- Trong một hệ phân tán keo, các giọt nhỏ hay hạt nhỏ của một chất, chất phân tán, được phân tán trong một chất khác, môi trường phân tán.. 2.4 Độ bền hệ keo :[6] Một hệ keo được gọi là
Trang 1HUỲNH THỦY TRÚC
NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ KEO HYDROXYT SẮT (III) TỪ DUNG DỊCH CLORUA SẮT (II) VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA KEO SẮT (III)
ĐỐI VỚI MỘT SỐ HỢP CHẤT KHÓ PHÂN HỦY
BẰNG VI SINH VẬT
Chuyên nghành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2007
Trang 2Tp HCM, ngày 05 tháng 11 năm 2007
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Khố (Năm trúng tuyển) : 2005
Nghiên cứu khả năng điều chế keo hydroxyt sắt (III) từ dung dịch clorua sắt (II) và khảo sát khả năng hấp phụ của keo sắt (III) đối với một số hợp chất khó phân hủy bằng vi sinh vật
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
- Nghiên cứu điều chế keo hydroxyt sắt (III) từ dung dịch clorua sắt (II) và từ muối sắt (III) clorua có kích thước hạt nhỏ ( cỡ µm và nm )
- Khảo sát khả năng hấp phụ của keo sắt (III) đối với một số hợp chất khó phân hủy bằng vi sinh vật như amoniac, phenol, metylen xanh và dimetylamin
- Thử nghiệm xử lý trên nước thải rỉ rác giai đoạn cuối
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05-02-2007
4- NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ : 05-11-2007
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HOÀNG ĐÔNG NAM
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thơng qua
TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH Ngày tháng năm 2008
TRƯỞNG KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
Trang 3ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS HOÀNG ĐÔNG NAM Chữ ký: Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS MAI HỮU KHIÊM Chữ ký: Cán bộ chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN THIẾT DŨNG Chữ ký:
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 21 tháng 01 năm 2008
Trang 4Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn TS Hoàng Đông Nam, thầy đã tận tình chỉ dẫn và truyền đạt cho em những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian thực hiện luận văn Những kinh nghiệm thầy truyền đạt sẽ giúp ích cho em rất nhiều trong quá trình làm việc sau này
Em xin gởi lời cám ơn đến các thầy cô thuộc Bộ Môn Công Nghệ Hóa Vô Cơ đã tạo điều kiện cho em về mọi mặt để em có thể hoàn thành luận văn
Xin gởi lời cám ơn đến Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Quốc Gia, Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano, Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ về thiết bị và tạo điều kiện cho tôi thực hiện luận văn
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Sở Khoa Học Và Công Nghệ Tây Ninh, Trung Tâm Ưùng Dụng Tiến Bộ Khoa Học Và Công Nghệ Tây Ninh và các bạn đồng nghiệp đã luôn động viên và tạo mọi điều kiện để giúp tôi hoàn thành khóa học của mình
Xin gởi lời cám ơn đến các bạn bè của tôi, những người đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình làm luận văn
Cuối cùng, xin gởi lời cám ơn đến gia đình và những người thân, đã luôn bên cạnh và động viên tôi giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn tất chương trình học của mình
Trang 5Ngày nay, cùng với sự phát triển của nhà máy tẩy rửa thép, lượng chất thải thải ra môi trường ngày càng nhiều Nhận thấy, lượng sắt (II) clorua còn lại trong nước thải tẩy rửa thép là rất lớn Do đó tận dụng nguồn nguyên liệu sắt (II) clorua và xử lý nó là rất cần thiết Vì thế chúng tôi đã sử dụng nguồn nguyên liệu này để điều chế keo Fe(OH)3 Sau đó khảo sát khả năng hấp phụ của keo sắt (III) đối với một số hợp chất khó phân hủy bằng vi sinh vật ví dụ dimetylamin, metylen xanh, phenol và amoniac Đề tài đã thu được một số kết quả sau:
Trang 6hấp phụ trung bình đối với amoniac là 43%, đối với COD là 45% và hàm lượng các chất hữu cơ giảm đáng kể
Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc sử dụng keo hydroxyt sắt (III) như là một chất hấp phụ để xử lý nước thải
Trang 7Nowadays, the more steel washing factories development are, the more amounts of waste matter eliminates to environment Realizing that, amounts of iron (II) clorua remains abundant in steel washing wastewater Taking full advantage of iron (II) clorua source and treating it are very essential
So we used this material source to prepare ferric trihydroxide Then we survey ability adsorption of ferric trihydroxide to numbers of compounds which are hard broke up by microorganism, for example dimethylamine, methylene blue, phenol and ammonia
The essay has got results, such as:
+ The first method :
Preparing ferric trihydroxide by addition of alkali to the iron (II) clorua solution which remains in wastewater and then oxidation with H2O2
This synthesis way produces ferric trihydroxide with sizes ranging from 1.28 to 11.80 µm
The average of the adsorption productivity of Fe(OH)3 towards ammonia is 35%, phenol is 30%, next methylene blue and dimethylamine
+ The second method :
Preparing ferric trihydroxide by addition of akali to the FeIII salts solution (FeCl3.6H2O)
This synthesis way produces ferric trihydroxide with sizes ranging from 123.5 to 294.8 nm
Trang 8The adsorption processes obey the Freundlich-type adsorption isotherms
The applications of Fe(OH)3 adsorptive ability eliminate of ammonia, organic compounds from the final leaking rubbish wastewater stages They get results such
as the average adsorption productivity towards ammonia is 43%, chemical oxygen demand decreases and organic compounds content decreases
