Nghiên cứu điều chế poly sắt clorua (PFC) và poly nhôm sắt clorua (PAFC) và ứng dụng trong xử lý nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ HIỀN NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ POLY SẮT CLORUA (PFC) VÀ POLY NHÔM SẮT CLORUA (PAFC) VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ HIỀN NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ POLY SẮT CLORUA (PFC) VÀ POLY NHÔM SẮT CLORUA (PAFC) VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƢỚC Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 60440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Đồng Kim Loan Hà Nội – 2017 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .3 1.1 Thực trạng tác động ô nhiễm nguồn nước Việt Nam giới 1.1.1 Thực trạng tác động ô nhiễm nguồn nước giới 1.1.2 Thực trạng tác động ô nhiễm nguồn nước Việt Nam .6 1.2 Tổng quan chất keo tụ PFC PAFC 12 1.2.1 Chất keo tụ PFC 12 1.2.2 Chất keo tụ PAFC 13 1.2.2 Các ứng dụng chủ yếu chất keo tụ 13 1.3 Một số cơng trình nghiên cứu điều chế chất keo tụ 15 1.3.1 Điều chế phèn nhôm 15 1.3.2 Điều chế poly nhôm clorua (PAC) 16 1.3.3 Điều chế poly nhôm sunfat (PAS) 17 1.3.4 Điều chế poly sắt 17 1.3.5 Điều chế poly silic sắt nhôm clorua (PSiFAC) 18 1.4 Các nghiên cứu ứng dụng chất keo tụ xử lý nước .15 1.4.1 Nghiên cứu loại bỏ độ đục chất hữu (COD) nước sông 15 1.4.2 Nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm 15 1.4.3 Nghiên cứu xử lý nước thải giết mổ gia súc 15 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21 2.1 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 21 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 21 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 21 2.2 Phương pháp nghiên cứu 21 2.2.1 Phương pháp thu thập thông tin, số liệu 21 2.2.2 Phương pháp thực nghiệm 21 i 2.2.3 Các phươn 2.2.4 Phương ph CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết điều chế PAC, PFC tổng hợp P 3.1.1 Kết điề 3.1.2 Kết điề 3.1.3 Kết tổn 3.2 PAFC Kết khảo sát yếu tố ảnh hưởng đế 3.2.1 Ảnh hưởng pH 3.2.2 Ảnh hưởng 3.2.3 Ảnh hưởng 3.3 Đánh giá hiệu keo tụ 3.4 Đánh giá hiệu kinh tế KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC ii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Đặc điểm thành phần chất keo tụ PFC 12 Bảng 1.2 Đặc điểm thành phần chất keo tụ PAFC 13 Bảng 2.1 Các dụng cụ, thiết bị hóa chất sử dụng nghiên cứu 25 - Bảng 3.1 Các PAC tự điều chế, cơng thức phân tử % nhóm OH 27 - Bảng 3.2 Các PFC tự điều chế, cơng thức phân tử % nhóm OH 27 Bảng 3.3 Kết tổng hợp chất keo tụ PAFC 28 Bảng 3.4 Các thông số chất keo tụ PAC3 41 Bảng 3.5 Các thông số chất keo tụ PFC2 42 Bảng 3.6 Các thông số chất keo tụ PAFC16 43 Bảng 3.7 Các thông số chất keo tụ PAC Trung Quốc 45 Bảng 3.8 Tính tốn chi phí sản xuất 1m chất keo tụ PAFC 47 iii DANH MỤC HÌNH Hình 3.1 Ảnh hưởng pH hiệu suất loại bỏ độ đục COD PAC 29 Hình 3.2 Ảnh hưởng pH hiệu suất loại bỏ độ đục COD PFC1 30 Hình 3.3 Ảnh hưởng pH hiệu suất loại bỏ độ đục COD PFC 31 Hình 3.4 Ảnh hưởng pH hiệu suất loại bỏ độ đục COD PAFC 32 Hình 3.5 Ảnh hưởng pH hiệu suất loại