CHƯƠNG 3: KEO TỤ CHẤT BẨN TRONG NƯỚC BẰNG PHÈN

3.1 Bản chất lý hóa của quá trình keo tụ:

       Các cặn bẩn có kích thước rất bé nên tham gia vào chuyển động nhiệt với các phân tử nước, tạo thành một hệ keo phân tán trong toàn bộ thể tích nước, độ bền của các hạt cặn lơ lửng trong nước bé hơn nhiều so với độ bền của hệ phân tán phân tử nên chúng dễ bị phá hủy (lắng đọng) dưới tác dụng của các nhân tố bên ngoài như đun nóng, làm lạnh, pha vào nước chất điện phân,…

       Phèn được cho vào nước để làm mất tính ổn định của hệ keo thiên nhiên đồng thời tạo ra hệ keo mới có khả năng kết hợp thành những bông cặn lớn, lắng nhanh, có hoạt tính bề mặt cao, khi lắng hếp phụ và kéo theo cặn làm bẩn nước, cũng như các chất hữu cơ gây mùi, màu cho nước. Trong các quá trình xử lý nước gặp hai loại keo: keo kị nước và keo háo nước

       Keo kị nước: hạt keo không kết hợp với các phân tử nước của môi trường để tạo ra vỏ bọc hydrat, các hạt keo riêng biệt mang điện tích lớn, và khi điệnt ích này được trung hòa thì độ bền của hạt keo bị phá vỡ

       Quá trình keo tụ của hệ keo kị nước thường là không thuận nghịch, quá trình diễn ra tới khi keo tụ hoàn toàn các hạt keo

       Keo háo nước: 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 động của các hạt điện phân không bị keo tụ

       Các hạt cặn làm bẩn nước chủ yếu tạo ra hệ keo kị nước gồm các hạt mang điện tích âm còn các hạt keo kị nước tạo ra do sản phẩm thủy phân phèn nhôm, phèn sắt mang điện tích dương. Quá trình xử lý nước bằng phèn, keo kị nước đóng vai trò chủ yếu.
>> Xem thêm: hệ thống xử lý nước thải

       Các phương pháp keo tụ

       1. Keo tụ bằng các chất điện ly:

            Cho thêm vào nước các chất điện ly ở dạng các ion ngược dấu. Khi nồng độ của các ion ngược dấu tăng lên, thì càng nhiều ion được chuyển từ lớp khuếch tán vào lớp điện tích kéo dẫn tới việc giảm độ lớn của thế điện động, đồng thời lực đẩy tĩnh điện cũng giảm đi. Nhờ chuyển động Brown các hạt keo với điện tích bé khi va chạm dễ kết dính bằng lực hút phân tử tạo nên các bông cặn ngày càng lớn. 

       2. Keo tụ bằng hệ keo ngược dấu:

       Quá trình keo tụ được thực hiện bằng cách tạo ra trong nước một hệ keo mới tích điện ngược dấu với hệ keo cặn bẩn trong nước thiên nhiên và các hạt keo tích điện trái dấu sẽ trung hòa lẫn nhau. Chất keo tụ thường sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt, đưa vào nước dưới dạng hòa tan, sau phản ứng thủy phân chúng tạo ra hệ keo mới mang điện tích dương có khả năng trung hòa với các loại keo mang điện tích âm.

       Các ion kim loại mang điện tích dương một mặt tham gia vào quá trình trao đổi với các cation nằm trong lớp điện tích kép của hạt cặn mang điện tích âm, làm giảm thế điện động ξ, giúp các hạt keo dễ liên kết lại với nhau bằng lực hút phân tử tạo ra các bông cặn.

       Mặt khác các ion kim loại tự do lại kết hợp với nước bằng phản ứng thủy phân, các phân tử nhôm hydroxit và sắt hydroxit là các hạt keo mang điện tích dương, có khả năng kết hợp với các hạt keo tự nhiên mang điện tích âm tạo thành các bông cặn. Đồng thời các phân tử Al(OH)₃ và Fe(OH)₃ kết hợp với các anion có trong nước và kết hợp với nhau tạo ra bông cặn có hoạt tính bề mặt cao. Các bông cặn này khi lắng sẽ hấp thụ cuốn theo các hạt keo, cặn bẩn, các hợp chất hữu cơ, các chất mùi vị… tồn tại ở trạng thái hòa tan hoặc lơ lửng trong nước.

3.2 Động học của quá trình keo tụ

       1.  Các giai đoạn keo tụ

-      Khuấy trộn phèn với nước

-      Thủy phân của phèn

-      Phá hủy độ bền của keo (làm mất tính ổn định hệ keo)

-      Dính kết hấp thụ và keo tụ do chuyển động nhiệt và do khuấy trộn

       Sự khác nhau có tính chất đặc trưng giữa các quá trình keo tụ chủ yếu là do giai đoạn thủy phân và phá hủy độ bền của keo gây ra. Bởi vì khi nghiên cứu quá trình thủy phân của phèn nhận thấy rằng: Trong điều kiện xử lý nước, quá trình thủy phân, phấp thụ và trao đổi ion của lớp điện tích kép diễn ra tất nhanh chống (tức thời), tốc độ hấp thụ và trao đổi các hợp chất trung gian của quá trình thủy phân làm phá vỡ độ bền của keo dẫn đến sự dính kết giữa chúng phụ thuộc vào các thông số vật lý: pH, độ pha loãng, nồng độ cặn, tình trạng bề mặt của hệ, nhiệt độ,…Dưới tác dụng của các yếu tố này diễn ra một cách tức thời các phản ứng phá hủy độ bền của keo. Nghĩa là mức độ phá hủy độ bền, hiệu quả của các va chạm giữa các hạt keo phụ thuộc vào điều kiện thủy phân và loại các hợp chất được hấp thụ trong lớp điện tích kép. Còn quá trình dính kết đối với tất cả các quá trình keo tụ diễn ra giống nhau vì đều phụ thuộc vào số va chạm và hiệu quả va chạm của các hạt keo, và là giai đoạn chậm nhất của quá trình keo tụ

       2. Keo tụ do chuyển động nhiệt:

       Các hạt keo bị mất độ bền có khả năng dính kết tham gian vào các chuyển động nhiệt (chuyển động Brown) va chạm với nhau tạo thành bông cặn

       3. Keo tụ do khuấy trộn:

       Nếu kích thước của hạt keo lớn hơn rất nhiều so với kích thước phânt ử của môi trường phân tán hoặc do kết quả dính kết khi chuyển động nhiệt, kích thước hạt đạt tới 1 µm, thì sự va chạm giữa các hạt chỉ có thể xảy ra do khuấy trộn bởi vì kích thước lớn của hạt không cho phép nó tham gia vào chuyển động nhiệt và chuyển động tương đối giữa các hạt với nhau là chuyển động có hướng do dòng chảy tầng và dòng chảy rối của môi trường phân tán gây ra. Tốc độ dính kết do khuấy trộn tương ứng với phản ứng bậc nhất.

       Đối với các hạt riêng biệt điểm chuyển từ keo tu do chuyển động nhiệt sang keo tụ do khuấy trộn là điểm keo tụ tạm thời, tại điểm đó hạt chuyển từ tình trạng phânt án của hệ keo sang tình trạng phântán của các hạt có kích thước tương đối bé

       Từ thời điểm đó trở đi cường độ khuấy trộn là một trong những yếu tố có tác dụng quyết định đến quá trình keo tụ, điều đó có nghĩa là các hạt bong cặn phải có một tốc độ di chuyển tương đối để đảm bảo đạt được số va chạm tối đa nhưng không gây ra phá hoại các hạt bông đã tạo ra

       4. Keo tụ bằng phèn có tính đến tác dụng phá hoại bông cặn khi khuấy trộn

       Keo tụ nước bằng phèn trong các công trình xử lý nước có những đặc điểm riêng

-      Các hạt cẵn làm bẳng nước và các hạt keo tạo ra do thủy phân phèn cùng tham gia vào quá trình keo tụ

-      Tốc độ tạo ra bông cặn là hàm số của tốc độ phản ứng hóa học và cường độ khuấy trộn.

