c. Với chất keo tụ là polimer aluminium chloride (PAC).
2.3.1.2Cơ chế của quá trình keo tụ [7]
Keo tụ - hiện tượng tạo thành tập hợp lớn từ cỏc tập hợp nhỏ do nhiều cơ chế khỏc nhau cú thể chia thành hai giai đoạn chớnh là khử tớnh bền của hạt keo và tạo ra liờn kết giữa chỳng. Để khử tớnh bền, thường quy về bốn cơ chế
sau : - Nộn ộp làm giảm độ dày lớp điện kộp - Hấp phụ và trung hoà điện tớch. - Lụi cuốn, quột cựng với chất kết tủa - Hấp phụ và tạo cầu liờn kết giữa cỏc hạt keo Hệ keo bền là do điện tớch bề mặt và lớp vỏ hydrat cựng với cỏc chất bị hấp phụ trờn bề mặt ngăn cản khụng cho chỳng tiến lại gần nhau ở một khoảng cỏch mà lực hấp phụ phõn tử phỏt huy tỏc dụng. Núi cỏch khỏc do cỏc yếu tố trờn giữa cỏc hạt keo hỡnh thành một hàng rào thế năng, chỳng muốn tạo được tập hợp lớn cần phải cú năng lượng hoạt hoỏ đủ lớn để vượt qua mức năng lượng đú. Bằng biện phỏp nào đú cú thể làm giảm thế năng (đẩy) giữa chỳng là làm tăng tốc độ keo tụ, quỏ trỡnh đú tương tự quỏ trỡnh xỳc tỏc làm
giảm năng lượng hoạt hoỏ thỳc đẩy tốc độ phản ứng hoỏ học. Biện phỏp làm giảm thế năng quan trọng nhất là đưa vào hệ một chất điện ly, đú chớnh là chất keo tụ. Tuy nhiờn để gõy ra được hiện tượng keo tụ nồng độ chất điện ly cần phải đạt một giỏ trị tối thiểu nào đú, gọi là ngưỡng keo tụ. Lưu ý rằng giỏ trị
ngưỡng keo tụ càng nhỏ (hiệu suất keo tụ cao) khi hoỏ trị của ion của chất
điện ly lớn.
Đối với cơ chế nộn ộp làm giảm độ dày của lớp khuyếch tỏn xảy ra chủ
yếu đối với hệ keo cú thế năng cao, độ dày lớp khuyếch tỏn khụng lớn, cường
độ ion của dung dịch nhỏ. Cơ chế tỏc dụng keo tụ hoàn toàn mang bản chất tĩnh điện mụ tả qua lý thuyết của Derjiaguin, Landau, Vewey và Overbeek (lý thuyết DLVO). Ion của chất điện ly cựng dấu với điện tớch bề mặt (sơ cấp) thỡ bị đẩy và ion đối của nú thỡ bị hỳt. Khi tương tỏc giữa hai loại điện tớch khỏc nhau xảy ra lớp khuyếch tỏn bị co lại, độ co lại tỷ thuận với nồng độ hoỏ trị
của ion trong lớp khuyếch tỏn, cũng tức là trong dung dịch. Thể tớch của lớp khuyếch tỏn để duy trỡ trung hoà sẽ bị nhỏ đi và vỡ vậy độ dày cũng giảm theo. Khoảng cỏch để lực đẩy phỏt huy tỏc dụng bị giảm tạo điều kiện cho tương tỏc Van der Waals, làm giảm hàng rào thế năng giữa cỏc hạt keo.
Lý thuyết DLVO cú nhiều hạn chế khụng phự hợp với phần lớn hệ keo tụ, lý thuyết này khụng giải thớch được hiện tượng đảo chiều điện tớch hay hệ
bền trở lại khi cho chất keo tụ quỏ liều lượng.
