Đề tài Chất tạo bông polimer và ứng dụng của nó trong xử lý nước

POLIMER III. KẾT LUẬN 2 MỞ ĐẦU Trong kỹ thuật xử lý nước , các hạt cặn trong nước có nguồn gốc khác nhau và kích thước khác nhau. Dùng các biện pháp xử lý cơ học như lắng, lọc có thể loại bỏ được các cặn có kích thước lớn hơn 10 -4 mm, còn các hạt có kích thước nhỏ hơn 10 -4 mm không thể tự lắng được mà luôn tồn tại ở trạng thái lơ lửng. Trong đó phương pháp xử lý dựa trên quá trình keo tụ và tạo bông là biện pháp xử lý hiệu quả các cặn lơ lửng trên. Do đó tôi chọn đề tài : “ Chất tạo bông Polymer và ứng dụng của nó trong xử lí nước”. 3 Khái niệm và mục đích Keo tụ: là hiện tượng các hạt keo cung loại hút nhau tạo thành tập hợp hạt có kích thước và khối lượng đủ lớn để lắng xuống do trọng lực trong thời gian đủ ngắn Quá trình tạo bông: Là sự dính kết các hạt “ đã phá vỡ độ bền” thành các cục bông nhỏ, sau đó thành cụm to hơn và lắng được.Quá trình này có thể cải thiện được bằng cách thêm vào các chất phản ứng gọi là tác nhân kết bông hay là chất tạo bông 4 5 Mục đích Tách các hạt cặn có kích thước <10 -4 mm khó tách loại bằng các quá trình lý học thông thường như lắng, lọc, tuyển nổi. Chuyển các hạt keo thành các hạt có thể lắng. Giảm đi các thành phần có trong nước như: Chất bẩn lơ lửng, các anion PO 4 3- và có thể cải thiện độ đục và màu sắc của nước. 6 7 Cấu tạo hạt keo Đối tượng xử lý chủ yếu của quá trình keo tụ tạo bông là các hạt keo. Hạt keo có kích thước khoảng 0,001 < 1 , khả năng lắng rất chậm. Các hạt keo thường mang điện tích tương ứng với môi trường xung quanh và có thể phân loại thành 2 loại chính: + Keo kỵ nước + Keo háo nước - 8 Keo kỵ nước( hydrophobic) + Không ái lực với nước, + D ễ keo tụ . + Phần lớn là keo vô cơ( đất sét, oxit kim loại) Keo ưa nước( hydrophilic) : + Ái lực mạnh với nước,hấp thụ nước + Cản trở quá trình keo tụ, phần lớn là chất hữu cơ . (vi trùng, protein, các polime hòa tan, lòng trắng trứng 9 HẠT KEO Điện tích dương (hydroxit sắt, hydroxit nhôm .) Điện tích âm chiếm đa số: như cặn gốc silic, các tạp chất hữu cơ) . Các hạt keo âm hút các cation đến gần bề mặt để trung hòa điện tích, phân bố thành hai lớp 10 Cấu tạo của hạt keo 11 Nguyên tắc của quá trình keo tụ tạo bông Làm mất tính ổn định của các hệ keo thiên nhiên. Tạo ra hệ keo mới có khả năng kết hợp tạo thành những bông cặn lớn, lắng nhanh có hoạt tính bề mặt cao, được loại bỏ bằng phương pháp lắng hoặc lọc 12 13 Cơ chế của quá trình keo tụ tạo bông. Nén lớp điện tích kép được hình thành giữa pha rắn và lỏng: giảm điện thế bề mặt bằng hấp phụ và trung hoà điện tích tạo ra điểm đẳng điện zeta bằng 0. Hình thành các cầu nối giữa các hạt keo. Bắt giữ các hạt keo vào bông cặn. 14 C ơ chế trung hòa điện tích  Hấp thụ các ion hay phân tử mang điện tích trái dấu với điện tích của hạt keo. Liều lượng chất keo tụ tối ưu cho vào sao cho điện thế zeta bằng 0 mV . Giảm thế năng bề mặt tức là giảm điện thế zeta khi đó sự đẩy tĩnh điện của các hạt keo giảm xuống và có khả năng kết nối lại nhờ lực tương tác tĩnh điện, khi đó hệ keo mất đi tính ổn định . Tăng hàm lượng chất keo tụ, nếu lượng chất keo tụ cho vào quá nhiều sẽ gây hiện tượng keo tụ quét bông. Quá trình này làm tăng hiệu quả keo tụ lên, hệ keo cũng bị mất ổn định. 15 Cơ chế tạo cầu nối Các polime hình thành trong hệ hay là các polime được bổ sung vào ( chất tạo bông polime) được hấp thụ trên bề mặt các hạt keo khác nhau tạo ra một cầu nối giữa chúng, tạo điều kiện tạo thành bông lớn. 16 Liên kết