Chng 4 Keo t - to bụng
4.1 Tóm tắt về tạp chất trong nớc
Tạp chất trong nớc có thể chia làm hai nhóm chính: nhóm hoà tan và nhóm
không hoà tan. Về bản chất chúng có thể là các hợp chất vô cơ cũng nh hữu cơ.
Về nguồn gốc chúng có thể là các chất có sẵn trong tự nhiên (trong đất, nớc,
không khí), vật chất có nguồn gốc sinh học (động vật, thực vật, vi sinh vật )
cũng nh các chất có nguồn gốc từ các hoạt động của con ngời: các chất thải sinh
hoạt, chất thải từ các hoạt động sản xuất, dịch vụ.
Nhóm tạp chất hoà tan là các hợp chất phân bố đều trong nớc ở mức độ phân tử
hoặc ion, ta không thể cảm nhận hoặc nhìn thấy chúng bằng các phơng tiện hiển
vi thông thờng, trừ các chất gây màu và các hợp chất gây mùi.
Nhóm tạp chất không tan, trừ phần dễ lắng hoặc nổi là các tạp thô nh hạt cát,
mảnh thuỷ tinh, mảnh gỗ khi ta để mẫu nớc tĩnh trong 1 giờ hoc 30', thờng đợc
đo bằng khái niệm cặn lơ lửng (SS).
Nhóm chất nằm giữa các chất tan và không tan là nhóm các dung dịch keo hay
còn gọi là các hệ đa phân tán.
Cặn lơ lửng là đặc trng chủ yếu của nớc mặt, nhất là vào mùa lũ lụt. Nguồn gốc
của cặn lơ lửng chủ yếu là đất, bùn, bụi trên mặt đất đợc nớc rửa trôi, vi sinh vật
trong nớc. Thờng phân biệt các loại cặn theo kích thớc; cặn càng lớn, càng nặng
thì càng dễ lắng xuống đáy và càng khó bị dòng chảy cuốn trôi. Vì vậy ngời ta đa
ra khái niệm độ lớn thủy lực của cặn là tốc độ lắng cặn trong nớc xác định bằng
thực nghiệm (bảng 6.1).
Bảng 6.1 - Kích thớc hạt và kích thớc thủy lực [1]
Loại cặn Độ lớn thủy lực, mm/s Kích thớc hạt, mm
Cát:
- Thô 100 1,0
- Trung bình 50 0,5
- Nhỏ 7 0,1
Phù sa bùn
1,7 ữ 0,5 0,05 ữ 0,027
Phù sa bùn mịn

> 10

5
> 0,1
10

5
ữ 10

6

0,1 ữ 0,01
10

6
ữ 10

7
0,01 ữ 0,001
< 10

7

< 0,001
Ví dụ Phù sa
Plankton
Vi khuẩn
Hạt keo
Các hợp chất humic
Virus


4
à
m
Nhóm I: các tạp chất thô nhìn thấy đợc bằng mắt (khi nhìn tổng thể thấy độ đục,
màu) hoặc hiển vi quang học thờng (thấy từng hạt), chúng thờng không bền, bị
lắng hoặc tách lớp (đối với nhũ tơng) khi để tĩnh, chỉ tồn tại nhờ chuyển động của
nớc. Chúng thờng là các hạt phù sa, huyền phù gốc vô cơ, hữu cơ. Trong nhóm
này cần lu ý các sinh vật nớc bậc thấp nh tảo, vi khuẩn và plankton. Cặn nhóm
này có khả năng lắng khi để lâu.
Nhóm 2: là nhóm dung dịch keo. Đây là hệ bền (khó lắng) nhờ cấu trúc đặc biệt
của các hạt keo. Trong nhóm này phải kể đến virus, các chất có phân tử lợng lớn
có nguồn gốc tự nhiên nh axit humic. Hạt keo có kích thớc nhỏ (< 0,5 àm) nên
bằng mắt và hiển vi thông thờng không thể nhìn thấy.
Có thể quan sát gián tiếp hạt keo nhờ hiệu ứng Tindal: khi đa cốc dung dịch vào
buồng tối, dùng đèn nhỏ chiếu chùm ánh sáng hẹp ngang qua cốc dung dịch và
quan sát bằng mắt theo hớng vuông góc với tia sáng. Nếu là dung dịch thực (chất
tan dạng phân tử, ion) ta sẽ không thấy chùm tia sáng. Nếu là dung dịch keo ta
sẽ thấy chùm tia sáng thông qua những chấm nhỏ lấp lánh. Đó là hiệu ứng Tindal
tán xạ ánh sáng xảy ra khi tia sáng gặp hạt keo có kích thớc xấp xỉ bớc sóng
ánh sáng sẽ bị tán xạ ra xung quanh, vì vậy ở hớng vuông góc với đờng đi của tia
sáng ta quan sát đợc hạt keo.
Hạt keo kị nớc có độ bền nhờ lớp điện kép tích điện cùng dấu. Hạt keo a nớc có
độ bền nhờ tơng tác hạt-nớc thông qua các chóm chức a nớc trên các phân tử hạt
keo.
Nuớc thải nhiều ngành sản xuất nh giấy, hoá dầu cũng có đặc trng của nhóm này.
Đây là tạp chất thuộc loại vi dị thể, rất khó tự lắng, chỉ có thể lọc đợc bằng các ph-
ơng tiện lọc thông thờng khi đợc xử lí bằng chất keo tụ hoặc tạo bông.
Nhóm 3: nhóm của các chất hữu cơ tan, khí hoà tan, kích thớc hạt chất tan ở mức
phân tử, ta còn gọi là dung dịch phân tử. Thành phần chất tan ở đây rất đa dạng,

