Dây chuyền xử lý nước của công ty TNHH một thành viên cấp thoát nước Bắc Giang

Nước là một yếu tố không thể thiếu được của cuộc sống, nước cần thiết không những đối với con người, mà còn đối với động vật và thực vật. Ngày nay, nước được thừa nhận như một tài nguyên chiến lược và là một trong những nguồn tài nguyên của trái đất, đảm bảo sự an toàn thực phẩm, duy trì cân bằng hệ sinh thái và đảm bảo sự hoạt động của con người trong một thế giới đầy biến động

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn

PGS – TS Nguyễn Văn Nội người trực tiếp giao đề tài và tận tình hướng

dẫn tôi trong suốt thời gian làm khoá luận Thầy đã chỉ ra hướng giải quyếtcũng như cung cấp tài liệu để tôi hoàn thành được bản khoá luận này

Qua đây tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa HoáTrường Đại Học Khoa học Tự Nhiên Hà nội, cùng các Thầy Cô giáo trườngCao Đẳng Hoá Chất – Phú Thọ đã trực tiếp giảng dậy, trang bị cho tôi kiếnthức trong những năm tháng học tập tại trường để hôm nay tôi có thể hoànthành bản khoá luận tốt nghiệp này của mình

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn các Anh, Chị phòng phân tíchcủa Nhà máy nước thuộc Công ty TNHH một thành viên Cấp Thoát NướcBắc Giang, các bạn đồng nghiệp đã cùng tôi trao đổi, đóng góp ý kiến vàgiúp đỡ tôi trong quá trình làm khoá luận

