Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.5. Tổng quan về polyDADMAC
1.5.1. Đặc điểm chung
Trong những năm 1950, sự phát triển của các polymer hữu cơ tổng hợp tan trong nước là một trong những bước đột phá quan trọng nhất trong cơng nghệ xử lý nước và nước thải. Việc sử dụng chúng là một trong những bước phát triển tương đối mới trong lĩnh vực keo tụ nhưng quá trình này thực tế là ít nhất 4000 năm tuổi. Polymer cĩ thể khơng mang điện, mang điện tích dương hoặc mang điện tích âm. PD và EPI – DMA được biết đến là các polymer được sử dụng rộng rãi nhất trên tồn thế giới và các báo cáo cho thấy chúng chiếm 80% các polymer được bán cho ngành cơng nghiệp nước uống Hoa Kỳ.
Cĩ hai loại polymer hữu cơ được sử dụng trong xử lý nước và nước thải là polymer tự nhiên và polymer tổng hợp. Khối lượng phân tử và mật độ điện tích là các đặc tính quan trọng nhất đối với các polymer tổng hợp. Diallyldimethylammonium clorua (mDADMAC) được điều chế từ phản ứng của allyl clorua với dimethylamine. Các monomer sau đĩ được trùng
hợp để tạo thành polyDADMAC (PD) bằng phản ứng trùng hợp bổ sung gốc tự do (Ma, 2004). PD cĩ các gốc nhĩm cation mạnh và các gốc nhĩm hấp phụ hoặt hĩa cĩ thể làm mất tính ổn định và keo tụ các chất rắn lơ lửng trong nước thải. Các polymer thu được là cation polymer trong tự nhiên cĩ chứa các vịng pyrrolidine lặp lại trong cấu trúc. Các polymer PD được sử dụng rộng rãi nhất để lọc nước. Chúng nổi tiếng là cĩ khả năng kháng clo cao nhất và hoạt động trong phạm vi pH tương đối rộng.
Hình 5: Tổng hợp PD bằng từ chất ban đầu dimethylamine và alllyl chloride (Johnvà nnk, 2002) và nnk, 2002)
PD với đặc tính nổi bật đã được chứng minh là chiếm ưu thế trong ngành cơng nghiệp xử lý nước. Các chất đồng trùng hợp từ DADMAC và sulfur dioxide đã được thử nghiệm cho quá trình keo tụ sét. Hơn nữa, PD được sử dụng thay vì muối kim loại làm chất keo tụ cơ bản trong sản xuất nước uống.
Lựa chọn polymer để xử lý nước phụ thuộc vào đặc tính của các polymer như điện tích, mật độ điện tích, thành phần, trọng lượng phân tử và
dạng phân phối (dạng lỏng hoặc dạng bột). Cơ chế keo tụ địi hỏi polymer phải ở dạng hịa tan và được phép hấp phụ vào bề mặt keo, các thành phần hữu cơ (humic) và các thành phần vơ cơ (sét, bùn) của nước. Vì mỗi loại nước cĩ các tính chất khác nhau và chỉ phù hợp với mỗi polymer nhất định. Một số polymer nhất định (EPI – DMA) phù hợp với vùng nước cĩ chứa lượng lớn humic tạo thành các khối rất dễ vỡ. Các polymer PD thích hợp cho các vùng nước chứa một lượng lớn đất sét và bùn vơ cơ. Việc lựa chọn polymer được thực hiện bằng thử nghiệm, bằng kinh nghiệm cá nhân sử dụng một loại polymer cụ thể. Với tất cả những ứng dụng thực tế và sự nghiên cứu triển vọng trong tương lai, PD chắc chắn sẽ được sử dụng tăng cường trong các chức năng mơi trường của nĩ.
1.5.2. Một số ứng dụng của polyDADMAC trong xử lý mơi trường
Để phù hợp với các mục tiêu quản lý tổng hợp tài nguyên nước vì sự an tồn của sức khỏe cộng đồng, việc xử lý nước uống để loại bỏ các chất gây ơ nhiễm đang là vấn đề tồn cầu. Bước đầu của quá trình xử lý nước là sử dụng chất trợ lắng và keo tụ để đẩy nhanh quá trình lắng của các hạt lơ lửng thơng qua quá trình kết tủa và sau đĩ loại bỏ. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các chất keo tụ khác nhau sử dụng cho mục đích xử lý như PD. Một loại polymer cation khác tan trong nước cũng được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước như một chất keo tụ cĩ nhiều ưu điểm so với chất keo tụ vơ cơ. Cơ chế keo tụ dựa trên khả năng trung hịa hoặc giảm điện tích trên bề mặt của các hạt lơ lửng. Nĩ thúc đẩy sự va chạm giữa các hạt keo và chất keo tụ, dẫn đến sự gắn kết và lắng đọng. Khi các chất polymer cation tương tác và trung hịa các điện tích âm trên các hạt keo, thúc đẩy sự kết tủa của các hạt rất nhỏ lơ lửng trong nước.
