ỨNG DỤNG hóa KEO TRONG LĨNH vực môi TRƯỜNG

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

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

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

MỤC LỤC

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

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 10 3 đến

10 5 nguyên tử, có khối lượng khoảng 10 4 -10 9 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

m ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 )

( 1 ) : n h a ân ( 2 ) : l ô ùp i o n q u y e át ñ ò n h t h e á h i e äu ( 3 ) : l ô ùp i o n n g h ò c h h a áp p h u ï ( 4 ) : l ô ùp i o n n g h ò c h k h u e ác h t a ùn

- 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:

+ 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 điện thẩm tích dùng một phương tiện để thúc đẩy quá trình trao đổi chất nhanh hơn bằng điện trường

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

+ 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

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 kỹ thuật có các chỉ tiêu và mức chất lượng theo quy định tại bảng dưới đây:

hoặc hơi vàng

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:

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 )

+ Liều lượng phèn nhôm để xử lý nước đục lấy theo TCXD – 33 :1985 như sau:

Hàm lượng cặn của nước

nguồn ( mg/l)

Liều lượng phèn nhôm Al2(SO4)3

không chứa nước (mg/l)

- 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

+ 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:5-9 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)

- 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: