Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh – Khoa Môi Trường và CNCH Th.S. Lâm Vónh Sơn Trang 16 Bài 4. THÍ NGHIỆM JARTEST 4.1 MỤC ĐÍCH. Ø Xác đònh giá trò pH tối ưu của quá trình keo tụ tạo bông. Ø Xác đònh liều lượng phèn tối ưu của quá trình keo tụ tạo bông. 4.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Xử lý bắng phương pháp keo tụ là cho vào nước một loại hoá chất là chất keo tụ có thể đủ làm cho các hạt rất nhỏ biến thành những hạt lớn lắng xuống. Thông thường quá trình tạo bông xảy ra theo 2 giai đoạn sau: Ø Bản thân chất keo tụ phát sinh thủy phân, quá trình hình thành dung dòch keo và ngưng tụ. Ø Trung hoà hấp phụ lọc các tạp chất trong nước. Kết quả của quá trình trên là 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 Al 2 (SO 4 ), phèn sắt FeSO 4 hoặc loại FeCl 3 . Các phèn này được đưa vào nước dưới dạng hoà tan. Khi cho phèn nhôm vào nước, chúng phân ly thành các ion Al 3+ sau đó các ion này bò thuỷ phân thành Al( OH) 3 . Al 3+ + 3 H 2 O = Al( OH) 3 + H + Trong phảng ứng thuỷ phân trên đây, ngoài Al( OH) 3 là nhân tố quyết đònh đến hiệu quả keo tụ tạo thành, còn giải phóng ra các ion H + . Các ion H + này sẽ được khử bằng độ kiềm tự nhiên của nước ( được đánh giá bằng HCO 3 - ) . Trường hợp độ kiềm tự nhiên của nước thấp, không đủ để trung hòa ion H + thì cần phải kiềm hoá nước. Chất dùng để kiềm hoá thông dụng nhất là vôi (CaO) . Một số trường hợp khác có thể dùng sôđa( Na 2 CO 3 ), hay sút (NaOH). Sau đây là các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ tạo bông: Trò số pH của nước. Nước thiên nhiên sau khi đã cho Al 2 (SO 4 )vào, trò số pHcủa nó bò giảm thấp, vì Al 2 (SO 4 ) là một loại gồm một loại muối axit mạnh bazơ yếu. Sự thuỷ phân của nó có thể tăng tính axit của nước. Đối với hiệu quả keo tụ có ảnh hưởng, chủ yếu là trò số pH của nước sau khi cho phèn vào. Cho nên trò số pH dưới đây đều là trò số pH của nước sau khi cho phèn vào. Trò số pH ảnh hưởng rất lớn và nhiều mặt đến quá trình keo tụ. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh – Khoa Môi Trường và CNCH Th.S. Lâm Vónh Sơn Trang 17 ( 1 ) nh hưởng của pH đối với độ hoà tan nhôm hydroxit . Nó là một hydroxit điển hình. Trò số pH của nước quá cao hoặc quá thấp đều đủ làm cho nó hoà tan, khiến hàm lượng nhôm dư trong nước tăng thêm . Khi trò số pH giảm thấp đến 5,5 trở xuống, Al(OH) 3 có tác dụng rõ ràng như một chất kiềm, làm cho hàm lượng Al 3+ trong nước tăng nhiều như phảng ứng ( 3 – 5). Al( OH) 3 + 3 H + → Al 3+ + 3 H 2 O ( 3 – 5). Khi trò số pH tăng cao đến 7,5 trở lên Al( OH) 3 có tác dụng như một axit làm cho gốc AlO 2 trong nước xuất hiện phản ứng ( 3 – 6 ) sau: Al( OH) 3 + OH - → AlO 2 + 2 H 2 O Khi trò số pH đạt đến 9 trở lên, độ hoà tan của Al( OH) 3 nhanh chóng tăng lớn sau cùng thành dung dòch muối nhôm. Khi trong nước có SO 4 , trong phạm vi pH = 5,5 ≈ 7 trong vật kết tủa có muối sunfat kiềm rất ít hoà tan. Trong phạm vi này, khi trò số pH biến đổi cao muối sunfat kiềm ở hình thái Al( OH) 4 SO 4 khi pH biến đổi thấp ở dạng Al( OH)SO 4 . Tóm lại trong phạm vi pH từ 5,5 đến 7 lượng nhôm dư trong nước đều rất nhỏ . ( 2 ) h hưởng của pH đến điện tích của hạt keo nhôm hyroxit. Điện tích của hạt keo trong dung dòch nước có quan hệ đến thành