The results bring important meaning within using ferric trihydroxide as an adsorbent
to treat wastewater
Trang 9C Nồng độ mol/l
Ccb Nồng độ cân bằng chất bị hấp phụ trong môi trường
Chp Nồng độ chất bị hấp phụ trong lớp hấp phụ
D Hệ số khuếch tán
E Năng lượng hoạt hóa
g Gia tốc trọng trường
p Aùp suất khí cân bằng trên chất hấp phụ
pH Độ pH của dung dịch
q Nhiệt hấp phụ
r Bán kính của hạt
S Diện tích bề mặt chất hấp phụ
T Nhiệt độ
t Thời gian
x Độ hấp phụ
v Thể tích của hạt
vsl Vận tốc sa lắng
vkt Vận tốc khuếch tán
∆Fhp Độ giảm năng lượng hấp phụ tự do
ρ Khối lượng riêng pha phân tán
ρ0 Khối lượng riêng của môi trường
η Độ nhớt của chất lỏng
ε Hằng số điện môi
π Aùp suất thẩm thấu
µm,nm Đơn vị đo độ dài
λ Bước sóng
Trang 10Hình 1.1: Dây chuyền tẩy rửa thép 1
Hình 1.2: Sơ đồ công nghệ tẩy rửa thép 2
Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo mixen keo Fe(OH)3 10
Hình 3.2 Biểu đồ lực tương tác giữa hai hạt keo 12
Hình 4.1 Chuyển động Brown của hạt keo 15
Hình 5: Arsenate adsorption density q(As) on AdsorpAs® (gran) and on freshly prepared ferric hydroxide (ff) 26
Hình 6: Sự định hướng của chất hoạt động bề mặt trên ranh giới rắn – dung dịch 41
Hình 7.1 Sơ đồ tổng hợp keo hydroxyt sắt (III) theo hướng (1) 44
Hình 7.2 Sơ đồ tổng hợp keo hydroxyt sắt (III) theo hướng (2) 45
Hình 7.3 Dung dịch nước thải chứa FeCl2 50
Hình 7.4 Mô hình thí nghiệm điều chế keo Fe(OH)3 50
Hình 7.5 Mẫu được chuẩn bị đem đo kích thước hạt 51
Hình 7.6 Mô hình thí nghiệm hấp phụ 53
Hình 7.7 Giàn cất Kendan 6 chỗ 59
Hình 9.1 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ hấp phụ dimetylamin theo thời gian 66
Hình 9.2 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ hấp phụ dimetylamin theo nồng độ 67
Hình 9.3 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của dimetylamin 68
Hình 9.4 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ hấp thu của metylen xanh vào bước sóng 69
Hình 9.5 Đường chuẩn metylen xanh 70
Hình 9.6 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ hấp phụ metylen xanh theo thời gian 71
Hình 9.7 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ hấp phụ metylen xanh theo nồng độ 72
Hình 9.8 Đường hấp đẳng nhiệt Freundlich của metylen xanh 73
Hình 9.9 Đường chuẩn phenol 74
Hình 9.10 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ hấp phụ của phenol theo thời gian 75
Hình 9.11 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ hấp phụ của phenol theo nồng độ 76
Hình 9.12 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của phenol 76
Hình 9.13 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ hấp phụ của amoniac theo thời gian 77
Hình 9.14 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ hấp phụ của amoniac theo nồng độ 78
Hình 9.15: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của amoniac 79
Hình 10.1: Bề mặt đáp ứng của phương trình hồi quy (9.1) 84
Hình 10.2 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ hấp phụ của amoniac nồng độ thấp theo nồng độ 86
Trang 11Hình 10.5 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ hấp phụ phenol nồng độ thấp theo
nồng độ 89 Hình 10.6 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của phenol nồng độ thấp 90
Trang 12amoniac và nước 42
Bảng 7.1 Danh mục hóa chất sử dụng 48
Bảng 7.2 Danh mục thiết bị sử dụng 49
Bảng 7.3 Thành phần hóa học một số kim loại nặng có trong dung dịch nước thải tẩy rửa thép 50
Bảng 9.1 Aûnh hưởng của tỷ lệ 2 + 2 2O / Fe H n n đến hiệu suất chuyển hóa 62
Bảng 9.2 Aûnh hưởng của nồng độ FeCl2 có trong nước thải đến kích thước hạt keo 63
Bảng 9.3 Aûnh hưởng của thời gian tạo keo đến kích thước hạt keo 64
Bảng 9.4 Aûnh hưởng của pH dung dịch đến kích thước hạt keo 65
Bảng 9.5 Aûnh hưởng của tốc độ khuấy đến kích thước hạt 65
Bảng 9.6 Aûnh hưởng của thời gian đến độ hấp phụ của dimetylamin 66
Bảng 9.7 Aûnh hưởng của nồng độ đến độ hấp phụ của dimetylamin 67
Bảng 9.8 Sự phụ thuộc của độ hấp thu metylen xanh vào bước sóng 69
Bảng 9.9 Sự phụ thuộc của độ hấp thu metylen xanh theo nồng độ 70
Bảng 9.10 Aûnh hưởng của thời gian đến độ hấp phụ của metylen xanh 71
Bảng 9.11 Aûnh hưởng của nồng độ đến độ hấp phụ của metylen xanh 72
Bảng 9.12 Sự phụ thuộc của độ hấp thu phenol theo nồng độ 73
Bảng 9.13 Aûnh hưởng của thời gian đến độ hấp phụ của phenol 74
Bảng 9.14 Aûnh hưởng của nồng độ đến độ hấp phụ của phenol 75
Bảng 9.15 Aûnh hưởng của thời gian đến độ hấp phụ của amoniac 77
Bảng 9.16 Aûnh hưởng của nồng độ đến độ hấp phụ của amoniac 78
Bảng 10.1 Các yếu tố ảnh hưởng 82
Bảng 10.2 Ma trận quy hoạch thực nghiệm 23 83
Bảng 10.3 Ma trận quy hoạch với biến ảo TYT 23 84
Bảng 10.4 Aûnh hưởng của nồng độ đến độ hấp phụ của amoniac nồng độ thấp 86
Bảng 10.5 Aûnh hưởng của thời gian đến độ hấp phụ của phenol nồng độ thấp 88
Bảng 10.6 Aûnh hưởng của nồng độ đến độ hấp phụ của phenol nồng độ thấp 89
Bảng 11.1 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu ban đầu 92
Bảng 11.2 Hiệu suất xử lý amoniac 93
Bảng 11.3 Hiệu suất hấp phụ COD bằng keo Fe(OH)3 93
Bảng 11.4: Hiệu suất hấp phụ các chất hữu cơ bằng keo hydroxyt sắt (III) đối với mẫu nước thải I (hồ 5.5) 94
Trang 14Trang PHẦN I : TỔNG QUAN
Chương 1 : Tổng quan về nguồn nước thải từ dây chuyền tẩy rửa thép
của nhà máy thép tấm lá Phú Mỹ 1
1.1 Giới thiệu : 1
1.2 Sơ đồ công nghệ tẩy rửa thép : 1
1.3 Các chỉ tiêu của dây chuyền tẩy rửa thép : 3
Chương 2 : Hệ keo 4
2.1Khái niệm : 4
2.2 Phân loại hệ keo : 4
2.3 Tương tác giữa những hạt keo : 5
2.4 Độ bền hệ keo : 6
Chương 3: Giới thiệu về keo hydroxyt sắt 7
