Bước tới nội dung

Keo tụ

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Tập tin:Floculação.jpg
Xử lý nước bằng phương pháp keo tụ

Keo tụ (Flocculation) là quá trình mà các hạt keo (colloid) thoát khỏi hệ huyền phù (suspension) để lắng xuống dưới dạng bông cặn (floc) hoặc vảy nến một cách tự phát hoặc do việc bổ sung một chất làm trong. Trong hóa học chất keo, hiện tượng này khác với kết tủa ở chỗ, trước khi keo tụ, các chất keo chỉ đơn giản là được huyền phù, dưới dạng một sự phân tán ổn định (trong đó pha nội (rắn) được phân tán khắp pha ngoại (lỏng) thông qua khuấy cơ học) và không thực sự hòa tan trong dung dịch. Đông tụ và keo tụ là các quá trình quan trọng trong lên men và xử lý nước, với việc đông tụ nhằm mục đích làm mất ổn định và tập hợp các hạt thông qua các tương tác hóa học giữa chất đông tụ và các chất keo, và keo tụ nhằm lắng các hạt bị mất ổn định bằng cách thúc đẩy quá trình tập hợp của chúng thành các bông cặn. Một cơ chế gây ra sự keo tụ là sự tạo phức hạt keo (coacervate) sự đồng kết tụ (coacervation).

Định nghĩa

IUPAC định nghĩa[1]
Sự keo tụ (trong khoa học polyme): Sự hình thành thuận nghịch các tập hợp trong đó các hạt không tiếp xúc vật lý với nhau.

Sự kết tụ (trừ trong khoa học polyme)
Sự đông tụ (trừ trong khoa học polyme)
Sự keo tụ (trừ trong khoa học polyme)
Quá trình tiếp xúc và bám dính nhờ đó các phân tử hoặc hạt phân tán được giữ lại với nhau bởi các tương tác vật lý yếu, cuối cùng dẫn đến sự tách pha thông qua việc hình thành các kết tủa có kích thước lớn hơn kích thước keo.

  • Trái ngược với sự tập hợp (aggregation), sự kết tụ (agglomeration) là một quá trình thuận nghịch.
  • Định nghĩa được đề xuất ở đây được khuyến nghị để phân biệt sự kết tụ với sự tập hợp. Các hạt cấu thành nên các chất kết tụ có thể được phân tán trở lại.
  • Trích dẫn này từ Cuốn sách Tím (Tuyển tập Thuật ngữ và Danh pháp Polyme: Khuyến nghị của IUPAC, 2008).[2]

Theo định nghĩa của IUPAC, sự keo tụ là "một quá trình tiếp xúc và bám dính nhờ đó các hạt của một hệ phân tán hình thành các cụm kích thước lớn hơn". Sự keo tụ đồng nghĩa với sự kết tụ và đông tụ/kết hợp.[3][4] Về cơ bản, đông tụ là quá trình bổ sung chất đông tụ để làm mất ổn định một hạt mang điện đã được ổn định. Trong khi đó, keo tụ là một kỹ thuật thúc đẩy sự kết tụ và hỗ trợ quá trình lắng đọng của các hạt. Chất đông tụ được sử dụng phổ biến nhất là phèn, Al2(SO4)3·14H2O. Phản ứng hóa học liên quan:

Al2(SO4)3 · 14 H2O → 2 Al(OH)3(s) + 6 H+ + 3 SO2−
4 + 8 H2O

Trong quá trình keo tụ, việc khuấy nhẹ nhàng làm tăng tốc độ va chạm của các hạt, và các hạt bị mất ổn định tiếp tục được tập hợp và vướng vào các kết tủa lớn hơn. Sự keo tụ bị ảnh hưởng bởi một số thông số, bao gồm lực cắt và cường độ khuấy, thời gian và pH. Tích của cường độ khuấy và thời gian khuấy được sử dụng để mô tả các quá trình keo tụ. Quá trình lựa chọn liều lượng và loại chất trợ lắng được gọi là thử nghiệm jartest. Thiết bị được sử dụng cho thử nghiệm jartest bao gồm một hoặc nhiều cốc thủy tinh, mỗi cốc được trang bị một máy khuấy cánh khuấy. Sau khi bổ sung các chất trợ lắng, quá trình khuấy nhanh diễn ra, tiếp theo là khuấy chậm và sau đó là quá trình lắng. Các mẫu sau đó có thể được lấy từ pha nước trong mỗi cốc.[5]

