nghiên cứu khả năng keo tụ của alginate cacl2 để làm trong nước

Chính vì nước quá đục làm ảnh hưởng đến chất lượng nước và việc sử dung nên nhóm chúng tôi đã khảo sát lượng nước tự nhiên và nước nhân tạo để nghiên cứu tìm ra nguyên nhân và xử lý để k

ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KEO TỤ CỦA ALGINATE - CACL2 ĐỂ LÀM TRONG NƯỚC

LÊ THỊ MỸ TRANG

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11/2010

LỜI CẢM ƠN

Sau hơn bốn tháng miệt mài, nay nhóm chúng em đã hoàn thành đề tài nghiên cứu Bên cạnh sự nỗ lực của cả nhóm, chúng em còn nhận được sự giúp đỡ tận tình của ban lãnh đạo khoa CNHH và TP, các Thầy Cô giáo bộ môn công nghệ môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm chúng em thực hiện đề tài này

Nhóm nghiên cứu chúng em xin gởi lời cảm ơn thành chân đến:

- Thầy Nguyễn Văn Sức, Trưởng khoa CNHH-TP người đã định hướng

cho chúng em chọn lựa đề tài và đã tận tình hướng dẫn cho chúng em

trong suốt quá trình thực hiện và cũng là giáo viên hướng dẫn trực tiếp,

đã luôn nhiệt tình chỉ dẫn, cho nhóm em những ý kiến thật giá trị để

nhóm em có thể hoàn thành đề tài một cách tốt nhất

- Cảm ơn cô Lê Thị Bạch Huệ cùng với các Giáo viên bộ môn công nghệ môi trường đã tạo điều kiện cho chúng em sử dụng phòng thí nghiệm và các thiết bị trong quá trình thực hiện đề tài

- Phòng quản lý Khoa học - Hợp tác quốc tế và đào tạo sau đại học và phòng kế hoạch tài chính đã cho phép nhóm chúng em thực hiện đề tài

- Thư viện Trường ĐHSPKT-TPHCM đã tạo điều kiện cho chúng em mượn tài liệu nghiên cứu

- Xin cảm ơn các nhóm bạn thuộc lớp MT 071150 và các anh, chị đã giúp đỡ nhóm chúng tôi thực hiện đề tài

Trong suốt thời gian nghiên cứu không tránh khỏi những điều thiếu sót, rất mong sự góp ý của thầy, cô và các bạn để đề tài hoàn thành được tốt hơn

TP.Hồ Chí Minh, tháng 11, năm 2010

Nhóm nghiên cứu

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 3

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ 5

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 5

II.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 6

III VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI 6

PHẦN II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 6

I MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 6

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7

III NỘI DUNG 7

1) Tổng quan về chất lượng nước 9

2) Tổng quan về độ đục 10

3) Các phương pháp xử lý độ đục 12

4) Cơ sở lý thuyết về keo tụ 16

5) Cơ chế lý thuyết của quá trình nghiên cứu 19

6) Kết quả nghiên cứu và nhận xét 27

IV.KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 30

1) Tính khoa học 39

2) Khả năng triển khai ứng dụng vào thực tiễn 39

3) Hiệu quả kinh tế - xã hội 40

PHẦN III: KẾT LUẬN 40

PHỤC LỤC 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Hiện nay trên thế giới và cả nước ta thì việc tăng dân số đang là vấn đề nghiêm trọng, bên cạnh đó thì việc đáp ứng nhu cầu sinh hoạt cho con người cũng được nâng cao và việc sử dụng nước sinh hoạt thì phải được đảm bảo vể sức khỏe Nhưng hiện nay tình trang nước đang ngày càng xuống cấp và việc sử dụng nước sinh hoạt kém chất lượng là vấn đề nan giải cần được giải quyết ngay Một trong các vấn đền liên quan đến nước sinh hoạt đó là độ đục của nước Chính vì nước quá đục làm ảnh hưởng đến chất lượng nước và việc sử dung nên nhóm chúng tôi đã khảo sát lượng nước tự nhiên và nước nhân tạo để nghiên cứu tìm ra nguyên nhân và xử lý để khắc phục tình trang nước bị nhiễm đục Vì thời gian có hạn nên chúng tôi chỉ khảo sát nước ở sông Sài Gòn và nước thải ở công ty gốm sứ Thiên Thanh Qua khảo sát sơ bộ ban đầu thì các mẫu nước có độ đục cao, đặc biệt đối với nước sông Sài Gòn thì độ đục khá cao do những ngày nay trời mưa to Nguyên nhân chính là do lượng bùn trong nước thải quá nhiều dẫn dến độ đục của nước cao Đề tài của chúng tôi chỉ xoay quanh vấn đề khả năng keo tụ cua alginate khi có mặt CaCl2 để làm cho nước trong, còn các thành phần, tính chất vật lý hay các yếu tố khác ảnh hưởng đến chất lượng nước chưa

