Nội dung

Chương 2. KEO TỤ CẶN BẨN TRONG NƯỚC CH¦¥NG 2. KEO Tô CÆN BÈN TRONG N¦íC 2.1. Kh¸i niÖm chung. CÊu t¹o h¹t keo 2.2. C¸c ph−¬ng ph¸p keo tô 2.3. C¬ chÕ qu¸ tr×nh keo tô t¹o b«ng 1 2.1. Kh¸i niÖm chung 2.1.1. CÊu t¹o h¹t keo, tÝnh bÒn cña h¹t keo a. CÊu t¹o cña h¹t keo: H¹t keo cã cÊu t¹o rÊt phøc t¹p: + ë gi÷a cã nh©n keo: lµ tËp hîp hµng tr¨m hoÆc hµng ngh×n ph©n tö. + Líp hÊp phô: ®−îc t¹o ra do nh©n keo cã kh¶ n¨ng hÊp phô m¹nh vµ hÊp phô chän läc nh÷ng ion cã trong thµnh phÇn nh©n h¹t keo. + Líp ®èi ion: do nh©n keo vµ líp ion kÒ s¸t mang ®iÖn vµ hót nh÷ng ion ng−îc dÊu bao quanh t¹o ra (h¹t keo). + Líp khuÕch t¸n: h¹t keo cßn hót nh÷ng ion ng−îc dÊu ë xa h¬n t¹o ra VÝ dô: AgNO3 + NaCl = AgCl↓ + NaNO3.TËp hîp m ph©n tö AgCl t¹o thµnh nh©n keo. Gi¶ sö trong dung dÞch d− ion Ag+, chóng sÏ t¹o h¹t keo d−¬ng {m[AgCl] nAg+ + (n – x)NO3-}+x xNO3Nh©n keo Líp hÊp phô H¹t keo Misen keo Kh¸i niÖm chung vÒ hÖ keo 2 Kh¸i niÖm chung vÒ hÖ keo
Trong tr¹ng th¸i tÜnh, misen keo trung hoµ vÒ ®iÖn (c¸c ion cña h¹t Misen ®−îc trung hoµ bëi c¸c ion tr¸i dÊu cña tÇng khuyÕch t¸n)
Do chuyÓn ®éng Brown → 1 sè ion tÇng khuyÕch t¸n t¸ch khái h¹t → h¹t keo trë nªn cã ®iÖn tÝch ε- thÕ nhiÖt ®éng trªn bÒ mÆt nh©n keo ζ - thÕ ®iÖn ®éng trªn bÒ mÆt h¹t keo ε = Σ(± ) cña c¸c ion líp vá nh©n (2 tÇng) ξ = Σ(± ) cña c¸c ion líp khuyÕch t¸n ε − ξ = Σ(± ) cña c¸c líp ion kÐp (tÇng hÊp phô) Kh¸i niÖm chung vÒ hÖ keo TÇng hÊp phô TÇng khuyÕch t¸n ε- thÕ nhiÖt ®éng trªn bÒ mÆt nh©n keo ζ - thÕ ®iÖn ®éng trªn bÒ mÆt h¹t keo ε=0 ζ=0 3 Kh¸i niÖm chung vÒ hÖ keo b. TÝnh bÒn cña hÖ keo §é bÒn cña hÖ keo phô thuéc: b¶n chÊt ph©n t¸n, ®é ph©n t¸n, dung m«i, sù cã mÆt cña c¸c chÊt lµm bÒn (chÊt ho¹t ®éng bÒ mÆt), nång ®é h¹t ph©n t¸n vµ nhiÖt ®é. c. Sù ®ång tô cña keo