Công Ty Hóa Chất Hanimex HANIMEX Chemical
Keo tụ tạo bông là gì
Keo tụ tạo bông là 2 quá trình đi đôi và quyết định hiệu quả lắng của chất rắn lơ lửng xuống dưới đáy.
Hiện tượng các hạt nhỏ va chạm với nhau tạo thành các hạt lớn hơn gọi bông tụ (tạo bông). Để tăng khả năng tạo bông có thể thêm các tác nhân hóa học và các polymer vào nước thải, kết hợp khuấy trộn cơ khí
Keo tụ:
Keo tụ là quá trình phá vỡ độ bền và liên kết các hạt keo (sét, silica, sắt, kim loại nặng, chất màu và chất rắn hữu cơ như các xác chết vi sinh).
Phân loại: gồm 2 loại keo là keo ưu nước và keo kỵ nước.
Các hạt keo tồn tại trong dung dịch với kích thước rất bé vì chúng mang điện cùng dấu nên các hạt keo luôn có lực tĩnh điện và không lắng được. Sự chênh lệch điện thế giữa lớp bề mặt biến dạng của hạt keo và dung dịch gọi là thế zeta. Hạt keo có thế zeta càng âm thì hạt keo đó càng bền. Do đó, bổ sung thêm các ion mang điện tích trái dấu với các hạt keo để làm biến mất thế zeta, các hạt keo có thể kéo lại gần nhau, dẫn đến khả năng va chạm, từ đó làm trong nước
Tạo bông
Tạo bông là quá trình kết hợp các hạt keo đã tích tụ lại thành từng bông lớn có khả năng lắng bởi các tác nhân hóa học.
Qúa trình tạo bông bao gồm các giai đoạn:
- Chuyển động Brown – là quá trình quan trọng đối với các hạt keo có kích thước nhỏ (< 0,5µm). Khi xuất hiện chuyển động Brown, các hạt keo tiến lại gần với nhau, đủ để kết tụ thành bông lớn.
- Bông tụ xảy ra do tạo thành sự chênh lệch tốc độ bên trong nước thải để tăng tương tác của các hạt (khuấy nhẹ bằng cơ học). Lắng tạo bông gọi là lắng loại 2.
Phân loại các quá trình keo tụ tạo bông:
Quá trình keo tụ tạo bông được thiết kế tùy theo đặc tính nước thải:
- Keo tụ – tạo bông gián đoạn
2 bể phản ứng được sử dụng đồng thời, mỗi bể hoạt động theo một chu trình đầy đủ (nước vào, keo tụ, tạo bông, lắng)
Mỗi giai đoạn được tiến hành theo từng đợ và phụ thuộc vào thời gian.
Sau khi bể phản ứng chứa đầy nước thải, thêm chất keo tụ vào, khuấy mạnh. Sau đó, tốc độ khuấy giảm xuống, giai đoạn lắng bắt đầu khi khuấy trộng dừng hẳn.
Thời gian lắng trong vài giờ.
- Keo tụ – tạo bông liên tục
Hệ thống liên tục bao gồm:
Hệ thống bổ sung chất hóa học: bơm liên tục chất keo tụ vào nước thải.
Bể trộn nhanh: tạo điều kiện cho tốc độ di chueyẻn cao của hạt keo và trộng chất keo tụ với nước thải.
Bể bông tụ: Khuấy nhẹ để gia tăng sự kết hợp của hạt keo
Bể lắng: để tách các hạt bông.
Cơ chế của quá trình keo tụ tạo bông
Quá trình nén các điện tích kép: Quá trình nồng độ cao của các ion trái dấu cho vào đề giảm thế điện động zeta. Sự tạo bông nhờ trung hòa điện tích, giảm thế điện động zeta làm cho lực hút mạnh hơn lực đẩy và tạo ra sự kết dính của các hạt keo.
Quá trình keo tụ do hấp phụ, trung hòa điện tích tạo ra điểm đẳng điện zeta bằng 0: 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 thụ mạnh hơn. Ví dụ, kết tủa Al(OH)3 hoặc Fe(OH)3 lên bề mặt, làm giàu lớp điện tích kép trong sản phẩm thủy phân mono hoặc dime. Hấp thụ ion trái dấu làm trung hòa điện tích, giảm thế điện động zeta tạo ra khả năng kết dính giữa các hạt keo.