giữa các hạt polimer đã hấp phụ với nhau hoặc với các hạt khác Hấp thụ polimer lên bề mặt hạt Vận chuyển polimer đến bề mặt của hạt Phân tán polimer Cơ chế hấp phụ và tạo cầu nối 17 Cơ chế tạo cầu nối  18 Động học quá trình keo tụ tạo bông Gồm hai giai đoạn chính: Quá trình keo tụ: Dựa trên cơ chế phá bền hạt keo. Quá trình tạo bông: Tiếp xúc/kết dính giữa các hạt keo đã bị phá bền Giá trị gradient vận tốc G và thời gian t phụ thuộc vào + Thành phần hóa học của nước. + B ản chất và nồng độ keo trong nước G=P 1/2 . -1/2 .V -1/2 Trong đó: P là năng lượng tiêu hao trong bể phản ứng tạo bông ( W.kg.m 2 .m -3 ) V là thể tích của bể phản ứng là độ nhớt động học 19 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ tạo bông Quá trình keo tụ phụ thuộc vào hai cơ chế chính là trung hoà điện tích và hấp phụ tạo cầu nối. Đông tụ bị ảnh hưởng bởi những thay đổi như độ pH, kiềm, nhiệt độ, thời gian, vận tốc và ngưỡng điện tích zeta tiềm năng trong nước . Hiệu quả của đông tụ thường phụ thuộc vào  pH . Nước có màu sắc sẽ đông tụ tốt hơn ở độ pH thấp (4,4-6) với phèn nhôm . Kiềm  là cần thiết để cung cấp ion âm, chẳng hạn như (OH) hình thành các hợp chất không hòa tan để kết tủa chúng lại. Kiềm có thể có tự nhiên trong nước hoặc cần phải được thêm vào như là hydroxit, cacbonat, hoặc bicacbonat.  20 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ tạo bông Nhiệt độ  càng cao, phản ứng càng nhanh và hiệu quả hơn cho quá trình đông tụ. Nhiệt độ mùa đông sẽ làm chậm tốc độ phản ứng, điều này có thể khắc phục bằng việc kéo dài thời lưu giữ nước và may mắn thay được thiên nhiên hổ trợ vì nhu cầu nước thấp trong mùa đông. Thời gian  cũng là một yếu tố rất quan trọng. Pha trộn và thời gian lưu trữ nước thích hợp là rất quan trọng để đông tụ. Vận tốc  cao làm cắt hoặc phá vỡ các bông kết tủa và vận tốc thấp sẽ cho phép chúng lắng được trong bể lắng. Vận tốc khoảng 1 ft/giây trong bể lắng cần được duy trì. Zeta  tiềm ẩn là mức điện tích tại ranh giới của hạt keo tụ và nước xung quanh. Điện tích càng cao thì càng nhiều lực đẩy giữa các hạt đục, càng ít đông tụ và ngược lại. Tiềm ẩn zeta càng cao thì đòi hỏi liều lượng cao chất đông tụ. Đông tụ hiệu quả bằng cách làm giảm điện tích tiềm ẩn zeta về đến 0. 21 III. Một số loại chất polime tạo bông III.1. Chất tạo bông polimer thiên nhiên Các tạo bông nguồn gốc thiên nhiên thường dùng là tinh bột, dextrin (C 6 H 10 O 5 ) n , các ete, cellulose, dioxit silic hoạt tính (xSiO 2 .yH 2 O). 22 III. Một số loại chất polime tạo bông III.1.1. Starches (tinh bột) III.1.1.1 . Nguồn gốc Tinh bột tiếng Hy Lạp là amidon với công thức hóa học: (C 6 H 10 O 5 ) n . Tinh bột là polysaccarit chủ yếu có trong hạt, củ, thân cây và lá cây. Tinh bột là sản phẩm quang hợp của cây xanh. Ở trong tế bào thực vật hạt lạp không màu là nơi tạo ra tinh bột, các glucid hòa tan kéo đến hạt lạp không màu và được để dành dưới dạng tinh bột. Tinh bột được giữ lại trong các bộ phận của cây như củ, rễ, quả, hạt, thân với hàm lượng từ 2-70%, trong lá thường không quá 1-2%. 23 Amylose: loại mạch thẳng, chuỗi dài từ 500-2000 đơn vị glucose, liên kết nhau bởi liên kết α-1,4-glicozit . Hình III.1.1. Cấu trúc phân tử amylose 24 III. Một số loại chất polime tạo bông Amylopectin:  amylopectin có phân tử lượng lớn hơn khoảng 106-107 gồm 5000-50.000 đơn vị glucose và phân nhánh nhiều. Các đơn vị α-D-glucose trong mạch cũng nối với nhau theo dây nối (1  4) còn chỗ phân nhánh thì theo dây nối (1  6).  