vµ pepti ho¸ Sù ®«ng tô: lµ hiÖn t−îng c¸c h¹t keo dÝnh kÕt l¹i víi nhau vµ t¹o thµnh kÕt tña. Do mét nguyªn nh©n nµo ®ã ®Èy ion nghÞch ë vá khuyÕch t¸n ®i vµo líp hÊp phô cña h¹t keo, lµm gi¶m ®iÖn tÝch h¹t keo, gi¶m lùc ®Èy, g©y nªn sù keo tô. Sù pepti ho¸: lµ qu¸ tr×nh ng−îc l¹i víi sù keo tô. X¶y ra khi: + C¸c s¶n phÈm ®«ng tô tiÕp xóc víi dung dÞch ®iÖn ly lµm cho chóng kh¶ n¨ng tÝch ®iÖn lai, lùc kÕt dÝnh yÕu ®i, lùc khuyÕch t¸n t¨ng, dÉn tíi sù ph©n bè l¹i c¸c h¹t keo vµ dung dÞch keo. + §−a vµo dung dÞch chÊt ho¹t ®éng bÒ mÆt. T¹o ra bÒ mÆt h¹t keo líp sonvat, sau ®ã do chuyÓn ®éng nhiÖt c¸c ph©n tö bÞ t¸ch ra vµ t¹o thµnh hÖ keo. Kh¸i niÖm chung vÒ hÖ keo 2.1.2. C¸c tÝnh chÊt cña dung dÞch keo * TÝnh chÊt quang häc cña dung dÞch keo a. ThÝ nghiÖm cña Tyndall (n¨m 1896) ChiÕu chïm tia s¸ng vµo dung dÞch keo ta thÊy xuÊt hiÖn vïng ¸nh s¸ng mê ®ôc trong dung dÞch keo cã d¹ng h×nh nãn. HiÖn t−îng nµy ®−îc gäi lµ hiÖu øng Tyndall. b. Nguyªn nh©n Do h¹t keo cã kÝch th−íc h¹t nhÊt ®Þnh. Khi chiÕu s¸ng c¸c h¹t keo sÏ khuyÕch t¸n ¸nh s¸ng ®i mäi ph−¬ng. Lóc nµy h¹t keo trë thµnh nguån s¸ng thø cÊp -“®iÓm s¸ng”. 4 Kh¸i niÖm chung vÒ hÖ keo * ChuyÓn ®éng Brown cña h¹t keo
ChuyÓn ®éng Brown cña c¸c h¹t keo lµ do chuyÓn ®éng nhiÖt cña c¸c ph©n tö dung m«i g©y nªn chuyªn ®éng nhiÖt cña c¸c h¹t keo.
ChuyÓn ®éng cña c¸c ph©n tö m«i tr−êng lµ hçn lo¹n dÉn ®Õn chuyÓn ®éng cña c¸c h¹t keo còng lu«n lu«n thay ®æi vËn tèc vµ h−íng.
ChuyÓn ®éng Brown cã t¸c dông lµm cho h¹t keo ph©n bè ®ång ®Òu trong thÓ tÝch. Kh¸i niÖm chung vÒ hÖ keo * Sù sa l¾ng cña h¹t keo
Do h¹t keo cã mét khèi l−îng nµo ®ã nªn sÏ chÞu t¸c ®éng cña lùc träng tr−êng g©y cho h¹t keo sù sa l¾ng (vsl). Cßn chuyÓn ®éng Brown lµm cho h¹t keo khuyÕch t¸n ®Òu trong thÓ tÝch hÖ (vkt).
