ðịnh nghĩa về keo

Keo thường ñược ñịnh nghĩa trên cơ sở kích thước, ví dụ như có ít nhất (một phương diện) một khía cạnh về kích thước là giữa nm và |j.m. Một sự phân biệt rấ t có hiệu quả dựa trên cơ sỏ kích thước là màng lọc, ly tâm, khuếch tán mặc dầu có ích cho nhiều vấn ñề nhưng cũng không hoàn toàn thỏa mãn. ðể phù hợp với quan ñiểm nhiệt ñộng học chuyên sâu từ trừu tượng có ý nghĩa rộng “hòa tan” sẽ ñược sử dụng cho những hợp chất mà tiềm năng hoá học của chúng

có thể ñịnh nghĩa ñược. Keo là những hạt ñộng học ñược sinh ra liên tục (do sự vỡ ra từng mảnh, sự xói mòn vật lý, do sự kết tủa và sự tạo thành hạt nhân từ những dung dịch quá bão hoà), trả i qua sự thay ñổi thành phần, liên tục tách khỏi nước (do ñông tụ, do kết hợp và lắng ñọng, do hoà tan). Một sô" phản ứng keo ñã ñược tổng kết trong bảng 5.1. Bảng 5.2 dẫn ra những loại keo thường gặp trong hệ nước.

Bảng 5.1.

Loại phản ứng Tính chất hoặc phản ứng

Vậtiý Chất góp các hạt khác nhau (liên hợp keo, ñông tụ)

Vận chuyển cáe hoá chất (kim loại, chất ô nhiễm, chất dinh dưỡng)

Hoá học Tích gớp các chất tan kị nước ñược tích góp trên bề mặt do sự thải ra từ nước

Các phối tử bề mặt vô cơ và hữu cơ (bazơ Lewis) tương tác với các proton hoặc ion kim loại

Các axit Lewis liên kết với các phối tử (các amion và các axit yếu) trao ñổi phối tử

Bề mặt tích ñiện (kết quả chủ yếu bắt ñầu từ sự hấp phụ ion kim loại, H+ và phối tử) tương tác với bề mặt tích ñiện và phân cực. Chất xúc tác oxi hoá khử hấp thụ chất oxi hoá và chất khử và làm trung gian cho tương tác của chúng

Các chất nhận hoặc cho ñiện tử oxi hoá hoặc khử các chất tan (các oxit Fe (III), oxit Mn (III, IV), FeS2 và các sunfua, các hạt hữu cơ sinh hoá) Nhóm mang mầu hấp thụ ánh sáng thúc ñẩy các quá trình oxi hoá khử dị thể (bao gồm sự khử hoà tan của các oxi hoá trị cao (các chất bán dẫn)

Hoá sinh

Hạt sinh học sinh ra theo con ñường sinh hoá cacbon và các chất dinh dưỡng khác nhờ sinh ra hoặc phân hủy kiềm, các enzym ngoài tế bào thủy phân hoá, oxi hoá, hoặc khử các chất tan

Nguồn stumm (1993).

Bảng 5.2.

1. Các hjt sinh ra trong sông

• Các sản phẩm sinh ra dó quá trình thời tiết (mưa, nắng...) và keo ñất (ví dụ như nhôm silicat, caolinit, Si02, gipxit (quặng nhôm hiñroxit - AI203(H20)3).

• Sắt (III) và mangan (III, IV) oxit.

• Thực vật phù du, rác thải sinh vật, keo axit humic, sợi nhỏ° .

• ðược gọi là sắt (III) hòa tan bao gồm chủ yếu là oxit sắt (III) dạng keo ñược ổn ñịnh hoá bằng axit humic hoặc fulvic.

2. Keo ñ)t

• Các hạt caolinit.

• Các chất mùn, axit humic dạng keo, sợi nhỏn. • Oxit sắt ngậm nước.

• Các hạt ñất ñược bao phủ những lớp chất mùn cao phân tử, các oxit sắt (III) ngậm nước, và các hợp chất AI (III) hiñroxo.

3. Keo tr,m tích

• Keo sunfua và polisunfua trong các trầm tích thiếu oxi.

4. Keo hu cS và sinh htc

• Vi sinh vật, virut, keo sinh vật, sợi nhỏ; sự liên hợp giữa các chất dò rỉ với chất hữu cơ cao phân tử.