đề cập đến trong nghiên cứu này Trên cơ sở kết quả của nghiên cứu đạt được, chúng tôi đã đưa ra một số giải pháp và kiến nghị để làm giảm tình trạng nước đục hiện nay

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Khi nền kinh tế phát triển, đời sống của người dân được nâng cao thì nhu cầu dùng nước sạch càng nhiều Do đó, vấn đề nước sạch đang là mối quan tâm của người dân và việc xử lý các nguồn nước ô nhiễm từ nguồn tự nhiên và nước từ các ngành công nghiệp là việc làm cần thiết và cấp bách

Nước trong thiên nhiên được dùng làm nguồn nước cung cấp cho ăn uống sinh hoạt

và công nghiệp có chất lượng rất khác nhau Đối với các nguồn nước mặt, thường

có độ đục, độ màu và độ nhiễm vi sinh cao Đối với nguồn nước ngầm, hàm lượng sắt và mangan thường vượt quá giới hạn cho phép Có thể nói, hầu hết các nguồn nước thiên nhiên đều không đáp ứng được yêu cầu, về mặt chất lượng cho các đối tượng tiêu dùng Chính vì vậy, trước khi đưa vào sử dụng, cần phải tiến hành xử lý loại bỏ độ đục, độ màu và độ nhiễm vi sinh cao trong nước Nhiều đề tài trước đây

đã nghiên cứu, xử lý vấn đề này bằng phương pháp keo tụ - tủa bông để loại bỏ hàm lượng cặn các tạp chất có trong nước, và hóa chất thường sử dụng là phèn sắt,

phèn nhôm, các polymer và các chất trợ keo tụ khác… “Đề tài nghiên cứu keo tụ

Alginate –CaCl 2 để làm trong nước” cũng trên cơ sở xử lý độ đục bằng phương

pháp keo tụ - tủa bông nhưng chất keo tụ sử dụng là Alginate – CaCl2 để tiến hành quá trình nghiên cứu Nguồn nước phục vụ cho quá trình nghiên cứu được lấy ở 2

vị trí khác nhau : đó là nguồn nước lấy từ nhà máy gốm sứ Thiên Thanh và nguồn nước lấy từ sông Sài Gòn để tiến hành thực nghiệm trên máy Jartest cùng với hóa chất sử dụng là Alginate – CaCl2 Chúng tôi hi vọng với phương pháp trên sẽ tìm

ra một chất keo tụ tốt để xử lý nước, và nước sau quá trình xử lý độ đục đạt tiêu chuẩn ăn uống và vệ sinh môi trường

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay, trong nước chưa có đề tài nghiên cứu xử lý độ đục của nước bằng phương pháp keo tụ với hóa chất Alginate –CaCl2 Đa số các đề tài nghiên cứu xử lý độ đục bằng phương pháp keo tụ sử dụng các hóa chất là: muối nhôm, muối sắt, các polymer, PAC, chitosan…

+ Nghiên cứu tìm giá trị tơi ưu lượng trợ lắng PAC (Polyaluminum chloride) trong xử lý nước thải dệt nhuôm, ThS Lâm Vĩnh Long

+ Nghiên cứu phương pháp keo tụ sử dụng chitosan – betonite và đưa ra giải pháp công nghệ để xử lý nước thải của các cơ sở in ấn, SV: Lê Thị Phương Hạnh, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM + Tổng hợp và khảo sát mộ t số tính chất của N-(2-Furymetyl) chitosan, Nguyễn Thị Nhuệ , Khiếu Thị Tâm, Nguyễn Thị Hồng Anh_ Khoa Hóa, Trường Đại Học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội

2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước:

Đề tài nghiên cứu: “ Use of calcium alginate as a coagulant in water treatment”, Coruh –H.A, A thesis submitted to the graduate school of natural and applied sciences of middle east technical university, September 2005

III NHỮNG VẤN ĐỀ CÕN TỒN TẠI

Việc khảo sát độ đục cũng như lượng cặn ở nguồn nước đã từng được

nhiều nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu Vì vậy đề tài “Nghiên cứu khả

năng keo tụ của Alginate - CaCl 2 để làm trong nước ”, chúng tôi sẽ xây dựng

và trình bày một cách cụ thể qui trình nghiên cứu trên máy jatest cùng với hóa chất sử dụng là Alginate - CaCl2 để tìm hiểu khả năng keo tụ của Alginate- CaCl2 đối với độ đục của một số mẫu nước Tuy nhiên, do thời gian có hạn nên chúng tôi chỉ tiến hành nghiên cứu 2 mẫu phân tích chỉ tiêu pH và độ đục còn chỉ tiêu khác như nhu cầu oxy hóa học (COD), chất rắn lơ lửng (SS), độ màu, chưa nghiên cứu

