Luận Văn NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CHẤT KEO TỤ PAC–Al13 (POLYALUMINIUM CHLORIDE) TỪ NGUỒN NHÔM PHẾ LIỆU ỨNG DỤNG TR

LỜI MỞ ĐẦU


Keo tụ nước bằng phèn nhôm (phèn đơn hoặc phèn kép) là phương pháp thông dụng để làm trong nước bề mặt, nguồn nước xử lý chủ yếu nhằm cung cấp cho sinh hoạt theo các hộ gia đình, mặt khác phương pháp keo tụ cũng thường được áp dụng để xử lý nước thải tại các nhà máy. Phèn nhôm được sản xuất trong nước chủ yếu từ nguồn khoáng sét – kaolinite (hay quặng bauxite, ) và acid sulfuric nên giá thành hạ, việc cung ứng khá chủ động. Tuy vậy, hạn chế của phèn nhôm là liều dùng tương đối cao, trung bình khoảng 30g/m3 và khoảng pH thích hợp của nước tương đối hẹp (pH từ 6 – 7.5). Vì tính acid của phèn nhôm cao, liều lượng dùng lớn nên pH của nước đã xử lý có độ pH thấp gây ăn mòn thiết bị, đường ống dẫn và lượng ion nhôm tồn dư cao gây bệnh đãng trí cho người sử dụng. Để khắc phục những nhược điểm kể trên, người ta đã chế tạo và hiện đang sử dụng ở một số nước là loại chế phẩm PAC. Sản phẩm thương mại loại này đã được lưu hành vào cuối những năm của thập kỷ 60. Nó đang dần được thay thế phèn nhôm truyền thống. Hiện nay ở Việt Nam, chế phẩm này cũng được nhập (chủ yếu từ Trung Quốc, Ấn Độ, ) và đang được sử dụng trong một số nhà máy cấp nước.
Theo đó, một sản phẩm PAC do Liên hiệp Khoa học sản xuất – Viện Công nghệ hóa học thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu thành công và đưa vào ứng dụng rộng rãi ở nhiều nhà máy kể từ năm 2000 đến nay.
Từ hướng đi tiến bộ đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu điều chế PAC có hàm lượng Al13 cao (PAC-Al13), đi từ nguồn nguyên liệu nhôm phế thải và dung dịch acid chlohydric công nghiệp của nhà máy hóa chất Biên Hòa. Chế phẩm tạo thành ở dạng dung dịch và được phơi khô tự nhiên ngoài không khí để chuyển thành dạng rắn, đồng thời thử tính năng keo tụ của sản phẩm PAC-Al13 điều chế được so với phèn Al2(SO4)3.18H2O (Trung Quốc) và sản phẩm PACCNHH (PAC Viện Công nghệ Hóa học) đang sử dụng phổ biến tại thị trường Việt Nam.

ĐẶT VẤN ĐỀ

1. CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỀ TÀI

Cùng với tốc độ phát triển nhanh chóng về số lượng và chất lượng thì ngành công nghiệp Việt Nam cũng nhanh chóng gây ảnh hưởng xấu đđến môi trường sinh thái, có nhiều nhà máy làm ảnh hưởng đến môi trường qua nhiều hình thức như : khí thải, bụi công nghiệp, nước thải, chất thải rắn, Trong đó, nước thải sản xuất đang là một vấn đề lớn, gây tác động xấu cho môi trường sống và ít nhiều ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Bên cạnh đó, ở nhiều vùng quê trên cả nước hiện đang khan hiếm nguồn nước sạch, nhất là bà con vùng lũ ở đồng bằng Sông Cửu Long. Mặt khác, xã hội ngày càng phát triển thì tài nguyên khoáng sản cũng dần dần khan hiếm và khuynh hướng ngày nay của thế giới là tận dụng tối đa nguồn phế thải sản suất và sinh hoạt vào các hoạt động sản xuất có ích, cho nên việc tận dụng tối đa các nguồn phế thải để chế tạo nên loại vật liệu hữu ích được ứng dụng trong xử lý môi trường là vấn đề đang được quan tâm.

Đề tài nghiên cứu đã đưa ra vấn đề tận dụng lại nguồn nhôm phế thải làm nguồn nguyên liệu điều chế chất keo tụ nhằm giải quyết được các vấn đề : tiết kiệm chi phí cho nguyên liệu đầu vào, tạo ra một loại sản phẩm có giá trị kinh tế, được ứng dụng phổ biến trong xử lý nước và có ý nghĩa trong công tác bảo vệ môi trường sống.
2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
 Tận dụng nguồn nhôm phế liệu hiện có và dung dịch acid chlohydric công nghiệp để nghiên cứu điều chế chất keo tụ PAC-Al13.


