CỦA QUÁ TRÌNH KEO TỤ
A.3 Lý thuyết của quá trình keo tụ tạo bông
Hạt keo là những hạt có kích thước 0,001m1m có khả năng lắng rất chậm do bị cản trở bởi chuyển động Brown. Tỷ lệ giữa diện tích bề mặt và khối lương của các hạt keo lớn hơn rất nhiều so với các hạt khác, do đó tính chất bề mặt (thế điện động và điện tích bề mặt) đóng vai trò quan trọng trong quá trình tách hạt keo hơn là lắng dưới tác dụng của trọng lực.
Các hạt keo thường mang điện tích tương ứng với môi trường xung quanh và có thể phân thành 2 dạng chính : keo ưa nước và keo kị nước
- Keo kỵ nước ( đất sét, oxyt kim loại...) là những hạt keo : - Không ái lực với môi trường nước
- Dễ keo tụ
- Đa số là những hạt keo vô cơ
- Keo ưa nước ( Protein... ) là những hạt keo : - Thể hiện ái lực với nước
- Hấp thụ nước và làm chậm quá trình keo tụ, thường cần áp dụng những phương pháp đặc biệt để quá trình keo tụ đạt như mong muốn.
- Đa số là những hạt keo hữu cơ
Khi tác nhân keo tụ cho vào nước các keo kỵ nước hình thành sau quá trình thủy phân các chất này. Nhờ có điện tích bề mặt lớn nên chúng có khả năng hấp thụ chọn lọc một loai ion trái dấu bao bọc quanh bề mặt nhân hạt keo. Lớp vỏ ion này cùng với lớp phân tử bên trong tạo thành hạt keo. Bề mặt nhân hạt keo mang điện tích của lớp ion gắn chặt len đó, có khả năng hút một số iôn tự do mang điện tích trái dấu. Như vậy, quanh hạt keo có 2 lớp iôn mang điện tích trái dấu bao bọc gọi là lớp điện tích kép của hạt keo. Lớp ion ngoài cùng do có lực liên kết yếu nên thường không đủ điện tích trung hòa với điện tích bên trong do vậy hạt keo mang một điện tích nhất định. Để cân bằng với điện tích trong môi trường, hạt keo lại thu hút quanh mình một số ion trái dấu ở trạng thái khuyết tán.
Hình 1 - Cấu tạo hạt keo
Các lực hút và lực đẩy tĩnhđiện hay lực hút Van der Waals tồn tại giữa các hạt keo. Độ lớn của các hạt này thay đổi tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các hạt.
Khả năng ổn định của hạt keo là kết quả tổng hợp giữa hai lực hút và lực đẩy. Nếu tổng hợp là lực hút thì xảy ra quá trình keo tụ. Khi các hạt kết dính với nhau chúng tạo thành những hạt có kích thước lớn hơn gọi là bông cặn và có khả năng lắng nhanh. Để lực hút thắng được lực đẩy thì điện thế zeta phải nhỏ hơn 0,03 V và quá trình keo tụ càng đạt hiệu quả khi điện thế zeta tiến đến 0.
A.3.2 Các cơ chế chính của quá trình keo tụ tạo bông :
- Quá trình nén lớp điện tích kép, giảm điện thế zeta nhờ ion trái dấu :
Khi bổ sung các ion trái dấu vào nước thải với nồng độ cao, các ion sẽ chuyển dịch đến lớp khuyết tán vào lớp điện tích kép và tăng điện tích trong lớp điện tích kép giảm thế điện động zeta và giảm lực tĩnh điện.
- Quá trình keo tụ do hấp thụ ion trái dấu trên bề mặt, trung hòa điện tích tạo lớp ion đẳng điện zeta bằng 0. Trong trường hợp này quá trình hấp phụ chiếm ưu thế.
- Cơ chế hấp phụ - tạo cầu nối :
Các ion vô cơ hay hữu cơ có thể ion hóa, nhờ cấu trúc mạch dài của chúng tạo cầu nối giữa các hạt keo theo các bước sau :
- Phân tán polymer
- Vận chuyển polymer đến bề mặt hạt - Hấp thụ polymer lên bề mặt hạt
- Liên kết giữa các hạt đã hấp thụ polymer với nhau hoặc với hạt khác.
Cơ chế tạo cầu nối gồm có những phản ứng sau :
- Phản ứng 1 : phân tử polymer kết dính với hạt keo do lực hút giữa polymer và các hạt tích điện trái dấu
-
- Phản ứng 2 : Phần còn lại của polymer đã hấp phụ hạt keo ở trên lại liên kết với những vị trí hoạt tính trên bề mặt hạt keo khác
- Phản ứng 3 : Nếu không liên kết được với hạt keo khác, polymer hấp thụ hạt keo ở trên cuộn lại và kết dính vào một vị trí hoạt tính khác trên bề mặt hạt keo và do đó tạo ra hiện tượng tái bền ở hạt keo
- Phản ứng 4 : Nếu quá thừa polymer có thể bão hòa điện tích bề mặt hạt keo nên không còn vị trí hoạt tính nào tồn tai để tạo thành cầu nối. Đều này dẫn đến hiện tượng tái bền hạt keo và có thể có hoặc không hiện tượng đổi dấu hạt keo.