phần của ion trong nước, đặt biệt là nồng độ ion H + . Cho nên trò số pH đối với tính mang điện của hạt keo có ảnh hưởng rất lớn. Khi 5< pH<8 nó mang điện dương, cấu tạo của đám keo này do sự phân hủy của nhôm sunfat mà hình thành. Khi pH< 5 vì hấp thụ SO 4 mà mang điện tích âm, khi pH ≈ 8 , nó tồn tại ở trạng thái hydroxit trung tính, vì thế mà dễ dàng kết tủa nhất. ( 3 ) nh hưởng cuả pH đối với chất hữu cơ trong nước. Chất hữu cơ trong nước như chất hữu cơ bò thối rửa, khi pH thấp, dung dòch keo của axit humic mang điện tích âm. Lúc này dễ dàng dùng chất keo tụ khử đi. Khi pH cao nó trở thành muối axit humic dễ tan. Vì thế mà hiệu quả khử đi tương đối kém. Dùng muối nhôm khử loại này, thích hợp nhất ở pH= 6 ≈ 6,5. ( 4 ) nh hưởng pH đến tốc độ keo tụ dung dòch keo. Tốc độ keo tụ dung dòch keo và điện thế ξ cuả nó có quan hệ. Trò số điện thế ξ càng nhỏ, lực đẩy giữa các hạt càng yếu, vì vậy tốc độ keo tụ càng nhanh. Khi điện thế ξ bằng 0 nghóa là đạt đến điểm đẳng điện. Tốc độ keo tụ cuả nó lớn nhất. Dung dòch keo này hình thành từ hợp chất lưỡng tính, điện thế ξ cuả nó và điểm đẳng điện chủ yếu quyết đònh bởi trò số pH cuả nước. Nhôm hydroxit và các chất humic, đất sét hợp thành dung dòch keo trong nước thiên nhiên đều là lưỡng tính, cho nên pH là nhân tố chủ yếu ảnh hưởng đến tốc độ keo tụ. Từ một số nguyên nhân trên, đối với một loại nước cụ thể thì không có phương pháp tính toán trò số pH tối ưu mà chỉ xác đònh thực nghiệm. Chất lượng nước khác nhau, trò số pH tối ưu khác nhau, nghóa là cũng một nguồn nước, các mùa khác nhau, trò số pH tối ưu có thể thay đổi. Khi dùng muối nhôm làm chất keo tụ, trò số pH tối ưu nằm trong giới hạn 6,6 ≈ 7,5. Quy luật nói chung là khi lượng chất keo tụ cho vào tương đối ít, dung dòch keo tự nhiên trong nước chủ yếu là dựa vào qúa trình keo tụ của bản thân nó mà tách ra, nên dùng pH tương đối là thích hợp, vì khi điện tích dương cuả dung dòch keo nhôm hydroxit tương đối lớn. Như vậy rất PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh – Khoa Môi Trường và CNCH Th.S. Lâm Vónh Sơn Trang 18 có lợi để trung hoà điện tích âm cuả dung dòch keo tự nhiên, giảm thấp điện thế ξ cuả nó. Khi lượng phèn cho vào tương đối nhiều, chủ yếu là làm cho dung dòch nhôm hydroxit cuả bản thân chất keo tụ hình thành keo tụ càng tốt. Để khử đi vật huyền phù và dung dòch keo tự nhiên có trong nước, làø dựa vào tác dụng hấp phụ dung dòch keo nhôm hydroxit, cho nên pH gần bằng 8 là thích hợp nhất, vì nhôm hydroxit dễ kết tủa xuống. Nếu độ kiềm cuả nước nguồn quá thấp sẽ không đủ để khử tính axit do chất keo tụ thuỷ phân sinh ra. Kết quả làm cho trò số pH cuả nước sau khi cho phèn vào qúa thấp. Ta có thể dùng biện pháp cho kiềm vào để điều chỉnh trò số pH cuả nước ra. Nói chung kiềm cho vào nước có thể dùng sút ( NaOH), kali hydroxit ( KOH), natri cacbonat, hay canxi hydroxit ( Ca(OH) 2 ). Lượng dùng chất keo tụ: quá trình keo tụ không phải là một loại phản ứng hoá học đơn thuần, nên lượng phèn cho vào không thể căn cứ vào tính toán để xác đònh. Tuỳ điều kiện cụ thể khác nhau, phải làm thực nghiệm chuyên môn để tìm ra lượng phèn cho vào tối ưu. Lượng phèn tối ưu cho vào trong nước nói chung là 0,1 ∼ 0,5 mgđ/l, nếu dùng Al 2 ( SO 4 ) . 