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên : Nguyễn Trung Đặng

MỤC LỤC Trang

PH N 1: T NG QUAN Ầ Ổ 5

1.1 CH T L Ấ ƯỢ NG N ƯỚ 5 C 1.1.1 Các chỉ tiêu hoá lý 5

1.1.1 1 Nhiệt độ (OC) .5

1.1.1 2 Hàm lượng cặn không tan (mg/l) 6

1.1.1 3 Độ màu của nước .6

1.1.1 4 Mùi vị của nước .6

1.1.2 Các chỉ tiêu hoá học 6

1.1.2.1 Hàm lượng cặn toàn phần (mg/l) .6

1.1.2 2 Độ cứng của nước .7

1.1.2.3 Độ pH của nước 7

1.1.2.4 Độ kiềm của nước (mg/l) .7

1.1.2 5 Độ ôxy hoá KMnO4 ( mg/l) 8

1.1.2 6 Hàm lượng sắt ( mg/l ) .8

1.1.2 7 Các hợp chất của axít silíc (mg/l) 8

1.1.2 8 Các hợp chất chứa nitơ (mg/l) .8

1.1.2 9 Chất khí hoà tan (mg/l) 9

1.1.3 Chỉ tiêu về vi trùng 9

1.2 CÁC PH ƯƠ NG PHÁP X LÝ N Ử ƯỚ C 9

1.2.1 Các biện pháp xử lý cơ bản 9

1.2.2 Xử lý nước bằng phương pháp đông keo tụ 10

1.2.2 2 Lý thuyết về phương pháp đông keo tụ 12

1.2.2.3 Các phương pháp đông keo tụ 17

a -Sự thuỷ phân của phèn 20

b.Sự keo tụ do phèn tạo ra 21

2.1.D ng c và hoá ch t ụ ụ ấ 24

2.3 kh o sát quá trình i u ch dung d ch phèn nhôm ả đ ề ế ị 27

2.3.1 nguyên liệu .27

a -M c ích : ụ đ 28

b -Nguyên t c ắ 28

c -Cách ti n h nh : ế à 28

PH N III K T QU VÀ TH O LU N Ầ Ế Ả Ả Ậ 33

Chỉ tiêu phân tích 33

Kết quả phân tích 33

3.2 D ki n xây d ng công ngh s n xu t phèn nhôm ự ế ự ệ ả ấ 34

3.2.1.Tính cân bằng vật chất .34

3.2.2 Chỉ tiêu nguyên liệu 34

a - X nhôm ỉ 34

b - Axít sunfuric (H2S04) 34

3.2.3 Chỉ tiêu ngâm chiết 35

3.2.4 Chỉ tiêu khâu lắng 35

3.2.5 Thao tác ngâm chiết 35

3.2.6 Chất lượng sản phẩm 36

a - D ng dung d ch ạ ị 36

b - D ng r n (n u cô ạ ắ ế đặ 36 c) 3.2.7 Mô tả công nghệ 36

3.2.8 Các thiết bị chính của dây chuyền 37

3.3 Tính toán giá thành và s d ng công ngh s n xu t : ử ụ ệ ả ấ 38

3.3.1 Chi phí đầu tư 38

Tổng cộng 38

3.3.2 Chi phí cho sản xuất Tính cho 1000kg phèn 38

a - Nguyên li u chính : ệ 38

b - Chi phí s a ch a b o d ử ữ ả ưỡ ng tính 1% giá th nh : à 39

c - Chi phí kh u hao : tính cho 10 n m v i giá tr t i s n ấ ă ớ ị à ả 39

3.3.3 Hiệu quả kinh tế 39

MỞ ĐẦU

Nước là một yếu tố không thể thiếu được của cuộc sống, nước cần thiết không những đối với con người, mà còn đối với động vật và thực vật Ngày nay, nước được thừa nhận như một tài nguyên chiến lược và là một trong những nguồn tài nguyên của trái đất, đảm bảo sự an toàn thực phẩm, duy trì cân bằng hệ sinh thái và đảm bảo sự hoạt động của con người trong một thế giới đầy biến động nhanh chóng về địa lý xã hội và môi trường

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển các ngành công nghiệp thì tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nặng nề hơn, vấn đề ô nhiễm môi trường và phòng chống ô nhiễm môi trường là vấn đề toàn cầu đòi hỏi cộng đồng quốc tế cùng quan tâm Ô nhiễm môi trường làm mất đi

sự cân bằng sinh thái gây hiểm hoạ thiên tai, tuyệt chủng một số loài động vật quí hiếm, tác động trực tiếp đến sức khoẻ con người

Hiện nay vấn đề cấp nước sinh hoạt cho đô thị, nước sạch cho nông thôn đã trở thành mối quan tâm lớn của Đảng và Nhà nước Để thực hiện

việc này ngoài nguồn nước ngầm đang được khai thác và sử dụng còn cầnphải sử dụng nguồn nước mặt như, sông suối, ao hồ … Nước cung cấp chosinh hoạt cho các nhu cầu của sản xuất công nghiệp đòi hỏi phải có chấtlượng phù hợp Nước thiên nhiên khai thác từ các nguồn nước mặt, hoặcnước ngầm thường chứa các tạp chất ở dạng hoà tan, có các nguồn gốc vô cơhoặc hữu cơ, ngoài ra trong nước nhất là nước mặt còn chứa vi sinh vật nhưcác các loại vi khuẩn, sinh vật phù du và các loại vi sinh vật khác, vì vậy khikhai thác nước thiên nhiên thường phải tiến hành xử lý một cách thíchđáng

Để chọn các biện pháp xử lý cần căn cứ vào các chỉ tiêu, tính chất củanước nguồn nước và yêu cầu cụ thể về chất lượng nước cấp Việc lựa chọnchất đông keo tụ phụ thuộc vào tính chất hoá lý, nồng độ tạp chất có trongnước, pH và thành phần muối trong nước

Trong thực tế thường được sử dụng các chất đông keo tụ sau

Al2(SO4)3.18H2O ; NaAlO2 ; Al2(OH)5Cl ; KAl(SO4)212H2O ;

NH4Al(SO4).12H2O ; Fe2(SO4)3.2H2O ; Fe2(SO4)3..3H2O; …

Trong đó được sử dụng nhiều nhất trong keo tụ nước là Al2 (SO4)3 vì

Al2(SO4)3 hoà tan tốt trong nước, chi phí thấp và hiệu quả cao

Bản khoá luận này sẽ đề cập đến việc sử dụng chất đông keo tụ để xử

lý nước bề mặt của nguồn nước Sông Thương, tại Công ty TNHH một thànhviên Cấp Thoát Nước Bắc Giang, định hướng nghiên cứu xử lý nước đi từnguyên liệu chính là xỉ nhôm Ôxít (Al2O3) và Axítsunfuríc 98% (H2SO4) đểsản xuất chất đông keo tụ cho nguồn nước của công ty khai thác nhằm giảmgiá thành sản xuất và tạo việc làm cho công nhân Công ty ngoài việc sảnxuất và kinh doanh nước sạch còn mở thêm một số dây chuyền sản xuất phụnhư : dây chuyền sản xuất dung dịch phèn nhôm, dây chuyền sản xuất nướctinh lọc, và một số xưởng sản xuất phụ khác Hiện nay dây chuyền sản xuất

dung dịch phèn nhôm đã được đưa vào sử dụng từ ngày 01 tháng 11 năm

1.1.1 Các chỉ tiêu hoá lý

1.1.1 1 Nhiệt độ ( OC)