PHẦN II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU:

- Nghiên cứu khả năng keo tụ của alginate, các số liệu về liều keo tụ, ảnh hưởng của pH và hàm lượng của CaCl2

- Từ đó đưa ra những kết luận và kiến nghị về xử lý độ đục

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 Phương pháp luận

- Tìm hiểu chất keo tụ được sử dụng trong và ngoài nước

- Tìm hiểu về thí nghiệm jartest và các bước tiến hành

- Các thành phần, tính chất của nước thải từ nhà máy gốm sứ Thiên Thanh và nước lấy từ sông

2 Phương pháp thực nghiệm

Các thông số đo và phương pháp nghiên cứu được trình bày theo bảng sau:

Bảng 1: Các thông số và phương pháp nghiên cứu

3 Phương pháp xử lý số liệu

- Các số liệu được biểu diễn trên các bảng biểu

- Các số liệu được quản lý trên Microsoft word và Microsoft Excel

- Văn bản soạn thảo trên chương trình Microsoft word và Microsoft Excel

III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:

+ Chứa khí hòa tan, đặc biệt là Oxy

+ Chứa nhiều chất rắn lơ lửng (riêng trường hợp nước trong hồ, chứa ít chất rắn lơ lửng và chủ yếu ở dạng keo)

+ Có hàm lượng chất hữu cơ cao

+ Có sự hiện diện của tảo

Nước ngầm được khai thác từ các tầng chứa dưới đất Chất lượng nước ngầm phụ thuộc vào cấu trúc địa chất mà nước thấm qua Do vậy nước chảy qua các đại tầng chứa cát hoặc granit thường có tính axit và chứa ít chất khoáng Khi chảy qua địa tầng chứ đá vôi, nước thường có độ kiềm bicacbonat khá cao

+ Độ đục thấp

+ Nhiệt độ và thành phần hóa học tương đối ổn định

+ Không có oxy, nhưng có thể chứa nhiều khí H2S, CO2

+ Chứa nhiều chất khoáng hòa tan, đáng kể đến là sắt, mangan, flour

+ Không có sự hiện diện của vi sinh vật

Nước biển thường có độ mặn rất cao hàm lượng muối trong nước biển thay đổi tùy theo vị trí địa lý như: khu cửa sông, gần hay xa bờ Ngoài ra nước biển thường có nhiều chất lơ lửng, chủ yếu là các phiêu sinh động – thực vật

Nước lợ : Ở cửa sông và vùng quen biển, nơi gặp nhau của các dòng nước ngọt chảy

từ sông ra, các dòng thấm từ đất liền chảy ra hòa trộn với nước biển làm cho độ muối

và hàm lượng huyền phù trong nước ở khu vực này luôn thay đổi và có trị số cao hơn tiêu chuẩn nước cấp trong sinh hoạt và thấp hơn nhiều so với nước biển thường gọi là nước lợ

Nước khoáng: khai thác từ tần sâu dưới đất hay từ các suối do phun trào từ lòng đất

ra, nước có chứa một vài nguyên tố ở nòng độ cao hơn nòng độ cho phép đối với nước uốn và đặc biệt có tác dụng chữa bệnh Nước khoáng sau khi qua khâu xử lý thong thường như làm trong, loại bỏ hoặc nạp lại khí CO2 nguyên chất được đóng vào chai

để cấp cho người dung

Nước chua phèn: những nơi gần biển, ví dụ đồng bằng sông Cửu Long ở nước ta

thường có nước chua phèn Nước bị nhiễm phèn do tiếp xúc với nước phèn, loại đất này giàu nguyên tố lưu huỳnh ở dạng sunfat và một vài nguyên tố kim loại như như sắt, nhôm Đất phèn hình thành do quá trình kiến tạo địa chất Trước đây những vùng này thường bị ngập nước và có nhiều loại thực vật và động vật tầng đáy phát triển Do quá trình bồi tụ, thảm thực vật và lớp sinh vật đáy bị vùi lấp và bị phân hủy yếm khí, tạo ra các axit mùn hữu cơ làm cho nước có vị chua, đồng thời có chưa nhiều nguyên

tố kim loại có hàm lượng cao như nhôm, sắt và ion sunfat

Nước mưa : Nước mưa có thể xem như nước cất tự nhiên nhưng không hoàn toàn tinh khuyết vì nước mưa có thể bị nhiễm bởi khí, bụi và thậm chí cả vi khuẩn trong không khí Khi rơi xuống, nước tiếp tục bị ô nhiễm do tiếp xúc với vật thể khác nhau Hơi nước gặp không khí chứa nhiều oxyt nitơ hay oxyt lưu huỳnh sẽ tạo nên các trận mưa axit