Ứng dụng

Trong hóa học chất keo, sự keo tụ đề cập đến quá trình khiến các hạt mịn kết lại với nhau thành một bông cặn. Bông cặn sau đó có thể nổi lên bề mặt chất lỏng (tạo váng sữa/creaming), lắng xuống đáy chất lỏng (sự lắng/sedimentation), hoặc dễ dàng được lọc khỏi chất lỏng. Hành vi keo tụ của các chất keo trong đất có liên quan mật thiết đến chất lượng nước ngọt. Khả năng phân tán cao của các chất keo trong đất không chỉ trực tiếp gây ra độ đục của nước xung quanh mà còn thúc đẩy sự phú dưỡng do sự hấp thụ các chất dinh dưỡng ở các con sông, hồ và thậm chí cả tàu thuyền dưới biển. Đối với các nhũ tương, sự keo tụ mô tả việc các giọt phân tán riêng lẻ chụm lại với nhau, nhờ đó các giọt riêng lẻ không bị mất đi bản chất ban đầu của chúng.[6] Do đó, sự keo tụ là bước ban đầu dẫn đến quá trình lão hóa tiếp theo của nhũ tương (sự kết hợp giọt và sự tách pha cuối cùng). Sự keo tụ được sử dụng trong tuyển khoáng,[7] nhưng cũng có thể được sử dụng trong thiết kế các tính chất vật lý của sản phẩm thực phẩm và dược phẩm.[8] Trong phòng thí nghiệm y tế, sự keo tụ là nguyên tắc lõi được sử dụng trong các xét nghiệm chẩn đoán khác nhau, ví dụ như xét nghiệm reagin huyết tương nhanh (rapid plasma reagin - RPR).[9]

Trong kỹ thuật xây dựng và khoa học Trái Đất, sự keo tụ là trạng thái trong đó các loại đất sét, polyme hoặc các hạt nhỏ mang điện khác liên kết với nhau và hình thành một cấu trúc mỏng manh, gọi là bông cặn. Trong các huyền phù đất sét phân tán, sự keo tụ xảy ra sau khi ngừng khuấy cơ học và các phiến đất sét phân tán tự phát hình thành các bông cặn do lực hút giữa các điện tích mặt âm và các điện tích cạnh dương. Sự keo tụ được sử dụng trong các ứng dụng công nghệ sinh học kết hợp với vi lọc để cải thiện hiệu quả của các dòng nuôi cấy sinh học. Việc bổ sung các chất trợ lắng tổng hợp vào lò phản ứng sinh học có thể làm tăng kích thước hạt trung bình, giúp quá trình vi lọc trở nên hiệu quả hơn. Khi không bổ sung chất trợ lắng, các lớp bã bánh hình thành và tích tụ gây ra khả năng sống của tế bào thấp. Các chất trợ lắng mang điện tích dương hoạt động tốt hơn các chất mang điện tích âm vì các tế bào thường mang điện tích âm.[10] Sự keo tụ được ứng dụng rộng rãi để đo lường tiến trình hình thành đông sữa (curd) trong các giai đoạn đầu của quá trình sản xuất phô mai nhằm xác định thời gian đông sữa cần thiết.[11] Phản ứng liên quan đến các micelle rennet được mô tả bằng động học Smoluchowski.[11] Trong quá trình làm đông sữa bằng rennet, các micelle có thể tiến lại gần nhau và keo tụ, một quá trình liên quan đến thủy phân các phân tử và đại peptit (macropeptide).[12] Sự keo tụ cũng được sử dụng trong quá trình xử lý nước thải phô mai. Ba chất đông tụ khác nhau chủ yếu được sử dụng:[13]