Nhiệt độ của nước có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình xử lý nước

Sự thay đổi nhiệt độ của nước phụ thuộc vào từng loại nguồn nước Nhiệt

độ của nguồn nước mặt dao động rất lớn từ 4 ÷ 40oC, nó phụ thuộc thời tiết

và độ sâu của nguồn nước Nước ngầm có nhiệt độ tương đối ổn định từ 17

÷27oC

1.1.1 2 Hàm lượng cặn không tan (mg/l)

Hàm lượng cặn không tan được xác định bằng cách lọc 1 đơn vị thểtích mẫu nước qua giấy lọc và xác định luợng chất rắn trên giấy lọc Hàmlượng cặn của nước ngầm thường nhỏ từ (30 ÷50 mg/l) chủ yếu là do cát mịn

có trong nước gây ra Hàm lượng cặn của nước sông dao động lớn từ (20

÷5000 mg/l) Cùng một nguồn nước hàm lượng cặn dao động theo mùa, mùakhô nhỏ, mùa mưa lớn Hàm lượng cặn có trong nước sông là do các hạt cát,sét, bùn bị dòng nước xói rửa mang theo và các chất hữu cơ nguồn gốc độngthực vật mục nát hoà tan trong nước Hàm lượng cặn là một trong những chỉtiêu cơ bản để chọn biện pháp xử lý đối với các nguồn nước mặt Hàm lượngcặn của nguồn nước càng cao thì việc xử lý càng phức tạp, tốn kém

1.1.1 3 Độ màu của nước

Được xác định theo phương pháp so sánh với thang mầu Côban Độmàu của nước là do trong nước có các hợp chất hữu cơ, các hợp chất keo sắt,nước thải công nghiệp hoặc do sự phát triển của rong rêu, tảo Thường nước

ao hồ có độ màu cao

1.1.1 4 Mùi vị của nước

Nước có mùi là do trong nước có các chất khí, các muối khoáng hoàtan, các hợp chất vô cơ và vi sinh vật Nước có thể có mùi bùn mùi mốc, mùitanh, mùi cỏ, mùi Clo, mùi phênol Vị mặn, vị chua, vị chát, vị đắng

1.1.2 Các chỉ tiêu hoá học

1.1.2.1 Hàm lượng cặn toàn phần (mg/l)

Qúa trình gây cản trở của nước cứng được mô tả theo cơ chế sau:

1.1.2.4 Độ kiềm của nước (mg/l)

Độ kiềm của nước có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ và hiệu quả xử lýnước vì thế trong nước nguồn có độ kiềm thấp, cần phải bổ sung hoá chất đểkiềm hoá nước

1.1.2 5 Độ ôxy hoá KMnO4 ( mg/l).

Là lượng ôxy cần thiết để ôxy hoá hết các hợp chất hữu cơ có trongnước Chỉ tiêu ôxy hoá là đại lượng để đánh giá sơ bộ mức độ nhiễm bẩncủa nguồn nước Độ ôxy hoá của nguồn nước càng cao chứng tỏ nước bịnhiễm bẩn và chứa nhiều vi sinh vật

1.1.2 6 Hàm lượng sắt ( mg/l )

Sắt tồn tại trong nước dưới dạng Fe (II) hoặc Fe (III) Trong nướcngầm, sắt thường tồn tại trong nước dưới dạng Fe (II) hoà tan dưới dạng cácmuối bicácbônat, sufatclorua, đôi khi ở dạng keo của ôxít humic hoặc keosilíc Khi tiếp xúc với ôxy hoặc các chất ôxy hoá khử Fe (II) bị ôxy hoá lên

Fe (III) và kết tủa thành bông cặn Fe(OH)3 có mầu đỏ nâu Nước ngầm cóchứa hàm lượng sắt cao đôi khi lên tới 30 mg/l hoặc có thể cao hơn nữa.Nước mặt chứa Fe (III) ở dạng keo hữu cơ hoặc cặn huyền phù, thường cóhàm lượng không cao và có thể xử lý sắt kết hợp với việc khử độ đục Việctiến hành xử lý sắt chủ yếu đối với các nguồn nước ngầm Khi hàm lượng sắt

> 0,5 mg/l nước có mùi tanh khó chịu làm vàng quần áo khi giặt, làm hưhỏng sản phẩm của ngành dệt, giấy đồ hộp và làm giảm tiết diện vận chuyểnnước của đường ống

1.1.2 7 Các hợp chất của axít silíc (mg/l).