bỏ độ đục COD PAFC8 32 Hình 3.6 Ảnh hưởng pH hiệu suất loại bỏ độ đục COD PAFC14 33 Hình 3.7 Ảnh hưởng pH hiệu suất loại bỏ độ đục COD PAFC16 34 Hình 3.8 Ảnh hưởng pH hiệu suất loại bỏ độ đục COD PAFC22 34 Hình 3.9 Ảnh hưởng pH hiệu suất loại bỏ độ đục COD PAFC25 35 Hình 3.10 Ảnh hưởng liều lượng hiệu suất loại bỏ độ đục PAC 3, PFC2 PAFC16 37 Hình 3.11 Ảnh hưởng liều lượng hiệu suất xử lý COD PAC 3, PFC2 PAFC16 38 Hình 3.12 Ảnh hưởng độ muối hiệu suất loại bỏ độ đục PAC 3, PFC2 PAFC16 39 Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn thời gian sa lắng chất keo tụ PAC3 .41 Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn thời gian sa lắng chất keo tụ PFC2 .43 Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn thời gian sa lắng chất keo tụ PAFC16 44 Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn thời gian sa lắng chất keo tụ PAC Trung Quốc 46 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PAC: Poly nhôm clorua PAS: Poly nhôm sunfat PAFC: Poly nhôm sắt clorua PFC: Poly sắt clorua PFPS: Poly sắt photpho sunfat PFSS: Poly sắt silic sunfat v MỞ ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng kinh tế gia tăng dân số năm gần gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng môi trường nước sức khỏe cộng đồng Trong đó, nhiễm nước mặt, nước thải cơng nghiệp, chất lượng nước sinh hoạt thách thức buộc nhà quản lý nhà khoa học phải lưu tâm tìm biện pháp xử lý hiệu giảm tải ô nhiễm theo tiêu chuẩn/quy chuẩn, đòi hỏi ngày cao chất lượng giá chúng Để xử lý làm giảm tải lượng ô nhiễm nước thải tăng chất lượng nước cấp sinh hoạt, keo tụ phần thiết yếu xử lý sơ nhằm làm giảm từ 50 – 60 đến 80 – 90% tổng chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ, màu, vi sinh vật Trong hệ thống xử lý nước thải nước mặt, khơng có keo tụ mà lọc hiệu loại bỏ vi khuẩn, vi rút, hạt keo đất màu thường không cao Theo báo cáo Nguyễn Việt Anh [1] với khoảng 500 hệ thống cấp nước tập trung tổng số 770 đô thị nước, công suất cấp nước đô thị đạt khoảng 7,1 triệu m /ngày vào năm 2015 Như vậy, tính riêng lượng chất keo tụ dùng để xử lý lượng nước lên tới 142 – 2.130 tấn/ngày (tùy chất lượng nước đầu vào, lượng chất keo tụ dùng từ 20 – 300g/m ) Nếu tính giá trung bình 1kg nhơm sunfat 7.000 VNĐ tới 994 - 14.910 triệu đồng ngày cho việc mua chất keo tụ Các chất keo tụ dùng nhiều Việt Nam từ trước tới thường phèn đơn (Al2(SO4)3.18H2O) phèn kép (AlK(SO4)3.12 H2O) số muối nhơm kiềm tính polyme nhơm vơ (có giá thành cao khoảng 2.000đ/kg) sử dụng rộng rãi sau PAC (poly nhôm clorua, Al n(OH)mCl3n-m), PAS (poly nhôm sunfat) Những muối nhơm kiềm tính hồ tan vào nước tạo thành cation phức hydroxit - nhơm có khối lượng lớn so với trường hợp dùng nhôm sunfat, nên hiệu xử lý cao Thêm nữa, việc sử dụng chất keo tụ truyền thống dần bộc lộ nhược điểm như:  Chi phí sản xuất cao giá chất keo tụ đắt;  Tạo lượng bùn lớn phải xử lý;  Khoảng pH thích hợp cho nước xử lý tương đối hẹp (6 – 7,5);  Lượng chất keo tụ cần thiết để xử lý cho đơn vị nước lớn Thêm vào giá thành sản xuất nước cao số lượng sản xuất chưa đáp ứng nhu cầu, nên