Hóa kỹ thuật môi trường - Chương 5: Hệ keo

1LOGO TÊN MÔN HỌC: HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 5: HỆ KEO 1 Giảng viên: ThS Lê Nguyễn Kim Cương ThS Nguyễn Văn Phương MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG Ø Hiểu được quá trình hình thành hệ keo. Ø Đặc điểm, tính chất hệ keo. Ø Ứng dụng vào trong kỹ thuật môi trường CHƯƠNG 5: HỆ KEO 3 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) 5.4. ĐỘ BỀN VÀ SỰ KEO TỤ 5.5. ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH KEO TỤ Hệ keo, còn gọi là hệ phân tán cao, là một hệ thống có hai thể của vật chất, một dạng hỗn hợp ở giữa hỗn hợp đồng nhất và hỗn hợp không đồng nhất. Trong một hệ phân tán keo, các giọt nhỏ hay hạt nhỏ của một chất, chất phân tán, được phân tán trong một chất khác, môi trường phân tán. 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). HỆ KEO 2Phân loại các hệ keo Chất phân tán Khí Lỏng Rắn Môi trường phân tán Khí Không có: tất cả các khí đều có thể hòa tan được Aerosol lỏng (khí dung), Thí dụ: Sương mù Aerosol rắn, Thí dụ: Bụi, Khói xe Lỏng Bọt, Thí dụ: Kem sữa đánh đặc Nhũ tương, Thí dụ: Sữa, máu Sol (Dung dịch keo), Thí dụ: Sơn, mực 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 5.1. CẤU TẠO MIXEN KEO 1) Nhân trung hoà điện. 2) Lớp hấp phụ. 3) Lớp khuếch tán. Cấu tạo của mixen gồm: Hình 5.1. Cấu tạo hạt keo Nhân Ion tạo thế Ion đối Lớp khuếch tán 5.2. CÁC TÍNH CHẤT CỦA HỆ KEO 5.2.1. Tính chất quang học - Hiệu ứng Tyndall 5.2.2. Tính chất hấp phụ 5.2.3. Tính chất động học của hệ keo 5.2.4. Tính chất điện học 35.2.1. 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 xạ 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. 45.2.2. Tính chất hấp phụ (tt) v Hấp phụ chọn lọc: bề mặt hạt keo sẽ ưu tiên hấp phụ các ion theo thứ tự sau: § Ion tạo thế: là các ion có trong thành phần cấu tạo tạo nên bề mặt chất hấp phụ (nhân keo) hoặc những ion đồng hình với ion có trong bề mặt vật rắn. § Sau khi hấp phụ ưu tiên, nó sẽ hấp phụ ion trái dấu (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. 5.2.2. Tính chất hấp phụ (tt) § Trong dung dịch nước thứ tự hấp phụ ưu tiên là: ØCation hóa trị 1: Cs+> Rb+> K+> Na+>Li+ ØCation hóa trị 2: Ba+2 >Sr+2 >Ca+2 > Mg+2 ØAnion hóa trị 1: I- > NO3- > Br - > Cl- > F- 15 5.2.3. Tính chất động học của hệ keo 16 Click to add Title1 Sự khuếch tán Click to add Title2 Chuyển động Brown Click to add Title1 Áp suất thẩm thấu3 5Khuếch tán là sự vận chuyển vật chất từ vùng có nồng độ cao đến vùng có nồng độ thấp dưới ảnh hưởng của chuyển động nhiệt hỗn loạn. Do có kích thước lớn nên các hạt keo chuyển động với vận tốc thấp hơn các ion, phân tử. Click to add Title1 Sự khuếch tán Hạt keo luôn ở trạng thái chuyển động hỗn loạn. Cường độ chuyển động giảm nhanh khi kích thước hạt tăng. Do chuyển động hỗn loạn, nên các hạt keo khó lắng xuống chính là nguyên nhân làm hệ keo bền. Click to add Title2 Chuyển động Brown 19 20 Chuyển động Brown bề mặt 6Áp 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. Click to add Title1 Áp suất thẩm thấu3 5.2.4. Tính chất điện học 5.2.4.1. Hiện tượng điện động +- - - + + - + Thí nghiệm Rays (1807 tại Đại Học Tổng Hợp Mạc Tư Khoa) về sự chuyển dịch của hệ keo trong điện trường Hiện tượng điện chuyển Mô tả thí nghiệm, xem giáo trình. Các hạt sét (pha rắn) tích điện âm chuyển động tương đối với nước (pha lỏng) về A dưới tác dụng của điện trường. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng điện 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. hiện tượng điện thẩm tách 24 Pha lỏng chuyển động với pha rắn đã gây ra điện thế và được gọi là thế chảy. Pha rắn chuyển động tương đối với pha lỏng sẽ tạo ra điện thế được gọi là thế sa lắng. 75.2.4.2. Điện tích kép – thế điện động 25 Hình 5.5. Sơ đồ lớp điện tích kép Hình 5.6. Sơ đồ cấu tạo lớp hấp phụ và lớp khuếch tán - - - - - + + + + + + + + - - - Pha rắn Pha lỏng - - - - - + - + - + - + - Pha rắn Pha lỏng + + + + + + + + Hình 5.7. Sự phân bố ion đối và ion tạo thế a b 8Hiệu số điện thế giữa phần không chuyển động và phần chuyển động của lớp điện tích képđược gọi là thế điện động zeta (x). Điện thế giữa hai pha rắn – lỏng : thế nhiệt động. Hiệu số điện thế tổng thể giữa các pha được tính theo công thức: j = Y1 + x Trong đó: Y1: bước nhảy điện thế giữa hai pha rắn – lỏng x: bước nhảy điện thế trong lớp khuếch tán (hay thế điện động) Quan hệ giữa x và j Trong dung dịch khá loãng : x = j vì y1 → 0 Trong đó: j: điện thế giữa hai pha rắn – lỏng (hay thế nhiệt động) Thế nhiệt động: x = j - y1 Thực nghiệm cho thấy rằng thế điện động không chỉ nhỏ hơn thế nhiệt động (x < j) 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 ĐIỆN THẾ ZETA (z) 5.3.1. Ảnh hưởng của chất điện ly 5.3.2. Ảnh hưởng của pH 5.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ 5.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ 5.3.1. Ảnh hưởng của chất điện ly v Giá trị x phụ thuộc vào lượng các ion của lớp khuếch tán, nếu bằng cách nào đó thay đổi về lượng và về dấu của ion ở lớp đó thì x phải thay đổi về lượng cũng như về dấu. v Khi thêm chất điện ly vào hệ, thế nhiệt động hầu như không thay đổi, còn thế điện động x bị giảm xuống. 9Thế nhiệt động được xác định theo phương trình: 0 R.T Cln Z.F C j = Trong đó: j thế nhiệt động C nồng độ (hoạt độ) của cation kim lọai trong dung dịch C0 đại lượng cố định đặc trưng cho kim lọai (điện cực) Z hóa trị của kim lọai F hằng số Faraday R hằng số khí T nhiệt độ tuyệt đối j • Thế điện động x giảm xuống cho đến khi = 0 và hệ đạt trạng thái mà chúng ta gọi là trạng thái đẳngđiện: x = 0 ; j = y1 • Các ion đối nào có khả năng hấp phụ lớn như các ion hóa trị cao có khả năng làm giảm mạnh điện thế x. • Đối với những ion có hóa trị giống nhau, khả năng hấp phụ bị phụ thuộc vào bán kính ion. • Càng tăng chất điện ly thì x càng giảm và tới một lúc nào đó sẽ đạt tới x = 0. Sau đó tiếp tục tăng cũng sẽ không còn tác dụng nữa. 5.3.2. Ảnh hưởng của pH pH có ảnh hưởng lớn đến x của hạt keo vì H+, OH- có khả năng hấp phụ lớn. Trong các dung dịch mà pha phân tán có tính chất lưỡng tính như Al(OH)3 thì sự biến thiên pH của môi trường có thể gây ra sự đổi dấu điện của hạt keo do sự thay đổi tính chất ion hóa của các phân tử trong pha phân tán. 5.