Hệ thống thu gom nước mưa dung trong mục đích sinh hoạt gồm hệ thống mái, máng để thu gom về bể chứ Nước mưa có thể dự trữ trong bể chứa có mái che để dung quanh năm

2 Tổng quan về độ đục

2.1 Độ đục

- Nước là một môi trường truyền ánh sáng tốt Khi trong nước có các vật lạ như các chất huyền phù, các hạt cặn đất đá, các vi sinh vật… khả năng truyền ánh sáng bị giảm đi Nước có độ đục lớn chứng tỏ có nhiều cặn bẩn

- Đơn vị đo độ đục thường là mgSiO2/l, NTU (Nephelometric Turbidity Unit) và FTU (Formatin Turbidity Unit) là tương đương nhau Nước mặt thường có độ đục không vượt quá 5NTU Hàm lượng chất rắn lơ lửng cũng là một đại lượng tương quan đến

độ đục của nước

2.2 Nguyên nhân phát sinh độ đục

- Độ đục của nước bắt đầu từ sự hiện diện của một số các chất lơ lửng có kích thước thay đổi từ dạng phân tán thô đến dạng keo, huyền phù, gây trở ngại cho đường truyền của ánh sáng qua nước hoặc hạn chế tầm nhìn mắt

- Trong hồ hoặc trong các vùng nước tĩnh, độ đục hầu như là do các chất keo và các hạt phân tán cực mịn gây ra

- Khi sông bắt nguồn từ các vùng núi chảy về đồng bằng, tính đục của nó có sự đóng góp của việc trồng trọt và những tác động vào đất

- Khi dòng lũ đi qua, một lượng lớn đất mặt bị rửa trôi được cuốn theo vào dòng chảy Phần lớn là các chất hữu cơ, bao gồm cả bùn và đất sét nhưng cũng bao gồm một lượng đáng kể các chất hữu cơ

- Nước lũ chảy qua các vùng thành thị, mang theo nước thải lẫn nước thải sinh hoạt đã hoặc chưa xử lý Chất thải sinh hoạt chứa một số lượng lớn các vật chất hữu cơ và một

ít chất vô cơ góp vào tính đục của nước Chất thải công nghiệp chứa lượng lớn các chất hữu cơ và các chất vô cơ khác tạo nên độ đục Các rác rưởi khác cũng góp nhiều chất vô cơ và ít chất hữu cơ vào tính chất đục

- Các chất dinh dưỡng vô cơ như các hợp chất nitơ và photpho có trong nước thải và nước từ hoạt động nông nghiệp kích thích sự phát triển tảo, cũng góp phần gây nên độ đục của nước

 Các vật chất gây nên độ đục gồm những chất vô cơ thuần túy cho đến các chất có bản chất là chất hữu cơ

2.3 Ảnh hưởng của độ đục

- Mỹ học:

Người tiêu dùng nước mong đợi và đòi hỏi nước sạch (không đục) Người ta nhận thức được rằng nước thải sinh hoạt có độ đục cao Tình trạng đục trong nước uống làm liên tưởng đến sự ô nhiễm nước thải có thể và cơ hội nảy sinh mầm bệnh do nước bẩn

- Tính lọc :

Lọc nước cho là khó khăn và tốn kém hơn nhiều khi độ đục của nước tăng lên Việc sử dụng bể lọc cát chậm đã trở nên phi thực tế ở một số vùng vì độ đục cao làm rút ngắn thời gian hoạt động và tăng chi phí làm sạch Hoạt động tốt của bể lọc cát nhanh nói

chung phục thuộc vào sự loại bổ hiệu quả độ đục bằng các làm đông hóa học trước khi nước được đưa vào bể lọc Những thiếu sót khi thực hiện làm thời gian hoạt động của

bộ lọc ngắn và lượng nước lọc chấT lượng thấp, trừ khi có những bộ lọc với cấu tạo và cách hoạt động đặc biệt sử dụng

- Sự khử trùng:

Sự khử trùng nước cấp thường được hoàn thành bằng cách sử dụng Clo, Ozôn hoặc Clo dioxit , Để hiệu quả, phải có sự tiếp xúc giữa vật trung gian và sinh vật mà thuốc tẩy uế sử dụng đã loại trừ Trong nước đục, hầu hết các sinh vật có hại bị loại trừ bởi hoạt động khử trùng Tuy nhiên, trong trường hợp mà độ đục của nước là do nước thải thành thị gây ra, nhiều sinh vật gây hại có thể được bọc lại trong các tiểu phân và được bảo vệ khỏi sự khử trùng

