc hơi ước tính khoảng 500.000 kmJ và ỉượnị nước mưa khoảng 120.000 km3.

Nước đông nẹhĩa với sự sỏhẹ Nó là thành phấn chinh cùa các vật thế sông: trung bình vào khoảng 80% Ở các độnẹ vật cấp cao nước chiếm từ

tới 98%.

Là một yếu tô cơ bàn trong th ế giới khoáng vật và sinh vật, nước còn là một yếu tô quan trọng đối với cuộc sốnẹ và hoạt động của con người Hiện tại, toàn bộ lượnẹ nước sử dụng trono sinh hoạt, còng nghiệp va nông nghiệp lẻn tới 250 mJlngười.nám Sự chênh lệch vé nước sứ dụng còn rất lớn: từ 100 ms ở những nước đang phát triển, đến 1.500 m3 ở Hoa kỳ Nhu càu sứ dụng nước trên th ể giới chắc chắn s ẽ còn gia tảng [3],

Do vậy, việc bão vệ tài nguyên nước là điéu cán thiết Nó phải được xứ lý cho mục đích sinh hoạt, sứ dụng trong côn% nghiệp hav dê ngán chặn sự ỏ nhiễm mỏi trường.

Cònq việc xứ lý nước bao gồm một s ố vấn đề cần phải xem xét như độ đục,

Tronq luận án n à \ với qui mỏ nhỏ này, chúng tôi giới hạn công việc

phương pháp sa lắng ị làm oiàm độ đục) bằng việc sứ dụng hỗn hợp phèn

nhôm ị một chất keo (ụ), và alginate (một chất trợ keo tụ tự nhiên) Lý do

sứ dụng hỏn hợp này lioàn toàn mang tính chất kinh tế và mòi trường: một lượng rất nhỏ chất trợ keo tụ có thể s ẽ giúp làm giám dáng k ể lượìĩg chất keo tụ phái dùng tronẹ công việc xử lý nước, vả dem lại hiệu quả cao cho quá trình làm tronạ [26] Ngoài ra, alginate là một polymer tự nhiên,

sản xuất ờ qui mỏ công nẹhiệp với giá thành nẹàv một hạ.

Nội dung luận án như vậy có đề cập đến những vấn đề: cơ sở lý thuyết của quá trình sa lắng, keo tụ, tạo bông Các thí nghiệm được tiến hành dựa trên cơ sờ xây đụng mỏ hình hóa thực nghiệm, sử dụng m á\ đo độ đục, và chuẩn bị mẫu già nhằm tìm ra hàm lượng tôi ưu trong việc kết hợp sử dụng phèn và alginate cho mục đích làm trơnẹ nước.

Khi thực hiện luận án này, chúng tôi hy vọng được đóng góp một phần công sức nhó bé vào việc cải thiện nước sinh hoạt cho ngươi dàn ớ những vùng nông thôn, nơi mà nước bê mật bị dục, và còn trở nèn đục hơn vào một sô mùa (rong nám Đổng thời, luận án này cũng là một nhánh trong nội đunẹ nghiên cứu của tiểu dề tài: "Nâng cao chất lương nước sạch ớ

môi trườnẹ.

có tác dụng gì với chất tan cả; việc chất tan tan ra trons dung dịch, và kết tủa mà khôns hể sinh ra sự thav đổi nhiệt độ và thể tích là những hiện tượns thườne thấy đỏi với chất tan tinh thể Selmi gọi chúng là những dung dịch giả, sau này có tên là đung dịch keo.

Trạng thái keo là trạng thái phàn tán, ớ đó tướng phàn tán - chất tan - được phàn bô tronc m ột môi trường gọi là mỏi trường phàn tán Toàn bộ hộ

th ố n s đó gọi là hệ thốnc keo hay dung dịch keo [1]

V ào cuối th ế kỷ XIX, người ta đã nêu lên mấy đặc diểm sau đây của dung dịch keo:

♦ Có khả năng phân tán ánh sáng Hiện tượng này cho thấy trone hệ tổn tại một bể mặt phàn cách giữa các hạt của tướng phàn tán với mòi trườns phân tán, có nghĩa là hệ không đồng nhất

