Nghiên cứu điều chế chất keo tụ PAC-Al13 (Polyaluminium Chloride) từ nguồn nhôm phế liệu ứng dụng trong xử lý nước mặt và nước thải

BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO ÑAÏI HOÏC KYÕ THUAÄT COÂNG NGHEÄ TP.HCM KHOA MOÂI TRÖÔØNG VAØ COÂNG NGHEÄ SINH HOÏC --------oOo-------- ÑOÀ AÙN TOÁT NGHIEÄP ÑEÀ TAØI: NGHIEÂN CÖÙU ÑIEÀU CHEÁ CHAÁT KEO TUÏ PAC–Al13 (POLYALUMINIUM CHLORIDE) TÖØ NGUOÀN NHOÂM PHEÁ LIEÄU ÖÙNG DUÏNG TRONG XÖÛ LYÙ NÖÔÙC MAËT VAØ NÖÔÙC THAÛI Chuyeân ngaønh: Moâi Tröôøng Maõ soá ngaønh: 108 GVHD: TS.NGUYEÃN ÑÌNH THAØNH SVTH : LÖU THÒ KIEÀU HÖÔNG Tp.Hoà Chí Minh Thaùng 12 naêm 2006 BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO COÄNG HOØA XAÕ HOÄI CHUÛ NGHÓA VIEÄT NAM ÑAÏI HOÏC KTCN TP.HCM ÑOÄC LAÄP – TÖÏ DO – HAÏNH PHUÙC KHOA:Moâi Tröôøng vaø Coâng Ngheä Sinh Hoïc BOÄ MOÂN : Moâi Tröôøng NHIEÄM VUÏ ÑOÀ AÙN TOÁT NGHIEÄP HOÏ VAØ TEÂN: Löu Thò Kieàu Höông MSSV: 02ÑHMT095 NGAØNH: Moâi Tröôøng LÔÙP : 02MT4 1. Ñaàu ñeà Ñoà aùn toát nghieäp: Nghieân cöùu ñieàu cheá chaát keo tuï PAC-Al13 (polyaluminium chloride) töø nguoàn nhoâm pheá lieäu öùng duïng trong xöû lyù nöôùc maët vaø nöôùc thaûi. 2. Nhieäm vuï (yeâu caàu veà noäi dung vaø soá lieäu ban ñaàu): Nghieân cöùu ñieàu cheá chaát keo tuï PAC-Al13 töø nguoàn nhoâm pheá lieäu vaø acid chlohydric coâng nghieäp. Khaûo saùt tính naêng keo tuï cuûa PAC-Al13 trong xöû lyù nöôùc maët vaø nöôùc thaûi. Ñaùnh giaù hieäu quaû xöû lyù nöôùc maët vaø nöôùc thaûi cuûa PAC-Al13 so vôùi PAC Vieän Coâng ngheä Hoùa hoïc vaø pheøn nhoâm truyeàn thoáng. 3. Ngaøy giao Ñoà aùn toát nghieäp : Ngaøy 01 thaùng 10 naêm 2006. 4. Ngaøy hoaøn thaønh nhieäm vuï : Ngaøy 27 thaùng 12 naêm 2006. 5. Hoï teân ngöôøi höôùng daãn : Phaàn höôùng daãn : 1/ TS.Nguyeãn Ñình Thaønh Noäi dung vaø yeâu caàu ÑATN ñaõ ñöôïc thoâng qua Boä moân. Ngaøy thaùng naêm 2006 CHUÛ NHIEÄM BOÄ MOÂN NGÖÔØI HÖÔÙNG DAÃN CHÍNH (Kyù vaø ghi roõ hoï teân) (Kyù vaø ghi roõ hoï teân) PHAÀN DAØNH CHO KHOA, BOÄ MOÂN Ngöôøi duyeät (chaám sô boä): Ñôn vò: Ngaøy baûo veä: Ñieåm toång keát Nôi löu tröõ Ñoà aùn toát nghieäp NHAÄN XEÙT CUÛA GIAÙO VIEÂN HÖÔÙNG DAÃN ˜¯™ Ñieåm baèng soá Ñieåm baèng chöõ Ngaøy…………thaùng…………naêm…………… Chöõ kyù cuûa GVHD LỜI CẢM ƠN ˜¯™ Sau hơn bốn năm học tập tại Trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghệ Tp.Hồ Chí Minh, em đã tiếp thu được những kiến thức quý giá từ thầy cô Khoa Môi Trường và Công Nghệ Sinh Học và đó cũng chính là hành trang giúp em bước vào đời. Và nay, sau thời gian thực tập tốt nghiệp và làm Đồ án tại Viện Khoa Học Vật Liệu Ứng Dụng trực thuộc Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam, dưới sự hướng dẫn tận tình của TS.Nguyễn Đình Thành tại phòng Vật Liệu Xúc Tác Ứng Dụng, em đã tích luỹ được những kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tiễn thật hữu ích. Với tất cả sự kính trọng và biết ơn, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các quý thầy cô Khoa Môi Trường và Công Nghệ Sinh Học, TS.Nguyễn Đình Thành cùng với cô Hà, anh Quý, anh Thiện ở Viện Khoa Học Vật Liệu Ứng Dụng và anh Quý, anh Triết, anh Đạt bên Viện Công Nghệ Hóa Học đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ em hoàn thành Đồ án tốt nghiệp này với kết quả tốt nhất. Tp.Hồ Chí Minh tháng 12/2006 SV: Lưu Thị Kiều Hương MUÏC LUÏC ˜¯™ LÔØI MÔÛ ÑAÀU Trang 1 ÑAËT VAÁN ÑEÀ 1. Cô sôû khoa hoïc ñeà taøi 3 2. Muïc tieâu ñeà taøi 3 3. Ñòa ñieåm thöïc hieän ñeà taøi 4 4. Giôùi haïn ñeà taøi 4 5. Phöông phaùp nghieân cöùu ñeà taøi 4 6. YÙ nghóa khoa hoïc ñeà taøi 5 7. Ñaùnh giaù keát quaû 5 A.TOÅNG QUAN CHÖÔNG 1 : CAÙC PHÖÔNG PHAÙP XÖÛ LYÙ NÖÔÙC THAÛI 1.1 Phöông phaùp xöû lyù cô hoïc 7 1.2 Phöông phaùp xöû lyù hoùa lyù 7 1.2.1 Keo tuï 8 1.2.2 Tuyeån noåi 8 1.2.3 Haáp phuï 9 1.2.4 Trao ñoåi ion 9 1.2.5 Maøng baùn thaám 9 1.2.6 Trích ly 9 1.2.7 Chưng bay hơi 10 1.2.8 Phöông phaùp trung hoøa 10 1.2.9 Phöông phaùp oxy hoùa khöû 10 1.2.10 Keát tuûa hoùa hoïc 11 1.3 Phöông phaùp xöû lyù sinh hoïc 11 1.3.1 Phöông phaùp sinh hoïc nhaân taïo 11 1.3.2 Phöông phaùp sinh hoïc töï nhieân 12 CHÖÔNG 2 : KHAÙI QUAÙT VEÀ CHAÁT KEO TUÏ VAØ HIEÄN TÖÔÏNG KEO TUÏ 2.1 Heä keo vaø hieän töôïng keo tuï 13 2.1.1 Chaát phaân taùn trong moâi tröôøng nöôùc 13 2.1.2 Heä keo – caáu taïo vaø tính chaát 14 2.1.3 Ñoä beàn cuûa heä keo vaø hieän töôïng keo tuï 15 2.1.4 Phaù beàn cuûa caùc huyeàn phuø keo 17 2.1.5 Söï caàn thieát cuûa caùc chaát keo tuï 17 2.1.6 Caùc bieän phaùp hoùa hoïc duøng ñeå keo tuï 19 2.1.6.1 Taêng löïc ion 19 2.1.6.2 Thay ñoåi pH 19 2.1.6.3 Ñöa vaøo heä moät muoái kim loaïi hoùa trò III 19 2.1.6.4 Ñöa vaøo moät polymer töï nhieân hoaëc polymer toång hôïp 20 2.1.7 Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán quaù trình keo tuï taïo boâng 20 2.1.7.1 Trò soá pH cuûa nöôùc 20 2.1.7.2 Löôïng duøng chaát keo tuï 20 2.1.7.3 Nhieät ñoä nöôùc 21 2.1.7.4 Toác ñoä hoãn hôïp cuûa nöôùc vaø chaát keo tuï 21 2.1.7.5 Taïp chaát trong nöôùc 21 2.1.7.6 Moâi chaát tieáp xuùc 22 2.2 Caùc chaát keo tuï voâ cô 22 2.2.1 Cô sôû lyù thuyeát chaát keo tuï 22 2.2.2 Saûn phaåm truyeàn thoáng 23 2.2.3 Saûn phaåm keo tuï môùi 25 2.2.4 Moät soá coâng trình ñieàu cheá chaát keo tuï 29 2.2.4.1 Ñieàu cheá pheøn nhoâm truyeàn thoáng 29 2.2.4.2 Ñieàu cheá polyaluminium chloride (PAC) 30 2.2.4.3 Ñieàu cheá polyaluminium sulfat (PAS) 31 2.2.4.4 Ñieàu cheá caùc polyferric 32 CHÖÔNG 3 : CAÙC PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU 3.1 Phöông phaùp phaân tích 33 3.1.1 Phöông phaùp Complexon (phöông phaùp chuaån ñoä ngöôïc) 33 3.1.1.1 Xaùc ñònh toång Al3+, Fe3+ baèng phöông phaùp chuaån ñoä ngöôïc 33 3.1.1.2 Xaùc ñònh Al3+ baèng phöông phaùp chuaån ñoä thay theá 34 3.1.2 Thöïc haønh phöông phaùp Complexol 34 3.1.2.1 Xaùc ñònh noàng ñoä Zn2+ 34 3.1.2.2 Xaùc ñònh löôïng toång Al3+vaø Fe3+ 34 4.1.2.3 Xaùc ñònh löôïng Al3+ 35 3.2 Phöông phaùp Jar – Test 36 3.2.1 Cô sôû lyù thuyeát 36 3.2.2 Caùch söû duïng 36 B.THÖÏC NGHIEÄM CHÖÔNG 4 : HOÙA CHAÁT – DUÏNG CUÏ – THIEÁT BÒ 4.1 Hoùa chaát 38 4.1.1 Hoùa chaát 38 4.1.2 Chuaån bò caùc dung dòch 39 4.2 Duïng cuï 40 4.3 Thieát bò 41 CHÖÔNG 5 : TIEÁN HAØNH ÑIEÀU CHEÁ HÔÏP CHAÁT KEO TUÏ TÖØ NHOÂM PHEÁ LIEÄU 5.1 Ñieàu cheá dung dòch AlCl3 töø nhoâm pheá lieäu 42 51.1 Heä thoáng duïng cuï 42 5.1.2 Phöông phaùp tieán haønh 43 5.2 Ñieàu cheá hôïp chaát keo tuï PAC-Al13 44 5.2.1 Ñieàu kieän thöïc nghieäm cheá taïo PAC-Al13 44 5.2.2 Quy trình coâng ngheä cheá taïo PAC-Al13 töø nhoâm pheá lieäu 44 5.3 Xaùc ñònh tyû troïng cuûa dung dòch PAC-Al13 46 5.4 Xaùc ñònh ñoä aåm cuûa saûn phaåm PAC-Al13 47 C.KEÁT QUAÛ VAØ THAÛO LUAÄN CHÖÔNG 6 : KEÁT QUAÛ ÑIEÀU CHEÁ HÔÏP CHAÁT KEO TUÏ PAC-Al13 6.1 Keát quaû ñieàu cheá dung dòch AlCl3 48 6.2 Keát quaû ñieàu cheá chaát keo tuï PAC-Al13 49 6.2.1 Keát quaû ño haøm löôïng Al2O3 cuûa PAC-Al13 daïng dung dòch 49 6.2.2 Keát quaû ño tyû troïng dung dòch PAC-Al13 49 6.2.3 Keát quaû ño haøm löôïng Al2O3 cuûa PAC-Al13 daïng raén 50 6.2.4 Keát quaû xaùc ñònh caáu truùc vaät lieäu PAC-Al13 50 6.2.5 Keát quaû xaùc ñònh ñoä aåm cuûa PAC-Al13 51 6.3 ÖÙng duïng chaát keo tuï PAC-Al13 trong xöû lyù nöôùc 52 6.3.1 ÖÙng duïng trong xöû lyù nöôùc maët 52 6.3.1.1 Nguyeân taéc thöû nghieäm 52 6.3.1.2 Moâi tröôøng nöôùc ñuïc 53 6.3.1.3 Moâi tröôøng nöôùc chöùa huyeàn phuø 56 6.3.1.4 Moâi tröôøng nöôùc soâng 59 6.3.2 ÖÙng duïng trong xöû lyù nöôùc thaûi 62 6.3.2.1 Nöôùc thaûi deät nhuoäm 62 6.3.2.2 Nöôùc thaûi saûn xuaát giaáy Vónh Hueâ 65 D.TOÅNG KEÁT CHÖÔNG 7 : KEÁT LUAÄN VAØ KIEÁN NGHÒ 7.1 Keát luaän 69 7.2 Kieán nghò 70 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO