bài giảng keo tụ tạo bông

KEO TỤ - TẠO BÔNG Coagulation - Flocculation Giới thiệu chung Để loại bỏ chất rắn lơ lửng (SS – Suspended Solid) nước/nước thải ƒ Lắng (Sedimentation) vS = g ( ρS − ρL)d 18μ – ρS- khối lượng riêng hạt (kg/m3) – ρL- khối lượng riêng chất lỏng (kg/m3) – d - kích thước hạt (m) – μ - độ nhớt động lực học (kg/ms) Sự liên hệ kích thước hạt thời gian lắng Kích thước hạt (mm) Loại hạt Thời gian lắng (độ sâu 1m) 10 Sỏi 1giây Cát 10 giây 10-1 Cát mịn phút 10-2 Đất sét 10-3 Vi khuẩn ngày 10-4 Hạt keo năm 10-5 Hạt keo 20 năm Giới thiệu chung (tt) ƒ Tuyển (Flotation) – Bọt khí thêm vào – Các chất rắn lơ lửng bám vào bề mặt bọt khí lên ƒ Lọc (Filtration) – Chỉ hiệu kích thước hạt > 1μm – Phải giảm hàm lượng SS để tránh nghẽn cột lọc ƒ Keo tụ tạo (Coagulation – Flocculation) Keo tụ tạo ƒ Mục đích: tách hạt cặn có kích thước 0,001µm < Φ < 1µm, khó tách loại trình lý học thông thường lắng, lọc, tuyển ƒ Hạt keo: dạng – Keo kỵ nước: đất sét, oxit kim loại,… • Không có lực với mt nước • Dễ keo tụ • Đa số hạt keo vô – Keo ưa nước: proteins, polymers,… • Thể lực với nước • Hấp thụ nước làm chậm qt keo tụ • Đa số hạt keo hữu Đặc tính hạt keo ƒ Khả lắng chậm (chuyển động Brown gây cản trở qt lắng trọng lực) ƒ Là tác nhân gây ô nhiễm nước e.g tăng độ đục (turbidity) ƒ Đặc tính bề mặt (điện ζ,…) yếu tố quan trọng (surface properties) – Có xu hướng kết hợp với chất từ môi trường xung quanh (tỉ lệ diện tích bề mặt:khối lượng cao hơn) – Có xu hướng tăng điện tích Cấu tạo hạt keo Lực tương tác hạt Hệ keo ƒ Khi hạt keo tiếp xúc với nhau, chúng tạo thành hạt có kích thước lớn hơn, tạo kết tủa ƒ Lực hạt keo: lực hút lực đẩy tĩnh điện lực Van der Waals ƒ Độ lớn: tỉ lệ nghịch với khoảng cách hạt ƒ Khả ổn định hạt keo kết tổng hợp Fh Fđ ƒ Điện zêta < 0,03V → Fh thắng Fđ Khi ζ → trình keo tụ đạt hiệu Sự ổn định hệ keo giá trị ζ Năng lượng tương tác hệ keo Cơ chế qt keo tụ tạo ƒ Qt nén lớp điện tích kép, giảm điện động zêta nhờ ion trái dấu ƒ Quá trình keo tụ hấp phụ ion trái dấu bề mặt, trung hòa điện tích tạo điểm đẳng điện ζ = ƒ Cơ chế hấp phụ - tạo cầu nối Các polymer ion hóa, nhờ cấu trúc mạch dài chúng tạo cầu nối hạt keo qua bước: – – – – Phân tán polymer Vận chuyển polymer đến bề mặt hạt Hấp phụ polymer lên bề mặt hạt Lk hạt hấp phụ polymer với với hạt khác ƒ Qt keo tụ hấp phụ lắng qt lắng Cơ chế (tt) ƒ Trung hòa điện tích – Sự hấp phụ chất mang điện tích trái dấu với hạt keo – Giảm