(*) Sợi nhỏ là keo hữu cơ kéo dài có ñường kính 2 - 10 nm bao gồm một phần là polisacarit.

Keo hấp thụ các ion kim loại nặng và các chất nhiễm bẩn sinh ra trong nước: do ñó sô" phận của các nguyên tố hoạt ñộng và của nhiều chất nhiễm bẩn trong môi trưòng phụ thuộc vào sự mỏ rộng chuyển ñộng của keo trong các hệ nước. Keo trong nước tự nhiên ñược ñặc trưng bằng sự phức tạp và sự ña dạng sinh vật, chất thải sinh vật các phần tử hữu cơ lớn, các khoáng chất, ñất sét và các oxit ñược bao phủ bằng chất hữu cơ.

Hình 5.1 giới thiệu phổ kích thước của các hạt và các lỗ lọc. Keo thưòng ñược giữ lạ i ở trạng thái lơ lửng bỏi sự lắng ñọng do lực hấp dẫn của chúng nhỏ hơn 10'2 cm.s'1. Dưới những ñiều kiện rất dễ hiểu (các hạt hình cầu, số Reynolds thấp), ñịnh luật Stoke cho chúng ta công thức tính tốc ñộ lắng vs như sau:

v.= * ? - - p d2 (1)

18 T|

g là gia tốc trọng lực; ps và p là khối lượng riêng của hạt và của nưốc; t| là ñộ nhốt tuyệt ñối (ở 20°c là 0,001005 kg m V 1) và d là ñường kính hạt. Chú y là vs tỷ lệ thuận với bình phương của ñường kính hạt. Phương trìn h (1) còn ñược áp dụng cho sự tách nổi (sự tăng lực hấp dẫn của các hạt lơ lửng nhẹ hơn nước khi Ps<P, vs<0).

Phổ kích thưốc của các hạt sinh ra trong nước và lỗ lọc (hình 5.1). 10 0 1A ‘1C 10- 9 ỈÒ-8 10' to 10' 10" 1 0" CÁC L O ¨  ỉ phcìrt t ˆ Ijjm k e o Vi1 d j : ñ ) t sét FeOOH S02 CctCO Vf' r u t H A T LOC tˆ p h a n >ư ị 1 nnrr) ỉ J H ạ t l ơ l ư n g «--- 1---- 3* 102 ð"dna k ín h (m) Ši t r ũ n g *1 TSo toãng /?Ặy _- ___L_____ í vi loc Giây ioc I ^ i c C i g eN s/he —‐‐‐‐ ‐‐ thSn ho at tinh (hjt) c ơ c b o n h o ạ t f i r t h vi ÍÔ* L«C VÀ T¡M t h ì'Chi Sỉ âu ( ỉoc  cirri th N ch - — - — Ltc sâu 1 nm 1 J jm 1 mm

Hình 5.1. Các hạt lơ lửng hoặc keo trong nước tự nhiên và trong nước thải có ñường kính từ

0,001 ñến khoảng 100 um (1.10'9 -ỉ-10'4 m). ðối với những hạt nhỏ hơn 10 um tốc ñộ lắng giới hạn do khối lượng sẽ nhỏ hơn khoảng 10'2 cm.s'1. Lỗ lọc của lọc cát thường lớn hơn 500 um. Những hạt nhỏ hờn (keo) có thể bị lắng nếu chúng liên hợp lại hoặc là bị lọc nếu chúng dính vào các hạt lọc. Tách hạt rất quan trọng trong các quá trình sau ñây: sự liên hợp của các hạt lơ lửng (ñất sét, oxit ngậm nước, thực vật phù du, chất thải sinh vật) trong nước tự nhiên; ñông

tụ (và sự kết bông) trong cấp nước và xử lý nước thải; sinh học (liên hợp của vi khuẩn và các chất rắn lơ lửng khác), trong quá trình xử lý sinh học, bùn ñã ñược kiểm tra (làm mất nước lọc)

và lọc, nước lọc thấm qua và kết tủa bị loại bỏ.

