- Cơ chế keo tụ, tạo bông
Cơ chế tạo cầu nối
– Phản ứng 1: Hấp phụ ban đầu ở liều lượng polime tối ưu. Phân tử polime dính vào hạt keo.
– Phản ứng 2: Hình thành bông cặn. Đuôi polime đã hấp phụ có thể duỗi ra và gắn kết với vị trí trống trên bề mặt hạt keo khác —> hình thành bông cặn.
– Phản ứng 3: Hấp phụ lần hai của polime. Nếu đoạn cuối duỗi ra và không tiếp xúc với vị trí trống trên hạt khác và gấp lại —> tiếp xúc với mặt khác của chính hạt đó —> ổn định lại.
– Phản ứng 4: khi liều lượng polime dư. Nếu polime thêm vào dư nhiều, bề mặt hạt bão hòa các đoạn polime —> không có vị trí trống để hình thành cầu nối —> hạt keo ổn định trở lại.
– Phản ứng 5: Vỡ bông cặn, vỡ vụn bông cặn khi xáo trộn nhiều.
Trong toàn bộ quá trình (5 phản ứng trên ), Cơ chế chính là: Hấp phụ và tạo cầu nối. Cơ chế phụ là: Trung hòa điện tích.
- Quá trình keo tụ tạo bông
Khi chất keo tụ cho vào nước và nước thải, các hạt keo trong nước bị mất tính ổn định, tương tác với nhau, kết cụm lại hình thành các bông cặn lớn, dễ lắng. Quá trình mất tính ổn định của hạt keo là quá trình lý hóa phức tạp, có thể giải thích dựa trên các cơ chế sau:
+ Giảm điện thế Zeta tới giá trị mà tại đó dưới tác dụng của lực hấp dẫn Vander Waals cùng với năng lượng khuấy trộn cung cấp thêm, các hạt keo trung hòa điện kết cụm và tạo thành bông cặn.
+ Các hạt kết cụm do sự hình thành cầu nối giữa các nhóm hoạt tính trên hạt keo.
+ Các bông cặn hình thành khi lắng xuống sẽ bắt giữ các hạt keo trên quỹ đạo lắng xuống.
+ Quá trình keo tụ thông thường áp dụng khử màu, hàm lượng cặn lơ lửng trong xử lí nước thải.
- Hóa chất keo tụ
Để thực hiện quá trình keo tụ, người ta cho vào nước các chất phản ứng thích hợp như: phèn nhôm Al2(SO4)3, phèn sắt FeSO4 koặc FeCl3. Các loại phèn này được đưa vào nước dưới dạng dung dịch hòa tan.
Dùng phèn nhôm:
Khi cho phèn nhôm vào nước, chúng phân li tạo ion Al3+ bị thủy phân tạo thành Al(OH)3.
Ngoài Al(OH)3 là nhân tố quyết định đến hiệu quả keo tụ tạo thành còn giải phóng ra các ion H+. Các ion H+ này sẽ được khử bằng độ kiềm tự nhiên của nước (được đánh giá bằng HCO3–).
Trường hợp độ kiềm tự nhiên của nước thấp, không đủ trung hòa ion H+ thì cần phải kiềm hóa nước. Chất dùng để kiềm hóa thông dụng là vôi (CaO), sođa (Na2CO3), hoặc xút (NaOH).
Dùng phèn sắt:
Phèn sắt chia làm hai loại là phèn sắt II và phèn sắt III. Phèn Fe(II) khi cho vào nước phân li thành ion Fe2+ và bị thủy phân thành Fe(OH)2.
Phèn Fe(III) khi cho vào nước phân li thành ion Fe3+ và bị thủy phân thành Fe(OH)3.
Phản ứng thủy phân:
– Ưu điểm của phèn sắt đối với phèn nhôm:
Liều lượng phèn Fe dùmg để kết tủa chỉ bằng 1/3 – 1/2 lượng phèn Al.
Phèn Fe ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ và giới hạn pH rộng.
– Nhược điểm của phèn Fe đối với phèn Al: Gây ăn mòn đường ống mạnh.
*. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ
- Nhiệt độ:
Yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình keo tụ, khi nhiệt độ nước tăng, sự chuyển động nhiệt của các hạt keo tăng lên làm tăng tần số va chạm và hiệu quả kết dính tăng lên.
Thực tế cho thấy khi nhiệt độ nước tăng lượng phèn cần để keo tụ giảm, thời gian và cường độ khuấy trộn cũng giảm theo. Ngoài ra, lượng và tính chất của cặn cũng ảnh hưởng đến hiệu quả keo tụ.
Khi hàm lượng cặn trong nước tăng lên, lượng phèn cần thiết cũng tăng lên, nhưng hiệu quả keo tụ lại phụ thuộc vào tính chất của cặn tự nhiên như kích thước, diện tích và mức độ phân tán …
Nhiệt độ của nước thích hợp khi dùng phèn nhôm là: 20 – 40oC, tốt nhất là 35 – 45oC.
Phèn Fe khi thủy phân ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ, vì vậy nhiệt độ của nước ở 0oC vẫn có thể dùng phèn Fe làm chất keo tụ.
- pH:
Đối với phèn Al: Khi pH < 4,5 thì không xảy ra phản ứng thủy phân. Khi pH > 7,5 làm cho muối kiềm kém tan và hiệu quả keo tụ bị hạn chế. Phèn nhôm đạt hiệu quả cao nhất khi pH = 5,5 – 7,5.
Đối với phèn Fe: Phản ứng thủy phân xảy ra khi pH > 3,5 và quá trình kết tủa sẽ hình thành nhanh chóng khi pH = 5,5 – 6,5.
Ở pH < 3 thì Fe(III) không bị thủy phân , SiO2 keo tụ do ion Fe(III). Ở pH cao hơn, chỉ cần liều lượng Fe(III) thấp có thể keo tụ SiO2.
* Quá trình tạo bông
Là quá trình tiếp xúc giữa các hạt mất ổn định. Khuấy chậm làm cho các bông đã keo tụ nhỏ dính kết với nhau tạo thành các bông lớn và dễ lắng.
Trong tạo bông chú ý đến hai thông số: G (Gradien vận tốc) và t (thời gian trôn tạo bông) . Hai giá trị này phụ thuộc vào: Thành phần hóa học của nước, tính chất và hàm lượng hạt keo.
- G lớn à phá vỡ bông bùn.
- T lớn à mòn bông bùn, hao năng lượng.
Vì vậy, tạo bông ban đầu nhanh có G khá cao tới khi bông hình thành rồi thì chặn lại, G giảm dần thì kích thước bông cặn lớn dần.
*. Động học của quá trình keo tụ
Các giai đoạn của quá trình keo tụ:
Keo tụ trong nước bằng phèn xảy ra các quá trình sau:
- Pha trộn các chất keo tụ với nước.
- Thủy phân của phèn đồng thời phá hủy độ bền vững của hệ keo tự nhiên.
- Hình thành bông cặn.
Quá trình pha hóa chất phải rất nhanh mới có hiệu quả cao, hằng số tốc độ thủy phân của anion và cation là 10-2 s và thời gian hấp phụ trao đổi ion với các hạt keo tự nhiên mất khoảng 10-4 s, sau đó bắt đầu quá trình hình thành bông cặn. Hiệu quả của giai đoạn này phụ thuộc chủ yếu vào số lượng va chạm giữa các hạt cặn.
Dưới tác động của sự chuyển động nhiệt, các hạt cặn va chạm và kết dính với nhau tạo thành các bông cặn có kích thước lớn dần lên cho đến lúc chúng không còn tham gia vào quá trình chuyển động nhiệt.
*. Sự hình thành bông cặn của quá trình keo tụ
Tác động của chuyển động nhiệt :
Chuyển động nhiệt phụ thuộc vào :
- Nồng độ ban đầu của hạt n0, cường độ chuyển động Brown (hệ số khuếch tán của môi trường D).
- Bán kính tác dụng của lực Vander Waals R.
