1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ
Quá trình keo tụ phụ thuộc vào hai cơ chế chính là trung hồ điện tích và hấp phụ tạo cầu nối. Vì thế các yếu tố nào ảnh hƣởng đến hai quá trình trên đều gây ảnh hƣởng đến q trình keo tụ tạo ơng.
1.3.2.1 Ảnh hưởng của pH [10]
pH là một yếu tố cực kỳ quan trọng đối với q trình keo tụ. Thơng thƣờng, ở pH thấp các chất hữu cơ mang điện tích âm và pH cao chúng mang điện tích dƣơng. Ảnh hƣởng của pH đến tốc độ đông tụ của dung dịch keo: tốc độ đông tụ của dung dịch keo và điện thế ξ (ZETA) có quan hệ tƣơng tác. Trị số ξ càng nhỏ, lực đẩy giữa các hạt keo càng yếu, nên tốc độ đông tụ càng nhanh. Khi điện thế ξ ằng không, nghĩa là đạt đến điểm đẳng điện, tốc độ đông tụ của lớn nhất.
Dung dịch keo hình thành từ hợp chất lƣỡng tính, trị số ξ và điểm đẳng điện chủ yếu quyết định ởi trị số pH của nƣớc.
14
Do đó, để đạt đƣợc hiệu quả keo tụ tốt nhất thì phải chọn trị số pH thích hợp cho từng loại nƣớc thải riêng. Trị số pH này gọi là pH tối ƣu. Đối với mỗi loại nƣớc khác nhau sẽ có pH tối ƣu khác nhau và khơng có một phƣơng pháp nào tính tốn mà phải dựa vào thực nghiệm thơng qua thí nghiệm Jartest trên từng loại nƣớc thải riêng.
1.3.2.2 Ảnh hưởng của liều lượng chất keo tụ [10]
Q trình keo tụ khơng phải là một phản ứng hóa học, nên lƣợng chất keo tụ cho vào không thể dựa vào các tính tốn để xác định. Tùy vào loại nƣớc khác nhau, tùy vào hàm lƣợng chất keo mà phải tiến hành thực nghiệm để xác định trị số pH tối ƣu.
1.3.2.3 Ảnh hưởng của độ đục ban đầu [10]
Một số loại nƣớc cần keo tụ có độ đục thấp, nghĩa là hàm lƣợng các chất lơ lửng thấp, khả n ng liên kết với các chất keo tụ thấp cho nên hiệu quả keo tụ không cao. Lúc này phải tạo độ đục an đầu ằng cách cho thêm các chất trợ keo tụ nhƣ vôi.
1.3.2.4 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn [10]
Trong quá trình keo tụ, một trong những yếu tố quyết định nữa là tốc độ khuấy trộn. Quá trình keo tụ phải đảm ảo sự khuấy trộn thích hợp theo từng giai đoạn riêng iệt giúp cho chất keo tụ tiếp xúc đƣợc với hạt keo và các ông keo tiếp xúc với nhau tạo thành các ông lớn hơn nhằm đạt đến hiệu quả tạo ông là tốt nhất.
1.3.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ [10]
Một số chất keo tụ ị ảnh hƣởng ởi nhiệt độ của nƣớc thải. Ở nhiệt độ quá cao, do chuyển động nhiệt các ông keo tạo thành khó có kích thƣớc lớn, hiệu quả lắng kém đi.
1.4 Chất keo tụ và chất trợ keo tụ
Đối với hệ phân tán có diện tích ề mặt riêng lớn ( ụi trong khơng khí, ùn, phù sa trong nƣớc,…) các hạt ln có xu hƣớng co cụm lại tạo hạt lớn hơn để giảm n ng lƣợng ề mặt. Về nguyên tắc do độ phân tán lớn, diện tích ề mặt riêng lớn, hạt keo có xu thế hút nhau nhờ các lực ề mặt. Mặt khác, do các hạt keo cùng loại nên các hạt keo ln tích điện cùng dấu (đặc trƣng ởi thế Zeta) nên các hạt keo tụ luôn đẩy nhau ởi lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt cùng dấu theo định luật Coulom , xu hƣớng
15
này làm hạt keo không thể hút nhau để tạo hạt lớn hơn và lắng xuống nhờ trọng lực nhƣ những hạt khơng tích điện. Nhƣ vậy, thế càng lớn hay hạt keo càng tích điện thì hệ keo càng ền. Trƣờng hợp lý tƣởng: nếu thế điện phẳng (ξ = 0), thì hạt keo iến thành cấu tạo tụ điện phẳng, hạt sẽ khơng khác gì các hạt khơng tích điện nên dễ dàng hút nhau để tạo hạt lớn hơn có thể lắng đƣợc.