Vì các nguyên nhân này mà Tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống đã đặt ra độ gây ô nhiễm tối đa của độ đục là 2NTU

Khi cho thêm kali sunfat vào quá trình phản ứng, ta thu được nhôm kali sufat (potash alum) có công thức phân tử là Al2(SO4)3.K2SO4.14H2O hay AlK(SO4)2.12H2O Trường hợp dùng amon sunfat, thu được phèn kép nhôm amon (ammonia alum) có công thức phân tử là Al2(SO4)3.(NH4)2SO4.24H2O hay Al2(NH4)(SO4)2.12H2O

+ Phải có độ kiềm trong nước để phản ứng với aluminum sulfate để tạo bông hydroxide Do ảnh hưởng của pH, độ kiềm thường ở dạng bicarbonate Phản ứng diễn

ra như sau:

Al2(SO4)3.14H2O + 3Ca(HCO3)2  2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 14H2O + 6CO2

+ Nếu trong nước không có đủ độ kiềm thì phải kiềm hóa nước bằng vôi ( dưới dạng sữa vôi hoặc vôi tôi) Phản ứng như sau:

Al2(SO4)3.14H2O + 3Ca(OH)2 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 14H2O

+ Cũng có thể hiểu đơn giản theo phản ứng sau:

Al3+ + 3H2O = Al(OH)3 + 3H+

+ pH tối ưu đối với aluminum sufate nằm trong khoảng từ 4,5 tới 8,0 Một số thí nghiệm và các công trình thực tế cho thấy pH tối ưu trong khoảng 5,5 tới 6,5

3.1.2 Sunphat nhôm + vôi sống

Al2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 Al(OH)3 + 3Ca2+ + 3SO42-

Liều lượng : để bù vào việc axit hóa cần phải đư vôi Ca(OH)2 khoảng 1/3 lượng sufat nhôm dưới dạng thương phẩm rắn

3.1.3 Sunphat nhôm +cacbonat natri

Hai loại phản ứng có thể xảy ra tùy theo sự trung hòa của ion cacbonat thành bicacbonat hay CO2 do:

Al2(SO4)3 + 6Na2CO3 + 6H2O  12Al(OH)3 + 2Na+ + 6HCO-3 + 3SO42-

Al2(SO4)3 + 6Na2CO3 + 6H2O  4Al(OH)3 + 12 Na+ + 6SO42- + 6CO2

Liều lượng: cacbonat natri khoảng 50-100% liều lượng sunphat nhôm thương phẩm rắn

3.1.4 Aluminat natri

Ngược lại với trường hợp trên, nhôm ở đây dưới dạng bazo

AlO2- + 2H2O  Al(OH)3 + OH-

Nó có thể thay thế các ion bicacbonat và CO2 hòa tan:

NaAlO2 + Ca(HCO3)2 + H2O  Al(OH)3 +CaCO3 + Na+ + HCO32NaAlO2 + 2CO2 +4H2O  Al(OH)3 + 2Na+ +2HCO3-

-Liều lượng : dùng cho làm sạch nước bề mặt 5 đến 50g/m3 chất phản ứng chứa 50%

Phải dùng thêm một số phụ gia trợ keo tụ, trợ lắng…

- Hàm lượng nhôm tồn dư trong nước sau xử lý cao hơn so với khi dùng chất keo tụ khác và có thể cao hơn mức quy định hợp vệ sinh (0,2mg/l)

3.2 Phèn sắt

3.2.1 Phèn sắt Ferrous sulfate

Ferrous sulfate yêu cầu độ kiềm ở dạng hydroxide ion để tạo phản ứng nhanh Thông thường, vôi tôi hoặc vôi sữa được sử dụng để tăng pH với mức độ mà Fe2+ kết tủa dưới dạng Fe3+ Phản ứng này đòi hỏi oxy hòa tan trong nước Trong phản ứng keo tụ này, oxy hòa tan trong nước giảm và Fe2+

bị oxy hóa thành Fe3+ Sau đó Fe3+ được lắng dưới dạng Fe(OH)3 Phản ứng diễn ra như sau:

2FeSO4.7H2O + 2Ca(OH)2 + 1/2 O2  Fe(OH)3 + CaSO4 + 13H2O

Để phản ứng xãy ra, pH phải tăng tới khoảng 9,5 và quá trình định hóa cần lượng vôi dư Nhìn chung, Ferrous sulfate tạo bông nhanh Sử dụng Ferrous sulfate kết hợp với vôi khá hiệu quả và kinh tế

Ferrous sulfate cũng có thể xử lý bằng chlo để tạo thành Ferric sulfat và Feric chloride Phản ứng diễn ra như sau:

2FeSO4.7H2O + 1,5 Cl2  Fe2(SO4)3 + FeCl3 + 21H2O

Phản ứng xãy ra ở pH dưới 4, sản phẩm là các loại chất keo tụ rất hiệu quả

3.2.2 Sắt Ferric sulfate –Fe 2 (SO 4 ) 3

Phản ứng của Ferric sulfate với độ kiềm bicacbonate tạo thành Fe(OH)3:

Fe2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 2Fe(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2

Phản ứng thường tạo ra bông cặn dày, ổn định nhanh Nếu độ kiềm tự nhiên không đủ,

vì được sử dụng để thay thế pH tối ưu đối với Ferric sulfate nằm trong khoảng 4-12 vì dựa vào độ tan của Fe(OH)3 trong khoảng này

Liều lượng :xử lý nước mặt 10-251g/m3

tính theo Fe2(SO4)3.9H2O

3.2.3 Phèn sắt Feric chloride –FeCl 3: (lỏng, đôi khi kết tinh)

Phản ứng của FeCl3 với độ kiềm tự nhiên trong nước để tạo thành Fe(OH)3 là:

FeCl3 + 3Ca(HCO3)2  2 Fe(OH)3 + 3CaCl2 + 6CO2

Nếu độ kiềm tự nhiên không đủ, vôi được thêm vào dưới dạng Ca(OH)2

FeCl3 + Ca(OH)2 Fe(OH)3 + 3CaCl2

pH tối ưu đối với FeCl3 giống như ferric sulfate, nằm trong khoảng 4-12 Bông cặn tạo thành dày, ổn định nhanh

3.2.4 Sulfat ferric + vôi

Fe2(SO4)3 + 3Ca(OH)2  2Fe(OH)3 + 2SO42- + 3Ca2+

Liều lượng: xử lý nước mặt, lượng Ca(OH)2 nung nóng chừng khoảng 50% của lượng sulfat ferric thị trường Fe2(SO4)3.9H2O

3.2.5 Sắt sulfat +Clo

2FeSO4 + Cl2 + 6HCO3  Fe(OH)3 + 2Cl- + 2SO42- + 6CO2

Liều lượng : cần 12% clo so với sắt sulfat FeSO4.7H2O sulfat sắt và clo có thể cho riêng rẽ vào nước Việc oxy hóa sulfat sắt bằng clo trước khi dùng tạo raclosulfat sắt (clairtan, )

3.2.6 Sắt sulfat +vôi

FeSO4 + Ca(OH)2 Fe(OH)2 + SO42- + Ca2+

Xử lý nước mặt, liều lượng của Ca(OH)2 cần khoảng chừng 30% sắt sulfat FeSO4.7H2O Trong xử lý nước thải cần từ 100-150g/m3 vôi cho 250 đến 350g/m3 sắt sulfat

Liều lượng phèn Fe dùng để kết tủa chỉ bằng 1/3 - 1/2 liều lượng phèn Al

Phèn sắt ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ và giới hạn pH rộng Bông bền và thô hơn, có thể sử dụng cho nước có vị lạ do có mặt của H2S

Nhược điểm của phèn Fe đối với phèn nhôm Al

Có tính axit mạnh, làm ăn mòn thiết bị

3.3 Hỗn hợp: sản phẩm hỗn hợp Al 3+ /Fe 3+

Một số chất keo tụ vô cơ có đồng thời các ion Al3+ và Fe3+ Đó là trường hợp của AVR, sunfat hỗn hợp nhôm và sắt ( thể rắn) Sản phẩm này chủ yếu dùng để xử lý nước thải đô thị (EUR) và nước thải công nghiệp (ERI), đặc biệt để khử phốtphat

3.4 PAC ( Plialumium chloride)

Đó là những muối nhôm mà công thức phân tử của chúng có chứa những gốc hydroxyl OH - Ta có thể coi những chất poly nhôm clorua (PAC) như những sản phẩm tạo thành bởi phản ứng không triệt để giữa axit clohydric và nhôm hydroxit theo phương trình :

nAl(OH)3 + (3n-m)HCl → Aln(OH)mCl3n-m + (3n-m) H2O

Tương tự công thức phân tử AlN(OH)mCl3n-m-2k của chất poly nhôm cloro sunfat SO-4 Còn trong công thức phân tử của những chất poly nhôm clorua silicatb (PACS) và poly nhôm sunfat (PASS) lại chứa các gốc silicat SiO2 Khi hòa tan vào nước chúng tạo thành những cation phức hydroxo- nhôm có khối lượng lớn hơn so với trường hợp dung nhôm sunfat

