Ch ng 4ươ Keo t - t o bôngụ ạ
4.1 Tãm t¾t vÒ t¹p chÊt trong níc
T¹p chÊt trong níc cã thÓ chia lµm hai nhãm chÝnh: nhãm hoµ tan vµ nhãm
kh«ng hoµ tan. VÒ b¶n chÊt chóng cã thÓ lµ c¸c hîp chÊt v« c¬ còng nh h÷u c¬.
VÒ nguån gèc chóng cã thÓ lµ c¸c chÊt cã s½n trong tù nhiªn (trong ®Êt, níc,
kh«ng khÝ), vËt chÊt cã nguån gèc sinh häc (®éng vËt, thùc vËt, vi sinh vËt ...)
còng nh c¸c chÊt cã nguån gèc tõ c¸c ho¹t ®éng cña con ngêi: c¸c chÊt th¶i sinh
ho¹t, chÊt th¶i tõ c¸c ho¹t ®éng s¶n xuÊt, dÞch vô.
Nhãm t¹p chÊt hoµ tan lµ c¸c hîp chÊt ph©n bè ®Òu trong níc ë møc ®é ph©n tö
hoÆc ion, ta kh«ng thÓ c¶m nhËn hoÆc nh×n thÊy chóng b»ng c¸c ph¬ng tiÖn
hiÓn vi th«ng thêng, trõ c¸c chÊt g©y mµu vµ c¸c hîp chÊt g©y mïi.
Nhãm t¹p chÊt kh«ng tan, trõ phÇn dÔ l¾ng hoÆc næi lµ c¸c t¹p th« nh h¹t c¸t,
m¶nh thuû tinh, m¶nh gç ... khi ta ®Ó mÉu níc tÜnh trong 1 giê ho c 30'ặ, thêng
®îc ®o b»ng kh¸i niÖm cÆn l¬ löng (SS).
Nhãm chÊt n»m gi÷a c¸c chÊt tan vµ kh«ng tan lµ nhãm c¸c dung dÞch keo hay
cßn gäi lµ c¸c hÖ ®a ph©n t¸n.
CÆn l¬ löng lµ ®Æc trng chñ yÕu cña níc mÆt, nhÊt lµ vµo mïa lò lôt. Nguån
gèc cña cÆn l¬ löng chñ yÕu lµ ®Êt, bïn, bôi trªn mÆt ®Êt ®îc níc röa tr«i, vi
sinh vËt trong níc. Thêng ph©n biÖt c¸c lo¹i cÆn theo kÝch thíc; cÆn cµng lín,
cµng nÆng th× cµng dÔ l¾ng xuèng ®¸y vµ cµng khã bÞ dßng ch¶y cuèn tr«i.
V× vËy ngêi ta ®a ra kh¸i niÖm ®é lín thñy lùc cña cÆn lµ tèc ®é l¾ng cÆn
trong níc x¸c ®Þnh b»ng thùc nghiÖm (b¶ng 6.1).
B¶ng 6.1 - KÝch thíc h¹t vµ kÝch thíc thñy lùc [1]
Lo¹i cÆn §é lín thñy lùc, mm/s KÝch thíc h¹t, mm
C¸t:
- Th« 100 1,0
- Trung b×nh 50 0,5
- Nhá 7 0,1
Phï sa bïn 1,7 ÷ 0,5 0,05 ÷ 0,027
Phï sa bïn mÞn 0,07 ÷ 0,017 0,01 ÷ 0,005
§Êt sÐt 0,005 0,0027
§Êt sÐt mÞn 0,0007 ÷ 0,00007 0,001 ÷ 0,0005
H¹t keo 0,000007 0,0002 ÷ 0,000001
Nh ®· nªu, cÆn l¬ löng cã thÓ cã nguån gèc v« c¬, h÷u c¬ lÉn sinh häc. CÆn l¬
löng cã thÓ ®o b»ng hai chØ tiªu: hµm lîng cÆn l¬ löng (CLL (SS), mg/L) hoÆc
®é ®ôc (®o b»ng ®¬n vÞ NTU). CÇn lu ý lµ hai ®¹i lîng nµy cïng t¨ng gi¶m nhng
kh«ng tû lÖ thuËn víi nhau. Hµm lîng SS trong níc s«ng ë ViÖt Nam thêng dao
®éng tõ vµi chôc mg/L vµo mïa níc trong tíi vµi ngh×n, thËm chÝ trªn chôc ngh×n
mg/L vµo c¸c mïa ma lò.