♦ Khuvếch tán rất chậm

♦ Các hạt keo không thể lọt qua màng bán thấm như các chất tan phân tử thấp khác Như vậv các hạt keo có kích thước lớn hơn nhiéu phân tử thường

♦ Không bền vữna tập hợp Các hạt keo dễ tập hợp lại với nhau đế tạo thành những hạt lớn hơn dưới tác dụng, dù rất nhỏ, của các dièu kiện bèn ngoài như nhiệt độ, nồng độ, chất điện ly và thời gian Vì lẽ đó những dune dịch keo khỏng thể điểu chế quá đậm đặc được

2ồ m hai bản: bản trong gổm các ion có điện tích cùng dâu nằm trèn bé mặt

h ạt keo, tạo cho hạt có một điện tích nào đó nên được gọi là các ion quyết định thế hiệu (QĐTH); bản nsoài sòm các ion điện tích trái dấu vừa đủ đê tru n s hòa điện tích cúa hạt keo, đó là các ion nshịch Các ion nshịch chịu tác dụng của lực hút tĩnh điện, lực hấp phụ vào bé mặt hạt, và lực khuvếch tán do chuyển động nhiệt ơâv ra, nèn được phàn bố thành hai lớp: lớp iro n s 2ồm một số ion nằm sát bé mặt keo gọi là lớp hấp phụ, lớp nsoài gồm sô ion nçhich còn lại gọi là lớp khuyếch tán ơ lớp này, nồng độ các ion nghịch nhỏ dần từ trong ra nsoài, và khi lớp kép kết thúc thì nồng độ

đỏ bằng nồng độ các ion nghịch trong dung dịch Người ta thường biểu diễn cấu tạo hạt keo bầng sơ đồ hay bằng còng thức [27] Lấy ví dụ hạt keo Agi hình thành trong phản ứng:

A gN C u +- K I —* A g i + K N O3 (dư KI)

{ Ị m A q l ] n l ' ị n - x ị K + } X K +

V / \ _ _ / \ _ /

n hản ion Q D JH ion nghịch nhản m ixer lớp hấp phụ lớp khuyéch tán

\ /

g ra n u n (ion keo)

\ _ /

mixen

H ình 1 Sơ đổ và công thức cấu tạo của m ixen [1]

N ĩiửns vấn đề đã được nêu ra trong việc xử lý nước, đặc biệt là độ đục và

m àu nói chune đều liên quan đến keo Trons nước tổn tại nhiéu thành phần

và có thể chia làm ba loại chính:

♦ Các hạt rắn lơ lửng (suspended solids): gổm có cát, cặn bùn, đất sét, chất hữu cơ (ví dụ CỈO sự phân hủy động thực vật, mùn), và các vi sinh

vật như vi khuẩn, sinh vật phù du tảo và virus Đây là thành phần sàv

ra độ đục và màu của nước

♦ Các hạt keo (colloidal particlesI: cũng như các hat rắn lơ lim s nhưns có kích thước nhỏ hơn (dưới 1 micron) có tốc độ sa lắng vò cùns chậm Chúng cũng là nguvên nhàn gàv ra độ đục và màu của nước

♦ Các chất hòa tan (dissolved substances)-, có kích thước dưới vài nm, bao

2ồm các cation, anion, một phần chất hữu cơ, và các khí như 0 2 , C 0 2,

H 2S, v v

Vì vậy, đê giải quyết vấn để độ đục và màu của nước, cần phải hướng sự

c h ú V vào việc xử lý hai thành phần đầu tiên [3]

1.2 Đỏ bén vững và sa láng cùa d u n g dịch keo

Các hạt sol hay huyền phù có tỷ trọnơ khác với mòi trườne phàn tán thường chịu ảnh hướng lớn của trọng trường, nên có thể sa lắng xuống đáv hoặc nổi lên trẽn mật môi trường Như đã biết, các hạt có kích thước bé hơn 5 um có trọng lượnạ rất Iihỏ nên ít chịu tác dụng của trọng trường, lại

có chuyên động Brown và có khả năng khuyếch tán cao do đó các hạt nàytrons; mỏi trường phân tán thườns ờ vào trạng thái lơ lửng, và phàn bố

