Tài liệu Báo cáo ứng dụng hóa keo trong lĩnh vực môi trường

Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TPHCM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC LỚP DH09HH ỨNG DỤNG HÓA KEO TRONG LĨNH VỰC MÔI TRƯỜNG NHÓM 4 GVHD Các thành viên MSSV Nguyễn Bảo Việt 1 Trần Ngọc Thảo 09139166 Đào Ngọc Duy 2 Trần Hoàng Phương 09139139 3 Hoàng Quang Tuấn 09139218 4 Đồng Thị Thương 09139179 5 Trương Nguyễn Đạt Thành 09139165 6 Liên Thanh Nhã 09139112 ~1~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 MỤC LỤC A KIẾN THỨC CHUNG VỀ HÓA KEO MỘT SỐ KHÁI NIỆM 3 3 HỆ KEO 4 TÍNH CHẤT HỆ KEO 5 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ HỆ KEO 5 SỰ KEO TỤ 6 B ỨNG DỤNG CỦA HÓA KEO TRONG LỈNH VỰC MÔI TRƯỜNG. 8 CÁC CHẤT KEO TỤ THƯỜNG DÙNG. 8 CÁC THIẾT BỊ VÀ CÔNG TRÌNH CỦA QUÁ TRÌNH KEO 14 CÁC PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ TRONG SỬ LÝ NƯỚC THẢI 16 MỘT SỐ QUY TRÌNH SỬ LÝ NƯỚC THẢI 19 ~2~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 A. KIẾN THỨC CHUNG VỀ HÓA KEO. 1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM. 1.1. Hệ phân tán - Một hệ thống phân tán gồm chất phân tán và môi trường phân tán. Chất phân tán và môi trường phân tán có thể ở trạng thái rắn, lỏng, khí. - Người ta chia hệ phân tán làm 2 loại + Hệ đồng thể: chất phân tán và pha phân tán cùng thể rắn, lỏng hoặc khí. + Hệ dị thể : chất phân tán và pha phân tán ở các trang thái khác nhau. 1.2. Phân loại hệ phân tán a. Phân loại dựa trên trạng thái tập hợp của các pha .  Nếu môi trường phân tán là rắn: Xerosol - Đó là hệ phân tán có môi trường phân tán là rắn. - Khi chất khí phân tán trong chất rắn tạo thành bọt rắn (vật chất dạng xốp). - Khi chất lỏng phân tán trong chất rắn tạo thành nhũ tương rắn (thuỷ ngân - trong chất đá). - Khi chất rất phân tán trong chất rắn tạo thành sol rắn như hợp kim, thuỷ - tinh màu...  Nếu môi trường phân tán là lỏng (L): Liosol - Đó là các hệ phân tán có môi trường phân tán là lỏng. - Hệ khí phân tán trong chất lỏng tạo thành bọt. Bọt được tạo thành khi có chất tạo bọt trong hệ. - Chất lỏng phân tán trong chất lỏng ta được nhũ tương. - Hệ phân tán rắn trong lỏng, tuỳ thuộc vào kích thước của hạt phân tán sẽ tạo thành dung dịch keo hoặc huyền phù.  Nếu môi trường phân tán là khí ( K): Aserosol - Đó là các hệ phân tán với môi trường phân tán là khí. - Khi chất phân tán là khí, ta có hỗn hợp khí. Hệ này là đồng thể, không tồn tại trạng thái keo. - Khi hệ là chất lỏng phân tán trong chất khí tạo thành sương mù, mây. - Khi hệ là chất rắn phân tán trong chất khí tạo thành khói, bụi b. Phân loại dựa trên mức độ liên kết giữa pha phân tán và môi trường phân tán - Hệ keo ghét lưu. Hệ gồm các hạt phân tán hầu như không liên kết với môi trường thì được gọi là hệ keo ghét lưu hoặc hệ keo ghét dung ~3~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 - - - - môi(lyophobe), nếu môi trường nước thì gọi là hệ keo ghét nước (hydrophobe). Hệ keo ghét lưu thường gặp là các hệ keo vô cơ trong nước. Ví dụ: các keo AgI, As2S3, keo kim loại, keo oxít kim loại… trong nước. Hệ keo ưa lưuHệ gồm các hạt phân tán liên kết chặt chẽ với môi trường của hệ được gọi là hệ keo ưa lưu hay hệ keo ưa dung môi (lyophile), nếu môi trường nước thì gọi là hệ keo ưa nước (hydrophile). c. Phân loại dựa trên trạng thái tập hợp của các pha Hệ phân tán thô: > 10-5 cm Hệ keo:10-5đến 10-7 cm Dung dịch: < 10-7 cm d. Phân loại theo sự đồng nhất Hệ đơn phân tán: đồng đều. Hệ đa phân tán: không đồng đều. 2. HỆ KEO. 2.1. Khái niệm Các hạt có kích thước lớn hơn phân tử và ion nhưng không đủ lớn để có thể quan sát được bằng kính hiển vi quang học được gọi là các hạt keo. Hạt keo là một hệ phức tạp tạo nên bởi một số lượng lớn khoảng từ 103 đến 105 nguyên tử, có khối lượng khoảng 104-109 đvC . Một hệ keo luôn luôn bao gồm các hạt keo gọi là chất phân tán và một chất làm môi trường phân tán . 