Các trường hợp chất này thường gặp trong nước tự nhiên, ở dạng keohay ion hoà tan tuỳ thuộc vào pH của nước Nồng độ axít silíc có trong nướccao gây khó khăn cho việc xử lý sắt Trong nước cấp nồi hơi áp lực, hợpchất axít silíc rất nguy hiểm do cặn silíc lắng đọng trên thành nồi

1.1.2 8 Các hợp chất chứa nitơ (mg/l)

Tồn tại trong nước thiên nhiên dưới dạng nitrit (NO2-), nitrat (NO3-) vàamôniăc (NH3) Các hợp chất chứa nitơ có trong nước chứng tỏ nước đãnhiễm bẩn bởi nước thải sinh hoạt Khi mới bị nhiễm bẩn trong nước cóchứa nitrit, nitrat và amôniăc, sau một thời gian amôniăc và nitrit bị ôxy hoáthành nitrat Việc sử dụng các loại phân bón nhân tạo cũng làm tăng hàmlượng amôniăc trong nước thiên nhiên

1.1.2 9 Chất khí hoà tan (mg/l).

Các chất khí O2, CO2, H2S trong nước thiên nhiên dao động rất lớn.Khí H2S là sản phẩm của quá trình phân huỷ các chất hữu cơ, phân rác Hàmlượng O2 hoà tan trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất đặc tính củanguồn nước

1.1.3 Chỉ tiêu về vi trùng.

Trong thiên nhiên có rất nhiều loại vi trùng và siêu vi trùng trong đó

có các loại vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm đó là bệnh kiết lị, thương hàn,dịch tả, bại liệt … Việc xác định sự có mặt của các loại vi trùng gây bệnhnày thường rất khó khăn và mất nhiều thời gian do sự đa dạng về chủng loại

Vì vậy trong thực tế người ta áp dụng phương pháp xác định chỉ số vi khuẩnđặc trưng, đó là loại vi khuẩn đường ruột Ecoli

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC

1.2.1 Các biện pháp xử lý cơ bản.

Trong quá trình xử lý nước cần phải áp dụng các biện pháp xử lý sau : + Biện pháp cơ học : dùng các công trình và thiết bị để làm sạch nước nhưsong chắn rác, lưới chắn rác, bể lắng, bể lọc

+ Biện pháp hoá lý : dùng các chất cho vào nước để xử lý nước như dùngphèn làm chất keo tụ, dùng vôi để kiềm hoá nước, cho Clo để khử trùng, khíôzôn

+ Biện pháp vật lý: dùng các tia vật lý để khử trùng nước như tia tử ngoại,sóng siêu âm khử khí CO2 hoà tan trong nước bằng phương pháp làm thoáng.

1.2.2 Xử lý nước bằng phương pháp đông keo tụ.

1.2.2.1 Giới thiệu về phương pháp đông keo tụ.

Tạp chất trong nước thiên nhiên thường đa dạng về chủng loại và kích thước, chúng có thể là các hạt cát, sét, mùn, sinh vật phù du, sản phẩm hữu

cơ phân huỷ Kích thước hạt dao động từ vài phần triệu milimét đến vài milimét Bằng các biện pháp xử lý cơ học như lắng lọc, tuyển nổi, chỉ có thể loại bỏ được các hạt có kích thước nhỏ hơn 10- 4 mm, nếu dùng quá trình lắng tĩnh thì phải tốn rất nhiều thời gian và cũng rất khó có thể có hiệu quả cao, do vậy cần phải áp dụng phương pháp xử lý, hoá học, đó là phương pháp đông keo tụ

Đông keo tụ là một phương pháp xử lý nước có sử dụng hoá chất, trong

đó các hạt keo nhỏ lơ lửng trong nước nhờ tác dụng của các chất keo tụ màliên kết với nhau tạo thành bông keo có kích thước lớn và người ta có thểtách chúng ra khỏi nước dễ dàng bằng các biện pháp lắng lọc hay tuyển nổi Các chất keo tụ thường được sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt dưới dạngdung dịch hoà tan, các chất điện ly hoặc các chất cao phân tử

Bằng cách sử dụng quá trình đông keo tụ người ta còn có thể tách đượchoặc làm giảm đi các thành phần có trong nước như các kim loại nặng, cácchất bẩn lơ lửng, các anion PO4- 3 và có thể cải thiện được độ đục và màu sắccủa nước