đ ổ n s đều trong toàn hệ Những hộ có hạt không bị sa lắng do ánh hườngcủa trọne trường gọi là cdc hệ bền vững sa lắng, hay bền vững dộng học ơ đây lực khuyếch tán lớn hưn hẳn trọng lực

Ngược lại, những hệ phản tán thô có hạt lớn hơn 5 Ịj.m là hệ không bền vững sa lắng Những hệ này có hạt khá lớn và trọng lượng hạt đáng kể, nên hạt tham gia không đáng kể vào chuyển động nhiệt và có khả năng sa lắngnèn dần dần tách ra khỏi môi trường phân tán ỏ đây trọng lực lớn hơn hẳn lực khuyếch tán

Như vậy, độ bèn vững sa lắng hav độ bển vững động học phụ thuộc vào kích thước hạt của tướng phàn tán Hệ phân tán cao (khí và dung dịch thật)

là hệ bển vững sa lắng Hệ phàn tán thô (huyền phù, nhũ tương và bọt) có

độ bền vững sa lắng thấp Các hệ keo chiếm vị trí trung gian siữa hai hệ trên [2].

1.2.1 Các hiện tương điên đông học

Năm 1808, giáo sư Reis người N ẹa đã phát hiện rằng các hạt trong hệ phân tán có m ans điện tích Khi được đặt trong từ trường, các hạt keo dịch chuyển vể phía cực dươnơ, điểu này chứns tỏ chúng có điên tích âm Tronơ điện trường, các hạt vận chuyển với tốc độ đều; điện trườn2 càn s

m anh và hằng sô điện môi của môi trường càng lớn thì tốc độ đó cànơ lớn Quá trình vận chuyển đó của hạt keo được gọi là sự điện di

.'ìone sonẹ vơi quá trình vận chuyển hạt keo còn có sự vận chuyển môi rrường Quá trình đó được gọi là sự điện thẩm Tốc độ của sự điện thẩm cũng là tốc độ đều, tý lệ thuận với điện trường và hằng số điện môi của mòi trường Nguyên nhàn của hai hièn tượng điên di và điên thám là doc r «/ ữ •tướng rắn và tướng lỏng đều tích điện nhưng trái dấu nhau Hai hiện tượng này được gọi là các hiện tượng điện động học loại một

Sau Reis, người ta phát hiện ra hai hiện tượne ngược lại với sự điện di và diện thẩm Năm 1878, Dom cho thấv khi sa lắng các hạt trong chất 1ỎI12,

ví dụ cát trone nước, thì tại hai điện cực đặt ờ hai độ cao của cột nước xuất hiện một điộn thế Hiện tượng nàv nsược lại với sự điộn di được gọi là hiệu ứng Dom và thế xuất hiện là thế sa lắng Khi cho chất lỏne chày qua m àns xốp, thi nếu hai bèn mặt màng có đặt các điện cực, trên điện cực sẽ xuất hiện một điện thế Hiện tượng này do Q uincke phát hiện năm 1859, ngược lại với sự điện thẩm , được ơọi là hiệu ứng chảy và thế xuất hiện là thế chảy Hiệu ứng Dom và hiệu ứng chảy được gọi là các hiện tượng điện động học loại hai

Bôn hiện tượng trẽn đều gắn liền với sự có m ặt của một lớp điện kép trên

bề mặt phàn cách tướng của hệ phàn tán [1 ]

1.2.2 H ai lưc chính tác đông lén hạt keo

* Lực hút Van Der Walls (EA): liên quan đến cấu trúc và dạng của hạt keo cũng như của môi trường

* Lực đẩy tĩnh điện (Eg): liên quan đến điện tích bé mặt của hạt keo

Độ bển của keo phụ thuộc vào lực tổng hợp của hai lực hút và đẩv với năng lượng E = EA + EB như được chỉ ra trons Hình 2

1.2.3 Lớp điện kép [28, 29]

Như đã mô tả ờ phần 1, hạt keo gồm có nhân ờ giữa được bao quanh bờimột lớp điện kép Nhiều thuvết đã được đặt ra cho lớp này:

keo và đảm bảo sự trung hòa điện của hạt keo (lớp bound).