2.2. Phân loại hệ keo Dựa trên trạng thái vật lý của hạt keo và môi trường phân tán Dựa vào hình dạng của hạt keo: dạng không gian 3 chiều giống như quả bóng, dạng không gian hai chiều giống như tấm phim, dạng không gian một chiều như sợi chỉ… 2.3. Cấu tạo hạt keo Nhân keo: là tinh thể ion rất nhỏ, hoặc một nhóm phân tử, hoặc chỉ có thể là một phân tử kích thước lớn Lớp ion tạo thế: lớp ion hấp phụ trên nhân keo Lớp ion hấp phụ: lớp ion nghịch Lớp ion khuếch tán Khảo sát quá trình hình thành keo AgI bằng cách người ta cho từ từ KI vào dung dịch AgNO3: AgNO3 + KI → KNO3 + Ag I Khi thiếu KI: Lúc này hạt keo tích điện dương. ~4~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 m (1 ) (1 ): (2 ): (3 ): (4 ): (2 ) (3 ) (4 ) n h a ân l ô ùp i o n q u y e á t ñ ò n h t h e á h i e ä u l ô ùp i o n n g h ò c h h a á p p h u ï l ô ùp i o n n g h ò c h k h u e á c h t a ù n - Khi thừa KI: Lúc này hạt keo tích điện âm 3. TÍNH CHẤT HỆ KEO. - Tính chất quang học của hệ phân tán: Sự phân tán ánh sáng của hệ keo.Sự hấp thụ ánh sáng của hệ keo. - Chất động học theo phân tử của hệ keo: Chuyển động Brown. Sự khuyếch tán trong dung dịch keo - Áp suất thẩm thấu của dung dịch keo. - Sự sa lắng trong hệ keo. - Chất điện của các hệ keo. 4. - - - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ HỆ KEO. Điều kiện hình thành hệ keo: Chất phân tán và môi trường phân tán không tan vào nhau hay tan rất ít Hạt keo phải có một lớp hấp phụ và có chất ổn định để giữ cho hệ keo không bị tách pha gây nên sự keo tụ. Chất ổn định thường sử dụng là chất hoạt động bề mặt hay bằng phản ứng hóa học để tạo ra chất ổn định . 4.1. Phương pháp phân tán Phương pháp siêu âm: Người dùng những bước sóng cực ngắn có tần số 20.000 → 50.000 Hz để bắn bể những hạt to thành những hạt nhỏ hơn Phương pháp hồ quang: Dùng một dòng điện có hiệu điện thế lớn để hóa hơi chất phân tán . Phương pháp keo tán: Đây là một quá trình ngược với quá trình keo tụ, tức là người ta dùng một nhân tố nào đó để phân tán khối keo tụ trở lại môi trường phân tán . 4.2. Phương pháp ngưng tụ Là quá trình ngưng tụ hệ keo là quá trình kết tinh từ dung dịch quá bão hòa. Quá trình này gồm 2 giai đoạn: ~5~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 + Giai đoạn tạo mầm tinh thể. + Giai đoạn phát triển mầm. a. Phương pháp vật lý . - Ngưng tụ trực tiếp: khi thay đổi các thông số trạng thái của hệ . - Sự thay thế dung môi: Cũng như trên khi thay đổi thông số trạng thái. b. Phương pháp hóa học . - Nhóm phương pháp hóa học này cũng dựa trên nguyên tắc tạo tướng mới bằng cách ngưng tụ các chất từ dung dịch quá bão hòa . 4.3. Tinh chế hệ keo.  Phương pháp thẩm tích . - - - -  Phương pháp điện thẩm tích. Phương pháp điện thẩm tích dùng một phương tiện để thúc đẩy quá trình trao đổi chất nhanh hơn bằng điện trường .  