6.2 Ph©n lo¹i t¹p chÊt trong níc theo kÝch thíc
/
storage/tailieu/files/source/2013/20130404/hoangtalo92/p2_ch_4_keo_tu_ch_5_lang_tuyen_noi_25_10_2
1_3476.doc
1
T¹p chÊt trong níc rÊt ®a d¹ng, chóng cã kÝch thíc tõ nhá nhÊt lµ c¸c ion tíi c¸c t¹p
th« nh×n thÊy ®îc. Trªn c¬ së kÝch thíc cña t¹p chÊt Kulsky [2] ®Ò xuÊt b¶ng
ph©n lo¹i níc tù nhiªn theo ®é ph©n t¸n cña t¹p chÊt, trªn c¬ së ®ã cã thÓ lùa
chän c¸c ph¬ng ph¸p kh¶o s¸t vµ c«ng nghÖ xö lý thÝch hîp.
B¶ng 6.2 - Ph©n lo¹i níc tù nhiªn theo kÝch thíc t¹p chÊt [2]
Nhãm I II III IV
§Æc trng
Nhò t¬ng vµ
huyÒn phï
HÖ ph©n t¸n tinh Dung dÞch ph©n
tö
Dung dÞch
®iÖn li
HÖ dÞ thÓ HÖ ®ång thÓ
KÝch thíc, cm,
µm
> 10−5
> 0,1
10−5 ÷ 10−6
0,1 ÷ 0,01
10−6 ÷ 10−7
0,01 ÷ 0,001
< 10−7
< 0,001
VÝ dô Phï sa
Plankton
Vi khuÈn
H¹t keo
C¸c hîp chÊt humic
Virus
KhÝ hoµ tan
ChÊt h÷u c¬ tan
ChÊt ph©n li h÷u
c¬
Cation
Anion
Ph¬ng ph¸p kh¶o
s¸t
C¸c lo¹i hiÓn vi §o ®é dÉn
HiÓn vi thêng
Läc b»ng giÊy läc
Ph©n tÝch sa
l¾ng
HiÓn vi ®iÖn tö
§iÖn thÈm t¸ch
T¸n x¹ Reley
Läc mµng b¸n thÊm
Phæ tö ngo¹i − khkiÕn
Lu ý: kÝch thíc ion thêng ®o b»ng Angstrëm (Å), 1 Å = 10−10 m =10−8 cm = 10−4
µ
m
Nhãm I: c¸c t¹p chÊt th« nh×n thÊy ®îc b»ng m¾t (khi nh×n tæng thÓ thÊy ®é
®ôc, mµu) hoÆc hiÓn vi quang häc thêng (thÊy tõng h¹t), chóng thêng kh«ng
bÒn, bÞ l¾ng hoÆc t¸ch líp (®èi víi nhò t¬ng) khi ®Ó tÜnh, chØ tån t¹i nhê
chuyÓn ®éng cña níc. Chóng thêng lµ c¸c h¹t phï sa, huyÒn phï gèc v« c¬, h÷u
c¬. Trong nhãm nµy cÇn lu ý c¸c sinh vËt níc bËc thÊp nh t¶o, vi khuÈn vµ
plankton. CÆn nhãm nµy cã kh¶ n¨ng l¾ng khi ®Ó l©u.