đổng đều quanh hạt keo; sự trung hòa đạt được ở một khoảng cách xa hơn (lớp khuyếch tán)

Lớp thứ nhất nằm sát hạt keo có điện thế giảm nhanh Lớp thứ hai là lớp khuvếch tán, có điện thế giảm chậm hơn

K lo á io Câck - ►

£ : Nflio tr c ïo tỏao kơp : H ồ ig râo t i ế i A i o

H ìn h 2 Độ bền của dune dịch keo [3]

♦ E: th ế bể mặt của hạt keo hay thế nhiệt động học.

♦ Z: thế ờ bể mặt cắt hav thế điện động học

T hế z này, gọi là thế zeta, quvết định sự dịch chuvển và tương tác qua lại của các hạt keo Thế zeta phụ thuộc vào thế bề mặt của hạt keo và độ dày lớp điện kép Nó có thể được xác định nhờ hiện tượns điên di: khi một hạt keo được đặt trons một điện trường, nó ngay lập tức nhận được một tốc độ nào dó là kết quả của lực điện trường và ma sát 2âv ra do độ nhớt của môi trường M ối quan hộ giữa thế zeta và độ linh độns điện di được thể hiện tronơ biểu thức sau:

sZ

kĩ7Trong đó:

m e : Độ linh độns điện di

8 : Hằng số điện môi của môi trườne

r\ : Độ nhớt động học

k : 4 hoặc 6, tùy thuộc vào các giả thuvết

Những hạt keo có cùng một thế zeta thì có độ linh động điện di như nhau bất kể kích thước của chúng [4],

Theo thuyết về lớp điện kép, quá trình keo tụ có khả náng triệt tiêu được thế zeta (thế zeta cùa các hạt trong nước tự nhiên có giá trị khoảng

từ - 20 mV đến - 40 mV) Nếu xừ lv tốt, giá trị nàv có thế đạt tới gần 0

1.3 Sự sa láng của dung dịch keo

Để phá vỡ tính ổn định của dung dịch keo cần phải vượt qua được hàns rao thế năng lượns Muôn đạt được điều này (mà sẽ dẫn đẽn sự kết tụ các hạt keo) cần phải giảm được các lực đẩy tĩnh điện Việc phá vỡ trạng thái

ổn định của duns dịch keo được thực hiện nhờ phươnẹ pháp keo tụ [1],

1.3.1 Các giai đoan trong quá trinh kết tụ

Có một số giai đoạn liên tục hoặc đồng thời xảy ra trone quá trình kết tụ các hạt keo (Bảng 1)

Báng 1 Các giai đoạn trong quá trình kết tụ

Thêm chất keo

tu

Phản ứng với nước,ion hóa, thủy phàn, polymer hóa

Thủy phàn

Nén lớp képHấp phụ đặc trưns các ion cùa chất đông tụ trẽn bề mật hạt keo

(ẹradient tốc độ)

Quá trình orthokinetic

Định n sh ĩa nàv của G cũng được áp dụns; cho các quá trình thủv lực

G randient tốc độ G đặc biệt phụ thuộc vào nhiệt độ:

B ảng 2 Sự phụ thuộc của G vào nhiệt độ

i l

♦ Trong quá trình keo tụ: 400 - 1.000 s '1

♦ Trong quá trình tạo bông: khoảng 100 s '1 [6]

2 Q u á trìn h k e o tụ

Khi các yếu tô làm bén klìônc có hoặc m ất đi, hệ keo bị keo tụ Các hệ keo

có thể keo tụ dưới tác dung của nhiẻu yếu tố như thời gian (sự già), thav đổi nổno; độ của tướng phàn tán thay đổi nhiột độ, tác dụng cơ học, ánh sáng, chất điện ly v.v Trong đó, sự keo tụ bằng chất điện ly có ý n sh ĩa lý thuvết và thực tế quan trọn? hcm cả