- Phản ứng 5 : Phá vở liên kết giữa polymer và hạt keo do khuấy trộn quá mạnh
- Phản
ứng 6 : Tái bền hạt keo do hiện tượng hấp phụ trên một vị trí hoạt tính khác trên cùng hạt keo như trình bày ở phản ứng 3.
- Quá trình keo tụ hấp phụ cùng lắng trong quá trình lắng
Ở giá trị pH thích hợp các tác nhân keo tụ như phèn nhôm hay phèn PAC cho vào dung dịch sẽ tạo thành Al(OH)3, và lắng xuống. Trong quá trình lắng chúng kéo theo các bông keo và các cặn bẩn hữu cơ, vô cơ và các hạt khác cùng lắng. Cơ chế này gọi là cơ chế cùng lắng. Quá trình này không phụ thuộc vào quá trình keo tụ tạo bông.
A.3.3 Động học của quá trình keo tụ tạo bông Quá trình keo tụ tạo bông gồm 2 quá trình chính:
- Quá trình keo tụ dựa trên cơ chế phá bền hạt keo.
- Quá trình tạo bông : tiếp xúc/ kết dính các hạt keo đã bị phá bền. Cơ chế tiếp xúc giữa các hạt gồm :
- Tiếp xúc do chuyển động nhiệt ( chuyển động Brown ), tạo thành hạt có kích thước nhỏ khoảng 1 m
- Tiếp xúc do quá trình chuyển động của lưu chất được thực hiện bằng cách khuấy trộn hỗn hợp tạo thành những bông cặn có kích thước lớn hơn.
- Tiếp xúc do quá trình lắng của hạt
Để khuấy trộn nước thải với hóa chất keo tụ và tạo thành bông keo, người ta dùng những thiết bị khuấy trộn khác nhau. Tuy nhiên để hiệu quả tạo bông cũng như lắng các bông cặn được cao thì các giá trị của gradien vận tốc G và thời gian t phải đảm bảo. Các giá trị của những đại lượng này phụ thuộc vào :
- Thành phần hóa học của nước - Bản chất và nồng độ keo trong nước.
A. 3.4 Chuẩn bị thí nghiệm
- Mẫu : Mẫu nước thải được lấy tại hố tập trung nước thải của Công ty bao bì BICICO tiến hành thí nghiệm.
- Hóa chất : Phèn PAC (Poly Aluminium Chloride) và Phèn Nhôm 10%, dung dich xút (NaOH) 10% và acid H2SO4 10%.
A.3.5 Các bước tiến hành
Quá trình chạy mô hình thí nghiệm Jartest đối với từng loại phèn là giống nhau và được tiến hành song song với nhau:
- Thí nghiệm 1 : Xác định lượng phèn phản ứng
- Lấy 1 becher 1000ml cho vào 800ml mẫu
- Dùng acid hay xút chỉnh pH xuống khoảng pH bằng 6.
- Lấy 10ml phèn bằng pipet châm từ từ lượng phèn vào mẫu đã chuẩn bị (Vừa châm vừa dùng đũa khuấy để lượng phèn hòa tan đều trong mẫu).
- Dừng châm phèn khi mẫu nước bắt đầu xuất hiện bông cặn, ghi nhận lượng phèn này.
- Thí nghiệm 2 : Xác định pH tối ưu
- Lấy vào 6 becher mỗi becher 800 ml nước mẫu đặt vào thiết bị Jartest
- Sử dụng acid, xút để điều chỉnh pH lần lượt ở 6 cốc dao động trong khoảng 4 đến 11
- Cho vào cùng một liều lượng phèn đã xác định ở thí nghiệm 1 hoặc nhiều hơn.
- Mở cánh khuấy ở tốc độ 100 vòng/phút trong thời gian 1 phút. Sau đó quay chậm trong 15 phút với tốc độ 15vòng/phút
- Tắt máy để lắng tĩnh trong vòng 30 phút. Lấy mẫu nước bên trên sau lắng phân tích chỉ tiêu COD. So sánh kết quả, pH tối ưu là mức pH ứng với nồng độ COD còn lại sau keo tụ là thấp nhất.
- Thí nghiêm 3 : Xác đinh lượng phèn PAC tối ưu
- Lấy vào 6 becher mỗi becher 800 ml nước mẫu đặt vào thiết bị Jartest
- Sử dụng acid, xút để điều chỉnh pH theo pH tối ưu đã xác định ở thí nghiệm 2, cho liều lượng phèn PAC dao động ( trên cơ sở thí nghiệm 1 ) ở lần lượt 6 becher khác nhau.
- Mở cánh khuấy ở tốc độ 100 vòng/phút trong thời gian 1 phút. Sau đó quay chậm trong 15 phút với tốc độ 15vòng/phút
- Tắt máy để lắng tỉnh trong vòng 30 phút. Lấy mẫu nước bên trên sau lắng phân tích chỉ tiêu COD.So sánh kết quả, liều lượng phèn nào có nồng độ COD thấp nhất là lượng phèn tối ưu.