PHUÏ LUÏC DANH MUÏC CAÙC CHÖÕ VIEÁT TAÉT ˜¯™ EDTA: Ethylene diamine tetra acetic acid. dd: dung dịch. FC : Saét III Clorua. AS : Nhoâm III Sunfur. PFC : Polyferic Cloride. PAC: Polyaluminium Chloride. PAS : Poly aluminium sulfat. PASS : Poly aluminium silicat sulfat. PFS : Poly ferric sulfat. PAFS : Poly alumino ferric sulfat. PHAS: Pre-Hydrolized Aluminium Sulfat. PASSC: Poly Aluminium Cloride Silica Sulfat. Phöông phaùp Complexon : Phöông phaùp chuaån ñoä ngöôïc. r = 2.2: tyû leä mol . DANH MUÏC BAÛNG ˜¯™ Baûng 2.1: Caùc loaïi haït coù maët trong moâi tröôøng nöôùc. Bảng 2.2: Caùc saûn phaåm thuûy phaân cuûa saét vaø nhoâm trong nöôùc. Baûng 2.3: Caùc saûn phaåm keo tuï môùi. Baûng 6.1: Keát quaû phaân tích Al3+ baèng phöông phaùp Complexol. Baûng 6.2: Baûng keát quaû ño tyû troïng dung dòch PAC-Al13. Baûng 6.3: Keát quaû xaùc ñònh ñoä aåm cuûa PAC-Al13. Baûng 6.4: Keát quaû keo tuï laéng trong nöôùc ñuïc. Baûng 6.5: Keát quaû keo tuï laéng trong nöôùc chöùa huyeàn phuø. Baûng 6.6: Keát quaû keo tuï laéng trong nöôùc soâng Saøi Goøn. Baûng 6.7: Keát quaû keo tuï laéng trong nöôùc thaûi deät nhuoäm. Baûng 6.8: Keát quaû keo tuï laéng trong nöôùc thaûi saûn xuaát giaáy Vónh Hueâ. DANH MUÏC HÌNH ˜¯™ Hình 2.1: Quy trình ñieàu cheá PAC. Hình 3.1: Maùy Jar-Test. Hình 5.1: Moâ hình ñieàu cheá AlCl3. Hình 5.2: Quy trình ñieàu cheá dung dòch AlCl3. Hình 5.3: Quy trình ñieàu cheá PAC-Al13. Hình 6.1: Saûn phaåm PAC-Al13 daïng raén. Hình 6.2: Caáu truùc phoå caùc maãu PACCNHH, PACthöôøng vaø PAC-Al13. Hình 6.3: Phoå chuaån PACthöôøng vaø PAC-Al13 qua caùc tyû leä. Hình 6.4: Ñoà thò bieåu dieãn löôïng pheøn (moâi tröôøng nöôùc ñuïc). Hình 6.5: Ñoà thò bieåu dieãn löôïng PACCNHH (moâi tröôøng nöôùc ñuïc). Hình 6.6: Ñoà thò bieåu dieãn löôïng PAC-Al13 (moâi tröôøng nöôùc ñuïc). Hình 6.7: Ñoà thò bieåu dieãn löôïng pheøn (moâi tröôøng nöôùc chöùa huyeàn phuø). Hình 6.8: Ñoà thò bieåu dieãn löôïng PACCNHH (moâi tröôøng nöôùc chöùa huyeàn phuø). Hình 6.9: Ñoà thò bieåu dieãn löôïng PAC-Al13 (moâi tröôøng nöôùc chöùa huyeàn phuø). Hình 6.10: Ñoà thò bieåu dieãn löôïng pheøn (moâi tröôøng nöôùc soâng Saøi Goøn). Hình 6.11: Ñoà thò bieåu dieãn löôïng PACCNHH (moâi tröôøng nöôùc soâng Saøi Goøn). Hình 6.12: Ñoà thò bieåu dieãn löôïng PAC-Al13 (moâi tröôøng nöôùc soâng Saøi Goøn). Hình 6.13: Ñoà thò bieåu dieãn löôïng pheøn (moâi tröôøng nöôùc thaûi deät nhuoäm) Hình 6.14: Ñoà thò bieåu dieãn löôïng PACCNHH (moâi tröôøng nöôùc thaûi deät nhuoäm). Hình 6.15: Ñoà thò bieåu dieãn löôïng PAC-Al13 (moâi tröôøng nöôùc thaûi deät nhuoäm). Hình 6.16: Ñoà thò bieåu dieãn löôïng pheøn (nöôùc thaûi saûn xuaát giaáy Vónh Hueâ). Hình 6.17: Ñoà thò bieåu dieãn löôïng PACCNHH ( nöôùc thaûi saûn xuaát giaáy Vónh Hueâ). Hình 6.18: Ñoà thò bieåu dieãn löôïng PAC-Al13 ( nöôùc thaûi saûn xuaát giaáy Vónh Hueâ). LÔØI MÔÛ ÑAÀU ˜¯™ Keo tuï nöôùc baèng pheøn nhoâm (pheøn ñôn hoaëc pheøn keùp) laø phöông phaùp thoâng duïng ñeå laøm trong nöôùc beà maët, nguoàn nöôùc xöû lyù chuû yeáu nhaèm cung cấp cho sinh hoaït theo caùc hoä gia ñình, maët khaùc phöông phaùp keo tuï cuõng thöôøng ñöôïc aùp duïng ñeå xöû lyù nöôùc thaûi taïi caùc nhaø maùy. Pheøn nhoâm ñöôïc saûn xuaát trong nöôùc chuû yeáu töø nguoàn khoaùng seùt – kaolinite (hay quaëng bauxite,…) vaø acid sulfuric neân giaù thaønh haï, vieäc cung öùng khaù chuû ñoäng. Tuy vaäy, haïn cheá cuûa pheøn nhoâm laø lieàu duøng töông ñoái cao, trung bình khoaûng 30g/m3 vaø khoaûng pH thích hôïp cuûa nöôùc töông ñoái heïp (pH töø 6 – 7.5). Vì tính acid cuûa pheøn nhoâm cao, lieàu löôïng duøng lôùn neân pH cuûa nöôùc ñaõ xöû lyù coù ñoä pH thaáp gaây aên moøn thieát bò, ñöôøng oáng daãn vaø löôïng ion nhoâm toàn dö cao gaây beänh ñaõng trí cho ngöôøi söû duïng. Ñeå khaéc phuïc nhöõng nhöôïc ñieåm keå treân, ngöôøi ta ñaõ cheá taïo vaø hieän ñang söû duïng ôû moät soá nöôùc laø loaïi cheá phaåm PAC. Saûn phaåm thöông maïi loaïi naøy ñaõ ñöôïc löu haønh vaøo cuoái nhöõng naêm cuûa thaäp kyû 60. Noù ñang daàn ñöôïc thay theá pheøn nhoâm truyeàn thoáng. Hieän nay ôû Vieät Nam, cheá phaåm naøy cuõng ñöôïc nhaäp (chuû yeáu töø Trung Quoác, AÁn Ñoä,…) vaø ñang ñöôïc söû duïng trong moät soá nhaø maùy caáp nöôùc. Theo ñoù, moät saûn phaåm PAC do Lieân hieäp Khoa hoïc saûn xuaát – Vieän Coâng ngheä Hoùa hoïc thuoäc Vieän Khoa hoïc vaø Coâng ngheä Vieät Nam ñaõ nghieân cöùu thaønh coâng vaø ñöa vaøo öùng duïng roäng raõi ôû nhieàu nhaø maùy keå töø naêm 2000 ñeán nay. Töø höôùng ñi tieán boä ñoù, chuùng toâi tieán haønh nghieân cöùu ñieàu cheá PAC coù haøm löôïng Al13 cao (PAC-Al13), ñi töø nguoàn nguyeân lieäu nhoâm pheá thaûi vaø dung dòch acid chlohydric coâng nghieäp cuûa nhaø maùy hoùa chaát Bieân Hoøa. Cheá phaåm taïo thaønh ôû daïng dung dòch vaø ñöôïc phôi khoâ töï nhieân ngoaøi khoâng khí ñeå chuyeån thaønh daïng raén, ñoàng thôøi thöû tính naêng keo tuï cuûa saûn phaåm PAC-Al13 ñieàu cheá ñöôïc so vôùi pheøn Al2(SO4)3.18H2O (Trung Quoác) vaø saûn phaåm PACCNHH (PAC Vieän Coâng ngheä Hoùa hoïc) ñang söû duïng phoå bieán taïi thò tröôøng Vieät Nam. ÑAËT VAÁN ÑEÀ 1. CÔ SÔÛ KHOA HOÏC ÑEÀ TAØI Cuøng vôùi toác ñoä phaùt trieån nhanh choùng veà soá löôïng vaø chaát löôïng thì ngaønh coâng nghieäp Vieät Nam cuõng nhanh choùng gaây aûnh höôûng xaáu đñến moâi tröôøng sinh thaùi, coù nhieàu nhaø maùy laøm aûnh höôûng ñeán moâi tröôøng qua nhieàu hình thöùc nhö : khí thaûi, buïi coâng nghieäp, nöôùc thaûi, chaát thaûi raén,…Trong ñoù, nöôùc thaûi saûn xuaát ñang laø moät vaán ñeà lôùn, gaây taùc ñoäng xaáu cho moâi tröôøng soáng vaø ít nhieàu aûnh höôûng ñeán söùc khoûe con ngöôøi. Beân caïnh ñoù, ôû nhieàu vuøng queâ treân caû nöôùc hieän ñang khan hieám nguoàn nöôùc saïch, nhaát laø baø con vuøng luõ ôû ñoàng baèng Soâng Cöûu Long. Maët khaùc, xaõ hoäi ngaøy caøng phaùt trieån thì taøi nguyeân khoaùng saûn cuõng daàn daàn khan hieám vaø khuynh höôùng ngaøy nay cuûa theá giôùi laø taän duïng toái ña nguoàn pheá thaûi saûn suaát vaø sinh hoaït vaøo caùc hoaït ñoäng saûn xuaát coù ích, cho neân vieäc taän duïng toái ña caùc nguoàn pheá thaûi ñeå cheá taïo neân loaïi vaät lieäu höõu ích ñöôïc öùng duïng trong xöû lyù moâi tröôøng laø vaán ñeà ñang ñöôïc quan taâm. Ñeà taøi nghieân cöùu ñaõ ñöa ra vaán ñeà taän duïng laïi nguoàn nhoâm pheá thaûi laøm nguoàn nguyeân lieäu ñieàu cheá chaát keo tuï nhaèm giaûi quyeát ñöôïc caùc vaán ñeà : tieát kieäm chi phí cho nguyeân lieäu ñaàu vaøo, taïo ra moät loaïi saûn phaåm coù giaù trò kinh teá, ñöôïc öùng duïng phoå bieán trong xöû lyù nöôùc vaø coù yù nghóa trong coâng taùc baûo veä moâi tröôøng soáng. 2. MUÏC TIEÂU ÑEÀ TAØI Taän duïng nguoàn nhoâm pheá lieäu hieän coù vaø dung dòch acid chlohydric coâng nghieäp ñeå nghieân cöùu ñieàu cheá chaát keo tuï PAC-Al13. Khaûo saùt tính naêng keo tuï cuûa PAC-Al13 trong xöû lyù nöôùc maët vaø nöôùc thaûi. Ñaùnh giaù hieäu quaû xöû lyù nöôùc maët vaø nöôùc thaûi cuûa loaïi vaät lieäu naøy so vôùi PACCNHH vaø pheøn nhoâm truyeàn thoáng. 3. ÑÒA ÑIEÅM THÖÏC HIEÄN ÑEÀ TAØI Ñeà taøi ñöôïc thöïc hieän taïi phoøng Vaät lieäu Xuùc taùc ÖÙng duïng – Vieän Khoa hoïc Vaät lieäu ÖÙng duïng vaø Phoøng Coâng ngheä caùc Hôïp chaát Voâ cô – Vieän Coâng ngheä Hoùa hoïc. 4. GIÔÙI HAÏN ÑEÀ TAØI Giôùi haïn veà thôøi gian: Ñeà taøi ñöôïc nghieân cöùu vaø thöïc hieän trong 12 tuaàn. Giôùi haïn veà noäi dung: Chæ tieán haønh nghieân cöùu ñieàu cheá PAC-Al13 ôû qui moâ phoøng thí nghieäm vaø thöû tính naêng keo tuï laéng trong nöôùc cuûa saûn phaåm baèng phöông phaùp Jar-Test qua caùc maãu nöôùc maët vaø nöôùc thaûi. 5. PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU ÑEÀ TAØI Phöông phaùp thu thaäp thoâng tin, caùc thoâng soá : Thu thaäp caùc taøi lieäu veà caùc phöông phaùp xöû lyù nöôùc, caùc chaát keo tuï vaø quaù trình keo tuï, quy trình ñieàu cheá caùc polymer voâ cô vaø pheøn truyeàn thoáng nhaèm xaây döïng cô sôû döõ lieäu cho quaù trình nghieân cöùu. Phöông phaùp nghieân cöùu thöïc nghieäm : Tieán haønh ñieàu cheá vaät lieäu, xaùc ñònh thaønh phaàn hoùa hoïc veà noàng ñoä phaàn traêm Al3+ cuûa dung dòch AlCl3 sau ñieàu cheá (duøng phöông phaùp chuaån ñoä Complexon), xaùc ñònh ñoä aåm, tyû troïng vaø thöû tính naêng keo tuï cuûa saûn phaåm PAC-Al13 (duøng phöông phaùp Jar-Test). Göûi maãu taïi caùc trung taâm phaân tích ñeå xaùc ñònh thaønh phaàn hoùa hoïc veà noàng ñoä phaàn traêm Al2O3 cuûa cheá phaåm keo tuï PAC-Al13 daïng loûng (duøng phöông phaùp so maøu UV-VIS ôû böôùc soùng nm), noàng ñoä phaàn traêm Al2O3 cuûa cheá phaåm keo tuï PAC-Al13 daïng raén (duøng phöông phaùp chuaån ñoä Complexon) vaø xaùc ñònh caáu truùc vaät lieäu keo tuï PACthöôøng, PAC-Al13, PACCNHH (duøng phöông phaùp nhieãu xaï tia X – XRD). Phöông phaùp thoáng keâ, so saùnh, ñoái chieáu soá lieäu : Duøng phöông phaùp toaùn hoïc ñeå tính toaùn trong thöïc nghieäm vaø duøng phöông phaùp tin hoïc (phaàn meàm Excel) ñeå bieåu dieãn caùc ñoà thò nhaèm ñaùnh giaù hieäu quaû cuûa vieäc öùng duïng caùc chaát keo tuï trong xöû lyù nöôùc. 6. YÙ NGHÓA KHOA HOÏC ÑEÀ TAØI Taän duïng ñöôïc nguoàn nhoâm pheá lieäu hieän coù ñeå nghieân cöùu ñieàu cheá chaát keo tuï PAC-Al13 vaø saûn phaåm naøy coù theå öùng duïng trong xöû lyù nöôùc, goùp phaàn caûi thieän moâi tröôøng soáng vaø mang laïi lôïi ích kinh teá. 7. ÑAÙNH GIAÙ KEÁT QUAÛ Xaùc ñònh noàng ñoä phaàn traêm Al3+ (phöông phaùp chuaån ñoä Complexon) ñaït ñöôïc sau khi ñieàu cheá dung dòch AlCl3. Xaùc ñònh noàng ñoä phaàn traêm Al2O3 cuûa PAC-Al13 sau khi ñieàu cheá ôû daïng dung dòch (phöông phaùp so maøu UV-VIS ôû böôùc soùng nm) vaø daïng raén (phöông phaùp chuaån ñoä Complexon). Phaân tích caáu truùc vaät lieäu sau khi ñieàu cheá (phöông phaùp nhieãu xaï tia X – XRD). Thöû nghieäm hieäu quaû laéng trong nöôùc maët vaø nöôùc thaûi cuûa vaät lieäu ñieàu cheá ñöôïc ôû qui moâ phoøng thí nghieäm baèng phöông phaùp Jar-Test. Ñaùnh giaù hieäu quaû xöû lyù nöôùc maët vaø nöôùc thaûi cuûa cheá phaåm so vôùi pheøn truyeàn thoáng vaø PACCNHH. A.TOÅNG QUAN CHÖÔNG 1 CAÙC PHÖÔNG PHAÙP XÖÛ LYÙ NÖÔÙC THAÛI [4] 1.1 PHÖÔNG PHAÙP XÖÛ LYÙ CÔ HOÏC Xöû lyù cô hoïc laø giai ñoaïn chuaån bò vaø taïo ñieàu kieän thuaän lôïi cho caùc quaù trình xöû lyù hoùa hoïc vaø sinh hoïc. Ñöôïc söû duïng nhaèm muïc ñích: Taùch caùc chaát khoâng hoøa tan, nhöõng chaát lô löûng coù kích thöôùc lôùn (raùc, nhöïa, daàu môõ, caën lô löûng, soûi, caùt, maûnh kim loaïi, thuûy tinh, caùc chaát taïp noåi,…) vaø moät phaàn caùc chaát ôû daïng keo ra khoûi nöôùc thaûi. Ñieàu hoøa löu löôïng vaø caùc chaát oâ nhieãm trong nöôùc thaûi. Ñoâi khi ngöôøi ta coøn taùch caùc haït lô löûng baèng caùch tieán haønh laéng chuùng döôùi taùc duïng cuûa löïc ly taâm trong caùc xyclon thuûy löïc hay maùy ly taâm. 1.2 PHÖÔNG PHAÙP XÖÛ LYÙ HOÙA LYÙ Caùc phöông phaùp hoaù lyù thöôøng öùng duïng ñeå xöû lyù nöôùc thaûi laø keo tuï, trích ly, bay hôi,… Caên cöù vaøo caùc ñieàu kieän ñòa phöông vaø yeâu caàu veä sinh maø phöông phaùp hoùa lyù laø giaûi phaùp cuoái cuøng hoaëc laø giai ñoaïn xöû lyù sô boä cho caùc giai ñoaïn xöû lyù tieáp theo. 1.2.1 Keo tuï Caùc haït caën coù kích thöôùc nhoû hôn 10-4mm thöôøng khoâng theå töï laéng ñöôïc maø luoân toàn taïi ôû traïng thaùi lô löûng. Muoán loaïi boû caùc haït caën lô löûng phaûi duøng bieän phaùp xöû lyù cô hoïc keát hôïp vôùi bieän phaùp hoùa hoïc, töùc laø cho vaøo nöôùc caàn xöû lyù caùc chaát phaûn öùng ñeå taïo ra caùc haït keo coù khaû naêng keát dính laïi vôùi nhau vaø dính keát caùc haït lô löûng trong nöôùc, taïo thaønh caùc boâng caën coù troïng löôïng ñaùng keå. Do ñoù, caùc boâng caën môùi taïo thaønh deã daøng laéng xuoáng. Ñeå thöïc hieän quaù trình keo tuï, ngöôøi ta thuôøng cho vaøo trong nöôùc thaûi caùc chaát keo tuï thích hôïp nhö pheøn nhoâm Al2(SO4)3, pheøn saét loaïi FeSO4, Fe2(SO4)3 hoaëc loaïi FeCl3. Caùc loaïi pheøn naøy ñöôïc ñöa vaøo nöôùc döôùi daïng dung dòch hoøa tan. 1.2.2 Tuyeån noåi Beå tuyeån noåi duøng ñeå taùch caùc taïp chaát (ôû daïng raén hoaëc loûng) phaân taùn khoâng tan, töï laéng keùm ra khoûi nöôùc. Ngoaøi ra cuõng coøn duøng ñeå taùch caùc hôïp chaát hoøa tan nhö caùc chaát hoaït ñoäng beà maët vaø beå coøn ñöôïc goïi laø beå taùch boït hay laøm ñaëc boït. Quaù trình tuyeån noåi ñöôïc thöïc hieän baèng caùch suïc caùc boït khí nhoû vaøo pha loûng. Caùc boït khí naøy seõ keát dính vôùi caùc haït caën. Khi khoái löôïng rieâng cuûa taäp hôïp boït khí vaø caën nhoû lôùn hôn khoái löôïng rieâng cuûa nöôùc, caën seõ theo boït khí noåi leân beà maët. Tuyø theo phöông thöùc caáp khoâng khí vaøo nöôùc, quaù trình tuyeån noåi bao goàm caùc daïng sau : Tuyeån noåi baèng khí phaân taùn (Dispersed Air Flotation). Tuyeån noåi chaân khoâng (Vacuum Flotation). Tuyeån noåi baèng khí hoøa tan (Dissolved Air Flotation). 1.2.3 Haáp phuï Phöông phaùp haáp phuï ñöôïc öùng duïng roäng raõi ñeå laøm saïch nöôùc thaûi trieät ñeå khoûi caùc chaát höõu cô hoøa tan sau khi xöû lyù baèng phöông phaùp sinh hoïc, ñöôïc duøng khi noàng ñoä cuûa chuùng khoâng cao vaø chuùng khoâng bò phaân huûy bôûi vi sinh vaät hay chuùng raát ñoäc. Öu ñieåm cuûa phöông phaùp naøy laø cho hieäu quaû cao (80 – 90%), coù khaû naêng xöû lyù nhieàu chaát trong nöôùc thaûi vaø ñoàng thôøi coù khaû naêng thu hoài caùc chaát naøy. Quaù trình haáp phuï ñöôïc thöïc hieän baèng caùch cho tieáp xuùc hai pha khoâng hoøa tan laø pha raén (chaát haáp phuï) seõ ñi töø pha loûng (hay pha khí) ñeán pha raén cho ñeán khi noàng ñoä dung chaát trong dung dòch ñaït caân baèng, caùc chaát haáp phuï thöôøng söû duïng: than hoaït tính, tro, xæ, maïc cöa, silicagel, keo nhoâm,… 1.2.4 Trao ñoåi ion Phöông phaùp naøy coù theå khöû töông ñoái trieät ñeå caùc taïp chaát ôû traïng thaùi ion trong nöôùc nhö : Zn, Cu, Cr, Ni, Hg, Mn,… cuõng nhö caùc hôïp chaát cuûa asen, photpho, cyanua, chaát phoùng xaï. Phöông phaùp naøy cho pheùp thu hoài caùc chaát giaù trò vaø ñaït ñöôïc möùc ñoä laøm saïch cao neân ñöôïc duøng nhieàu trong vieäc taùch muoái trong xöû lyù nöôùc thaûi. 1.2.5 Maøng baùn thaám Phöông phaùp naøy coù theå taùch caùc chaát tan khoûi caùc haït keo baèng caùch duøng caùc maøng baùn thaám. Ñoù laø caùc maøng xoáp ñaëc bieät khoâng cho caùc haït keo ñi qua. 1.2.6 Trích ly Phöông phaùp naøy coù theå taùch caùc chaát baån hoøa tan khoûi nöôùc thaûi baèng dung moâi naøo ñoù nhöng vôùi ñieàu kieän dung moâi ñoù khoâng tan trong nöôùc vaø ñoä hoøa tan chaát baån trong dung moâi cao hôn trong nöôùc. 1.2.7 Chöng bay hôi Phöông phaùp naøy laø chöng nöôùc thaûi ñeå caùc chaát hoøa tan trong ñoù cuøng bay leân theo hôi nöôùc. Ví duï, ngöôøi ta chöng nöôùc thaûi cuûa nhaø maùy hoùa coác cho phenol bay ñi theo hôi nöôùc. 