Đối với cơ chế hấp phụ và trung hoà điện tớch: Trong quỏ trỡnh keo tụ, hệ keo cú điện tớch bề mặt õm bằng với Al3+, tuỳ điều kiện pH, độ kiềm của mụi trường cú thể tồn tại rất nhiều dạng hợp chất và hợp chất trung gian: phức chất hydroxo, cỏc monomer mang điện tớch dương, điện tớch õm và cỏc polyme của nhụm và Al3+. Dưới đõy mụ tả quỏ trỡnh keo tụ bằng phốn nhụm theo cơ chế hấp phụ:
Phốn nhụm Al2(SO4)3 khi cho vào nước lập tức bị hoà tan. Cỏc ion sunfat phõn tỏn nhanh vào nước ở dạng SO42-. Cỏc ion nhụm phản ứng với
nước hoặc thuỷ phõn. Trong dạng đơn giản nhất, ion nhụm được bao quanh bởi 6 phõn tử nước và cú 3 điện tớch (+) như Al(H2O)63+ hoặc Al3+. Tuy nhiờn trong cỏc điều kiện pH sử dụng trong quỏ trỡnh, cỏc ion nhụm hoỏ trị III phản
ứng (thuỷ phõn ) ngay để tạo nhiều chất khỏc nhau như sau :
Al3+ + H2O = AlOH2+ + H+ (1) Al3+ + 2 H2O = Al(OH)2+ + 2H+ (2) 7Al3+ + 17H2O = Al7 (OH)174+ + 17H+ (3) Al3+ + 3H2O = Al(OH)3 (r) + 3H+ (4)
Cỏc ion AlOH2+ và Al(OH)2+ trong phản ứng (1) và (2) là cỏc monome tức là chỳng chứa một nguyờn tử nhụm, mặc dự cỏc ion này cú điện tớch nhỏ
hơn +3 nhưng chỳng là chất keo tụ hiệu quả cho cỏc hạt keo õm do chỳng cú thể hấp phụ trờn bề mặt của nhiều hạt rắn.. Cỏc ion như Al7 (OH)174+ cú thể
giống như cỏc polyme, vỡ chỳng chứa một vài ion nhụm. Chỳng cú khả năng hấp phụ rất mạnh lờn hầu hết cỏc hạt keo õm và là cỏc chất keo tụ rất tốt. Al(OH)3 (r) là dạng rắn, vụ định hỡnh, kết tủa hydroxyt nhụm được tạo thành trong hầu hết cỏc quỏ trỡnh keo tụ. Phốn nhụm là dạng axit, cỏc proton được giải phúng vào dung dịch trong cỏc phản ứng (1) đến phản ứng (4). Cuối cựng, cấu tử nhụm tạo thành khi phốn nhụm được đưa vào dung dịch phụ
thuộc trước hết vào pH của dung dịch và vào lượng phốn bổ sung.
Phốn cú thể hoạt động như là chất keo tụ theo hai cỏch. Trong nước, phốn cấp vào đủ sẽ chuyển thành kết tủa Al(OH)3 (r). Kết tủa này phủ lờn lớp keo và vỏ bọc dễ dớnh. Nú tạo cho cỏc hạt rắn gốc va chạm vào nhau trong bể
tạo bụng, nhờ vậy sẽ tăng nhanh quỏ trỡnh kết bụng của cỏc hạt này thành cỏc hạt lớn. Cỏc mục tiờu này cú thể cần thiết khi keo tụ hệ cú độđục thấp, vỡ vậy kộo dài thời gian keo tụ là cần thiết để kết dớnh cỏc hạt rắn.
Cơ chế thứ hai của keo tụ bằng phốn là sự hấp phụ cỏc monome và polyme nhụm điện tớch (+) lờn cỏc hạt keo õm, do quỏ trỡnh trung hoà điện
tớch gốc lờn cỏc hạt này hoặc làm mất ổn định hạt keo sao cho sự kết bụng cú thể thực hiện được khi cú sự tiếp xỳc với nhau. Kiểu keo tụ này chỉ được sử
dụng trong trường hợp nước cú độđục lớn, vỡ vậy trong trường hợp dung dịch cú độđục nhỏ cú thể bổ sung thờm một số hạt rắn vào nước.
Phốn nhụm cú thể ở dạng lỏng hoặc khụ. Thành phần cỏc cấu tử phốn và pH dung dịch là hàm của pAlT hoặc -lg[ ]AlT , ở đõy [ ]AlT là tổng nồng độ
phốn (mol/l).
Đối với dung dịch phốn rất loóng (pAlT ≥4), cỏc cấu tử tan chủ yếu là cỏc phức hydroxo như AlOH2+. Trong hệđậm đặc (pAlT ≤0,5), cỏc cấu tử tan chủ yếu là sulfato như AlSO4+. Trong khoảng giữa (0,5 < pAlT < 4), phức hệ
nước đơn giản là Al3+ hoặc Al(H2O)63+. Tại pAlT =2,5, phần cấu tử nhụm tồn tại ở dạng Al3+ là nhiều nhất.
