CỔ PHẦN ĐẦU TƯ PHƯỚC LONG, QUẬN 9, TP HỒ CHÍ MINH
4.1.3 Phương pháp keo tụ dùng hệ keo ngược dấu:
Trong quá trình này người ta sử dụng muối nhôm hoặc muối sắt hoá trị III, còn gọi là phèn nhôm hay sắt làm chất keo tụ, đây là hai loại hoá chất rất thông dụng. Các muối này được đưa vào dưới dạng muối hoà tan, trong dung dịch chúng phân ly thành các cation và anion theo phản ứng sau:
Al2(SO4)3 → 2Al3+ + SO42- FeCl3 → Fe3+ + 3Cl-
Nhờ hoá trị cao của các ion kim loại , chúng có khả năng ngậm nước tạo thành các phức chất hexa Me(H2O)63+ ( trong đó Me3+ có thể là Al3+ hay Fe3+ ).
Tuỳ thuộc vào giá trị pH của môi trường mà chúng có khả năng tồn tại ở các dạng khác nhau, ví dụ với nhôm các phức chất này chúng tồn tại ở pH từ 3 đến 4; còn 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- + H3O+
Với nhôm khi pH bắt đầu từ 6 trở lên và với sắt khi pH từ 5 trở lên , các phản ứng dừng lại ở trạng thái hydroxyt Me(OH)3 kết tủa lắng xuống. Độ hoà tan của các hydroxyt này là quá nhỏ nên ở pH tối ưu các ion kim loại này được tách hết ra khỏi nước. Quá trình tạo thành Me(OH)4 – chỉ xảy ra khi pH của nước lớn hơn 7,5 đối với nhôm và 10 đối với sắt .
Các sản phẩm hydroxyt tạo thành trong phạm vi pH từ 3 đến 6, đó là các sản phẩm mang nhiều nguyên tử kim loại. Các hợp chất này mang điện dương mạnh và có khả năng kết hợp với các hạt keo tự nhiên mang điện tích âm tạo thành bông cặn.
Các hydroxyt sắt tạo thành khác nhau tuỳ 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 này khi lớn sẽ hấp phụ, cuốn theo các hạt keo hạt bẩn hữu cơ, chất mang mùi vị… tồn tại ở trạng
thái hoà tan hoặc lơ lửng trong nước. Mặt khác, các ion kim loại tự do còn kết hợp với nước qua phản ứng thủy phân cũng tạo thành các hydroxit.
Để tăng cường quá trình tạo bông keo với mục đích tăng tốc độ lắng, người ta tiến hành quá trình keo tụ bằng cách cho thêm vào nước thải các hợp chất cao phân tử gọi là chất trợ keo tụ. Việc sử dụng các hợp chất trợ keo tụ cho phép hạ thấp liều lượng chất keo tụ , giảm thời gian quá trình đông tụ và nâng cao tốc độ lắng của bông keo.
Các chất trợ keo tụ có hai nguồn gốc tự nhiên và tổng hợp. Các chất trợ keo tụ có nguồn gốc tự nhiên là tinh bột, dextrin, các ete, xenlullo và dioxit silic hoạt tính,… trong khi đó các chất có nguồn gốc tổng hợp thường dùng là polyacryamit, polyacrylic axit, polydiallydimetyl - amon, polyalumilum chloride (PAC),…
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ tạo bông bằng phèn nhôm:
Trị số pH của nước :
Nước thải sau khi đã cho phèn nhôm vào thì trị số pH của nước giảm vì phèn nhôm là một loại giữa muối axit mạnh và bazơ yếu. Sự thủy phân của nó có thể tăng thêm tính axit của nước do phản ứng thủy phân sản sinh ra H+. Trị số pH của nước có ảnh hưởng rất lớn và nhiều mặt đến quá trình keo tụ.