Trong ngành công nghiệp sản xuất bia, sự keo tụ có một ý nghĩa khác. Đây là một quá trình rất quan trọng trong quá trình lên men trong quá trình sản xuất bia, nơi các tế bào hình thành các bông cặn vĩ mô. Các bông cặn này khiến nấm men lắng xuống hoặc nổi lên đỉnh của quá trình lên men ở cuối giai đoạn lên men. Sau đó, nấm men có thể được thu gom (thu hoạch) từ đỉnh (quá trình lên men ale) hoặc từ đáy (quá trình lên men lager) của thiết bị lên men để tái sử dụng cho mẻ lên men tiếp theo.[14] Sự keo tụ của nấm men được xác định một phần bởi nồng độ canxi, thường nằm trong khoảng 50-100 ppm.[15] Các muối canxi có thể được thêm vào để gây ra keo tụ, hoặc quá trình này có thể bị đảo ngược bằng cách loại bỏ canxi thông qua việc thêm phốt phát để tạo thành calci phốt phát không tan, thêm sunfat dư thừa để tạo thành calci sunfat không tan, hoặc thêm EDTA để tạo phức (chelate) các ion canxi. Mặc dù có vẻ giống với sự lắng trong các hệ phân tán keo, các cơ chế lại khác nhau.[16]

Xử lý nước

Tập tin:Irrigation and Water (20150827-NRCS-LSC-0171).jpg
Hệ thống xử lý nước bằng phương pháp keo tụ

Keo tụ và lắng được ứng dụng rộng rãi trong việc làm sạch nước uống cũng như trong xử lý nước thải, xử lý nước mưa và xử lý các dòng nước thải công nghiệp. Đối với nước uống, các quá trình xử lý điển hình bao gồm lưới chắn rác, đông tụ, keo tụ, lắng, lọc hạt dạng hạt và khử trùng.[17] Các bước đông tụ và keo tụ tương tự nhau, làm cho các hạt tập hợp lại và rơi ra khỏi dung dịch, nhưng có thể sử dụng các hóa chất hoặc chuyển động vật lý khác nhau của nước.[18] Nhiều loại muối có thể được thêm vào để điều chỉnh độ pH và đóng vai trò là chất làm trong, tùy thuộc vào hóa học của nước. Chúng bao gồm natri hydroxit, canxi hydroxit, nhôm sunfat, nhôm oxit, sắt(III) sunfat, sắt(III) clorua, natri aluminat, cùng với các chất trợ lắng như polyaluminum chloride (PAC), polyferric chloride.[18] Nhiều loại polyme dương, âm, và không ion cũng được sử dụng, thường có khối lượng phân tử dưới 500.000.[18]

Polydiallyldimethyl ammonium chloride (polyDADMAC) và epiDMA (copolymers của epichlorohydrin và dimethylamine) là những lựa chọn phổ biến, mặc dù chúng có thể tạo ra các chất nitrosamin gây ung thư.[18] Cát, than hoạt tính dạng bột và đất sét cũng có thể được sử dụng làm chất tạo mầm (nucleating agents); trong một số trường hợp, chúng được tái sử dụng sau khi chiết xuất.[18] Các sinh polyme, đặc biệt là chitosan, ngày càng trở nên phổ biến như các chất trợ lắng thân thiện với môi trường.[19] Chitosan không chỉ có khả năng phân sinh học mà còn thể hiện khả năng độc đáo trong việc liên kết với một loạt các chất ô nhiễm, bao gồm kim loại nặng và các chất ô nhiễm hữu cơ, giúp loại bỏ chúng hiệu quả khỏi các nguồn nước.[20] Sự keo tụ mang lại kết quả đầy hứa hẹn trong việc loại bỏ các hạt mịn và xử lý dòng chảy nước mưa từ các dự án xây dựng giao thông, nhưng không được sử dụng bởi hầu hết các sở giao thông tiểu bang ở Hoa Kỳ. Điều này có thể do các hạn chế về quy định hoặc hướng dẫn chưa đủ cho các yêu cầu lấy mẫu đất trước các đặc tính đất thay đổi. Các tiểu bang phải đạt được giới hạn độ đục số có xu hướng sử dụng chất trợ lắng nhiều hơn để đảm bảo mức độ xử lý thích hợp.[21]

