Trong nguồn nước, một phần các hạt thường tồn tại ở dạng các hạt keo mịn phân tán, kích thước của hạt thường dao động trong khoảng 0,1 đến 10 m. Các hạt này khơng nổi cũng khơng lắng, và do đĩ tương đối khĩ tách loại. Vì kích thước hạt nhỏ, tỷ số diện tích bề mặt và thể tích của chúng rất lớn nên hiện tượng hĩa học bề mặt trở nên rất quan trọng.
Theo nguyên tắc, các hạt nhỏ trong nước cĩ khuynh hướng keo tụ do lực hút Vander Waals giữa các hạt. Lực này cĩ thể dẫn đến sự dính kết giữa các hạt ngay khi khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ nhờ va chạm. Sự va chạm xảy ra do chuyển động Brown và do tác động của sự xáo trộn. Tuy nhiên, trong trường hợp phân tán keo, các hạt duy trì trạng thái phân tán nhờ lực đẩy tĩnh điện vì bề mặt các hạt mang tích điện, cĩ thể là điện tích âm hoặc điện tích dương nhờ sự hấp thụ cĩ chọn lọc các ion trong dung dịch hoặc sự ion hĩa các nhĩm hoạt hĩa. Trạng thái lơ lửng của các hạt keo được bền hĩa nhờ lực đẩy tĩnh điện. Do đĩ, để phá tính bền của hạt keo cần trung hịa điện tích bề mặt của chúng, quá trình này được gọi là quá trình keo tụ. Các hạt keo đã bị trung hịa điện tích cĩ thể liên kết với những hạt keo khác tạo thành bơng cặn cĩ kích thước lớn hơn, nặng hơn và lắng xuống, quá trình này được gọi là quá trình tạo bơng.
Những chất keo tụ thường dùng nhất là các muối sắt và muối nhơm như:
Al2(SO4)3, Al2(SO4)2.18H2O, NaAlO2, Al2(OH)5Cl, Kal(SO4)2.12H2O, NH4Al(SO4)2.12H2O, FeCl3, Fe2(SO4)2.2H2O, Fe2(SO4)2.3H2O, Fe2(SO4)2.7H2O.
Một đặc điểm của một số loại phèn. Muối Nhơm:
Trong các loại phèn nhơm, Al2(SO4)3 được dùng rộng rãi nhất do cĩ tính hịa tan tốt trong nước, chi phi thấp và hoạt động cĩ hiệu quả trong khoảng pH = 5,5÷7,5.
Quá trình điện ly và thủy phân Al2(SO4)3 xảy ra như sau: Al3+ +H2O Al(OH)2+ + H+ Al(OH)2+ + H2O Al(OH)2+ + H+ Al(OH)2+ + H2O Al(OH)3↓ + H+
Ngồi ra, Al2(SO4)3 cĩ thể tác dụng với Ca(HCO3)2 trong nước theo phương trình phản ứng sau:
Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 Al(OH)3↓ + 3CaSO4 + 6CO2
Trong phần lớn các trường hợp, người ta sử dụng hỗn hợp NaAlO2 và Al2(SO4)3 theo tỷ lệ (10:1) – (20:1). Phản ứng xảy ra như sau:
6NaAlO2 + Al2(SO4)3 + 12H2O 8 Al(OH)3↓ + 2Na2SO4
Việc sử dụng hỗn hợp muối trên cho phép mở rộng khoảng pH tối ưu của mơi trường cũng như tăng hiệu quả quá trình keo tụ tạo bơng.
Muối Sắt:
Các muối sắt được sử dụng làm chất keo tụ do cĩ nhiều ưu điểm sau: - Tác dụng tốt hơn ở nhiệt độ thấp.
- Fe2(SO4)3 cĩ giá trị pHtối ưu = 5÷9. - FeCl3 cĩ khoảng giá trị pHtối ưu = 4÷11. - Cĩ thể khử mùi H2S.
Tuy nhiên, các muối sắt cũng cĩ nhược điểm là tạo thành phức hịa tan cĩ màu do phản ứng của ion sắt với các hợp chất hữu cơ. Quá trình keo tụ sử dụng muối sắt xảy ra do theo cơ chế: FeCl3 + 3H2O Fe(OH)3↓ + HCl
Trong điều kiện kiềm hĩa: 2FeCl3 + 3Ca(OH)2 Fe(OH)3↓ + 3CaCl2 Poly Aluminium Chloride (PAC):
Một trong những chất keo tụ thế hệ mới, tồn tại dưới dạng polime vơ cơ là poli nhơm clorua (polime aluminium chloride), thường viết tắt là PAC (hoặc PACl). Hiện nay, ở các nước tiên tiến người ta đã sản xuất PAC với lượng lớn và sử dụng rộng rãi để thay thế phèn nhơm sunfat trong xử lý nước sinh hoạt và đặc biệt là xử lí nước thải.
- Hiệu quả keo tụ và lắng trong > 4÷5 lần. Tan trong nước tốt, nhanh hơn nhiều, ít làm biến động độ pH của nước nên ko phải dùng NaOH để xử lí và do đĩ ít ăn mịn thiết bị hơn.
- Khơng làm đục nước khi dùng thừa hoặc thiếu.
- Khơng cần (hoặc dùng rất ít) phụ gia trợ keo tụ và trợ lắng. - [Al] dư trong nước < so với khi dùng phèn nhơm sunfat.
- Khả năng loại bỏ các chất hữu cơ tan và khơng tan cùng các kim loại nặng tốt hơn.
- Khơng làm phát sinh hàm lượng SO42- trong nước thải sau xử lí là loại cĩ độc tính đối với vi sinh vật.
Chất Trợ Keo Tụ:
Để tăng hiệu quả quá trình keo tụ tạo bơng, người ta thường sử dụng các chất trợ keo tụ (flucculant). Việc sử dụng chất trợ keo tụ cho phép giảm liều lượng chất keo tụ, giảm thời gian quá trình keo tụ và tăng tốc độ lắng của các bơng keo. Các chất trợ keo tụ nguồn gốc thiên nhiên thường dùng là tinh bột, dextrin (C6H10O5)n, các ete, cellulose, dioxit silic hoạt tính (xSiO2.yH2O). Các chất trợ keo tụ tổng hợp thường dùng là polyacrylamit (CH2CHCONH2)n. Tùy thuộc vào nhĩm ion khi phân ly mà các chất trợ đơng tụ cĩ điện tích âm hoặc dương như polyacrylic acid (CH2CHCOO)n hoặc polydiallyldimetyl-amon.