Keo bị tách khỏi nưốc hoặc do lắng xuống nếu chúng liên hợp lạ i hoặc do lọc nếu chúng bám vào các hạt của môi trưòng mà dung dịch ñi qua (ñất, chất mang nước ngầm, lọc công nghiệp). Sự tập hợp các hạt (ñất sét, oxit ngậm nước, mùn, vi sinh vật, thực vật phù du) dựa trên tính chất chung là liên kết các hạt thành một tập hợp lớn hơn. Quá trìn h làm cho các hạt keo lơ lửng trỏ nên không bền và bị lắng xuốhg theo trọng lực ñược gọi là sự ñông tụ. ðôi kh i thuật ngữ sự

kêt bông (flocculation) ñược dùng ñể diễn tả sự tập hợp keo nhò sự bắc cầu cao phân tử nhưng tấ t cả các thuật ngữ thường ñược sử dụng thay thê lẫn nhau.

Sự tập hợp các hạt rấ t quan trọng trong nước tự nhiên và trong các hệ ñất, trong sự thấm qua và sự chuyển vận nước ngầm và trong công nghệ nước. Ví dụ như sự ñông tụ và kết bông trong cấp nưóc và xử lý nước thải, sự kết bông sinh học (sự tập hợp các vi sinh vật và các chất rắn lơ lửng khác) trong quá tr ình xử lý sinh học và bùn ñã ñược thử nghiệm (làm mất nưốc và lọc). Sự tách nổi ñược sử dụng cả trong công nghệ nước và cả trong sự tách một hợp phần vô cơ ñặc biệt từ hỗn hợp. Các ñại dương và các hồ là những vùng trũng kết lắng các hạt, sự ñông tụ trong các vùng trũng ñó có thể ñủ nhanh và ảnh hưỏng lớn ñến nồng ñộ hạt lơ lửng và lưu lượng trầm tích một cách ñáng kể. Phần lớn keo sinh ra trong sông và các chất lơ lửng ñược ñông tụ và kết lắng ỏ cửa sông, cửa biển.

Vai trò của các hạt kết lắng trong sự ñiều chỉnh nồng ñộ các kim loại nặng trong sông, hồ và ñại dương ñã ñược ñề cập ñến ỏ chương III.

ðỘ BỀN CỦA KEO

ðốì vói keo thuật ngữ ñộ bền có ý nghĩa hoàn toàn khác với trong nhiệt ñộng học. Một hệ chứa các hạt keo ñược gọi là bền nếu trong quá trìn h quan sát trạng thái phân tán của nó chậm biến ñổi. Thòi gian các hạt keo bền có thể là hàng năm hoặc chỉ một phần giây. Mặt phân cách lốn tồn tạ i trong các hệ ñó ñược ñặc trưng bằng năng lượng tự do lớn; bằng sự kết tin h lạ i hoặc kết tụ năng lượng ñó có xu hưống ñạt giá t r ị thấp hơn bỏi vì về mặt nhiệt ñộng học, trạng thái năng lượng thấp nhất ñạt ñược khi những hạt sol liên kết lạ i thành những tập hợp. Thuật ngữ ñộ bền cũng ñược dùng cho các hạt có kích thước lớn hơn kích thước của keo. Như vậy là, ñộ bền của sol và của các hạt lơ lửng (huyền hù) thường có thể ñược giải thích trên một quan ñiểm ñồng nhất.

Có hai loại keo ñược thừa nhận ñó là keo k ị nước và keo ưa nước. Trong keo loại hai ái lực giữa hạt và nước khá mạnh, còn trong keo loại một ái lực ñó không ñáng kể. Có sự chuyển loại dần dần giữa keo ưa nước và k ị nưốc, sol vàng halogenua, bạc và oxit kim loại không hiñrat hoá là những hệ keo k ị nước ñiển hình. Gelatin, tin h bột, keo dán và protein cũng như hầu hết keo sinh vật (virut, vi trùng) là những keo ái nưốc. Những keo kỵ nưóc và ưa nước có ñộ bền khác nhau trong cùng một dung dịch ñiện ly. Những keo cao phân tử và nhiều keo sinh vật thường khá bền. Trong các hệ nước nhiều bề mặt keo có chứa các phân tử nước liên kết tạ i các bề mặt của chúng. Sự hấp phụ các polime thích hợp có thể làm giảm ñộ bền do nguyên nhân lập thể.

Chúng ta sẽ thấy dưối ñây, ñộ bền keo có thể bị ảnh hưỏng của các chất ñiện ly và của các ehất hấp phụ do chúng ảnh hưỏng ñến ñiện tích bề mặt của

keo; có thể bị ảnh hựỏng của các cao phân tử do chúng eó tác ñộng ñến tương tác hạt, cũng có thể bị ảnh hưỏng do các cầu giữa chúng ñược tạo thành hoặc sự ổn ñịnh lập thệ giữa chúng.