Phương pháp siêu lọc. 5. SỰ KEO TỤ Khi các yếu tố làm bền không có hoặc bị mất đi, hệ keo bị keo tụ. Các hệ keo có thể keo tụ dưới tác dụng của nhiều yếu tố như: thời gian, thay đổi nồng độ hạt phân tán, thay đổi nhiệt độ, tác dụng cơ học, chất điện ly… Ở đây chỉ nghiên cứu sự keo tụ bằng chất điện ly, vì điều đó có ý nghĩa lý thuyết và thực tế quan trọng. 5.1. Keo tụ keo ghét lưu bằng chất điện ly. Khi tăng nồng độ hoặc hoá trị của ion trong dung dịch, sẽ làm giảm bề dày lớp điện kép, làm giảm điện thế ζ của hạt. Khi thế điện động giảm đến cực tiểu hoặc khi ζ →0 thì lực đẩy của hạt giảm đến cực tiểu, lực hút trội trơn sự keo tụ sẽ xẩy ra. Các hạt sẽ sa lắng độc thân, nhưng thường kết dính, tập hợp lại và sa lắng. Đặc điểm: Các quy tắc keo tụ bằng chất điện ly. + Ion gây keo tụ có điện tích ngược dấu với ion keo. ~6~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 + Ngưỡng keo tụ tỷ lệ nghịch với hoá trị của ion gây keo tụ.(Ngưỡng keo tụ của chất điện ly đối với sự keo tụ là nồng độ tối thiểu của chấtđiện ly cần có trong hệ keo để hiện tượng keo tụ bắt đầu xuất hiện.) - Đối với ion gây keo tụ cùng hoá trị, ion nào hydrat hoá càng mạnh (bán kính hydratcàng lớn) cường độ điện trường của nó càng nhỏ, tác dụng gây keo tụ của nó càng kém. Đốivới các ion kim loại kiềm, tác dụng gây keo tụ của chúng tăng dần như sau: Li+, Na+, K+, Cs+ do bán kính hydrat của ion giảm dần theo dẫy đó. - Ví dụ: các hệ keo âm As2S3, AgI bị keo tụ bởi các ion Na+; Ca2+; Al3+;…, và các hệ keo dương Fe(OH)3, Al(OH)3 bị keo tụ bởi các ion Cl-; SO4. Chú ý: Thông thường thì sự keo tụ xảy ra như sau: tăng nồng đồ chất điện ly đến ngưỡng keotụ thì sự keo tụ bắt đầu xảy ra. Tiếp tục tăng nồng độ chất điện ly thì sự keo tụ cũng tiếp tụccho tới khi keo tụ hoàn toàn. Điều đó thường xảy ra khi keo tụ bằng các ion hóa trị thấp. Khi làm đông tụ keo bằng chất điện ly chứa ion gây keo tụ hóa trị cao (ví dụ: Al3+,Fe3+…) có thể gặp một hiện tượng khác như sau: sau khi làm keo tụ hoàn toàn, nếu tiếp tục thêm chất điện ly vào thì các hạt keo vốn đã đông tụ sẽ lại phân tán, trở thành một hệ keo mới mà hạt có điện tích ngược dấu với hạt keo ban đầu. Nếu lại tiếp tục thêm chất điện ly vào thì hệ keo mới lại đông tụ. Hiện tượng đó gọi là sự keo tụ bất thường: các vùng keo tụ xen kẽ với các vùng phân tán (trạng thái bền). 5.2. Sự keo tụ keo ghét lưu bằng hỗn hợp chất điện ly. - Đối với một hệ keo xác định, mỗi chất điện ly gây keo tụ có một ngưỡng keo tụ riêng biệt. Nếu dùng hỗn hợp của các chất điện ly gây keo tụ thì có 3 trường hợp khác nhau về ngưỡng keo tụ tổng hợp như sau: + Ở đây các ion gây keo tụ độc lập với nhau, không ảnh hưởng lẫn nhau. Đó là các iongiống nhau hoặc gần giống nhau (về điện tích, về bán kính hydrat của ion) như: Na+ với K+,Mg2+ và Ca2+, Cl- và Br-… Do đó ngưỡng keo tụ tổng hợp Cn bằng tổng các ngưỡng keo tụ Ci của mỗi chất điện ly với tỷ lệ đã sử dụng trong tổ hợp. + Tác dụng giảm khả năng gây keo tụ của các ion.