chất keo tụ bán Việt Nam phần lớn có xuất xứ từ Trung Quốc Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài “Nghiên cứu điều chế poly sắt clorua (PFC) poly nhôm sắt clorua (PAFC) ứng dụng xử lý nước” thực nhằm góp phần vào việc sản xuất chất keo tụ nước khắc phục nhược điểm nêu trên, đồng thời có giá thành rẻ tận dụng nguyên liệu phế thải Đề tài thực với nội dung sau: - Điều chế chất keo tụ PAC, PFC tổng hợp PAFC; - Khảo sát ảnh hưởng pH, liều lượng chất keo tụ, độ muối đến khả keo tụ PAC, PFC PAFC; - Đánh giá hiệu xử lý hai loại chất keo tụ PFC PAFC so với PAC mẫu nước nhân tạo có độ đục cao 44 Bảng 3.7 Các thơng số chất keo tụ PAC Trung Quốc Thông số Độ đục COD Nhiệt độ pH Al Từ kết nghiên cứu thời gian sa lắng chất keo tụ từ điều chế tổng hợp với PAC Trung Quốc (kết trình bày bảng 3.7 hình 3.16) cho thấy chất keo tụ PAFC có khả keo tụ cao nhất, loại bỏ hầu hết chất hữu (hiệu suất 100%), thời gian lắng nhanh, độ đục sau xử lý thấp (5,05 NTU) 45 bùn (ml) Thể tích Thời gian (s) Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn thời gian sa lắng chất keo tụ PAC Trung Quốc 3.4 Đánh giá hiệu kinh tế Trong thực tế Việt Nam, chất keo tụ dạng lỏng sở xử lý nước (đặc biệt nước sinh hoạt) nhập vào nhiều khơng thêm chi phí vào việc pha chế Mặt khác, khảo sát mục 3.3 chất keo tụ PAFC có khả keo tụ cao Vì vậy, luận văn ước tính giá thành để sản xuất 1m chất keo tụ PAFC dạng lỏng bảng 3.8 46 3 Bảng 3.8 Tính tốn chi phí sản xuất 1m chất keo tụ PAFC (VNĐ) Khấu m Tổn Ghi chữ viết tắt: SD – sử dụng SP – sản phẩm Chi phí sản xuất 1m chất keo tụ PAFC ước tính dựa vào báo giá hóa chất cơng nghiệp cơng ty hóa chất Đức Giang lượng hóa chất cần dùng để điều chế chất keo tụ PAFC tính tốn chương 2; lương cơng nhân tính 6.000.000 VNĐ/tháng, bình qn cơng nhân ngày sản xuất mẻ, mẻ 1m chất keo tụ công nhân làm việc 26 ngày/tháng Tổng chi phí để sản xuất 1m chất keo tụ PAFC 5.517.200 VNĐ giá bán Việt Nam khoảng 7.200.000 – 7.500.000 VNĐ/m Như vậy, so sánh với chất keo tụ Trung Quốc (PAC) nhập vào có giá 9.300.000 VNĐ/m , PAFC có giá thành rẻ Mặt khác, theo kết nghiên cứu PAFC có khả keo tụ tốt PAC, bùn mịn thời gian lắng nhanh, phù hợp với xử lý nước cấp nước thải có hàm lượng COD, TSS cao 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau thời gian nghiên cứu với nội dung hoàn thành, luận văn thu số kết sau: Tổng hợp chất keo tụ PFC, PAFC phương pháp trung hịa tận dụng nguồn ngun liệu phế thải phơi nhơm ngun liệu có giá thành thấp thích hợp cho việc điều chế hợp chất keo tụ dùng xử lý nước mặt nước thải Giá cho 1m chất keo tụ PAFC 5.517.200 VNĐ 59,32% so với mua Trung Quốc - Xác định trung hòa đến 50% OH tối ưu PFC tỉ lệ - phối trộn PFC 50% OH PAC 66,67% = 1:1 tối ưu PAFC, Khảo sát liều lượng chất keo tụ tối ưu PAC, PFC, PAFC 0,35 mL/L; pH tối ưu PAC pH = 7, PFC, PAFC pH = 8; độ muối tối ưu PAC 3,5%, PFC, PAFC 2%, Trong chất keo tụ PAC, PFC, PAFC PAFC có khả keo tụ cao nhất, loại bỏ hết chất hữu cơ, độ đục sau xử lý thấp (5,05 NTU) Khi sử dụng chất keo tụ PAFC cho trình xử lý khơng đạt hiệu suất keo tụ cao, chất lượng nước