Nhiệt độ sôi (P 0 PC) ở 100mmHg 286 Chỉ số khúc xạ nRD 1,4582
III. Cơ chế tẩy rửa. [1,3,4]
III.1. Các yếu tố ảnh h ởng đến quá trình tẩy rửa.
Sự tẩy rửa đ ợc định nghĩa là “làm sạch của một vật thể rắn, với một tác nhân riêng biệt, chất tẩy rửa, theo một tiến trình lý hoá khác hẳn với việc hoà tan đơn thuần”.
Quá trình tẩy rửa của dung dịch tẩy rửa là một quá trình rất phức tạp bao gồm vô số các ảnh h ởng vật lý và hoá học tác động qua lại lẫn nhau.
Các thành phần tham gia vào quá trình tẩy rửa : - Chất bẩn.
- Bề mặt nhiểm bẩn.
- Kỹ thuật tẩy rửa.
- Chất tẩy rửa.
29
Đặc tính tẩy rửa rất nhạy cảm với các yếu tố nh tính chất của bề mặt nhiểm bẩn (bề mặt cứng, các loại sợi vải), các loại chất bẩn (bẩn dạng hạt, vết
bẩn có dầu, vết bẩn hỗn hợp), kỹ thuật tẩy rửa (các tác động cơ học, nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ phối trộn chất tẩy rửa/n ớc, qui trình tẩy rửa), chất l ợng của n ớc (độ cứng của n ớc, hàm l ợng bẩn, hàm l ợng ion kim loại nh Fe, Cu, Mn...) và thành phần chất tẩy rửa. Khả năng tẩy rửa sẽ đ ợc nâng cao khi bằng cách tăng tác động cơ học, thời gian và nhiệt độ tẩy rửa. Tuy nhiên để đ a ra một công nghệ tẩy rửa phù hợp phải tính đến sự tác động qua lại giữa bề mặt
nhiểm bẩn, chất bẩn và thành phần chất tẩy rửa.
III.2. Cơ chế tẩy rửa.
Trong bất cứ quá trình tẩy rửa thực tế nào, tất cả các cơ chế khác nhau có thể xảy ra đồng thời hoặc không đồng thời. Do đó, cơ chế này ảnh h ởng đến cơ chế khác theo một cách hổ trợ lẫn nhau.
Một chất tẩy rửa hiệu quả phải có những tính chất sau:
Có đặc tính thấm ớt tốt sao cho chất tẩy rửa có thể tiếp xúc mật
thiết với bề mặt cần đ ợc làm sạch.
Có khả năng tách hay hổ trợ để tách các chất bẩn vào khối chất lỏng (lấy đi các vết bẩn khỏi bề mặt nhiễm bẩn).
Khả năng hòa tan hay phân tách chất bẩn đã đ ợc tách ra và ngăn
chúng tái bám trở lại vào bề mặt đã đ ợc làm sạch.
ở đây chúng ta chỉ xét cơ chế lấy đi của chất bẩn khỏi bề mặt bị nhiễm bẩn với hai loại chất bẩn th ờng gặp: các vết bẩn có chất béo (mỡ hay dầu) và vết bẩn dạng hạt (các hạt mịn). Các vết bẩn dạng béo hay dạng hạt này có thể
tồn tại độc lập hay hòa lẫn vào nhau với tỷ lệ khác nhau. Sẽ rất phức tạp nếu chúng ta xét khi chúng trộn lẫn với nhau. Để đơn giản, chúng ta chỉ xét việc tẩy các vết bẩn có chất béo rồi đến các chất dạng hạt tách biệt hẳn nhau. Các
30
vết bẩn có chất béo có thể do từ bã nhờn nơi cơ thể con ng ời hay do tiếp xúc với các chất béo ở môi tr ờng (thức ăn, dầu máy, mỹ phẩm,...). Các vết bẩn dạng hạt bao gồm oxit kim loại, đất sét hay các hợp chất cacbon…
III.2.1. Tẩy rửa các chất bẩn dạng hạt.