Ở đây sẽ gặp các ion gây keo tụ có tính chất khác nhau (về hoá trị, về bán kính hydrat), chúng làm yếu khả năng gây đông tụ keo hay chúng đối kháng nhau. Ví dụ: sự đối kháng giữa Li+ và Mg2+, giữa Li+ và Ba2+. + Tác dụng tăng cường khả năng gây keo tụ của các chất điện ly. Trường hợp này ít xẩy ra giữa các ion vô cơ đơn giản, thường thấy xuất hiện với các ion phức, đặc biệt là hợp chất hữu cơ đa diện tích có mạch lớn. Có thể tính kỵ nước của gốc hydrocacbon lớn và kém phân cực đã gây nên hiện tượng ~7~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 này. Chút ít hợp chất hữu cơ đã tăng cường khả năng gây keo tụ cho các ion vô cơ, bằng cách làm cho tính kỵ nước ở bề mặt hạt keo tăng lên. 5.3. Sự keo tụ tương hỗ. - Sự keo tụ tương hỗ ở đây bao gồm sự keo tụ một hệ keo bằng một hệ keo có điện tích trái dấu hoặc một hệ keo ưa lưu hoặc một dung dịch chất bán keo. - Hai keo trái dấu: trộn 2 hệ keo có điện tích trái dấu có thể tạo nên sự keo tụ. Chính tương tác tính điện giữa chúng làm cho 2 keo trái dấu tập hợp và sa lắng nhanh hơn. B. ỨNG DỤNG CỦA HÓA KEO TRONG LỈNH VỰC MÔI TRƯỜNG. - Môi trường là lĩnh vực rất rộng. tuy nhiên, ứng dụng của hóa keo trong lĩnh vực này chủ yếu là sử lí nước thải sinh hoạt và công nghiệp. - Nguyên tắc chung của sử lý nước thải là làm giảm hoặc loại bỏ các chất hữu cơ, chất rắn, chất dinh dưỡng, sinh vật gây bệnh và các chất gây ô nhiễm khác từ nước thải. - Nguyên tắc của hóa keo trong sử lý nước thải là cho vào nước cần xử lí các chất phản ứng, để tạo ra các hạt keo có khả năng dính kết lại với nhau và dính kết các hạt cặn lơ lửng có trong nước, tạo thành các bông cặn lớn hơn có trọng lượng đáng kể. Do đó các bông cặn mới tạo thành dễ dàng lắng xuống ở bể lắng và bị giữ lại trong bể lọc. 1. CÁC CHẤT KEO TỤ THƯỜNG DÙNG. 1.1. Phèn nhôm sunfat: Al2(SO4)3.18H2O - Đây là chất keo tụ phổ biến nhất, đặc biệt là ở Việt Nam. Sản phẩm nhôm sunfat kỹỹ thuật có các chỉ têu và mức chấất lượng theo quỹ đ ịnh t ại b ảng d ưới đấỹ: Tên chỉ tiêu 1. Ngoại quan Mức chất lượng Dạng bột, màu hơi trắng ngà hoặc hơi vàng. 16 2. Hàm lượng nhôm oxyt Al2O3, %, không nhỏ hơn 0,001 3. Hàm lượng Acid Sunfuaric H2SO4, %, không lớn hơn 4. Hàm lượng chất không tan trong nước, %, không lớn hơn 0,3 - Cơ chế keo tụ của phèn nhôm: + Khi dùng phèn nhôm làm chất keo tụ sẽ xảy ra phản ứng thuỷ phân: Al2(SO4)3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 6 H+ +3SO42+ Khi độ kiềm của nước thấp, cần kiềm hóa nước bằng NaOH. Liều lượng chất kiềm hóa tính theo công thức: ~8~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 Pk = e1 (Pp / e2 – Kt + 1) 100/c (mg/l) Trong đó: Pk : Hàm lượng chất kiềm hóa (mg/l) Pp : Hàm lượng phèn cần thiết dùng để keo tụ ( mg/l) e1, e2 : Trọng lượng đương lượng của chất kiềm hóa và của phèn, ( mg/mgđl ) với e1 = 40 ( NaOH ) ; e2 = 57 ( Al2(SO4)3 ) + Liêều lượng phèn nhôm để xử lý nước đục lấấỹ theo TCXD – 33 :1985 nh ư sau: Hàm lượng cặn của nước Liều lượng phèn nhôm Al2(SO4)3 nguồn ( mg/l) không chứa nước (mg/l) đến 100 25 - 35 101 - 200 30 – 45 201 - 400 40 – 60 401 - 600 45 – 70 601 - 800 55 - 80 801 - 1000 60 – 90 1401 - 1800 75 -115 1801 - 2200 80 – 125 2201 - 2500 90 - 130 - Khi sử dụng phèn nhôm cần lưu ý : + pH hiệu quả tốt nhất với phèn nhôm là khoảng 5,5 – 7,5 + Nhiệt độ của nước thích hợp khoảng 20 – 40oC. + Ngoài ra, cần chú ý đến : các thành phần ion có trong nước, các hợp chất hữu cơ, liều lượng phèn, điều kiện khuấy trộn, môi trường phản ứng… - Ưu điểm của phèn nhôm : + Về mặt năng lực keo tụ ion nhôm (và cả sắt(III)), nhờ điện tích 3+, có nănglực keo tụ thuộc loại cao nhất (quy tắc Shulz-Hardy) trong số các loại muối ít độc hại mà loài người biết. + Muối nhôm ít độc, sẵn có trên thị trường và khá rẻ. ~9~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 + Công nghệ keo tụ bằng