- Photphat PO 4 - 3 +++

- Nitrat NO 3- 0

- Amon NH 4+ 0

- Clorua Cl - 0 tuỳ theo hoá chất sử dụng - Sunfat SO 42 - 0 tuỳ theo hoá chất sử dụng - Florua F - ++

- Sắt +++

- Mangan +

- Nhôm +++

- Đồng +++

- Kẽm ++

- Côban 0

- Niken 0

- Vanađi +++

- Asen +++

- Cađimi ++ +++

- Crôm ++

- Chì +++

- Selen +++

- Thuỷ ngân ++

- Bari +

- Xianua CN 0

Các chất hữu cơ - Màu (theo mg Pt/l) +++

- Mùi 0, +

- COD (theo O 2 ) +++

- BOD (theo C ) +++

- Phenol (C 6 H 5 OH) 0

- Cacbon mạch vòng +++

- Hoá chất bảo vệ thực vật (parathion, BHC, dieldirin ) +++

Các vi sinh vật - Virut +++

- Vi trùng +++

- Tảo +++

ghi chú : 0 : không giảm, ( +) từ 0 đến 20% : (++) từ 20 đến 60% ;(+++) trên 60%

1.2.2 2 Lý thuyết về phương pháp đông keo tụ.

Tuỳ thuộc vào nguồn gốc, thông thường các hạt cặn trong nước đều có thể mang điện tích âm hoặc dương Ví dụ các hạt cặn gốc silíc, các tạp chất hữu cơ đều mang điện tích âm, các hyđrôxit sắt, hyđrôxit nhôm mang điện

tích dương Khi thế cân bằng điện động của nước bị phá vỡ, các thành phầnmang điện tích sẽ kết dính với nhau nhờ lực liên kết phân tử và lực điện từ,tạo thành một tổ hợp các phân tử, nguyên tử hoặc các ion tự do Các tổ hợptạo thành được gọi là hạt keo Tuỳ thuộc vào thành phần cấu tạo các hạt keo

sẽ có các tính chất khác nhau Người ta có thể chia các hạt keo thành hailoại : keo kỵ nước và keo ưa nước Trong kỹ thuật xử lý nước bằng quá trìnhđông keo tụ, keo kỵ nước đóng vai trò chủ đạo Ngoài ra người ta còn phânloại theo các dạng như sau:

- Keo phân tử là những phân tử lớn (polyme) tạo thành hạt keo

- Keo phân tán gồm nhiều phần tử phân tán ( cát , đất sét ) tạo thànhhạt keo

- Keo liên kết gồm nhiều phân tử khác nhau liên kết với nhau tạothành hạt keo

- Keo kỵ nước không tan, phân chia thành các hạt nhỏ, không ngậmdầu nước

Ví dụ các kim loại như vàng, bạc, silic

Keo ngậm nước có khả năng hấp phụ các phân tử nước Ví dụ vitrùng ,vi rút, các polyme hoà tan, lòng trắng trứng

Keo kỵ nước hình thành sau quá trình thuỷ phân các chất xúc tác nhưphèn nhôm, phèn sắt Ban đầu các phân tử mới hình thành liên kết lại vớinhau tạo thành liên kết lại với nhau thành các khối đồng nhất Ví dụ khi dùngphèn sắt, sau khi thuỷ phân sẽ tạo ra các khối liên kết gồm nhiều phân tửFe(OH)3 Nhờ có diện tích bề mặt lớn, các khối này có khả năng hấp phụchọn lọc một loại ion nào đó, hoặc có trong thành phần các ion của khốihoặc gần giống một trong các ion trong khối về tính chất và kích thước, tạothành lớp vỏ bọc ion Lớp vỏ ion này cùng với khối phân tử bên trong tạothành hạt keo Bề mặt nhân keo mang điện tích của lớp ion gắn chặt trên

đú, cú khả năng hỳt một số ion tự do mang điện tớch trỏi dấu để bự lại mộtphần điện tớch

lớp khuyếch tán các ion trái dấu thế điện động tổng

Thế năng xung quanh hạt keo

Hỡnh 2 : Mụ hỡnh cấu trỳc lớp điện tớch kộp của hạt keo

Như vậy, quanh khối liờn kết phần tử ban đầu cú hai lớp ion mangđiện tớch trỏidấu bao bọc, gọi là lớp điện tớch kộp của hạt keo Lớp ion ngoàicựng do lực liờn kết yếu nờn thường khụng cú đủ điện tớch trung hoà với lớpđiện tớch bờn trong và do vậy hạt keo luụn mang một điện tớch nhất định Đểcõn bằng điện tớch trong mụi trường, hạt keo lại thu hỳt quanh mỡnh một sốion trỏi dấu ở trạng thỏi khuyếch tỏn