điện bề mặt làm ổn định hệ keo – Hàm lượng chất keo tụ tăng → nồng độ hạt keo tăng – Quá nhiều chất keo tụ → tái ổn định hệ keo ƒ Qt keo tụ - hấp phụ lắng qt lắng Phèn nhôm Phèn sắt pH Al(OH)3 Fe(OH)3 ↓ Cơ chế tạo cầu nối ƒ Phản ứng 1: phân tử polymer kết dính với hạt keo (tích điện trái dấu) ƒ Phản ứng 2: phần lại polymer liên kết với vị trí hoạt tính bề mặt hạt keo khác Cơ chế tạo cầu nối (tt) ƒ Phản ứng 3: tượng tái bền hạt keo ƒ Phản ứng 4: thừa polymer Cơ chế tạo cầu nối (tt) ƒ Phản ứng 5: khuấy trộn mạnh lâu, lk hạt keo polymer bị phá vỡ ƒ Phản ứng 6: tái bền hạt keo Chất keo tụ (Coagulant) Thường sử dụng xử lý nước nước thải: Fe(III) Al(III) – FeCl3 – Alum – Rẻ, phụ thuộc lớn vào pH Hóa học chất keo tụ ƒ Cả Al3+ Fe3+ p/ư mạnh với nước → hydroxide kết tủa Al3+ + 3H2O → Al(OH)3↓ + 3H+ Fe3+ + 3H2O → Fe(OH)3↓ + 3H+ ƒ Ở pH cao: Al(OH)3↓ + OH- → Al(OH)4Fe(OH)3↓ + OH- → Fe(OH)4- Chất keo tụ - Alum ƒ Tạo thành từ quặng Bauxit hòa tan H2SO4 ƒ Dung dịch tạo thành loại bỏ tạp chất, trung hòa, cho bay để tạo thành miếng Nhôm Sulfate ƒ Có màu xám trắng vàng (tùy vào hàm lượng tạp chất) ƒ Công thức: Al2(SO4)3(H2O)n (n = 0,6,10,16,18 27) Alum (tt) Alum hòa tan p/ư với kiềm nước Al2(SO4)3(H2O)n↓ + HCO3- → Al(OH)3↓ + CO2↑ + SO42- + H2O – Kết tủa Al(OH)3 màu trắng – CO2 tạo thành dạng bọt khí nước bám thành cốc thí nghiệm Jar Test – SO42- tồn nước – 1g Alum tiêu thụ hết 0,5g độ kiềm 10 Alum (tt) pH > 9,5: Al(OH)4- pH < pH = → 9: nhiều dạng kết tủa, chủ yếu Al(OH)3 pH = 4,5 → AlOH2+, Al8(OH)204+ Alum (tt) Nếu keo tụ (bằng Alum) vùng tái ổn định (restabilization): ƒ Tăng hàm lượng Alum sử dụng → thoát khỏi miền đảo ngược điện tích → Tăng nồng độ SO42- ƒ Thêm dd vôi → tăng pH, chuyển sang phía bên phải vùng tái ổn định ƒ Thêm chất tạo để kết keo mang điện dương ƒ Thêm chất keo tụ mang điện âm (bentonite, silica hoạt tính) → giảm điện tích dương hạt keo → tạo → trọng lượng hạt keo tăng → tăng vận tốc lắng 11 Hợp chất Fe ƒ dạng muối sắt chủ yếu thường gặp xử lý nước: ƒ FeCl3.6H2O : Ferric chloride ƒ Fe2(SO4)3(H2O)9 : Ferric sulfate ƒ FeSO4(H2O)7 : Ferrous sulfate ƒ Fe2+ thường kết tủa dạng Fe(OH)2 FeCO3 ƒ Độ kiềm nước tự nhiên: chủ yếu HCO3- → thêm vôi vào Fe2+ + HCO3- + OH- → FeCO3 + H2O Hợp chất Fe (III) ƒ Fe2(SO4)3.nH2O ← OXH FeSO4 HNO3 ƒ n: 0, 3, 6, 7, 10 12 ƒ FeCl3.nH2O ← cho HCl p/ư với Fe, Fe2(CO3)2 Fe2O3 ƒ n: (chủ yếu); 2; 2,5 3,5 ƒ Các dạng khác ƒ Fe(OH)2+ ƒ Fe(OH)4- 12 Mô hình Jar Test 13 