18 H 2 O thì tương đương 10 ∼ 50mg/l . Nói chung vật huyền phù trong nước càng nhiều , lượng chất keo tụ cần thiết càng lớn. Cũng có thể chất hữu cơ trong nước tương đối ít mà lượng keo tụ tương đối nhiều. Nhiệt độ nước : khi dùng muối nhôm làm chất keo tụ, nhiệt độ nước ảnh hûng lớn đến hiệu quả keo tụ. Khi nhiệt độ nước rất thấp ( thấp hơn 5 0 C), bông phèn sinh ra to và xốp, chứa phần nước nhiều, lắng xuống rất chậm nên hiệu quả kém. Khi dùng nhôm sunfat tiến hành keo tụ nước thiên nhiên, nhiệt độ nước thấp nhất là: 25 – 30 0 C. Khi dùng muối sắt làm chất keo tụ, ảnh hưởng cuả nhiệt độ nước đối với hiệu quả keo tụ không lớn. Tốc độ hổn hợp cuả nước và chất keo tụ : Quan hệ tốc độ hổn hợp cuả nước và chất keo tụ đến tính phân bổ đồng đều cuả chất keo tụ và cơ hội va chạm giữa các hạt keo cũng là một nhân tố trọng yếu ảnh hưởng đến qúa trình keo tụ. Tốc độ khuấy tốt nhất là từ nhanh chuyển sang chậm. Khi mới cho chất keo tụ vào nước phải khuấy nhanh, vì sự thuỷ phân cuả chất keo tụ trong nước và hình thành chất keo tụ rất nhanh. Cho nên phải khuấy nhanh mới có khả năng sinh thành lượng lớn keo hydroxit hạt nhỏ làm cho nó nhanh chóng khuếch tán đến những nơi trong nước kòp thời cùng với các tạp chất trong nước tác dụng. Sau khi hỗn hợp hình thành bông và lớn lên, không nên khuấy qúa nhanh không những bông phèn có thể đánh vỡ đám bông phèn đã hình thành. Tạp chất trong nước : nếu cho các ion trái dấu vào dung dòch nước có thể khiến dung dòch keo tụ. Cho nên ion ngược dấu là một loại tạp chất ảnh hưởng đến quá trình keo tụ. Khi dùng PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh – Khoa Môi Trường và CNCH Th.S. Lâm Vónh Sơn Trang 19 IV II III I V Al 2 (SO 4 ) 3 làm chất keo tụ, dung dòch keo Al(OH) 3 sinh thành thường mang điện tích dương nên ảnh hưởng của tạp chất trong nước đến quá trình keo tụ dung dòch keo chủ yếu là anion. Người ta tiến hành thí nghiệm các loại dung dòch có chứa nồng độ 10mgđ/l của 3 loại ion HCO 3 - , SO 4 2- , Cl - , và cho thấy HCO 3 - hoặc SO 4 2- + Cl - với lượng quá nhiều đều làm cho hiệu qủa keo tụ xấu đi. Nhưng vì ảnh hưởng đó rất phức tạp, hiện nay người ta chưa nắm chắc quy luật của nó. Khi trong nước có chứa một lượng lớn chất hữu cơ cao phân tử (như axit humic) nó có thể hấp phụ trên bề mặt dung dòch keo, dẫn tới tác dụng bảo vệ dung dòch keo làm cho hạt keo thu được khó keo tụ, nên hiệu quả keo tụ trở nên xấu đi. Trường hợp này có thể dùng biện pháp cho clo hoặc khí ozon vào để phá huỷ các chất hữu cơ đó. Môi chất tiếp xúc: khi tiến hành keo tụ hoặc xử lý bằng phương pháp kết tủa khác, nếu trong nước duy trì một lớp cặn bùn nhất đònh, khiến quá trình kết tủa càng hoàn toàn, làm cho tốc độ kết tủa nhanh thêm. Lớp cặn bùn đó có tác dụng làm môi chất tiếp xúc, trên bề mặt cuả nó có tác dụng hấp phụ, thúc đẩy và tác dụng cuả các hạt cặn bùn đó như những hạt nhân kết tinh. Cho nên hiện nay thiết bò dùng để keo tụ hoặc xử lý bằng kết tủa khác, phần lớn thiết kế có lớp cặn bùn. Rất nhiều nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả keo tụ. Để tìm ra điều kiện tối ưu để xử lý bằng keo tụ, khi thiết kế thiết bò hoặc điều chỉnh vận hành, có thể trước tiên tiến hành thí nghiệm mẫu ở phòng thí nghiệm bằng thiết bò Jartest . 