Hỡnh 3 : Mụ hỡnh miờu tả điện thế trờn bề mặt hạt keo

Nếu hạt keo ở trong trạng thái tĩnh thì điện tích của hạt được bù bởiđiện tích của lớp ion khuyếch tán Do chuyển động Brown, lớp ion khuyếchtán không di chuyển đồng thời với hạt keo, bởi vì lực liên kết không bềnvững Do đó, hạt keo trong nước luôn là hạt keo mang điện tích Từ mô hìnhđiện thế bề mặt hạt keo hình 3 ta thấy thế nhiệt động ϕ trên bề mặt nhân keobằng tổng điện tích các ion của lớp vỏ nhân Thế điện động ζ trên bề mặt hạtkeo Thế điện động ζ có giá trị nhỏ hơn thế nhiệt động ϕ một trị số bằng tổngđiện tích của các ion trái dấu nằm trong lớp điện tích kép.

Theo lý thuyết về lớp điện tích kép, nếu các hạt muốn keo tụ thì thếđiện động ζ cần phải giảm xuống dưới giá trị tới hạn ζ Trong trường hợpkeo đất sét, giá trị tới hạn này được quan sát thấy ở khoảng từ 0 ÷ 10 mV

Do vậy quá trình keo tụ được xem như bước đầu tiên trong việc kết hợp cáchạt riêng rẽ nhờ việc giảm thế điện động ζ Qúa trình tạo bông keo xảy ranhờ khuấy trộn và hình thành do kết hợp các hạt bông keo nhỏ

Trong pha phân tán, điện tích bề mặt của các hạt keo có ảnh hưởng rấtlớn đến các ion bao quanh Các ion trái dấu bị thu hút về bề mặt và các ioncùng loại điện tích bị đẩy ra khỏi bề mặt Kết hợp hỗn hợp các xu hướngchuyển động nhiệt và hút hoặc đẩy ion lẫn nhau sẽ tạo ra một lớp trong của

bề mặt điện tích của hạt keo và một lớp ngoài có số đương lượng các ion tráidấu phân bố trong pha khuyếch tán tạo ra lớp kép bề mặt điện tích kép hình 2

Theo Stern, tác giả phân chia lớp điện tích kép thành hai lớp : lớp điệntích kép Stern với các ion trái dấu hút nhau rất mạnh trên bề mặt hạt keo vàlớp khuếch tán, có bề dày phụ thuộc vào cường độ ion của dung dịch Điệnthế trên bề mặt giữa lớp ngoài của lớp Stern và lớp trong của lớp khuếch tánđược gọi là thế điện động ζ Các lực hút và lực đẩy tĩnh điện được xem như

là các lực phân tán hoặc lực London - Van der Walls tồn tại giữa các hạt keo

Độ lớn của các lực này thay đổi tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các hạt vàchúng độc lập với cường độ ion của nước Khả năng ổn định của hạt keo là

kết quả tổng hợp giữa lực hút và lực đẩy Nếu tổng hợp là lực hút xảy ra quátrình keo tụ

Hình 4: Mô tả năng lượng tương tác của hệ keo

Từ hình 4 trình bày năng lượng tương tác của hệ keo khi cường độ iontrong dung dịch cao và thấp được mô tả trên hình 4 Ở khoảng cách gần bềmặt, lực hấp dẫn London - Van der Walls thường mạnh Ở khoảng cách xa

bề mặt hơn, lực đẩy tĩnh điện có thể vượt quá lực hút tĩnh điện Lực đẩy ởmột khoảng cách nhất định sẽ mạnh hơn hoặc yếu hơn tuỳ thuộc vào điệntích bề mặt và vào khả năng các ion trái dấu có thể bù vào bề mặt đó (cường

độ ion trong pha lỏng)

Độ ổn định của hệ keo phụ thuộc vào lực tổng hợp Khi xảy ra quátrình hấp thụ thuần tuý (hấp phụ nhờ lực tĩnh điện và lực Van der Walls),hấp thụ ion trái dấu thường chiếm ưu thế hơn hấp phụ ion cùng dấu

Khi thuỷ phân ion kim loại như Al 3 + hoặc Fe 3 + bổ xung vào nước,quá trình thuỷ phân xảy ra tức thời và hình thành các phức hyđrôxyl Nồng