1.2.8 Phöông phaùp trung hoøa Nhaèm trung hoøa nöôùc thaûi coù pH quaù cao hoaëc quaù thaáp, taïo ñieàu kieän cho caùc quaù trình xöû lyù hoùa lyù vaø sinh hoïc. Maëc duø quaù trình raát ñôn giaûn veà maët nguyeân lyù, nhöng vaãn coù theå gaây ra moät soá vaán ñeà trong thöïc teá nhö : giaûi phoùng caùc chaát oâ nhieãm deã bay hôi, sinh nhieät, laøm gæ seùt thieát bò maùy moùc. Voâi Ca(OH)2 thöôøng ñöôïc söû duïng roäng raõi nhö moät baz ñeå xöû lyù nöôùc thaûi coù tính acid, trong khi acid sulfuric laø moät chaát töông ñoái reû tieàn duøng trong xöû lyù nöôùc thaûi coù tính baz. 1.2.9 Phöông phaùp oxy hoùa khöû Phöông phaùp naøy ñöôïc duøng ñeå : Khöû truøng nöôùc. Chuyeån moät nguyeân toá hoøa tan sang keát tuûa hoaëc moät nguyeân toá hoøa tan sang theå khí. Bieán ñoåi moät chaát khoâng phaân huûy sinh hoïc thaønh nhieàu chaát ñôn giaûn hôn, coù khaû naêng ñoàng hoùa baèng vi khuaån. Loaïi boû caùc kim loaïi naëng nhö : Cu, Pb, Zn, Cr, Ni, As,... vaø moät soá chaát ñoäc nhö cyanua. Caùc chaát oxy hoùa thoâng duïng nhö : O3, Cl2, H2O2, KMnO4. Quaù trình naøy thöôøng phuï thuoäc roõ reät vaøo pH vaø söï hieän dieän cuûa chaát xuùc taùc. 1.2.10 Keát tuûa hoùa hoïc Keát tuûa hoùa hoïc thöôøng duøng ñeå loaïi tröø caùc kim loaïi naëng trong nöôùc. Phöông phaùp keát tuûa hoùa hoïc hay ñöôïc söû duïng nhaát laø phöông phaùp taïo caùc keát tuûa ñoái vôùi voâi. Ngoaøi ra, soda cuõng coù theå ñöôïc söû duïng ñeå keát tuûa caùc kim loaïi döôùi daïng hydroxid, cacbonat,… 1.3 PHÖÔNG PHAÙP XÖÛ LYÙ SINH HOÏC Phöông phaùp sinh hoïc ñöôïc öùng duïng ñeå xöû lyù caùc chaát höõu cô hoøa tan coù trong nöôùc thaûi cuõng nhö moät soá chaát voâ cô nhö : H2S, sulfide, ammonia,… döïa treân cô sôû hoaït ñoäng cuûa vi sinh vaät. Vi sinh vaät söû duïng chaát höõu cô vaø moät soá khoaùng chaát laøm thöùc aên ñeå sinh tröôûng vaø phaùt trieån. Caùc quaù trình xöû lyù sinh hoïc baèng phöông phaùp kî khí, hieáu khí, kî hieáu khí coù theå xaûy ra ôû ñieàu kieän töï nhieân hoaëc nhaân taïo. Trong caùc coâng trình xöû lyù nhaân taïo, ngöôøi ta taïo ñieàu kieän toái öu cho quaù trình oxy sinh hoùa neân quaù trình xöû lyù coù toác ñoä vaø hieäu suaát cao hôn xöû lyù sinh hoïc töï nhieân. 1.3.1 Phöông phaùp sinh hoïc nhaân taïo Quaù trình kî khí : Beå phaûn öùng yeám khí tieáp xuùc. Beå xöû lyù baèng lôùp buøn kî khí vôùi doøng nöôùc ñi töø döôùi leân (UASB). Beå loïc kî khí. Beå phaûn öùng coù doøng nöôùc ñi qua lôùp caën lô löûng vaø loïc tieáp qua lôùp vaät lieäu loïc coá ñònh. Quaù trình hieáu khí: Beå aeroten thoâng thöôøng. Beå aeroten môû roäng. Beå aeroten xaùo troän hoaøn toaøn. Möông oxy hoùa. Beå hoaït ñoäng giaùn ñoaïn (SBR). Beå loïc sinh hoïc. Beå loïc sinh hoïc tieáp xuùc quay (RBC). 1.3.2 Phöông phaùp sinh hoïc töï nhieân Cô sôû cuûa phöông phaùp laø döïa vaøo khaû naêng töï laøm saïch cuûa ñaát vaø nguoàn nöôùc, bao goàm caùc daïng: Caùnh ñoàng töôùi. Xaû nöôùc thaûi vaøo ao, hoà, soâng suoái. Hoà sinh hoïc. Hoà hieáu khí. Hoà tuøy nghi. Hoà kî khí. Hoà xöû lyù boå sung. CHÖÔNG 2 KHAÙI QUAÙT VEÀ CHAÁT KEO TUÏ VAØ HIEÄN TÖÔÏNG KEO TUÏ 2.1 HEÄ KEO VAØ HIEÄN TÖÔÏNG KEO TUÏ Caùc chaát keo tuï thöôøng ñöôïc duøng ñeå phaù vôõ ñoä beàn cuûa heä keo, loaïi boû huyeàn phuø, hoã trôï ñaéc löïc cho quaù trình xöû lyù nöôùc baèng phöông phaùp laéng, loïc. 2.1.1 Chaát phaân taùn trong moâi tröôøng nöôùc [1, 3, 5] Moät chaát raén (chaát phaân taùn) tuøy theo kích thöôùc cuûa noù khi toàn taïi trong nöôùc (moâi tröôøng phaân taùn) coù theå taïo thaønh caùc daïng : dung dòch thöïc (d≤10-7cm), traïng thaùi keo (d10-7 – 10-4 cm) vaø huyeàn phuø (d10-4cm). Trong moâi tröôøng nöôùc caùc chaát huyeàn phuø lô löûng coù nguoàn goác voâ cô (caùt, ñaát seùt, buøn phuø sa), höõu cô (saûn phaåm cuûa söï phaân huûy ñoäng thöïc vaät), hay sinh vaät (vi khuaån, thöïc vaät noåi, taûo,…) caùc chaát naøy taïo neân ñoä ñuïc vaø taïo maøu cuûa nöôùc. Dung dòch thaät laø heä coù ñoä phaân taùn cao nhaát vaø coù theå xem laø moät pha ñoàng nhaát, vì luùc ñoù chaát phaân taùn toàn taïi rieâng reõ ôû kích thöôùc phaân töû hay ion. Ñoä phaân taùn cuûa heä keo thaáp hôn dung dòch thaät vì baèng phöông phaùp quang hoïc coù theå phaân bieät roõ raøng giöõa chaát phaân taùn vaø moâi tröôøng. Do ñoù, heä keo coøn ñöôïc coi laø heä vi dò theå. Heä huyeàn phuø coù ñoä phaân taùn thaáp nhaát, chaát phaân taùn cuûa heä huyeàn phuø coù theå thaáy ñöôïc baèng maét thöôøng. Yeáu toáâ quan troïng nhaát cuûa heä phaân taùn trong moâi tröôøng nöôùc laø söï töông taùc giöõa chaát phaân taùn vôùi moâi tröôøng phaân taùn vaø caùc chaát tan, töø ñoù keùo theo caùc hieän töôïng haáp phuï, trao ñoåi ion, söï taïo thaønh lôùp ñieän tích keùp, lôùp khueách taùn,… 2.1.2 Heä keo – caáu taïo vaø tính chaát[1, 3, 5] Haït keo bao goàm moät nhaân thöôøng coù caáu taïo tinh theå vaø voû (lôùp ñieän tích bao xung quanh). Phaàn nhaân chính laø caùc chaát phaân taùn coù dieän tích beà maët lôùn, ñöôïc tích ñieän. Söï hình thaønh ñieän tích treâ beà maët laø do caùc nguyeân nhaân : Phaûn öùng hoùa hoïc treân beà maët chaát raén (ñieän tích phuï thuoäc raát nhieàu vaøo pH cuûa moâi tröôøng, thöôøng tích ñieän aâm ôû vuøng pH cao vaø tích ñieân döông ôû vuøng pH thaáp). Khieám khuyeát veà caáu truùc cuûa beà maët vaø söï thay theá ñoàng hình. Haáp phuï caùc caáu töû kî nöôùc hay caùc ion chaát hoaït ñoäng beà maët (ñieän tích beà maët phuï thuoäc vaøo ñieän tích cuûa chaát bò haáp phuï). Ñieän tích beà maët hình thaønh khoâng theå toàn taïi ñoäc laäp maø seõ bò trung hoøa bôûi lôùp ñieän tích traùi daáu ôû phía ngoaøi, hình thaønh lôùp ñieän tích keùp. Do caùc phaân töû dung moâi cuõng nhö chaát phaân taùn chuyeån ñoäng khoâng ngöøng cho neân lôùp ñieän tích keùp luoân bò bieán daïng khoâng oån ñònh taïo thaønh lôùp khueách taùn. Lôùp khueách taùn hình thaønh laø do caân baèng taïm thôøi giöõa löïc töông taùc tónh ñieän vaø chuyeån ñoäng nhieät cuûa phaân töû. Heä keo luoân trung hoøa veà maët ñieän tích, nghóa laø toång soá ñieän tích cuûa lôùp khueách taùn vaø ñieän tích beà maët baèng khoâng. Tuøy theo ñieän tích beà maët cuûa nhaân haït keo, ta coù keo aâm vaø keo döông. Heä keo coù tính chaát ñieän: khi aùp ñieän tröôøng vaøo dung dòch keo, caùc haït keo tích ñieän aâm seõ di chuyeån veà cöïc döông vaø haït keo tích ñieän döông seõ dòch chuyeån veà cöïc aâm. Ñaây laø hieän töôïng ñieän di - hieän töôïng dòch chuyeån töông ñoái cuûa caùc haït mang ñieän so vôùi pha tónh laø dung moâi. Ta coù ñoàng thôøi söï dòch chuyeån cuûa dung moâi so vôùi haït tích ñieän, ñaây laø hieän töôïng ñieän thaåm thaáu. Hieäu ñieän theá gaây ra hieän töôïng ñieän di goïi laø theá ñieän ñoäng (electro kinetich potential) hay theá naêng zeta . Vì vaäy khi moãi moät va chaïm cuûa caùc haït keo ñeàu daãn ñeán söï lieân keát caùc haït, nghóa laø raát hieäu quaû ñoái vôùi quaù trình keo tuï, ngöôøi ta noùi raèng, ñoù laø söï keo tuï nhanh coøn ngöôïc laïi laø keo tuï chaäm. 2.1.3 Ñoä beàn cuûa heä keo vaø hieän töôïng keo tuï [1, 3, 5] Heä keo beàn laø do ñieän tích beà maët vaø lôùp voû hydrat cuøng vôi caùc chaát haáp phuï treân beà maët ngaên caûn khoâng cho caùc haït keo tieán laïi gaàn nhau. Ñoä beàn cuûa heä keo laø ñaïi löôïng theå hieän khaû naêng giöõ nguyeân traïng thaùi phaân taùn cuûa heä (maät ñoä vaø ñoä lôùn cuûa haït keo) theo thôøi gian. Ñoä beàn cuûa heä keo phuï thuoäc vaøo baûn chaát cuûa haït keo, tính chaát töông taùc cuûa noù vôùi moâi tröôøng nöôùc . Khaùi nieäm veà hieän töôïng keo tuï: Keo tuï : laø moät hieän töôïng laøm maát söï oån ñònh cuûa caùc heä huyeàn phuø daïng keo “oån ñònh” ñeå cuoái cuøng taïo ra caùc cuïm haït khi coù söï tieáp xuùc giöõa caùc haït. Hay noùi khaùc ñi keo tuï laø moät phöông caùch laøm bieán maát hoaëc laøm giaûm ñieän tích beà maët haït keo. Moät khaùi nieäm khaùc: Keo tuï (coagulation) : laø hieän töôïng caùc haït keo nhoû taäp hôïp laïi vôùi nhau taïo thaønh haït lôùn hôn deã laéng. Coù nhieàu cô cheá khaùc nhau daãn ñeán hieän töôïng keo tuï nhöng coù theå chia laøm hai giai ñoaïn chính laø khöû tính beàn cuûa heä keo vaø taïo ra lieân keát giöõa chuùng. Ñeå khöû ñöôïc tính beàn cuûa heä keo ngöôøi ta quy veà boán cô cheá sau : Neùn eùp laøm giaûm ñoä daøy lôùp ñieän tích keùp. Haáp phuï vaø trung hoøa ñieän tích. Loâi cuoán, queùt cuøng vôùi chaát keát tuûa. Haáp phuï vaø taïo caàu lieân keát giöõa caùc haït keo. Söï keo tuï bao goàm 2 giai ñoaïn: [6] Keo tuï aån : baèng maét thöôøng, quan saùt veû beân ngoa._.