dung môi cụ thể là a nớc (hydrophilic) và loại kị dung môi hay kị nớc
(hydrophobic).
Loại a nớc là các dung dịch cao phân tử với các phân tử chất hữu cơ hoà tan có
kích thớc lớn và chứa nhiều nhóm chức phân cực, có ái lực cao với các phân tử n-
ớc.
Loại kị nớc là các loại keo có gốc ôxit hoặc hyđroxit kim loại. Do kích thớc hạt rất
nhỏ hệ keo có bề mặt cực lớn, vì vậy về mặt nhiệt động chúng không bền và có
xu thế co cụm để giảm năng lợng bề mặt. Mặt khác do hạt keo có cấu tạo đặc
biệt của lớp điện kép tạo nên lực đẩy tĩnh điện hạt-hạt nên chúng khó tiếp cận
gần nhau, hút nhau và co cụm thành hạt lớn hơn đủ nặng để có thể lắng đợc nên
hệ này có tính bền.
Cấu tạo đặc biệt của hạt keo có thể đợc làm rõ trên cơ sở ví dụ keo Fe(III):
Khi hoà tan FeCl
3
trong nớc sẽ xảy ra phản ứng thủy phân:
FeCl
3
+ 3H
2
O Fe(OH)
3
+ 3HCl (6.1)
Kết tủa Fe(OH)
3
co cụm dới dạng tập hợp hạt [mFe(OH)
3
] rất nhỏ, đợc gọi là hạt
nhân, nó có khả năng hấp phụ những ion giống các thành phần tạo ra nó, ví dụ
hấp phụ các ion Fe
3+


bám theo hạt [mFe(OH)
3
] tạo thành lớp điện kép gồm 3n
điện tích dơng và 3(n-x) điện tích âm, kết quả là hạt keo (phần giữa dấu {}) mang
điện tích 3x+:
[m Fe(OH)
3
]nFe
3n+
+ 3(n-x)

Cl


{[mFe(OH)
3
]nFe
3n+
3(n-x)Cl

}
3x+
(6.3)
Phần còn lại 3x hạt Cl

trôi nổi trong dung dịch ở khoảng không gian gần hạt,
tạo nên lớp khuyết tán. Nh vậy, nếu viết dới dạng công thức hoá học hạt keo có
cấu tạo tổng thể nh sau:
/storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/agf1394180422-doc

Tóm lại, để hạt keo trung hoà về điện hạt keo phải có hai lớp điện tích trái dấu có
cùng lợng điện tích: lớp hấp phụ (ví dụ, nFe
3+
) nằm trên bề mặt hạt nhân tích điện
dơng hoặc âm (trong trờng hợp nFe
3+
là dơng), điện thế tơng ứng của nó là thế
nhiệt động hay là thế Nernst,

o
; tiếp theo là lớp ion trái dấu tích điện ngợc lại (âm
hoặc dơng). Hai lớp điện tích này tạo nên một cấu trúc tơng tự nh hai bản cực
song song của một tụ điện, trong đó một bản cực tích điện dơng (hoặc âm) gắn
chặt với hạt nhân là lớp ion quyết định dấu, còn bản cực kia tích điện trái dấu và
tạo nên lớp điện kép. Đây là cấu tạo thông thờng của tụ điện phẳng (h. 6.2).
Hình 6.1- Cấu tạo hạt keo và sự thay đổi thế

theo khoảng cách từ bề mặt hạt keo
Thuyết Helmholz:
/storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/agf1394180422-doc
13941804226215/agf1394180422.doc
4
X
A
A
A
Lớp ion trái dấu
Lớp ion quyết định dấu
hay lớp hấp phụ
Thế nhiệt động,

A
X
Hình 6.2- Mô hình tụ điện phẳng và biến thiên

o
Sự giảm thế do điện tích của lớp ion trái dấu tuân theo quy luật của tụ điện phẳng
nh trong thuyết Helmholz nhng không tới zero. Tuy nhiên điều này chỉ đúng cho
tới mặt trợt AA (h. 6.1). Ra khỏi mặt trợt AA, do cha đợc trung hoà hoàn toàn hạt
keo vẫn còn một thế nhất định đợc gọi là thế điện động hay thế zeta, . Thế
cao hay thấp phụ thuộc vào thế
o
của hạt ban đầu và việc có bao nhiêu ion nằm
trong lớp điện tích trái dấu. Thế càng cao nghĩa là điện tích của hạt keo càng lớn
và các đặc trng điện động và tính bền của hệ keo sẽ thể hiện càng mạnh hình
6.1).
Tơng tự nh quá trình hình thành keo sắt, các hạt keo đất (hay gặp trong nớc tự
nhiên, nhất là nớc sông hồ mùa lũ) có hạt nhân là hạt đất phân tán rất mịn có
công thức hoá học là mAl
2
O
3
.nSiO
2
(aluminosilicat-AS). Hạt AS hay tạo lớp hấp
phụ dới dạng các ion HSiO
3


hay có trong đất để tạo hạt keo âm. Ngoài ra điện
tích âm của keo đất còn đợc tăng cờng bởi các phân tử axit humic hấp phụ có