độ các phức hyđrôxyl phụ thuộc vào nồng độ các ion kim loại và giá trị pH.Các phức hyđrôxyl có mang điện tích và thời gian tồn tại của chúng rất ngắn.Các ion dương bị hấp phụ trên bề mặt các hạt keo và điện tích bề mặt bịtrung hoà do giảm thế điện động ζ Số các ion trái dấu đòi hỏi để trung hoà

điện tích bề mặt khá nhỏ so với số các ion yêu cầu để nén lớp điện tích kép.Nồng độ các ion trái dấu cần bổ sung tỷ lệ thuận với nồng độ các hạt keotrong nước và bổ sung dư lượng các ion trái dấu sẽ tạo ra sự tái ổn định của

hệ keo do chuyển đổi nghịch chiều điện tích bề mặt

Khi các muối kim loại như Al2(SO4).18H2O và FeCl3.6H2O được bổsung vào nước với nồng độ đủ, nhôm hoặc sắt hyđrôxit được hình thành vàtạo ra kết tủa Các hạt keo có mặt trong nước tác động như các hạt nhân đểđược kết tủa Cơ chế này được gọi là: keo tụ nhanh

Khi năng lượng động học của các hạt keo không đủ để tạo ra sựchuyển động, huyền phù sẽ trở lên bền vững, bằng biện pháp khuấy trộnhoặc bổ sung các pôlyme có khả năng keo tụ, người ta có thể phá vỡ trạngthái cân bằng của hệ, làm cho các hạt keo xích lại gần nhau hơn, tăng lựchút, giảm lực đẩy và do vậy làm cho quá trình keo tụ đạt hiệu quả cao hơn

Khi sử dụng biện pháp giảm thế điện động ζ, người ta nhận thấy rằngđiện thế ζ của hạt keo kỵ nước dao động trong giới hạn từ 0,05 ÷ 0,1V

Để lực hút phân tử thắng được lực đẩy tĩnh điện thì điện thế ζ phải nhỏ hơn0,03 V, và quá trình keo tụ càng đạt hiệu quả khi điện thế ζ tiến đến 0 Trạngthái hệ keo khi điện thế ζ bằng 0 được gọi là trạng thái đẳng điện và trị số pHcủa hệ ở trạng thái đẳng điện được gọi là điểm đẳng điện

1.2.2.3 Các phương pháp đông keo tụ

Trong công nghệ xử lý nước bằng phương pháp keo tụ, người tathường sử dụng:

- Phương pháp keo tụ dùng các chất điện ly đơn giản

- Phương pháp keo tụ dùng hệ keo ngược dấu như các muối nhôm hoặc sắt

- Phương pháp keo tụ dùng các polyme Phương pháp này còn sử dụng cảkhi cần tăng cường quá trình keo tụ cho các phương pháp khác

Một trong các phương pháp keo tụ là làm giảm thế năng ζ của hạt

đối tăng lên thì càng nhiều ion chuyển từ lớp khuếch tán vào lớp điện tíchkép, kết quả là làm giảm điện thế ζ của lớp điện tích kép (hình 2) và chiềudày của lớp khuếch tán giảm Khi khả năng làm giảm điện thế ζ của các hạtkeo bằng các ion đối tăng hoá trị của các ion này Bảng (2- 1) ghi khả năngkeo tụ tương đối của các ion và cation có hoá trị khác nhau, từ bảng (2-1) tathấy rằng khả năng gây ra keo tụ của ion hoá trị một, hoá trị hai, hoá trị bagần đúng theo tỷ số 1:30:100

Bảng(2-1) Khả năng keo tụ tương đối của các chất điện phân

Chất điện phân Khả năng keo tụ tương đối của chất điện

phân với keo tích điện

11130301000100010001000

Khi keo tụ hệ keo bằng cách cho vào nước chất điện phân, điện thế ζ

của các hạt keo giảm dần tới 0 Nhưng nếu tăng nồng độ của chất điện phântrong dung dịch quá mức cần thiết có thể gây ra quá trình tích điện lại đốivới hạt keo, khi đó điện tích hạt keo đổi dấu và thế năng ζ của hạt keo tănglên Từ đó ta thấy nếu cho phèn vào nước nhiều hơn lượng cần thiết sẽ làmcản trở quá trình keo tụ

