Cấp thoát nước - Chương 2 ppt

1 Chương 2. KEO TỤ CẶN BẨN TRONG NƯỚC CH¦¥NG 2. KEO Tô CÆN BÈN TRONG N¦íC 2.1. Kh¸i niÖm chung. CÊu t¹o h¹t keo 2.2. C¸c ph−¬ng ph¸p keo tô 2.3. C¬ chÕ qu¸ tr×nh keo tô t¹o b«ng 2 2.1. Khái niệm chung 2.1.1. Cấu tạo hạt keo, tính bền của hạt keo a. Cấu tạo của hạt keo: Hạt keo có cấu tạo rất phức tạp: + ở giữa có nhân keo: là tập hợp hàng trăm hoặc hàng nghìn phân tử. + Lớp hấp phụ: đợc tạo ra do nhân keo có khả năng hấp phụ mạnh và hấp phụ chọn lọc những ion có trong thành phần nhân hạt keo. + Lớp đối ion: do nhân keo và lớp ion kề sát mang điện và hút những ion ngợc dấu bao quanh tạo ra (hạt keo). + Lớp khuếch tán: hạt keo còn hút những ion ngợc dấu ở xa hơn tạo ra Ví dụ: AgNO 3 + NaCl = AgCl + NaNO 3 .Tập hợp m phân tử AgCl tạo thành nhân keo. Giả sử trong dung dịch d ion Ag + , chúng sẽ tạo hạt keo dơng {m[AgCl] nAg + + (n x)NO 3 - } +x xNO 3 - Nhân keo Lớp hấp phụ Hạt keo Misen keo Khái niệm chung về hệ keo 3 Trong trạng thái tĩnh, misen keo trung hoà về điện (các ion của hạt Misen đợc trung hoà bởi các ion trái dấu của tầng khuyếch tán) Do chuyển động Brown 1 số ion tầng khuyếch tán tách khỏi hạt hạt keo trở nên có điện tích - thế nhiệt động trên bề mặt nhân keo - thế điện động trên bề mặt hạt keo của các ion lớp vỏ nhân (2 tầng) của các ion lớp khuyếch tán của các lớp ion kép (tầng hấp phụ) ( ) = ( ) = ( ) = Khái niệm chung về hệ keo Tầng hấp phụ Tầng khuyếch tán - thế nhiệt động trên bề mặt nhân keo - thế điện động trên bề mặt hạt keo Khái niệm chung về hệ keo = 0 = 0 4 Khái niệm chung về hệ keo b. Tính bền của hệ keo Độ bền của hệ keo phụ thuộc: bản chất phân tán, độ phân tán, dung môi, sự có mặt của các chất làm bền (chất hoạt động bề mặt), nồng độ hạt phân tán và nhiệt độ. c. Sự đồng tụ của keo và pepti hoá Sự đông tụ: là hiện tợng các hạt keo dính kết lại với nhau và tạo thành kết tủa. Do một nguyên nhân nào đó đẩy ion nghịch ở vỏ khuyếch tán đi vào lớp hấp phụ của hạt keo, làm giảm điện tích hạt keo, giảm lực đẩy, gây nên sự keo tụ. Sự pepti hoá: là quá trình ngợc lại với sự keo tụ. Xảy ra khi: + Các sản phẩm đông tụ tiếp xúc với dung dịch điện ly làm cho chúng khả năng tích điện lai, lực kết dính yếu đi, lực khuyếch tán tăng, dẫn tới sự phân bố lại các hạt keo và dung dịch keo. + Đa vào dung dịch chất hoạt động bề mặt. Tạo ra bề mặt hạt keo lớp sonvat, sau đó do chuyển động nhiệt các phân tử bị tách ra và tạo thành hệ keo. Khái niệm chung về hệ keo 2.1.2. Các tính chất của dung dịch keo * Tính chất quang học của dung dịch keo a. Thí nghiệm của Tyndall (năm 1896) Chiếu chùm tia sáng vào dung dịch keo ta thấy xuất hiện vùng ánh sáng mờ đục trong dung dịch keo có dạng hình nón. Hiện tợng này đợc gọi là hiệu ứng Tyndall. b. Nguyên nhân Do hạt keo có kích thớc hạt nhất định. Khi chiếu sáng các hạt keo sẽ khuyếch tán ánh sáng đi mọi phơng. Lúc này hạt keo trở thành nguồn sáng thứ cấp -điểm sáng. 5 Khái niệm chung về hệ keo * Chuyển động Brown của hạt keo Chuyển động Brown của các hạt keo là do chuyển động nhiệt của các phân tử dung môi gây nên chuyên động nhiệt của các hạt keo. Chuyển động của các phân tử môi trờng là hỗn loạn dẫn đến chuyển động của các hạt keo cũng luôn luôn thay đổi vận tốc và hớng. Chuyển động Brown có tác dụng làm cho hạt keo phân bố đồng đều trong thể tích. Khái niệm chung về hệ keo * Sự sa lắng của hạt keo Do hạt keo có một khối lợng nào đó nên sẽ chịu tác động của lực trọng trờng gây cho hạt keo sự sa lắng (v sl ). Còn chuyển động Brown làm cho hạt keo khuyếch tán đều trong thể tích hệ (v kt ). Khi có sự cân bằng giữa lực khuyếch tán và sự sa lắng thì trong hệ keo có sự phân bố hạt keo trong hệ một cách ổn định. Nhng vì một nguyên nhân nào đó mà: + v sl > v kt thì hạt keo bị sa lắng ; + v sl < v kt thì hạt keo đợc phân bố đều trong thể tích của hệ; + v sl = v kt: hệ nằm ở trạng thái cân bằng động học hay cân bằng sa lắng. 6 Tơng tác giữa các keo Các hạt keo chuyển động nhiệt trong nớc (chuyển động Brown) và có cùng dấu: + Đẩy nhau theo lực đẩy tĩnh điện + Hút nhau theo lực hút phân tử (Lực Van der Waals) Lực tổng hợp (xem hình vẽ) + ban đầu là lực đẩy + xích lại gần nhau hơn hợp lực là lực đẩy max. + Nếu các phân tử chuyển động nhanh, đạt động năng đủ lớn vợt qua đợc lực đẩy khoảng cách đủ nhỏ lực hút phân tử tăng nhanh dính kết với nhau Biểu đồ thể hiện Lực tơng tác Van der Waals Khái niệm chung về hệ keo * Hiện tợng điện di Khi đặt dung dịch keo vào trong điện trờng dới tác dụng của điện trờng hạt keo chuyển về phía của điện cực trái dấu, còn dung môi có chứa các ion ở lớp khuyếch tán chuyển về phía điện cực kia. Dới tác động của điện trờng, pha này chuyển động tơng đối với pha kia, điều này có nghĩa hai pha tích điện ngợc dấu nhau. Hiện tợng pha rắn dịch chuyển tơng đối với pha lỏng gọi là hiện tợng điện chuyển hay điện di. 7 Khái niệm chung về hệ keo 2.1.3. Phân loại dung dịch keo theo kích thớc a. Huyền phù: là hệ phân tán của chất rắn trong chất lỏng, kích thớc hạt rắn trong huyền phù là loại hạt thô (d > 10 -5 m). - Huyền phù là hệ hầu nh không khuyếch tán, dễ bị sa lắng, không khuyếch tán ánh sáng nh dung dịch keo. - Hệ này kém bền do tính bền động học của nó nhỏ. Muốn cho huyền phù bền ngời ta thờng thêm vào nó chất cao phân tử hay chất hoạt động bề mặt. b. Nhũ tơng: là hệ phân tán có phân tử phân tán là lỏng và dung môi là lỏng. - Nhũ tơng lỏng lỏng là hệ có hai pha có bản chất khác nhau. Nhũ tơng có loại long và đặc, giới hạn bởi phần trăm pha phân tán trong môi trờng phân tán. - Nhũ tơng là hệ dị thể không bền nhiệt động (đặc biệt là nhũ tơng đặc), muốn tăng thời gian sống của hệ phải đa vào trong hệ chất nhũ hoá thích hợp. c. Bọt: là những hệ phân tán rất thô và rất đậm đặc khí trong chất lỏng. - Bọt là một hệ rất kém bền. Về tính chất và cấu tạo các bọt khí rất giống