Phân tán

Tập tin:Irrigation and Water (20150827-NRCS-LSC-0428).jpg
Hệ thống xử lý nước bằng keo tụ

Sự phân tán keo tụ là quá trình ngược lại với sự keo tụ, đôi khi được gọi là sự pept hóa (peptization). Natri silicat (Na2SiO3) là một ví dụ điển hình. Thông thường, ở các khoảng pH cao hơn, ngoài cường độ ion thấp của dung dịch và sự chiếm ưu thế của các cation kim loại hóa trị một, các hạt keo có thể được phân tán.[22] Chất phụ trợ ngăn không cho các chất keo hình thành bông cặn được gọi là chất phân tán keo tụ (deflocculant). Đối với sự phân tán keo tụ được truyền đạt thông qua các rào cản tĩnh điện, hiệu quả của chất phân tán có thể được đánh giá bằng điện thế zeta. Theo Từ điển Bách khoa về Polyme (Encyclopedic Dictionary of Polymers), sự phân tán keo tụ là "một trạng thái hoặc điều kiện của sự phân tán chất rắn trong chất lỏng trong đó mỗi hạt rắn vẫn giữ nguyên độc lập và không liên kết với các hạt lân cận (giống như chất nhũ hóa). Một hệ huyền phù phân tán keo tụ cho thấy giá trị giới hạn chảy bằng 0 hoặc rất thấp".[22] Sự phân tán keo tụ có thể là một vấn đề trong các nhà máy xử lý nước thải, vì nó thường gây ra các vấn đề với việc lắng bùn và làm giảm chất lượng nước thải đầu ra (effluent).