Ta có EM = v/X = (160 àm/42s)/(35V/10cm) = 1,09(àm/s)/(V/cm)
Vậy (mV) = 113000(poa)EM[(àm/s)/(V/cm)]/
= 113000.0,01(poa)1,09[(àm/s)/(V/cm)]/80,36
= 15,3 mV
Kĩ thuật xử lí nớc cấp từ nớc tự nhiên, và kể cả một số công đoạn trong dây
chuyền xử lí nớc thải thông thờng là kĩ thuật lắng lọc. Để hình dung tốc độ lắng
của những hạt không tích điện dới tác dụng của trọng trờng và đánh giá khả năng
sử dụng bể lắng để xử lí làm trong nớc xem bảng 6.3.
Bảng 6.3 - Kích thớc hạt và thời gian lắng do trọng lực [4]
Loại hạt Đờng kính, mm Diện tích bề mặt, m
2
/m
3
Thời gian lắng 1 m nớc
Sỏi đệm 10 6.10
2
1 s
Cát lọc 1 6.10
3
10 s
Cát đen 0,1 6.10
4
120 s
Bùn 0,01 6.10
5
2 h
Vi khuẩn 0,001 6.10
6
8 ngày
Hạt keo 0,0001 6.10

thành cấu tạo tụ điện phẳng, hạt sẽ không khác gì các hạt không tích điện nên dễ
dàng hút nhau để tạo hạt lớn hơn có thể lắng đợc. Đây là cơ sở khoa học của ph-
ơng pháp keo tụ.
Hiện tợng các hạt keo cùng loại có thể hút nhau tạo thành những tập hợp hạt có
kích thớc và khối lợng đủ lớn để có thể lắng xuống do trọng lực trong thời gian đủ
ngắn đợc gọi là hiện tợng keo tụ. Hiện tợng này xảy ra khi thế đợc triệt tiêu.
Hiện tợng keo tụ có tính thuận nghịch nghĩa là hạt keo đã keo tụ lại có thể tích
điện trở lại và trở nên bền (xem phần tiếp theo). Các hoá chất gây keo tụ thờng là
các loại muối vô cơ và đợc gọi là chất keo tụ.
Một cách khác làm các hạt keo co cụm thành bông cặn lớn dễ lắng là dùng các
tác nhân thích hợp khâu chúng lại thành các hạt lớn hơn đủ lớn, nặng để lắng.
Hiện tợng này đợc gọi là hiện tợng tạo bông đợc thực hiện nhờ những phân tử các
chất cao phân tử tan trong nớc và có ái lực tốt với các hạt keo hoặc các hạt cặn
nhỏ. Khác với keo tụ có tính thuận nghịch, các chất có khả năng tạo bông đợc gọi
là các chất tạo bông hay trợ keo tụ, quá trình tạo bông là bất thuận nghịch.
Nh vậy, để kết tủa hệ keo có thể sử dụng các cách sau đây:
1. Phá tính bền của hệ keo (do lực đẩy tĩnh điện) bằng cách thu hẹp lớp
điện kép tới mức thế = 0, khi đó lực đẩy tĩnh điện hạt hạt bằng không, tạo điều
kiện cho các hạt keo hút nhau bằng các lực bề mặt tạo hạt lớn hơn dễ kết tủa.
Cách này có thể thực hiện khi cho hạt keo hấp phụ đủ điện tích trái dấu để trung
hoà điện tích hạt keo. Điện tích trái dấu này thờng là các ion kim loại đa hoá trị.
2. Tạo điều kiện cho các hạt keo va chạm với các bông kết tủa của chính
chất keo tụ nhờ hiện tợng hấp phụ bám dính (hiệu ứng quét).
3. Dùng những chất cao phân tử trợ keo tụ để hấp phụ khâu các hạt
nhỏ lại với nhau tạo hạt kích thớc lớn (gọi là bông hay bông cặn) dễ lắng.
Việc xử lý nớc bằng phèn nhôm, FeCl
3
và PAA nhằm thực hiện đồng thời một, hai
hay cả ba giải pháp trên.
Hiện tợng co lớp điện kép nhằm giảm thế zeta

điện, các hạt nhỏ sẽ hút nhau tạo hạt lớn hơn lắng đợc. Ta thấy điều này rất rõ
qua sự bồi đắp nhanh chóng các cửa sông khi nớc phù sa (các hạt keo đất) gặp
nớc mặn và phù sa nhanh chóng bị lắng.
Hình 6.3- Dụng cụ xác định khả năng keo tụ - phơng pháp thử trong cốc (Jar Test)
Hình 6.4- Các đờng keo tụ đối với bốn loại chất keo tụ
Nh vậy, theo quy tắc này chất keo tụ thích hợp nhất là các muối Al
3+
hay Fe
3+
có
điện tích lớn nhất trong số các muối kim loại phổ biến và không độc. Điều này
cũng dễ dàng chứng minh đợc bằng thực nghiệm.
Nếu dùng phơng pháp thử keo tụ trong cốc (hình 6.3) và khảo sát độ đục của nớc
thử theo thời gian sau khi cho thêm chất keo tụ ở hình 6.4(a) ta thấy lợng Al
3+
dùng để xử lý nớc đạt độ trong cần thiết nhỏ hơn nhiều so với Ca
2+
và Na
+
.
Tuy nhiên thử keo tụ theo hình 6.4(a) cha nói lên vai trò đầy đủ của chất keo tụ
nói chung. Khi trong hệ có chất keo tụ, ta có tuơng tác tay ba: chất keo tụ - hạt
keo - dung môi.
Sự hấp phụ điện tích trái dấu để trung hoà điện tích hạt keo
/storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/agf1394180422-doc
13941804226215/agf1394180422.doc
8
Khác với các chất điện ly thông dụng (ví dụ: NaCl phân ly thành Na
+
gây keo tụ