4.3. MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM I : Hộp số điều khiển II : Cánh khuấy III : Tua bin cánh khuấy IV : Cốc 1000ml thuỷ tinh V : Bệ đỡ 4.4. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh – Khoa Môi Trường và CNCH Th.S. Lâm Vónh Sơn Trang 20 Lấy 500ml mẫu nước thải cho vào cốc 1000ml và cho lượng phèn vào với lượng tăng nhỏ. Sau mỗi lần tăng lượng phèn, khuấy trộn nhanh một phút sau đó khuấy trộn chậm trong 3 phút. Thêm lượng phèn cho đến khi bông cặn hình thành. Ghi nhận hàm lượng phèn này. 4.4.1. Thí nghiệm 1: Xác đònh giá trò pH tối ưu. Lấy 1 lít mẫu nước thải cho vào một cốc 1000ml, sau đó đặt cốc vào thiết bò Jartest. Cho cùng một liều lượng phèn nhất đònh ở bước trên vào 6 cốc 1000ml chứa nước thải ở trên. Sau đó thêm axit hoặc kiềm để pH dao động trong khoảng 4- 9 . Mở cánh khuấy quay ở tốc độ 100 vòng / phút. Sau đó quay chậm trong 15 phút ở tốc độ 15 – 20 vòng/phút. Tắt máy khuấy, để lắng tónh 30 phút. Sau đó lấy mẫu nước lắng (lớp nước ở phiá trên ) phân tích các chỉ tiêu pH độ đục, độ màu. Giá trò pH tối ưu là giá trò ứng với mẫu có độ đục (SS), độ màu thấp. Ø Xác đònh lượng NaOH (cả thể tích lẫn khối lượng) để xác đònh các khoảng pH cần thiết (ghi nhận pH thực tế). Ø Tiến hành thí ngiệm Ø Quan sát thí ngiệm Ø Đo kết quả SS, độ màu, xác đònh % xử lý 4.4.2. Thí nghiệm 2 : xác đònh liều lượng phèn tối ưu. Lấy 1 lít mẫu nước thải cho vào mỗi cốc 1000ml sau đó đặt các cốc vào thiết bò Jartest. Trong thí nghiệm này thay đổi liều lượng phèn khác nhau ở 6 cốc 1000ml chứa nước thải ở trên. Sau đó thêm axit hay kiềm vào để đạt pH tối ưu tương ứng với liều lượng phèn khác nhau. Mở cánh khuấy quay ở tốc độ 100vòng/ phút trong 1 phút, sau đó quay chậm trong 15 phút ở tốc độ 15- 20 vòng/phút. Tắt máy khuấy, để lắng tónh trong vòng 30 phút. Sau đó lấy mẫu nước lắng (lớp nước phía trên) phân tích các chỉ tiêu pH độ đục, độ màu. Liều lượng phèn tối ưu là liều lượng ứng với mẫu có độ đục, độ màu thấp nhất. Ø Xác đònh lượng NaOH để đưa về pH tối ưu. Ø Tiến hành khuấy trộn Ø Quan sát thí nghiệm. Ø Tiến hành đo SS và Pt-Co và xác đònh % xử lý 4.5. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Thí nghiệm 1: lập bảng số liệu. Dựng đồ thò, trục hoành biểu thò giá trò pH, trục tung biểu thò giá trò độ đục, độ màu mẫu nước thải đã xử lý. Vẽ đường cong biến thiên. Xác đònh điểm cực tiểu. Từ đó suy ra giá trò pH tối ưu. Thí nghiệm 2: lập bảng số liệu. Dựng đồ thò, trục hoành biểu thò liều lượng phèn, trục tung biểu thò giá trò độ đục, độ màu trong mẫu nước thải đã xử lý. Vẽ đường cong biến thiên . Xác đònh điểm cực tiểu từ đó suy ra thời gian liều lượng phèn tối ưu. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com . dùng s đa( Na 2 CO 3 ), hay s t (NaOH). Sau đây là các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ tạo bông: Trò s pH của nước. Nước thiên nhiên sau khi đã cho Al 2 (SO 4 )vào, trò s pHcủa. mẫu có độ đục (SS), độ màu th p. Ø Xác đònh lượng NaOH (cả th tích lẫn khối lượng) để xác đònh các khoảng pH cần thiết (ghi nhận pH th c t ). Ø Tiến hành th ngiệm Ø Quan s t th ngiệm Ø. quả SS, độ màu, xác đònh % xử lý 4. 4.2. Th nghiệm 2 : xác đònh liều lượng phèn tối ưu. Lấy 1 lít mẫu nước th i cho vào mỗi cốc 1000ml sau đó đặt các cốc vào thiết bò Jartest. Trong th