Khi cã sù c©n b»ng gi÷a lùc khuyÕch t¸n vµ sù sa l¾ng th× trong hÖ keo cã sù ph©n bè h¹t keo trong hÖ mét c¸ch æn ®Þnh. Nh−ng v× mét nguyªn nh©n nµo ®ã mµ: + vsl > vkt th× h¹t keo bÞ sa l¾ng ; + vsl < vkt th× h¹t keo ®−îc ph©n bè ®Òu trong thÓ tÝch cña hÖ; + vsl = vkt: hÖ n»m ë tr¹ng th¸i c©n b»ng ®éng häc hay c©n b»ng sa l¾ng. 5 T−¬ng t¸c gi÷a c¸c keo • C¸c h¹t keo chuyÓn ®éng nhiÖt trong n−íc (chuyÓn ®éng Brown) vµ cã cïng dÊu: + §Èy nhau theo lùc ®Èy tÜnh ®iÖn + Hót nhau theo lùc hót ph©n tö (Lùc Van der Waals) → Lùc tæng hîp (xem h×nh vÏ) + ban ®Çu lµ lùc ®Èy + xÝch l¹i gÇn nhau h¬n → hîp lùc lµ lùc ®Èy max. + NÕu c¸c ph©n tö chuyÓn ®éng nhanh, ®¹t ®éng n¨ng ®ñ lín → v−ît qua ®−îc lùc ®Èy → kho¶ng c¸ch ®ñ nhá → lùc hót ph©n tö t¨ng nhanh → dÝnh kÕt víi nhau BiÓu ®å thÓ hiÖn Lùc t−¬ng t¸c Van der Waals Kh¸i niÖm chung vÒ hÖ keo * HiÖn t−îng ®iÖn di
Khi ®Æt dung dÞch keo vµo trong ®iÖn tr−êng d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng h¹t keo chuyÓn vÒ phÝa cña ®iÖn cùc tr¸i dÊu, cßn dung m«i cã chøa c¸c ion ë líp khuyÕch t¸n chuyÓn vÒ phÝa ®iÖn cùc kia.
D−íi t¸c ®éng cña ®iÖn tr−êng, pha nµy chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi víi pha kia, ®iÒu nµy cã nghÜa hai pha tÝch ®iÖn ng−îc dÊu nhau.
HiÖn t−îng pha r¾n dÞch chuyÓn t−¬ng ®èi víi pha láng gäi lµ hiÖn t−îng ®iÖn chuyÓn hay ®iÖn di. 6 Kh¸i niÖm chung vÒ hÖ keo 2.1.3. Ph©n lo¹i dung dÞch keo theo kÝch th−íc a. HuyÒn phï: lµ hÖ ph©n t¸n cña chÊt r¾n trong chÊt láng, kÝch th−íc h¹t r¾n trong huyÒn phï lµ lo¹i h¹t th« (d > 10-5m). - HuyÒn phï lµ hÖ hÇu nh− kh«ng khuyÕch t¸n, dÔ bÞ sa l¾ng, kh«ng khuyÕch t¸n ¸nh s¸ng nh− dung dÞch keo. - HÖ nµy kÐm bÒn do tÝnh bÒn ®éng häc cña nã nhá. Muèn cho huyÒn phï bÒn ng−êi ta th−êng thªm vµo nã chÊt cao ph©n tö hay chÊt ho¹t ®éng bÒ mÆt. b. Nhò t−¬ng: lµ hÖ ph©n t¸n cã ph©n tö ph©n t¸n lµ láng vµ dung m«i lµ láng. - Nhò t−¬ng láng – láng lµ hÖ cã hai pha cã b¶n chÊt kh¸c nhau. Nhò t−¬ng cã lo¹i lonng vµ ®Æc, giíi h¹n bëi phÇn tr¨m pha ph©n t¸n trong m«i tr−êng ph©n t¸n. - Nhò t−¬ng lµ hÖ dÞ thÓ kh«ng bÒn nhiÖt ®éng (®Æc biÖt lµ nhò t−¬ng ®Æc), muèn t¨ng thêi gian sèng cña hÖ ph¶i ®−a vµo trong hÖ chÊt nhò ho¸ thÝch hîp. c. Bät: lµ nh÷ng hÖ ph©n t¸n rÊt th« vµ rÊt ®Ëm ®Æc khÝ trong chÊt láng. - Bät lµ mét hÖ rÊt kÐm bÒn. VÒ tÝnh chÊt vµ cÊu t¹o c¸c bät khÝ rÊt gièng víi nhò t−¬ng ®Ëm ®Æc cao. 2.2. C¸c ph−¬ng ph¸p keo tô • C¸c cÆn bÈn trong n−íc (h¹t c¸t, sÐt, bïn sinh vËt phï du, s¶n phÈm ph©n huû c¸c