3.1 Giới thiệu về keo hydroxyt sắt (II) 7
3.2 Giới thiệu về keo hydroxyt sắt (III) 7
3.2.1 Đặc điểm : 7
3.2.2 Cấu trúc: 7
3.2.3 Cấu tạo mixen keo : 9
3.2.4 Tính chất của hệ keo kỵ nước: 11
3.2.5 Các đặc tính quan trọng của keo hydroxyt sắt (III): 12
3 2.5.1 Kích thước hạt keo: 12
3.2.5.2 Diện tích bề mặt: 13
3.2.5.3 Tốc độ sa lắng của hạt keo: 13
3.2.5.4 Năng lượng bề mặt hạt keo: .14
Chương 4: Hệ phân tán 15
4.1 Chuyển động Brown: 15
4.2 Sự khuếch tán trong dung dịch keo: 16
4.2.1 Định luật khuếch tán thứ nhất của Fick: 16
4.2.2 Định luật khuếch tán thứ hai của Fick: 18
4.3 Sự sa lắng trong các hệ keo: 19
Chương 5: Một Số Phương Pháp Tổng Hợp Keo Hydroxyt Sắt (III) 22
5.1 Sự thủy phân của muối sắt (III) trong dung dịch có tính axit: 22
Trang 155.5 Sự kết tủa thủy nhiệt: 24
5.6 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước về quá trình tạo keo hydroxyt sắt (III): 24
Chương 6: Lý thuyết về vấn đề hấp phụ 27
6.1 Khái niệm hiện tượng hấp phụ: 27
6.2 Cơ chế của quá trình hấp phụ: 28
6.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của keo hydroxyt sắt (III): 31
6.3.1 Aûnh hưởng của pH môi trường: 31
6.3.2 Aûnh hưởng của dung môi: 32
6.3.3 Aûnh hưởng tính chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ: 33
6.3.4 Aûnh hưởng của cấu trúc xốp với các mao quản của chất hấp phụ: 33
6.4 Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt: 36
6.4.1 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich: 36
6.4.2 Phương trình Langmuir J: 37
6.5 Ưùng dụng các quá trình hấp phụ: 39
6.6 Nguyên tắc lựa chọn một số chất để khảo sát khả năng hấp phụ: 39
6.7 Quy luật cơ bản của sự hấp phụ: 40
6.7.1 Quy tắc phân tử lượng đối với sự hấp phụ chất tan từ dung dịch: 40
6.7.2 Quy tắc về sự phân cực: 40
6.8 Các tương tác giữa keo hydroxyt sắt (III) và các hợp chất khó phân hủy bằng vi sinh vật: .41
6.8.1 Liên kết Van Der Waals: 41
6.8.2 Liên kết hydro: 43
Phần II: THỰC NGHIỆM Chương 7: Nội Dung - Phương Pháp Nghiên Cứu 44
7.1 Nội dung- phương pháp nghiên cứu: 44
7.1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ: 44
7.1.2 Thuyết minh quy trình công nghệ: 46
7.1.3 Các phương pháp phân tích 47
7.2 Dụng cụ - thiết bị, hóa chất: 48
7.2.1 Hóa chất: 48
7.2.2 Dụng cụ – Thiết bị: 49
Trang 167.3.3 Giai đoạn hấp phụ: 52
7.3.3.1 Giai đoạn hấp phụ của keo hydroxyt sắt (III) tạo thành theo hướng (1) đối với amoniac có nồng độ cao: 52
7.3.3.2 Khảo sát khả năng hấp phụ của keo hydroxyt sắt (III) tạo thành theo
hướng (2) đối với amoniac: 52
7.3.4 Giai đoạn xác định hàm lượng còn lại của chất bị hấp phụ 53
7.3.4.1 Xác định nồng độ amoniac 53
7.3.4.2 Xác định nồng độ phenol: 55
7.3.4.3 Xác định nồng độ dimetylamin 57
7.4 Thử nghiệm xử lý trên nước thải rỉ rác giai đoạn cuối: 59
Chương 8: Các yếu tố ảnh hưởng đến quy trình nghiên cứu 60
8.1 Quá trình tạo keo Fe(OH)3: 60
8.1.1 Aûnh hưởng của thời gian phản ứng: 60
8.1.2 Aûnh hưởng của nồng độ, tỉ lệ tác chất: 60
8.1.3 Giá trị pH: 60
8.1.4 Aûnh hưởng của nhiệt độ phản ứng: 60
8.1.5 Aûnh hưởng của tốc độ khuấy: 61
8.2Quá trình hấp phụ của keo Fe(OH)3 đối với một số hợp chất khó phân hủy bằng vi sinh vật: 61
8.2.1 Aûnh hưởng của thời gian hấp phụ: 61
8.2.2 Aûnh hưởng của nồng độ chất bị hấp phụ: 61
8.2.3 Aûnh hưởng của nhiệt độ hấp phụ: 61
PHẦN III: KẾT QUẢ – BÀN LUẬN Chương 9: Nghiên cứu quá trình tạo keo hydroxyt sắt (III) từ dung dịch nước thải chứa FeCl2 và khảo sát khả năng hấp phụ của keo sắt (III) đối với amoniac, phenol, metylen xanh và dimetylamin: 62
9.1 Quá trình oxy hóa Fe(OH)2 thành Fe(OH)3: 62
9.2 Khảo sát các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình tạo keo sắt (III) theo hướng 1: 62
9.2.1 Khảo sát nồng độ FeCl2: 62
9.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng: 63
9.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của pH: 64
Trang 179.3.1 Đối với dimetylamin: 66
9.3.1.1 Khảo sát sự thay đổi độ hấp phụ theo thời gian: 66
9.3.1.2 Khảo sát sự thay đổi độ hấp phụ theo nồng độ: 67
9.3.1.3 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich: 68
9.3.2 Đối với metylen xanh: 69
9.3.2.1 Tìm bước sóng thích hợp: 69
9.3.2.2 Lập đường chuẩn: 70
9.3.2.3 Khảo sát sự thay đổi độ hấp phụ theo thời gian: 70
9.3.2.4 Khảo sát sự thay đổi độ hấp phụ theo nồng độ metylen xanh: 71
9.3.2.5 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich: 72
9.3.3 Đối với phenol: 73
9.3.3.1 Dựng đường chuẩn: 73
9.3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của độ hấp phụ theo thời gian: 74
9.3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của độ hấp phụ theo nồng độ phenol: 75
9.3.3.4 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich: 76
9.3.4 Đối với amoniac: 77
9.3.4.1 Khảo sát thời gian hấp phụ: 77
9.3.4.2 Khảo sát sự thay đổi độ hấp phụ theo nồng độ amoniac ban đầu: 78
9.3.4.3 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich: 79
9.3.5 Nhận xét, so sánh, đánh giá khả năng hấp phụ của keo hydroxyt sắt (III) đối với dimetylamin, metylen xanh, phenol và amoniac: 80
Chương 10: Nghiên cứu quá trình tạo keo hydroxyt sắt (III) từ muối FeCl3 và khảo sát khả năng hấp phụ của keo sắt (III) đối với phenol và amoniac: 82
10.1 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo keo hydroxyt sắt (III) theo hướng thứ hai (đi từ FeCl3 tinh khiết và NaOH): 82
10.1.1 Phương án quy hoạch thực nghiệm: 82
10.1.2 Tối ưu hóa hàm đáp ứng: .85
10.2 Khảo sát khả năng hấp phụ của keo hydroxyt sắt (III) đối với amoniac và phenol có nồng độ thấp: 86
10.2.1 Đối với amoniac: 86
10.2.1.1 Khảo sát sự thay đổi độ hấp phụ theo nồng độ: 86