Nhãm 2: lµ nhãm dung dÞch keo. §©y lµ hÖ bÒn (khã l¾ng) nhê cÊu tróc ®Æc
biÖt cña c¸c h¹t keo. Trong nhãm nµy ph¶i kÓ ®Õn virus, c¸c chÊt cã ph©n tö lîng
lín cã nguån gèc tù nhiªn nh axit humic. H¹t keo cã kÝch thíc nhá (< 0,5 µm) nªn
b»ng m¾t vµ hiÓn vi th«ng thêng kh«ng thÓ nh×n thÊy.
Cã thÓ quan s¸t gi¸n tiÕp h¹t keo nhê hiÖu øng Tindal: khi ®a cèc dung dÞch vµo
buång tèi, dïng ®Ìn nhá chiÕu chïm ¸nh s¸ng hÑp ngang qua cèc dung dÞch vµ
quan s¸t b»ng m¾t theo híng vu«ng gãc víi tia s¸ng. NÕu lµ dung dÞch thùc (chÊt
tan d¹ng ph©n tö, ion) ta sÏ kh«ng thÊy chïm tia s¸ng. NÕu lµ dung dÞch keo ta sÏ
thÊy chïm tia s¸ng th«ng qua nh÷ng chÊm nhá lÊp l¸nh. §ã lµ hiÖu øng Tindal −
t¸n x¹ ¸nh s¸ng x¶y ra khi tia s¸ng gÆp h¹t keo cã kÝch thíc xÊp xØ bíc sãng ¸nh
s¸ng sÏ bÞ t¸n x¹ ra xung quanh, v× vËy ë híng vu«ng gãc víi ®êng ®i cña tia s¸ng
ta quan s¸t ®îc h¹t keo.
H¹t keo kÞ níc cã ®é bÒn nhê líp ®iÖn kÐp tÝch ®iÖn cïng dÊu. H¹t keo a níc cã
®é bÒn nhê t¬ng t¸c h¹t-níc th«ng qua c¸c chãm chøc a níc trªn c¸c ph©n tö h¹t
keo.
/
storage/tailieu/files/source/2013/20130404/hoangtalo92/p2_ch_4_keo_tu_ch_5_lang_tuyen_noi_25_10_2
1_3476.doc
2
Nuíc th¶i nhiÒu ngµnh s¶n xuÊt nh giÊy, ho¸ dÇu còng cã ®Æc trng cña nhãm
nµy. §©y lµ t¹p chÊt thuéc lo¹i vi dÞ thÓ, rÊt khã tù l¾ng, chØ cã thÓ läc ®îc
b»ng c¸c ph¬ng tiÖn läc th«ng thêng khi ®îc xö lÝ b»ng chÊt keo tô hoÆc t¹o
b«ng.
Nhãm 3: nhãm cña c¸c chÊt h÷u c¬ tan, khÝ hoµ tan, kÝch thíc h¹t chÊt tan ë
møc ph©n tö, ta cßn gäi lµ dung dÞch ph©n tö. Thµnh phÇn chÊt tan ë ®©y rÊt
®a d¹ng, nã cã thÓ cã nguån gèc tù nhiªn còng nh nh©n t¹o. Nã cã thÓ lµ c¸c
chÊt th¶i ra trong qu¸ tr×nh ho¹t ®éng sèng cña ®éng, thùc vËt, con ngêi, nhÊt lµ
tõ c¸c sinh vËt níc … VÒ b¶n chÊt ho¸ häc chóng cã thÓ thÓ hiÖn c¸c tÝnh chÊt
cña phenol, rîu, amin … Chóng cã thÓ g©y ®é mµu, mïi. Mét sè nhãm chÊt cã
tÝnh ®éc. §Æc trng chung lµ chóng tan nhng kh«ng ph©n li trong níc.
Nhãm 4: lµ nhãm c¸c chÊt chñ yÕu lµ v« c¬ tan, ph©n ly. KÝch thíc c¸c h¹t tan lµ
ph©n tö vµ nguyªn tö (A0 = angstrem = 10-10 m).