chÊt h÷u c¬,…) cã kÝch th−íc nhá (< 10-4 mm) th× khã t¸ch khái n−íc b»ng ph−¬ng ph¸p l¾ng c¬ häc, chóng tån t¹i ë tr¹ng th¸i l¬ löng trong n−íc, trong tr¹ng th¸i c©n b»ng ®éng. • CÇn nh÷ng yÕu tè bªn ngoµi t¸c ®éng, ph¸ vì tr¹ng th¸i c©n b»ng ®ã, t¹o ®iÒu kiÖn ®Ó c¸c h¹t cÆn l¬ löng kÕt dÝnh víi nhau, t¨ng kÝch th−íc vµ khèi l−îng cña chóng → dÔ l¾ng xuèng ®¸y h¬n. • C¸c ph−¬ng ph¸p t¸c ®éng: - Nung nãng, lµm l¹nh, dïng c¸c chÊt ®iÖn ly, sö dông tõ tr−êng,… - Dïng c¸c ho¸ chÊt nh»m t¹o ra trong n−íc hÖ keo míi, mang ®iÖn tÝch ng−îc dÊu víi hÖ keo cÆn bÈn trong n−íc thiªn nhiªn vµ lµm nh©n tè keo tô c¸c h¹t cÆn bÈn l¬ löng (th−êng ®−îc dïng). 7 2.2. C¸c ph−¬ng ph¸p keo tô • C¸c h¹t cÆn l¬ löng trong n−íc phÇn lín th−êng ®Òu mang ®iÖn tÝch ©m (cÆn gèc silic, c¸c hîp chÊt h÷u c¬), mét sè mang ®iÖn tÝch d−¬ng (hydroxit s¾t, nh«m). Khi thÕ c©n b»ng ®iÖn ®éng bÞ ph¸ vì → c¸c h¹t liªn kÕt víi nhau t¹o thµnh c¸c tæ hîp gäi lµ c¸c h¹t keo. Chóng cã thÓ lµ keo h¸o n−íc hoÆc keo kþ n−íc. • Keo h¸o n−íc (−a n−íc): trªn bÒ mÆt chóng cã 1 líp mµng thuû ho¸, gåm c¸c nhãm ph©n cùc bÒ mÆt hoµ tan trong n−íc (nh− c¸c nhãm hydroxyl OH-, COOH-,…). C¸c h¹t keo nµy th−êng mang ®iÖn tÝch kh«ng lín vµ ®«ng tô d−íi t¸c dông cña c¸c chÊt ®iÖn ly (ë d¹ng c¸c ion ng−îc dÊu). • Keo kþ n−íc (cÆn bÈn trong n−íc: bïn, sÐt, c¸t…) ®ãng vai trß chñ yÕu trong c«ng nghÖ xö lý n−íc b»ng chÊt keo tô. 2.2. C¸c ph−¬ng ph¸p keo tô (1). T¨ng ®éng n¨ng h¹t keo Cã thÓ thùc hiÖn ®−îc nhê c¸ch t¨ng nhiÖt ®é (khã thùc hiÖn), khuÊy trén hay t¹o dßng ch¶y xo¾n ë trong c«ng tr×nh xö lý (th−êng ¸p dông, tuy nhiªn kh«ng thÓ ®¹t ®−îc hiÖu suÊt cao nÕu chØ ¸p dông ph−¬ng ph¸p nµy). ViÖc t¨ng ®éng n¨ng cña h¹t keo lµm cho chóng linh ®éng h¬n → t¨ng sè va ch¹m gi÷a c¸c h¹t keo trong dung dÞch → kÝch th−íc c¸c h¹t keo t¨ng → sa l¾ng 8 C¸c ph−¬ng ph¸p keo tô (2) Gi¶m lùc ®Èy tÜnh ®iÖn vµ t¨ng lùc hót Ion: - §−a vµo n−íc c¸c ho¸ chÊt lµm t¨ng nång ®é cña chÊt ®iÖn ly trung tÝnh (vÝ dô nh− NaCl), dÉn ®Õn gi¶m ®é dµy cña líp ®iÖn tÝch kÐp (gi¶m ζ) → lµm gi¶m lùc ®Èy tÜnh ®iÖn gi÷a c¸c h¹t → t−¬ng t¸c tæng céng gi÷a c¸c h¹t keo b»ng kh«ng, do ®ã sù t¹p thµnh tæ hîp c¸c h¹t keo cã thÓ x¶y ra khi chóng va ch¹m, tiÕp xóc víi nhau. 2.2. C¸c ph−¬ng ph¸p keo tô
Qu¸ tr×nh keo tô b»ng chÊt ®iÖn ly cã thÓ coi nh− lµ mét qu¸ tr×nh keo tô tèi −u. Ng−êi ta ®n x¸c ®Þnh r»ng khi sö dông chÊt ®iÖn ly víi c¸c Ion cã ho¸ trÞ cµng lín th× hiÖu qu¶ keo tô cµng cao vµ liÒu l−îng chÊt ®iÖn ly cµng gi¶m ®i.
