tiểu luận về keo tụ

Khái niệm keo tụKeo tụ là quá trình kết hợp các hạt lơ lửng khi cho các chất keo tụ vào nước các hợp chất cao phân tử.. Khác với đông tụ, quá trình keo tụ không chỉ diễn ra do tiếp xúc t

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-o0o -TIỂU LUẬN MÔN: KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC THẢI

KEO TỤ

Học viên: Trịnh Thị Thủy

Mã học viên: 19812025 Lớp: Kỹ thuật Môi trường 2020A Khoa: Công nghệ Môi trường

Hà Nội, năm 2021

MỤC LỤC

1 Khái niệm keo tụ 1

2 Cấu tạo và tính chất của các hạt keo, cơ chế quá trình keo tụ, kết bông 1

3 Các giai đoạn của quá trình keo tụ 5

4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ 6

4.1 pH 6

4.2 Liều lượng của chất keo tụ 6

4.3 Độ đục ban đầu 6

4.4 Chất hữu cơ 6

4.5 Anion, cation trong nước 7

4.6 Hiệu ứng khuấy 7

4.7 Thế năng zeta của hệ 7

4.8 Nhiệt độ keo tụ 7

5 Ứng dụng quá trình keo tụ 7

1 Khái niệm keo tụ

Keo tụ là quá trình kết hợp các hạt lơ lửng khi cho các chất keo tụ vào nước (các hợp chất cao phân tử) Khác với đông tụ, quá trình keo tụ không chỉ diễn ra do tiếp xúc trực tiếp mà còn do sự tương tác lẫn nhau giữa các phân tử chất keo tụ hấp phụ các hạt lo lửng trong nước Sự keo tụ thúc đẩy quá trình tạo bông hydroxit kim loại (thường dùng là muối nhôm và sắt) nhằm tăng vận tốc lắng, giảm chất đông tụ, giảm thời gian đông tụ và tăng vận tốc lắng

2 Cấu tạo và tính chất của các hạt keo, cơ chế quá trình keo tụ, kết bông

Trong nước và nước thải tồn tại 2 loại keo chính là keo kỵ nước và keo ưa nước

- Keo ưa nước (hydrophilic như tinh bột, protein ở dạng hòa tan…): có khả năng kết hợp với các phân tử nước tạo thành vỏ bọc hydrat, các hạt keo riêng biệt mang điện tích bé và dưới tác dụng của các chất điện phân không bị keo tụ, do đó keo ưa nước trở nên bền vững và khó bị loại bỏ hơn

- Keo kỵ nước (hydropholic như các hạt sét, các hydroxide kim loại…): là hạt không kết hợp với các phân tử nước của môi trường để tạo ra vỏ bọc hydrat, các hạtkeo riêng biệt mang điện tích lớn, và khi điện tích này được trung hòa thì độ bền của hạt keo bị phá vỡ Quá trình keo tụ hệ keo kỵ nước thường không thuận nghịch, quá trình diễn ra tới khi keo tụ hoàn toàn các hạt keo Chúng đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý nước và nước thải bằng phèn

Tuy nhiên nước cũng có thể tác dụng với các hạt keo kỵ nước ở mức nào đó, một số phân tử nước thường bị hấp phụ vào bề mặt các hạt keo kỵ nước, tuy vậy phản ứng giữa những hạt keo ưa nước và nước luôn diễn ra ở tốc độ nhanh hơn Một yếu tố quan trọng tạo nên tính ổn định của các hạt keo là sự hiện diện của điện tích bề mặt Điện tích bề mặt được hình thành bởi nhiều cách khác nhau tùy theo thành phần của nước thải và hạt keo

1

Hình 1: Cấu tạo của các hạt keo Theo Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga (2002) cơ chế của quá trình keo tụ có thể giải thích bằng mô hình hai lớp theo Hình 15 Những hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm trong dung dịch sẽ hút lấy các ion trái dấu Một số các ion trái dấu bị hút chặt vào hạt rắn đến mức chúng chuyển động cùng hạt rắn, do đó chúng tạo thành một mặt trượt Xung quanh các ion trái dấu bên trong này là lớp ion bên ngoài mà hầu hết là các ion trái dấu, nhưng chúng bị hút bám vào một cách lỏng lẻo và có thể dễ dàng bị trượt ra Khi các hạt rắn mang điện tích âm chuyển động qua chất lỏng thì điện tích âm đó bị giảm bởi các ion mang điện tích dương ở lớp bên trong Hiệu số điện năng giữa các lớp cố định và lớp chuyển động gọi là thế zeta (ξ) hay thế điện động Khác với thế nhiệt động E (là hiệu số điện thế giữa bề mặt hạt và chất lỏng) Thế zeta phụ thuộc vào E và chiều dày hai lớp, giá trị của nó sẽ xác