10.2.1.2 Phương trình đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich: 87
Trang 1810.2.2.3 Phương trình đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich: 90
10.2.3 Nhận xét, đánh giá giữa hai quá trình tạo keo và khả năng hấp phụ của keo đối với amoniac và phenol: 91
Chương 11: Thử nghiệm xử lý trên nước thải rỉ rác giai đoạn cuối 92
11.1 Giới thiệu mẫu nước thải rỉ rác: 92
11.2 Kết quả xử lý bằng keo hydroxyt sắt: 92
PHẦN IV: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ Chương 12: Kết Luận – Kiến nghị 96
12.1 Kết luận 96
12.2 Kiến nghị 97
PHẦN V: PHỤ LỤC Phụ lục 1: Các phương pháp phân tích 98
Phụ lục 2: Các kết quả đo kích thước hạt 111
Phụ lục 3: Công thức tính toán 143
Phụ lục 4: Các bảng số liệu 153
Phụ lục 5: Một số hình ảnh về thiết bị 161
Phụ lục 6: Các kết quả phân tích 163 TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trang 19Theo kết quả tham quan nhà máy thép tấm lá Phú Mỹ, cho thấy hàm lượng sắt (II) clorua còn lại sau dây chuyền tẩy rửa thép là khá lớn, khoảng 123,7 g/l Hàng năm, lượng sắt (II) clorua thải ra là rất lớn, khoảng 4000 tấn/năm Cho đến nay, nhà máy vẫn chưa có biện pháp xử lý thích hợp.Nhận thấy, có thể sử dụng nguồn nguyên liệu này để điều chế keo hydroxyt sắt (III)
Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề sử dụng dung dịch muối sắt clorua để điều chế keo hydroxyt sắt, dùng để hấp phụ arsenate, arsenite và phosphate có trong nước ngầm, nước tự nhiên và nước thải Phương pháp này có ưu điểm là: hiệu quả xử lý cao, an toàn để đảm bảo xử lý chất ô nhiễm với mức độ lớn, vận hành dễ dàng, lượng chất thải thải ra nhỏ
Dựa trên cơ sở này, chúng tôi đã nghiên cứu điều chế keo hydroxyt sắt (III) từ dung dịch nước thải có chứa FeCl2 của nhà máy tẩy rửa thép và từ muối FeCl3.6H2O Từ đó khảo sát khả năng hấp phụ của keo sắt (III) đối với một số hợp chất khó phân hủy bằng vi sinh vật như là amoniac, phenol, metylen xanh và dimetylamin
Sau đó thử nghiệm xử lý trên nước thải rỉ rác giai đoạn cuối,có chứa các chất hữu cơ và vô cơ khó phân hủy sinh học có BOD thấp
Với kết quả thu được từ đề tài này, chúng tôi hy vọng sẽ có thể mở rộng khả năng xử lý nước thải của keo hydroxyt sắt (III) đối với các nguồn nước thải đang gây ô nhiễm môi trường
Trang 20Họ và tên: HUỲNH THỦY TRÚC
Ngày, tháng, năm sinh: 12 – 07 – 1980
Nơi sinh: Tây Ninh
Địa chỉ liên lạc: B56 Long Đại, Long Thành Bắc, Hòa Thành, Tây Ninh QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
Từ 1998 đến 2003: Học đại học tại Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh
Từ 2005 đến 2007: Học cao học tại Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh
QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC:
Từ 2003 đến 2007: Công tác tại Sở Khoa Học Công Nghệ Tây Ninh
Trang 211 Bùi Trung, Thiều Minh Triết, Nguyễn Xuân Thơm, Nguyễn Đức Quý – Nghiên cứu điều chế chất keo tụ sắt (III) sunfat – Tuyển tập công trình nghiên cứu khoa học và công nghệ năm 2004
2 Hoàng Nhâm – Hóa học các nguyên tố – tập 1,2- Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội
3 Lê Văn Cát – Hấp phụ và trao đổi ion trong xử lý nước và nước thải- Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật
4 Mai Hữu Khiêm – Hóa keo – Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh - 2004
5 Nguyễn Bạch Tuyết, Lê Xuân Mai – Thí nghiệm hóa phân tích – Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh – 2003
6 Nguyễn Danh Nhi, Nguyễn Hữu Hùng – Cân Bằng Pha và Hóa Keo- Nhà Xuất Bản Đại Học Sư Phạm
7 Nguyễn Cảnh – Quy Hoạch Thực Nghiệm – Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh – 2004
8 Nguyễn Đình Soa – Hóa Đại Cương – Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
9 Nguyễn Trọng Tuyển, Trần Hồng Côn, Phạm Hùng Việt, Hoàng Văn Hà – Nghiên cứu sử dụng quặng sắt (limonit) làm tác nhân hấp phụ loại bỏ an toàn arsen ra khỏi nước sinh hoạt – Tạp chí hóa học, T 38, số 4, trang 72-76, 2000, Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội
10 P.P Koroxtelev – Chuẩn Bị Dung Dịch Cho Phân Tích Hóa Học- Nhà Xuất Bản Khoa Học Liên Xô, xuất bản lần thứ 2
11 PGS.TS Trần Đức Hạ, KS Đỗ Văn Hải – Cơ Sở Hóa Học Quá Trình Xử Lý Nước Cấp và Nước Thải- Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội, 2002
12 Trần Văn Thạnh – Các Phương Pháp Phân Tích Hữu Cơ- Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, 1998
13 TS.Nguyễn Thị Thu- Hóa keo Nhà Xuất Bản Đại Học Sư Phạm, 1998
14 TCVN 6216:1996 – Chất Lượng Nước, Xác Định Chỉ Số Phenol- Phương Pháp Trắc Phổ Dùng 4-Aminoantipyrine sau khi chưng cất – Hà Nội 1996
15 TCVN 5945:2005 – Nước thải công nghiệp, tiêu chuẩn thải – Hà Nội 2006
16 TCVN 4565-88: Xác định nhu cầu oxy hóa học COD – Hà Nội 1988
Trang 22sắt (III) hydroxit vô định hình kích thước nanomet trên polyme chitosan làm vật liệu hấp thụ asen hiệu năng cao – Tóm tắt các báo cáo khoa học tại Hội Nghị Khoa Học Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Hà Nội, 2006 (p 125-126)
19 X.l.Akhnadarova, V.V.Kakharop - Tối ưu hóa thực nghiệm trong hóa học và kỹ thuật hóa học – Nguyễn Cảnh, Nguyễn Đình Soa dịch – Trường Đại Học Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, 1994
20 Au-yeung, George Denes, J.E.Greedan, Donald R Eaton, Thomas Birchall A novel synthetic route to ‘iron trihydroxide, Fe(OH)3’: Characterization and magnetic properties, inorganic chemistry, 23, 1513-1517, 1984
21 Au-yeung, S.C.F, Eaton, D.R.Birchall, T, Denes, G, Greedan, J.E, Hallet, C and Reuben Baurr K (1985) The preparation and charaterization of iron trihydroxide, Fe(OH)3 Canadian Journal of chemistry, 63, 3378-3385