- Tốc độ tăng các tổ hợp hạt nx và được biểu thị bằng phương trình:
Trong đó là hệ số hiệu quả va chạm.
Tác động khuấy trộn của dòng nước :
Trong môi trường nước luôn tồn tại hai dạng dòng chảy là chảy tầng và chảy rối. Sự chuyển động của bông cặn cũng phụ thuộc vào hai dạng dòng chảy trên:
- Keo tụ bông cặn trong trong dòng chảy tầng:
Số lượng tương tác của hai nhóm bông cặn thời gian sẽ là:
Trong các công thức trên:
N1: Số lượng tương tác (va chạm) của nhóm bông cặn 1 với một bông cặn 2.
N2: Số lượng tương tác (va chạm) của hai nhóm bông cặn 1 và 2.
(n1 và n2): Số lượng bông cặn 1 và 2 có trong một đơn vị thể tích nước.
0: Hệ số hiệu quả tương tác (va chạm).
G: Gradien vận tốc.
(r1 , r 2): Bán kính tương tác giữa bông cặn 1 và 2.
Phương trình trên biễu diễn tốc độ keo tụ của hệ đa phân tán trong dòng chảy tầng.
- Keo tụ tạo bông trong dòng chảy rối:
Các phân tử nước cùng bông cặn chuyển động theo hướng quỹ đạo không gian.
Xét một khối chất lỏng trong môi trường nước, ở trạng thái tĩnh sự cân bằng giữa áp lực P và lực ma sát tác dụng lên nó.
Để cho lớp trên và lớp dưới của khối chất lỏng chuyển động tương đối với nhau với nhau với tốc độ vtd = dv/dz (haykhối lượng chất lỏng quay với tốc độ góc dv/dz ), phải tiêu tốn hết một năng lượng bằng tích số của moment quay (f∆x∆y)∆z với vận tốc góc dx/dz. Do đó năng lượng tiêu hao cho một đơn vị thể tích chất lỏng trong một đơn vị thời gian là:
Trong đó :
f∆x∆y : Lực ma sát tác dụng lên bề mặt dưới của khối chất lỏng.
∆z : Khoảng cách cánh tay đòn.
dv/dz : Tốc độ góc của khối hay gradient tốc độ ( G = dv/dz).
∆x∆y∆z = ∆V : Thể tích khối chất lỏng.
f : Lực ma sát theo định luật Newton.
trong đó:
: Năng lượng tiêu hao cho một đơn vị thể tích chất lỏng,
V : Độ nhớt động học của chất lỏng.
hoặc có thể tính theo công thức :
trong đó:
W1 : Công tiêu hao để khuấy trộn , kGm.
Q : Thể tích chất lỏng khuấy trộn , m3.
t : Thời gian khuấy trộn, s.
Hai biểu thức trên đồng thời cũng biểu thị cường độ khuấy trộn và được dùng làm chỉ tiêu để đánh giá mức độ keo tụ theo chuẩn số keo tụ.
Tương quan giữa tốc độ hình thành bông cặn do ảnh hưởng của chuyển động nhiệt và khuấy trộn có thể xác định bằng cách lập tỉ số:
Để tính toán hiệu quả của quá trình keo tụ một cách chính xác và tin cậy, tứ đó tìm ra giá trị tối ưu của các thông số điều khiển, cần phải nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của tổ hợp các yếu tố có tính quyết định đến hiệu quả keo tụ, cụ thể phải tím được sự phụ thuộc của hàm số.
trong đó :
M0 : Hàm lượng cặn của nước nguồn, mg/l;
: Lượng phèn cho vào nước, mg/l;
T0 : Nhiệt độ nước;
Ki : Độ kiềm của nước nguồn, mg/l;
G : Cường độ khuấy trộn, s-1;
t : Thời gian khuấy trộn, s;
Y : Hiệu suất keo tụ:
m : Hàm luợng cặn cón lại trong nước sau khi keo tụ và để lắng tính trong một thời gian nào đó, mg/l.
Leave a Reply