Việc tẩy rửa vết bẩn dạng hạt (oxit kim loại, đất sét hay các hợp chất cacbon…) có thể đ ợc tiến hành qua hai ph ơng pháp sau:
o Theo thuyết nhiệt động học và động học. o Theo ph ơng thức Lanza.
Thuyết nhiệt động học và điện học:
Giải thích các hiện t ợng bám và tẩy các vết bẩn dạng hạt dựa trên
thuyết về điện và thuyết hấp thụ. Sau đây là lý thuyết về điện chủ yếu dựa trên
thuyết của Dujaguin- Landau- Vervey và Overbeck.
Xét một bề mặt F và một hạt P. ở một khoảng cách δ cho tr ớc thì F và P đều chịu các lực hút (Van Der Waals) hay lực đẩy (tĩnh điện). Có thể biểu diễn các lực đẩy và lực hút của F và P tuỳ theo khoảng cách của chúng nh hình 1.1.
31
Ta minh họa thế năng do các lực hút và đẩy chồng lên nhau nh hình 1.2
Khi δ =0 tức F tiếp xúc với P thì có sự gắn liền nhau do lực hút. Để tách
rời cất bẩn dạng hạt P ra khỏi bề mặt rắn F có thể biểu diễn bằng sơ đồ sau: Sự tách hạt P ra khỏi bề mặt rắn F phải tiến hành qua 3 giai đoạn:
- Giai đoạn I: cung cấp một công WR1R để tách P ra khỏi bề mặt F một khoảng cách.
- Giai đoạn II: dung dịch tẩy len vào khoảng cách giữa các hạt với bề mặt rắn. Khi đó toàn bộ công đ ợc biểu diễn nh sau:
32
Trong đó:
WR1R: công đ ợc cấp. J: công đ ợc tạo nên.
J = γFP −γFE −γPE
Với: γFP : sức căng giao diện giữa bề mặt và hạt trong thể I. PE
,γ
γFE : sức căng giao diện của bề mặt & hạt với dung dịch tẩy trong thể Sự thêm các chất HĐBM là giảm γFE ,γPE và do đó tăng J. Lúc này AW giảm do vậy việc tách hạt bẩn ra khỏi bề mặt rắn dễ dàng hơn. Đó là khía cạnh nhiệt động học trong quá trình tẩy rửa.
Giải thích về điện học:
Trong ph ơng trình (*), khi AW yếu khi W1 yếu. Điều này diễn ra nếu
lực đẩy lớn hay lực hút yếu. Nói cách khác, ta phải có thế năng của lực hút yếu nhất.
Từ hình vẽ ta thấy khi công cung cấp để tách P ra khỏi bề mặt rắn một
khoảng cách δ yếu hơn do có lực đẩy mạnh, điều này giải thích tại sao chất HĐBM trong dung dịch bị hút trên các hạt và các bề mặt làm gia tăng lực đẩy giữa chúng giúp cho việc tẩy sạch trở nên dẽ dàng hơn.
Theo ph ơng thức Lanza.
Ph ơng thức này dùng cho cả hai dạng chất bẩn (chất béo và dạng hạt) dự theo nguyên tắc vết bẩn tự tách rời khỏi bề mặt rắn khi mà có năng l ợng tự do ở cuối cùng (đ ợc tẩy sạch) kém hơn ở thể ban đầu (bị vấy bẩn) theo ph ơng trình sau đây:
FP
PE γ γ
33
Các chất HĐBM làm giảm sức căng giao diện γPE,γFE cho đến khi tình
trạng tổng của chúng nhỏ hơn γFP. Thì lúc này hạt bẩn tự động tách ra khỏi bề mặt rắn d ới tác dụng của cơ học.
Đối với vết bẩn do hỗn hợp của chất béo và các hạt thì chất béo và các
hạt sẽ tách rời một cách tự động ra khỏi nhau khi mà γHP >γHF +γPF (tức là
tổng sức căng giao diện của chất béo/ bề mặt rắn và các hạt bẩn/bề mặt rắn nhỏ hơn sức căng giao diện giữa chất béo/ các hạt bẩn).