phần kỵ nớc của phân tử chất cho thêm quay ra ngoài sẽ đẩy bớt nớc ra khỏi bề
mặt hạt keo, tơng tác hạt keodung môi (nớc) giảm nh vậy hạt keo lắng nhanh
hơn.
Nếu cho quá nhiều chất keo tụ, ví dụ đối với C
12
H
25
NH
3
+
quá 4.10
4
M sẽ xảy ra
hiện tợng hạt keo sau khi đợc trung hoà điện tích sẽ hấp phụ thêm chất keo tụ
mang điện. Khi đó ta có hiện tợng đổi dấu điện tích bề mặt, thay vì điện tích âm
lúc đầu, hạt keo sẽ tích điện dơng của chất cho thêm, lực đẩy tĩnh điễn sẽ tái xuất
hiện và hệ keo lại trở nên bền. Điều này không xảy ra đối với Na
+
vì tính hấp phụ
yếu của Na
+
. Đây là hiệu ứng đảo dấu hạt keo, cản trở quá keo tụ (h. 6.4(b)).
Đối với muối Al
3+
nhờ điện tích lớn, khả năng hấp phụ mạnh sẽ có hai ngỡng nồng
độ. Ngỡng thứ nhất, ở nồng độ thấp (khoảng 10
4
ữ10

5

chính là nồng độ phèn nhôm hay sử dụng trong xử lí nớc cấp.
Lôi kéo hạt keo bằng bông cặn
/storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/agf1394180422-doc
13941804226215/agf1394180422.doc
9
(a)
(b)
(c)
Hình 6.5- Mô hình quá trình keo tụ

tạo bông
(a) Sự đẩy giữa các hạt keo cùng dấu; (b) Hiện tợng co lớp điện kép và sự hút nhau giữa
các hạt keo bị trung hoà về điện; (c) Hiện tợng tạo bông nhờ PAA: các hạt keo âm bị phân
tử PAA khâu lại thành bông lớn.
Hiện tợng chất keo tụ (Al
2
(SO)
3
và FeCl
3
) tạo bông kết tủa hyđroxit có kích thớc
lớn, khi sa lắng kéo theo các hạt keo có thể thấy rõ ở hình 6.4(c). Điều này đã đợc
phân tích trên cơ sở hiệu ứng keo tụ quét của phèn nhôm ở trên.
Tạo điều kiện khâu các hạt cặn lơ lửng bằng phân tử polyme
Một số polime tan trong nớc, ví dụ PAA, có khả năng khâu các hạt keo lại với
nhau nhờ tơng tác giữa hạt keo với các nhóm chức khác dấu hoặc bằng lực hấp
phụ (hình 6.5), nhờ quá trình này bông cặn trở lên to hơn, nặng hơn và dễ lắng.
Chú ý: do hiệu ứng đảo dấu hạt keo nên khi sử dụng các chất keo tụ nhất là các
chất tạo bông cao phân tử nhất thiết phải có thí nghiệm để định lợng vừa đủ hoá
chất đa vào, mật độ thử tuỳ diễn biến chất lợng nớc cần xử lí, cha kể đến các yếu


(6.5)
Nếu trong nớc thiếu độ kiềm (ĐK), pH sẽ giảm; nếu đủ ĐK sẽ có phản ứng:
Al
2
(SO
4
)
3
+ 3Ca(HCO
3
)
2
2Al(OH)
3
+ 3CaSO
4
+ 6CO
2
(6.6)
Hình 6.6- ảnh hởng của pH và liều lợng đến khả năng gây keo tụ của phèn nhôm
Theo phơng trình (15.6) cứ 342 mg Al
2
(SO
4
)
3
khan, hàm lợng 100% cần 6 ml. ĐK
(HCO
3

ĐK + 1 = 0,0175F ĐK + 1 (6.7)
Trong đó:
K = lợng kiềm cần thêm, mđl/L ;
F = lợng phèn, mg/L;
ĐK = độ kiềm của nớc, mđl/L.
Để chuyển đổi ra đơn vị g/L, đối với vôi K sau khi tính theo pt. (6.7) cần nhân với
37; đối với sôđa nhân với 58.
Khi sử dụng phèn nhôm hay bất kì chất keo tụ nào khác cần lu ý nồng độ và vùng
pH tối u (hình 6.6), pH hiệu quả tốt nhất với muối nhôm là khoảng 5,5ữ 7,0.
Có thể dùng phèn kép KAl(SO
4
)
2
.12H
2
O để thay phèn nhôm, mọi quy luật tơng tự
phèn nhôm song giá đắt hơn nhiều. Không dùng NH
4
Al(SO
4
)
2
trong xử lí nớc cấp
vì gây nhiễm amôni.
ở các nớc công nghiệp ngời ta có đòi hỏi rất cao về độ trong của nớc lọc. Nếu đo
bằng độ đục kế thì độ đục nớc lọc phải nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 đến 3 NTU
(AWWA Task Group 225 M).
Thậm chí khi nớc có độ đục rất thấp 0,1 NTU vẫn có rất nhiều cặn không thể thấy
bằng mắt thờng. Nó có thể là những hạt cặn rất tinh cha bị tác động của chất keo
tụ hoặc bản thân những mảnh vỡ nhỏ của các bông kết tủa chất keo tụ không thể

