Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường: Chương 5 - ThS. Lê Nguyễn Kim Cương

Chia sẻ: Nguyễn Vương Cường | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

240
lượt xem 49
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường - Chương 5: Hệ keo trình bày cấu tạo mixen keo, các tính chất của hệ keo, các yếu tố ảnh hưởng đến điện thế zeta, độ bền và sự keo tụ, động học của quá trình keo tụ. Đây là tài liệu tham khảo dành cho sinh viên Môi trường.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường: Chương 5 - ThS. Lê Nguyễn Kim Cương

MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG TÊN MÔN HỌC: Ø Hiểu được quá trình hình thành hệ keo. HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Ø Đặc điểm, tính chất hệ keo. Ø Ứng dụng vào trong kỹ thuật môi trường CHƯƠNG 5: HỆ KEO Giảng viên: ThS Lê Nguyễn Kim Cương LOGO ThS Nguyễn Văn Phương 1 CHƯƠNG 5: HỆ KEO HỆ KEO 5.1. CẤU TẠO MIXEN KEO Hệ keo, còn gọi là hệ phân tán cao, là một hệ 5.2. CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỆ KEO thống có hai thể của vật chất, một dạng hỗn hợp ở giữa hỗn hợp đồng nhất và hỗn hợp không đồng 5.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐIỆN nhất. THẾ ZETA (ζ) Trong một hệ phân tán keo, các giọt nhỏ hay hạt nhỏ của một chất, chất phân tán, được phân tán 5.4. ĐỘ BỀN VÀ SỰ KEO TỤ trong một chất khác, môi trường phân tán. 5.5. ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH KEO TỤ Trong một hệ keo cao phân tử, các chất cao phân tử được phân tán trong một một trường đồng nhất (môi trường phân tán). 3 1
Phân loại các hệ keo 5.1. CẤU TẠO MIXEN KEO Chất phân tán 1) Nhân trung hoà điện. Khí Lỏng Rắn Không có: tất cả Aerosol lỏng (khí 2) Lớp hấp phụ. Aerosol rắn, Khí các khí đều có thể dung), Thí dụ: Bụi, Khói xe hòa tan được Thí dụ: Sương mù 3) Lớp khuếch tán. Môi Bọt, Sol (Dung dịch Nhũ tương, trường Lỏng Thí dụ: Kem sữa keo), Thí dụ: Sữa, máu phân đánh đặc Thí dụ: Sơn, mực tán Gel, Sol rắn (Dung dịch Bọt rắn, Thí dụ: Gelatin, keo rắn), Rắn Thí dụ: Polystyrene, mứt, phó mát, Thí dụ: Thủy tinh đá bọt ngọc mắt mèo Ruby Cấu tạo của mixen gồm: 5.2. CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỆ KEO 5.2.1. Tính chất quang học - Hiệu ứng Ion đối Tyndall 5.2.2. Tính chất hấp phụ Ion tạo thế 5.2.3. Tính chất động học của hệ keo Nhân Lớp khuếch 5.2.4. Tính chất điện học tán Hình 5.1. Cấu tạo hạt keo 2
5.2.1. Tính chất quang học - Hiệu ứng Tyndall v Khi chiếu chùm tia sáng qua một bình đựng dung dịch keo, ta thấy có chùm tia sáng hình nón (hiện tượng đó không thấy ở dung dịch thật), hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Tyndall, nguyên nhân do: § Hạt keo có tính tán x ạ ánh sáng. § Phần lớn các hệ keo có khả năng hấp thụ ánh sáng. 5.2.2. Tính chất hấp phụ Trong dung dịch điện ly các hạt keo có tính chất: ► Hấp phụ đặc trưng ► Hấp phụ chọn lọc ► Hấp phụ trao đổi Nếu hạt keo có điện tích dương (+) nó chỉ hấp phụ ion âm ( –) và ngược lại. 3