Ph−¬ng ph¸p nµy ®ßi hái liÒu l−îng chÊt keo tô ®−a vµo n−íc ph¶i rÊt chÝnh x¸c. NÕu nång ®é c¸c chÊt ®iÖn ly trong n−íc v−ît qu¸ møc cÇn thiÕt sÏ g©y ra qu¸ tr×nh tÝch ®iÖn trë l¹i ®èi víi h¹t keo, lµm thÕ n¨ng t¨ng lªn vµ hiÖu qu¶ keo tô gi¶m.
BiÖn ph¸p nµy khã øng dông trong xö lý n−íc. Tuy nhiªn, ng−êi ta cã thÓ quan s¸t hiÖn t−îng keo tô nµy ë vïng cöa s«ng ch¶y ra biÓn. T¹i ®ã, do nång ®é muèi cao, c¸c h¹t keo huyÒn phï bÞ keo tô nhanh chãng, t¹o ra sù l¾ng ®äng trÇm tÝch båi c¹n cöa s«ng. 9 C¸c ph−¬ng ph¸p keo tô (3) Thay ®æi pH: Thay ®æi pH cña m«i tr−êng cã thÓ lµm thay ®æi hay lµm mÊt ®iÖn tÝch s¬ cÊp (®iÖn tÝch øng víi ®iÓm ®¼ng ®iÖn), do ®ã lµm gi¶m hay triÖt tiªu lùc ®Èy. Tuy nhiªn, pH cña nhiÒu lo¹i h¹t th−êng thÊp, vÝ dô, ®èi víi: + SÐt: pH cña ®iÓm ®¼ng ®iÖn pH0 = 5 + Mïn (humin): pH0 = 3,5 - 4,5 + Protit: pH0 = 3,5 - 4,2 Lùc t¸c dông lªn h¹t keo sau khi líp 0 ®iÖn tÝch kÐp bÞ nÐn + Silic SiO2: pH = 2. (Compression of the Double Layer DLVO Theory) 2.2. C¸c ph−¬ng ph¸p keo tô (4) §−a vµo n−íc hÖ muèi kim lo¹i ho¸ trÞ III cã thÓ thuû ph©n (phÌn nh«m Al2(SO4)3, phÌn s¾t FeCl3, Poly Alluminium Chlorid (PAC)...) - PhÌn ®−îc ph©n ly thµnh c¸c ion kim lo¹i vµ Anion axit m¹nh: Al2(SO4)3 → 2Al3+ + 3SO42FeCl3 → Fe3+ + 3ClKhi ®ã: (4a) C¸c ion kim lo¹i (Al3+, Fe3+) → trung hoµ c¸c h¹t keo trong n−íc mang ®iÖn tÝch (-), lµm gi¶m thÕ ®iÖn ®éng ζ → keo liªn kÕt l¹i → t¹o b«ng cÆn. 10