sau xử lý tốt mà tiết kiệm lượng lớn hóa chất xử lý tiết kiệm đáng kể chi phí cho q trình xử lý nước Kiến nghị Hồn thiện cơng nghệ đưa ứng dụng thực tế, từ đề tài tiếp tục tiến hành nghiên cứu mở rộng phát triển theo quy mô công nghiệp theo hướng tận dùng nguồn phế thải rộng lớn (nhôm phế liệu, bã thải bùn đỏ nhà máy,…) 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Nguyễn Việt Anh (2015), “Những thành tựu thách thức xử lý nước thải đô thị công nghiệp Việt Nam”, Tạp chí Mơi trường, số 9, 2015 [2] Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn (2016), Hội thảo tham vấn ô nhiễm môi trường nông nghiệp (8/12/2016) Tài liệu tiếng Anh [3] Anastasakis Konstantinos, Kalderis Dimitrios, Diamadopoulos Evan (2009), “Flocculation behavior of mallow and okra mucilage in treating wastewater”, Desalination [4] A.K Tolkou, A.I Zouboulis (2014), Synthesis and coagulation performance of composite poly-aluminumferric-silicate-chloride coagulants in water and wastewater, Department of Chemistry, Aristotle University of Thessaloniki [5] Baghvand Akbar, Zand Ali Daryabeigi, Mehrdadi Nasser and Karbassi Abdolreza (2010), “Optimizing Coagulation Process For Low to High Turbidity Water Using Aluminum and Iron Salts”, American Journal of Environmental Sciences [6] Chen W, Zheng H, Teng H, Wang Y, Zhang Y, Zhao C, et al (2015), “Enhanced coagulation-flocculation Performance of Iron-based coagulants: Effects of 3- 2- PO4 and SiO3 modifiers”, Plos One 10(9) [7] Jia-Qian Jiang and Nigel J D Graham (1997), “Pre-polymerised inorganic coagulants and phosphorus removal by coagulation - A review”, Water SA, 24(3), pp 237-243 49 [8] Joseph Ngakfumbe (2013), The use of Organic Polyme in the Chemical Purification of Peat Derived Runnoff Water, University of Oulu, Science and Technology library Tellus [9] Seung woo Han , Lim seok Kang (2015), Comparison of Al(III) and Fe(III) Coagulants for Improving Coagulation Effectiveness in Water Treatment, EFT R&D Center and Department of Environmental Engineering, Pukyong National University [10] Simplified procedure of water examination (1978), American Water works Association, Supplement Added [11] Sunita Singh Thakur and Sonal Choubey (2014), “Assessment of coagulation efficiency of Moringa oleifera and Okra for treatment of turbid water”, Archives of Applied Science Research Các trang web [12] Blacksmith Institute (2007), The World’s Worst Polluted Places, http://www.blacksmithinstitute.org/the-2007-top-ten-of-worstpolluted-places.html (09/2007) [13] Công nghệ môi trường TDA, Hóa chất tạo keo tụ PAFC, http://cuumoitruong.com/index.php?language=vi&nv=news#.Ub5hG1JrSF4 (24/04/2013) [14] Công nghệ xử lý Met, Sự ô nhiễm nguồn nước giới Việt Nam, https://congnghexulynuocmet.com.vn/su-o-nhiem-nguon-nuoc-trenthe-gioi-cung-nhu-tai-viet-nam/ (15/03/2017) [15] Môi trường deal (2014), Hiện trạng ô nhiễm môi trường nước Việt Nam, http://www.moitruongdeal.com/hien-trang-o-nhiem-moi-truong-nuoc-taiviet-nam.html (04/09/2014) [16] Môi trường nước, http://foss.vn/index.php? title=Mơi_trường_nước (28/05/2012) 