Các hố chất gây keo tụ thƣờng dùng là các loại muối vô cơ hoặc hợp chất cao phân tử. Chất keo tụ có nhiệm vụ làm các hạt keo co cụm thành ông cặn lớn dễ lắng. Hiện tƣợng tạo ông đƣợc thực hiện nhờ những phân tử các chất cao phân tử tan trong nƣớc và có ái lực tốt với các hạt keo hoặc các hạt cặn nhỏ, các chất này “khâu” chúng lại thành các hạt lớn hơn có tỷ trọng lớn. Khác với keo tụ có tính thuận nghịch, các chất có khả n ng tạo ơng đƣợc gọi là các chất tạo ông hay trợ keo tụ, q trình tạo ơng là ất thuận nghịch [10].
1.4.1 Hóa chất thương mại
Các loại chất keo tụ thƣờng gặp nhƣ PAC (Poly Aluminium Chlorine Al13(OH)20(SO4)2.Cl15), phèn nhôm (Aluminum sulfate Al2(SO4)3.18H2O), phèn sắt (Ferric sulfate Fe2(SO4)3, Ferric chloride (FeCl3.6H2O) hoặc Ferrous sulfate (FeSO4.7H2O), vôi (Ca(OH)2); Polymer,…
1.4.1.1 Nhôm sulfat
Công thức chung của nhôm sulfat là Al2(SO4)3.nH2O, thƣờng gặp Al2(SO4)3.18H2O chứa 15% Al2O3. Tùy theo điều kiện sản xuất, có thể thu đƣợc nhiều loại tinh thể nhơm sulfat hydrat hóa khác nhau trong đó giá trị của n có thể là 16, 18, 27.
Khi cho thêm kali sulfat vào quá trình phản ứng, thu đƣợc nhơm kali sulfat có cơng thức phân tử là Al2(SO4)3.K2SO4.24H2O hay AlK(SO4)2.12H2O. Trƣờng hợp dùng
amoni sulfat, thu đƣợc phèn kép nhôm amơn (ammonia alum) có cơng thức phân tử là Al2(SO4)3.(NH4)2SO4.24H2O hay Al(NH4)(SO4)2.12H2O.
Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), quy định chung là Al2O3 > 10.3%, mặc dù chất lƣợng phèn kép nhôm amoni luôn cao hơn 11.1% Al2O3. Ở miền Bắc nƣớc ta, sản
xuất phèn đơn thƣờng đi từ cao lanh, cịn ở miền Nam lại sử dụng ngun liệu nhơm hydroxide. Chất lƣợng các loại phèn nhôm sản xuất trong nƣớc tƣơng đƣơng với chất
16
lƣợng các sản phẩm cùng chủng loại của nƣớc ngoài. Tuy nhiên, các chất keo tụ mới đƣợc quan tâm nhiều hơn vì ản thân nhơm sulfat ộc lộ một số nhƣợc điểm:
Làm giảm độ pH của nƣớc sau xử lý, bắt buộc phải dùng vôi để hiệu chỉnh lại pH dẫn đến chi phí sản xuất t ng.
Khi dùng quá liều lƣợng cần thiết xảy ra hiệu tƣợng keo tụ bị phá huỷ làm cho nƣớc đục trở lại. Nhƣ vậy, khi độ đục, độ màu nƣớc nguồn cao, nhôm sulfat kém tác dụng.
Phải dùng thêm một số phụ gia trợ keo tụ, trợ lắng...
Hàm lƣợng nhôm tồn dƣ trong nƣớc sau xử lý cao hơn so với khi dùng chất keo tụ khác và có thể cao hơn mức quy định (0.2 mg/l).