Hầu hết các chất điện ly đéu có khả năng keo tụ Khả năng keo tụ của một chất điện ly được đặc trưng bằng nồng độ tối thiểu của nó cần để keo tụ soi với một tốc độ nhất định Đại lượns: này được gọi là ngưỡng keo tụ (ký hiệu là V ) và được biểu thị bang nồng đ ộ mmol/lit Ngưỡng keo tụ phụ thuộc vào nổns độ của soi, cho nên đại lượng này chi là một đại lượng tương đối đê đánh giá độ bển của soi đối với chất điện ly

2.1 C á c ca tio n h ó a trị 3

Khả náns gày ra sự keo tụ của các ion càng lớn nếu hóa trị của ch ú n s càng cao và chì có những ion tích điện ngược dấu với hạt keo mới có khả nãne keo tạ Theo tính toán lý thuyết, hàng rào năng lượng ngăn cách các hạt sẽ

m ất đi khi nồng độ chất điện ly đông tụ đạt tới ngưỡng keo tụ, khi đó Y có giá trị bằng:

Theo công thức trèn ngưỡng keo tu của các ion hóa tri 1, 2, 3, 4 tỳ lê với nhau theo tỷ lệ 1 : 0,016 : 0.0013 : 0.00024 Khi lựa chọn một chất keo tụ còn phải xét đến tính vò hại và giá thành của nó Vì lẽ đó, từ trước đến nav các muối cùa nhôm và sắt (III) được sử dụng rộne rãi trona việc

xử lý nước [1,21]

2.2 C ơ chè củ a q u á trìn h

Trong việc xử lý nước, quá trình sử dụng muối nhôm hoặc sắt (III) xảy ra theo hai cơ chế chính: (1) hấp phụ các ion thủy phàn trén bề mặt hạt keo dẫn đến sự truns hòa điện và (2) keo tụ quét nhờ kết tủa hvdroxvt (nếu lượnu chất keo tụ được dùng nhiều)

Lấy ví dụ của phèn: phản ứns trung hòa điện xảy ra cực nhanh, trong vòng vài m icro-giây đến 1 giày Sự hình thành kết tủa hydroxit nhôm xảy ra chậm hơn trong khoảng 1 tới 7 giây Đối với phản ứng truns hòa điện sự khuvếch tán nhanh (dưới 0,1 giày) của chất keo tụ là cực kỳ cần thiết để các phần từ thúy phân hình thành tronơ vòng 0,01 - 0,1 giây có thể phá vở trạne thái ổn định cùa các hạt keo [4]

A l^ S C ỵ 314.3HHD A l( B O ) g 3+ s ố ị2+ » c - > A 1 ( 0 H Ĩ 2 + A 1 ( O h £ + A L ( O H ) ^ A l(O H ) 3 (s)

n h a n h ( l ơ ^ ls e c )

n h a n h ' c h á m ( 1 - 7 sec)

Trung hòa điện ưch Đ ô n g tụ q u é t

H ình 4, Sơ đồ phản ứng keo tụ và tạo bông

l i

2.3 Các yếu tó ánh hướng đèn sư keo tu

Có nhiéu vếu tố ảnh hường đến sự keo tụ: (1) hàm lượng chất keo tụ; (2) pH; (3) nổns độ keo (đo bằng độ đục); (4) màu; (5) các anion hoặc cation trong du n s dịch; (6) hiệu quả khuấy; (7) thế zeta: (8) nhiệt độ Hai yếu tô đầu là đ án s quan tàm nhất [3]

2.4 Ành hường của hàm lưọng chất keo tụ

Thực nehiệm cho thấy rằng tốc độ keo tụ V tăng theo nổng độ chất điệnly-

có độ bển vững tập hợp, khòng một va chạm nào dẫn tới sự liên kết cả nèn

sự keo tụ hầu như chưa xảv ra

Troné vùng 2, khi lượns chất điện ly đã đủ để giảm hàng rào thế nâng xuống nhiều, thì tốc độ keo tụ càng tăng nếu lượns chất điện ly tăng, ơ vùne này sol mất độ bền vửns nhưng chưa phải tất cả các va chạm đều dẫn đến sự liên kết, ta có sự keo tụ chậm