phèn nhôm là công nghệ tương đối đơn giản, dễ kiểmsoát, phổ biến rộng rãi. - Nhược điểm của phèn nhôm: + Làm giảm đáng kể độ pH, phải dùng NaOH để hiệu chỉnh lại độ pH dẫn đến chi phí sản xuất tăng. + Khi quá liều lượng cần thiết thì hiện tượng keo tụ bị phá huỷ làm nước đục trở lại. + Phải dùng thêm một số phụ gia trợ keo tụ và trợ lắng. + Hàm lượng Al dư trong nước > so với khi dùng chất keo tụ khác và có thể lớn hơn tiêu chuẩn với (0,2mg/lit). + Khả năng loại bỏ các chất hữu cơ tan và ko tan cùng các kim loại nặng thường hạn chế. + Ngoài ra, có thể làm tăng lượng SO42- trong nước thải sau xử lí là loại có độc tính đối với vi sinh vật. 1.2. Phèn sắt : Fe2(SO4)3.nH2O hoặc FeCl3.nH2O (n = 1 – 6) - Muối sắt chưa phổ biến ở Việt Nam nhưng rất phổ biến ở các nước công nghiệp. Hoá học của muối sắt tương tự như muối nhôm nghĩa là khi thuỷ phân sẽ tạo axit, vì vậy cần đủ độ kiềm để giữ pH không đổi. Fe3+ + 3H2O = Fe(OH)3 + 3H+ - Phèn sắt (III) khi thuỷ phân ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ.Vùng pH tối ưu:59 So sánh keo của phèn nhôm và phèn sắt được tạo thành cho thấy: + Độ hoà tan của keo Fe(OH)3 trong nước nhỏ hơn Al(OH)3 + Tỉ trọng của Fe(OH)3 = 1,5 Al(OH)3 ( trọng lượng đơn vị của Al(OH)3 = 2,4 còn của Fe(OH)3 = 3,6 ) do vậy keo sắt tạo thành vẫn lắng được khi trong nước có ít chất huyền phù. - Ưu điểm của phèn sắt so với phèn nhôm: + Liều lượng phèn sắt(III) dùng để kết tủa chỉ bằng 1/3 – 1/2 liều lượng phèn nhôm. + Phèn sắt ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ và giới hạn pH rộng. - Nhược điểm của phèn sắt(III) là ăn mòn đường ống mạnh hơn phèn nhôm ( vì trong quá trình phản ứng tạo ra axit). ~ 10 ~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 - Ở nước ta, người ta vẫn quen dùng phèn nhôm. Để khắc phục nhược điểm của mỗi loại có thể dùng kết hợp cả phèn sắt và phèn nhôm tương ứng là 1: 1 hoặc 2 : 1. Kết tủa hỗn hợp thích hợp nhất vào mùa lạnh. - Lưu ý: Trên thực tế, việc lựa chọn loại phèn, tính toán liều lượng phèn và liều lượng chất kiềm hoá cần phải được xác định bằng thực nghiệm. Các muối phèn đưa vào xử lý nước là dạng dung dịch. 1.3. Poly Aluminium Chloride: ( PAC) - Một trong những chất keo tụ thế hệ mới, tồn tại dưới dạng polime vô cơ là poli nhôm clorua (polime aluminium chloride), thường viết tắt là PAC (hoặc PACl). Hiện nay, ở các nước tiên tiến, người ta đã sản xuất PAC với lượng lớn và sử dụng rộng rãi để thay thế phèn nhôm sunfat trong xử lý nước sinh hoạt và đặc biệt là xử lí nước thải. - Tính chất: PAC có công thức tổng quát là [Al2(OH)nCl6.nxH2O]m (trong đó m <=10, n<= 5). PAC thương mại ở dạng bột thô màu vàng nhạt hoặc vàng đậm, dễ tan trong nước và kèm tỏa nhiệt, dung dịch trong suốt, có tác dụng khá mạnh về tính hút thấm. - PAC có nhiều ưu điểm so với phèn nhôm sunfat và các loại phèn vô cơ khác: + Hiệu quả keo tụ và lắng trong > 4-5 lần. Tan trong nước tốt, nhanh hơn nhiều, ít làm biến động độ pH của nước nên ko phải dùng NaOH để xử lí và do đó ít ăn mòn thiết bị hơn. + Không làm đục nước khi dùng thừa hoặc thiếu. + Không cần (hoặc dùng rất ít) phụ gia trợ keo tụ và trợ lắng. + [Al] dư trong nước < so với khi dùng phèn nhôm sunfat. + Khả năng loại bỏ các chất hữu cơ tan và không tan cùng các kim loại nặng tốt hơn. + Không làm phát sinh hàm lượng SO42- trong nước thải sau xử lí là loại có độc tính đối với vi sinh vật. - Cơ chế tác dụng của PAC: + Thông thường khi keo tụ chúng ta hay dùng muối clorua hoặc sunfat của Al(III) hoặc Fe(III). Khi đó, do phân li và thuỷ phân ta có các hạt trong nước: Al3+, Al(OH)2+, Al(OH) phân tử và Al(OH)4-, ba hạt polime: Al2(OH)24+, ~ 11 ~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 Al3(OH)45+, Al13O4(OH)247+ và Al(OH)3rắn. Trong đó Al13O4(OH)247+ gọi tắt là Al13 là tác nhân gây keo tụ chính và tốt nhất. + Với Fe(III) ta có các hạt: Fe3+, Fe(OH)2+, Fe(OH) phân tử và Fe(OH)4-, ba hạt polime: Fe2(OH)24+, Fe3(OH)45+ và Fe(OH)3 rắn. + Trong công nghệ xử lí nước thông thường, nhất là nước tự nhiên với pH xung quanh 7 quá trình thuỷ phân xảy ra rất nhanh, tính bằng micro giây, khi đó hạt Al3+ nhanh chóng chuyển thành các hạt polime rồi hydroxit nhôm trong thời gian nhỏ hơn giây mà không kịp thực hiện chức năng của chất keo tụ là trung hoà điện tích trái dấu của các hạt cặn lơ lửng cần xử lý để làm chúng keo tụ. + Khi sử dụng PAC quá trình hoà tan sẽ tạo các hạt polime Al13, với điện tích vượt trội (7+), các hạt polime này trung hoà điện tích hạt keo và gây keo tụ rất mạnh, ngoài ra tốc độ thuỷ phân của chúng cũng chậm hơn Al3+ rất nhiều, điều này tăng thời gian tồn tại của chúng trong nước nghĩa là tăng khả năng tácdụng của chúng lên các hạt keo cần xử lí, giảm thiểu chi phí hoá chất. Ngoài ra, vùng pH hoạt động của PAC cũng lớn gấp hơn 2 lần so với phèn, điều này làm cho việc keo tụ bằng PAC dễ áp dụng hơn. Hơn nữa, do kích thước hạt polime lớn hơn nhiều so với Al3+ (cỡ 2 nm so với nhỏ hơn 0,1 nm) nên bông cặn hình thành cũng to và chắc hơn, thuận lợi cho quá trình lắng tiếp theo. - Cơ chế hình thành Al13:Trong nước Al3+ có số phối trí 4 và 6, khi đó khả năng tồn tại dưới dạng tứ diện Al(OH)4- hay còn gọi là tếbào T4, hoặc bát diện Al(OH)_4(H_2O)2- Tế bào T4 này là mầm để hình thành cái gọi là cấu trúc Keggin với tâm là tế bàoT4 và 12 bát diện bám xung quanh, khi đó ta có cấu trúc ứng với công thứcAl12AlO4(OH)247+. Người ta cho rằng khi cho kiềm vào dung dịch Al3+, khi ion Al3+ tiếp xúc với các giọt kiềm thì đó là lúc hình thành các tế bào T4. Tiếptheo các bát diện vây quanh T4 tạo Al13, như vậy có thể coi bước tạo T4 là bướcquyết định trong công nghệ chế tạo Al13 thành phần chính của PAC. - Phương pháp sử dụng: 1. Sản phẩm dạng lỏng có thể sử dụng trực tiếp hoặc loãng đi 10 lần rồi mới sử dụng, dạng đặc phải loãng đi thành ra dung dịch 5 – 10% mới sử dụng, như thế mới dung hòa đều, hiệu quả mới tốt. 2. Dung dịch đã làm loãng tốt nhất phải sử dụng hết trong 4 – 8 giờ. ~ 12 ~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 3. Số lượng sử dụng phải căn cứ theo chất lượng và độ trong suốt của nước và thiết bị.Làm sạch nước bình thường sử dụng dạng đặc là khoảng một phần mười ngàn ( 1kg nước sử dụng 0,01g). Độ đục nước 30-100 Số lượng 2.5 ppm 100-250 250-400 400-1000 1000 - 5000 > 5000 3.44 4.5 6.2 12.5 20 Trên thực tế, việc lựa chọn các loại phèn, các hóa chất keo tụ, việc tính toán lượng đưa vào xử lý cần được xác định bằng thực nghiệm. 