CÁC KEO ACTINIð

Các cation actiniñ bị thủy phân trong nước. Sự thủy phân dẫn tối sự ña nhân hóa và do ñó sinh ra các keo actinit. Các hợp chất thủy phân ña nhân trỏ nên dễ dàng hấp phụ trên bề mặt của keo tự nhiên. Quy luật ñó ñược vận dụng cho 234Th (sinh ra từ hạt nhân phóng xạ 238U).234Th có tính chất ña nhân và tính chất keo một phần do ñó có hoạt tính bề mặt cao và bị loại trừ khỏi cột nưóc thông qua hấp phụ và ñông tụ ñi vào các hạt lắng xuống. Phần lốn M (III), M (IV) và M (VI) tồn tạ i trong nưóc ngầm ỏ keo. Vì keo có khả năng di chuyển trong một tầng ngậm nước nên các keo actiniñ trong nước ngầm hiện nay là ñối tượng nghiên cứu về nhiều mặt. Sự phân loại kích thưốc cũng ñã ñược thực hiện nhò vi lọc, kính hiển v i ñiện tử q u é t... (hình 5.1).

SỬ DỤNG MÀNG LỌC ðẾ TÁCH HẠT KHỎI CHẤT TAN

Trong nước tự nhiên, ñất và các hệ trầm tích cần phân biệt rõ chất tan và hạt. Trong hình 5.1 ngưòi ta ñã phân loại hạt và chất tan. Rõ ràng là sự phân biệt giữa “chất tan” và chất ỏ dạng “hạt” chỉ bằng phương pháp lọc thường không thành công vì kích thước của các cấu tử trong nưóc biến ñổi liên tục từ angstrom ñến micromet.

Dùng lọc và màng có kích thước lỗ khác nhau ñể hoàn thành việc phân chia kích thước một cách liên tục chỉ là về nguyên tắc. Ớ những tình hình cụ thể tùy ñiều kiện cho phép cần xác ñịnh kích thước các hạt keo và các phân tử lớn ñể xác ñịnh xem ỏ vùng (phạm vi) nào kim loại vết liên hợp ñược các vùng kích thưóc xác ñịnh của keo và các phân tử lớn. Mỗi kỹ thuật phân chia kích thước liên tục phải ñược sử dụng hết sức thận trọng. Chúng tôi liệ t kê một số nguyên nhân ñể có thể hiểu ñược vì những kỹ thuật này có thể cho những kết quả sai lầm.

1. Mặc dù hầu hết các hạt lớn hơn kích thước lỗ nên bình thường còn lại trong nước nhựng nhiều hạt nhỏ hơn (ñôi kh i nhỏ hơn 10 -f- 1000 lần so vói kích thước lỗ) cũng có thể còn lạ i trong nước. K hi lọc ỏ trên và trong lỗ lọc những hạt keọ nhỏ hơn kích thưóc lỗ liên kết lạ i vói nhau thành hạt lốn hơn. Sự phân bôí lỗ của màng lọc thưòng rấ t rõ ràng.

2. Sự keo tụ có thể xẩy ra trong phần chủ yếu của mẫu và trên máy lọc, vì

chủ yếu củạ mẫu (và trong huyền phù trên giấy lọc). ðối vối nồng ñộ hạt thường gặp trong nước tự nhiên (105 -ỉ-109 hạt cm'3), sự keo tụ một nửa sô" hạt ñược thực hiện trong một chu kỳ nhiều giò hoặc nhiều ngày tùy thuộc vào những ñiều kiện hoá học. Sự lọc cần phải ñược thực hiện càng nhanh càng tốt trong ñiều kiện có thể sau kh i lấy mẫu. Sự keo tụ trên và trong máy lọc có thể xẩy ra, quy mô nâng cao cùng với tốc ñộ dòng chảy ñược sử dụng ñể lọc.

3. Tương tác của chất tan có thể xẩy ra với vật liệu lọc và xác hạt còn lại trong nước. Vấn ñề trỗ thành ñặc biệt nghiêm trọng với các kim loại nặng, chúng bị hấp phụ ñặc biệt ỏ giá tr ị pH 7 và lớn hơn trên thành của máy lọc và trên vật liệu lọc (thủy tinh, cao phân tử ñồng trùng hợp acrylic, este của xelluloza, cacbonat cao phân tử).