THÍ NGHIỆM JARTEST TRONG XỬ LÝ NƯỚC

Chu Văn An

1. MỤC ĐÍCH

– Xác định giá trị pH tối ưu cho quá trình tái sinh keo tụ bằng phèn chua và PAC.

– Xác định liều lượng phèn chua và PAC tối ưu cho quá trình keo tụ.

Bột thử nghiệm Jar Test PAC

2. CƠ SỞ LÝ LUẬN

Xử lý bằng phương pháp keo tụ là thêm một chất hóa học gọi là chất keo tụ vào nước, chất này có thể đủ để làm cho các hạt rất nhỏ biến thành các hạt lớn lắng xuống. Thông thường, quá trình keo tụ xảy ra qua hai giai đoạn sau:

– Giai đoạn 1: Bản thân chất keo tụ trải qua quá trình thủy phân, quá trình hình thành dung dịch keo và ngưng tụ.

– Giai đoạn 2: Trung hòa hấp phụ và lọc tạp chất trong nước:

Kết quả của các quá trình trên là sự hình thành các hạt lớn lắng xuống.

Để thực hiện quá trình keo tụ, người ta cho vào nước các chất keo tụ thích hợp như: phèn nhôm Al2(SO4)3, phèn sắt loại FeSO4 hoặc loại FeCl3 hoặc phèn PAC. Những loại phèn này được thêm vào nước dưới dạng dung dịch hòa tan.

Khi thêm phèn chua vào nước, nó phân ly thành các ion Al3+, sau đó bị thủy phân thành Al(OH)3:

Al3+ + 3 H2O → Al(OH)3 + 3 H+

Trong phản ứng thủy phân trên, ngoài Al(OH)3 là yếu tố quyết định hiệu ứng keo tụ được hình thành thì ion H+ cũng được giải phóng. Các ion H+ này sẽ bị giảm đi do độ kiềm tự nhiên của nước (được đánh giá bằng HCO3-). Trong trường hợp độ kiềm tự nhiên của nước thấp, không đủ để trung hòa ion H+ thì cần phải kiềm hóa nước. Chất kiềm hóa phổ biến nhất là vôi (CaO). Trong một số trường hợp khác có thể sử dụng soda (Na2CO3) hoặc xút (NaOH).

Sau đây là những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ khi sử dụng phèn nhôm.

2.1. giá trị pH của nước

Sau khi thêm Al2(SO4)3 vào nước tự nhiên, độ pH của nó giảm đi vì Al2(SO4)3 là muối gồm một axit mạnh và một bazơ yếu. Sự thủy phân của nó có thể làm tăng độ axit của nước. Ảnh hưởng chính đến hiệu quả keo tụ là giá trị pH của nước sau khi thêm phèn. Vì vậy, các giá trị pH dưới đây là giá trị pH của nước sau khi thêm phèn chua.

Giá trị pH của nước có ảnh hưởng lớn và nhiều mặt đến quá trình keo tụ.

(1) Ảnh hưởng của pH đến độ hòa tan nhôm hydroxit.

Nó là một hydroxit lưỡng tính điển hình. Nếu giá trị pH của nước quá cao hoặc quá thấp sẽ bị hòa tan khiến hàm lượng nhôm dư trong nước tăng lên.

Khi giá trị pH giảm xuống 5,5 hoặc thấp hơn, Al(OH)3 rõ ràng đóng vai trò là chất kiềm, khiến hàm lượng Al3+ trong nước tăng lên đáng kể, như thể hiện trong phản ứng sau:

Al(OH)3 + Al3+ + 3 H2O ®3H+

Khi giá trị pH tăng lên 7,5 hoặc cao hơn, Al(OH)3 tác dụng như một axit, làm cho gốc AlO2- trong nước xuất hiện như phản ứng sau (3-6):

AlO2- + 2 H2O (3-6) ® Al(OH)3 + OH-

Khi giá trị pH đạt 9 hoặc cao hơn, độ hòa tan của Al(OH)3 tăng nhanh, cuối cùng trở thành dung dịch muối nhôm.

Khi có SO42- trong nước, ở khoảng pH = 5,5 ~ 7, trong kết tủa có muối sunfat kiềm, rất ít tan. Trong khoảng này, khi độ pH cao thì muối kiềm sunfat ở dạng Al2(OH)4SO4, còn khi độ pH thấp thì nó ở dạng Al(OH)SO4.

Tóm lại, ở khoảng pH từ 5,5 đến 7,5 lượng nhôm dư trong nước rất nhỏ.