øi ngöôøi ta khoâng theå nhaän bieát baát cöù moät bieán ñoåi naøo, maëc daàu trong thöïc teá caùc haït keo ñaõ chaäp laïi vôùi nhau thaønh caùc taäp hôïp haït lôùn hôn. Keo tuï roõ : laø giai ñoaïn thaáy roõ söï bieán ñoåi maøu saéc, veû aùnh quang (opalescence), roài chuyeån ñeán traïng thaùi ñuïc môø vaø cuoái cuøng taïo keát tuûa hoaëc taïo ra daïng gel (thaïch). Ñoái vôùi moät dung dòch keo, giai ñoaïn keo tuï aån seõ nhanh choùng chuyeån thaønh giai ñoaïn keo tuï roõ. Trong caùc dung dòch cao phaân töû, giai ñoaïn keo tuï aån xaûy ra raát daøi vaø coù theå khoâng chuyeån sang giai ñoaïn keo tuï roõ. Coù theå gaây ra keo tuï moät dung dòch keo baèng caùch thay ñoåi nhieät ñoä, khuaáy troän, ly taâm sieâu toác, taêng noàng ñoä pha phaân taùn, theâm vaøo heä keo caùc chaát phuï gia khaùc nhau, ñaëc bieät laø theâm chaát ñieän ly,… Taêng nhieät ñoä, khuaáy troän, taêng noàng ñoä,… laøm cho caùc haït keo saùt laïi gaàn nhau hôn, do ñoù laøm taêng khaû naêng taäp hôïp, nghóa laø laøm giaûm ñoä beàn taäp hôïp cuûa heä keo. Tuy nhieân, trong ñaïi ña soá tröôøng hôïp caùc taùc ñoäng keå treân laø khoâng ñaùng keå. Yeáu toá quan troïng nhaát aûnh höôûng ñeán söï keo tuï laø taùc ñoäng cuûa chaát ñieän ly. Coù nhieàu hieän töôïng keo tuï nhö [6]: keo tuï vuøng, keo tuï baèng hoãn hôïp chaát ñieän ly (hieän töôïng coäng tính, keo tuï hoã trôï, keo tuï caûn trôû), töï keo tuï vaø söï keo tuï töông hoã giöõa hai keo. Ñoái vôùi hieän töôïng keo tuï töông hoã thöôøng ñöôïc gaëp nhieàu trong thöïc teá, nhö ñaùnh pheøn laøm trong nöôùc laø keo tuï töông hoã giöõa keo döông (pheøn) vaø keo aâm (caùc haït huyeàn phuø). 2.1.4 Phaù beàn cuûa caùc huyeàn phuø keo [9] Noùi chung, caùc vaät lieäu ôû daïng huyeàn phuø coù kích thöôùc khaùc nhau. Moät soá ñöôïc goïi laø “vaät lieäu ôû daïng huyeàn phuø” ñoù laø nhöõng haït coù kích thöôùc vaø maät ñoä ñuû lôùn ñeå coù theå laéng gaïn hoaëc sa laéng. Moät soá haït khaùc coù kích thöôùc beù hôn, ñöôïc goïi laø haït “keo”, chuùng töï toå hôïp ñeå taïo ra caùc taäp hôïp coàng keành hôn, coù theå laéng gaïn ñöôïc. Söï toå hôïp ñoù ít khi töï xaûy ra moät caùch töï nhieân trong nöôùc vì hieäu öùng töông taùc ñaåy tónh ñieän (vì söï coù maët ñieän tích treân beà maët caùc haït keo), caùc ñieän tích cuøng daáu caûn trôû söï tieáp xuùc giöõa caùc haït. Thöïc vaäy, taát caû caùc caùc chaát raén ôû daïng huyeàn phuø ñeàu coù theå tích ñieän khi tieáp xuùc vôùi nöôùc. Caùc haït keo, cuõng nhö “vaät lieäu ôû daïng huyeàn phuø” laø caùc hôïp chaát voâ cô (oxid kim loaïi, cacbonat, silicat, phosphat,…) hoaëc caùc chaát höõu cô (humic, protein, taûo, vi khuaån,…) ñeàu coù caùc nhoùm chöùc ion khi tieáp xuùc vôùi nöôùc. Ñieän tích beà maët cuõng ñöôïc taïo ra bôûi söï bieán ñoåi pH, vaø ñöôïc goïi laø ñieän tích sô caáp cuûa caùc haït keo. Trong nöôùc töï nhieân, ñieän tích sô caáp laø aâm ñoái vôùi haàu heát caùc haït keo. Do vaäy, nöôùc khoâng phaûi laø “trô” vì coù raát nhieàu cation vaø anion hoøa tan trong ñoù. Taát caû caùc ñieän tích sô caáp ôû beà maët cuûa moät haït phaûi ñöôïc trung hoøa bôûi caùc ion traùi daáu trong moät theå tích nöôùc cöïc kyø nhoû bao xung quanh caùc haït. Trong tröôøng hôïp ñieän tích sô caáp laø aâm, ñoä daøy cuûa nöôùc bao quanh haït goàm 2 lôùp : lôùp ñaàu raát moûng, naèm saùt ngay beà maët phaân caùch loûng-raén, ñöôïc taïo neân chuû yeáu bôûi caùc cation, do ñoù mang ñieän tích döông, ñoù laø lôùp Govy-Chapman (hay coøn ñöôïc goïi laø lôùp khueách taùn). 2.1.5 Söï caàn thieát cuûa caùc chaát keo tuï [8] Baûng sau giôùi thieäu moät soá caùc haït thöôøng coù maët trong moâi tröôøng nöôùc vaø thôøi gian caàn ñeå caùc haït naøy töï sa laéng trong moâi tröôøng nöôùc döôùi taùc duïng cuûa troïng löïc ôû 200C. Baûng 2.1 : Caùc loaïi haït coù maët trong moâi tröôøng nöôùc Loaïi haït Ñöôøng kínhtb haït (cm) Thôøi gian laéng Soûi 1 1 giaây Caùt 0.1 10 giaây Caùt mòn 10-2 2 phuùt Ñaát seùt 10-3 2 giôø Vi khuaån 10-4 8 ngaøy Chaát keo 10-5 2 naêm Chaát keo 10-6 20 naêm Chaát keo 10-7 200 naêm Caùc soá lieäu cuûa baûn treân cho thaáy raèng haït coù kích thöôùc caøng nhoû caøng khoù laéng, ñaëc bieät laø chaát keo khoâng coù khaû naêng laéng töï nhieân, do ñoù ñeå coù theå laéng, ngöôøi ta caàn phaûi laøm taêng kích thöôùc cho caùc haït keo ñuû lôùn baèng caùch ñöa vaøo moâi tröôøng moät hôïp chaát coù khaû naêng loâi keùo laøm cho caùc haït keo naøy taäp hôïp laïi vôùi nhau taïo thaønh toå hôïp lôùn hôn hay taïo caùc keát tuûa boâng coù kích thöôùc lôùn ñeå loâi keùo cuoán caùc haït keo naøy cuøng laéng,…Caùc chaát coù khaû naêng nhö theá ñöôïc goïi laø caùc chaát keo tuï, vì theá vai troø cuûa caùc chaát keo tuï raát quan troïng trong vieäc xöû lyù nöôùc. 2.1.6 Caùc bieän phaùp hoùa hoïc duøng ñeå keo tuï [3, 7, 8] Caùc phöông phaùp hoùa hoïc naøy ñeàu döïa treân 4 cô cheá keo tuï ôû treân ñeå khöû tính beàn cuûa heä keo. Coù 4 bieän phaùp hoùa hoïc keo tuï moät heä huyeàn phuø daïng keo. 2.1.6.1 Taêng löïc ion Khi taêng noàng ñoä chaát ñieän ly trung tính (NaCl) daãn ñeán giaûm ñoä daøy cuûa lôùp ñieän tích keùp, do ñoù laøm giaûm löïc ñaåy cuûa caùc haït. Löïc töông taùc toång coäng tieán ñeán gaàn baèng khoâng, vì vaäy söï toå hôïp coù theå xaûy ra khi caùc haït tieáp xuùc nhau. Bieän phaùp naøy thöïc ra raát khoù khaên trong vieäc öùng duïng thöïc teá vaøo vieäc xöû lyù nöôùc. Hieän töôïng keo tuï naøy thöôøng ñöôïc xaûy ra ôû caùc vuøng tieáp giaùp cöûa soâng vaø bieån, giaûi thích söï laéng ñoïng cuûa caùc traàm tích. 2.1.6.2 Thay ñoåi pH Bieán ñoåi pH cuûa huyeàn phuø coù theå daãn ñeán laøm maát ñieän tích sô caáp , do ñoù laøm giaûm hay voâ hieäu hoùa caùc löïc ñaåy. 2.1.6.3 Ñöa vaøo heä moät muoái kim loaïi hoùa trò III Khi ta ñöa vaøo nöôùc moät muoái kim loaïi hoùa trò III coù theå thuûy phaân, ví duï nhö : moät muoái saét hoaëc muoái nhoâm taïo ra nhieàu caùch keo tuï. Vieäc theâm vaøo naøy tröôùc heát gaây ra söï taêng nheï moät löïc ion, ñoàng thôøi cuõng laøm bieán ñoåi pH vì xaûy ra söï acid hoùa cuûa moâi tröôøng (do söï thuûy phaân). Maët khaùc, cuõng xaûy ra söï hình thaønh caùc phöùc monome vaø oligone hoøa tan mang ñieän tích döông vaø coù theå bò haáp phuï ôû beà maët caùc haït keo (neáu laø keo aâm) ôû lieàu löôïng thích hôïp cuûa caùc muoái naøy, söï thuûy phaân dieãn ra hoaøn toaøn taïo caùc keát tuûa hydroxyd kim loaïi voâ ñònh hình daïng tuûa boâng. Chuùng coù theå “baãy” hoaëc “baét” caùc haït keo ñeå roài coù theå laéng gaïn chuùng. Söû duïng moät muoái kim loaïi thuûy phaân hoùa trò III laø moät bieän phaùp thöôøng hay öùng duïng nhaát trong vieäc xöû lyù nöôùc. 