1.4.1.2 PAC
Đây là loại phèn nhôm tồn tại ở dạng cao phân tử, thƣờng có màu ánh vàng, tan hồn tồn trong nƣớc. PAC có 2 trạng thái: lỏng và rắn, đối với trạng thái rắn thì trƣớc khi sử dụng PAC phải đƣợc pha với nƣớc thành dung dịch 10 hoặc 20%. Liều lƣợng PAC sử dụng chính xác đƣợc xác định ằng thực nghiệm trực tiếp đối với nƣớc cần xử lý. Các khoảng sử dụng liều lƣợng PAC nhƣ sau: sử dụng cho 1 m3 nƣớc sông, ao hồ là 14 g. Đối với nƣớc đục thấp (hàm lƣợng rắn 50400 mg/l) sử dụng 56 g PAC, với nƣớc đục trung ình (hàm lƣợng rắn 500700 ml/l) sử dụng 710g PAC và đối với nƣớc đục cao (hàm lƣợng rắn 8001.200 mg/l), sử dụng PAC trong khoảng 1530 g, tùy thuộc hàm lƣợng cặn lơ lửng và tính chất của mỗi loại nƣớc thải.
1.4.1.3 Sắt (III) clorua
Sắt là sản phẩm thu đƣợc ằng cách cho phôi sắt tác dụng với acid clohydric rồi tiếp tục oxy hóa ởi một chất oxy hóa nhƣ khí clo theo các phƣơng trình phản ứng:
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2 2FeCl2 + Cl2 = 2FeCl3
17
Các muối của sắt có ƣu điểm so với muối nhơm trong việc làm keo tụ các chất lơ lửng trong nƣớc:
Tác dụng tốt hơn ở nhiệt độ thấp
Khoảng pH tác dụng rộng hơn
Tạo kích thƣớc và độ bền bơng keo lớn hơn
Có thể khử đƣợc mùi vị khi có H2S
Nhƣng các muối sắt cũng có nhƣợc điểm: tạo phức hồ tan làm cho nƣớc có màu do phản ứng của cation sắt với một số chất hữu cơ.
Trong 3 loại chất keo tụ trên, PAC với các ƣu điểm vƣợt trội nhƣ hiệu quả xử lý cao hơn 45 lần các chất keo tụ ình thƣờng, khơng làm đục nƣớc khi dùng thừa hoặc thiếu, ít làm iến động pH, khả n ng loại ỏ các chất hữu cơ và kim loại nặng tốt hơn,… nên PAC đã đƣợc sản xuất với lƣợng lớn và sử dụng rộng rãi để thay thế cho phèn nhôm trong xử lý nƣớc thải sinh hoạt và đặt iệt là xử lý nƣớc thải.
1.4.2 Chất keo tụ nguồn gốc thiên nhiên
Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu chứng minh hiệu quả của các loại pectin chiết xuất từ thực vật chủ yếu dùng để xử lý nƣớc sinh hoạt cho những vùng nông thôn nghèo. Tác giả Yuan Shing Perng và Manh Ha Bui trích xuất pectin từ hạt của cây Bị Cạp Vàng (Cassia fistula) và kết hợp pectin này với polyaluminum chloride có thể xử lý đƣợc thuốc nhuộm hoạt tính Blue 19 (RB19) và Black 5 (RB5) có trong nƣớc thải dệt nhuộm [11]. Tác giả Sumona Mukherjee và cộng sự chiết xuất pectin từ cây Guar, tiếp theo kết hợp pectin này với FeCl3, AlCl3 xử lý đƣợc 88% độ đục của nƣớc thải [12]. Cũng sử dụng pectin Guar, tác giả Evelyn Zamudio-Pérez và cộng sự xử lý giảm đáng kể hàm lƣợng Co-liforms (TC), fecal Coliforms (FC) và helminth eggs (HE) trong nƣớc sông [13]. Tác giả Malla Balakrishana và cộng sự trích ly pectin từ hạt cây Chùm ngây, nhóm tác giả sử dụng pectin này để xử lý nƣớc sơng có hàm lƣợng chất rắn từ 336 mg/l giảm xuống 217-249 mg/l [14]. Nhóm tác giả Luis G. Torres và cộng sự trích ly pectin từ hạt cây Prosopis laevigata
18
và xƣơng rồng Opuntia ficus-indica, sau đó thực hiện q trình kết tủa – keo tụ để xử lý nƣớc thải đạt đến hiệu suất 90% [15].