6)
Muối sắt cha phổ biến ở Việt Nam nhng rất phổ biến ở các nớc công nghiệp. Hoá
học của muối sắt tơng tự nh muối nhôm nghĩa là khi thuỷ phân sẽ tạo axit, vì vậy
cần đủ độ kiềm để giữ pH không đổi.
Fe
2
(SO
4
)
3
+ 3Ca(HCO
3
)
2
2Fe(OH)
3
+ 3CaSO
4
+ 6CO
2
(6.8)
So với phèn nhôm muối sắt có u thế là vùng pH tối u rộng hơn, từ 5 đến 9, bông
cặn bền hơn và nặng hơn nên lắng tốt hơn, lợng sắt d thấp hơn.
6.5.3 Các polime nhôm, sắt
1. u điểm và nhợc điểm của phèn nhôm trong xử lí nớc
Nh đã nêu, trong công nghệ xử lí nớc cấp (và ở mức độ nhất định công nghệ xử lí nớc thải và một
số công nghệ khác) công nghệ keo tụ mà theo truyền thống chất keo tụ là phèn nhôm (Al
2
(SO
4

gồm các bớc theo thứ tự:
1. Tạo các hạt gây keo tụ hạt keo âm (ví dụ phèn nhôm phân li tạo Al
3+
).
2. Làm mất ổn định hạt keo nhờ phá tơng tác tĩnh điện, ví dụ Al
3+
trung hoà điện tích âm
của hạt keo (hạt keo trong nớc thờng tích điện âm, nh vậy các hạt keo cùng điện tích có xu thế
đẩy nhau nên khá bền), khi đó các hạt keo dễ dàng hút nhau nhờ các lực phân tử để tạo thành
các hạt lớn hơn.
3. Tạo bông: trớc hết Al
3+
thuỷ phân tạo Al(OH)
3
. Tiếp theo các hạt Al(OH)
3
có xu thế
"dính" vào nhau tạo các bông cặn lớn, dễ dàng kết tủa dới tác dụng của trọng lực. Trên đờng đi
các bông cặn lớn này lại "quét" những hạt nhỏ để làm trong nớc.
Khi cho hoá chất keo tụ vào nớc để thực hiện quá trình thuỷ phân (muối nhôm) và để các hạt Al
3+
tiếp xúc tốt với các hạt keo cần xử lí ta phải khấy mạnh, đó là các bớc 1, 2. Bớc 3 cần khấy chậm
để tạo điều kiện cho các hạt cặn nhỏ mới hình thành va chạm, tạo bông cặn to hơn dễ lắng hơn.
Nếu chất keo tụ là phèn nhôm (hay sắt) ta có [5]:
Thuỷ phân và hấp phụ: micro giây
Tạo thành hạt Al(OH)
3
nhỏ: 1 giây
Tạo kết tủa Al(OH)
3

hạn chế sử dụng mặc dù u thế đã đợc chứng minh bằng thực tế. Việc điều chế PAC tại chỗ rất
phức tạp, nhiều khi dung dịch chuẩn bị trớc bị mất hoạt tính sau 24 giờ [13].
Để khắc phục những nhợc điểm trên nhiều nghiên cứu chế tạo PAC dạng bột thơng phẩm đợc tiến
hành chủ yếu vào những năm 1980. Đồng thời là hàng loạt công bố liên quan đến bản chất của
quá trình hình thành các hạt polime quyết định đến khả năng keo tụ tiên tiến của PAC [15, 16].
Sự thành công của PAC dẫn đến sự ra đời của hàng loạt sản phẩm tơng tự trong những năm
1990. Ví dụ, theo sau sự thành công của PAC ngời ta đã chế tạo và ứng dụng thành công PASS-
PolyAluminiumSilicateSulphate).
/storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/agf1394180422-doc
13941804226215/agf1394180422.doc
12
Tiếp theo sự ra đời của các polime nhôm, do sự lo ngại về ảnh hởng của d lợng nhôm trong nớc
ăn uống ngời ta chuyển sự chú ý sang các polime sắt PFC (PolyFerric Chloride) và PFS
(PolyFerric Sulphate).
Tóm lại thành công trong nghiên cứu sản xuất PAC và sau đó là PFC dẫn tới sự thay thế đánh
phèn cổ điển bằng PAC và bằng PFC.
Trong những năm 1990 các loại PFS bắt đầu đợc coi trọng. Ngoài ra còn phải kể đến polime hỗn
hợp nhôm-sắt PAFS (Poly-Alumino-Ferric Sulphate).
5. Sự hình thành các hạt polyme nhôm trong dung dịch
Sự hình thành các hạt polyme nhôm trong dung dịch đợc làm rõ từ những năm 1980. Đây là cơ sở
khoa học để sản xuất PAC cũng nh ứng dụng PAC.
Hoá học của quá trình keo tụ:
Thông thờng khi keo tụ chúng ta hay dùng muối clorua hoặc sulphát của Al(III) hoặc Fe(III). Khi
đó, do phân li và thuỷ phân ta có các hạt trong nớc: Al
3+
, Al(OH)
2+
, Al(OH)
2
+

7+
gọi tắt là Al
13
là tác nhân gây keo tụ chính và tốt nhất.
Với Fe(III) ta có các hạt: Fe
3+
, Fe(OH)
2+
, Fe(OH)
2
+
, Fe(OH) phân tử và Fe(OH)
4
-
, polime:
Fe
2
(OH)
2
4+
, Fe
3
(OH)
4
5+
và Fe(OH)
3
rắn. Các dạng polime Fe
x
(OH)