5.2.2. Tính chất hấp phụ (tt) 5.2.2. Tính chất hấp phụ (tt) v Hấp phụ chọn lọc: bề mặt hạt keo sẽ ưu tiên hấp phụ § Trong dung dịch nước thứ tự hấp phụ ưu tiên các ion theo thứ tự sau: là: § Ion tạo thế: là các ion có trong thành phần cấu tạo tạo nên bề mặt chất hấp phụ (nhân keo) hoặc ØCation hóa trị 1: Cs+> Rb+> K+> Na+>Li+ những ion đồng hình với ion có trong bề mặt vật rắn. ØCation hóa trị 2: Ba+2 >Sr+2 >Ca+2 > Mg+2 § Sau khi hấp phụ ưu tiên, nó sẽ hấp phụ ion trái dấu ØAnion hóa trị 1: I- > NO3- > Br - > Cl- > F- (ion đối). § Nếu trong dung dịch có nhiều ion đối thì bề mặt sẽ hấp phụ ion có điện tích lớn hoặc hấp phụ ion nào có bán kính (kể cả vỏ solvat) nhỏ nhất. 5.2.3. Tính chất động học của hệ keo 11 Click to add Title Sự khuếch tán 22 Click to add Title Chuyển động Brown 13 Click to add Title Áp suất thẩm thấu 15 16 4
11 Click to add Title 22 Click to add Title Chuyển động Brown Sự khuếch tán Hạt keo luôn ở trạng thái chuyển động hỗn Khuếch tán là sự vận chuyển vật chất từ vùng loạn. Cường độ chuyển động giảm nhanh khi có nồng độ cao đến vùng có nồng độ thấp dưới ảnh hưởng của chuyển động nhiệt hỗn loạn. kích thước hạt tăng. Do có kích thước lớn nên các hạt keo chuyển Do chuyển động hỗn loạn, nên các hạt keo động với vận tốc thấp hơn các ion, phân tử. khó lắng xuống chính là nguyên nhân làm hệ keo bền. Chuyển động Brown bề mặt 19 20 5
5.2.4. Tính chất điện học 13 Click to add Title Áp suất thẩm thấu 5.2.4.1. Hiện tượng đ iện độ ng Thí nghiệm Rays (1807 tại Đại Học Tổng Hợp Mạc Tư Khoa) về sự chuyển dịch của hệ keo trong điện trường Áp suất thẩm thấu của dung dịch keo nhỏ hơn nhiều so với dung dịch thật so với cùng điều kiện nhiệt độ, nồng độ, trọng lượng. Nguyên nhân do các hạt trong dung - + dịch keo bị giảm đi do sự tập hợp các phân - - + + tử, ion thành hạt keo. - + Hiện tượng điện chuyển hiện tượng điện thẩm tách Pha lỏng chuyển động với pha rắn đã gây ra điện Mô tả thí nghiệm, xem giáo trình. thế và được gọi là thế chảy. Pha rắn chuyển động tương đối với pha lỏng sẽ Các hạt sét (pha rắn) tích điện âm chuyển động tạo ra điện thế được gọi là thế sa l ắng. tương đối với nước (pha lỏng) về A dưới tác dụng của điện trường. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng đi ện chuyển. Nước (pha lỏng): đóng vai trò phân tán chuyển động tương đối với pha rắn về K dưới tác dụng của điện trường. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng điện thẩm tách. 24 6
5.2.4.2. Điện tích kép – thế điện động Hình 5.6. S ơ đồ c ấ u tạ o lớ p h ấ p ph ụ và lớ p khuếch tán Hình 5.5. S ơ đồ lớ p đ iện tích kép 25 Hình 5.7. S ự phân b ố ion đố i và ion tạ o th ế Pha rắn Pha lỏng Pha rắn Pha lỏng - + - - + - + + + - + - + - + - - + - + - + - + - + - + - + + - + - + + + a b 7
Hiệu số điện thế tổng thể giữa các pha được tính theo công thức: Hiệu số điện thế giữa phần không chuyển ϕ = Ψ1 + ξ động và phần chuyển động của lớp điện tích Trong đó: Ψ1: bước nhảy điện thế giữa hai pha rắn – lỏng kép được gọi là thế điện động zeta (ξ). ξ: bước nhảy điện thế trong lớp khuếch tán (hay thế điện động) Quan hệ giữa ξ và ϕ Trong dung dịch khá loãng : ξ = ϕ vì ψ 1 → 0 Trong đó: ϕ: điện thế giữa hai pha rắn – lỏng (hay thế nhiệt động) Điện thế giữa hai pha rắn – lỏng : thế nhi ệt Thế nhiệt động: ξ = ϕ - ψ 1 động. Thực nghiệm cho thấy rằng thế điện động không chỉ nhỏ hơn thế nhiệt động (ξ < ϕ) mà hai đại lượng đó còn thay đổi rất khác nhau dưới ảnh hưởng của nhiều yếu tố. 5.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN 5.3.1. Ảnh hưởng của chất điện ly ĐIỆN THẾ ZETA (ζ) v Giá trị ξ phụ thuộc vào lượng các ion của lớp 5.3.1. Ảnh hưởng của chất điện ly khuếch tán, nếu bằng cách nào đó thay đổi về lượng và về dấu của ion ở lớp đó thì ξ phải thay đổi 5.3.2. Ảnh hưởng của pH về lượng cũng như về dấu. 5.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ v Khi thêm chất điện ly vào hệ, thế nhiệt động 5.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ hầu như không thay đổi, còn thế điện động ξ bị giảm xuống. 8