2.1.6.4 Ñöa vaøo moät polymer töï nhieân hoaëc polymer toång hôïp Khi ñöa vaøo caùc hôïp chaát polymer töï nhieân hoaëc toång hôïp, noùi chung laø caùc polymer höõu cô (amidon, alginate, polyelectronlyte toång hôïp ) ñoâi khi polymer voâ cô (silic) vaøo heä keo thì xaûy ra söï haáp phuï treân beà maët caùc haït keo laøm cho caùc haït keo bò phaù vôõ traïng thaùi caân baèng. Caùc polymer vôùi caùc maïch daøi coù khaû naêng lieân keát caùc haït keo laïi vôùi nhau taïo thaønh caùc boâng keo taïo ñieàu kieän hình thaønh taäp hôïp lôùn hôn , nhöng neáu haøm löôïng polymer cao seõ daãn ñeán söï taùi taïo tính beàn cho heä keo. 2.1.7 Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán quaù trình keo tuï taïo boâng [11] 2.1.7.1 Trò soá pH cuûa nöôùc Trò soá pH aûnh höôûng raát lôùn vaø nhieàu maët ñeán quaù trình keo tuï, bao goàm : Aûnh höôûng tôùi ñoä hoaø tan nhoâm hydroxid. Aûnh höôûng ñeán ñieän tích cuûa haït keo nhoâm hydroxid. AÛnh höôûng ñoái vôùi chaát höõu cô coù trong nöôùc. Aûnh höôûng ñeán toác ñoä keo tuï dung dòch keo. 2.1.7.2 Löôïng duøng chaát keo tuï Quaù trình keo tuï khoâng phaûi laø moät loaïi phaûn öùng hoaù hoïc ñôn thuaàn, neân löôïng chất keo tụ cho vaøo khoâng theå caên cöù vaøo tính toaùn ñeå xaùc ñònh. Tuyø ñieàu kieän cuï theå khaùc nhau, phaûi laøm thöïc nghieäm chuyeân moân ñeå tìm ra liều löôïng toái öu. Löôïng pheøn toái öu cho vaøo trong nöôùc noùi chung laø 0.1 – 0.5 mg/l, neáu duøng Al2(SO4).18 H2O thì töông ñöông 10 – 50 mg/l, ñối vôùi polymer khoaûng 8-10mgñ/l. Noùi chung vaät huyeàn phuø trong nöôùc caøng nhiều, löôïng chaát keo tuï caàn thieát caøng lôùn. Cuõng coù theå chaát höõu cô trong nöôùc töông ñoái ít maø löôïng keo tuï töông ñoái nhieàu. 2.1.7.3 Nhieät ñoä nöôùc Khi duøng muoái nhoâm laøm chaát keo tuï, nhieät ñoä nöôùc aûnh höôûng lôùn ñeán quaù trình keo tuï. Khi nhieät ñoä nöôùc thaáp (< 50C ), boâng pheøn sinh ra to vaø xoáp, chöùa phaàn nöôùc nhieàu laéng xuoáng raát chaäm neân hieäu quaû keùm. Khi duøng pheøn nhoâm sunfat tieán haønh keo tuï nöôùc thieân nhieân vôùi nhieät ñoä nöôùc thaáp nhaát laø 25 – 300C. Khi duøng muoái saét laøm chaát keo tuï, aûnh höôûng cuûa nhieät ñoä tôùi quaù trình keo tuï laø khoâng lôùn. 2.1.7.4 Toác ñoä hoãn hôïp cuûa nöôùc vaø chaát keo tuï Quan heä toác ñoä hoãn hôïp cuûa nöôùc vaø chaát keo tuï ñeán tính phaân boå ñoàng ñieàu cuûa chaát keo tuï vaø cô hoäi va chaïm giöõa caùc haït keo cuõng laø nhaân toá troïng yeáu aûnh höôûng ñeán quaù trình keo tuï. Toác ñoä khuaáy toát nhaát laø chuyeån töø nhanh sang chaäm. Khi môùi cho chaát keo tuï vaøo nöôùc phaûi khuaáy nhanh, vì söï thuyû phaân cuûa chaát keo tuï trong nöôùc vaø hình thaønh chaát keo tuï raát nhanh. Cho neân phaûi khuaáy nhanh môùi coù khaû naêng sinh thaønh löôïng lôùn keo hydroxid haït nhoû laøm cho chuùng nhanh choùng khueách taùn ñeán nhöõng nôi trong nöôùc kòp thôøi cuøng vôùi caùc taïp chaát trong nöôùc taùc duïng. Sau khi hoãn hôïp hình thaønh boâng vaø lôùn leân, thì khoâng neân khuaáy nhanh vì coù theå laøm vôõ nhöõng boâng pheøn ñaõ hình thaønh. 2.1.7.5 Taïp chaát trong nöôùc Neáu cho caùc ion traùi daáu vaøo dung dòch nöôùc noù coù theå ñieàu khieån dung dòch keo tuï. Cho neân ion ngöôïc daáu laø moät loaïi taïp chaát aûnh höôûng ñeán quaù trình keo tuï. 2.1.7.6 Moâi chaát tieáp xuùc Khi tieán haønh keo tuï hoaëc xöû lyù baèng phöông phaùp keát tuûa khaùc, neáu trong nöôùc duy trì moät lôùp caën buøn nhaát ñònh, khieán quaù trình keát tuûa caøng hoaøn toaøn, laøm cho toác ñoä keát tuûa nhanh theâm. Lôùp caën buøn ñoù coù taùc duïng laøm moâi chaát tieáp xuùc, treân beà maët cuûa noù coù taùc duïng haáp phuï, thuùc ñaåy vaø taùc duïng cuûa caùc haït caën buøn ñoù nhö nhöõng haït nhaân keát tinh. Cho neân hieän nay thieát bò duøng ñeå keo tuï hoaëc xöû lyù baèng keát tuûa khaùc, phaàn lôùn thieát keá coù lôùp caën buøn. Raát nhieàu nhaân toá aûnh höôûng ñeán hieäu quaû cuûa quaù trình keo tuï. Ñeå tìm ra ñieàu kieän toái öu ñeå xöû lyù baèng keo tuï, khi thieát keá thieát bò hoaëc ñieàu chænh vaän haønh, coù theå tröôùc tieân tieán haønh thí nghieäm maãu ôû phoøng thí nghieäm baèng thieát bò Jar-Test. 2.2 CAÙC CHAÁT KEO TUÏ VO CÔ 2.2.1 Cô sôû lyù thuyeát chaát keo tuï Caùc chaát keo tuï coù öùng duïng raát lôùn trong quaù trình xöû lyù nöôùc thaûi. Caùc chaát keo tuï phaù vôõ ñoä beàn cuûa heä keo vaø noù coù khaû naêng taïo thaønh boâng lôùn hôn töø caùc haït nhoû laøm taêng toác ñoä laéng, quaù trình ñoù goïi laø keo tuï. Hoùa keo laø khoa hoïc veà caùc quaù trình hình thaønh vaø phaù huûy heä phaân taùn. Haït keo coù theå haáp phuï leân beà maët nhöõng ion chaát ñieän ly hoaëc caùc phaân töû treân lôùp beà maët nhöõng ion chaát ñieän ly hoaëc caùc phaân töû treân lôùp beà maët haït keo coù theå phaân ly thaønh ion. Haït keo coù theå tích ñieän. Caùc tính chaát ñieän hoïc cuûa haït keo ñeàu xuaát hieän töø nguyeân nhaân cô baûn ñoù. Haït keo trong quaù trình xöû lyù xaûy ra 2 giai ñoaïn : quaù trình ñoâng tuï vaø quaù trình keo tuï (quaù trình trung hoøa ñieän tích goïi laø quaù trình ñoâng tuï vaø quaù trình taïo thaønh caùc haït boâng lôùn hôn laø quaù trình keo tuï). Thoâng thöôøng ngöôøi ta keo tuï nöôùc baèng caùc loaïi pheøn truyeàn thoáng laø phöông phaùp thoâng duïng ñeå laøm trong nöôùc beà maët nhöng ñeå naâng cao hieäu quaû ngöôøi ta coù theå duøng hôïp chaát polymer töï nhieân hay toång hôïp ñeå xöû lyù. 2.2.2 Saûn phaåm truyeàn thoáng [3, 4, 8] Ngöôøi ta thöôøng söû duïng caùc muoái cuûa nhoâm hoaëc saét vì caùc muoái naøy ñeàu bò thuûy phaân vaø chính saûn phaåm thuûy phaân cuûa chuùng coù taùc duïng gaây keo tuï. Saûn phaåm cuûa quaù trình thuûy phaân cuûa caùc muoái naøy laø caùc phöùc hydroxid kim loaïi ña nhaân (daïng polymer tan hoaëc khoâng tan) chuùng coù khaû naêng tích ñieän cao. Caùc muoái nhoâm vaø saét thöôøng ñöôïc duøng laøm chaát keo tuï goàm: Caùc muoái nhoâm: NH4Al(SO4)2.12H2O, KAl(SO4)2.12H2O NaAlO2, Al2(SO4)3.18H2O, AlCl3.6H2O,…vaø muoái saét : Fe2(SO4)3.nH2O, FeCl3.6H2O, FeClSO4,… Bảng 2.2 : Caùc saûn phaåm thuûy phaân cuûa saét vaø nhoâm trong nöôùc Saûn phaåm Nhoâm Saét Monomer {Al(H2O)6}3+ Al(OH)2+ Al(OH)2+ Al(OH)3 Al(OH)4- {Fe(H2O)6}3+ Fe(OH)2+ Fe(OH)2+ Fe(OH)3 Fe(OH)4- Polymer Al(OH)24+ Al(OH)45+ Al13O4(OH)247+ Fe2(OH)24+ Fe3(OH)45+ Chaát raén keát tuûa Al(OH)3 Fe(OH)3 Muoái nhoâm vaø saét khi cho tröïc tieáp seõ bò thuûy phaân taïo thaønh caùc oxo-hydroxid tan vaø khoâng tan ñoàng thôøi keøm theo söï giaûi phoùng proton laøm giaûm pH cuûa moâi tröôøng. Khi duøng muoái nhoâm vaø saét ñeå laøm trong nöôùc beà maët thöôøng gaëp nhöõng khoù khaên sau ñaây : do pH cuûa nöôùc beà maët thöôøng dao ñoäng trong khoaûng roäng töø 5.5 – 8.5 vaø chaát löôïng nöôùc thöôøng thay ñoåi cho neân khoù maø ñöa löôïng chaát keo tuï toái öu vaøo ñeå xöû lyù. Neáu ñöa dö löôïng chaát keo tuï seõ coù hieän töôïng ñoåi daáu ñieän tích laøm cho heä huyeàn phuø beàn trôû laïi, neáu tieáp tuïc ñöa theâm chaát keo tuï vaøo thì hieän töôïng keo tuï tieáp tuïc xaûy ra khoâng phaûi theo cô cheá haáp phuï vaø trung hoøa maø do söï keát tuûa hydroxid sieâu baõo hoøa, tuy nhieân cuõng loâi cuoán keùo theo caùc haït huyeàn phuø nhöng tieâu toán nhieàu chaát keo tuï khoâng caàn thieát. Neáu duøng muoái nhoâm thì ñeå laïi noàng ñoä ion nhoâm töï do cao, coøn neáu duøng muoái saét thì taïo maøu cho dung dòch, do ñoù ñeå taêng cöôøng quaù trình taïo boâng keo hydroxid nhoâm vaø hydroxid saét vaø taêng toác ñoä laéng, haï thaáp löôïng chaát ñoâng tuï, ngöôøi ta cho theâm caùc chaát trôï ñoâng tuï (caùc chaát cao phaân töû: polymer höõu cô töï nhieân hay toång hôïp). Muoái saét ñöôïc söû duïng laøm chaát ñoâng tuï coù nhieàu öu ñieåm hôn so vôùi caùc muoái nhoâm : taùc duïng toát hôn ôû nhieät ñoä thaáp, khoaûng pH toái öu roäng hôn, ñoä beàn vaø kích thöôùc boâng keo lôùn, coù theå khöû ñöôïc muøi vò khi coù H2S, tuy nhieân nhöôïc ñieåm lôùn nhaát cuûa muoái saét laø taïo thaønh caùc phöùc hoøa tan coù maøu. Ngoaøi caùch söû duïng rieâng reõ töøng muoái, ngöôøi ta ñaõ ñieàu cheá chaát keo tuï coù maët ñoàng thôøi ion nhoâm vaø saét. Saûn phaåm naøy chuû yeáu duøng ñeå xöû