Cơ chế hình thành Al
13
:
Trong nớc Al
3+
có số phối trí 4 và 6, khi đó khả năng tồn tại dới dạng tứ diện Al(OH)
4
-
hay còn gọi là
tế bào T4, hoặc bát diện Al(OH)
4
(H
2
O)
2
-
Hình 15.7- Cấu trúc Keggin của PAC
Tế bào T4 này là mầm để hình thành cái gọi là cấu trúc Keggin với tâm là tế bào T4 và 12 bát diện
bám xung quanh, khi đó ta có cấu trúc ứng với công thức Al
12
AlO
4
(OH)
24
7+
. Ngời ta cho rằng khi
cho kiềm vào dung dịch Al
3+
, khi ion Al
3+

Sử dụng vôi ngoài khả năng ổn định pH tăng hiệu quả keo tụ bằng phèn còn tăng
cờng xử lí các axit humic, độ cứng.
2. Axit silixic hoạt tính (AS)
AS thờng đợc điều chế tại chỗ bằng cách trung hoà thuỷ tinh lỏng Na
2
SiO
3
bằng
axit ở những điều kiện cụ thể. Axit silixic tạo thành thực chất là polime vô cơ,
mang điện tích âm. Khi vào nớc các phân tử AS âm điện nhanh chóng hút các hạt
bông cặn nhỏ mang điện dơng của kết tủa hyđroxit nhôm hoặc sắt tạo bông lớn.
3. Bột đất sét
Bột sét tác dụng tơng tự AS do chúng mang điện tích âm, hơn nữa chúng còn có
khả năng, tuy yếu, hấp phụ một phần các chất hữu cơ gây màu, bông cặn tạo
thành cũng nặng hơn. Cũng nh AS, bột sét ở liều lợng thích hợp dùng tốt khi phối
hợp với phèn nhôm và muối sắt.
4. Các chất tạo bông hữu cơ - cao phân tử
Đây là nhóm chất có tác dụng tạo bông tốt nhất. Các polyme dùng làm chất tạo
bông cho quá trình xử lý nớc phải đáp ứng các yêu cầu sau:
- Tan tốt trong nớc;
- Không độc;
- Có khả năng tạo bông tốt nhờ ái lực cao đối với hạt keo và bông cặn nhỏ
trong nớc xử lí.
Tùy vào bản chất nhóm chức mà ngời ta phân ra làm 3 loại:
- Loại không phân ly (nhóm chức amid CONH
2
).
- Loại tạo anion (nhóm chức axit COO

)

CH
2
NH
2
n
sản phẩm trùng ngng của epiclohyđrin và dimetylamin:
CHCH
2
CH
2
N
CH
3
CH
3
Cl
OH
n
poly(dialyl-dimetyl amôni clorua):
CH
CH
2
CH
CH
2
CH
2
CH
2
N

15
Loại anion (anionic):
CH
C=O
NH
2
CH
2
CH
2
C=O
CH
Na
O
n
m
Loại cation (cationic):
n
CH
2
NH
2
C=O
CH
CCH
2
C=O
O
CH
2

phần mình, lợng HA trong keo đất có thể đánh giá qua pH, bảng 6.4 cho ta thấy tỉ
lệ HA thờng gặp trong keo đất phụ thuộc vào pH nh thế nào.
Đây chính là trờng hợp ta gặp khi nớc có mầu (do chất hữu cơ tan trong nớc).
Cách xử lý thờng là nâng pH bằng vôi để giảm tỉ lệ HA/đất hoặc tiền xử lý bằng các
chất ôxy hoá nh clo, ôzôn để phá hủy một phần chất hữu cơ trớc khi keo tụ.
Bảng 6.4 - Sự phụ thuộc tỉ lệ HA/đất (phần HA/100 phần đất) vào pH môi trờng nớc [2]
pH HA/đất pH HA/đất
3,85 9,60 6,95 6,28
5,0 8,18 7,25 5,37
5,1 7,26 8,50 2,05
6.7 ứng dụng
Quá trình keo tụ tạo bông thờng áp dụng trớc lắng hoặc lọc để:
/storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/agf1394180422-doc
13941804226215/agf1394180422.doc
16
- làm trong nớc, xử lí một phần độ màu trớc khi lọc (xử lí nớc cấp): các chất
keo tụ trong xử lí nớc cấp thờng là phèn nhôm, gần đây xuất hiện Poly-
Aluminium-Chloride (PAC) là muối nhôm dạng polime, các chất trợ keo tụ PAA.
Muối nhôm thờng sử dụng ở mức trên 10 mg/L, PAC sử dụng ở mức bằng 1/2ữ1/4
muối nhôm, PAA sử dụng ở mức 0,2ữ0,5 ppm.
- giảm hàm lợng SS trớc khi vào xử lí sinh học (xử lí nớc thải)
- tăng cờng khả năng lắng của bể lắng cấp 2 trong xử lí nớc thải
- lọc trực tiếp nếu SS không quá cao
Trong một số trờng hợp các chất keo tụ ở liều cao có thể áp dụng để xử lí màu
trong nớc thải công nghiệp, ví dụ nớc thải dệt nhộm, nớc thải giấy.
Quá trình keo tụ đợc thực hiện bằng cách trộn nớc với chất keo tụ trong các thiết
bị khuấy nhanh, sau đó nớc đợc đa vào bể tạo bông với sự khuấy trộn nhẹ nhàng
nhằm tăng cờng tiếp xúc hạt - hạt làm cho bông phát triển kích thớc, tránh vỡ
bông. Tiếp theo nớc vào bể lắng thực hiện quá trình tách rắn/lỏng.
Sự keo tụ - tạo bông đợc coi là hiệu quả nếu bông cặn tạo ra dễ dàng nhìn thấy

