IV. Nhận xét và trả lời câu hỏi:
BÀI 3: THÍ NGHIỆM JARTEST
I. LÝ THUYẾT
1. Mục đích
- Giúp sinh viên ôn lại kiến thức cơ bản của môn học lý thuyết các quá trình hóa học hóa lý.
- Bài học gồm 2 phần thí nghiệm:
Xác định giá trị pH tối ưu của quá trình keo tụ tạo bông
- Giúp sinh viên tính toán từng lượng phèn thích hợp, pH, NaOH, H2SO4 theo thành phần, tính chất của mỗi loại nước sao cho phù hợp trong hệ thống xử lý nước cấp, nước thải theo phương pháp hóa lý.
2. Cơ sở lý thuyết
Xử lý bằng phương pháp keo tụ là cho vào trong nước một chất gọi là chất keo tụ có thể làm cho các hạt rất nhỏ biến thành những hạt lớn lắng xuống. Thông thường quá trình keo tụ tạo bông xảy ra qua hai giai đoạn sau:
Bản thân chất keo tụ phát sinh thủy phân quá trình hình thành dung dịch keo và ngưng tụ
Trung hòa hấp phụ lọc các tạp chất trong nước
Kết quả quá trình trên là hình thành các hạt lớn lắng xuống
Để thực hiện quá trình keo tụ, người ta cho vào nước các chất thích hợp như: phèn nhôm Al2(SO4)3, phèn PAC, phèn sắt FeSO4 hay loại FeCl3, các loại phèn này được đưa vào nước dưới dạng hòa tan.
- Khi cho phèn nhôm vào nước, chúng phân ly thành các ion Al3+, sau đó các ion này thủy phân thành Al(OH)3
Trong phản ứng thủy phân trên, ngoài Al(OH)3 là nhân tố quyết định hiệu quả keo tụ được tạo thành, còn giải phóng ra các ion H+. Các ion H+ này sẽ được khử bằng độ kiềm tự nhiên của nước (được đánh giá qua HCO3-). Trường hợp độ kiềm tự nhiên của nước thấp không đủ để trung hòa ion H+ thì cần phải kiềm hóa nước. Chất dung để kiềm hóa thong dụng nhất là vôi (CaO). Một số trường hợp khác có thể dung soda (Na2CO3) hoặc xút (NaOH).
Sau đây là các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ tạo bông khi sử dụng phèn nhôm: - Phèn PAC (Poly Aluminium Chloride) là chất trợ lắng, keo tụ trong xử lý cấp nước, nước thải, nước nuôi trồng thủy hải sản (đặc biệt nuôi tôm cá), dùng trong ngành dệt nhuộm, ngành giấy. Hóa chất PAC đang tạo ra một bước đột phá mới trong công nghệ xử lý nước hiện nay.
- Công thức hóa học: [Al2(OH)nCl6.nxH2O]m
- Thành phần hóa học cơ bản là Poly Aluminium Chloride, có them chất khử trùng gốc Chlorine.
3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ
Trị số pH của nước
Nước thiên nhiên sau khi đã cho phèn Al2(SO4)3, phèn PAC, phèn sắt FeSO4 hay loại FeCl3 vào, trị số pH của nó bị giảm thấp, vì Al2(SO4)3, phèn PAC, phèn sắt FeSO4 hay loại FeCl3 là một loại muối gồm acid mạnh, base yếu. Sự thủy phân có thể làm tăng tính acid của nước. Đối với hiệu quả keo tụ có ảnh hưởng, chủ yếu là trị số pH của nước sau khi cho phèn vào. Cho nên trị số pH dưới đây đều là trị số pH của nước sau khi cho phèn vào.
Trị số pH của nước có ảnh hưởng rất lớn và nhiều mặt đến quá trình keo tụ.
Ảnh hưởng của pH đối với độ hòa tan của nhôm hydroxit. Nó là một hydroxit lưỡng tính điển hình. Trị số pH của nước quá cao hoặc quá thấp đều đủ làm cho nó hòa tan, khiến hàm lượng nhôm dư trong nước tăng thêm.
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 làm cho hàm lượng Al3+ trong nước tăng nhiều
Khi trị số pH tăng cao đến 7.5 trở lên, Al(OH)3 có tác dụng như một acid làm cho gốc AlO2- trong nước xuất hiện
Khi trị số pH đạt đến 9 trở lên, độ hòa tan của Al(OH)3 nhanh chóng tăng lớn, sau cùng thành dung dịch muối nhôm.
Khi trong nước có SO42–, trong phạm vi pH = 5,5 – 7 trong vật kết tủa có muối sunfat
kiềm rất ít hòa tan. Trong phạm vi này, khi trị số pH biến đổi cao, muối sunfat kiềm ở hình thái Al2(OH)4SO4. Khi pH biến thấp ở dạng Al(OH)SO4.
Tóm lại trong phạm vi pH 5,5 – 7, lượng nhôm dư trong nước đều rất nhỏ.
Ảnh hưởng của pH đối với điện tích hạt keo nhôm hydroxit. Điện tích của hạt keo trong dung dịch nước có quan hệ với thành phần của ion 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 của nhôm sunfat mà hình thành. Khi pH<5, vì hấp phụ SO42– mà 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 trong nước. Chất hữu cơ trong nước như các thực vật bị thối rữa, khi pH thấp, dung dịch keo của axit humic mang điện âm. Lúc này, dễ dàng dùng chất keo tụ khử đi. Khi pH cao, nó trở thành muối axit humic dễ tan. Vì thế 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 ỵ của nó có quan hệ. Trị số điện thế ỵ càng nhỏ, lực đẩy giữa các hạt càng yếu, vì vậy tốc độ keo tụ của nó càng nhanh. Khi điện thế ỵ = 0, 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 ỵ của nó và điểm đẳng điện chủ yếu quyết định bởi trị số pH của nước. Nhôm hydroxit và các chất humic, đất sét hợp thành dung dịch keo trong nước thiên nhiên đều là lưỡng tính, cho nên pH là nhân tố chủ yếu ảnh hưởng đến tốc độ keo tụ.
Từ một số nguyên nhân trên, đối với một loại nước cụ thể thì không có phương pháp tính toán trị số pH tối ưu, mà chỉ xác định bằng thực nghiệm. Chất lượng nước khác nhau, trị số pH tối ưu khác nhau, nghĩa là cũng cùng một nguồn nước, các mùa khác nhau, trị số pH tối ưu cũng có thể thay đổi.
Khi dùng muối nhôm làm chất keo tụ, trị số pH tối ưu nói chung nằm trong giới hạn 6,5– 7,5. Quy luật nói chung là khi lượng chất keo tụ cho vào tương đối ít, dung dịch keo tự nhiên trong nước chủ yếu là dựa vào quá trình keo tụ bản thân nó mà tách ra, nên dùng pH tương đối thấp là thích hợp, vì khi này lượng điện tích dương của dung dịch keo nhôm hydroxit tương đối lớn. Như vậy, rất có lợi để trung hòa điện tích âm của dung dịch keo tự nhiên, giảm thấp điện thế ỵ của nó. Khi lượng phèn cho vào tương đối nhiều, chủ yếu là làm cho dung dịch keo nhôm hydroxit của bản thân chất keo tụ hình thành keo tụ càng tốt. Để khử đi vật huyền phù và dung dịch keo tự nhiên trong nước, là dựa vào tác dụng hấp phụ của dung dịch keo nhôm hyroxit, cho nên khi pH gần bằng 8 là thích hợp nhất, vì nhôm hydroxit dễ kết tủa xuống.
