Keo Tụ Tạo Bông: Giải pháp xử lý nước hiệu quả

Keo tụ tạo bông là một quá trình quan trọng trong xử lý nước, giúp loại bỏ các hạt keo và tạp chất khỏi nước. Quá trình này sử dụng các hóa chất keo tụ để trung hòa điện tích của các hạt keo, khiến chúng kết dính lại với nhau thành các bông cặn lớn hơn. Các bông cặn này sau đó có thể dễ dàng được loại bỏ bằng các phương pháp lắng hoặc lọc. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về nguyên lý hoạt động, các loại hóa chất keo tụ và các ứng dụng của keo tụ tạo bông trong xử lý nước.

Keo tụ tạo bông là gì? 

Keo tụ là một quá trình trong đó các hạt nhỏ trong chất lỏng kết hợp với nhau để tạo thành khối lớn hơn, kết tụ lại gọi là bông cặn. Điều này có thể xảy ra một cách tự nhiên hoặc thông qua việc bổ sung một số hóa chất gọi là chất keo tụ. 

Trong quá trình keo tụ tự nhiên, các hạt nhỏ trong chất lỏng có thể kết hợp với nhau do nhiều yếu tố như trọng lực, chuyển động Brown hoặc lực tĩnh điện. Khi các hạt này va chạm và dính vào nhau, chúng bắt đầu tạo thành những khối lớn hơn và cuối cùng có thể lắng ra khỏi chất lỏng.

Sự keo tụ cũng có thể được tạo ra thông qua việc bổ sung chất keo tụ, là những chất thúc đẩy sự hình thành các khối. Những hóa chất này hoạt động bằng cách trung hòa các điện tích trên bề mặt của các hạt, khiến chúng hút nhau và tạo thành các khối lớn hơn. 

Chất keo tụ thường được sử dụng trong xử lý nước thải, khai thác mỏ và các ngành công nghiệp khác, nơi cần tách chất rắn khỏi chất lỏng. Khi các khối đã hình thành, chúng có thể được tách khỏi chất lỏng thông qua nhiều phương pháp khác nhau, chẳng hạn như lắng, lọc hoặc ly tâm. Chất lỏng thu được thường trong hơn và dễ xử lý hơn nhiều so với trước khi keo tụ.

Hình 1: Keo tụ tạo bông là quá trình các hạt nhỏ kết hợp tạo thành bông cặn

>>>Xem thêm: Thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt 

Cơ chế quá trình keo tụ tạo bông

Trong tự nhiên, các hạt cặn lơ lửng đều mang điện tích âm hoặc dương. Ví dụ các hạt rắn có nguồn gốc silic, các hợp chất hữu cơ đều có điện tích âm, các hydroxit sắt và nhôm đều mang điện tích dương… 

Khi thế cân bằng diện động của nước bị phá vỡ, các thành phần mang điện tích sẽ kết hợp hoặc dính kết với nhau bằng lực liên kết phân tử và điện tử, tạo thành một tổ hợp phân tử, nguyên tử hoặc các ion tự do. Các tổ hợp được gọi là các bông keo

Cơ chế làm việc của chất keo tụ dựa trên các hiện tượng sau: hấp phụ phân tử chất keo tụ trên bề mặt hạt keo, tạo thành mạng lưới phân tử chất keo tụ. Sự kết dính của các hạt keo do lực Van der Waals. Dưới tác động của chất keo tụ, giữa các hạt keo tạo thành cấu trúc ba chiều, có khả năng tách nhanh và hoàn toàn ra khỏi nước.

Nguyên nhân xuất hiện cấu trúc này là sự hấp phụ các phân tử chất keo tụ trên một số hạt tạo thành cầu nối polime giữa chúng. Các hạt keo được tích điện âm nên thúc đẩy quá trình keo tụ với các hydroxit nhôm hoặc sắt. Khi cho thêm silicat hoạt tính sẽ làm tăng 2-3 lần vận tốc lắng và tăng hiệu quả lắng. Thông thường, quá trình keo tụ tạo bông xảy ra qua hai giai đoạn: 

• Bản thân chất keo tụ phát sinh thủy phân, quá trình hình thành dung dịch keo và ngưng tụ
• Trung hòa hấp phụ lọc các tạp chất trong nước

Mức độ và đặc điểm của hiện tượng phân ly phụ thuộc vào độ pH của nước. Khi nguồn nước có pH = 6,5 – 7,5 thì các hạt lơ lửng và các hạt keo mang điện tích âm rất bền vững. Nhưng các hạt này lại có khả năng hấp thụ các ion H+, Na+, K+, cả Ca2+ và Mg 2+ có trong nước. Chính vì vậy sự tác dụng lẫn nhau giữa các hạt mang điện tích khác nhau giữ vai trò chủ yếu trong keo tụ. 