Quá trình keo tụ do hấp phụ tĩnh điện thành từng lớp các hạt keo đều tích điện, nhờ lực tỉnh điện chúng có xu hướng kết hợp với nhau.
Quá trình keo tụ do hiện tượng bác cầu. Các polymer vô cơ hoặc hữu cơ (không phải Al hoặc Fe) có thể ion hóa, nhờ cấu trúc mạch dài chúng tạo ra cầu nối giữa các hạt keo. Điều cần lưu ý ở đây là tính toán đủ lượng tối ưu để tránh hiện tượng tái ổn định của hệ keo.
Quá trình keo tụ ngay trong quá trình lắng, hình thành các tinh thể Al(OH)3, Fe(OH)3, các muối không tan, polyelectrolit. Cơ chế này không phụ thuộc vào quá trình tạo bông, không có hiện tượng tái ổn định hệ keo. Khi lắng, chúng hấp thụ cuốn theo các hạt keo khác, các cặn bẩn, các chất vô cơ, hữu cơ lơ lửng và hòa tan trong nước.
Động học của quá trình keo tụ
Khi hệ keo trong nước đã bị các chất keo tụ làm mất đi trạng thái ổn định của nó tốc độ tạo bông keo quyết định bởi sự chuyển động tạo ra sự tiếp xúc giữa các hạt keo với nhau nhờ sự khuếch tán và chuyển động có hướng. Khuếch tán chỉ có tác dụng hình thành bông keo nhỏ, để hình thành bông keo có kích thước lớn phải có chuyển động định hướng của các hạt keo để chúng tiếp xúc với nhau.
Dưới tác động của chuyển động nhiệt, ban đầu các hạt cặn có kích thước nhỏ va chạm và kết dính tạo thành hạt có kích thước lớn cho đến khi chúng không không còn khả năng tham gia vào chuyển động nhiệt nữa. Lúc này tác động khuấy trộn tham gia vào quá trình tạo bông cặn lớn hơn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ tạo bông
Mật độ các hạt keo:
Mật độ các hạt keo ảnh hưởng đến liều lượng chất keo tụ sử dụng và hiệu quả quá trình keo tụ [1]. Trong quá trình keo tụ, nếu mật độ các chất keo tụ lớn thì lượng chất keo tụ cho vào cũng phải lớn để có thể trung hòa hết điện tích của các hạt keo trong nước thải. Nhưng nếu mật độ các hạt thấp, quá trình keo tụ sẽ diễn ra rất chậm, vì các hạt keo sẽ ít có cơ hội tiếp xúc với nhau. Trong trường hợp này, khuyến cáo không nên cho thêm chất keo tụ sẽ dẫn tới dư thừa, mà thay vào đó ta thêm chất trợ keo tụ thúc đẩy quá trình keo tụ diễn ra nhanh hơn, hoặc ta cũng có thể hoàn lưu bùn về cho bể keo tụ. Như vậy, tùy vào mật độ các hạt keo trong nước thải mà ta cần cho một lượng chất keo tụ hay trợ keo tụ thích hợp để quá trình keo tụ diễn ra tối ưu nhất.
Liều lượng chất keo tụ:
Liều lượng chất keo tụ sử dụng còn phụ thuộc vào nồng độ hạt keo và pH của nước thải [1]. Theo Wang et al (2005), liều lượng chất keo tụ sử dụng trong quá trình keo tụ có thể chia ra làm bốn trường hợp sau:
Trường hợp 1: Liều lượng chất keo tụ quá thấp
Nếu liều lượng chất keo tụ quá thấp sẽ không đủ các điện tích trái dấu bám vào các hạt keo trong dung dịch. Như vậy các hạt keo sẽ không được trung hòa hoàn toàn, hiệu quả quá trình keo tụ sẽ không đạt yêu cầu.
Trường hợp 2: Liều lượng chất keo tụ đủ
Khi chất keo tụ cho vào cung cấp đủ ion trái dấu để trung hòa hết điện tích của hạt keo sẽ đảm bảo quá trình keo tụ diễn ra hoàn hảo và tối ưu nhất.
Trường hợp 3: Liều lượng chất keo tụ cao hơn mức cần thiết
Nếu liều lượng chất keo tụ cho vào dung dịch cao hơn mức cầm thiết để trung hòa hạt keo thì sẽ diễn ra quá trình tái ổn định sự bền vững ban đầu của hạt keo bằng cách tích thêm điện tích tích trái dấu, đổi dấu điện tích ban đầu của hạt keo.