với nhũ tơng đậm đặc cao. 2.2. Các phơng pháp keo tụ Các cặn bẩn trong nớc (hạt cát, sét, bùn sinh vật phù du, sản phẩm phân huỷ các chất hữu cơ,) có kích thớc nhỏ (< 10 -4 mm) thì khó tách khỏi nớc bằng phơng pháp lắng cơ học, chúng tồn tại ở trạng thái lơ lửng trong nớc, trong trạng thái cân bằng động. Cần những yếu tố bên ngoài tác động, phá vỡ trạng thái cân bằng đó, tạo điều kiện để các hạt cặn lơ lửng kết dính với nhau, tăng kích thớc và khối lợng của chúng dễ lắng xuống đáy hơn. Các phơng pháp tác động: - Nung nóng, làm lạnh, dùng các chất điện ly, sử dụng từ trờng, - Dùng các hoá chất nhằm tạo ra trong nớc hệ keo mới, mang điện tích ngợc dấu với hệ keo cặn bẩn trong nớc thiên nhiên và làm nhân tố keo tụ các hạt cặn bẩn lơ lửng (thờng đợc dùng). 8 Các hạt cặn lơ lửng trong nớc phần lớn thờng đều mang điện tích âm (cặn gốc silic, các hợp chất hữu cơ), một số mang điện tích dơng (hydroxit sắt, nhôm). Khi thế cân bằng điện động bị phá vỡ các hạt liên kết với nhau tạo thành các tổ hợp gọi là các hạt keo. Chúng có thể là keo háo nớc hoặc keo kỵ nớc. Keo háo nớc (a nớc): trên bề mặt chúng có 1 lớp màng thuỷ hoá, gồm các nhóm phân cực bề mặt hoà tan trong nớc (nh các nhóm hydroxyl OH - , COOH - ,). Các hạt keo này thờng mang điện tích không lớn và đông tụ dới tác dụng của các chất điện ly (ở dạng các ion ngợc dấu). Keo kỵ nớc (cặn bẩn trong nớc: bùn, sét, cát) đóng vai trò chủ yếu trong công nghệ xử lý nớc bằng chất keo tụ. 2.2. Các phơng pháp keo tụ 2.2. Các phơng pháp keo tụ (1). Tăng động năng hạt keo Có thể thực hiện đợc nhờ cách tăng nhiệt độ (khó thực hiện), khuấy trộn hay tạo dòng chảy xoắn ở trong công trình xử lý (thờng áp dụng, tuy nhiên không thể đạt đợc hiệu suất cao nếu chỉ áp dụng phơng pháp này). Việc tăng động năng của hạt keo làm cho chúng linh động hơn tăng số va chạm giữa các hạt keo trong dung dịch kích thớc các hạt keo tăng sa lắng 9 Các phơng pháp keo tụ (2) Giảm lực đẩy tĩnh điện và tăng lực hút Ion: - Đa vào nớc các hoá chất làm tăng nồng độ của chất điện ly trung tính (ví dụ nh NaCl), dẫn đến giảm độ dày của lớp điện tích kép (giảm ) làm giảm lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt tơng tác tổng cộng giữa các hạt keo bằng không, do đó sự tạp thành tổ hợp các hạt keo có thể xảy ra khi chúng va chạm, tiếp xúc với nhau. Quá trình keo tụ bằng chất điện ly có thể coi nh là một quá trình keo tụ tối u. Ngời ta đ xác định rằng khi sử dụng chất điện ly với các Ion có hoá trị càng lớn thì hiệu quả keo tụ càng cao và liều lợng chất điện ly càng giảm đi. Phơng pháp này đòi hỏi liều lợng chất keo tụ đa vào nớc phải rất chính xác. Nếu nồng độ các chất điện ly trong nớc vợt quá mức cần thiết sẽ gây ra quá trình tích điện trở lại đối với hạt keo, làm thế năng tăng lên và hiệu quả keo tụ giảm. Biện pháp này khó ứng dụng trong xử lý nớc. Tuy nhiên, ngời ta có thể quan sát hiện tợng keo tụ này ở vùng