Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường: Chương 5

MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG

TÊN MÔN HỌC: HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

(cid:216) Hiểu được quá trình hình thành hệ keo. (cid:216) Đặc điểm, tính chất hệ keo. (cid:216) Ứng dụng vào trong kỹ thuật môi trường

CHƯƠNG 5: HỆ KEO

1 Giảng viên: ThS Lê Nguyễn Kim Cương LOGO ThS Nguyễn Văn Phương

CHƯƠNG 5: HỆ KEO

HỆ KEO

5.1. CẤU TẠO MIXEN KEO

5.2. CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỆ KEO

5.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐIỆN

THẾ ZETA (z )

Hệ keo,còn g ọilà hệ phântáncao ,là m ột hệ thốngcóhaith ể của vậtch ất, một dạng hỗn hợp ở giữa hỗn hợp đồngnh ất và hỗn hợpkhông đồng nhất.

Trong một hệ phântánkeo,cácgi ọtnh ỏ hay hạt

5.4. ĐỘ BỀN VÀ SỰ KEO TỤ

nhỏ của mộtch ất, chấtphântán , đượcphântán trong mộtch ấtkhác, môitr ườngphântán .

5.5. ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH KEO TỤ

Trong một hệ keocaophân t ử,cácch ấtcao phân tửđượ cphântántrong m ột mộttr ường đồng nhất(môitr ườngphântán).

3 5.1. CẤU TẠO MIXEN KEO

Phân loại các hệ keo

1)Nhân trung hoà điện.

Khí

Chất phân tán Lỏng

Rắn

2) Lớp hấp phụ.

Khí

Aerosol rắn, Thí dụ: Bụi, Khói xe

Không có: tất cả các khí đều có thể hòa tan được

Aerosol lỏng (khí dung), Thí dụ: Sương mù

3) Lớp khuếch tán.

Lỏng

Nhũ tương, Thí dụ: Sữa, máu

Bọt, Thí dụ: Kem sữa đánh đặc

Sol (Dung dịch keo), Thí dụ: Sơn, mực

Môi trường phân tán

Rắn

Bọt rắn, Thí dụ: Polystyrene, đá bọt

Gel, Thí dụ: Gelatin, mứt, phó mát, ngọc mắt mèo

Sol rắn (Dung dịch keo rắn), Thí dụ: Thủy tinh Ruby

5.2. CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỆ KEO

Cấu tạo củamixen g ồm:

5.2.1. Tính chất quang học -Hi ệu ứng

Tyndall

Ion đối

Ion tạo thế

5.2.2. Tính chất hấp phụ

5.2.3. Tính chất động học của hệ keo

Nhân

5.2.4. Tính chất điện học

Lớp khuếch tán

Hình 5.1. Cấu tạo hạt keo

5.2.1. Tính chất quang học -Hi ệu ứng Tyndall

ấycóchùmtiasánghìnhnón(hi

v Khichi ếuchùmtiasángqua m ộtbình đựngdung ện dịchkeo,tath tượng đókhôngth ấy ở dung dịchth ật),hi ệu ứngnày

được gọilàhi ệu ứngTyndall,nguyênnhândo:

§ Hạtkeocó tínhtán x ạánhsáng .

§ Phần lớncác h ệ keocó khả năng hấpth ụ ánh

sáng.

5.2.2. Tínhch ất hấpph ụ

Trongdung d ịch điệnlycác h ạtkeocótínhch ất:

► Hấpph ụđặ ctr ưng

► Hấpph ụ chọn lọc

► Hấpph ụ trao đổi

Nếu hạtkeocó điệntích d ương(+) nóch ỉ hấpph ụ ion

âm( –) vàng ược lại.

5.2.2. Tính chất hấp phụ (tt)

v Hấpph ụ chọn lọc: bề mặt hạtkeo s ẽ ưutiên h ấpph ụ

§ Trong dung dịch nước thứ tự hấp phụ ưu tiên

cáciontheoth ứ tự sau:

là:

§ Ion tạoth ế:làcácioncótrongthànhph

(cid:216)Cation hóa trị 1: Cs+> Rb+> K+> Na+>Li+

(cid:216)Cation hóa trị 2: Ba+2 >Sr+2 >Ca+2 > Mg+2

ần cấu tạo tạonên b ề mặtch ất hấpph ụ (nhânkeo)ho ặc nhữngion đồnghình v ớiioncótrong b ề mặt vật rắn.

§ Saukhi h ấpph ụ ưutiên,nó s ẽ hấpph ụ iontrái d ấu

- > Br - > Cl- > F-

(cid:216)Anion hóa trị 1: I- > NO3

(ion đối).

§ Nếutrongdung d ịchcónhi ềuion đốithì b ề mặt sẽ hấpph ụ ioncó điệntích l ớnho ặc hấpph ụ ionnào cóbánkính(k ể cả vỏ solvat)nh ỏ nhất.