(2) Ảnh hưởng của pH đến điện tích hạt keo nhôm hydroxit. Điện tích của các hạt keo trong dung dịch nước có liên quan đến thành phần các ion trong nước, đặc biệt là nồng độ ion H+. Do đó, giá trị pH có ảnh hưởng lớn đến tính chất điện của các hạt keo. Khi 5 < pH < 8 thì tích điện dương, cấu trúc của cụm keo này được hình thành do sự phân hủy của nhôm sunfat. Khi pH < 5, do hấp phụ SO42- có điện tích bằng 8 nên tồn tại ở dạng hydroxit trung tính nên âm; khi pH dễ kết tủa nhất.

(3) Ảnh hưởng của pH đến các chất hữu cơ trong nước:

Các chất hữu cơ trong nước như cây cối thối rữa, khi độ pH thấp, dung dịch keo axit humic mang điện tích âm. Lúc này, có thể dễ dàng sử dụng chất keo tụ để loại bỏ nó. Khi độ pH cao, nó sẽ trở thành muối axit humic hòa tan. Vì vậy, hiệu quả loại bỏ tương đối kém. Sử dụng loại muối nhôm khử này, thích hợp nhất ở pH = 6 ~ 6,5.

(4) Ảnh hưởng của pH đến tốc độ keo tụ của dung dịch keo:

Giá trị điện áp của dung dịch keo càng thấp và điện áp càng nhỏ thì lực đẩy giữa các hạt càng yếu nên tốc độ keo tụ của nó bằng 0, nghĩa là đạt đến điểm đẳng điện, tốc độ keo tụ càng nhanh. Khi điện áp lớn nhất, độ đông tụ của nó lớn nhất. x Dung dịch keo tạo thành từ các hợp chất lưỡng tính, thế năng và điểm đẳng điện của nó chủ yếu được xác định bởi giá trị pH của nước. Nhôm hydroxit và các chất humic, đất sét tạo thành dung dịch keo trong nước tự nhiên đều là chất lưỡng tính nên pH là yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ keo tụ.

Từ một số lý do trên, đối với một loại nước cụ thể, không có phương pháp nào để tính giá trị pH tối ưu mà chỉ có thể xác định bằng thực nghiệm. Chất lượng nước khác nhau, giá trị pH tối ưu khác nhau, nghĩa là cùng một nguồn nước, các mùa khác nhau, giá trị pH tối ưu cũng có thể thay đổi.

Khi sử dụng muối nhôm làm chất keo tụ, giá trị pH tối ưu thường nằm trong khoảng 6,5 ~ 7,5. Nguyên tắc chung là khi lượng chất keo tụ được thêm vào tương đối nhỏ, dung dịch keo tự nhiên trong nước chủ yếu dựa vào quá trình keo tụ của chính nó để tách ra, do đó sử dụng độ pH tương đối thấp là phù hợp, vì lúc này lượng điện tích dương của dung dịch keo nhôm hydroxit tương đối lớn. Vì vậy, nó rất có lợi để trung hòa điện của nó. Điện tích âm của dung dịch keo tự nhiên làm giảm điện áp của phèn được thêm vào tương đối nhiều, chủ yếu làm cho dung dịch keo nhôm hydroxit của chất keo tụ tự tạo thành keo tụ tốt nhất có thể. Để loại bỏ chất lơ lửng và dung dịch keo tự nhiên trong nước dựa vào tác dụng hấp phụ của dung dịch keo nhôm hydroxit nên khi pH gần bằng 8 là thích hợp nhất, vì nhôm hydroxit dễ kết tủa.

Nếu độ kiềm của nước nguồn quá thấp sẽ không đủ để loại bỏ độ axit do chất keo tụ thủy phân tạo ra. Kết quả là giá trị pH của nước sau khi thêm phèn quá thấp. Chúng ta có thể sử dụng dung dịch kiềm để điều chỉnh độ pH của nước đầu ra.

Nói chung, chất kiềm có thể được thêm vào bằng xút (NaOH), kali hydroxit (KOH), natri cacbonat hoặc canxi hydroxit (Ca(OH)2).

Lượng chất keo tụ: quá trình keo tụ không phải là một phản ứng hóa học đơn giản nên không thể xác định được lượng phèn cần thiết dựa trên tính toán. Tùy từng điều kiện cụ thể khác nhau mà phải thực hiện các thí nghiệm chuyên môn để tìm ra lượng phèn tối ưu.