Hình 2: Cơ chế tạo bông của quá trình keo tụ

Có hai cơ chế chính trong quá trình keo tụ:

Nén lớp điện tích kép:

• Các hạt keo thường mang điện tích âm do sự hấp phụ các ion âm từ môi trường. Lớp điện tích này tạo ra một lực đẩy giữa các hạt keo, giúp chúng phân tán trong nước.
• Khi thêm chất keo tụ vào dung dịch, các ion có điện tích dương của chất keo tụ sẽ hấp phụ lên bề mặt các hạt keo, làm giảm điện tích âm của chúng.
• Lực đẩy giữa các hạt keo giảm dần, khiến chúng dễ dàng liên kết với nhau tạo thành các hạt lớn hơn.

Hình thành cầu nối:

• Các phân tử chất keo tụ có thể có nhiều nhóm chức năng có khả năng liên kết với nhau.
• Khi các hạt keo liên kết với các phân tử chất keo tụ, chúng tạo thành các “cầu nối” giữa các hạt keo.
• Các “cầu nối” này giúp liên kết các hạt keo lại với nhau tạo thành các hạt lớn hơn.

Quá trình hình thành cầu nối xảy ra qua 5 phản ứng

• Phản ứng 1: Khi polymer được thêm vào ở liều tối ưu, nó sẽ hấp phụ ban đầu vào bề mặt của hạt keo, tạo ra một lớp mảng kết dính.
• Phản ứng 2: Trong quá trình này, các đuôi polymer đã được hấp phụ có thể di chuyển và gắn kết vào các vị trí trống trên bề mặt của các hạt keo khác nhau, tạo ra bông cặn.
• Phản ứng 3: Sau khi hấp phụ lần đầu, nếu các đoạn cuối cùng của polymer không tìm được vị trí trống trên bề mặt của các hạt khác, chúng có thể gấp lại và tiếp tục tương tác với bề mặt cùng của hạt keo ban đầu. Những yếu tố như khuếch tán chậm, độ đục cao hoặc mật độ hạt keo thấp có thể gây ra hiện tượng này.
• Phản ứng 4: Nếu liều lượng polymer dư nhiều, bề mặt của các hạt keo có thể bị bão hòa bởi các đoạn polymer, không còn vị trí trống nào để tạo ra các cầu nối, làm cho hệ keo trở nên ổn định hơn.
• Phản ứng 5: Quá trình xáo trộn quá lâu hoặc quá nhanh có thể làm vỡ các bông cặn, đưa chúng trở lại trạng thái ban đầu, ổn định.

Ngoài ra còn một cơ chế nữa là thu các hạt keo và bông cặn.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ

Loại và tính chất của hạt keo:

• Kích thước, hình dạng, điện tích và tính chất bề mặt của hạt keo ảnh hưởng đến hiệu quả keo tụ.
• Hạt keo có kích thước lớn, điện tích cao và tính chất bề mặt kỵ nước dễ keo tụ hơn.

Chất keo tụ:

• Loại, liều lượng và tính chất của chất keo tụ ảnh hưởng đến hiệu quả keo tụ.
• Các loại chất keo tụ phổ biến là muối nhôm, muối sắt, polyme.
• Liều lượng chất keo tụ cần được xác định thí nghiệm để đạt hiệu quả tối ưu.

pH:

• pH ảnh hưởng đến điện tích của hạt keo và khả năng hấp phụ chất keo tụ.
• Mỗi loại hạt keo có pH keo tụ tối ưu riêng.

Nhiệt độ:

• Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ keo tụ nhưng có thể làm giảm độ bền của bông cặn.

Tốc độ khuấy trộn:

• Tốc độ khuấy trộn cần thiết để tạo điều kiện cho các hạt keo va chạm và liên kết với nhau.
• Khuấy trộn quá mạnh có thể phá vỡ bông cặn.

Mật độ hạt keo:

• Mật độ hạt keo cao giúp tăng hiệu quả keo tụ.

Các tạp chất trong nước:

• Các tạp chất có thể cạnh tranh với các hạt keo trong quá trình hấp phụ chất keo tụ, làm giảm hiệu quả keo tụ.

Môi chất tiếp xúc:

• Nếu trong nước duy trì một lớp cặn bùn nhất định, khiến cho quá trình kết tủa càng hoàn toàn, tốc độ kết tủa tăng

Chất keo tụ

Các chất đông tụ thường dùng là các muối nhôm, muối sắt hoặc hỗn hợp giữa chúng. Việc lựa chọn chất đông tụ phụ thuộc vào tính chất hóa lý của tạp chất, độ pH và thành phần muối trong nước thải. Chất đông tụ được sử dụng rộng rãi nhất là Al2(SO4)3 bởi tính chất hòa tan tốt trong nước, giá thành rẻ và hoạt động hiệu quả cao trong khoảng pH = 5 – 7,5.