Trong vùng 3, khi lượng chất điện ly đã nhiểu đến nỗi làm mất hẳn hàng rào thế năng, tốc độ keo tụ đạt giá trị tới hạn và không phụ thuộc vào lượng chất điện ly nữa Lúc này sol có thể chưa phải ờ trạng thái đẳng điện

vì chi cần lực hút chiếm ưu thế hơn so với lực đẩy là các hạt keo đã liên kết lại Ở vùng này sol mất hẳn độ bển vững, tất cả các va chạm đều dẫn tới sự lièn kết, ta có keo tụ nhanh [1 28, 29]

ỉ

Trong việc loại bỏ các hạt keo, pH là một yếu tố quan trọng Điểm pH tối

ưu là pH thuàn lợi cho cả sự keo tụ (tùv thuộc vào loại keo) lẫn sự tạo bông (liên quan đến sự tập hợp của bỏna hydroxit nhòm hoặc sắt) Thường thì điểm này ứng với độ hòa tan nhỏ nhất của các hvdroxit Độ mạnh của ion

và Sư có mặt của một số chất hữu cơ có ảnh hường rất mạnh đến pH và khả náns hòa tan tối tniểu [4]

* Clorua nhôm: A1G3

* Sulphat nhôm + vôi: Al-> (S 0 4)3 + Ca (OH),

* Sulphat nhôm + cacbonat natri: Al2 (S 0 4)3 + N a ,C 0 3

* A lum inat natri: N aA J02

2.5.2 Các polymer nhòm

* Sản phẩm thương mại: Aln (OH)p G q (S 0 4)r

* PCBA (Basic Polyaluminium Chloride)

2.5.4 M ộ t sò chát keo tụ khác

* Hỗn hợp muỗi: A l37 F e 3+

* Sulphat đồng: C u S 0 4

3 Quá trình tạo bông

Giai đoạn thứ hai trons toàn bộ quá trình là tạo bông Tạo bông là quá trình kết các hạt keo nhỏ kliòns còn ở trạns thái ổn đinh thành m ột hạt lứn hơn hay bỏns, có thè sa lắns và lọc được nhanh hơn Để thúc đẩy sự tạo bôns, có thể dùng chất tạo bône (chất trợ keo tụ) Trong quá trình tạo bòng, các cụm bôns; thường có cấu trúc mạng 3 chiêu xốp, là kết quả của

sự bắc cầu giữa các hạt kco nhờ chất tạo bône Chất tạo bông tốt thường

dùng là nhữns polym er tự nhiên hoặc tổng hợp dạng polyelectrolyte có

khối lượns; phàn từ khoảng 104 - 107 [7]

3.1 Các quá trình vặn chuyển hạt

Có ba quá trình vận chuyển vật lý giúp cho các hạt keo tiến lại và tiếp xúc với nhau, dẫn đến sự kết tụ của chủng [4]

3.1.1 Khuxếch tán Brown (quá tn n h perikinetic )

Là sự chuyên dịch ngẫu nhiên của các hạt keo do sự va chạm liên tục bời các phàn tử nước Đông lực của các quá trình nàv là nhiệt nãng của dòng chất lòns Tốc độ kết tụ dược tính theo còng thức sau:

3.1.2 S ư dich chuyển cùa chát lòng (quá trinh orthokinetic}

Sự dịch chuvến này gày ra sự chènh lệch sradient tốc độ trong dòng chảy phẩn2 và dòns chảy xoáy Các hạt keo di chuyến theo dòng chất lỏng dẫn đến sự tiếp xúc với nhau Tốc độ tạo bỏ n s trona trườns hợp nàv được tính theo còng thức sau:

Sự sa lắng này tạo ra dịch chưyển thẳng đứntĩ của các hạt keo dẫn đến sự

va chạm Độna lực của quá trình chính là trọng lực của các hạt

3.2 Sự bác cầu các hạt keo nhờ polymer

Các hợp chất polymer đã được sử dụns trong việc xử lý nước từ hơn 20 nãm nay Chúng có thể là loại cationic, anionic hoặc trung tính Lam er và các c ộ n s sự đã đưa ra một thuvết bấc cáu mò tả khả nàng cùa các polym er

có khối lượng phân tử lớn trong việc tạo bòng

Sự bác cầu xảy ra khi các đoạn nhỏ của chuỗi polvm er hấp phụ lên bé mặt các hạt keo nhờ vậy có thể kết nối các hạt đó lại Khi một phàn tứ polym er tiếp xúc với một hạt keo, một số nhóm hcạt động của polym er sẽ hấp phụ lên bề mặt hạt keo, phần còn lại nằm trong dung dịch

Hình 6 Sự hấp phụ của polymer lên bề mật hạt keo.