C¸c chÊt thuéc nhãm 3 vµ 4 lµ c¸c ®èi tîng khã xö lý nhÊt, nÕu läc cÇn sö dông
c¸c kÜ thuËt läc mµng hiÖn ®¹i nh läc nano (NF), läc thÈm thÊu ngîc (RO). T¹p
nhãm 1 vµ 2 thuéc hÖ ®a ph©n t¸n lµ ®èi tîng cña Ho¸ Keo hay Ho¸ häc c¸c hÖ
®a ph©n t¸n.
PhÇn lín c¸c lo¹i cÆn l¬ löng khã l¾ng läc ®Òu lµ nh÷ng h¹t keo kÝch thíc rÊt
nhá, kh«ng thÓ läc ®îc b»ng kü thuËt läc nhanh th«ng thêng kiÓu läc c¸t. B»ng
kü thuËt keo tô - l¾ng - läc ngêi ta cã thÓ xö lý ®îc phÇn lín t¹p chÊt trong c¸c
nhãm 1, 2 (b¶ng 6.2). Riªng ®èi víi c¸c chÊt h÷u c¬ tan g©y mïi, vÞ th× kÕt qu¶
cßn bÞ h¹n chÕ.
6.3 CÊu t¹o h¹t keo vµ tÝnh bÒn cña hÖ keo
Theo Atkins [3] hÖ keo lµ tªn gäi cæ ®iÓn cña c¸c hÖ ph©n t¸n dÞ thÓ cña c¸c h¹t
cã kÝch thíc nhá h¬n 500 nm trong m«i trêng kh¸c vÒ chÊt so víi chÊt h¹t (ë ®©y
ta chØ ®Ò cËp ®Õn m«i trêng láng).
Tuy nhiªn kÝch thíc kh«ng ph¶i lµ yÕu tè quyÕt ®Þnh mµ cÊu t¹o h¹t keo míi lµ
yÕu tè quyÕt ®Þnh ®Õn tÝnh bÒn cña c¸c hÖ keo.
Tuú vµo cÊu t¹o h¹t vµ nguyªn nh©n g©y ra ®é bÒn ta cã hai lo¹i h¹t keo: lo¹i a
dung m«i cô thÓ lµ a níc (hydrophilic) vµ lo¹i kÞ dung m«i hay kÞ níc
(hydrophobic).
Lo¹i a níc lµ c¸c dung dÞch cao ph©n tö víi c¸c ph©n tö chÊt h÷u c¬ hoµ tan cã
kÝch thíc lín vµ chøa nhiÒu nhãm chøc ph©n cùc, cã ¸i lùc cao víi c¸c ph©n tö n-
íc.
Lo¹i kÞ níc lµ c¸c lo¹i keo cã gèc «xit hoÆc hy®roxit kim lo¹i. Do kÝch thíc h¹t rÊt
nhá hÖ keo cã bÒ mÆt cùc lín, v× vËy vÒ mÆt nhiÖt ®éng chóng kh«ng bÒn vµ
cã xu thÕ co côm ®Ó gi¶m n¨ng lîng bÒ mÆt. MÆt kh¸c do h¹t keo cã cÊu t¹o
®Æc biÖt cña líp ®iÖn kÐp t¹o nªn lùc ®Èy tÜnh ®iÖn h¹t-h¹t nªn chóng khã tiÕp
cËn gÇn nhau, hót nhau vµ co côm thµnh h¹t lín h¬n ®ñ nÆng ®Ó cã thÓ l¾ng
®îc nªn hÖ nµy cã tÝnh bÒn.