1.4. FAC - Hóa chất FAC (Ferous Aluminum Sulphat Compounds) là hổn hợp phèn nhôm sắt hỗn hợp tỷ lệ 56% ở dạng khan dễ hòa tan và dễ sử dụng.] - FAC có nhiều ưu điểm so với PAC đối với quá trình keo tụ trong: + Hiê êu quả lắng trong cao hơn 3 – 5 lần, thời gian keo tụ nhanh. + Ít làm biến đô nê g pH của nước, không dùng hoă êc dùng ít chất hổ trợ. + Dễ sử dụng: không cần thiết bị và thao tác phức tạp, không bị đục khi dùng thiếu hoă cê thừa phèn. + Có khả năng loại bỏ các tạp chất hữu cơ tan và không tan cùng kim loại nă nê g (kể cả ion Al3+ tự do) tốt hơn phèn sulfat. - Thành phần và đă cê tính: + FAC dạng rắn: Dạng bô êt màu trắng ngà ánh vàng, tan hoàn toàn trong nước. Kim loại nă nê g thấp hơn mức cho phép pH (dung dịch 10 % ) 4.2 ~ 4.4 Tỷ trọng khối (kg/dm3) 0.90 ~ 0.95 Thời gian sử dụng: Ở điều kiê ên bảo quản thông thường (bao kín, để nơi khô ráo, nhiê êt đô ê phòng) có thể lưu giữ lâu dài. Cách dùng : Pha FAC bô êt thành dung dịch 12 % hoă êc 15 % bằng nước trong, cho lượng dung dịch tương ứng với lượng chất keo tụ cần thiết vào nước cần xử lý, khuấy đều và để lắng trong. + FAC dạng lỏng: Chất lỏng màu vàng nâu, có 02 mức về hàm lượng chất keo tụ (qui ra % AL2O3 (%) & Fe2O3 là 56 % ± 1 Đựng trong can nhựa hoặc bồn chứa, có thể bào quản lâu dài. ~ 13 ~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 Dùng trực tiếp, dễ chia liều lượng (đong hoă êc đếm giọt) Thời gian sử dụng: Ở điều kiê ên bảo quản thông thường (bồn kín, để nơi khô ráo, nhiê êt đô ê phòng) có thể lưu giữ lâu dài. Cách dùng : FAC dạng lỏng cho lượng dung dịch tương ứng với lượng chất keo tụ cần thiết vào nước cần xử lý, khuấy đều và để lắng trong. 2. CÁC THIẾT BỊ VÀ CÔNG TRÌNH CỦA QUÁ TRÌNH KEO - Các công trình chuẩn bị dung dịch phèn:(định liều lượng phèn): bao gồm: Thùng hoà trộn, thùng tiêu thụ, thiết bị định liều lượng chất phản ứng. - Các công trình trộn đều dung dịch chất phản ứng với nguồn: ống trộn, bể trộn. - Các công trình tạo điều kiện cho phản ứng tạo bông lắng xảy ra hoàn toàn: ngăn phản ứng bể phản ứng. 2.1. Một số sơ đồ bố trí các công trình chuẩn bị phèn.  Đối với công trình có công suất xử lý nhỏ:  Đối với công trình xử lý có công suất lớn: ~ 14 ~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4  Đối với công trình xử lý nước có công suất vừa và lớn: 2.2. Bể hoà trộn phèn: - Nhiệm vụ lắng cặn, hoà tan phèn cục. - Nồng độ dung dịch phèn trong bể là 10-17% - Dùng khí nén hoặc cánh khuấy hoà tan phèn  Vật liệu: gỗ, nhựa hoặc bê tông.  ¾ Cánh khuấy: kiểu phẳng có số vòng quay là 20-30vòng/phút, số cánh huấy nhỏ  nhất là 2 cánh.  ¾ Chiều dài cánh l cánh = (0.4 – 0.45)Bb. ~ 15 ~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 ¾ Diện tích bản: S bản = 0.1 –0.2 (m 2 /m 3 diện tích bể). - 2.3. Bể tiêu thụ: Nhiệm vụ pha loãng Nồng độ phèn 4 –10%. Dùng không khí nén hoặc máy khuấy, cường độ sục 3 –5 l/s.m 2 Đáy có độ nghiêng i = 0.005 về phía ống xã. Đường kính ống xả có d > 100 mm. Dung tích bể : - bt :nồng độ dung dịch phèn trong thùng hoà trộn 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ TRONG SỬ LÝ NƯỚC THẢI. 3.1. Phương pháp keo tụ tạo bông. - Đối với hệ phân tán có diện tích bề mặt riêng lớn (bụi trong không khí, bùn, phù sa trong nước...) các hạt luôn có xu hướng co cụm lại tạo hạt lớn hơn để giảm năng lượng bề mặt (tương tự hiện tượng giọt nước, giọt thủy ngân luôn tự vo tròn để giảm diện tích bề mặt). ~ 16 ~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 - Về nguyên tắc do độ phân tán lớn, diện tích bề mặt riêng lớn, hạt keo có xu thế hút nhau nhờ các lực bề mặt. Mặt khác, do các hạt keo cùng loại nên các hạt keo luôn tích điện cùng dấu (đặc trưng bởi thế zeta) nên các hạt keo tụ luôn đẩy