Thế nhiệt động được xác định theo phương trình: • Thế điện động ξ giảm xuống cho đến khi = 0 và hệ đạt trạng thái mà chúng ta gọi là trạng thái ϕj = R.T C ln đẳng đi ện: ξ = 0 ; ϕ = ψ 1 Z.F C0 • Các ion đối nào có khả năng hấp phụ lớn như các Trong đó: ion hóa trị cao có khả năng làm giảm mạnh điện ϕ thế nhiệt động thế ξ. C nồng độ (hoạt độ) của cation kim lọai trong dung • Đối với những ion có hóa trị giống nhau, khả năng dịch hấp phụ bị phụ thuộc vào bán kính ion. C0 đại lượng cố định đặc trưng cho kim lọai (điện cực) Z hóa trị của kim lọai • Càng tăng chất điện ly thì ξ càng giảm và tới một F hằng số Faraday lúc nào đó sẽ đạt tới ξ = 0. Sau đó tiếp tục tăng R hằng số khí cũng sẽ không còn tác dụng nữa. T nhiệt độ tuyệt đối 5.3.2. Ảnh hưởng của pH 5.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ làm tăng:độ dày của lớp điện kép và thế pH có ảnh hưởng lớn đến ξ của hạt keo vì H+, điện động tăng. OH- có khả năng hấp phụ lớn. Mặt khác khi nhiệt độ tăng lại làm tăng quá trình Trong các dung dịch mà pha phân tán có tính giải hấp phụ các ion tạo thế do đó ϕ và ξ giảm. chất lưỡng tính như Al(OH)3 thì sự biến thiên pH Khi giảm nhiệt độ thì quá trình sẽ xảy ra ngược lại. của môi trường có thể gây ra sự đổi dấu điện của hạt keo do sự thay đổi tính chất ion hóa của các Vì vậy, khi thay đổi nhiệt độ, giá trị ξ sẽ diễn biến phân tử trong pha phân tán. theo chiều nào là tùy thuộc điều kiện cụ thể nghiên cứu. 9
5.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ 5.4. ĐỘ BỀN VÀ SỰ KEO TỤ Khi pha loãng thì ξ phải tăng lên, vì bề dày của lớp điện tích kép tăng. 5.4.1. Độ bền động học và độ bền tập hợp. Tuy nhiên, khi pha loãng lại xảy ra sự hấp phụ 5.4.2. Thuyết độ bền của hệ keo của ion tạo thế khỏi bề mặt của pha phân tán làm cho thế nhiệt động ϕ giảm xuống và ξ cũng giảm. Khi làm đậm đặc thì quá trình xảy ra ngược lại. Như vậy, ξ theo chiều nào tùy theo các điều kiện cụ thể của hai yếu tố: mức độ làm dày lớp điện tích kép và mức độ giải hấp phụ của ion tạo thế. 5.4.1. Độ bền động học và độ bền tập hợp. 5.4.2. Thuyết độ bền của hệ keo o Độ bền động học là độ bền do yếu tố Trạng thái của hệ keo được đặc trưng bằng hiệu số chuyển động Brown gây nên. giữa lực đẩy và lực hút: o Độ bền tập hợp là do các hạt keo tích P – Q = U. điện cùng dấu đẩy nhau và hạt keo có lớp vỏ Với U: “hàng rào năng lượng” (khi U đạt giá trị cực đại thì mới gọi là hàng rào năng l ượng) solvat bao quanh, ngăn cản tác dụng va chạm trực tiếp giữa chúng với nhau. => Hàng rào năng lượng là năng lượng tại đó hiệu giữa lực đẩy tĩnh điện và lực hút phân tử đạt giá trị cực đại 10
5.4.2. Thuyết độ bền của hệ keo (tt) 5.5. ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH KEO TỤ v Nếu hai hạt dưới ảnh hưởng động năng do Người ta chia ra hai dạng keo tụ: keo tụ nhanh chuyển động của bản thân có năng lượng trội hơn và keo tụ chậm. “hàng rào năng lượng” U đó thì lực Q tăng đột ngột và các hạt kết dính nhau, hệ không bền.(Brown>U) Ø Trong keo tụ nhanh: Quá trình keo tụ nhanh xảy ra tức khắc khi ξ = 0 và tốc độ keo tụ không v Nếu năng lượng chuyển động Brown nhỏ hơn U, phụ thuộc vào nồng độ chất điện ly. các hạt không tiến gần nhau được – hệ sẽ bền. (Brown