Thí nghiệm Jartest trong xử lý nước

1. Mục đích

- Xác định giá trị pH tối ưu của quá trình keo tụ tạo bông bằng phèn, PAC.
- Xác định liều lượng phèn, PAC tối ưu của quá trình keo tụ tạo bông.

Ảnh minh họa một mô hình thí nghiệm Jartest

2. Cơ sở lý thuyết

Xử lý bằng phương pháp keo tụ là cho vào trong nước một loại hóa chất gọi là chất keo tụ có thể đủ làm cho các hạt rất nhỏ biến thành những hạt lớn lắng xuống. Thông thường quá trình keo tụ tạo bông xảy ra qua 2 giai đoạn sau:

- Giai đoạn 1: Bản thân chất keo tụ phát sinh thủy phân, quá trình hình thành dung dịch keo và ngưng tụ.

- Giai đoạn 2: Trung hòa hấp phụ lọc các tạp chất trong nước:

Kết quả của các 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 Al₂(SO4)₃, phèn sắt loại FeSO4 hoặc loại FeCl₃ hoặc phèn PAC. Các loại phèn này được đưa vào nước dưới dạng dung dịch hòa tan.

Khi cho phèn nhôm vào nước, chúng phân ly thành các ion Al³⁺, sau đó các ion này bị thủy phân thành Al(OH)₃:

Al³⁺ + 3 H₂O → Al(OH)₃ + 3 H⁺

Trong phản ứng thủy phân trên đây, ngoài Al(OH)₃ là nhân tố quyết định đến hiệu quả keo tụ được 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 HCO₃^-). Trường hợp độ kiềm tự nhiên của nước thấp, không đủ để trung hòa ion H⁺ thì cần phải kiềm hóa nước. Chất dùng để kiềm hóa thông dụng nhất là vôi (CaO). Một số trường hợp khác có thể dùng xôđa (Na₂CO₃) hoặc xút (NaOH).

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

2.1.Trị số pH của nước

Nước thiên nhiên sau khi đã cho Al₂(SO4)₃ vào, trị số pH của nó bị giảm thấp, vì Al₂(SO4)₃ là một loại muối gồm axít mạnh, bazơ yếu. Sự thủy phân của nó có thể tăng thêm tính axít của nước. Đối với hiệu quả keo tụ có ảnh hưởng, chủ yếu là trị số pH của nước sau khi cho phèn vào. Cho nên trị số pH dưới đây đều là trị số pH của nước sau khi cho phèn vào.

Trị số pH của nước có ảnh hưởng rất lớn và nhiều mặt đến quá trình keo tụ.

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

Nó là một hydroxit lưỡng tính điển hình. Trị số pH của nước quá cao hoặc quá thấp đều đủ làm cho nó hòa tan, khiến hàm lượng nhôm dư trong nước tăng thêm.
Khi trị 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 Al³⁺ trong nước tăng nhiều, như phản ứng sau:

Al(OH)₃ +  Al³⁺ + 3 H₂O ®3H⁺

Khi trị số pH tăng cao đến 7,5 trở lên, Al(OH)₃ có tác dụng như một axít làm cho gốc AlO₂^- trong nước xuất hiện như phản ứng (3-6) sau :

AlO₂^- + 2 H₂O (3-6) ® Al(OH)₃ + OH^-

Khi trị số pH đạt đến 9 trở lên, độ hòa tan của Al(OH)₃ nhanh chóng tăng lớn, sau cùng thành dung dịch muối nhôm.

Khi trong nước có SO₄^2-, trong phạm vi pH = 5,5 ~ 7 trong vật kết tủa có muối sunfat kiềm, rất ít hòa tan. Trong phạm vi này, khi trị số pH biến đổi cao, muối sunfat kiềm ở hình thái Al₂(OH)₄SO₄, khi pH biến thấp ở dạng Al(OH)SO₄.

Tóm lại, trong phạm vi pH từ 5,5 đến 7,5 lượng nhôm dư trong nước đều rất nhỏ.

(2) Ảnh hưởng của pH đối với điện tích hạt keo nhôm hydroxit.

Điện tích của hạt keo trong dung dịch nước có quan hệ với thành phần của ion trong nước, đặc biệt là với nồng độ ion H⁺. Cho nên trị số pH đối với tính năng 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 phụ SO₄^2- mà mang điện tích  8, nó tồn tại ở hình thái hydroxit trung tính, vì thế mà » âm; khi pH dễ dàng kết tủa nhất.

(3) Ảnh hưởng của pH đối với các chất hữu cơ trong nước

Chất hữu cơ trong nước như các thực vật bị thối rữa, khi pH thấp, dung dịch keo của axít humic mang điện tích âm. Lúc này dễ dàng dùng chất keo tụ khử đi. Khi pH cao, nó trở thành muối axít 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) Ảnh hưởng của pH đối với tốc độ keo tụ dung dịch keo

Trị số điện thế x keo tụ dung dịch keo và điện thế càng nhỏ, lực đẩy giữa các hạt càng yếu, vì vậy tốc độ keo tụ của nó bằng 0, nghĩa là đạt đến điểm đẳng điện, tốc độ keo tụ càng nhanh. Khi điện thế độ keo tụ của nó lớn nhất (x) Dung dịch keo hình thành từ hợp chất lưỡng tính, điện thế nó và điểm đẳng điện chủ yếu quyết định bằng trị số pH của nước. Nhôm hydroxit và các chất humic, đất sét hợp thành dung dịch 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 trị số pH tối ưu, mà chỉ xác định bằng thực nghiệm. Chất lượng nước khác nhau, trị số pH tối ưu khác nhau, nghĩa là cũng một nguồn nước, các mùa khác nhau, trị số pH tối ưu cũng có thể thay đổi.