Xem thêm

Chú thích

  1. ^ Slomkowski, Stanislaw; Alemán, José V.; Gilbert, Robert G.; Hess, Michael; Horie, Kazuyuki; Jones, Richard G.; Kubisa, Przemyslaw; Meisel, Ingrid; Mormann, Werner; Penczek, Stanisław; Stepto, Robert F. T. (2011). "Terminology of polymers and polymerization processes in dispersed systems (IUPAC Recommendations 2011)". Pure and Applied Chemistry. 83 (12): 2229–2259. doi:10.1351/PAC-REC-10-06-03.
  2. ^ Richard G. Jones; Edward S. Wilks; W. Val Metanomski; Jaroslav Kahovec; Michael Hess; Robert Stepto; Tatsuki Kitayama, biên tập (2009). Compendium of Polymer Terminology and Nomenclature (IUPAC Recommendations 2008) "The Purple Book" (ấn bản thứ 2). RSC Publishing. ISBN 978-0-85404-491-7.
  3. ^ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology (Giản lược thuật ngữ hoá học), bản thứ 2 ("Gold Book") (1997). Bản đã chỉnh sửa trực tuyến: (2006–) "flocculation". doi:10.1351/goldbook.F02429
  4. ^ Hubbard, Arthur T. (2004). Encyclopedia of Surface and Colloid Science. CRC Press. tr. 4230. ISBN 978-0-8247-0759-0. Truy cập ngày 13 tháng 11 năm 2007.
  5. ^ Operational Control of Coagulation and Filtration Processes (M37): AWWA Manual of Practice. American Water Works Association. ngày 1 tháng 6 năm 2011. ISBN 978-1583218013.
  6. ^ Adamson, Arthur W.; Gast, Alice P. (1997). Physical Chemistry of Surfaces. Wiley. ISBN 978-0-471-14873-9.[cần số trang]
  7. ^ Sergeev, P. V.; Biletskyi, V. S. (1997). Investigation of laws of selective flocculation of coals with synthetic latexes. 9th International Conference on Coal Science (ICCS-9) and Exhibition.
  8. ^ Fuhrmann, Philipp L.; Sala, Guido; Markus; Scholten, Elke (tháng 8 năm 2019). "Clustering of oil droplets in o/w emulsions: Controlling cluster size and interaction strength". Food Research International. 122: 537–547. doi:10.1016/j.foodres.2019.04.027. PMID 31229109.
  9. ^ Arora, Satyam; Doda, Veena; Rani, Sunita; Kotwal, Urvershi (2015). "Rapid plasma reagin test: High false positivity or important marker of high risk behavior". Asian Journal of Transfusion Science. 9 (1): 109. doi:10.4103/0973-6247.150979. PMC 4339923. PMID 25722593.
  10. ^ Han, Binbing; Akeprathumchai, S.; Wickramasinghe, S. R.; Qian, X. (tháng 7 năm 2003). "Flocculation of biological cells: Experiment vs. theory". AIChE Journal. 49 (7): 1687–1701. Bibcode:2003AIChE..49.1687H. doi:10.1002/aic.690490709.
  11. ^ a b Fox, Patrick F. (1999). Cheese Volume 1: Chemistry, Physics, and Microbiology (ấn bản thứ 2). Gaithersburg, Maryland: Aspen Publishers. tr. 144–150. ISBN 978-0-8342-1378-4.
  12. ^ Fox, Patrick F. (2004). Cheese - Chemistry, Physics and Microbiology (ấn bản thứ 3). Elsevier. tr. 72. ISBN 978-0-12-263653-0.
  13. ^ Rivas, Javier; Prazeres, Ana R.; Carvalho, Fatima; Beltrán, Fernando (ngày 14 tháng 7 năm 2010). "Treatment of Cheese Whey Wastewater: Combined Coagulation−Flocculation and Aerobic Biodegradation". Journal of Agricultural and Food Chemistry. 58 (13): 7871–7877. Bibcode:2010JAFC...58.7871R. doi:10.1021/jf100602j. hdl:20.500.12207/540. PMID 20557068.
  14. ^ "Yeast flocculation". Truy cập ngày 25 tháng 7 năm 2026.
  15. ^ Brungard, Martin (ngày 20 tháng 2 năm 2018). "Water Knowledge". Bru'n Water.Bản mẫu:Self-published inline
  16. ^ Jin, Yu-Lai; Alex Speers, R. (tháng 8 năm 1998). "Flocculation of Saccharomyces cerevisiae". Food Research International. 31 (6–7): 421–440. doi:10.1016/S0963-9969(99)00021-6.
  17. ^ Beverly, Richard P (ngày 17 tháng 4 năm 2014). "Water Treatment Process Monitoring and Evaluation". Knovel. American Water Works Association (AWWA). Truy cập ngày 14 tháng 10 năm 2015.
  18. ^ a b c d e Terry L. Engelhardt (tháng 4 năm 2010). "Coagulation, Flocculation and Clarification of Drinking Water" (PDF).Bản mẫu:Self-published inline
  19. ^ Lamanna, Leonardo; Giacoia, Gabriele; Friuli, Marco; Leone, Gabriella; Carlucci, Nicola; Russo, Fabrizio; Sannino, Alessandro; Demitri, Christian (ngày 13 tháng 6 năm 2023). "Oil–Water Emulsion Flocculation through Chitosan Desolubilization Driven by pH Variation". ACS Omega. 8 (23): 20708–20713. doi:10.1021/acsomega.3c01257. PMC 10268613. PMID 37332801.
  20. ^ Pal, Preeti; Pal, Anjali; Kazunori; Yadav, Brijesh Kumar (tháng 3 năm 2021). "Applications of chitosan in environmental remediation: A review". Chemosphere. 266 128934. Bibcode:2021Chmsp.26628934P. doi:10.1016/j.chemosphere.2020.128934. PMID 33246700.
  21. ^ Kazaz, Billur; Perez, Michael A.; Donald, Wesley N. (tháng 7 năm 2021). "State-of-the-Practice Review on the Use of Flocculants for Construction Stormwater Management in the United States". Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board. 2675 (7): 248–258. doi:10.1177/0361198121995192.
  22. ^ a b Gooch, Jan W., biên tập (2007). "Deflocculation". Encyclopedic Dictionary of Polymers. tr. 265. doi:10.1007/978-0-387-30160-0_3313. ISBN 978-0-387-31021-3.

Tham khảo

Lấy từ “https://wikibeta.org/index.php?title=Keo_tụ&oldid=7964228”