Cỏc chất bẩn trong nước (dạng vụ cơ) cú điểm đẳng điện trong khoảng pH = 5 ữ5,5, cỏc chất hữu cơ cú khoảng rộng hơn. Với pH trờn vựng đẳng
điện, cỏc hạt huyền phự tớch điện õm, mật độđiện tớch càng lớn khi pH của hệ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
càng cỏch xa điểm đẳng điện, thường cỏc hạt keo trong mụi trường nước và nước thải tớch điện õm (do pH của nước tự nhiờn = 5,5 ữ 8,5).
Khi đưa Al+3 vào nước trong khoảng pH này sẽ xảy ra quỏ trỡnh thuỷ
phõn tạo ra phức Al(OH)2+ và phức Al(OH)3, cỏc phức này liờn kết với nhau qua cầu ụxy, hydroxyl tạo ra cỏc dime, trime, polyme. Tỷ lệ hỡnh thành chỳng phụ thuộc vào pH mụi trường. Giỏ trị pH càng cao thỡ quỏ trỡnh thuỷ phõn càng triệt để, tức là tăng cỏc cấu tử chứa nhiều nhúm chức OH.
Trong quỏ trỡnh thuỷ phõn muối nhụm cú hỡnh thành proton, nú làm giảm
độ pH của nước do tiờu hao kiềm. Hệ nước thải chứa cỏc huyền phự và cỏc cấu tử hỡnh thành từ quỏ trỡnh thuỷ phõn phốn sẽ xảy ra cỏc quỏ trỡnh sau - Nếu pH thấp hơn điểm đẳng điện của hạt huyền phự thỡ cỏc hạt huyền phự và cỏc cấu tử của phốn đều mang điện (+) và do vậy quỏ trỡnh keo tụ
khụng xảy ra., khả năng hấp phụ của hạt huyền phự đối với cỏc hợp chất nhụm rất kộm.
- Khi pH thấp cũng khụng xảy ra hoặc ớt khả năng hỡnh thành Al(OH)3 kết tủa để lụi cuốn ( theo cơ chế quột ) cỏc huyền phự.
- Nếu pH cao hơn 8 dạng tồn tại của nhụm chủ yếu là aluminat, mang điện (- ) cựng dấu với điện tớch hạt huyền phự nờn keo tụ cũng khụng xảy ra.
- Vựng pH = 5,8-8, thành phần cấu tử Al(OH)3 chiếm phần lớn và Al3+ cú nồng độ thấp nhất do tớch số tan của Al(OH)3 rất thấp ở nhiệt độ 18-20 0C. Liều lượng chất keo tụ Al+3 nằm ở dạng Al(OH)3 khụng tan. Trong quỏ trỡnh hỡnh thành và kết tủa Al(OH)3 tồn tại cỏc polyme nhụm trung gian mang điện (+) hấp phụ lờn bề mặt hạt huyền phự để trung hoà điện tớch. Lượng chất keo tụ phụ thuộc độđục ban đầu, mật độ điện tớch, mật độđiện tớch lại phụ thuộc vào độ mịn của hạt. Mật độ điện tớch càng cao khi càng cỏch xa điểm đẳng
điện của hạt huyền phự, điểm đẳng điện của Al(OH)3 và cỏc polyme nhụm nằm trong khoảng pH=7ữ9 tuỳ thuộc vào sự cú mặt của cỏc anion khỏc. Khi lượng keo tụ dư so với lượng cần thiết để trung hoà thỡ do lực tương tỏc hoỏ học giữa hạt huyền phự và cỏc polyme mạnh, lượng chất keo tụ đó hấp phụ
thừa điện tớch cần để trung hoà và do vậy hạt keo sẽ bị thay đổi điện tớch từ (-) về (+), cựng dấu với điện tớch polyme và hệ huyền phự bền trở lại. Khi đó ở
trạng thỏi này và tiếp tục đưa chất keo tụ vào thỡ hiện tượng keo tụ tiếp tục nhưng theo cơ chế khỏc, tức là do kết tủa của hydroxyt nhụm, chỳng sẽ kết tủa và lụi cuốn, quột cỏc hạt huyền phự theo.