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ làm tăng:độ dày của lớp điện kép và thế điện động tăng. Mặt khác khi nhiệt độ tăng lại làm tăng quá trình giải hấp phụ các ion tạo thế do đó j và x giảm. Khi giảm nhiệt độ thì quá trình sẽ xảy ra ngược lại. Vì vậy, khi thay đổi nhiệt độ, giá trị x sẽ diễn biến theo chiều nào là tùy thuộc điều kiện cụ thể nghiên cứu. 10 5.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ Khi pha loãng thì x phải tăng lên, vì bề dày của lớp điện tích kép tăng. Tuy nhiên, khi pha loãng lại xảy ra sự hấp phụ của ion tạo thế khỏi bề mặt của pha phân tán làm cho thế nhiệt động j giảm xuống và x cũng giảm. Khi làm đậm đặc thì quá trình xảy ra ngược lại. Như vậy, x 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. ĐỘ BỀN VÀ SỰ KEO TỤ 5.4.1. Độ bền động học và độ bền tập hợp. 5.4.2. Thuyết độ bền của hệ keo 5.4.1. Độ bền động học và độ bền tập hợp. o Độ bền động học là độ bền do yếu tố chuyển động Brown gây nên. o Độ bền tập hợp là do các hạt keo tích điện cùng dấu đẩy nhau và hạt keo có lớp vỏ solvat bao quanh, ngăn cản tác dụng va chạm trực tiếp giữa chúng với nhau. Trạng thái của hệ keo được đặc trưng bằng hiệu số giữa lực đẩy và lực hút: P – Q = U. Với U: “hàng rào năng lượng” (khi U đạt giá trị cực đại thì mới gọi là hàng rào năng lượng) => 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 5.4.2. Thuyết độ bền của hệ keo 11 5.4.2. Thuyết độ bền của hệ keo (tt) v Nếu hai hạt dưới ảnh hưởng động năng do chuyển động của bản thân có năng lượng trội hơn “hàng rào năng lượng” U đó thì lực Q tăng đột ngột và các hạt kết dính nhau, hệ không bền.(Brown>U) v Nếu năng lượng chuyển động Brown nhỏ hơn U, các hạt không tiến gần nhau được – hệ sẽ bền. (Brown<U) v Khi làm giảm điện tích của hạt, có nghĩa khi làm giảm x, lực đẩy tĩnh điện P giảm và quá trình keo tụ có thể xảy ra. v Chuyển động Brown tăng khi tăng nhiệt độ của hệ. U có thể làm giảm bằng cách làm giảm zeta 5.5. ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH KEO TỤ Người ta chia ra hai dạng keo tụ: keo tụ nhanh và keo tụ chậm. Ø Trong keo tụ nhanh: Quá trình keo tụ nhanh xảy ra tức khắc khi x = 0 và tốc độ keo tụ không phụ thuộc vào nồng độ chất điện ly. Ø Đối với keo tụ chậm: Tốc độ keo tụ trong trường hợp này phụ thuộc vào nồng độ chất điện ly. Khi chưa thêm chất điện ly, quá trình keo tụ ẩn đã xảy ra nhưng với tốc độ nhỏ. O BA Liều lượng chất điện ly NhanhChậmẨnv C Hình 5.15. Tốc độ keo tụ phụ thuộc vào liều lượng chất điện ly KEO TỤ VÀ TẠO BÔNG CẶN Các chất keo tụ thường được sử dụng là muối sắt hay nhôm có hóa trị 3. Các chất tạo bông cặn thường được sử dụng là các chất hữu cơ cao phân tử như polyacrilamid. Việc kết hợp sử dụng các chất hữu cơ cao phân tử với các muối vô cơ cải thiện đáng kể khả năng tạo bông cặn.