Ảnh hưởng của độ pH đối với việc hoà tan nhôm hydrôxit:
Nó là một hydroxit lưỡng tính điển hình. Trị số pH của nước quá cao hoặc quá thấp đều làm cho nó hoà tan, khiến hàm lượng nhôm dư trong nước tăng lên.
Khi trị số pH giảm thấp đến 5.5 trở xuống, Al(OH)3 có tác dụng rõ ràng như một chất kiềm, làm cho hàm lượng Al3+ trong nước tăng nhiều, như phản ứng sau :
Al(OH)3 + 3H+ → Al3+ + 3H2O
Khi pH của nước tăng cao đến 7.5 trở lên, Al(OH)3 có tác dụng như một axit làm cho gốc AlO2- trong nước xuất hiện như phản ứng sau :
Al(OH)3 + OH- → AlO2- + 2H2O
Khi trị số pH đạt 9 trở lên, độ hoà tan của Al(OH)3 nhanh chóng tăng lên sau cùng thành dung dịch muối nhôm.
Khi trong nước có anion SO42-, trong phạm vi pH = 5.5 – 7 sẽ hình thành muối sunfat kiềm rất ít hoà tan. Trong phạm vi này khi trị số pH cao, muối sunfat kiềm sẽ ở hình thái Al2(OH)4SO4 còn khi pH = 5.5 – 7 lượng nhôm dư trong nước đều rất nhỏ.
Ảnh hưởng của pH đến điện tích hạt keo nhôm hydroxit
Điện tích của hạt keo trong nước , đặc biệt là với nồng độ ion H+ . Cho nên trị số pH đối với tính năng mang điện của hạt keo có ảnh hưởng rất lớn. Khi 5< pH <8, nó mang điện dương, cấu tạo của đám keo này do sự phân hủy nhân sunfat mà hình thành. Khi pH nhỏ hơn 5 vì hấp phụ SO42- mà nó mang điện tích âm, khi pH = 8, nó tồn tại ở hình thái hydroxit trung tính, vì thế mà dễ dàng kết tủa nhất.
Ảnh hưởng của pH đối với các chất hữu cơ có trong nước
Chất hữu cơ trong nước do thực vật bị thối rữa. Khi pH thấp thì dung dịch keo của axit humic mang điện tích âm, lúc này dễ dàng dùng chất keo khử đi; Khi pH cao nó trở thành muối axit humic dễ tan. Vì vậy mà hiệu quả khử đi tương đối kém. Dùng muối nhôm khử loại này thích hợp nhất ở pH = 6 – 6.5.
Ảnh hưởng của pH đối với tốc độ keo tụ dung dịch keo
Tốc độ keo tụ dung dịch keo và điện thế zeta của nó có quan hệ. Trị số điện thế zeta càng nhỏ, lực nẩy giữa các hạt càng nhỏ, vì vậy tốc độ keo tụ của
nó càng nhanh. Khi điện thế zeta bằng không nghĩa là đạt đến điểm đẳng điện, tốc độ keo tụ của nó lớn nhất.
Dung dịch keo hình thành từ hợp chất lưỡng tính, điện thế zeta của nó và điểm đẳng điện chủ yếu quyết định bởi trị số pH của nước. Nguyên nhân do :
Dqd qd π ξ = 4 Trong đó: ξ : điện thế zeta
q : điện tích trên đơn vị diện tích D: hằng số điện môi chất lỏng.
d : chiều dày lớp xung quanh mặt cắt trong vùng đó điện thế vẫn tồn tại.
Trong đó, giá trị của q và d bị ảnh hưởng bởi giá trị pH của nước.
Liều lượng chất keo tụ
Quá trình keo tụ không phải là một loại phản ứng hoá học đơn thuần nên lượng phèn cho vào không thể dựa vào tính toán để xác định. Cần phải tiến hành thực nghiệm chuyên môn để tìm ra lượng phèn cho vào tối ưu. Nói chung huyền phù trong nước càng nhiều, lượng chất keo tụ cần thiết càng lớn. Cũng có thể chất hữu cơ trong nước tuy ít mà lượng chất hữu cơ cần nhiều.