22 B.N Pal Granular ferric hydroxide for elimination of arsenic from drinking water M/S Pol Trocknor [P] Ltd
23 Basmadjian, D.(1997) The little adsorption book CRC Press, Boca Raton, FL
24 Clair N Sawyer, Perry L Maccarty, Gene F Parkin Chemistry for environmental Engineering and Science 5th edition, New York, McGraw Hill, (2003)
25 Crittenden, B and Thomas, W.J (1998) Asorption technology and design Butterworth Heineman Oxford, UK
26 Chou, K.T, Bum, H.T, Kim, D.S And Cho, S.H (2000) Adsorption science and technology (D.D.Do, ed) World Scientific Publishers, River Bridge, NJ, p159
27 Do, DD (1998) Adsorption Analysis: Equiplibrium and Kinetics Imperial College Press, London
28 David B Vance (2007) The 4 technology solution iron oxide metal adsorption
29 Driechaus, W.Jekel, M and Hildebrandt, U Granular ferric hydroxide-a new adsorbent for the removal of arsenic from natural water, 1998 Blackwell science Ltd J.water SRT-aqua 47, 30-35
30 F.Rengifo, B.Garbo, A.quach, W.P.Ela and A.E Saez Stabilization of bearing iron hydroxide solid waste in polymeric matrices Deparment of chemical and environmental Engineering University of Arizona
Trang 23arsenic-(F Meunier, ed) Elsevier, Amsterdam, the Netherland, p 1083
33 Gritti F, Guiochon G Adsorption, desorption isotherm hysteresis of phenol on
a C18-bonded surface -2003, Aug 29
34 Horiba Jonbin Yvon LB550 Dynamic Light Scattering nano-particle size analyzer Instrument, Inc, 2007
35 Horiba LA920 Dynamic scatterring particle size distribution analyzer, Instrument, Inc, 2006
Amonia/ Nessler Method, p483-488
37 Hach company, 1996 DR/2010 Spectrophotometer Handbook - Phenol/ amoniantipyrine Method, p601-606
4-38 Hach company, 1996 DR/2010 Spectrophotometer Handbook - Iron, Ferous / 1,10-phenanthroline Method, p330-336
Chemical, p557-576
40 Ishizaki, C and Cookson., J.T (1974) Chemistry of water supply treament and distribution (A.J.Rubin, ed) Ann Arbor Science, Ann Arbr, Mi, Chapter 10
41 Kahn, Jennifer (2006) Nanotechnology National Geographic
42 Kaneko, K Miyawaki, Wanatabe, A., and Suzuki, T (1998) Fundamental of adsorption (F Meunier, ed) Elsevier, Amsterdam, The Netherlands, p51
43 Kaneko, K.,Yang, C.m, Ohkubo, T., Kimura, T, Iiyama, T., and Touhara, H (2000) Adsorption science and technology (D.D.Do, ed) World Scientific Publishers, Singapore
44 Libra S6 user Manual Biochrom, Ltd
45 Motoyuki Suzuki Adsorption Engineering Kodansha, Ltd, Tokyo and Elsevier Science Publisher B.V, Amsterdam,1990
46 Michael J Taras, Chairman, Arnold E.Greenberg, Richard D Hoak, M.C Rand,
13th edition Standard methods for the examination of water and wastewater Published jointly by The American Public Health Association (APHA), The American Water Works Association (AWWA), and The Water Environment Federation (WEF)
Trang 24and system using multilayer adsorbent beds- U.S Patent 5,810,909 (1998) to Praxair
49 Plos medicine Nanotechnology and the Developing World Volume 2, Issul 4,
US, April 2005
50 Ralph T.Yang Adsorbents fundamentals and applications Wiley Interscience,
A John Wiley & Sons, Inc, Publication , 2003
51 Radovie, L.R., Ume, J.I., and Scaroni, A.W(1996) Fundamentals of Adsorption (M.D Le Van, ed) Kluwer, Boston, p749
52 Ruthven, D.M (1984) Principles of adsorption and adsorption processes, Wiley, New York, N.Y, Ch 12
53 Suzuki, M (1990) Adsorption Engineering Copublished by Kodansha LTD, Tokyo and Elsevier Science Publishers B.V, Amsterdam
54 U.S Schewertmann, R.M Cornell Iron Oxides In The Laboratory Wiley, VCH, April 2000
55 Valenzuela, D.P and Myers, A.L (1989) Adsorption Equilibrium Data Handbook Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ
56 Yoshida, M.,Kodama, A.,Goto, M and Hirose, T(1998) Fundamentals of Adsorption ( F Meunier,ed) Elsevier, Amsterdam, p817
Trang 25HVTH: Huỳnh Thủy Trúc
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NƯỚC THẢI TỪ DÂY CHUYỀN TẨY RỬA THÉP CỦA NHÀ MÁY THÉP TẤM LÁ PHÚ MỸ
1.1Giới thiệu :
Hệ thống sản xuất của công ty thép tấm lá Phú Mỹ theo công nghệ cán 4 trục high) tiên tiến của Ý, Mỹ, Aùo với quy trình vận hành qua 5 dây chuyền : tẩy rửa, cán nguội đảo chiều, lò ủ, cán nguội là nắn, cuộn lại đóng gói
(4-Công suất của nhà máy 405.000 tấn / năm, gồm các sản phẩm : thép lá cán nguội (mềm và cứng), cuộn thép P.O theo tiêu chuẩn JIS của Nhật, DIN của Châu Aâu và ASTM của Mỹ
1.2Sơ đồ công nghệ tẩy rửa thép :
Dây chuyền tẩy rửa thực hiện việc tẩy rửa cuộn thép cán nóng Cuộn thép được xử lý bởi các bồn tẩy rửa đặc biệt loại HCL TURBOFLOTM đảm bảo tẩy sạch các lớp oxit trên bề mặt bằng cách sử dụng axit clohydric trước khi đưa tới công đoạn cán nguội
Ngoài ra, dây chuyền còn có khu vực rửa được thiết kế theo kiểu tầng đảm bảo rửa sạch clorua còn bám trên bề mặt băng thép sau khi tẩy
Hình 1.1: Dây chuyền tẩy rửa thép
Trang 26HVTH: Huyønh Thuûy Truùc
Trang 27HVTH: Huỳnh Thủy Trúc
1.3Các chỉ tiêu của dây chuyền tẩy rửa thép : ( số liệu từ Nhà máy thép tấm lá Phú Mỹ )
Trang 28HVTH: Huỳnh Thủy Trúc
CHƯƠNG 2 : HỆ KEO 2.1 Khái niệm : [6]
Hệ keo còn gọi là hệ phân tán cao, là một hệ thống có hai thể của vật chất, một dạng hỗn hợp ở giữa hỗn hợp đồng nhất và hỗn hợp không đồng nhất
- Trong một hệ phân tán keo, các giọt nhỏ hay hạt nhỏ của một chất, chất phân tán, được phân tán trong một chất khác, môi trường phân tán
- Trong một hệ keo cao phân tử, các chất cao phân tử được phân tán trong một môi trường đồng nhất (môi trường phân tán)
Rất nhiều chất quen thuộc bao gồm cả bơ, sữa, kem sữa và các aerosol (thí dụ như sương mù, khói sương), khói xe, nhựa đường, mực, sơn đều là hệ keo