Hình 3: Phèn nhôm là chất đông tụ được sử dụng rộng rãi nhất

Các hóa chất thường sử dụng trong quá trình keo tụ:

So với muối nhôm, muối sắt có một số ưu điểm như:

• Hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ nước thấp
• Giá trị tối ưu pH trong khoảng rộng hơn
• Bông tụ bền và thô hơn
• Có thể ứng dụng cho nước có khoảng nồng độ muối rộng hơn
• Có khả năng khử mùi độc và vị lạ 

Tuy nhiên. sử dụng muối sắt cũng có các nhược điểm: 

• Có tính axit mạnh, làm ăn mòn thiết bị
• Bề mặt các bông ít phát triển hơn
• Tạo thành các phứa nhuộm tan mạnh

Để đẩy mạnh quá trình tạo bông keo hydroxit nhôm và sắt với mục đích tăng tốc độ lắng, người ta cho thêm vào nước thải các hợp chất cao phân tử – chất trợ đông tụ với liều lượng khoảng 1-5 mg/l như polyacrylamit (CH2CHCONH2)n, Polyacrylic (CH2CHOOH)n hoặc polydiallylđimetyl – amon. Việc sử dụng các chất trợ đông tụ cho phép hạ thấp liều lượng chất đông tụ, giảm thời gian cho quá trình đông tụ và nâng cao tốc độ lắng của keo.

Liều lượng chất đông tụ ứng với hàm lượng khác nhau của các tạp chất nước thải

Các phản ứng keo tụ

Quá trình tạo bông đông tụ của một số muối nhôm:

Al2(SO4)3  + 3Ca(HCO3)2 ⇌  2Al(OH)3 ↓  + 3CaSO4 + 6CO2

Trong phần lớn các trường hợp sử dụng hỗn hợp NaAlO2 và Al2(SO4)3 theo tỉ lệ (10:1) – (20:1). Phản ứng diễn ra như sau:

6NaAlO2 + Al2(SO4)3 + 12H2O ⇌ 8Al(OH)3↓ + 3Na2SO4

Al2(OH)5Cl có độ axit thấp, rất phù hợp để dùng làm sạch nước có độ kiềm yếu và quá trình thực hiện nhờ phản ứng:

2Al2(OH)5Cl + Ca(HCO3)2 -> 4Al(OH)3↓ + CaCl2 + 2CO2

Phản ứng tạo bông keo của các muối sắt:

FeCl3 + 3H2O -> Fe(OH)3 + 3HCl

Fe2(SO4)3 + 6H2O -> 2Fe(OH)3↓ + 3H2SO4

Trong điều kiện kiềm hóa xảy ra các phản ứng:

2FeCl3 + 3Ca(OH)2 -> 2Fe(OH)3↓ + 3CaCl2

Fe2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 -> 2Fe (OH)3↓ + 3CaSO4

Quy trình xử lý nước thải bằng đông tụ và keo tụ

Quá trình xử lý nước thải bằng đông tụ và keo tụ bao gồm các giai đoạn sau:

• Định lượng và trộn tác chất với nước thải: Trộn chất đông tụ với nước (có thể sử dụng máy trộn thủy lực và cơ khí) Trong máy trộn thủy lực, quá trình diễn ra do sự thay đổi hướng chuyển động và vận tốc dòng nước. Trong thiết bị cơ khí, phải chú ý trộn đều và chậm để các hạt sắp tạp bông không bị phá vỡ bởi cánh khuấy
• Tạo bông: Sau khi trộn với tác chất, nước thải được đưa vào buồng tạo bông, sự tạo bông diễn ra chậm sau 10 – 30 phút. 
• Lắng: Nước thải trộn với chất đông tụ theo ống đi vào ngăn tách không khí. Sau đó, nước đi theo ống trung tâm đến các ống phân phối quay nước trong vùng vành khăn. Các hạt lơ lửng kết dính trên bông, lắng xuống đáy và được lấy ra khỏi thiết bị. Nước sạch chảy qua các lỗ vào máng thu nước. 

Hình 4: Quá trình xử lý nước thải bằng đông tụ và keo tụ

>>>Xem thêm: Ứng dụng phương pháp hóa lý vào xử lý nước thải 

Trên đây, Envico đã cung cấp cho bạn các thông tin về định nghĩa, cơ chế hoạt động, các phản ứng và quy trình keo tụ tạo bông xử lý nước. Các hóa chất được sử dụng trong quá trình này, như phèn nhôm và polyme, liên kết các hạt nhỏ lại với nhau để tạo thành các bông keo lớn hơn, giúp lắng xuống đáy bể dễ dàng hơn. Quá trình keo tụ tạo bông là một bước quan trọng trong xử lý nước thải vì nó giúp cải thiện chất lượng nước và làm cho nước thải phù hợp hơn để xả ra môi trường.