3.5 Các hóa chất keo tụ tự nhiên [4,6]

4 Cơ sở lý thuyết về keo tụ [5]

4.1 Keo tụ

- Keo tụ là phương pháp xử lý nước có sử dụng hóa chất Trong đó các hạt keo nhỏ

lơ lửng trong nước nhờ tác dụng của chất keo tụ mà liên kết với nhau tạo thành bông

có kích thước lớn hơn và người ta có thể tách chúng ra khỏi nước dễ dàng bằng các phương pháp lắng lọc và tuyển nổi

- Các chất keo thường được sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt dưới dạng dung dịch hòa tan, các chất điện ly hoặc các chất cao phân tử,…

- Bằng cách sử dụng quá trình keo người ta có thể tách được hoặc giảm đi các thành phần có trong nước thải như : các kim loại nặng, các chất bẩn lơ lửng, đồng thời có thể cải thiện được độ đục, mùi và độ màu của nước

4.2.1 Keo tụ bằng hệ keo ngược dấu

Trong quá trình này người ta sử dụng muối nhôm hoặc sắt hóa trị III, gọi là phèn nhôm hay phèn sắt làm chất keo tụ Các muối này được đưa vào nước dưới dạng dung dịch hòa tan, trong dung dịch chúng phân ly thành các anion và cation theo phản ứng sau:

Al2(SO4)3  2Al3+ + 3SO4

FeCl3  2Fe3+ + 3Cl-

Nhờ hóa trị cao của các ion kim loại, chúng có khả năng ngậm nước tạo thành các phức chất hexa Me(H2O)63+ (trong đó Me có thể Al hoặc Fe) Tùy thuộc vào giá trị pH của môi trường mà chúng có khả năng tồn tại ở các điều kiện khác nhau, thí dụ với nhôm các phức chất này tồn tài ở pH từ 3 đến 4; với sắt chúng tồn tại ở pH từ 1 đến 3

Khi tăng pH, các phản ứng xảy ra như sau:

Me(H2O)63+ + H2O  Me(H2O)5OH2+ + H3O+

Tăng axit Me(H2O)52+ + H2O  Me(H2O)4(OH)2+ + H3O+

Tăng kiềm Me(H2O)4(OH)2+ + H2O  Me(H2O)3+ + 3H2O + H3O+

Me(OH)3 + OH-  Me(OH)4-

Các sản phẩm hydroxyt tạo thành trong phạm vi pH từ 3 đến 6, đó là các sản phẩm mang nhiều các nguyên tử kim loại, ví dụ Al3(OH)45+.Các hợp chất này mang điện tích dương mạnh và có khả năng kết hợp với các hạt keo mang điện tích âm trrong nước thải tạo thành các bông cặn Các hydroxit nhôm hoặc sắt tạo thành khác nhau tùy thuộc vào pH và các điều kiện của quá trình, song chúng đều là các hợp chất mang điện dương và có hoạt tính tạo bông keo tụ cao nhờ hoạt tính bề mặt lớn Các bông keo

tụ này lắng xuống sẽ hấp thụ, cuốn theo các hạt keo, cặn bẩn hữu cơ mang mùi vị, tồn tại ở trạng thái hòa tan hoặc lơ lửng trong nước Mặt khác, các ion kim loại tự do còn liên kết với nước qua phản ứng thủy phân cũng tạo thành các hydroxyt như sau:

Al3+ + 3H2O  Al(OH)3 + 3H+

Fe3+ + 3H2O  Fe(OH)3 + 3H+

Quan sát quá trình keo tụ dùng phèn nhôm, sắt ta thấy có khả năng tạo 3 loại bông cặn sau:

+ Loại thứ nhất là tổ hợp các hạt keo tự nhiên, loại này chiếm số ít

+ Loại thứ hai gồm các hạt keo mang điện tích trái dấu nên kết hợp với nhau và trung hòa về điện tích Loại này không có khả năng kết dính và hấp phụ trong quá trình lắng tiếp theo vì vậy số lượng cũng không đáng kể

+ Loại thứ ba được hình thành từ các hạt keo do thủy phân chất keo tụ với các anion có trong nước nên bông cặn có hoạt tính bề mặt cao, các có năng hấp thụ các chất bản trong khi lắng, tạo thành các bông cặn lớn hơn Trong xử lý nước bằng keo tụ loại bông thứ ba chiếm ưu thế và có tính quyết định đến hiệu quả keo tụ

4.2.2 Keo tụ hoặc tăng cường quá trình keo tụ bằng các hợp chất cao phân tử

Quá trình này sử dụng các chất cao phân tử tan trong nước, chúng có cấu tạo mạch dài, với phân tử lượng từ 103