Các hạt phân tán trong một hệ keo có kích thước từ 0,001 đến 1 µm Một số tài liệu khác định nghĩa là các hạt keo có kích thước không nhìn được bằng kính hiển
vi điện tử thông thường, tức là hạt keo có kích thước lớn nhất vào khoảng 0,1 µm Các hệ phân tán với kích thước hạt phân tán nằm trong khoảng này gọi là aerosol keo, nhũ tương keo, bọt keo, huyền phù keo hay hệ phân tán keo
2.2Phân loại hệ keo :[6]
Thường các hệ keo được phân loại theo trạng thái vật lý của môi trường phân tán và của các hạt keo
Trang 29HVTH: Huỳnh Thủy Trúc
Ngoài ra, còn có cách phân biệt các hệ keo theo đặc tính tương tác giữa chất phân tán và môi trường phân tán : kỵ nước hay ưa nước
+ Kỵ nước : được đặc trưng bởi tương tác yếu giữa chất phân tán và môi trường phân tán, năng lượng bề mặt lớn Đây là dạng hệ keo phổ biến
+ Ưa nước : được đặc trưng bởi tương tác mạnh giữa chất phân tán và môi trường phân tán, làm giảm năng lượng bề mặt
2.3 Tương tác giữa những hạt keo :[6]
Các hạt keo thường có kích thước lớn nên không bị tác động bởi hiệu ứng lượng tử Mặc dù vậy, chúng đủ nhỏ để có thể bị tác động bởi các chuyển động nhiệt trong hệ keo
Các lực sau đây đóng vai trò quan trọng trong tương tác giữa các hạt keo :
+ Lực đẩy hạt rắn : các hạt keo thường là các chất rắn, vì thế hai hạt keo không thể ở gần nhau hơn là tổng số bán kính giữa chúng
+ Tương tác tĩnh điện : hạt keo có thể mang khả năng tích điện Lực tương tác Culomb tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng Mặc dù vậy, nếu có hạt phân tán tích điện ngược với hạt keo, chúng sẽ tích tụ chung quanh hạt keo và chắn các lực tương tác này
Chất phân tán
Khí Không có : tất cả các khí đều hòa tan được
Aerosol lỏng(khí dung)
Thí dụ : sương mù
Aerosol rắn Thí dụ : bụi, khói
xe Lỏng
Bọt Thí dụ :kem sữa đánh đặc
Nhũ tương Thí dụ : sữa, máu
Sol(dung dịch keo)
Gel Thí dụ : gelatin, mứt, phomat
Sol rắn (dung dịch keo rắn)
Thí dụ : thủy tinh ruby
Trang 30HVTH: Huỳnh Thủy Trúc
+ Lực Van der Waals: nếu chỉ số khúc xạ của các hạt keo khác với chỉ số khúc xạ của môi trường phân tán, chúng sẽ bị hút theo thế năng của lực Van der Waals tỉ lệ với r-6
+ Lực entropy : theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, một hệ thống có thể
đi đến trạng thái có entropy cực đại Điều này có thể dẫn đến các lực có hiệu quả ngay cả giữa những khối rắn
2.4 Độ bền hệ keo :[6]
Một hệ keo được gọi là bền khi các hạt keo không lắng xuống đáy của môi trường phân tán và không kết dính lại với nhau Oån định không gian và ổn định tĩnh điện là hai phương pháp chính để ổn định hệ keo Oån định tĩnh điện dựa trên lực đẩy tương tác giữa những phần tử có cùng điện tích Các thể khác nhau thường có tính hấp thụ điện khác nhau, vì thế mà tạo thành hai lớp tích điện trên mọi bề mặt Các hạt keo có kích thước nhỏ dẫn đến tỷ lệ bề mặt rất lớn (so với thể tích hạt keo) nên hiệu ứng này được tăng cường rất nhiều trong các hệ keo Trong một hệ keo bền, trọng lượng của chất phân tán rất nhỏ nên lực đẩy của chất lỏng hay động năng không đủ lớn để vượt qua được lực đẩy tĩnh điện giữa các lớp tích điện của môi trường phân tán Hệ keo có tích điện có thể quan sát bằng cách đưa hệ keo vào một điện trường: tất cả các hạt đều đi về cùng một điện cực, vì thế phải có cùng điện tích
Sự phá vỡ một hệ keo gọi là đông tụ hay keo tụ, có thể thực hiện bằng cách đun nóng hoặc cho thêm chất điện phân Đun nóng sẽ làm tăng vận tốc của các hạt keo, làm cho chúng có đủ năng lượng xuyên qua lớp cản và kết hợp lại với nhau
Vì được lặp lại nhiều lần, các hạt keo đủ lớn để lắng xuống Chất điện phân được thêm vào sẽ trung hòa các lớp ion trên bề mặt các hạt keo
Trang 31HVTH: Huỳnh Thủy Trúc
CHƯƠNG 3 : GIỚI THIỆU VỀ KEO HYDROXYT SẮT
3.1 Giới thiệu về keo hydroxyt sắt (II) :[2]
Sắt (II) hydroxyt có màu trắng đôi khi với sắc lục, khoáng vật amukinit, không bền nhiệt Dễ bị oxy hóa trong không khí, đặc biệt nhanh ở trạng thái ẩm, không tan trong nước, không phản ứng với hidrat amoniac Thể hiện tính lưỡng tính (trong đó tính bazơ trội hơn) : phản ứng với axit loãng, kiềm đặc Tan được nhờ tác dụng của amoni clorua, là chất khử điển hình
M= 89,86 ; d=3,4 ; pTt25=15,10
Sắt (II) hydroxyt là chất kết tủa xốp dạng đám mây, màu xanh nhạt, để ngoài không khí sẽ ngả màu vàng do bị oxy hóa thành sắt (III) hydroxyt Hợp chất trung gian là hỗn hợp của sắt (II,III) hydroxyt Trong môi trường xút, sắt (II) hydroxyt chuyển hóa thành natri hydroxo ferrat (II), Na2[Fe(OH)4] dạng tinh thể màu xanh lá cây
3.2 Giới thiệu về keo hydroxyt sắt (III):[3]
Trong tự nhiên, α-FeOOH là thành phần chính của quặng goethit còn γFeOOH có trong Lepido Croit Tinh thể α-FeOOH thuộc hệ trực thoi, có cấu trúc tinh thể tương tự diaspo, trong đó ion Fe3+ thay thế vị trí của ion Al3+ Tỷ trọng Fe(OH)2 + 2O2 + H2O Fe(OH)3
Trang 32-HVTH: Huỳnh Thủy Trúc
của goethit nằm trong khoảng 3,4 – 3,9 g/cm3, màu thay đổi từ vàng chanh đến đỏ đậm
Goethit có thể chứa nhiều nước hơn công thức hợp thức (Fe2O3.H2O), trong trường hợp này hợp chất được gọi là hydrogoethit Hàm lượng nước chứa trong hydrogoethit không vượt quá 13,8% khối lượng
Goethit và hydrogoethit mất nước trong khoảng nhiệt độ 220-4000C Goethit tự nhiên mất nước ở nhiệt độ cao hơn goethit tổng hợp Hydrogoethit không chỉ mất nước ở nhiệt độ thấp hơn mà còn dễ tan trong các acid vô cơ hơn goethit Hydrogoethit tan dễ dàng trong HCl và H3PO4 1 :1, trong khi đó goethit tan tốt trong HCl nhưng tan chậm trong H3PO4 1 :1
Ngoài ra còn có dạng thù hình β-FeOOH hình thành từ quá trình thủy phân chậm muối FeCl3