lyù nöôùc thaûi coâng nghieäp vaø nöôùc thaûi ñoâ thò coäng theâm tính naêng ñaëc bieät laø loaïi boû phosphat. Muoái cuûa ñoàng : ñoàng sulfat (CuSO4.5H2O) cuõng ñöôïc duøng laøm chaát keo tuï chuû yeáu ñeå dieät taûo. Ozon (O3) : duøng ñeå xöû lyù nöôùc chöùa nhieàu chaát höõu cô phöùc hôïp cuûa saét vaø mangan. Khi ozon hoùa nöôùc naøy, laøm khôûi ñoäng cô cheá keo tuï, taïo boâng. Ozon phaù huûy hôïp chaát höõu cô sau ñoù oxy hoùa caùc ion kim loaïi cuõng nhö kim loaïi töï do. 2.2.3 Saûn phaåm keo tuï môùi [3, 7, 18, 19, 20, 21, 26] Trong nhöõng naêm gaàn ñaây ngöôøi ta baét ñaàu quan taâm ñeán vieäc nghieân cöùu ñieàu cheá caùc hôïp chaát keo tuï môùi nhaèm khaéc phuïc hoaëc loaïi boû nhöõng nhöôïc ñieåm cuûa chaát keo tuï pheøn nhoâm vaø saét truyeàn thoáng : Giaûm ñoä pH cuûa nöôùc sau xöû lyù, baét buoäc phaûi duøng voâi ñeå hieäu chænh pH daãn ñeán chi phí xöû lyù taêng. Noàng ñoä ion töï do toàn dö cao sau xöû lyù. Hieäu quaû keùm haún khi nöôùc nguoàn coù ñoä maøu vaø ñoä ñuïc cao. Phaûi duøng theâm moät soá phuï gia trôï keo tuï, trôï laéng,… Töø nhöõng naêm 1980, khoa hoïc ñaõ phaùt trieån vaø ñöa vaøo söû duïng caùc chaát keo tuï môùi laø caùc polymer tan trong nöôùc cuûa nhoâm vaø saét coù anion laø Cl- hoaëc SO42-, ñoä acid cuûa noù raát thaáp do quaù trình thuûy phaân (coù keøm theo taïo H+) ñaõ ñöôïc thöïc hieän trong quaù trình polymer taïo thaønh saûn phaåm, do ñoù khi cho caùc chaát keo tuï naøy vaøo nöôùc, chuùng khoâng caàn traûi qua giai ñoaïn taïo thaønh polymer neân toác ñoä keo tuï lôùn, vieäc taïo ra keát tuûa hydroxid voâ ñònh hình raát thuaän lôïi. Ñaàu tieân laø PAC (polyaluminium chloride) vaø PFC (polyferric chloride). Caùc thöû nghieäm ñeàu cho thaáy caû PAC vaø PFC ñeàu ñaït hieäu quaû xöû lyù cao veà ñoä ñuïc, kim loaïi naëng, COD vaø ñeàu cho thaáy khaû naêng xöû lyù troäi hôn khi ôû nhieät ñoä thaáp vaø trong vieäc xöû lyù nöôùc thaûi. Tuy nhieân PFC thì khoâng ñaït ñöôïc tính öu vieät gì hôn so vôùi FC (Saét III chlorua), trong khi PAC thì coù nhieàu öu ñieåm hôn AS (Nhoâm III sulfur). Trong moâi tröôøng pH cao 9.5, thì quaù trình hình thaønh aluminat töø polymer raát chaäm neân PAC vaãn coù khaû naêng keo tuï toát trong khi pheøn nhoâm (AS) thì khoâng coù khaû naêng naøy. Tuy nhieân trong vuøng pH < 5.5 caû PAC vaø AS ñeàu khoâng coù khaû naêng keo tuï vì caû haït huyeàn phuø vaø chaát keo tuï ñeàu tích ñieän döông. PAC ñöôïc söû duïng roäng raõi ñeå thay theá cho pheøn nhoâm truyeàn thoáng ôû caùc nöôùc Nhaät, Phaùp, Ñöùc, Canada, Myõ, Trung Quoác,… kinh nghieäm söû duïng PAC cho thaáy PAC raát thích hôïp cho nöôùc nguoàn coù ñoä ñuïc cao, nhieät ñoä vaø ñoä cöùng thaáp. ÔÛ Vieät Nam ñaõ töøng böôùc ñöa PAC vaøo söû duïng töø naêm 1995 cho ñeán nay, cho thaáy löôïng PAC söû duïng chæ baèng 20 – 50% so vôùi AS (tuøy theo ñoä ñuïc cuûa nöôùc). PAC laøm cho pH cuûa nöôùc ít thay ñoåi, ít gaây aên moøn thieát bò vaø ñöôøng oáng daãn nöôùc, toác ñoä keo tuï nhanh daãn ñeán khaû naêng thu goïn thieát bò, maët baèng xöû lyù. Sau ñoù töø nhöõng naêm 1990 caùc coâng trình nghieân cöùu laïi tieáp tuïc roä leân vaø moät loaït saûn phaåm môùi ra ñôøi : PAS (polyaluminium sulfat), PASS (polyaluminium silicate sulfat), PFS (polyferric sulfat), PAFS (polyalumino ferric sulfat). Caùc saûn phaåm naøy chöa thaáy coù maët ôû Vieät Nam nhöng qua taøi lieäu thu thaäp cho thaáy : caû ba ñeàu coù öu ñieåm gioáng nhö PAC laø söû duïng ôû haøm löôïng ít, khoâng caàn phaûi ñieàu chænh pH cuûa nöôùc sau xöû lyù, hoaït löïc toát ôû nhieät ñoä thaáp, loaïi boû trieät ñeå caùc taïp chaát höõu cô töï nhieân trong nöôùc vaø noàng ñoä chaát keo tuï thöøa laïi ôû trong nöôùc raát ít, thieát bò maët baèng xöû lyù thu goïn, rieâng PFS coù theå duøng ñeå taùch ñöôïc caû rong, taûo trong nöôùc. Do laø caùc saûn phaåm môùi vaø ñieàu kieän phaûn öùng taïo thaønh caùc polymer voâ cô naøy raát khaéc nghieät : ñoøi hoûi thieát bò, aùp suaát, nhieät ñoä,… cho neân giaù thaønh saûn phaåm cao hôn nhieàu so vôùi caùc chaát keo tuï truyeàn thoáng, nhöng buø laïi lieàu löôïng söû duïng cuõng giaûm theo nhieàu laàn. Cho neân vieäc löïa chon chaát keo tuï ñeå xöû lyù nöôùc tuøy thuoäc vaøo khaû naêng kinh teá cuûa töøng nôi, töøng ñôn vò, töøng nhaø maùy, nhöng haàu heát caùc nhaø maùy môùi thaønh laäp ñeàu choïn saûn phaåm môùi naøy ñeå xöû lyù nöôùc vì caùc öu ñieåm treân. Saûn phaåm chaát keo tuï môùi naøy ñang coù maët treân thò tröôøng theá giôùi vaø Vieät Nam. Caùc nhaø saûn xuaát ñang khoâng ngöøng caûi tieán quy trình coâng ngheä nhaèm muïc ñích naâng cao haøm löôïng Al2O3 trong saûn phaåm, ñoàng thôøi coù theå haï thaáp giaù thaønh saûn phaåm. Baûng 2.3 : Caùc saûn phaåm keo tuï môùi Teân saûn phaåm Thöông hieäu Nöôùc saûn xuaát Thoâng soá kyõ thuaät Polyaluminium chloride PAC Vieät Nam (Vieän Coâng ngheä Hoùa hoïc) Daïng raén Maøu vaøng nhaït Al2O3 = 27% pH = 66.5 Polyaluminium chloride PAC Trung Quoác Daïng raén Al2O3 = 36% Polyaluminium sulfat PAS Trung Quoác Daïng dung dòch Trong suoát khoâng maøu d =1.2g/ml pH = 4.5 Al2O3 = 10.8% OH- = 4.5% Polyaluminium silicate sulfat PASS®100 Mỹ Daïng dung dòch Trong suoát khoâng maøu d = 1.321.34 g/ml pH = 2.83.6 Al2O3 = 10% OH- = 55% Dung dòch trong suoát d = 1.26g/ml pH = 22.8 Al2O3 = 7.1% OH- = 23% Pre-hydrolized aluminium sulfat PHAS®Liquid Mỹ Polyaluminium chloride silicate sulfat PASSCTM Myõ Dung dòch trong suoát d = 1.211.26g/ml pH = 2.43.4 Al2O3 = 10% OH- = 55% 2.2.4 Moät soá coâng trình ñieàu cheá chaát keo tuï 2.2.4.1 Ñieàu cheá pheøn nhoâm truyeàn thoáng [9] Ñaàu tieân laø saûn xuaát nhoâm sulfat töø acid sulfuric vaø vaät lieäu chöùa nhoâm nhö: ñaát seùt, quaëng bauxite hay ñi tröïc tieáp töø nhoâm hydroxid. Khi duøng nhoâm hydroxid thì saûn phaåm thu ñöôïc coù chaát löôïng toát nhaát vôùi haøm löôïng Al2O3 coù theå ñaït tôùi 17%, ñoàng thôøi haøm löôïng saét coù theå ít hôn 0.04%. Coâng thöùc cuûa nhoâm sulfat laø Al2(SO4)3.nH2O vôùi loaïi thöôøng gaëp coù n =18 vaø haøm löôïng Al2O3 = 15%. Khi cho theâm muoái sulfat cuûa caùc nguyeân toá hoùa trò I nhö : K+, NH4+, vaøo quaù trình phaûn öùng ta thu ñöôïc pheøn keùp Al2(SO4)3.K2SO4.24H2O hay Al2(SO4)3.(NH4)2SO4.24H2O. ÔÛ mieàn Baéc nöôùc ta thì saûn xuaát pheøn ñi töø kaolinite. Al2O3.2SiO2.2H2O + 2KOH = 2KAlO2 + 3H2O + 2SiO2 2KAlO2 + 4H2SO4 + 20H2O = Al2(SO4)3.K2SO4.24H2O Taïi mieàn Nam söû duïng nguyeân lieäu laø nhoâm hydroxid. 2Al(OH)3 + 3H2SO4 + 12H2O = Al2(SO4)3.18H2O 2.2.4.2 Ñieàu cheá polyaluminium chloride (PAC) [10] Coù theå ñieàu cheá PAC töø caùc nguoàn nguyeân lieäu khaùc nhau nhö : töø nhoâm hydroxid, töø oxid nhoâm, töø nhoâm chlorua,… Coâng trình cuûa Vieän Coâng ngheä Hoùa hoïc Tp.HCM ñaõ nghieân cöùu – cheá taïo thaønh coâng vaø ñaõ ñöa ra söû duïng saûn phaåm PAC coù haøm löôïng Al2O3 ñaït 30%. Saûn phaåm naøy ñaõ coù maët kòp thôøi ñeå giaûi quyeát vaán ñeà nöôùc sinh hoaït cho baø con vuøng luõ ôû ñoàng baèng Soâng Cöûu Long. PAC naøy ñöôïc ñieàu cheá ñi töø nguoàn nhoâm hydroxid vaø acid chlohydric ôû ñieàu kieän aùp suaát hôi quaù nhieät laø 5atm (nhieät ñoä khoaûng 155oC) trong thôøi gian 3 giôø. Nguyeân taéc ñieàu cheá theo phöông trình cô baûn : nAl(OH)3 + (3n-m)HCl = Aln(OH)mCl3n-m + (3n-m)H2O Hình 2.1 : Quy trình ñieàu cheá PAC Al(OH)3 Thieát bò phaûn öùng toC, Pcao Beå laéng Baõ raén HCl dd PAC PAC loûng Coâ ñaëc PAC raén Nghieàn troän Laøm khoâ Hieän nay Vieän vaãn coøn ñang tieáp tuïc nghieân cöùu nhaèm naâng cao haøm löôïng nhoâm oxit trong saûn phaåm vaø tìm caùc höôùng ñi töø caùc nguoàn nguyeân lieäu coù saün trong töï nhieân nhö : quaëng bauxite, ñaát seùt hoaëc ñi töø caùc chaát thaûi coâng nghieäp vaø sinh hoaït nhö : buøn ñoû, phoâi nhoâm, voû lon nhoâm,… 2.2.4.3 Ñieàu cheá polyaluminium sulfat (PAS) [16] Coâng trình cuûa Jia Negyou, Lu Zhu vaø Xiang Quan ôû Trung Quoác ñaõ ñieàu cheá hôïp chaát keo tuï polyaluminium sulfat, ñi töø nguyeân lieäu ñaàu laø nhoâm sulfat. Cho dung dòch Ca(OH)2 vaøo dung dòch Al2(SO4)3 ôû 70oC vôùi tyû leä : Al2(SO4)3 : Ca(OH)2 : H2O = 5:1:12 Giöõ tyû leä naøy khoâng ñoåi trong suoát thôøi gian phaûn öùng 12 giôø. Ñem hoãn hôïp ñi loïc laáy dung dòch qua loïc, cho theâm löôïng nhoû acid höõu cô ñeå oån ñònh saûn phaåm. Haøm löôïng nhoâm oxit ñaït ñöôïc 10.8%, saûn phaåm daïng loûng. Sau ñoù ñi xaùc ñònh caáu truùc cuûa PAS baèng phoå IR, nhieãu xaï tia X – XRD, NMR cho thaáy PAS laø moät hôïp chaát kieàm ñöôïc taïo thaønh töø caùc loaïi : polymer Al13(SO4)2.