Trường hợp 4: Liều lượng chất keo tụ vượt quá mức bão hòa
Chất keo tụ nếu vượt quá mức bão hòa sẽ tạo thành các hydroxide kim loại kết tủa, các kết tủa kết dính các hạt keo và đưa chúng ra khỏi nước thải. Thêm vào đó, việc cho quá nhiều chất keo tụ sẽ gây tốn kém về chi phí xử lý và có thể gây tồn dư kim loại trong nước.
Hiệu điện thế Zeta:
Như ta đã biết, thế điện động xuất hiện giữa hai lớp điện tích của hạt keo được gọi là hiệu điện thế Zeta. Như vậy hiệu điện thế Zeta cũng là một yếu tố có thể ảnh hưởng đến quá trình keo tụ. Hiệu điện thế Zeta càng lớn thì lực đẩy tĩnh điện của các hạt keo càng lớn và các hạt keo càng ổn định [1]. Do đó, mục tiêu đề ra là cần phải giảm hiệu điện thế Zeta, tức là giảm chiều cao của hàng rào năng lượng đến giá trị giới hạn sao cho các hạt keo không đẩy lẫn nhau, bằng cách cho thêm các ion trái dấu để phá vỡ sự ổn định của trạng thái keo của các hạt nhờ trung hòa điện tích. Khả năng dính kết tạo bông keo tụ tăng lên khi điện tích của hạt giảm xuống và keo tụ tốt nhất khi điện tích của hạt bằng không.
Ái lực của hạt keo với nước:
Các hạt keo ưa nước có khả năng hấp phụ các phân tử nước lên trên bề mặt hạt keo. Khả năng hấp phụ phân tử nước này gọi là ái lực của hạt keo với nước. Chính điều này sẽ làm cho các hạt keo ưa nước có độ ổn định cao do chất keo tụ khó có thể thay thế được vị trí của các phân tử nước trên bề mặt hạt keo. Đối với các hạt keo kỵ nước, ái lực với nước rất yếu hầu như là không đáng kể.
Ion âm trong dung dịch:
Như đã trình bày ở trên, khi sử dụng liều lượng chất keo tụ cao có thể dẫn đến việc tái ổn định các hạt keo trong dung dịch. Tuy nhiên, nếu trong nước thải có chứa một lượng lớn các ion âm (SO42-, PO42-,…) có thể hạn chế hiện tượng này. Các ion âm có thể giúp trung hòa các ion dương dư thừa trong quá trình trung hòa điện tích hạt keo, tránh hiện tượng các hạt keo tái ổn định.
Ion dương trong dung dịch:
Sự hiện diện của các ion dương (Ca, Mg,…) trong nước thải sẽ giúp việc keo tụ các hạt keo có điện tích âm tốt hơn vì nó làm giảm điện tích âm và lực đẩy tĩnh điện của các hạt keo [1].
Trị số pH của nước:
Nước thiên nhiên sau khi đã cho Al2(SO4)3 vào, trị số pH của nó bị giảm thấp, vì Al2(SO4)3 là một loại muối tạo thành từ acid mạnh và bazo yếu. Sự thủy phân có thể làm tăng tính acid của nước. Hiệu quả keo tụ ảnh hưởng chủ yếu 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. Là một hydroxit lưỡng tính điển hình, trị số pH của nước quá cao hoặc quá thấp đều ảnh hưởng đến quá trình hòa tan.
Khi OH– cao hơn nữa, Al(OH)3 tan trong dung dịch bazo tạo nên aluminat và dung dịch keo trở thành dung dịch thật. Trong nước có ion SO42-, ở phạm vi pH 5,5 – 7 trong vật kết tủa có muối sunfat kiềm rất ít hòa tan. Khi giá trị pH biến đổi cao muối sunfat kiềm ở hình thái Al2(OH)4SO4, khi giá trị pH biến đổi thấp thì ở hình thái 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 thành phần với ion của 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, hạt keo mang điện dương. Cấu tạo của đám keo này do sự phân hủy của nhôm sunfat mà hình thành. Khi pH42- mà hạt keo mang điện tích âm. Khi pH= 8, hạt keo tồn tại ở trạng thái hydroxit trung tính nên 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 rửa, khi pH thấp dung dịch keo của acid 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 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 điện động của nó có quan hệ. Trị số điện thế điện động càng nhỏ, lực đẩy giữa các hạt càng yếu thì tốc độ keo tụ của nó càng nhanh. Khi điện thế điện động bằng 0, nghĩa là đạt đến điểm đẳng nhiệt, tốc độ keo tụ của nó lớn nhất. Dung dịch keo hình thành từ hợp chất lưỡng tính, điện thế điện động 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. Nói chung, khi lượng chất keo tụ cho vào tương đối ít, dung dịch keo tụ 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, rất có lợi để trung hòa điện tích âm của dung dịch keo tự nhiên, giảm thấp điện thế điện động của nó. Khi lượng phèn cho vào tương đối nhiều, chủ yếu là làm cho dung dịch keo nhôm hydroxit hình thành chất 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 hydroxit, 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 acid do chất keo tụ thủy phân sinh ra. 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. Kiềm cho vào có thể dung xút (NaOH), natricacbonat (Na2CO3) hay canxi hydroxit.