Limonit là một loại quặng sắt (quặng sắt nâu) quan trọng cho công nghệ luyện kim (hàm lượng sắt 30-60%) là hỗn hợp của goethit (chủ yếu) và lepidokrokit, có lẫn một lượng nhỏ sắt (III) hydroxyt gel
Sắt (III) hydroxyt hình thành qua quá trình thủy phân của muối sắt (III) với kiềm Sắt (III) hydroxyt vừa kết tủa có hoạt tính hấp phụ cao đối với nhiều tạp chất trong nước, ví dụ với arsen và một số các ion kim loại nặng
Trang 33
HVTH: Huỳnh Thủy Trúc
3.2.3 Cấu tạo mixen keo : [6,13]
Những hệ keo trong đó chất phân tán ở dạng rắn, môi trường phân tán là nước gọi là keo kị nước Ta có thể hình dung một hạt keo như sau :
- Tập hợp nhiều phân tử chất rắn không tan tạo thành nhân keo, các nhân keo hấp phụ chọn lọc các ion trong dung dịch làm cho bề mặt nhân keo tích điện (dấu điện tích tùy thuộc vào dấu điện tích của các ion bị hấp phụ, có thể là dương hoặc âm) Các ion bị hấp phụ liên kết khá chặt chẽ với bề mặt nhân keo tạo nên lớp ion tạo thế Lớp ion tạo thế tương tác tĩnh điện với ion tự do trong dung dịch Các ion đối dấu phân bố xung quanh bề mặt nhân keo tạo thành lớp ion khuếch tán Giá trị lớp ion tạo thế càng lớn thì số ion đối dấu càng nhiều Toàn bộ ba phần : nhân keo, lớp ion hấp phụ và lớp ion khuếch tán tạo nên mixen keo
Ví dụ : Khi đun nóng dung dịch sắt (III) clorua, có phản ứng thủy phân sau :
Sắt (III) hydroxyt là chất không tan trong nước, nó liên kết thành những nhân keo giả sử mỗi nhân gồm m phân tử, ta có Fe(OH)3 là nhân keo
Ngoài ra còn có các phản ứng sau :
Ngoài ra còn có sự phân li của các chất FeCl3, FeOCl, HCl tạo nên các ion
Fe3+, FeO+, Cl- và một lượng nhỏ H+ Nhân keo dễ dàng hấp phụ chọn lọc những ion Fe3+ và FeO+ (là những ion thành phần tạo nên nhân keo) Số ion bị hấp phụ giả thiết là nFeO+ (và cả Fe3+) Ion đối dấu là Cl- một phần liên kết chặt chẽ với ion tạo thế, chẳng hạn (n-x)Cl-, một phần ion đối khác, xCl-, phân bố xung quanh hạt keo tạo nên lớp ion khuếch tán Như vậy, một mixen keo sắt (III) hydroxyt có thể trình bày theo sơ đồ sau :
FeCl3 + 3H2O Fe(OH)3 + 3HCl
Fe(OH)3 + HCl FeOCl + 2H2O
Trang 34HVTH: Huỳnh Thủy Trúc
Hình 3.1 : Sơ đồ cấu tạo mixen keo Fe(OH)3Để biểu diễn mixen keo trên một cách ngắn gọn, thuận tiện, người ta viết dưới dạng công thức sau :
[mFe(OH)3.nFeO+.(n-x)Cl-].xCl-
- Nhân keo bao gồm m phân tử chất không tan, mFe(OH)3
- Nhân keo kết hợp với ion bị hấp phụ thành một thể thống nhất gọi là granul keo [mFe(OH)3.nFeO+.(n-x)Cl-]
- Granul và lớp ion khuếch tán (xCl-) tạo thành mixen keo
Như vậy khi vận động, granul chuyển động như một hạt duy nhất, không tách rời nên kích thước hạt keo chính là kích thước của granul Trái lại, các ion đối dấu ở lớp khuếch tán liên hệ lỏng lẻo với granul, có thể là “ion đối” của granul này hay “ion đối” của granul khác, tức là các ion ở lớp khuếch tán chuyển động tự do hơn so với các ion liên kết ở lớp hấp phụ
Trang 35HVTH: Huỳnh Thủy Trúc
Tóm lại cấu tạo một mixen keo bao gồm:
1 Nhân keo là tập hợp nhiều phần tử kị nước, có khả năng hấp phụ chọn lọc những ion đã tạo thành phần tử trong nhân keo (giá trị của m có thể hàng nghìn hoặc vài chục nghìn)
2 Lớp ion hấp phụ bao gồm:
- Lớp ion tạo thế liên kết chặt chẽ trên bề mặt nhân keo nhờ lực hấp phụ
- Một phần ion đối dấu liên kết với ion tạo thế bởi lực hút tĩnh điện và sắp xếp khá trật tự trên bề mặt nhân keo (tổng điện tích các ion này nhỏ hơn tổng điện tích của lớp ion tạo thế, tính theo giá trị tuyệt đối nghĩa là: (n-x) < n)
3 Các ion đối còn lại liên kết yếu với lớp hấp phụ và phân bố xung quanh granul Do đó giữa lớp hấp phụ và lớp khuếch tán có một ranh giới gọi là mặt trượt
3.2.4 Tính chất của hệ keo kỵ nước: [11]
Do có kích thước rất bé, các hạt keo tham gia vào chuyển động nhiệt cùng các phân tử nước và luôn ở trạng thái lơ lửng Trong quá trình chuyển động, các hạt keo chịu tác động đồng thời của hai lực đối nhau Lực hút phân tử Van der Waals có khuynh hướng kết hợp các hạt lại với nhau, nó có giá trị tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các hạt
Lực đẩy tĩnh điện có xu hướng ngăn cản sự kết hợp giữa các hạt keo tích điện cùng dấu và có giá trị biến thiên theo khoảng cách giữa chúng với quy luật hàm số mũ Giá trị của các lực theo khoảng cách giữa các hạt được biểu thị trên biểu đồ hình 3.2 Khi hai hạt keo xích lại gần nhau thì ban đầu lực đẩy tĩnh điện lớn hơn lực hút phân tử nên hợp lực tăng dần và đạt cực đại tại điểm cách giới hạn của hạt một khoảng cách nhất định Nếu các hạt keo có năng lượng động học lớn hơn lực đẩy tĩnh điện, thì chúng sẽ xích lại gần nhau hơn, lực hút phân tử giữa chúng sẽ tăng rất nhanh và các hạt dính kết được với nhau Trong thực tế việc
Trang 36HVTH: Huỳnh Thủy Trúc
tăng năng lượng động học của hạt keo rất khó thực hiện, nên phương pháp thông dụng là giảm lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt keo, nghĩa là giảm điện thế ζ của hạt keo Bằng thực nghiệm đã xác định được rằng điện thế ζ của hạt keo kỵ nước dao động trong giới hạn từ 0,05 đến 0,10V Để lực hút phân tử thắng được lực đẩy tĩnh điện thì điện thế ζ của hạt keo phải nhỏ hơn 0,03V và quá trình keo tụ đạt hiệu quả cực đại khi điện thế ζ bằng 0
Hình 3.2: Biểu đồ lực tương tác giữa hai hạt keo [6]
Trạng thái của hệ keo khi ζ = 0 gọi là trạng thái đẳng điện, còn trị số pH của nước có hệ keo ở trạng thái đẳng điện gọi là điểm đẳng điện của hệ Theo Deriagin, lực đẩy xuất hiện giữa hai hạt keo tích điện cùng dấu phụ thuộc vào trị số điện tích của hạt có điện tích bé hơn, các hạt mang điện tích bé và đẳng điện không những có khả năng kết hợp với nhau mà còn có khả năng kết hợp với các hạt mang điện tích của chất khác