III.2.2. Tẩy rửa vết bẩn có chất béo. Cơ chế “Rolling up” (cuốn đi):
Xét một chất béo O (dầu) và một bề mặt rắn F. Việc lấy đi vết bẩn O khỏi bề mặt F có thể đ ợc biểu diễn qua sơ đồ sau:
Khi giọt dầu O (ở thể I) tiếp xúc với bề mặt F thì giọt dầu sẽ trải ra cho đều khi đạt đ ợc một cân bằng với một góc tiếp giáp θ0đ ợc xác định bởi bề
mặt rắn F và đ ờng tiếp tuyến của giao diện dầu/n ớc (ở thể II). ở đây có sự
tiếp xúc giữa 3 pha: rắn – dầu – n ớc. Tuỳ theo t ơng tác giữa ba pha này mà giọt chất lỏng lan ra theo bề mặt hay thu hẹp về dạng hình cầu, θ0 gọi là
góc thấm ớt.
Nếu bỏ qua tác dụng của trọng lực ta có năng l ợng tự do của thể II có thể đ ợc viết theo ph ơng trình sau:
ERFWR= ERFOR + EROWR. cosθ0 (1)
Trong đó: ERFWR: năng l ợng tự do bề mặt/ n ớc.
ERFOR: năng l ợng tự do bề mặt/dầu.
34
Năng l ợng tự do tính trên một đơn vị diện tích bằng sức căng giao diện hay bề mặt. Ph ơng trình (1) trở thành:
Trong đó: γFW: sức căng giao diện bề mặt rắn/n ớc. FO
γ : sức căng giao diện bề mặt rắn/dầu. OW
γ : sức căng giao diện dầu/n ớc. 0
0
0 , 180
0 ≤θ θw ≤
Nếu thêm một l ợng nhỏ chất hoạt động bề mặt vào trong n ớc thì giá trị w
θ sẽ thấp hơn và cosθ 0 sẽ tăng lên. Hầu hết các chất HĐBM đ ợc sử dụng
trong việc tẩy rửa đều rất ít hoặc không tan trong pha dầu, do đó sẽ không ảnh
h ởng tới γFO. Khi nó bị hấp phụ với một l ợng nhất định ở bề mặt phân cách
pha bề mặt rắn/n ớc hoặc n ớc/dầu tạo ra một màng mỏng đơn phân tử nó sẽ
làm giảm γFW và γOW vì vậy: OW FW FO w γ γ γ θ = − cos sẽ tăng lên.
Màng mỏng của phân tử chất HĐBM bị hấp phụ ở bề mặt rắn thay thế
dầu do lực bám dính của nó mạnh hơn về phía bề mặt. Khi tăng dần l ợng chất HĐBM thì góc θw sẽ giảm dần đến khi nó gần bằng không. ở điều kiện đó dầu đã hầu nh tách ra hoàn toàn khỏi bề mặt rắn và cuốn lại thành giọt
(hình c). Sau đó những giọt này dễ dàng tách ra khỏi bề mặt rắn và đi vào trong pha n ớc do tác động cơ học.
35
Để thay thế hoàn toàn dầu bởi pha dung dịch góc θw phải bằng 0, n ớc chiếm trên bề mặt và khi đó cosθw = 1. Dầu sẽ bị thay thế hoàn toàn khỏi bề
mặt dung dịch chất HĐBM nếu sức căng gao diện của bề mặt với dầu lớn hơn của dung dịch với bề mặt một l ợng ít nhất bằng sức căng giao diện giữa n ớc
và bề mặt. γFO −γFW ≥γOW (3).
Hiện t ợng hòa tan hóa:
Cơ chế “ Rolling up” chỉ liên quan đến các vết bẩn ở thể lỏng có chất béo
và chủ yếu nhờ các chất HĐBM làm giảm sức căng bề mặt giao diện. Sau khi
có đ ợc CMC thì không còn giảm sức căng giao diện nữa, cho nên hiệu ứng
“Rolling up” không tăng khi có nồng độ này. Tuy nhiên, ng ời ta thấy khả
năng tẩy rửa vẫn gia tăng khi đạt đến nồng độ này, ta cần phải nhờ đến một cơ
chế khác đó là sự hoà tan hóa.