Nồng độ (lượng) chất keo tụ
Quá trình keo tụ không phải là một loại phản ứng hóa học đơn thuần, nên lượng phèn 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 tìm ra lượng phèn tối ưu cho vào. Lượng phèn tối ưu cho vào trong nước thường trong khoảng 0,1-0,5mgđl/l, nếu dùng Al2(SO4)3.18H2O thì tương đương 10-50 mg/l. 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 ảnh hưởng lớn đến hiệu quả keo tụ. Nếu 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. Quan hệ tốc độ hỗn hợp của nước và chất keo tụ dẫn đến tính phân bổ đồng đều của chất keo tụ. Cơ hội va chạm giữa các hạt keo cũng là một nhân tố quan trọng 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 tốc độ hình thành keo. Do đó mới có khả năng sinh thành lượng lớn keo hydroxit hạt nhỏ và làm cho nó nhanh chóng khuếch tán đến các nơi trong dung dịch kịp thời cùng với các tạp chất có trong hệ keo tụ. Khi hỗn hợp hình thành, bông phèn lớn lên không nên khuấy quá nhanh vì không những bông phèn khó lớn lên mà còn có thể đánh vỡ những bông phèn đã hình thành.
Chất điện ly
Nếu cho các ion ngược dấu vào dung dịch có thể làm cho dung dịch có khả năng keo tụ. Vì vậy ion ngược dấu cũng là một yếu tố 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 là HCO3–, SO42-, Cl– và cho thấy ion 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.
Tạp chất trong nước
Khi trong nước có chứa một lượng lớn chất hữu cơ cao phân tử (như acid humic) nó có thể hấp phụ trên bề mặt dung dịch keo 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 thì sẽ cho quá trình kết tủa càng hoàn toàn và nhanh thêm. Lớp cặn bùn đó có tác dụng làm môi chất tiếp xúc trên bề mặt, nó có tác dụng thúc đẩy hấp phụ. Tác dụng của các hạt cặn bùn đó như những hạt nhân kết tinh, cho nên thiết bị dùng để keo tụ hoặc xử lý bằng kết tủa khác phần lớn được thiết kế có lớp cặn bùn.
Ứng dụng của phương pháp keo tụ tạo bông
Xử lý các loại nước thải:
– Nước thải chứa chất rắn lơ lững cao.
– Hợp chất nước thải nhiều chất vô cơ. VD: Rỉ rác, dệt nhuộm,…
– Hợp chất nước thải nhiều chất hữu cơ. VD: Giết mổ, thủy sản,…
– Xử lý các hạt có kích thước nhỏ hơn 10-4 mm.
– Các chất thường được đưa vào để làm chất kết dính là phèn nhôm (Al2(SO4)3), phèn sắt II ( FeSO4), phèn sắt III ( FeCl3).
– Sử dụng thiết bị Jartest: xác định các thông số cơ học
Ưu điểm
– Đơn giản dễ sử dụng.
– Rẻ tiền, nguyên vật liệu dễ tìm.
– Hiệu quả xử lí chất rắn lơ lững cao.
– Áp dụng được cho các nhà máy có chất rắn lơ lững, độ màu, kim loại nặng cao.
Nhược điểm
– Tạo ra bùn thải là kim loại.
– Tốn kinh phí trong việc vận chuyển, chôn lấp khi đưa bùn thải đi xử lý.
– Không hiệu quả với nồng độ kim loại cao.
Tag: đích tiếng anh giáo khái niệm tiểu luận thuyết minh đông