cửa sông chảy ra biển. Tại đó, do nồng độ muối cao, các hạt keo huyền phù bị keo tụ nhanh chóng, tạo ra sự lắng đọng trầm tích bồi cạn cửa sông. 2.2. Các phơng pháp keo tụ 10 Các phơng pháp keo tụ (3) Thay đổi pH: Thay đổi pH của môi trờng có thể làm thay đổi hay làm mất điện tích sơ cấp (điện tích ứng với điểm đẳng điện), do đó làm giảm hay triệt tiêu lực đẩy. Tuy nhiên, pH của nhiều loại hạt thờng thấp, ví dụ, đối với: + Sét: pH của điểm đẳng điện pH 0 = 5 + Mùn (humin): pH 0 = 3,5 - 4,5 + Protit: pH 0 = 3,5 - 4,2 + Silic SiO 2 : pH 0 = 2. Lực tác dụng lên hạt keo sau khi lớp điện tích kép bị nén (Compression of the Double Layer DLVO Theory) 2.2. Các phơng pháp keo tụ (4) Đa vào nớc hệ muối kim loại hoá trị III có thể thuỷ phân (phèn nhôm Al 2 (SO 4 ) 3 , phèn sắt FeCl 3 , Poly Alluminium Chlorid (PAC) ) - Phèn đợc phân ly thành các ion kim loại và Anion axit mạnh: Al 2 (SO 4 ) 3 2Al 3+ + 3SO 4 2- FeCl 3 Fe 3+ + 3Cl - Khi đó: (4a) Các ion kim loại (Al 3+ , Fe 3+ ) trung hoà các hạt keo trong nớc mang điện tích (-), làm giảm thế điện động keo liên kết lại tạo bông cặn. [...]... keo tụ nớc - Sulfat Nhôm Al2(SO4)3.18H2O: SX từ quặng Boxit, Nefelin, 1 số loại đất sét, - Sulfat Nhôm tinh chế: SX từ nhôm Al2O3 tác dụng với H2SO4 - Oxy Clorit Nhôm Al2(OH)5Cl: SX từ Al(OH)3 pha chế với HCl - Aluminat Natri NaAlO2 : SX từ Al2O3 hay Al(OH)3 + NaOH - Clorua sắt: FeCl3.6H2O : SX từ Fe + Cl2(ở 700oC) hoặc quặng sắt + Cl2 - Sulfat sắt II FeSO4.7H2O - Sulfat sắt III Fe2(SO4)3.2H2O: sản xuất... (t ) f 2 Ca 2 + t3 K i* + f 4 (P ) tp 21 Công trình pha chế, định lợng v dự trữ hoá chất Hoá chất (Phèn) 1- CT ho phèn 2- CT pha chế chuẩn bị dung dịch công tác 1 3- CT định lợng 2 4- CT trộn 3 4 5- CT phản ứng (keo tụ) 5 6 6- CT lắng 7- Lọc 22 Pha chế dung dịch hoá chất: - Ho phèn bằng thủ công; - - Ho phèn bằng thiết bị cơ khí, sục khí, dòng nớc tuần ho n - Tôi vôi - Pha dung dịch vôi sữa: - Pha... từ Fe2O3 + H2SO4 - Hỗn hợp (Fe2(SO4)3 + FeCl3): thu từ hỗn hợp (FeSO4.7H2O v Cl2) - Hỗn hợp FeCl3 + Al2(SO4)3 theo tỷ lệ 1 /1 hay 2 /1 13 Lợng phèn cần thiết theo h m lợng cặn của nớc nguồn H m lợng cặn của nớc nguồn, mg/l Lợng phèn Al2(SO4)3, mg/l đến 100 100 20 0 20 0 400 400 600 600 800 800 1000 1000 1400 1400 1800 1800 - 22 00 15 25 18 30 24 40 28 45 33 55 36 60 39 65 45 75 48 - 80... dụ: (1) + (3) + (4) + (5) 12 2 .2 Các phơng pháp keo tụ Một số hoá chất dùng trong keo tụ Sulfat Nhôm Al2(SO4)3.18H2O; Sulfat Nhôm tinh chế Oxy Clorit Nhôm: Al2(OH)5Cl Aluminat Natri: NaAlO2 Clorua sắt 3: FeCl3.6H2O Sulfat sắt 2: Fe SO4.7H2O Sulfat sắt 3: Fe2(SO4)3.2H2O Hỗn hợp (Fe2(SO4)3 + FeCl3) Hỗn hợp FeCl3 + Al2(SO4)3 Poly Allumminium Chloride PAC (PACN, PAC HAPI, ), 2. 