Nếu một hạt keo thứ hai có bề mật tự do tiếp xúc với các phần cuộn vòng

và đuôi nhò ra của polymer trên, sự gắn kết sẽ xảy ra Như vậv, một liên kết hạt keo - polymer - hạt keo được hình thành và phân tử polymer có tác

d ụ n s như m ột cầu nòi Việc bắc cáu tốt đòi hỏi polym er phải có khả năng vươn đủ xa khỏi bể mặt hạt keo, để hấp phụ và gán kết lên các hạt khác Nếu lượns polvmer được sừ đụnơ và bị hấp phụ quá nhiều, các hạt keo lại được tái ổn định do sự bão hòa trèn bể mật [7]

Hình 7 (a) Sự kết tụ và (b) Sự tái ổn định của các hạt keo.

3.3 Một sô loại chất tạo bòng [3]

3.3.1 Các chất tạo bông tư nhiên

ai Chất tao bò nọ vô cơ:

* Silica hoạt hóa

* Một số loại sét (bentonite, kaolin)

* Cacbonat Canxi tinh khiết

* Than hoạt hóa dạng bột

* Các hợp chất khác: pectin, xanthan selaún tannin

* Hạt của một số loại cày như M o r i n g a O le ífe r a hay M o r i n g a S ie n o p e t a l a

R = CH3 DMAEM (dimethyl aminoethyl metacrylate)

R = H DMAEA (dimethyl aminoeihyl acrylate)

3.4 ứ n ơ dung của c h ấ t tạo bòng

- Xử lý nước be mật: sử dụng chất keo tụ kết hợp với mội chất tao bỏnsĩ tổng hợp tốt nhất là một polym er anionic hoặc trung tính Lượnơ chất tạo bỏng được dùng khoảng 0,5 - 1,5 s / m \ thậm chí tới 5 ơ/nr ờ một số nơi nước quá đuc

- Xứ lv nước thải cố n s nghiệp

- X ử lý nước thải sinh hoạt

- Làm khò bùn [3]

3.5 Giới thiệu vè aỉginate

a - (1, 4) - L - guluronate và f3 - (1, 4) - D - mannuronate. Công thức cấu tạo của alsinate được giả thiết như sau:

2 0

Phàn thực nghiệm của luận án này được thực hiện dựa trồn phương pháp

mỏ hình hóa thực nghiệm, v ề nguyên tắc, mọi sự kiện đêu có thể quy về một quv luật, và được mô tả bằng những công cụ khác nhau Trong đó, xu hướng chính là sử dựng công cu toán học để mô tả các quy luật bàng các phương trình hav các biểu thức toán Các phương trình toán học được biểu diễn bàng những hàm số, đến lượt các hàm số được biểu thi bầng các đồ thị Phương trình toán học tổng quát nhất là đa thức, vì mọi dạng hàm số cuối cùng có thể được quv về dạng đa thức

M ột đa thức tổng quát (hay phương trình hổi quy) có thê mò tả cho bất kỳhàm số nào có dạng sau:

Trong đa thức trên:

y : hàm mục tiêu (kết quả thí nghiêm)

Xj, xk : các yếu tố ảnh hường lên hàm mục tiêu

hường của các yếu tố Xị , X , xk lên hàm mục tiêu

bj b.k b:j : hệ số hổi quv bậc l mô tả định tính và định lượns ảnh

hưởng đồng thời của hai yếu tố \ị và Xị , Xj và \ , Xj và Xfc lên hàm mục tiêu

bijk : hệ số hổi quy bậc 1 mô tả ảnh hưởng đổng thời của 3 yếu tố

Xị, Xj , và xk lên hàm mục tiêu b.j bị^ , bũ : hệ số hổi quy bậc 2 mò tá ảnh hưởng của các yếu tố Xị ,Xj

và xk lên hàm mục tiêu

Hệ số hổi quy cùa phương trình hổi quy cho ta biết:

4 Xây dựng m ô hình thực nghiệm

2 1

hường mạnh, giá trị nhỏ thì ảnh hường yếu hay lchông ánh hường

- Dấu của hệ sò b: b > 0 thì ảnh hườnơ tích cực lên hàm mục tiéu vì nó làm hàm mục tiêu tăng lên, b < 0 thì ảnh hường tiêu cực lên hàm mục tiêu

vì nó làm hàm mục tiêu giảm đi

nshiệm , có thể tính được giá trị của hàm mục tiêu, tức là tính được kết quá cùa thí nghiệm mà không cần làm thí nghiệm Phương trình hàm mục tiêu (Phương trình hổi quv) nhằm mò tả ảnh hường của tất cả các vếu tố lên một quá trình bằns một phươns trình duy nhất

VIò hình hóa thưc nghiệm bàc 1 chi ẹồm các số han.2 bàc 1 cho đô chính xác thấp Muốn nàng cao độ chính xác, phái tiến hành mô hình hóa thực nghiệm bậc 2

Trone phươns trình hổi quy bậc 2, có bao nhiêu số hạng thì ít nhất phải có bày nhièu phương trình (hay thí nghiệm) để tìm được các hệ số hồi quv tương ứng Trong luận ấn này, số yếu tố ảnh hưứne lên kết quả: nồng độ phèn (Xj), nổnơ độ alginate (X->) là ký hiệu chi giá trị thực để tiến hành thí nshiệm PChi tiến hành mò hình hóa thực nahiệm bậc 1, thì vé mật hình học, mò hình là một hình vuòng, mỗi đỉnh ứng với một thí nshiệm trong thực nehiệm (mỗi vếu tố được chọn 2 mức để làm thí nghiệm, mức cao +1

và mức thấp -1) Để tìm được các số hạng bậc 2, ta làm thèm các thí nshiệm ở tâm (mức gốc 0) và các thí nghiệm điểm sao (±d) là những điểm nằm trên trục tọa độ cùa các yếu tố tương ứng Các thí nghiệm được tính theo còns thức tons quát sau:

xb xu' : các ky hièu chi giá tri thưc và giá tri gốc để tiến hành thí

nshièmA.I : biến thiên giữa các mức thí nghiệm

0, r l , ±d : các giá trị mã hóa ( hav mức thí nghiệm ) trong ma trận

dùng để tiến hành thí nshiềm [18, 19, 20]

Số thí nshiệm của mò hình thực nehiệm bậc 2 được tính theo công thức sau:

2n : số thí nshiệm ơ ma trận gốc

N0 : số thí nehiệm ở điểm tâm, thường lấy N0 > 1

(Như vậy, trong trường hợp này N = 22+ 2.2+ 5 = 1 3 )

Mô hình hoá thưc nẹhiêm bàc hai tâm xoay đươc tiến hành trên cơ sớ xây dựng m a trận Q U Í hoạch hoá thực nghiệm bậc hai tâm xoav, các ma trận cột tronơ ma trận thực nghiệm có tính chất như sau:

N : số thí nghiệm của ma trận bậc hai tàm xoay

KhoàniZ cách từ tàm đến điểm sao: d = (2n'q)/4

Số thí nghiệm ờ tàm: N0 > 1

Từ các điêu kiên ờ trẽn ta có bảnơ các c? giá trị sau:o .

Báng 3 Báng các giá trị của các thí nghiệm có số vếu tò khác nhau

4.1 Chọn mưc thi nghiêm

Các giá trị thưc nghiệm của các yếu cố được lựa chọn dưa vào cỏnẹ thứcc ' • ơ » V . . . . wtổng quát:

4.2 Lập ma trận thực nghiệm

Vía trận mã hoá của phươns pháp mô hình hoá thực nghiệm bậc 2 đầy đủ 2 vếu tô có dans:

4.4 Đ án h giá tín h có nghĩa của hệ sò hổi qui

Phươnẹ pháp mô hình hoá thực nghiệm bậc hai không cần thiết phải làm lặp lại toàn bộ các thí nshiệm, m à chỉ cần tiến hành làm lặp lại một thí