/
storage/tailieu/files/source/2013/20130404/hoangtalo92/p2_ch_4_keo_tu_ch_5_lang_tuyen_noi_25_10_2
1_3476.doc
3
CÊu t¹o ®Æc biÖt cña h¹t keo cã thÓ ®îc lµm râ trªn c¬ së vÝ dô keo Fe(III):
Khi hoµ tan FeCl3 trong níc sÏ x¶y ra ph¶n øng thñy ph©n:
FeCl3 + 3H2O → Fe(OH)3 + 3HCl (6.1)
KÕt tña Fe(OH)3 co côm díi d¹ng tËp hîp h¹t [mFe(OH)3] rÊt nhá, ®îc gäi lµ h¹t
nh©n, nã cã kh¶ n¨ng hÊp phô nh÷ng ion gièng c¸c thµnh phÇn t¹o ra nã, vÝ dô
hÊp phô c¸c ion Fe3+, t¹o thµnh líp ion Fe3+ trªn bÒ mÆt h¹t ®îc gäi lµ líp hÊp phô
hay lµ líp ion quyÕt ®Þnh dÊu:
[mFe(OH)3] + nFe3+ → [mFe(OH)3]nFe3n+ (6.2)
Nh vËy, ta cã mét h¹t míi mang ®iÖn tÝch 3n+, nã cã xu thÕ hót 3n c¸c ion tr¸i
dÊu (Cl−
) trong dung dÞch ®Ó trung hoµ ®iÖn tÝch 3n+. Trong thùc tÕ kh«ng
ph¶i tÊt c¶ 3n h¹t Cl− b¸m chÆt vµo nh©n mµ chØ cã 3(n-x) h¹t Cl− b¸m vµo, líp
ion Cl− b¸m vµo nµy ®îc gäi lµ líp ®iÖn tÝch tr¸i dÊu. Cïng víi líp n ion Fe3+ ®· hÊp
phô cè ®Þnh ta cã 3(n-x) ion Cl−
b¸m theo h¹t [mFe(OH)3] t¹o thµnh líp ®iÖn kÐp
gåm 3n ®iÖn tÝch d¬ng vµ 3(n-x) ®iÖn tÝch ©m, kÕt qu¶ lµ h¹t keo (phÇn gi÷a
dÊu {}) mang ®iÖn tÝch 3x+:
[m Fe(OH)3]nFe3n+ + 3(n-x) Cl−
→ {[mFe(OH)3]nFe3n+3(n-x)Cl−
}3x+ (6.3)
PhÇn cßn l¹i 3x h¹t Cl− “tr«i næi” trong dung dÞch ë kho¶ng kh«ng gian gÇn h¹t,
t¹o nªn líp khuyÕt t¸n. Nh vËy, nÕu viÕt díi d¹ng c«ng thøc ho¸ häc h¹t keo cã cÊu
t¹o tæng thÓ nh sau:
{[mFe(OH)3]nFe3n+ 3(n-x)Cl−}3x+ 3xCl−
h¹t nh©n
líp hÊp phô (líp ion quyÕt ®Þnh dÊu)
líp ®iÖn tÝch tr¸i dÊu líp khuÕch t¸n
H¹t keo
Trong kh«ng gian, h¹t keo cã d¹ng nh mét qu¶ cÇu tÝch ®iÖn (h×nh 6.1).
Theo h×nh 6.1 h¹t nh©n lµ qu¶ cÇu gåm tËp hîp c¸c ph©n tö Fe(OH)3(r) n»m ë
t©m. C¸c ion quyÕt ®Þnh dÊu g¾n chÆt vµo qu¶ cÇu. C¸c ®iÖn tÝch tr¸i dÊu ë
líp gÇn nhÊt t¹o thµnh líp ion nghÞch vµ mÆt biªn A-A, c¸c ®iÖn tÝch tr¸i dÊu –
phÇn cßn l¹i n»m ë líp khuÕch t¸n kh¸ linh ®éng, v©y quanh h¹t keo tÝch ®iÖn
nh ®¸m m©y quanh tr¸i ®Êt.
