a) Sự phát triển của các sản phẩm polymer vô cơ
Ưu thế của polymer vô cơ trong công nghệ xử lý nước và nước thải, trước
hết là PAC (Poly Aluminium Chloride) so với phèn được phát hiện từ những năm 1960 – 70 và được ứng dụng trong công nghiệp từ 1980.Trước khi có khái niệm về PAC, để làm trong nước phèn nhôm (hoặc sắt) được sử dụng như sau :
Dung dịch phèn được định lượng vào nước cần xử lý, khuấy mạnh cho tan đều đồng thời điều chỉnh pH về gần pH 7 rồi cho nước qua bể tạo bông và lắng. Công nghệ này hiện nay vẫn được áp dụng ở Việt Nam. Tới những năm 60 – 70 cho tới đầu những năm 80 khi phát hiện ra hiệu ứng của phèn được trung hòa một phần (Pre-neutralised alum tức PAC) thì dung dịch PAC thường được ứng dụng dưới dạng dung dịch phèn được trung hòa tại chỗ. Khi đó bản chất dung dịch PAC và bản thân quá trình keo tụ bằng PAC còn chưa được rõ. Do sự thiếu hiểu biết về thành phần và bản chất các hạt trong hệ PAC, ngoài ra PAC còn chưa được sản xuất dưới dạng sản phẩm thương mại (dạng bột) nên kỹ thuật này bị hạn chế sử dụng mặc dù ưu thế đã đwọc chứng minh bằng thực tế. Việc điều chế PAC tại chỗ rất phức tạp, nhiều khi dung dịch chuẩn bị trước bị mất hoạt tính sau 24h.
Để khác phục những nhược điểm trên, nhiều nghiên cứ chế tạo PAC dạng bột thương phẩm được tiến hành chủ yếu vào những năm 1980. Đồng thời là hàng loạt công bố liên quan đến bản chất của quá trình hình thành các hạt polymer quyết định đến khả năng keo tụ tiên tiến của PAC.
Sự thành công của PAC dẫn đến sự ra đời của hàng loạt sản phẩm tương tự trong những năm 1990. Ví dụ theo sau sự thành công của PAC người ta đã chế tạo và ứng dụng thành công PASS (Poly Aluminium Silicate Sulphate).
Tiếp theo sự ra đời của các polymer nhôm, do sự lo ngại về ảnh hưởng của dư lượng nhôm trong nước ăn, uống người ta chuyển sự chú ý sang các polymer sắt PFC (Poly Ferric Chloride) và PFS (Poly Ferric Sulphate).
Trang 39
Hình 1.17 PAC dạng bột
b) Sự hình thành các hạt polymer nhôm trong dung dịch
Sự hình thành các hạt polymer nhôm trong dung dịch được làm rõ từ những năm 1980. Đây là cơ sở khoa học để sản xuất PAC cũng như ứng dụng PAC trong xử lý nước thải.
- Hóa học của quá trình keo tụ :
Thông thường khi keo tụ chúng ta hay dùng muối chloride hay sulphate của Al(III) hay Fe(III). Khi đó do phân ly và thủy phân ta có các hạt trong nước : 3
Al ,
2
Al(OH), Al(OH)2, Al(OH) phân tử và 3 Al(OH)4, ba hạt polymer : Al (OH)2 42,
5
3 4
Al (OH) và Al O (OH)13 4 724. Trong đó hạt 7
13 4 24
Al O (OH) , gọi tắt là Al13 là tác nhân gây keo tụ chính và tốt nhất.
Khi sử dụng PAC quá trình hòa tan sẽ tạo thành các hạt polymer Al13, với điện tích vượt trội (7+), các hạt polymer này trung hòa điện tích hạt keo và gây keo tụ rất mạnh, ngoài ra tốc độ thủy phân của chúng cũng chậm hơn 3
Al rất nhiều, điều này làm tăng thời gian tồn tại của chúng trong nước nghĩa là tăng khả năn tác dụng của chúng lên các hạt keo cần xử lý, giảm thiểu chi phí hóa chất. Ngoài ra vùng pH hoạt động của PAC cũng lớn hơn gấp hai lần so với phèn, điều này làm cho việc keo tụ bằng PAC dễ áp dụng hơn. Hơn nữa, do kích thước hạt polymer lớn
hơn nhiều so với 3
Al (cỡ 2nm so với nhỏ hơn 0,1nm) nên bông cặn h nh thành cũng to và chắc hơn, thuận lợi cho quá trình lắng tiếp theo. Đây chính là cơ sở khoa học để chúng tôi chọn PAC làm chất keo tụ trong nghiên cứu này.
Trang 40
- Cơ chế hình thành Al13 :
Trong nước 3
Al có số phối trí 4 và 6, khi đó khả năng tồn tại dưới dạng tứ
diện Al(OH)4 hay còn gọi là tế bào T4 hoặc bát diện Al(OH) (H O)4 2 2.
Tế bào T4 này là mầm để hình cái gọi là cấu trúc Keggin với tâm là tế bào T4 và 12 bát diện bám xung quanh, khi đó ta có cấu trúc ứng với công thức
7
12 4 24
Al AlO (OH) . Người ta cho rằng khi cho kiềm vào dung dịch 3
Al , khi ion 3
Al
tiếp xúc với các giọt kiềm thì đó là lúc hình thành các tế bào T4. Tiếp theo các bát diện vây quanh T4 tạo Al13, như vây có thể coi bước tạo T4 là bước quyết định trong công nghệ chế tạo Al13 thành phần chính của PAC.
Hình 1.18 Cấu trúc Keggin của PAC