2

định lực tĩnh điện đẩy của các hạt là lực cản trở lực dính kết giữa các hạt rắn với nhau

Hình 2 Điện tích hạt lơ lửng khi giải thích bằng lý thuyết hai lớp

Hình 3: Thêm các ion trái dấu hóa trị 3 để giảm điện tích thực trên các hạt rắn Nếu như điện tích âm thực là điện tích đẩy và thêm vào đó tất cả các hạt còn

có lực hút tĩnh điện - lực Van der Waal - do cấu trúc phân tử của các hạt, tổng hai điện tích này là điện tích đẩy thực hay một hàng rào năng lượng cản trở các hạt rắn

3

liên kết lại với nhau Như vậy mục tiêu của keo tụ là làm giảm thế zeta tức làm giảm chiều cao hàng rào năng lượng này tới mức tới hạn sao cho các hạt rắn không đẩy lẫn nhau bằng cách cho vào thêm các ion có điện tích dương Như vậy trong đông tụ diễn ra quá trình phá vỡ ổn định trạng thái keo của các hạt nhờ trung hòa điện tích Hiệu quả của đông tụ phụ thuộc vào hóa trị của ion, chất đông tụ mang điện tích trái dấu với điện tích của hạt Hóa trị của ion càng lớn thì hiệu quả đông

tụ càng cao

Theo Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) và Davis (2010) cho rằng quá trình đông tụ- keo tụ diễn ra theo các cơ chế sau:

- Cơ chế nén lớp điện tích kép: hai phần tử keo có điện tích bề mặt giống nhau khi lại gần chúng sẽ đẩy nhau do lực đẩy tĩnh điện Việc bổ sung các muối kim loại có khả năng thủy phân sẽ tạo ra các ion trái dấu, các ion này sẽ làm tăng mật độ điện tích trong lớp điện tích kép, gây giảm thế điện động zêta và làm giảm lực tĩnh điện Mặt khác, giữa các phần tử tồn tại một lực hút tĩnh điện, khi mật độ các ion trái dấu trong dung dich tăng lên đến một mức độ nào đó thì lực hút Van der Walls sẽ thắng lực đẩy tĩnh điện, các hạt keo sẽ xích lại gần nhau hơn, kết dính

và tạo thành bông keo tụ Trong quá trình nén lớp điện tích kép, lực ion và điện tích của các ion trái dấu giữ vai trò quan trọng

- Cơ chế hấp phụ và trung hòa điện tích: các hạt keo hấp phụ lên bề mặt các ion dương trái dấu làm thay đổi điện tích bề mặt tạo nên sự trung hòa điện tích, phá

vỡ trạng thái bền vững của hệ keo Các hạt keo hấp phụ ion trái dấu lên bề mặt song song với cơ chế nén lớp điện tích kép nhưng cơ chế hấp phụ mạnh hơn

- Cơ chế hấp phụ bắc cầu: khi sử dụng các hợp chất cao phân tử (polymer), nhờ cấu trúc mạch dài, các đoạn phân tử polymer hấp phụ lên bề mặt các hạt keo, tạo ra cầu nối các hạt keo lại với nhau, hình thành bông keo tụ có kích thước lớn làm tăng tốc độ lắng của các hạt keo

Cơ chế của quá trình keo tụ:

- Nén ép làm giảm độ dày lớp điện kép

- Hấp phụ và trung hòa điện tích

- Lôi cuốn, quét cùng với chất kết tủa

- Hấp phụ và tạo cầu liên kết giữa các hạt keo, gồm 5 phản ứng:

Phản ứng 1: Hấp phụ ban đầu ở liều lượng polymer tối ưu

Phản ứng 2: Hình thành bông cặn

Phản ứng 3: Hấp phụ lần 2 của polymer

Phản ứng 4: Khi liều lượng polymer dư

Phản ứng 5: Vỡ bông cặn

4

3 Các giai đoạn của quá trình keo tụ

- Phản ứng với nước, ion hóa, thủy phân,trùng hợp

- Nén ép giảm độ dày lớp điện tích kép

- Hấp phụ ion từ chất keo tụ trên bề mặt các phân tử

- Liên kết các ion và phần tử khác trên bề mặt các phân tử

- Lôi cuốn hạt keo cùng chất kết tủa

- Tạo cầu liên kết giửa các hạt keo

- Chuyển khối do khuếch tán brown

- Keo tụ cưỡng bức

4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ

4.1 pH

Là một yếu tố cực kỳ quan trọng đối với quá trình keo tụ Thông thường, ở

pH thấp các chất hữu cơ mang điện tích âm và pH cao chúng mang điện tích dương

Ảnh hưởng của pH đến tốc độ đông tụ của dung dịch keo: tốc độ đông tụ của dung dịch keo và điện thế ξ (ZETA) của nó có quan hệ Trị số ξ càng nhỏ, lực đẩy giữa các hạt keo càng yếu Vì vậy tốc độ đông tụ của nó càng nhanh Khi điện thế ξ bằng không, nghĩa là đạt đến điểm đẳng điện, tốc độ đông tụ của nó lớn nhất

Dung dịch keo hình thành từ hợp chất lưỡng tính, trị số ξ của nó và điểm đẳng điện chủ yếu quyết định bởi trị số pH của nước

Do đó, để đạt được hiệu quả keo tụ là tốt nhất thì phải chọn trị số pH thích hơp cho từng loại nước thải riêng Trị số pH này gọi là pH tối ưu Đối với mỗi loại

5

nước khác nhau sẽ có pH tối ưu khác nhau và không có một phương pháp nào tính toán mà phải dựa vào thực nghiệm thông qua thí nghiệm Jartest trên từng loại nước thải riêng

4.2 Liều lượng của chất keo tụ

Quá trình keo tụ không phải là một phản ứng hóa học thông thường, nên lượng chất keo tụ cho vào không thể dựa vào các tính toán để xác định Tùy vào loại nước khác nhau, tùy vào hàm lượng chất keo mà phải tiến hành thực nghiệm

để xác định trị số pH tối ưu tương ứng với trị số pH tối ưu của nó

4.3 Độ đục ban đầu

Một số loại nước cần keo tụ có độ đục thấp, nghĩa là hàm lượng các chất lơ lửng thấp, khả năng liên kết với các chất keo tụ thấp cho nên hiệu quả keo tụ không cao Lúc này phải tạo độ đục ban đầu bằng cách cho thêm các chất trợ keo

tụ như vôi…

4.4 Chất hữu cơ

Các chất hữu cơ là mục tiêu keo tụ chính của quá trình keo tụ Một số chất hữu cơ hòa tan gây khó khăn cho quá trình keo tụ

4.5 Anion, cation trong nước

Sự có mặt của các ion này trong nước có khả năng làm giảm tính ổn định của hệ keo, tăng khả năng keo tụ của chúng

4.6 Hiệu ứng khuấy

Trong quá trình keo tụ, một trong những yếu tố quyết định nữa là tốc độ khuấy trộn được cung cấp Quá trình keo tụ phải đựơc đảm bảo sự khuấy trộn thích hợp theo từng giai đoạn riêng biệt giúp cho chất keo tụ tiếp xúc được với hạt keo

và các bông keo tiếp xúc với nhau tạo thành các bông lớn hơn nhằm đạt đến hiệu quả tạo bông là tốt nhất

4.7 Thế năng zeta của hệ

Thế năng ξ của hệ quyết định đến pH tối ưu cho quá trình keo tụ

4.8 Nhiệt độ keo tụ

Một số chất keo tụ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ của nước thải Ở nhiệt độ quá cao, do chuyển động nhiệt các bông keo tạo thành khó có khả năng lớn, hiệu quả lắng kém đi

6

5 Ứng dụng quá trình keo tụ

Một số hóa chất sử dụng trong keo tụ

- Bể keo tụ tạo bông có ứng dụng rộng rãi trong thực tế Đặc biệt đối với các loại nước thải có độ màu, chất rắn lơ lủng cao, có chứa hóa chất…

- Bể keo tụ tạo bông thường đặt trước các bể xử lý sinh học nhằm giảm tải phần nào các chỉ số như TSS, COD, BOD

- Ngoài ra, bể keo tụ tạo bông còn ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước cấp, nước mặt, nước ngầm

Một số nước thải cần có hệ thống keo tụ tạo bông trong quá trình xử lý như:

- Xử lý nước cấp

- Xử lý nước ngầm

- Nước thải dệt nhuộm

- Nước thải xi mạ

- Nước thải giặt là

- Nước thải mực in

- Nước thải thủy sản;

- Nước thải nhà máy gạch men;

- Nước rỉ rác

7