3.2.5 Các đặc tính quan trọng của keo hydroxyt sắt (III): [4,6]
3.2.5.1 Kích thước hạt keo: [4]
Đối với hệ phân tán cao (keo điển hình) có kích thước hạt từ 1 đến 100 µm (từ 10-7 đến 10-5 cm)
Trang 37HVTH: Huỳnh Thủy Trúc
Các hạt keo có kích thước càng nhỏ thì diện tích bề mặt tiếp xúc riêng của chúng với môi trường càng lớn, do đó khả năng hấp phụ càng cao
Có thể dùng phương pháp Laser scattering particle size distribution analyzer ( máy phân tích sự phân bố kích thước của hạt phân tán bằng kỹ thuật laser ) để xác định kích thước hạt keo.[32]
3.2.5.2 Diện tích bề mặt: [13]
Một chất hấp phụ có diện tích bề mặt lớn sẽ có khả năng hấp phụ cao hơn so với so với chất hấp phụ cùng bản chất nhưng có diện tích bề mặt thấp hơn
Diện tích bề mặt của chất hấp phụ tăng theo độ phân tán, độ phân tán càng lớn thì diện tích bề mặt tính theo đơn vị khối lượng (diện tích riêng) càng cao Thí dụ một khối lập phương có các cạnh là 1 cm thì diện tích của nó là 6 cm2 , nếu chia nhỏ khối lập phương đó thành các khối lập phương có độ dài các cạnh là 0,1
cm sẽ nhận được một ngàn khối lập phương nhỏ, mỗi khối có diện tích 0,06 cm2và tổng diện tích khi đó là 60 cm2, nghĩa là diện tích tăng thêm 10 lần
Các chất rắn xốp có cấu trúc lổ rỗng, có bề mặt riêng rất lớn, thậm chí có thể đạt hàng nghìn m2/g như đối với than hoạt tính, silicagel…[12]
Một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của việc chế tạo chất hấp phụ là kiểm soát được độ xốp và phân bố độ xốp theo kích thước của chất hấp phụ
Diện tích bề mặt của vật liệu chính là tổng diện tích của các hạt nhỏ Ta có thể xác định diện tích bề mặt riêng theo phương trình hấp phụ BET
3.2.5.3 Tốc độ sa lắng của hạt keo: [11]
Trong dung dịch keo do hạt keo có kích thước nhất định, dẫn đến hạt keo có một khối lượng nào đó và chịu tác động của lực trọng trường gây cho hạt keo sự sa lắng
Sự khuếch tán và chuyển động Brown có khuynh hướng làm cho hạt keo phân bố đều trong thể tích hệ
Trang 38HVTH: Huỳnh Thủy Trúc
Khi có sự cân bằng giữa lực khuếch tán chuyển động Brown và sự sa lắng thì trong hệ keo có sự phân bố hạt keo trong hệ một cách ổn định
Nếu coi đặc trưng về lượng cho sự sa lắng là vận tốc dòng sa lắng vsl , còn đặc trưng về lượng cho sự khuếch tán và chuyển động Brown là vận tốc dòng khuếch tán vkt ta thấy:
+ Nếu vsl > vkt thì hạt keo bị sa lắng;
+ Nếu vsl < vkt thì hạt keo được phân bố đều trong thể tích của hệ;
+ Nếu vsl = vkt thì hệ nằm ở trạng thái cân bằng động học hoặc cân bằng sa lắng 3.2.5.4 Năng lượng bề mặt hạt keo: [11]
Trong môi trường nước, tất cả các chất rắn dạng huyền phù phần lớn là hạt vô cơ, có độ phân tán cao: hạt keo vô cơ, các loại sét, các oxyt hay hydroxyt kim loại với kích thước thường là 1-2 µm Những hạt huyền phù trong đó có thể đạt tới giá trị bề mặt riêng cỡ hàng trăm m2/g và năng lượng bề mặt khá lớn, có thể đạt đến
100 J/g
Trang 39HVTH: Huỳnh Thủy Trúc
CHƯƠNG 4: HỆ PHÂN TÁN 4.1 Chuyển động Brown: [4,6,11,13]
Chuyển động nhiệt của các hạt pha phân tán trong hệ keo cũng như các hệ vi
dị thể gọi là chuyển động Brown Chuyển động Brown diễn ra không ngừng, không phụ thuộc vào các nguồn năng lượng bên ngoài và chuyển động mạnh khi nhiệt độ càng cao
Hình 4.1: Chuyển động Brown của hạt keo Chuyển động Brown được giải thích: các phân tử của môi trường phân tán trong chuyển động nhiệt va chạm với các hạt keo một cách hỗn độn làm cho các hạt keo chuyển động Nếu hạt keo có kích thước đủ nhỏ thì các va chạm không đồng đều từ các hướng khác nhau của các phân tử môi trường, làm cho hạt nhân được các xung lực khác nhau và chuyển động theo một quỹ đạo xác định Khi kích thước và khối lượng hạt lớn làm tăng quán tính, xác suất triệt tiêu các va chạm tăng dẫn đến làm cho các hạt chỉ dao động quanh vị trí cân bằng hoặc đứng yên (không có chuyển động Brown) Các hạt keo nhận được một số va chạm cực lớn từ các phân tử môi trường nên nó thay đổi hướng và tốc độ liên tục tới 1020lần trong một giây Vì vậy ta không thể xác định được đường đi thực của hạt keo, nhưng dễ dàng xác định được khoảng cách trung bình mà hạt dịch chuyển trong một đơn vị thời gian Dưới kính hiển hoặc siêu hiển vi ta có thể đánh dấu được vị trí của hạt sau những khoảng thời gian bằng nhau Sự chuyển động của các hạt từ
Trang 40HVTH: Huỳnh Thủy Trúc
vị trí này sang vị trí khác có thể biểu thị bằng các đoạn thẳng là hình chiếu quỹ đạo chuyển động dích dắc của hạt trên mặt phẳng
Phương trình cơ bản do Eintein và Smoluchowski (1996) đưa ra là:
r
t T k r
t N
T R x
3
6
2
ηπη
∆ : độ dịch chuyển trung bình của hạt theo hướng x(m)
t: khoảng thời gian giữa hai lần đo (giây)
r: bán kính của hạt (m)
η: độ nhớt của chất lỏng (N.giây/m2)
N: số Avogadro
R: hằng số khí
T: nhiệt độ tuyệt đối
k: hằng số Boltzmann
4.2 Sự khuếch tán trong dung dịch keo: [4,6,13]
Khuếch tán là quá trình tự diễn biến trong hệ dưới tác dụng của chuyển động nhiệt để san bằng nồng độ của các phân tử, ion hoặc các hạt keo Sự khuếch tán là bất thuận nghịch nó diễn ra cho tới khi nồng độ được san bằng hoàn toàn Nghiã là khi entropi của hệ đạt giá trị cực đại
Khi có sự chênh lệch nồng độ theo một phương x nào đó, ta nói tồn tại một gradien nồng độ theo phương đó Nó chính là biến thiên nồng độ trên một đơn vị khoảng cách, nó quyết định tốc độ và hướng của quá trình khuếch tán
4.2.1 Định luật khuếch tán thứ nhất của Fick: [4,6,13]
Sự vận chuyển vật chất do sự khuếch tán về hình thức nó giống như truyền nhiệt hoặc truyền điện Xuất phát từ sự tương đồng đó, năm 1855 Fick đã đưa ra