50 [17] Tạp chí mơi trường (2016), Báo động tình trạng nhiễm nước gia tăng châu Á, châu Phi châu Mỹ La tinh, http://tapchimoitruong.vn/pages/article.aspx?item=Báo-động-về-tìnhtrạng-ơ-nhiễm-nước-gia-tăng-ở-châu-Á,-châu-Phi-và châu-Mỹ-La-tinh42120 (09/2016) [18] Xử lý nước Đại Tín, Phèn nhơm chất keo tụ, http://xulynuocdaitin.com/ct/thiet-bi-ho-boi-massage-thiet-bi-do-dieuchinh-thiet-bi-lam-da-tinh-khiet-thiet-bi-phat-ozone-vat-lieu-locnuoc/224/phen-nhom-al2-so43-18h2o.html (05/2015) [19] Yonghua Rd, Yongkang city, Tainan county 710, Taiwan, Poly ferric chloride (PFC), http://en.chem.yiima.com.tw (05/2016) [20] World Water Day (2010), World water quality facts and statistics, http://www.pacinst.org/wpcontent/uploads/sites/21/2013/02/water _quality_facts_and_stats3.pdf (03/2010) 51 PHỤ LỤC Phụ lục Xác định COD phƣơng pháp bicromat (TCVN 6491 : 1999)  Hóa chất: - Thêm khoảng 250mL nước cất vào 5,108g K 2Cr2O7 sấy khô 2h 150˚C; 83,5mL H2SO4 đặc 16,65g HgSO4 bình định mức 500mL định mức đến vạch - Cho 5,06g AgSO4 vào 500mL H2SO4 đặc Để 1-2 ngày cho tan, lắc - Kalihidrophtalat (KHP) sấy 105˚C 2h Cân 425mg KHP hòa tan định mức nước cất đến 500mL (KHP gốc 1000mg/L)  Quy trình phân tích: - Chuẩn bị bình định mức pha loãng dung dịch KHP gốc với nồng độ 100mg/L; 200mg/L; 300mg/L; 400mg/L; 500mg/L; 600mg/L; 700mg/L; 800mg/L - Chuẩn bị ống đốt COD hút 2,5mL KHP nồng độ pha loãng trên, nước cất; 1,5mL K2Cr2O7 3,5mL AgSO4 pha - Đậy nắp chặt, lắc bỏ ống đốt vào máy phá mẫu COD gia nhiệt 2h 150˚C Sau 2h máy tự động tắt để nguội đo quang bước sóng 600nm - Đường chuẩn COD thể hình 52 (nm) Abs Hình Đường chuẩn COD Phụ lục Xác định hàm lƣợng Fe thuốc thử axit sunfosalixilic (TCVN 2314 : 1978)  Hóa chất: - Axit sunfosalixilic (20%) - NH3 đặc - NH4Cl 2N: Hòa tan 107g 1L nước cất - HNO3 đặc - Dung dịch chuẩn Fe: Cho 0,864g NH4Fe(SO4)2.12H2O vào 2mL HCl đặc định mức đến 1L (0,1mg Fe/mL)  Quy trình phân tích: - V mL mẫu (chứa từ 0,01 – 1mg Fe) vào cốc 100mL - Thêm 0,5mL HNO3 đặc làm bay đến 10mL - Pha loãng nước cất, lọc định mức đến 100mL - Thêm 2mL dung dịch NH4Cl vào 2mL axit sunfosalixilic 2mL dung dịch NH3 - Định mức 100mL 53 - Sau phút đo quang bước sóng 430nm - Đường chuẩn Fe thể hình 0.35 0.3 0.25 (nm) 0.2 Abs 0.15 0.1 0.05 -0.05 Hình Đường chuẩn Fe Phụ lục Một số thiết bị chất keo tụ tự điều chế Hình Chất keo tụ PFC tự điều chế 54 Hình Thiết bị đo độ đục Hình Máy phá mẫu COD 55 ... TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ HIỀN NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ POLY SẮT CLORUA (PFC) VÀ POLY NHÔM SẮT CLORUA (PAFC) VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƢỚC Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số:... 1.3.3 Điều chế poly nhôm sunfat (PAS) 17 1.3.4 Điều chế poly sắt 17 1.3.5 Điều chế poly silic sắt nhôm clorua (PSiFAC) 18 1.4 Các nghiên cứu ứng dụng chất keo tụ xử lý nước ... từ thực tiễn trên, đề tài ? ?Nghiên cứu điều chế poly sắt clorua (PFC) poly nhôm sắt clorua (PAFC) ứng dụng xử lý nước? ?? thực nhằm góp phần vào việc sản xuất chất keo tụ nước khắc phục nhược điểm