Điện thế zeta đóng vai trò gì trong quá trình xử lí nước thải?

Các quá trình vật lý như lắng tụ, tuyến nổi và lọc đóng vai trò cốt lõi trong hầu hết các chuyến tàu xử lý dòng nước thô và nước thải. Tất cả các quá trình này phụ thuộc vào các nguyên tắc liên quan đến kích thước, mật độ và điện tích của các hạt được loại bỏ.

Tầm quan trọng của điện tích hạt đối với hiệu quả của quá trình được xác định bởi kích thước của các hạt đang được nghiên cứu. Một khi các hạt đạt đến một kích thước nhất định, khối lượng của chúng gây ra tốc độ lắng, do trọng lực đủ lớn để vượt xa mọi tác động do hóa học lên bề mặt của các hạt.

Tuy nhiên, trong phạm vi kích thước thường gặp trong các quy trình xử lý nước thô và nước thải (<1000 Bài), các lực bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát các đặc tính lọc bỏ chất của hệ thống.

Điện tích bề mặt, hay quan trọng hơn là điện thế zeta (), được xác định bằng cách đo vận tốc hạt gây ra khi chênh lệch điện thế được áp dụng trên một tế bào mao quản chứa mẫu (Zetasizer, Malvern Instruments Ltd.).

Điện thế Zeta được biết đến là một yếu tố quan trọng trong việc xác định hiệu suất của các quá trình vật lý như keo tụ và lắng đọng.

Điện thế zeta, sự lắng tụ và tuyến nổi

Điện thế zeta ảnh hưởng đến kích thước và mật độ các khối chất rắn hình thành trong nước. Bên cạnh đó, điện thế zeta giúp tăng mật độ nước gây ra hiện tượng keo tụ nhanh hơn.

Điện thế zeta thấp làm giảm tương tác tĩnh điện giữa các hạt. Điều này cho phép các hạt tiếp cận chặt chẽ và tạo ra các chuỗi nhỏ gọn hơn. Hình 1 cho thấy độ đục của nước sau quá trình lắng đọng một nước thô đã được đông tụ, có độ đục thấp, sẫm màu. Độ đục của nước thải thấp và ổn định được quan sát trong phạm vi điện thế zeta hoạt động trong khoảng từ + 3mV đến -22mV. Ở mức điện thế zeta âm hơn -22 mV, độ đục của nước thải tăng mạnh khi các hạt lơ lửng trong nước trở nên ổn định hơn do lực đẩy giữa chúng. Kích thước của cửa sổ vận hành này có thể được tăng cường bằng cách thay đổi các chất keo tụ như trong Hình , những nơi có mật độ điện tích cao hơn tạo ra cửa sổ hoạt động trong phạm vi rộng hơn khi các điện thế zeta dương.

Kết quả độ đục cuối thông thường so với điện thế zeta trong quá trình lắng đọng chất hữu cơ tự nhiên đã đông tụ với chất keo tụ mật độ điện tích thấp (vòng tuần hoàn mở) và chất keo tụ mật độ điện tích cao (vòng tuần hoàn kín)

Chức năng của quá trình tuyển nổi dựa trên sự khác biệt về mật độ nhưng trong trường hợp này vì mật độ được giảm bằng cách gắn bong bóng khí vào pha rắn. Trong các hoạt động như vậy, tầm quan trọng của điện thế zeta liên quan đến khả năng gắn kết và bám dính của các bong bóng và các hạt. Quá trình này đã được quan sát và cho thấy nó được thúc đẩy bởi điện thế zeta kết hợp với các hạt và bong bóng, mặc dù trong nhiều trường hợp, chỉ cần đo pha rắn là đủ. Hình 2 cho thấy kết quả tác động của cả điện thế zeta, các hạt và bong bóng trong quá trình tuyển nổi của nước đục có độ đông tụ cao. Mối quan hệ được biểu thị đã chứng minh điện thế zeta thấp dẫn đến hiệu quả lọc nước cao hơn. Hiệu quả giảm khi sản phẩm của điện thế zeta tăng, chỉ ra rằng nếu một trong hai bề mặt được tích điện cao thì hiệu quả của quá trình sẽ bị giảm. Kiểm tra các đường cong của biểu đồ xét cả quá trình làm việc cho thấy sự suy giảm hiệu suất trong quá trình xử lí ban đầu xảy ra ở các phạm vi kích thước nhỏ hơn như dự đoán là do sự chi phối ngày càng tăng của các hiệu ứng điện tích ở các kích thước nhỏ hơn này.