Khi h¹t keo chuyÓn ®éng tøc lµ phÇn nh©n h¹t keo chuyÓn ®éng, líp “m©y”
tÝch ®iÖn tr¸i dÊu chuyÓn ®éng theo nhng víi tèc ®é chËm h¬n. MÆt ph©n c¸ch
AA gi÷a h¹t keo (tíi biªn líp ®iÖn kÐp) vµ líp khuyÕch t¸n gäi lµ mÆt trît (h×nh 6.1,
®êng chÊm chÊm A-A).
Tãm l¹i, ®Ó h¹t keo trung hoµ vÒ ®iÖn h¹t keo ph¶i cã hai líp ®iÖn tÝch tr¸i dÊu
cã cïng lîng ®iÖn tÝch: líp hÊp phô (vÝ dô, nFe3+) n»m trªn bÒ mÆt h¹t nh©n
/
storage/tailieu/files/source/2013/20130404/hoangtalo92/p2_ch_4_keo_tu_ch_5_lang_tuyen_noi_25_10_2
1_3476.doc
4
tÝch ®iÖn d¬ng hoÆc ©m (trong trêng hîp nFe3+ lµ d¬ng), ®iÖn thÕ t¬ng øng
cña nã lµ thÕ nhiÖt ®éng hay lµ thÕ Nernst,
ϕ
o; tiÕp theo lµ líp ion tr¸i dÊu tÝch
®iÖn ngîc l¹i (©m hoÆc d¬ng). Hai líp ®iÖn tÝch nµy t¹o nªn mét cÊu tróc t¬ng tù
nh hai b¶n cùc song song cña mét tô ®iÖn, trong ®ã mét b¶n cùc tÝch ®iÖn d-
¬ng (hoÆc ©m) g¾n chÆt víi h¹t nh©n lµ líp ion quyÕt ®Þnh dÊu, cßn b¶n cùc
kia tÝch ®iÖn tr¸i dÊu vµ t¹o nªn líp ®iÖn kÐp. §©y lµ cÊu t¹o th«ng thêng cña tô
®iÖn ph¼ng (h. 6.2).
H×nh 6.1- CÊu t¹o h¹t keo vµ sù thay ®æi thÕ
ξ
theo kho¶ng c¸ch tõ bÒ mÆt h¹t keo
ThuyÕt Helmholz:
ThuyÕt Helmholz coi h¹t keo cã cÊu t¹o tô ®iÖn ph¼ng.
§èi víi mét tô ®iÖn ph¼ng th«ng thêng, thÕ nhiÖt ®éng Nernst, ϕ0, cña tô ®iÖn
do c¸c ®iÖn tÝch cña líp hÊp phô, vÝ dô d¬ng, t¹o ra sÏ bÞ triÖt tiªu bëi sè ®iÖn
tÝch ©m t¬ng ®¬ng ë cùc ®èi diÖn, ra khái tô ®iÖn theo ph¬ng X tÝnh tõ mÆt
ph¼ng cña ®iÖn cùc ®iÖn thÕ sÏ b»ng kh«ng (®êng chÐo th¼ng tõ ϕo tíi A, h×nh
6.2).
Theo thuyÕt nµy h¹t keo vÒ tæng thÓ kh«ng mang ®iÖn tÝch, ®iÒu nµy kh«ng
cho phÐp gi¶i thÝch ®îc c¸c tÝnh chÊt ®iÖn ®éng (hiÖn tîng ®iÖn di, ®iÖn thÈm
do h¹t keo tÝch ®iÖn) vµ ®é bÒn cña hÖ keo.
ThuyÕt Stern:
/
storage/tailieu/files/source/2013/20130404/hoangtalo92/p2_ch_4_keo_tu_ch_5_lang_tuyen_noi_25_10_2
1_3476.doc
5
X
A
A
A
Líp ion tr¸i dÊu
Líp ion quyÕt ®Þnh dÊu
hay líp hÊp phô
ThÕ nhiÖt ®éng,
ThÕ dzeta,
Líp ®iÖn kÐp
H¹t nh©n
ϕ