(OH)5,…monomer vaø moät löôïng nhoû ion. 2.2.4.4 Ñieàu cheá caùc polyferric [22, 26] Theo caùc taøi lieäu cho bieát, caùc coâng trình nghieân cöùu ñieàu cheá caùc polyferric ñi töø dung dòch cuûa saét 3 hoaëc saét 2 ñöôïc oxit hoùa, sau ñoù duy trì ôû ñieàu kieän nhieät ñoä vaø aùp suaát cao vaø ñeå giaø hoùa trong moät thôøi gian. Kieåm tra saûn phaåm thu ñöôïc baèng phoå Raman cho thaáy ngoaøi caùc pick cuûa lieân keát Fe-OH, Fe-SO4 coøn thu ñöôïc pick cuûa lieân keát Fe-O, chöùng toû coù taïo thaønh polymer. Caùc polymer coâ cô tan trong nöôùc treân cô sôû nhoâm vaø saét cuøng laøm chaát keo tuï laø ñeà taøi môùi meû vaø raát ñöôïc caùc nhaø nghieân cöùu khoa hoïc quan taâm. Toùm laïi, coâng vieäc nghieân cöùu veà caùc phöông phaùp ñieàu cheá, caáu truùc, cô cheá keo tuï cuûa caùc saûn phaåm naøy ngaøy caøng ñöôïc quan taâm vaø ñaàu tö phaùt trieån ñaït hieäu quaû cao. CHÖÔNG 3 CAÙC PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU 3.1 PHÖÔNG PHAÙP PHAÂN TÍCH 3.1.1 Phöông phaùp Complexon (pp chuaån ñoä ngöôïc) [2, 13, 14] Xaùc ñònh hoãn hôïp Al3+, Fe3+ vôùi chæ thò Xylenol cam Ñeå xaùc ñònh caùc ion Al3+, Fe3+ ta coù theå söû duïng nhieàu phöông phaùp khaùc nhau nhö : phöông phaùp oxi hoùa, phöông phaùp troïng löôïng, chuaån ñoä ngöôïc Complexon. Ñeå phaân tích keát quaû töông ñoái chính xaùc ta coù theå duøng chuaån ñoä ngöôïc Complexon. Nguyeân taéc ñieàu cheá Ñaàu tieân ta xaùc ñònh löôïng toång Al3+, Fe3+. Sau ñoù xaùc ñònh rieâng Al3+. 3.1.1.1 Xaùc ñònh toång Al3+, Fe3+ baèng phöông phaùp chuaån ñoä ngöôïc Ñaàu tieân ta cho moät löôïng dö chính xaùc dung dòch chuaån EDTA vaøo moät theå tích xaùc ñònh cuûa hoãn hôïp Al3+, Fe3+ taïo moâi tröôøng coù pH = 5. Sau ñoù chuaån löôïng dö EDTA baèng dung dòch Zn2+ chuaån vôùi chæ thò xylenol cam cho tôùi khi dung dòch chuyeån töø maøu vaøng chanh sang maøu hoàng tím. Khi ñoù Zn2+ chæ phaûn öùng vôùi löôïng EDTA cho dö nhöng khoâng phaù huûy ñöôïc phöùc AlY- vaø FeY- ñaõ hình thaønh. Töùc laø noù thoûa maõn ñieàu kieän pK’ZnY < pK’AlY vaø K’ZnY < pK’FeY Phaûn öùng chuaån ñoä: Al3+ + H2Y2- = AlY- + 2H+ Fe3+ + H2Y2- = FeY- + 2H+ Zn2+ + H2Y2-dö = ZnY2- + 2H+ 3.1.1.2 Xaùc ñònh Al3+ baèng phöông phaùp chuaån ñoä thay theá Tieáp tuïc cho theâm NaF baõo hoøa vaøo dung dòch vöøa chuaån ñoä (goàm caùc phöùc AlY-, FeY-, ZnY2-). Khi ñoù chæ coù phöùc AlY- bò phaân huûy vaø chuyeån thaønh phöùc AlF63- beàn hôn trong ñieàu kieän pH = 5 AlY- + 6F- = AlF63- + Y4- Keát quaû laø löôïng Y4- taïo ra löôïng töông ñöông vôùi löôïng Al3+ coù maët trong hoãn hôïp. Ta chuaån ñoä Y4- baèng dung dòch muoái Zn2+ ñeán khi chuyeån maøu vaøng chanh sang maøu hoàng tím . Do caû Al3+ vaø Fe3+ ñeàu phaûn öùng chaäm vôùi Y4-, vì theá ñeå quaù trình taïo phöùc xaûy ra hoaøn toaøn, caàn ñun soâi caùc dung dòch, sau ñoù ñeå nguoäi roài môùi cho chæ thò xylenol cam ñeå traùnh bò phaân huûy. 3.1.2 Thöïc haønh phöông phaùp Complexon 3.1.2.1 Xaùc ñònh noàng ñoä Zn2+ Cho dung dòch Zn2+ vaøo buret 25ml. huùt 10ml dung dòch EDTA 0.05M cho vaøo erlen 250ml, theâm 5ml dung dòch ñeäm pH =5 vaø 20mg chæ thò xylenol laéc ñeàu, dung dòch coù maøu vaøng chanh vaø chuaån ñoä baèng dung dòch Zn2+ ñeán khi dung dòch chuyeån sang maøu hoàng tím. Ghi theå tích VZn2+. 3.1.2.2 Xaùc ñịnh lượng tổng Al3+ vaø Fe3+ Dung dòch sau khi ñieàu cheá ñöôïc pha loaõng 50 laàn, sau ñoù huùt 10ml dung dòch sau khi pha loaõng cho vaøo erlen 250 ml, theâm 25ml dung dòch EDTA 0.05M, laéc ñeàu vaø theâm 10ml dung dòch ñeäm acetat pH=5. Ñun soâi hoãn hôïp trong 2 phuùt, ñeå nguoäi vaø cho 20mg chæ thò xylenol cam laéc ñeàu, dung dòch coù maøu vaøng chanh vaø chuaån ñoä baèng Zn2+ cho ñeán khi dung dòch chuyeån sang maøu hoàng tím. Ghi theå tích V1 cuûa dung dòch Zn2+. 3.1.2.3 Xaùc ñònh löôïng Al3+ Tieáp tuïc theâm 5ml dung dòch NaF baõo hoøa, ñun soâi hoaõn hoãn hôïp trong 2 phuùt, ñeå nguoäi vaø cho 20mg chæ thò xylenol cam laéc ñeàu, sau ñoù chuaån baèng dung dòch Zn2+ cho ñeán khi dung dòch töø maøu vaøng chanh sang hoàng tím. Ghi theå tích V2 cuûa dung dòch Zn2+. Laøm 3 laàn caùc thí nghieäm treân. Tính haøm löôïng Al3+ coù maët trong dung dòch caàn kieåm tra. Töø theå tích Zn2+ ñaõ duøng, ta tính ñöôïc noàng ñoä Al3+ trong maãu theo coâng thöùc tính: NAl3+ = Hoaëc coâng thöùc tính gaàn ñuùng: NAl3+ = Vôùi : NAl3+: noàng ñoä ñöông löôïng cuûa Al3+ coù trong maãu. NEDTA: noàng ñoä ñöông löôïng cuûa dung dòch EDTA. VEDTA: theå tích dung dòch EDTA caàn duøng. NZn2+: noàng ñoä ñöông löôïng cuûa dung dòch Zn2+. Vmaãu: theå tích maãu caàn cho chuaån ñoä. 3.2 PHÖÔNG PHAÙP JAR – TEST [12, 17] 3.2.1 Cô sôû lyù thuyeát Muïc ñích : Xaùc ñònh giaù trò pH toái öu cuûa quaù trình keo tuï taïo boâng. Xaùc ñònh lieàu löôïng chaát keo tuï toái öu cuûa quaù trình keo tuï taïo boâng. Cô cheá cuûa söï keo tuï laø cho vaøo nöôùc moät loaïi hoaù chaát laø chaát keo tuï coù theå ñuû laøm cho caùc haït raát nhoû bieán thaønh caùc haït lôùn laéng xuoáng. Thoâng thöôøng quaù trình taïo boâng xảy ra theo 2 giai ñoaïn sau : Baûn thaân chaát keo tuï phaùt sinh thuyû phaân, quaù trình hình thaønh dung dòch keo vaø ngöng tuï. Trung hoaø haáp phuï loïc caùc taïp chaát trong nöôùc. Keát quaû cuûa quaù trình treân laø hình thaønh caùc haït lôùn laéng xuoáng. Ñeå thöïc hieän quaù trình keo tuï, ngöôøi ta cho vaøo nöôùc caùc chaát keo tuï thích hôïp nhö pheøn nhoâm - Al2(SO4), pheøn saét - FeSO4, polymer,… Caùc pheøn naøy ñöôïc ñöa vaøo nöôùc döôùi daïng hoaø tan. Muïc tieâu cuûa phöông phaùp Jar-Test laø xaùc ñònh lieàu löôïng toái öu cuûa chaát keo tuï vaø xaùc ñònh ñöôïc vuøng pH toái öu keo tuï. Vieäc löïa choïn daïng chaát vaø lieàu löôïng keo tuï cho moãi nguoàn nöôùc vaø nöôùc thaûi chæ coù theå thöïc hieän thoâng qua thöû nghieäm Jar-Test. 3.2.2 Caùch söû duïng Maùy thöû Jar-Test coøn ñöôïc goïi laø thieát bò tuûa boâng chaân vòt, coù caáu taïo goàm coù moät maùy khuaáy coù 6 caùnh khuaáy ñoàng boä, coù trang bò boä bieán ñoåi toác ñoä khuaáy. Coù thieát bò heïn giôø töï ngaét, ñeøn vaø chuoâng baùo ñoäng, duøng 6 bercher coù theå tích 500ml hoaëc 1000ml ñeå söû duïng cho moät löôït thöû nghieäm. HÌNH 3.1 : MAÙY JAR –TEST Cho ñaày loaïi nöôùc caàn xöû lyù vaøo moãi bercher, pha chaát keo tuï vôùi noàng ñoä ban ñaàu laø Co, coù theå ñieàu chænh pH dung dòch, sau ñoù laàn löôït tieán haønh caùc thao taùc theo thöù töï sau : Ñöa chaát keo tuï vaøo (noàng ñoä chaát keo tuï taêng daàn töø coác 1-6) vaø khuaáy maïnh vôùi vaän toác 100-200 voøng/phuùt trong thôøi gian töø 2-3 phuùt hoaëc coù theå daøi hôn, ñaây laø giai ñoaïn keo tuï. Khuaáy chaäm 20-40 voøng/phuùt trong voøng 20 phuùt. Ñaây laø giai ñoaïn laøm to caùc boâng vaø tuûa boâng. Ñeå yeân trong voøng 30 p._.