-      Kích thước của bông cặn được tạo thành lớn hơn hang nghìn lần so với kích thước các hạt cặn tự nhiên

-      Bông cặn tạo ra do quá trình keo tụ có các tính chất vật lý và kích thước hình học khác xa bông cặn lý tưởng

       5. Ảnh hưởng của hàm lượng cặn và việc sử dụng tuần hoàn cặn lắng để đẩy mạnh quá trình keo tụ

       Tốc độ và hiệu quả của quá trình keo tụ phụ thuộc vào hàm lượng cặn trong nước. Khi các điều kiện khác như nhau, hàm lượng cặn càng lớn, tốc độc và hiệu quả của quá trình keo tụ càng lớn, nhưng khi hàm lượng cặn lớn đòi hỏi đồng thời phải tăng cường độ khuấy trộn và thời gian khuấy trộn. Do tác dụng của hàm lượng cặn như đã nêu trên, trong nhiều trường hợp xử lý nước có độ dục thấp, độ màu cao, người tap ha them cặn cát, sét vào nước nguồn để tăng cường quá trình keo tụ.

       6. Keo tụ tiếp xúc:

       Sử dụng khả năng kết dính của các hạt cặn lên bề mặt các hạt của vật liệc lọc như cát. Về bản chất sự dính kết của các hạt cặn vào các hạt của lớp vật liệu lọc là sự keo tụ. Quá trình keo tụ tiếp xúc diễn ra với tốc độ nhanh và với mức độ hoàn hảo hơn sự keo tụ trong thể tích chất lỏng. Vì cường độ dính kết giữa các hạt bé trong nước với các hạt lớn của lớp vật liệu lọc lớn hơn nhiều lần so với cường độ dính kết (do va chạm) giữa các hạt bé với nhau trong môi trường thể tích. Ngoài ra các hạt bé tuy còn tích điện và thậm chí nồng độ các hạt còn chưa đủ để gây ra keo tụ do va chạm trong môi turờng thể tích nhưng nó đã có thể thực hiện được quá trình keo tụ tiếp xúc trong lớp vật liệu hạt . Quy trình thực hiện keo tụ tiếp xúc có hiệu quả nhất là sau khi pha phèn vào nước lập tức cho lọc qua môi trường hạt, ví dụ như cát.

       Quá trình keo tụ tiếp xúc xảy ra không chỉ trong các bể lọc tiếp xúc mà cả tring bể lọc nhanh nếu nước sau khi trộn đều với phèn không cho lắng mà chuyển ngay vào bể lọc. Thông số cp1 ảnh hưởng quyết định đến hiệu quả lọc nước không phải là kích thước của cặn mà là khả năng dính kết của chúng vào lớp vật liệu hạt, là tính chất lý hóa của cặn bẩn sau khi đã xử lý phèn . Nếu không xử lý cặn bẩn bằng phen thì chúng hầu như không có khả năng dính kết và ngay các hạt cặn có kích thước lớn cũng có thể dễ dàng lọt qua chiều dày của lớp vật liệu lọc.

       Trong các bể lắng, trong có lớp cặn lơ lửng, nước sau khi trộn đều với phèn đi qua lớp cặn lơ lửng gồm các bông cặn đã tạo ra từ trước để thực hiện quá trình keo tụ tiếp xúc và nước sau khi qua bể lắng trở nên trong

3.3  Dùng các hóa chất phụ để tăng cường quá trình keo tụ

        Các hóa chất dùng để tăng cường quá trình keo tụ của phèn nhôm và phèn sắt là các chất cao phân tử. trong những trường hợp đặc biệt các hóa chất này có thể thay phèn để keo tụ cặn

       Chất cao phânt ử dung để tăng cường quá trình keo tụ của phèn nhôm và phèn sắt theo thành phần hóa học có thể chia ra: hợp chất cao phân tử vô cơ như axit silicxic hoạt hóa và hợp chất cao phân tử hữu cơ như poliacrilat natri, poliacriamit,…