Có thể keo tụ hệ keo bằng cách đưa vào dung dịch một hệ keo mới,tích điện ngược dấu với hệ keo muốn keo tụ, lúc đó trong dung dịch xảy sự

trung hoà lẫn nhau của các hạt keo tích điện trái dấu Khi thực hiện quá trìnhkeo tụ theo phương pháp này phải đảm bảo chính xác sự cân bằng tổng điệntích của hệ keo mới đưa vào dung dịch và tổng điện tích của hệ keo muốnkeo tụ

Do trong quá trình keo tụ gồm hỗn hợp các hệ keo khác nhau, ví dụhỗn hợp keo thiên nhiên làm bẩn nước và keo tạo ra do thuỷ phân phèn.Điều kiện keo tụ của hệ keo tụ tạo ra do thuỷ phân phèn không trùng vớiđiều kiện keo tụ của các keo thiên nhiên, do đó lúc đầu chỉ một số cặn bôngđược tạo ra là do keo tụ của hệ keo do phèn thuỷ phân Các bông cặn này có

bề mặt hoạt tính phát triển nên chúng hấp phụ các keo tự nhiên làm bẩnnước, các chất hữu cơ hoà tan gây ra mùi vị của nước, và trong quá trìnhtrong quá trình lắng, chúng thu hút các cặn kích thước bé lơ lửng trong nước.Trong thực tế phương pháp này được áp dụng rộng rãi để keo tụ cặn bẩntrong nước

Phèn thường dùng để lắng trong nước là phèn nhôm và phèn sắt trong

đó chủ yếu là sunfat nhôm Al2(SO4)3 và FeCl3 Ưu điểm của phèn là chúng cókhả năng tạo ra hệ keo kị nước và khi keo tụ thì tạo ra bông cặn có bề mặt hoạttính phát triển cao, có khả năng hấp thụ, thu hút, dính kết các tạp chất và keolàm bẩn nước

Khi cho phèn sunfat nhôm vào nước nó phân ly theo phương trình :

Al2(SO4)3→ 2Al3 + + 3SO42

-và cation Al3+ tham gia vào quá trình trao đổi với các cation nằm trong lớpđiện tích kép của hạt keo âm, làm giảm điện thế ζ của hạt keo, và nén lớpkhuếch tán của hệ keo dẫn đến keo tụ hạt sét Qúa trình trao đổi ion của hạt sétdiễn ra nhanh và kết thúc khi dung tích trao đổi của hạt keo sét bị sử dụngkiệt Khi đó trạng thái cân bằng của các cation trong lớp điện tích kép của hạtkeo sét và keo cation nằm trong dung dịch lại được thiết lập lại Nhưng quátrình keo tụ hệ tự nhiên làm bẩn nước chủ yếu lại là sự thuỷ phân phèn để tạo

ra keo mới Qúa trình keo tụ hệ keo mới này bằng các anion có trong nước đểtạo ra bông cặn có bề mặt hoạt tính phát triển cao có khả năng hấp thụ các cặnbẩn trong nước

1.2.2.4 Cơ chế của quá trình xử lý nước băng phương pháp keo tụ sử dụng phèn.

a -Sự thuỷ phân của phèn.

Khi cho phèn nhôm vào nước, sau khi phân ly thành ion sẽ xảy ra quátrình thuỷ phân theo các giai đoạn :

Al3 + + H2O ⇔ Al(OH)2 + + H +

Al(OH) 2 + + H2O ⇔ Al(OH)2+ + H+

Al(OH) 2 + + H2O ⇔ Al(OH)3 + H+

Al3 + + 3H2O ⇔ Al(OH)3 + 3H+

Mức thuỷ phân tăng lên khi pha loãng dung dịch, khi nhiệt độ tăng và

pH của dung dịch tăng Tuỳ thuộc vào điều kiện thuỷ phân cùng với hyđroxitnhôm Al(OH)3 quá trình thuỷ phân có thể tạo ra cả muối kiềm của nhôm lànhững hợp chất khó tan như :

Al3 + + SO42- + H2O ⇔ Al(OH)SO4 + H+

2Al3 + + SO42 - +4H2O ⇔ Al2(OH)4SO4 + 4H+

Ion H+ tách ra trong các phản ứng ngăn cản quá trình thuỷ phân củaphèn, đồng thời giảm pH của nước, đẩy hệ keo hyđoxit nhôm và muối củachúng lệch khỏi điểm đẳng điện và làm giảm hiệu quả keo tụ Vì vậy, cầnphải khử ion H+ Qúa trình này thường được khử bằng độ kiềm tự nhiên củanước theo phản ứng

H+ +HCO3 − ⇔ CO2 +H2O