Lượng phèn tối ưu cho vào trong nước nói chung là 0,1 – 0,5 mgđ/l, nếu dùng Al2(SO4).18H2O thì tương đương 10 – 50 mg/l.
Nhiệt độ của nước :
Khi dùng muối nhôm làm chất keo tụ, nhiệt độ nước ảnh hưởng lớn đến hiệu quả quá trình keo tụ, khi nhiệt độ nước rất thấp (< 5oC) bông phèn sinh ra to nhưng xốp chứa nhiều nước, lắng xuống rất chậm nên hiệu quả kém.
Khi dùng nhôm sunfat làm chất keo tụ thì nhiệt độ tốt nhất là từ 25 – 30oC.
Khi dùng muối sắt làm chất keo tụ, ảnh hưởng của nhiệt độ nước đối với hiệu quả keo tụ không lớn.
Điều kiện khuấy trộn :
Quan hệ tốc độ hỗn hợp của nước và chất keo tụ đến tính phân bổ đồng đều của chất keo tụ và cơ hội va chạm giữa các hạt keo cũng là nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình keo tụ. Tốc độ khấy tốt nhất là từ nhanh chuyển sang chậm. Khi mới cho chất keo tụ vào nước phải khuấy nhanh vì sự thủy phân của chất keo tụ trong nước và tốc độ hình thành keo rất nhanh.
Cho nên phải khuấy nhanh mới có khả năng tạo thành lượng lớn keo hydroxit hạt nhỏ làm cho nó nhanh chóng khuếch tán đến các nơi trong môi trường nước, kịp thời tác dụng với các tạp chất trong nước.
Sau khi hỗn hợp hình thành bông phèn và lớn lên thì không nên khuấy quá nhanh vì không những bông phèn khó lớn lên mà còn có thể đánh vở những đám bông phèn đã hình thành.
Tạp chất trong nước :
Vì khi cho phèn nhôm vào nước đóng vai trò là chất keo tụ, dung dịch keo Al(OH)3 hình thành thường mang điện tích dương nên ảnh hưởng của tạp chất trong nước đến quá trình keo tụ dung dịch keo chủ yếu là anion.
Người ta đã tiến hành thí nghiệm các loại dung dịch có tổng nồng độ là 10 mg đương lượng / lít của ba loại anion: HCO3-, SO42-, Cl- và cho thấy HCO3- hoặc SO42- , Cl- với lượng quá nhiều đều làm cho hiệu quả keo tụ xấu đi.
Khi trong nước có chứa một lượng lớn các chất hữu cơ cao phân tử, nó có thể hấp phụ trên bề mặt dung dịch keo dẫn tới tác dụng bảo vệ dung dịch keo làm cho hạt keo thu được khó keo tụ nên hiệu quả keo tụ trở nên xấu đi.
Môi chất tiếp xúc :
Khi tiến hành keo tụ hoặc xử lý bằng phương pháp kết tủa khác, nếu trong nước duy trì một lớp cặn bùn nhất định, khiến quá trình kết tủa càng hoàn toàn, làm cho tốc độ kết tủa nhanh thêm.
Lớp cặn bùn có tác dụng làm môi chất tiếp xúc, trên bề mặt của nó có tác dụng hấp phụ, tác dụng của các hạt bùn đó như những hạt nhân kết tinh. Cho nên hiện nay thiết bị dùng để keo tụ hoặc xử lý bằng kết tủa khác, phần lớn thiết kế có lớp cặn bùn.
Rất nhiều nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả keo tụ. Để tìm ra điều kiện tối ưu để xử lý bằng keo tụ, thiết kế thiết bị hoặc điều chỉnh vận hành, có thể trước tiên tiến hành thí nghiệm mẫu ở phòng thí nghiệm bằng mô hình Jartest.