Lượng phèn tối ưu được thêm vào nước thường là 0,1 ~ 0,5 mgdl/l. Nếu sử dụng Al2(SO4)3.18H2O thì tương đương 10 ~ 50 mg/l. Nói chung, càng có nhiều chất lơ lửng trong nước thì lượng chất keo tụ càng lớn. Cũng có thể chất hữu cơ trong nước tương đối thấp nhưng lượng chất keo tụ cần thiết vẫn tương đối lớn.

Nhiệt độ nước: khi sử dụng muối nhôm làm chất keo tụ, nhiệt độ nước ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả keo tụ. Khi nhiệt độ nước rất thấp (thấp hơn 5 độ C) các bông phèn có kích thước lớn, xốp, chứa nhiều nước; Nó lắng xuống rất chậm nên kém hiệu quả.

Khi sử dụng nhôm sunfat để làm đông nước tự nhiên, nhiệt độ nước tốt nhất là: 25 – 30 độ C. Khi sử dụng muối sắt làm chất keo tụ, ảnh hưởng của nhiệt độ nước đến hiệu quả keo tụ là không lớn.

Tốc độ trộn của nước và chất keo tụ: mối quan hệ giữa tốc độ của nước và chất keo tụ với sự phân bố đồng đều của chất keo tụ và khả năng va chạm giữa các hạt keo tụ cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình keo tụ. Tốc độ khuấy tốt nhất là từ nhanh đến chậm. Khi lần đầu tiên thêm chất keo tụ vào nước phải khuấy nhanh vì quá trình thủy phân chất keo tụ trong nước và tốc độ hình thành keo rất nhanh. Vì vậy, phải khuấy nhanh để có thể tạo thành một lượng lớn hydroxit keo ở dạng hạt nhỏ, giúp khuếch tán nhanh đến các nơi trong nước, tác dụng kịp thời với các tạp chất trong nước. Sau khi hỗn hợp hình thành và phát triển, không khuấy quá nhanh. Xỉa phèn không những khó phát triển mà còn có thể làm vỡ các mảng phèn đã hình thành.

Các tạp chất trong nước: nếu thêm các ion trái dấu vào dung dịch nước có thể khiến dung dịch kết bông. Vì vậy, ion đối diện là một loại tạp chất ảnh hưởng đến quá trình keo tụ. Khi sử dụng Al2(SO4)3 làm chất keo tụ, dung dịch keo Al(OH)3 tạo thành thường mang điện tích dương nên ảnh hưởng của tạp chất trong nước đến quá trình keo tụ của dung dịch keo chủ yếu là anion. Các thí nghiệm đã được tiến hành trên các dung dịch chứa tổng nồng độ 10 mgdl/l của 3 loại anion HCO3-, SO42-, Cl- và cho thấy HCO3- hoặc SO42- và Cl- với lượng quá lớn sẽ làm xấu đi hiệu ứng keo tụ. Nhưng vì sự ảnh hưởng đó rất phức tạp nên hiện nay người ta chưa nắm vững được quy luật của nó.

Khi nước chứa một lượng lớn các chất hữu cơ cao phân tử (như axit humic), nó có thể hấp phụ trên bề mặt dung dịch keo, dẫn đến tác dụng bảo vệ dung dịch keo, khiến các hạt keo khó kết tụ, do đó hiệu ứng keo tụ trở nên tồi tệ hơn. Trong trường hợp này, bạn có thể sử dụng khí clo hoặc khí ozone để tiêu diệt các chất hữu cơ đó. Môi trường tiếp xúc: khi keo tụ hoặc xử lý bằng các phương pháp kết tủa khác, nếu duy trì một lớp bùn nhất định trong nước thì quá trình kết tủa sẽ hoàn thiện hơn và tốc độ kết tủa sẽ nhanh hơn. Lớp bùn đó đóng vai trò là môi trường tiếp xúc, trên bề mặt của nó có tác dụng hấp thụ, thúc đẩy và tác dụng của các hạt bùn đó làm hạt nhân kết tinh. Do đó, hiện nay, thiết bị dùng để tạo bông hoặc xử lý kết tủa khác hầu hết được thiết kế với lớp bùn.

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kết quả keo tụ. Để tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý đông máu, khi thiết kế hoặc điều chỉnh các thao tác, trước tiên bạn có thể tiến hành thử nghiệm mẫu trong phòng thí nghiệm bằng thiết bị Jartest.

KẾT THÚC

Xem thêm:

• Hóa chất xử lý nước PAC là gì?
• Xử lý nước bằng PAC