đến 107g/mol và đường kính phân tử trong dung dịch vào khoảng 0,1 đến 01m Chúng còn được sử dụng làm chất trợ keo tụ, tức là sử dụng phèn sắt phèn nhôm là những chất trợ keo tụ chính Chúng giúp cho quá trình keo xãy

ra nhanh hơn

4.3 Các cơ chế của quá trình keo tụ tạo bông

- Quá trình nén lớp điện tích kép: quá trình đòi hỏi nồng độ cao của các ion trái dấu cho vào để giảm thế điện động Zeta Sự tạo bông nhờ trung hòa điện tích, giảm thế điện động Zeta làm cho lực hút mạnh hơn lực đẩy và tạo ra sự kết dính giữa các hạt keo

- Quá trình keo tụ do hấp phụ, trung hòa điện tích tạo ra điểm đẳng điện Zeta bằng 0: các hạt keo hấp thụ các ion trái dấu lên bề mặt song song với các cơ chế nén lớp điện tích kép nhưng cơ chế keo tụ mạnh hơn Hấp thụ ion trái dấu trung hòa điện tích, giảm thế điện động Zeta tạo ra khả năng kết dính giữa các hạt keo

- Quá trình keo tụ do hấp phụ tĩnh điện thành từng lớp các hạt keo đều tích điện, nhờ lực hút tĩnh điện chúng có xu thế kết hợp với nhau

- Quá trình keo tụ do hiện tượng bắc cầu: các polymer vô cơ hoặc hữu cơ ( không phải

Al hoặc Fe) có thể ion hóa, nhờ cấu trúc mạch dài cũng tạo ra cầu nối giữa các hạt keo

- Quá trình keo tụ ngay trong quá trình lắng : hình thành các tinh thể Al(OH)3, Fe(OH)3, , các muối không tan, Khi lắng, chúng hấp phụ theo các hạt keo khác, các cặn bẩn, các chất vô cơ, hữu cơ lơ lững trong nước

5 Cơ chế lý thuyết của quá trình nghiên cứu

5.1 Tổng quan về alginate

Tên gọi

Alginate : Alginate là muối của axit alginic, là một anion polysacarit có nhiều trong tự nhiên và chủ yếu được chiết từ rong nâu ( brown seaweads) do Standford phát hiện năm 1881[1,7] Từ những năm 60 của thế kỉ 20 các nhà nghiên cứu thuộc viện nghiên cứu rong biển Nauy ( Norwegian instilule of scaweed research) đã nghiên cứu khá kĩ

về tính chất và cấu trúc của alginate [7]

 Cấu trúc của alginate [6,8]

Cấu trúc của alginat bao gồm 3 loại block trong mạch polymer cụ thể là :

- Poly-guluronat (poly-G)

- Polymannuronat (poly-M) và copolymer của poly-G

- Poly-M (poly-GM) liên kết ngẫu nhiên trong chuỗi mạch

Hình 1: Mô hình cấu trúc của alginate

- Có độ nhớt cao, tính nhầy, tính nhũ tương

Khả năng keo tụ của alginate – CaCl 2 [6]

- Alginate có trong tất cả các loại tảo nâu, là thành phần của thành tế bào

L-guluronic-D-mannuronic và acid  Alginate được tạo thành từ các đơn vị acid qua liên kết 1,4-O-glycoside Tỉ lệ 2 acid này khác nhau tùy theo nguồn nguyên liệu

Alginate ở dạng muối natri tan trong nước, độ nhớt của dung dịch phụ thuộc vào trọng lượng phân tử và lượng ion trong muối, dung dịch alginate không đông ngay cả khi

làm lạnh đông

- Khi thêm acid hay ion canxi, dung dịch alginate có thể tạo gel, màng hay sợi Tùy

thuộc nồng độ ion canxi mà gel tạo thành sẽ có tính thuận nghịch hay bất thuận

nghịch

- Bề mặt alginate chứa chủ yếu là các ion âm, trong khi đó CaCl2 chứa ion dương Ca2+

Ca2+ kết tủa các phân tử keo tụ chưa lắng được do kích thước và trọng lượng còn nhỏ thì alginate sẽ kết hợp với Ca2+

và bao phủ các hạt keo lắng xuống để tăng kích thước, trọng lượng các bông cặn

Hình 2:Mô hình keo tụ của alginate –CaCl 2

 Ứng dụng của alginate [6, 9]

- Axit alginic không tan trong nước nhưng các muối của kim loại kiềm alginate của chúng và muối của nó hòa tan hoàn toàn trong nước lạnh để tạo thành dung dịch nhớt, tính chất của dung dịch nhớt tạo thành thay đổi theo xuất xứ các muối Alginate ban đầu và độ tinh khuyết của các muối Alginate Các muối Aginate tan trong nước được

sử dụng như các chất làm cô đặc, các chất bình ổn và các tác nhân tạo màng trong các ngành công nghiệp như: dược, thực phẩm, dệt và công nghệ giày……