Nếu độ kiềm của nước nguồn quá thấp sẽ không đủ để khử tính axit do chất keo tụ thủy phân sinh ra. Kết quả làm cho trị số pH của nước sau khi cho phèn vào quá thấp. Ta có thể dùng biện pháp cho kiềm vào để điều chỉnh trị số pH của nước ra. Kiềm cho vào có thể dùng xút (NaOH), natricacbonat (Na2CO3) hay canxi hydroxit.
Lượng dùng chất keo tụ
Quá trình keo tụ không phải là một loại phản ứng hóa học đơn thuần, nên lượng phèn cần cho vào không thể căn cứ vào tính toán để xác định. Tùy điều kiện cụ thể khác nhau, phải làm thực nghiệm chuyên môn để tim ra lượng phèn tối ưu cho vào.
Lượng phèn tối ưu cho vào trong nước nói chung là 0,1 – 0,5mgđl/l, nếu dùng Al2(SO4)3.18H2O thì tương đương 10 – 50mg/l. nói chung vật huyền phù trong nước càng nhiều, lượng chất keo tụ cần thiết càng lớn. Cũng có thể chất hữu cơ trong nước tương đối ít mà lượng chất keo tụ vẫn cần tương đối nhiều.
Nhiệt độ nước
Khi dùng muối nhôm làm chất keo tụ, nhiệt độ nước ảnh hưởng lớn đến hiệu quả keo tụ. Khi nhiệt độ nước rất thấp (thấp hơn 50C), bông phèn sinh ra to mà xốp, chứa phần nước nhiều; lắng xuống rất chậm nên hiệu quả kém.
Khi dùng nhôm sunfat tiến hành keo tụ nước thiên nhiên, nhiệt độ nước tốt nhất là 25 – 300C. khi dùng muối sắt làm chất keo tụ, ảnh hưởng của nhiệt độ nước đối với hiệu quả keo tụ không lớn.
Tốc độ hỗn hợp của nước và chất keo tụ
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 một nhân tố trọng yếu ảnh hưởng đến quá trình keo tụ. Tốc độ khuấy 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 tố độ hình thành keo rất nhanh. Cho nên phải khuấy nhanh mới có khả năng sinh thành lượng lớn keo hydroxit hạt nhỏ làm cho nó nhanh chóng khuếch tán đến các nơi trong nước kịp thời cùng với các tạp chất trong nước tác dụng. Sau khi hỗn hợp hình thành bông phèn và lớn lên, không nên khuấy quá nhanh, không những bông phèn khó lớn lên mà còn có thể đánh vỡ những đám bông phèn đã hình thành.
Nếu cho các ion ngược dấu vào dung dịch nứơc có thể khiến dung dịch keo tụ. Cho nên ion ngược dấu là một loại tạp chất ảnh hưởng đến quá trình keo tụ. Khi dùng Al2(SO4)3 làm chất keo tụ, dung dịch Al(OH)3 sinh 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 chứa tổng nồng độ 10mgđl/l của ba loại anion : HCO3-, SO22-, Cl- và cho thấy HCO3- hay SO42- + Cl- với lượng quá nhiều đều làm cho hiệu quả keo tụ xấu đi. Nhưng vì ảnh hưởng đó rất phức tạp, hiện nay, người ta chưa nắm chắc được quy luật của nó.
Khi trong nước có chứa một lượng lớn chất hữu cơ cao phân tử (như axit humic), 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. Trường hợp này có thể dùng biện pháp cho Clo hay khí Ozon vào để phá hủy các chất hữu cơ đó.
Môi chất tiếp xúc
Khi tiến hành keo tụ hay 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 đó có tác dụng làm môi chất tiếp xúc, trên bề mặt của nó có tác dụng hấp phụ, thúc đẩy và tác dụng của các hạt cặn 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, khi thiết kế thiết bị hoặc điều chỉnh vận hành, có thể trứơc tiên tiến hành thí nghiệm mẫu ở phòng thí nghiệm bằng thiết bị Jartest.