nhau bởi lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt cùng dấu theo định luật Culong, xu hướng này làm hạt keo không thể hút nhau để tạo hạt lớn hơn và lắng càng xuống nhờ trọng lực như những hạt không tích điện. Như vậy, thế càng lớn (hạt keo càng tích điện) thì hệ keo càng bền (khó kết tủa). Trường hợp lý tưởng: nếu thế điện phẳng (zeta = 0 ), thì hạt keo biến thành cấu tạo tụ điện phẳng, hạt sẽ không khác gì các hạt không tích điện nên dễ dàng hút nhau để tạo hạt lớn hơn có thể lắng được. Đây là cơ sở khoa học của phương pháp keo tụ. Hiện tượng các hạt keo cùng loại có thể hút nhau tạo thành những tập hợp hạt có kích thước và khối lượng đủ lớn để có thể lắng xuống do trọng lực trong thời gian đủ ngắn được gọi là hiện tượng keo tụ. Hiện tượng xảy ra khi thế được triệt tiêu. Hiện tượng keo tụ có tính thuận này xảy ra khi thế nghịch nghĩa là hạt keo đã keo tụ lại có thể tích điện trở lại và trở nên bền. Các hoá chất gây keo tụ thường là các loại muối vô cơ và được gọi là chất keo tụ. - Một cách khác làm các hạt keo co cụm thành bông cặn lớn dễ lắng là dùng các tác nhân thích hợp “khâu”chúng lại thành các hạt lớn hơn đủ lớn, nặng để lắng. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng tạo bông được thực hiện nhờ những phân tử các chất cao phân tử tan trong nước và có ái lực tốt với các hạt keo hoặc các hạt cặn nhỏ. Khác với keo tụ có tính thuận nghịch, các chất có ~ 17 ~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 khả năng tạo bông được gọi là các chất tạo bông hay trợ keo tụ, quá trình tạo bông là bất thuận nghịch. - Như vậy để kết tủa hệ keo ta có thể sử dụng các cách sau đây: + Phá tính bền của hệ keo (do lực đẩy tĩnh điện) bằng cách thu hẹp lớp điện kép tới mức thế zeta = 0, khi đó lực đẩy tĩnh điện hạt – hạt bằng không, tạo điều kiện cho các hạt keo hút nhau bằng các lực bề mặt tạo hạt lớn hơn dễ kết tủa. Cách này có thể thực hiện khi cho hạt keo hấp phụ đủ điện tích trái dấu để trung hoà điện tích hạt keo. Điện tích trái dấu này thường là các hạt ion đa hoá trị. + Tạo điều kiện cho các hạt keo va chạm với các bông kết tủa của chính chất keo tụ nhờ hiện tượng bám dính ( hiệu ứng quét). + Dùng những chất cao phân tử – trợ keo tụ để hấp phụ “khâu” các hạt nhỏ lại với nhau tạo hạt kích thước lớn (gọi là bông hay bông cặn) dễ lắng. 3.2. Phương pháp keo tụ điện hóa - Keo tụ điện hóa là một phương pháp điện hóa trong sử lý nước thải. trong đó dưới tác dụng của các điện cực dương (thường sử dụng là nhom hoặt săt) sẻ bị ăn mòn và giải phóng các chất có khả năng keo tụ (AL3+,Fe3+) vào trong môi trường nước thải, kèm theo đó là các phản ứng điện phân sẻ tạo ra các bọt khí ở cực âm. - Đặc điểm + Dòng điện một chiều + Điện cực dương là kim loại hòa tan có khả năng tạo chất keo tụ + Tùy vào PH mà chon kim loại làm điện cực dương thích hợp ~ 18 ~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 + Thời gian lưu của nước, hiệu điện thế, cường độ dòng điện và hiệu suất vận hành của bể có quan hệ rất chặt chẻ với nhau. + Hệ thống điện cực được đặt ngâm trong nước thải, để đảm bảo tính tiếp xúc giữa các bọt khí và chất ô nhiễm là tốt nhất. + Bể có thể hoạt động lien tục hoặt theo mẻ 4. MỘT SỐ QUY TRÌNH SỬ LÝ NƯỚC THẢI. 4.1. quy trình sử lý nước thải rỉ rác. 4.2. quy trình sử lý nước thải công nghiệp ~ 19 ~ Hóa lý- DH09HH- nhóm 4 4.3. sử lý nước thải sinh hoạt o ~ 20 ~