Hình III.1.2. Cấu trúc phân tử amylopectin 25 III. Một số loại chất polime tạo bông III.1.2. Chitin (Kitin) 26 III. Một số loại chất polime tạo bông III.1.3. Cellulose 27 III. Một số loại chất polime tạo bông III.2. Chất tạo bông polimer tổng hợp Tuỳ vào lĩnh vực nước cần xử lý mà chúng ta sử dụng  Polymer Anion  và  Polymer Cation  cũng khác nhau: Nước mặt: Polymer tốt nhất là loại anion hay có rất ít cation, vì trong nước tồn tại nhiều ion dương như ion Fe, Mn Nước thải công nghiệp: để xử lý người ta thường dùng polymer anion kết hợp với chất keo tụ vô cơ. Nước thải đô thị: Sử dụng polymer keo tụ vô cơ kết hợp với chất kết bông anion. Làm khô bùn sau xử lý: Bùn có đặc tính vô cơ cần chất kết bông anion, chất kết bông cation phù hợp xử lý bùn hữu cơ. Lượng polymer cần dùng khi xử lý nước rất nhỏ, chỉ cỡ phần nghìn. Nếu dùng quá nhiều polymer thì nước sẽ trở nên rất nhớt, gây cản trở cho các công đoạn xử lý tiếp theo. Ngoài ra, lượng dư polymer trong nước sẽ làm tăng COD. Do đó, khi áp dụng polymer nhất thiết phải thực hiện các thử nghiệm thực tế để lựa chọn liều lượng thích hợp. 28 III. Một số loại chất polime tạo bông III.2.1. Polimer anion ((Anionic Polyacrylamide) Có công thức hóa học là H 2 NCO[CH­ 2 -CH-] n dạng hạt tinh thể màu trắng, không mùi, hút ẩm mạnh, gặp nước trương nở to ra, trọng lượng phân tử 5 -24.000.000. 29 III. Một số loại chất polime tạo bông I II.2.1.1 . Nguyên tắc sử dụng Polymer anion flocculant được sử dụng trong các quá trình tách lỏng-rắn sau : Phân giải cơ học – xử lý bùn vô cơ nhằm tăng hiệu suất, thu hồi chất rắn và tăng chất lượng Khả năng lắng – cải thiện việc tạo bông làm cho tốc độ lắng nhanh hơn Đông tụ – trợ lắng các phân tử vô cơ và đông tụ các phần tử hữu cơ Lọc nước – cải thiện chất lượng nước bằng việc giảm các chất rắn lơ lửng trong nước Hòa tan bọt khí – kết quả cho dòng chảy trong hơn và đem lại hiệu suất lớn Lọc – cải thiện chất lượng nước lọc và công suất nhà máy Loại bỏ phosphate trong nước thải. 30 III. Một số loại chất polime tạo bông III.2.1.2. Ưu điểm Tính đa dụng của polimer anion thể hiện ở tính chất ít làm thay đổi pH và nồng độ muối trong nước nên được ứng dụng rộng rãi. 31 III. Một số loại chất polime tạo bông III.2.2. Polimer cation (CPAM) III.2.2.1. Nguyên tắc sử dụng Được sử dụng với liều lượng thấp 0,1-0,5% nhưng hiệu quả cao. SPECFLOC Polymer cation flocculant được sử dụng trong các quá trình tách lỏng-rắn sau : Đông tụ: gia tăng khả năng đông tụ và giữ các phần tử rắn . Lọc nước: cải thiện chất lượng nước bằng việc giảm các chất rắn lơ lửng trong nước . Hòa tan bọt khí: kết quả cho dòng chảy trong hơn và đem lại hiệu suất lớn. Lọc: cải thiện chất lượng nước lọc và công suất nhà máy . Cô đặc: cải thiện cô đặc, trợ lắng, hút nước và tăng chất lượng. 32 III.2.2.2. Ưu điểm Kinh tế sử dụng liều lượng thấp. Hoạt động trong môi trường axit cũng như bazơ. Không làm thay đổi giá trị pH. Loại bỏ hoặc giảm bớt việc sử dụng muối vô cơ. Hiệu quả trong việc loại bỏ chất rắn. Dễ hòa tan trong nước. Sản phẩm ở dạng bột, cần ít diện tích kho trữ. 33 KẾT LUẬN Việc sử dụng các chất Polymer tạo bông trong xử lí nước cấp, xử lý nước thải nhằm giúp quá trình keo tụ chất rắn lơ lửng trong nước diễn ra nhanh hơn. Sự kết hợp giữa hai chất keo tụ PAC, phèn nhôm, phèn sắt với polimer tạo bông làm tăng kích thước hạt cặn lơ lửng,tăng hiệu quả lắng, do đó làm tăng hiệu quả xử lý cặn lơ lửng ra khỏi nước nguồn. Đồng thời góp phần làm giảm chi phí xử lý nước bằng các hóa chất keo tụ thông thường. 34