Khi sử dụng polycation làm chất keo tụ chính hoặc chất trợ keo, polymer cĩ thể cải thiện chất lượng nước thành phẩm, tăng tính ổn định, giảm xử lý hĩa học và chi phí sản xuất. Chất lượng nước xử lý được cải thiện là kết quả của sự hình thành khối lớn, ổn định hơn và dễ lọc hơn (Ma,
2004). Polymer khơng tạo ra một lượng chất rắn hịa tan đáng kể như ở các chất keo tụ vơ cơ. Khi được sử dụng làm chất trợ lắng cùng với các chất keo tụ vơ cơ, polymer cĩ thể mở rộng phạm vi mà chất keo tụ cĩ hiệu quả. Khi polymer được sử dụng làm chất keo tụ chính, việc sử dụng hĩa chất sẽ giảm đi đáng kể. Liều lượng polymer dùng so với chất keo tụ vơ cơ chỉ là từ 2 – 10%. Việc sử dụng hĩa chất làm giảm thời gian xử lý, lưu trữ bùn đỏ và giảm chi phí sản xuất. Hơn nữa, cĩ sự giảm khối lượng bùn, tốc độ lắng cao hơn dẫn đến tăng hiệu suất xử lý. Ngồi ra cịn cĩ khả năng mang lắng ít hơn, cho phép chạy bộ lọc lâu hơn và giảm rửa ngược. Khơng giống như bùn hydroxit của kim loại được hydrat hĩa mạnh, bùn polymer cĩ xu hướng dễ bị khử để tạo thành bùn cĩ hàm lượng chất rắn cao. Việc sử dụng các polymer khơng ảnh hưởng đến pH của nước sau khi xử lý bởi các polymer thúc đẩy quá trình keo tụ vơ cơ trong phạm vi pH khá rộng.
Đã cĩ những lo ngại liên quan đến việc sử dụng phèn để xử lý nước do mối liên hệ giữa bệnh Aluminat và bệnh Alzheimer. Mặc dù điều này chưa được chứng minh một cách thuyết phục nhưng cĩ một điều là nĩ sẽ được loại bỏ hồn tồn sau khi sử dụng polymer hoặc sẽ giảm đáng kể khi các polymer được pha trộn với một lượng nhỏ poly aluminium clorua. Một số polymer dễ bị phân hủy khi cĩ clo hoặc ozon và trong một số trường hợp cịn hình thành các sản phẩm phụ cĩ hại hơn các chất ban đầu. Đối với các polyamin rất ít được cơng bố về độc tính của chúng. Người ta cho rằng polymer khơng được hấp thu ở đường tiêu hĩa và do đĩ cĩ độc tính khơng đáng kể. Dựa trên các nghiên cứu được thực hiện trên động vật thí nghiệm, polymer PD khơng được coi là độc hại nhưng khi đi vào cơ thể cĩ thể gây kích ứng đường tiêu hĩa.
Một số nghiên cứu về phản ứng của clo với polymer trong xử lý nước đã được thực hiện (Chadik và Amy, 1984). Tất cả đã quan sát được sự hình thành của chloroform tỷ lệ thuận với nồng độ polymer. Ngồi các phản ứng hĩa học cĩ thể xảy ra trong quá trình xử lý, polymer cĩ thể bị nhiễm
monome hoặc các vật liệu cĩ hại khác từ quá trình sản xuất và cuối cùng là xâm nhập vào nước được xử lý.
Bên cạnh đĩ, Wenjian Guan và nnk (2014) đã phát hiện ra rằng việc bổ sung một lượng nhỏ polymer hịa tan trong nước (cụ thể là PD), trong quá trình tiền xử lý cĩ thể làm tăng đáng kể năng suất đường trong quá trình thủy phân enzym của sinh khối tiền xử lý. Việc bổ sung PD trong tiền xử lý cĩ ảnh hưởng nhỏ đến sự phân lớp nhưng làm thay đổi cấu trúc tinh thể của sợi xenlulozơ khá đáng kể. Các mẫu xử lý được phân tích để đánh giá tác dụng của PD và tìm thấy được ý nghĩa đối với sinh khối khơng chứa lignin.
Nghiên cứu của Pirgalıoğlu và nnk (2015) về các hydrogel cation cĩ độ xốp cao được tổng hợp thơng qua quá trình đồng trùng hợp liên kết ngang của diallyldimethylammonium clorua (DADMAC) với N, N'- tetraallylpiperaziniumdichloride (TAP) cho thấy ái lực cao đối với arsenate trong khoảng thời gian ngắn. Các thử nghiệm cho thấy hydrogel PD đã loại bỏ 99% các anion arsenate ra khỏi dung dịch nước ở pH 6 - 10 và thể hiện khả năng loại bỏ asen tối đa 0,12 g arsenic/1 g hydrogel.
PD cịn được sử dụng như một chất phụ gia trong điều chế cellulose vi sợi bằng phương pháp tiền xử lý cellulase. Tác dụng của PD đối với sự hấp phụ của cellulase lên các sợi cellulose được cải thiện. So với mẫu đối chứng thì độ tinh thể, tỷ lệ khung hình, diện tích bề mặt riêng và độ giãn dài khi đứt của màng vi sợi tăng lên trong khi hệ số thấm của màng giảm đi (Zhang và nnk, 2018).