Khi dùng muối nhôm làm chất keo tụ, trị số pH tối ưu nói chung nằm trong giới hạn 6,5 ~ 7,5. Qui luật nói chung là khi lượng chất keo tụ cho vào tương đối ít, dung dịch keo tự nhiên trong nước chủ yếu là dựa vào quá trình keo tụ của bản thân nó mà tách ra, nên dùng pH tương đối thấp là thích hợp, vì khi này lượng điện tích dương của dung dịch keo nhôm hydroxit tương đối lớn. Như vậy rất có lợi để trung hòa điện của nó. Khi x tích âm của dung dịch keo tự nhiên, giảm thấp điện thế lượng phèn cho vào tương đối nhiều, chủ yếu là làm cho dung dịch keo nhôm hydroxit của bản thân chất keo tụ hình thành keo tụ càng tốt. Để khử đi vật huyền phù và dung dịch keo tụ có trong nước, là dựa vào tác dụng hấp phụ của dung dịch keo nhôm hydroxit, cho nên, khi pH gần bằng 8 là thích hợp nhất, vì nhôm hydroxit dễ kết tủa xuống.

Nếu độ kiềm của nước nguồn quá thấp sẽ không đủ để khử tính axít do chất keo tụ thủy phân sinh ra. Kết quả, làm cho trị số pH của nước sau khi cho phèn vào quá thấp. Ta có thể dùng biện pháp cho kiềm vào để điều chỉnh độ pH của nước ra.

Nói chung kiềm cho vào có thể dùng xút (NaOH), kali hydroxit(KOH), natri cacbonat hoặc canxi hydroxit (Ca(OH)₂ ).

Lượng dùng chất keo tụ: quá trình keo tụ không phải là một loại phản ứng hóa học đơn thuần, nên lượng phèn cần cho vào không thể căn cứ vào tính toán để xác định. 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 mgđl/l, nếu dùng Al₂(SO4)₃.18H₂O thì tương đương 10 ~ 50 mg/l. Nói chung vật huyền phù trong nước càng nhiều lượng chất keo tụ càng lớn. Cũng có thể chất hữu cơ trong nước tương đối ít mà lượng chất keo tụ vẫn cần tương đối nhiều.

Nhiệt độ nước: khi dùng muối nhôm làm chất keo tụ, nhiệt độ nước ảnh hưởng lớn đến hiệu quả keo tụ. Khi nhiệt độ nước rất thấp(thấp hơn 5 ⁰C), 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 tự nhiên, nhiệt độ nước tốt nhất là: 25 – 30⁰C Khi dùng muối sắt làm chất keo tụ, ảnh hưởng của nhiệt độ nước đối với hiệu quả keo tụ không lớn.

Tốc độ hỗn hợp của nước và chất keo tụ: quan hệ tốc độ của nước và chất keo tụ đến tính phân bổ đồng đều của chất keo tụ và cơ hội va chạm giữa các hạt keo cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến quá 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 của chất keo tụ trong nước và tốc độ hình thành keo rất nhanh. Cho nên phải khuấy nhanh mới có khả năng sinh thành lượng lớn keo hydroxit hạt nhỏ làm cho nó nhanh chóng khuyếch tán đến các nơi trong nước, kịp thời cùng với các tạp chất trong nước tác dụng. Sau khi hỗn hợp hình thành bông phèn và lớn lên, không nên khuấy quá nhanh, không những bông phèn khó lớn lên mà còn có thể đánh vỡ những đám bông phèn đã hình thành.

Tạp chất trong nước: nếu cho các ion ngược dấu vào dung dịch nước có thể khiến dung dịch keo tụ. Cho nên ion ngược dấu là một loại tạp chất ảnh hưởng đến quá trình keo tụ. Khi dùng Al₂(SO4)₃ làm chất keo tụ, dung dịch 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 dịch keo chủ yếu là anion. Người ta đã tiến hành thí nghiệm các loại dung dịch có chứa tổng nồng độ 10mgđl/l của 3 loại anion, HCO₃^-, SO4^2-, Cl^- và cho thấy HCO₃^- hoặc SO₄^2-   và Cl^- với lượng quá nhiều đều làm cho hiệu quả keo tụ xấu đi. Nhưng vì ảnh hưởng đó rất phức tạp, hiện nay người ta chưa nắm chắc được 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 của dung dịch keo, dẫn tới tác dụng bảo vệ dung dịch 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 định, khiến quá trình kết tủa càng hoàn toàn, làm cho tốc độ kết tủa càng nhanh thêm. Lớp cặn bùn đó có tác dụng làm môi trường chất tiếp xúc, trên bề mặt của nó có tác dụng hấp thụ, thúc đẩy và tác dụng của các hạt cặn bùn đó như những hạt nhân kết tinh. Cho nên hiện nay thiết bị 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 kết quả keo tụ. Để tìm ra điều kiện tối ưu để xử lý bằng keo tụ, khi thiết kế hoặc điều chỉnh vận hành, có thể trước tiên tiến hành thí nghiệm mẫu ở phòng thí nghiệm bằng thiết bị Jartest.