Hình 2: Độ lọc nước thông thường so với điện thế zeta trong quá trình tuyển nổi nước có độ đục cao

Quá trình lọc và hệ thống hóa học

Quá trình lọc hoạt động bằng cách gắn các hạt vào các hạt vật liệu như cát và than antraxit. Vai trò của điện thế zeta ở đây là xác định khả năng của các hạt được hút giữ. Về nguyên tắc, điều này giống như đối với tuyển nổi. Ngoại trừ, so với các bong bóng, bề mặt ít bị ảnh hưởng bởi những thay đổi trong hóa học. Hình 3 biểu thị mối quan hệ tương tự như Hình 1, trong đó một cửa sổ hoạt động của điện thế zeta tồn tại với nồng độ hạt trong nước thải vừa thấp và ổn định. Nồng độ nước thải ổn định phụ thuộc vào các thông số lọc tiêu chuẩn như kích thước môi trường và tốc độ lọc trong khi cửa sổ hoạt động của điện thế zeta không bị ảnh hưởng bởi các biến vận hành và được xác định bởi hệ thống hóa học thông qua các tham số như chất đông tụ loại nào và độ pH.

Hình 3: Kết quả cuối độ đục của nước thông thường so với điện thế zeta trong quá trình lọc sâu (toàn bộ) của vùng nước có độ đục cao và thấp.

Kết luận

Bức tranh tổng thể cho thấy sự tồn tại các cửa sổ vận hành của điện thế zeta với hiệu quả xử lý cao và nồng độ hạt trong nước thải thấp. Quá trình này thực sự trở nên độc lập với điện thế zeta khi các yếu tố khác trở nên hạn chế về hiệu suất. Điều đặc biệt là nhiều đoàn tàu trong ngành công nghiệp xử lý nước dường như hoạt động với điện thế zeta (-15 <<-10mV) gần với mức của các cửa sổ vận hành đã được quan sát, khiến chúng dễ bị ảnh hưởng bởi các thay đổi nhỏ trong điều kiện đầu vào.

Nhận xét tổng kết

Việc ứng dụng điện thế zeta để chẩn đoán và kiểm soát các quá trình xử lý nước và nước thải không phải là mới. Các tài liệu nghiên cứu thường trích dẫn về chủ đề này có từ hàng thập kỷ trước và trên thực tế hầu hết những kiến thức cơ bản về cách thức kiểm soát điện thế zeta vẫn tương tự như những nghiên cứu ban đầu. Công việc thời kì ban đầu bị hạn chế bởi độ phức tạp của chính phép đo và độ chính xác của thiết bị. Điều này có xu hướng hạn chế công việc phân tích đối với các tập dữ liệu nhỏ không phù hợp cho việc kiểm tra của các hệ thống xử lý trên thực tế và hạn chế các thí nghiệm trong các môi trường lý tưởng hóa.

Các phương pháp hiện đại và cải tiến về độ chính xác, độ bền vững của các kỹ thuật đo lường đã giúp hồi sinh, cải tiến ứng dụng của điện thế zeta trong chẩn đoán và vận hành các quy trình vật lý. Việc sử dụng thường xuyên điện thế zeta với vai trò một tham số đã trở nên khả thi hơn, đặc biệt là khi cải tiến về độ bền vật lý của công nghệ, nghĩa là một hệ thống có thể được thực hiện tại chỗ khi cần thiết.

Những cải tiến trong các lĩnh vực phân tích liên quan cũng đã được thực hiện, cho phép mô tả đặc trưng hơn các vùng nước. Thách thức hiện tại là tìm hiểu những gì đang kiểm soát kích thước của cửa sổ vận hành điện thế zeta và sau đó làm thế nào nó có thể được thao tác để cải thiện độ mạnh mẽ của hiệu suất. Điều này có thể yêu cầu các thay đổi hóa học của nước hoặc các quá trình vật lý.

Đây là một chủ đề thú vị thực sự cho phép chúng tôi cũng như nhà máy tự tin xử lý nước, cung cấp nền tảng cần thiết cho sự phát triển của các quá trình vật lý để xử lý nước và nước thải dựa trên khoa học cơ bản.