Phèn
Al,
ppm
Ax.
silixic
, ppm
Khác,
ppm
Bìa
Bìa
Bìa
Bìa
Giấy ăn
Giấy ăn
127
140
208
350-450
140-420
240-600
593
720
68
36
33
15-60
10-40
35-85
44
10-15

hoà điện tích bề mặt) có thể dùng các muối và chất keo tụ hoặc hạ pH. Ví dụ, nớc
thải nhà máy sản xuất ổ bi hay là nhũ tơng chứa xà phòng, chất hoạt động bề
mặt, dầu trợ nghiền, axit phốtphoric để tẩy bề mặt và dung môi. Để xử lí nớc thải
này cần dùng 800 mg/L phèn nhôm, 450 mg/L H
2
SO
4
và 45 mg/L chất trợ keo tụ.
Kết quả đợc trình bày ở bảng 6.6a.
Sự có mặt các chất hoạt động bề mặt dạng anion làm tăng chi phí chất keo tụ. N-
ớc thải giặt công nghiệp đợc xử lí bằng H
2
SO
4
và phèn, vôi, khi đó COD có thể
giảm từ 12000 mg/L xuống 1800 mg/L; SS từ 1620 xuống 105 mg/L. Chi phí hoá
/storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/agf1394180422-doc
13941804226215/agf1394180422.doc
17
chất 1400 mg/L H
2
SO
4
, 1500 mg/L vôi và 300 mg/L phèn, khi đó thể tích bùn
chiếm tới 25% tổng thể tích.
Nớc thải các tiệm giặt là thờng chứa các tác nhân tẩy rửa tổng hợp đợc xử lí bằng
các chất tạo bông cationic để trung hoà điện tích rồi bổ xung muối Ca để kết tủa
phốtphát. Với pH kết tủa lớn hơn 8,5 có thể kết tủa hoàn toàn P. Có thể đạt đợc
mức giảm 90% BOD nếu sử dụng tới 0,24 kg Fe
2

4
, mg/L
10,3
544
302
17,9
222
7,1
40
28
1,6
8,5
(b) Nớc thải giặt là
ABS (độ hấp thụ quang)
BOD
COD
PO
4
3-
CaCl
2
Hoạt động BM cationic
pH
63
243
512
267
480
88
7,1

Fe
2
(SO
4
)
3
Phèn nhôm
Vôi
Fe
2
(SO
4
)
3
Phèn nhôm
Vôi
Fe
2
(SO
4
)
3
Phèn nhôm
Vôi
Fe
2
(SO
4
)
3

89
65
95
95
78
87
89
87
584
840
825
1570
33
39
30
49
40
40
38
31
50
31
44
44
Bảng 15.8- Kết quả xử lí keo tụ nớc thải sản xuất giấy và bột giấy
No
NM
Chất keo tụ
Liều l-
ợng

3,5-4,5
4,0-5,0
-
2250
1470
92
92
92
91
93
85
776
480
60
53
38
53
48
45
/storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/agf1394180422-doc
13941804226215/agf1394180422.doc
18
3 Fe
2
(SO
4
)
3
Phèn nhôm
Vôi

- Tăng hiệu quả xử lí, suy ra giảm chi phí trong quá trình keo tụ.
- Tăng tiếp xúc hạt hạt nhỏ, thúc đẩy tạo bông.
- Làm lơ lửng các hạt rắn trong lỏng (trong hệ xử lí vi sinh) hoặc khí
Khi đó cần phân biệt: đối với quá trình phản ứng, cần phân bố đều hoá chất
nhanh tối đa nên ta sử dụng quá trình khuấy nhanh; đối với quá trình tạo bông
hyđroxit kim loại khuấy nhanh sẽ làm vỡ bông cặn, khi đó ta cần khuấy nhẹ
nhàng. Hiệu quả quá trình khuấy phụ thuộc vào công suất khuấy.
Tính công suất khuấy [18]
Để định lợng quá trình khuấy ta dùng đại lợng građien vận tốc G. Trong giới hạn
nhất định, đại lợng G càng lớn sự khuấy càng tiến tới lý tởng. G chính là hàm của
công suất khuấy áp cho một đơn vị thể tích cần khuấy:
V
P
G
.
à
=
(6.9)
hoặc hệ quả:
à
VP
Q
Gt
o
.1
=
Trong đó: G = građien vận tốc, s
-1

P = Công suất tuyền vào chất lỏng, w (N.m/s?)

Các giá trị thời gian lu t
o
(s) Giá trị G lựa chọn (s
1
)
0,5 (trộn trong ống) 3500
10ữ20
1000
20ữ30
900
30ữ40
800
Lâu hơn nữa 700
Bảng 6.10 Các giá trị Gt
o
để tính bể tạo bông [18]
Loại bồn G (s
1
) Gt
o
Nớc có SS thấp, keo tụ để xử lí cả màu
20ữ70 60000ữ200000
Nớc có SS cao, keo tụ để xử lí SS
50ữ150 90000ữ180000
Làm mềm, 10% SS
130ữ200 200000ữ250000
Làm mềm, 39% SS
150ữ300 390000ữ400000
Khuấy nhanh
Đây là quá trình ảnh hởng mạnh đến hiệu quả sử dụng chất keo tụ. Nh đã nêu,