5.2.3. Tínhch ất động học của hệ keo

Click to add Title

1 1

Sự khuếch tán

Click to add Title

2 2

Chuyển động Brown

Click to add Title

3 1

Áp suất thẩm thấu

15

16 Click to add Title

2 2

Click to add Title

1 1

Chuyển động Brown

Sự khuếch tán

Hạtkeoluôn ở trạngtháichuy ển động hỗn

loạn. Cường độ chuyển độnggi ảmnhanhkhi

Khuếchtánlà s ự vậnchuy ển vậtch ất từ vùng

kíchth ước hạt tăng.

có nồng độ cao đếnvùngcó n ồng độ thấp dưới

Dochuy ển động hỗnlo ạn,nêncác h ạtkeo

ảnh hưởng củachuy ển độngnhi ệt hỗnlo ạn.

khó lắngxu ốngchínhlànguyênnhânlàm h

ệ

Docókíchth ước lớnnêncác h ạtkeochuy ển

keo bền.

động với vận tốcth ấp hơncácion,phân t ử.

Chuyển động Brown bề mặt

5.2.4. Tính chất điện học

Click to add Title

3 1

Áp suất thẩm thấu

5.2.4.1. Hiện tượng điện động

Thínghi ệmRays(1807 t ại Đại Học Tổng Hợp Mạc Tư

Khoa) về sự chuyển dịch của hệ keotrong điệntr ường

Ápsu ấtth ẩmth ấu củadung d ịchkeo

nhỏ hơnnhi ều so vớidung d ịchth ậtso v ới

cùng điềuki ệnnhi ệt độ, nồng độ,tr ọng

lượng. Nguyênnhân docác h ạttrongdung

++

dịchkeo b ị giảm đido s ự tập hợpcácphân

++

-- ++

++

tử,ionthành h ạtkeo.

-- -- --

hiện tượng điện thẩm tách

Hiện tượng điện chuyển

Pha lỏngchuy ển động vớipha r ắn đãgâyra điện thếvà được gọilà thếchảy. Mô tả thínghi ệm,xemgiáotrình. Pha rắnchuy ển động tương đối vớipha l ỏng sẽ tạora điệnth ếđược gọilà thếsa lắng.

Các hạtsét(pha r ắn)tích điệnâmchuy ển động tương đối với nước(pha l ỏng) về A dướitác d ụng của điệntr ường.Hi ện tượng đó gọilà hiện tượng điệnchuy ển.

Nước(pha l ỏng): đóngvaitròphântánchuy ển động tương đối vớipha r ắn về K dướitác d ụng của điệntr ường.Hi ện tượng đó gọilà hiện tượng điện thẩmtách .

24 5.2.4.2. Điệntíchkép–th ế điện động

Hình 5.6. Sơ đồ cấu tạo lớp hấp phụ và lớp khuếch tán

Hình 5.5. Sơ đồ lớp điện tích kép

25 Hình 5.7. Sự phân bố ion đối và ion tạo thế

Pha rắn

Pha lỏng

Pha rắn

Pha lỏng

-

+ -

-

+ -

- - - - -

-

+ -

- - - - -

+ + + + + + + + + + + + + + + +

a

b

Hiệu số điệnth ế tổngth ể giữacácpha đượctínhtheocông thức:

j = Y1 + x

Trong đó:

1: bướcnh ảy điệnth ế giữahaipha r ắn– l ỏng

x : bướcnh ảy điệnth ế trong lớpkhu ếchtán (hayth ế điện động)

Y Hiệu số điệnth ế giữaph ầnkhôngchuy ển độngvàph ầnchuy ển động của lớp điệntích kép được gọilàth ế điện độngzeta ( x).

Quan hệ giữa x và j

x = j vì y 1 → 0

Trongdung d ịchkháloãng : Trong đó:

: điệnth ế giữahaipha r ắn – lỏng(hayth ế nhiệt động)

x = j - y 1

Thế nhiệt động: Thựcnghi ệmchoth ấy rằngth ế điện độngkhôngch ỉ nhỏ hơn thế nhiệt động (x < j )màhai đại lượng đócònthay đổi rất khácnhau d ưới ảnh hưởng củanhi ều yếu tố.

Điện thế giữa hai pha rắn – lỏng : thế nhiệt động.

5.3.1. Ảnh hưởng của chất điện ly

5.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐIỆN THẾ ZETA (z)

5.3.1. Ảnh hưởng của chất điện ly

5.3.2. Ảnh hưởng của pH

v Giátr ị x phụ thuộcvào l ượngcácion c ủa lớp khuếchtán, n ếu bằngcáchnào đóthay đổi về lượngvà v ề dấu củaion ở lớp đóthì x phảithay đổi về lượng cũngnh ư về dấu.