Lý thuyết này đã đ ợc đ a ra tr ớc hết Mc Bam vào năm 1942, rồi lại đ ợc Ginn, Brown và Harris khẳng định lại năm 1961. Các phân tử của các
chất HĐBM kết hợp với nhau trong các dung dịch loãng để hình thành các
mixen ở nồng độ nào đó đ ợc gọi là “nồng độ mixen tới han”. Trong các mixen, phần kỵ n ớc của phân tử chất HĐBM quay về phía trong, trong khi phần a n ớc lại h ớng về phía n ớc. Rất nhiều hợp chất không hòa tan trong
n ớc nh các axit béo, r ợu béo, triglyxerin, hydrocacbon lại đ ợc hòa tan bên trong các mixen. Nếu các phân tử hòa tan có cực (chẳng hạn hydroxyl hay cacboxyl) thì các phân tử đó, nói chung tìm thấy ở phần a n ớc của mixen.
L u ý rằng sự hòa tan chỉ đ ợc diễn ra khi nồng độ chất HĐBM cao hơn so
với CMC.
Một đặc tính hấp dẫn của những dung dịch chất HĐBM là khả năng làm tăng độ hòa tan một vài chất hữu cơ thực tế không hòa tan trong n ớc (nh chất hydrocacbon). Hiện t ợng này đ ợc gọi là sự hòa tan hóa, diễn ra do sự
36
việc hội nhập các chất hữu cơ này vào trong các mixen của chất HĐBM. Các
phân tử đã bị hòa tan đ ợc hội nhập vào trong các mixen theo ba cách khác
nhau nh sơ đồ hình 4cho thấy:
Các phân tử không cực nh heptan ở bên trong các mixen không hề tiếp xúc với n ớc. Các phân tử có cực nh heptanol đ ợc hội nhập vào cùng một cách thức nh các phân tử của những tác nhân bề mặt. Các phân tử có cực ở trên lớp bên ngoài của mixen.
Việc hoà tan là một ví dụ về sự hình thành các mixen trong hỗn hợp. Sự hình thành này có thể đ ợc xem nh một tr ờng hợp riêng biệt của hiện t ợng hòa tan đ ợc biết với tên gọi “tính h ớng n ớc”. Hiện t ợng này bao gồm việc hòa tan của một chất nào đó (chẳng hạn ABS) trong một dung môi (nh n ớc) đ ợc gia tăng mạnh mẽ bằng cách thêm vào những hợp chất khác (Toluen Sulfonat Natri). Sự hòa tan hóa khác hẳn với tính h ớng n ớc bởi với một l ợng tác nhân gây tan rất nhỏ cũng đủ hòa tan đ ợc các chất hữu cơ.
Sự hoà tan tuỳ thuộc vào số l ợng và cỡ hạt các mixen. Càng có nhiều
mixen trong dung dịch thì sự hoà tan hóa càng quan trọng. Mặt khác, ng ời ta giả thiết rằng các mixen cỡ lớn có khả năng lớn hơn để hòa tan các chất hữu cơ. Điểm đục của những NI có thể đ ợc xem nh là sự báo hiệu hình thành
các mixen siêu lớn. Điều này có thể giải thích tại sao sự hòa tan hóa là rất quan trọng xung quanh điểm đục đối với các chất NI.
37
Vậy để có sự tẩy rửa tốt ta không những cần giảm sức căng bề mặt (cơ chế “Rolling up”) mà còn phải tăng nồng độ các chất HĐBM để hình thành các mixen và có đ ợc một số mixen đủ tuỳ theo l ợng vết bẩn béo có mặt trong dung dịch giặt rửa.
IV. Các ph ơng pháp xử lý n ớc thải có chứa dầu. [1]
N ớc là một hợp chất liên quan trực tiếp và rộng rãi đến sự sống trên trái
đất, là cơ sở sự sống của mọi sinh vật. Đối với thế giới vô sinh, n ớc là một thành phần tham gia rộng rãi vào các phản ứng hoá học, là dung môi và là môi tr ờng tàng trữ các điều kiện để thúc đẩy hay kìm hãm các quá tình hoá học.