thờng bố trí thêm 2 ữ 4 vách chắn nhỏ dọc thành bể để tăng hiệu quả khuấy, đôi
khi có vách ngang chống tạo xoáy.
Máy khuấy gồm: động cơ điện, hộp số giảm tốc, trục khuấy, cánh khuấy.
Cánh khuấy thờng dùng loại turbin hoặc mái chèo (xem h. 6.9). Hoá chất phải
cho vào vùng ngay dới cánh khuấy, nơi đợc khuấy mạnh nhất.
Mái chèo nghiêng chân vịt tuốc bin
Hình 6.9- Một số dạng cánh khuấy
Một số quy tắc kinh nghiệm:
- Độ sâu mức nớc: 0,5 ữ 1,1 lần đờng kính bồn.
- Đờng kính cánh khuấy: 0,3 ữ 0,5 lần đờng kính bồn, thờng 1m.
- Tấm chắn dọc rộng 0,1 lần đờng kính bồn.
- Nếu mức nớc = 1,1 ữ 1,6 lần đờng kính bồn cần lắp 2 tầng cánh khuấy,
khi đó khoảng cách giữa hai cánh khuấy (theo trục khuấy) gấp hai lần đờng kính
cánh khuấy.
- Hai bộ cánh khuấy đồng trục gây ra công suất khuấy 1,9 lần so với một
bộ nếu dùng một môtơ.
Bảng 6.11 Các giá trị K
T
để chọn cánh khuấy [18]
Loại cánh khuấy K
T
Chân vịt một tầng, 3 cánh khuấy 0,32
Chân vịt hai tng, 3 cánh khuấy
1,00
Tuốc bin, 6 cánh phẳng, có chắn 6,30
Tuốc bin, 6 cánh cong 4,80
Tuốc bin quạt, 6 cánh nghiêng 45
o
1,65
Tuốc bin vòng, 6 cánh cong 1,08

5
=
iT
DnK
P
3
(6.10)
Trong đó: P = Công suất, W
K
T
= Hằng số cánh khuấy
n = Tốc độ quay của cánh khuấy, 1/s
D
i
= Đờng kính cánh khuấy, m
= Tỷ khối nớc, kg/m
3
g = Gia tốc trọng trờng, 9,8 m/s
2
(m.kg/(N.s
2
)?)
Trong các bể không có vách ngăn P thực tế chỉ có thể bằng (1/6) P tính theo pt.
(6.10). Các giá trị K
T
chọn theo bảng 6.11.
Một kiểu bể tạo bông khác, khá đơn giản và hiệu quả là bể tạo bông kiểu
Alabama (hình 6.11). Đây thực chất là một thiết bị phản ứng khuấy trộn bằng thuỷ
lực, dòng nớc đợc đảo chiều nhiều lần nhờ hệ thống ống hớng dòng. Hệ thống
ống đảo chiều dòng nớc có thể đợc thay bằng hệ vách ngăn với cùng chức năng,

-1

Tạo bông t
o
= 60 phút

Tạo bông G = 30 s
-1

Nhiệt độ T = 18
o
C
Tính các hệ khuấy nhanh và tạo bông.
Lời giải:
1. Tính khuấy nhanh:
Tính thể tích khuấy:
V = Qt
o
= 2(m
3
/s) * 20(s) = 40 m
3
V bồn khuấy nhanh tối đa = 8 m
3
, vậy cần chia thành các bồn nhỏ vận hành song
song. Lựa chọn bồn theo chào hàng. Ví dụ: hãng JWI, Inc. Hà Lan chào các loại
bồn khuấy trộn nhanh sau:
Model Tốc độ khuấy, v/phút Công suất động cơ, kW
JTQ 50 30, 45 0,37
JTQ 75 45, 70 0,56

W
G
P
V ===

à
/storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/agf1394180422-doc
13941804226215/agf1394180422.doc
23
Nh vậy số bồn khuấy cần có bằng:
chọn n = 8
V
bồn
= 5 m
3
Nếu chọn V
bồn

= 5m
3
, khi đó G = 1039 > G chọn = 1000 không nhiều, không ảnh
hởng mạnh.
Chọn tốc độ khuấy = 175 v/phút 2,92 v/s. Đối với model JTQ 500 và hệ khuấy
bốn tầng ta tính đợc Di (pt. 6.10):
m
mkgsv
smw
nK
Pg
D

=

Chọn tỷ lệ D
i
: D
bồn
= 0,5 , khi đó D
bồn
bằng:
m62,1
5,0
81,0
=
Bề mặt bồn bằng:
2
2
06,2
4
)62,1(*
m=

Độ sâu của nớc trong bồn bằng:

m
m
m
43,2
)(06,2
)(5
2

321
3
2
5993
.)10*053,1(*)30(
10*68,5
m
sPas
w
G
P
V ===


à
Nh vậy không phù hợp với đáp số V đã xác định ở trên là 7200 m
3
.
/storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/agf1394180422-doc
13941804226215/agf1394180422.doc
24
4,7
/39,5
40
3
3
==
bm
m
n

631,0
8,0
505,0
==
Đối với 300 m
3
tiếp theo:
P = G
2
àV = (30 s
1
)
2
(1,053*10
3
Pa.s)(300 m
3
) = 284 W = 0,284 kW
Với hiệu suất 0,8, công suất môtơ cần:
kW
kW
P
M
36,0
8,0
284,0
==
Đối với 300 m
3
cuối:

m
=
Nếu bể hình vuông ta có kích thớc bể bằng: (75 m
2
)
1/2
= 8,66 m
Chọn tỷ lệ đờng kính cánh khuấy từ (D
i
: bề rộng) = 0,3, tính đờng kính cánh
khuấy:
D
i
= 8,66 (m) * 0,3 = 2,6 m
Chọn khuấy 3 cánh với tốc độ khuấy tính theo (6.10):
)0234,0(
)/(1000)6,2)(00,1(
)/(8,9*)(284
**
35
2
5
3
===
mkgm
smW
DK
Pg
n
iT