5.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ

5.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ

v Khithêmch ất điệnlyvào h ệ,th ế nhiệt động hầunh ư khôngthay đổi,còn thế điện động x bị giảmxu ống.

Thế nhiệt động được xác định theo phương trình: • Thế điện động x giảmxu ốngcho đếnkhi=0và ọilà trạngthái j hệđạ ttr ạngtháimàchúngta g đẳng điện: x =0 ; j = y

j =

R.T C ln Z.F C 0

Trong đó:

thế nhiệt động

C nồng độ (hoạt độ) của cation kim lọai trong dung

dịch

đại lượng cố định đặc trưng cho kim lọai (điện cực) hóa trị của kim lọai hằng số Faraday

C0 Z F R hằng số khí T

nhiệt độ tuyệt đối

• Cácion đốinàocókh ả năng hấpph ụ lớnnh ư các ị caocókh ả nănglàmgi ảm mạnh điện j ionhóatr thế x. • Đối vớinh ữngioncóhóatr ị giốngnhau,kh ả năng hấpph ụ bị phụ thuộcvàobánkínhion. • Càng tăng chất điệnlythì x cànggi ảmvà t ới một đóti ếp tục tăng lúcnào đó sẽđạ t tới x =0.Sau cũng sẽ khôngcòntác d ụng nữa.

5.3.2. Ảnh hưởng của pH

5.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ làm tăng:độ dày của lớp điệnképvàth

ế

điện động tăng.

pHcó ảnh hưởng lớn đến x của hạtkeovì H +,

Mặtkháckhinhi

ệt độ tăng lạilàm t ăngquátrình

OH- cókh ả năng hấpph ụ lớn.

giải hấpph ụ cácion t ạoth ế do đó j và x giảm.

Trongcácdung d ịchmàphaphântáncótính

Khigi ảmnhi ệt độ thìquátrình s ẽ xảyrang ược lại.

Vì vậy,khithay

đổinhi ệt độ,giátr

ị x sẽ diễnbi ến theochi ềunàolàtùythu ộc điềuki ện cụ thể nghiên cứu.

thì sự biếnthiênpH

chất lưỡngtínhnh ư Al(OH)3 củamôitr ườngcóth ể gâyra s ựđổ i dấu điện của hạtkeodo s ự thay đổitínhch ấtionhóa c ủacác phân tử trongphaphântán.

5.4. ĐỘ BỀN VÀ SỰ KEO TỤ

5.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ

x phải tănglên,vì b ề dày của

5.4.1. Độ bền động học và độ bền tập hợp.

Khiphaloãngthì lớp điệntíchkép t ăng.

5.4.2. Thuyết độ bền của hệ keo

Tuynhiên,khiphaloãng l ại xảyra s ự hấpph ụ

củaion t ạoth ế khỏi bề mặt củaphaphântánlàm choth ế nhiệt động j giảmxu ốngvà x cũnggi ảm.

Khilàm đậm đặcthìquátrình x ảyrang ược lại.

Như vậy, x theochi ềunàotùytheocác

điều kiện cụ thể củahai y ếu tố: mức độ làmdày l ớp điện tíchképvà m ức độ giải hấpph ụ củaion t ạoth ế.

5.4.1. Độ bền động học và độ bền tập hợp.

5.4.2. Thuyết độ bền của hệ keo

ạtkeotích

Trạngthái c ủa hệ keo được đặctr ưng bằnghi ệu số giữa lực đẩyvà l ựchút:

ăn cảntác d ụngva

o Độ bền động họclà độ bềndo y ếu tố chuyển độngBrowngâynên. o Độ bền tập hợplàdocác h điệncùng d ấu đẩynhauvà h ạtkeocó l ớp vỏ solvatbaoquanh,ng chạmtr ựcti ếpgi ữachúng v ớinhau.

P– Q=U. VớiU: “hàngrào n ăng lượng”(khi U đạtgiátr ị cực đạithì m ới gọilàhàngrào n ăng lượng)

=> Hàngrào n ăng lượnglà n ăng lượng tại đóhi ệu giữa lực đẩy tĩnh điệnvà l ựchútphân t ửđạ tgiátr ị cực đại

5.5. ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH KEO TỤ

5.4.2. Thuyết độ bền của hệ keo(tt)

v Nếuhai h ạt dưới ảnh hưởng động năngdo chuyển động của bảnthâncó n ăng lượngtr ội hơn “hàngrào n ăng lượng” U đóthì l ựcQ t ăng độtng ộtvà các hạt kếtdínhnhau, hệ không bền.(Brown>U)

Ngườitachiarahai d ạngkeo t ụ:keo t ụ nhanh vàkeo t ụ chậm.

(cid:216) Trongkeo t ụ nhanh: Quátrìnhkeo t ụ nhanh x =0và t ốc độ keo tụ không xảyra t ứckh ắckhi phụ thuộcvào n ồng độ chất điệnly.