2 Các phơng pháp keo tụ Một... tụ - Độ kiềm sau khi đa hoá chất v o nớc: Lp , mgđl/l K i* = K i0 tp tp ep Lp * 0 CO2 = CO 2 + 44 - CO2: , mg/l ep - pH: ( ) ( ) pH s = f1 (t ) f 2 Ca 2+ t 3 K i* + f 4 (P ) tp - Cặn lơ lửng: * 0 Cmax = Cmax + K L p + 0 ,25 .M , mg/l - K: hệ số, phèn nhôm/sắt loại A: K=1 phèn nhôm/sắt loại B: K = 1,1 - M: Độ m u (độ Cobalt) 20 Sự biến đổi chất lợng nớc sau khi đa hoá chất keo tụ v o trong nớc 2 Trờng... lắng xuống - (4a), (4b), (4c) - 3 loại bông cặn sinh ra trong quá trình keo tụ bằng phèn - (4a )- ít; (4c) - đa số, có tính quyết định đến hiệu suất keo tụ 11 2. 2 Các phơng pháp keo tụ Trên thực tế, khi cho phèn v o nớc, chúng bị thuỷ phân v tạo ra không chỉ Al(OH)3 hay Fe(OH)3 m còn tạo các phức Monomers v Polymers: - Monomers: Al3+, Al(OH )2+ , Al(OH )2+ , Al(OH)3, Al(OH) 4- - Polymers: Al2(OH )24 +, Al3(OH)45+,... đa hoá chất keo tụ v o trong nớc 2 Trờng hợp cần kiềm hoá theo yêu cầu keo tụ - Độ kiềm sau khi đa hoá chất v o nớc: L p Lk , mgđl/l K i* = K i0 + tp tp e p ek - CO2: - pH: L p Lk * 0 CO 2 = CO 2 + 44 e ek p ( , mg/l ) ( ) pH s = f1 (t ) f 2 Ca 2+ t 3 K i* + f 4 (P ) tp * 0 - Cặn lơ lửng: C max = C max + K L p + 0 ,25 M + Lk , mg/l (LK, ek: lợng kiềm v trọng lợng đơng lợng hợp chất kiềm đa v... tạo CO2 v tăng pH cao hơn - tạo cặn lắng 2. 3.3 Các yếu tố ảnh hởng đến hiệu quả quá trình keo tụ bằng phèn Mỗi loại phèn đều có một giá trị pH thích hợp để xảy ra keo tụ: - Phèn nhôm: pH 6,5 - 7,5 dễ áp dụng - Phèn sắt 2: pH > 8 đòi hỏi pH cao hơn - Phèn sắt 3: pH 5,5 - 9,5 dễ áp dụng 17 2. 3.3 Các yếu tố ảnh hởng đến hiệu quả quá trình keo tụ bằng phèn (2) Độ kiềm tự nhiên của nớc Độ kiềm ảnh hởng... Al(OH)3, Al(OH) 4- - Polymers: Al2(OH )24 +, Al3(OH)45+, Al13O4(OH )24 7+, Những phức n y mang điện tích dơng, có khả năng: - L m trung ho các điện tích sơ cấp mang điện (-) (cơ chế (4a); - Hấp phụ trên bề mặt chúng các hạt keo (cơ chế 4b); - Các sản phẩm thuỷ phân ho n to n l các Hydroxit kim loại kết tủa, tạo bông bẫy các hạt keo (cơ chế 4c) 2. 2 Các phơng pháp keo tụ (5) Đa v o trong nớc một chất Polymer... (PolyAcrylAmid): (CH2CHONH2)n - Chất keo tụ vô cơ: Axit Silic hoạt tính, Silicat Natri sản xuất từ thuỷ tinh lỏng (Na2O)m(SiO2)n đa v o trong nớc tạo các Anion tăng hiệu suất xử lý! 14 2. 3 Cơ chế của quá trình keo tụ 2. 3.1 Các giai đoạn của quá trình keo tụ: Gồm các giai đoạn sau: + Pha trộn các chất keo tụ với nớc + Thuỷ phân của phèn đồng thời phá huỷ độ bền vững của hệ keo tự nhiên + Hình th nh bông cặn 2. 3 . Fe 2 (SO 4 ) 3 .2H 2 O: sản xuất từ Fe 2 O 3 + H 2 SO 4 - Hỗn hợp (Fe 2 (SO 4 ) 3 + FeCl 3 ): thu từ hỗn hợp (FeSO 4 .7H 2 O và Cl 2 ) - Hỗn hợp FeCl 3 + Al 2 (SO 4 ) 3 theo tỷ lệ 1 /1 hay 2 /1 2. 2 hay 2 /1 2. 2. Các phơng pháp keo tụ 14 15 25 18 30 24 40 28 45 33 55 36 60 39 65 45 75 48 - 80 đến 100 100 20 0 20 0 400 400 600 600 800 800 1000 1000 1400 1400 1800 1800 - 22 00 Lợng. 1 Chương 2. KEO TỤ CẶN BẨN TRONG NƯỚC CH¦¥NG 2. KEO Tô CÆN BÈN TRONG N¦íC 2. 1. Kh¸i niÖm chung. CÊu t¹o h¹t keo 2. 2. C¸c ph−¬ng ph¸p keo tô 2. 3. C¬ chÕ qu¸ tr×nh keo tô t¹o b«ng 2 2.1. Khái