Việt Nam hiện nay, có nhiều nhóm nghiên cứu sử dụng các nguồn nguyên liệu phế phẩm để xử lý thải nhƣ xơ dừa biến tính, rơm, than hoạt tính từ xƣơng động vật hoặc than hoạt tính từ gáo dừa… tuy nhiên sử dụng pectin trong xử lý nƣớc thải mới chỉ đƣợc quan tâm với một số rất ít nghiên cứu. Điển hình là nghiên cứu của nhóm tác giả Lê Thị Mỹ Hằng và cộng sự [16].
Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu đã công ố cho thấy lƣợng tác chất phản ứng, dung môi, sản phẩm phụ trong quá trình tổng hợp vật liệu composite đã thải ra môi trƣờng một lƣợng lớn chất thải và nhƣ vậy giảm hiệu quả kinh tế, gây ô nhiễm môi trƣờng. Do đó, ngồi xu hƣớng sử dụng polymer sinh học có khả n ng phân hủy cao, giới khoa học trên thế giới rất quan tâm đến việc thu hồi và tái sử dụng vật liệu xử lý nƣớc thải. Có nhiều phƣơng pháp thu hồi vật liệu hiệu quả, một trong các phƣơng pháp đó là sử dụng vật liệu composite có cốt là hạt nano từ tính, chỉ cần áp đặt từ trƣờng ngồi thì tồn bộ vật liệu sẽ bị kết tụ lại và thu hồi một cách dễ dàng [17]. Trong những n m gần đây, một loại hợp chất có tính chất keo tụ nguồn gốc thiên nhiên đã đƣợc nghiên cứu rất nhiều trong và ngồi nƣớc đó là pectin nguồn gốc thực vật. Một trong những loại thực vật có nhiều pectin đó là xƣơng rồng Nopal, một loại thực vật phổ iến ở Việt Nam [18, 19].
1.5 Pectin
1.5.1 Phân loại pectin
Pectin là một hợp chất hữu dạng ột có màu trắng, vàng hoặc nâu, còn đƣợc gọi là pectic polysaccharide, rất giàu acid galacturonic. Pectin là một dạng heteropolysaccharide chứa trong các tế ào cơ ản của thực vật trên cạn. Trong cấu trúc của thực vật, pectin ao gồm các polysaccharide, pectin có mặt trong hầu hết các thành tế ào sơ cấp và có nhiều trong các ộ phận không phải cellulose của thực vật trên cạn. Pectin là một thành phần chính của phiến kính giữa, tại đó pectin giúp các tế ào kết nối với nhau, nhƣng pectin cũng có trong thành tế ào sơ cấp.
19
Thành phần, cấu trúc hóa học của pectin phụ thuộc vào loại thực vật, thời gian sống của thực vật và ở các vị trí khác nhau của thực vật là một polysaccharide thành tế ào quan trọng cho phép mở rộng thành tế ào sơ cấp giúp thực vật sinh trƣởng. Trong q trình chín của trái cây, pectin ị phân hủy ởi các enzyme pectinase và pectinesterase, trong q trình chín, trái cây trở nên mềm hơn khi các thành giữa ị phá vỡ và các tế ào trở nên tách rời nhau. Một quá trình tƣơng tự của việc tách tế ào do sự phân hủy pectin xảy ra tạo ra hiện tƣợng rụng lá vào mùa thu [20].
Cấu tạo của phân tử pectin là dẫn xuất của acid pectic. Acid pectic là một polymer của acid D-galacturonic liên kết với nhau ằng liên kết 1-4-glycoside. Một số pectic polysaccharide đã đƣợc nhận danh và xác định đƣợc cấu trúc dựa vào nhóm pectic. Trọng lƣợng phân tử của pectin khoảng 60.000130.000 đ.v.C. Pectin khi hòa tan vào trong nƣớc cho dung dịch có độ nhớt cao, đơng tụ ở mơi trƣờng pH = 3 4 [21-24]. Đặc trƣng cho pectin là: chỉ số ester hóa và chỉ số methoxyl. Chỉ số ester hóa iểu thị cho mức độ ester hóa của các phân tử acid galacturonic có trong phân tử pectin. Chỉ số methoxyl iểu thị cho phần tr m khối lƣợng nhóm methoxyl [-OCH3] có trong phân tử Pectin [18, 25-27].