Jar Test (tt) ƒ Mục đích: xác định hàm lượng chất keo tụ thích hợp ƒ Tiến trình thí nghiệm – Lấy thể tích mẫu xác định – Thêm vào chất keo tụ với hàm lượng tăng dần – Khuấy trộn nhanh (3 phút), sau khuấy chậm (12 phút), để lắng – Đo độ đục mẫu ƒ Để đánh giá hiệu suất trình keo tụ tạo – Vận tốc lắng – Độ đục – Thể tích phần cặn lắng Jar Test (tt) Nếu không xảy keo tụ, cặn tạo thành không thích hợp ƒ Sử dụng hàm lượng chất keo tụ lớn ƒ Kiểm tra độ kiềm nước thải đầu vào (thêm Soda) ƒ Nhiệt độ nước thấp → p/ư keo tụ không xảy Jar Test: ƒ Đánh giá hiệu chất keo tụ khác ƒ Khả xử lý màu, mùi sản phẩm phụ trình khử trùng 14 Jar Test Một số chất keo tụ vô 15 Động học qt keo tụ tạo ƒ Qt keo tụ: lý thuyết phá bền hạt keo ƒ Qt tạo bông: tiếp xúc hạt keo bị phá bền, theo chế sau – Tiếp xúc chuyển động nhiệt • Chuyển động Brown/sự khuyếch tán, tạo thành hạt Φ → 1µm • Perikinetic flocculation – Tiếp xúc từ chuyển động lưu chất • Gây qt khuấy trộn lưu chất • Orthokinetic flocculation – Tiếp xúc trình lắng hạt Động học qt keo tụ tạo (tt) ƒ Hạt có kích thước nhỏ: chủ yếu perikinetic flocculation ƒ Nếu Φ=1µm G=10s-1 Jok=Jpk ƒ Các hạt có xu hướng kết hợp tạo thành hạt có kích thước 1µm chuyển động Brown (perikinetic flocculation) → khuấy trộn để trì tiếp tục keo tụ tạo (orthokinetic flocculation) ƒ Độ đục tăng → giá trị G tối ưu giảm 16 Perikinetic flocculation J = pk dN − 4.η k T = ( N ) dt μ – Jpk - tốc độ thay đổi nồng độ hạt keo theo thời gian Perikinetic flocculation – N0 - nồng độ hạt lơ lửng thời điểm t – η - hệ số hiệu va chạm (tiếp xúc) – k - số Boltzman – T – nhiệt độ tuyệt đối – µ- độ nhớt chất lỏng ƒ Tốc độ trình Perikinetic flocculation không phụ thuộc kích thước hạt ƒ Jpk tỉ lệ thuận với nồng độ hạt lơ lửng Orthokinetic flocculation J OK dN 2.η G.d = = ( N ) dt Jpk= = P G Jdtok= ƒ d - đường kính hạt ƒ G - gradient vận tốc, phụ thuộc vào – Thành phần hóa học nước – Bản chất nồng độ keo nước 17 Giá trị G t ƒ G t tối ưu phụ thuộc vào – Thành phần hóa học nước – Bản chất nồng độ cặn ƒ G tối ưu giảm độ đục tăng ƒ G cao → cặn bị vỡ ƒ t cao → cặn bị ăn mòn ƒ Quá trình tạo bông: – Ban đầu, cặn tạo thành với giá trị G cao – Khi cặn lớn dần, giảm dần G để tránh làm vỡ cặn Giá trị G t 18 Chất tạo (Flocculant) ƒ Nồng độ cặn thấp: ¾ Cần sử dụng chất keo tụ với hàm lượng cao ¾ Bông cặn tạo thành nhẹ, dễ vỡ lắng chậm ƒ Chất tạo ¾ Sử dụng để tăng đặc tính cặn (tính bền, khả lắng,…) ¾ Silica hoạt tính ¾ Bentonite ¾ Vôi ¾ polymers Chất tạo – vai trò ƒ Thay đổi pH → thay đổi điện tích bề mặt hạt keo ƒ Tạo độ kiềm thích hợp cho qt keo tụ ƒ Giảm điện tích bề mặt (bằng cách hấp phụ bề mặt hạt keo) → thoát khỏi vùng tái ổn định hạt keo ƒ Tạo cầu nối hạt keo → tạo cặn ƒ Tăng độ bền cặn ƒ Tăng nồng độ phần tử dung dịch ƒ Tăng trọng lượng cặn 19 Polymers Polymer hữu ƒ Khối lượng phân tử lớn, mạch dài ƒ Polymer tự nhiên: hiệu thấp ƒ Polymer tổng hợp: hiệu cao Polymer tổng hợp ƒ Có thể chứa nhóm mang điện ƒ Thường sử dụng nhà máy xử lý nước, nước thải Thiết bị trình keo tụ ƒ Trung hòa, làm ôn định hạt keo ƒ Chất phản ứng khuếch tán vào dung dịch nhanh tốt ƒ Thể tích chất phản ứng thêm vào nhỏ so với thể tích dung dịch cần xử lý ƒ Thiết bị khuấy trộn phải đảm bảo: – Gây độ xáo trộn thích hợp – Phân tán nhanh chất phản ứng vào dung dịch 20 Máy trộn tĩnh (Static Mixers) Máy trộn tĩnh (tt) ƒ Không có phần linh động → dễ bảo dưỡng sữa chữa ƒ Màng chắn, lưới,…được lắp phía đường ống → tạo xáo trộn cần thiết để khuếch tán chất keo tụ ƒ Nhược điểm – Tổn thất cột áp lớn – Không phù hợp lưu lượng dòng chảy giảm 21 Máy trộn khí nén (Pneumatic Mixers) ƒ Khí nén sử dụng thiết bị khuấy trộn, đưa vào thông qua máy khuếch tán ƒ Khi bọt khí lên → gây xáo trộn ƒ Mức độ xáo trộn điều chỉnh loại máy khuếch tán áp suất ƒ Nhược điểm – Các cặn bám vào bọt khí → gây cản trở trình lắng cặn Máy trộn học (Mechanical Mixers) ƒ Sự xáo trộn tạo động turbin/chân vịt/mái chèo,…quay ƒ Tiêu hao nhiều lượng → chi phí vận hành bảo dưỡng cao ƒ Liên tục gián đoạn 22 Quy trình công nghệ xử lý nước thải KCN Lê Minh Xuân Song chắn rác Hố thu Bể điều hòa Screenings Anionic polymer Bể lắng Tạo NaOH PAC Bể keo tụ Bể chỉnh pH Nước Javel HCl Bể khử trùng Bể trung hòa Cationic polymer Aerotank Bể lắng Ép bùn Treated water Đốt NaOH PAC Anionic polymer HCl 23 ... → p/ư keo tụ không xảy Jar Test: ƒ Đánh giá hiệu chất keo tụ khác ƒ Khả xử lý màu, mùi sản phẩm phụ trình khử trùng 14 Jar Test Một số chất keo tụ vô 15 Động học qt keo tụ tạo ƒ Qt keo tụ: lý... lực với mt nước • Dễ keo tụ • Đa số hạt keo vô – Keo ưa nước: proteins, polymers,… • Thể lực với nước • Hấp thụ nước làm chậm qt keo tụ • Đa số hạt keo hữu Đặc tính hạt keo ƒ Khả lắng chậm (chuyển... Khả ổn định hạt keo kết tổng hợp Fh Fđ ƒ Điện zêta < 0,03V → Fh thắng Fđ Khi ζ → trình keo tụ đạt hiệu Sự ổn định hệ keo giá trị ζ Năng lượng tương tác hệ keo Cơ chế qt keo tụ tạo ƒ Qt nén lớp