 Khảo sát tính năng keo tụ của PAC-Al13 trong xử lý nước mặt và nước thải.
 Đánh giá hiệu quả xử lý nước mặt và nước thải của loại vật liệu này so với PACCNHH và phèn nhôm truyền thống.
3. ĐỊA ĐIỂM THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Đề tài được thực hiện tại phòng Vật liệu Xúc tác Ứng dụng – Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng và Phòng Công nghệ các Hợp chất Vô cơ – Viện Công nghệ Hóa học.
4. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
 Giới hạn về thời gian:
Đề tài được nghiên cứu và thực hiện trong 12 tuần.
 Giới hạn về nội dung:
Chỉ tiến hành nghiên cứu điều chế PAC-Al13 ở qui mô phòng thí nghiệm và thử tính năng keo tụ lắng trong nước của sản phẩm bằng phương pháp Jar-Test qua các mẫu nước mặt và nước thải.
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
 Phương pháp thu thập thông tin, các thông số :
Thu thập các tài liệu về các phương pháp xử lý nước, các chất keo tụ và quá trình keo tụ, quy trình điều chế các polymer vô cơ và phèn truyền thống nhằm xây dựng cơ sở dữ liệu cho quá trình nghiên cứu.
 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm :
Tiến hành điều chế vật liệu, xác định thành phần hóa học về nồng độ phần trăm Al3+ của dung dịch AlCl3 sau điều chế (dùng phương pháp chuẩn độ Complexon), xác định độ ẩm, tỷ trọng và thử tính năng keo tụ của sản phẩm PAC-Al13 (dùng phương pháp Jar-Test).
Gửi mẫu tại các trung tâm phân tích để xác định thành phần hóa học về nồng độ phần trăm Al2O3 của chế phẩm keo tụ PAC-Al13 dạng lỏng (dùng phương pháp so màu UV-VIS ở bước sóng nm), nồng độ phần trăm Al2O3 của chế phẩm keo tụ PAC-Al13 dạng rắn (dùng phương pháp chuẩn độ Complexon) và xác định cấu trúc vật liệu keo tụ PACthường, PAC-Al13, PACCNHH (dùng phương pháp nhiễu xạ tia X – XRD).
 Phương pháp thống kê, so sánh, đối chiếu số liệu :
Dùng phương pháp toán học để tính toán trong thực nghiệm và dùng phương pháp tin học (phần mềm Excel) để biểu diễn các đồ thị nhằm đánh giá hiệu quả của việc ứng dụng các chất keo tụ trong xử lý nước.
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC ĐỀ TÀI
Tận dụng được nguồn nhôm phế liệu hiện có để nghiên cứu điều chế chất keo tụ PAC-Al13 và sản phẩm này có thể ứng dụng trong xử lý nước, góp phần cải thiện môi trường sống và mang lại lợi ích kinh tế.
7. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
 Xác định nồng độ phần trăm Al3+ (phương pháp chuẩn độ Complexon) đạt được sau khi điều chế dung dịch AlCl3.
 Xác định nồng độ phần trăm Al2O3 của PAC-Al13 sau khi điều chế ở dạng dung dịch (phương pháp so màu UV-VIS ở bước sóng nm) và dạng rắn (phương pháp chuẩn độ Complexon).
 Phân tích cấu trúc vật liệu sau khi điều chế (phương pháp nhiễu xạ tia X – XRD).

 Thử nghiệm hiệu quả lắng trong nước mặt và nước thải của vật liệu điều chế được ở qui mô phòng thí nghiệm bằng phương pháp Jar-Test.
 Đánh giá hiệu quả xử lý nước mặt và nước thải của chế phẩm so với phèn truyền thống và PACCNHH.

MỤC LỤC


LỜI MỞ ĐẦU Trang 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Cơ sở khoa học đề tài 3
2. Mục tiêu đề tài 3
3. Địa điểm thực hiện đề tài 4
4. Giới hạn đề tài 4
5. Phương pháp nghiên cứu đề tài 4
6. Ý nghĩa khoa học đề tài 5
7. Đánh giá kết quả 5

A.TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1 : CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI
1.1 Phương pháp xử lý cơ học 7
1.2 Phương pháp xử lý hóa lý 7
1.2.1 Keo tụ 8
1.2.2 Tuyển nổi 8
1.2.3 Hấp phụ 9


1.2.4 Trao đổi ion 9
1.2.5 Màng bán thấm 9
1.2.6 Trích ly 9
1.2.7 Chưng bay hơi 10
1.2.8 Phương pháp trung hòa 10
1.2.9 Phương pháp oxy hóa khử 10
1.2.10 Kết tủa hóa học 11
1.3 Phương pháp xử lý sinh học 11
1.3.1 Phương pháp sinh học nhân tạo 11
1.3.2 Phương pháp sinh học tự nhiên 12
CHƯƠNG 2 : KHÁI QUÁT VỀ CHẤT KEO TỤ VÀ HIỆN TƯỢNG KEO TỤ
2.1 Hệ keo và hiện tượng keo tụ 13
2.1.1 Chất phân tán trong môi trường nước 13
2.1.2 Hệ keo – cấu tạo và tính chất 14
2.1.3 Độ bền của hệ keo và hiện tượng keo tụ 15
2.1.4 Phá bền của các huyền phù keo 17
2.1.5 Sự cần thiết của các chất keo tụ 17
2.1.6 Các biện pháp hóa học dùng để keo tụ 19
2.1.6.1 Tăng lực ion 19
2.1.6.2 Thay đổi pH 19


2.1.6.3 Đưa vào hệ một muối kim loại hóa trị III 19
2.1.6.4 Đưa vào một polymer tự nhiên hoặc polymer tổng hợp 20
2.1.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ tạo bông 20
2.1.7.1 Trị số pH của nước 20
2.1.7.2 Lượng dùng chất keo tụ 20
2.1.7.3 Nhiệt độ nước 21
2.1.7.4 Tốc độ hỗn hợp của nước và chất keo tụ 21
2.1.7.5 Tạp chất trong nước 21
2.1.7.6 Môi chất tiếp xúc 22
2.2 Các chất keo tụ vô cơ 22
2.2.1 Cơ sở lý thuyết chất keo tụ 22
2.2.2 Sản phẩm truyền thống 23
2.2.3 Sản phẩm keo tụ mới 25
2.2.4 Một số công trình điều chế chất keo tụ 29
2.2.4.1 Điều chế phèn nhôm truyền thống 29
2.2.4.2 Điều chế polyaluminium chloride (PAC) 30
2.2.4.3 Điều chế polyaluminium sulfat (PAS) 31
2.2.4.4 Điều chế các polyferric 32
CHƯƠNG 3 : CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1 Phương pháp phân tích 33
3.1.1 Phương pháp Complexon (phương pháp chuẩn độ ngược) 33



3.1.1.1 Xác định tổng Al3+, Fe3+ bằng phương pháp chuẩn độ ngược 33
3.1.1.2 Xác định Al3+ bằng phương pháp chuẩn độ thay thế 34
3.1.2 Thực hành phương pháp Complexol 34
3.1.2.1 Xác định nồng độ Zn2+ 34
3.1.2.2 Xác định lượng tổng Al3+và Fe3+ 34
4.1.2.3 Xác định lượng Al3+ 35
3.2 Phương pháp Jar – Test 36
3.2.1 Cơ sở lý thuyết 36
3.2.2 Cách sử dụng 36

B.THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG 4 : HÓA CHẤT – DỤNG CỤ – THIẾT BỊ
4.1 Hóa chất 38
4.1.1 Hóa chất 38
4.1.2 Chuẩn bị các dung dịch 39
4.2 Dụng cụ 40
4.3 Thiết bị 41
CHƯƠNG 5 : TIẾN HÀNH ĐIỀU CHẾ HỢP CHẤT KEO TỤ TỪ NHÔM PHẾ LIỆU
5.1 Điều chế dung dịch AlCl3 từ nhôm phế liệu 42
51.1 Hệ thống dụng cụ 42
5.1.2 Phương pháp tiến hành 43

5.2 Điều chế hợp chất keo tụ PAC-Al13 44
5.2.1 Điều kiện thực nghiệm chế tạo PAC-Al13 44
5.2.2 Quy trình công nghệ chế tạo PAC-Al13 từ nhôm phế liệu 44
5.3 Xác định tỷ trọng của dung dịch PAC-Al13 46
5.4 Xác định độ ẩm của sản phẩm PAC-Al13 47

C.KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
CHƯƠNG 6 : KẾT QUẢ ĐIỀU CHẾ HỢP CHẤT KEO TỤ PAC-Al13
6.1 Kết quả điều chế dung dịch AlCl3 48
6.2 Kết quả điều chế chất keo tụ PAC-Al13 49
6.2.1 Kết quả đo hàm lượng Al2O3 của PAC-Al13 dạng dung dịch 49
6.2.2 Kết quả đo tỷ trọng dung dịch PAC-Al13 49
6.2.3 Kết quả đo hàm lượng Al2O3 của PAC-Al13 dạng rắn 50
6.2.4 Kết quả xác định cấu trúc vật liệu PAC-Al13 50
6.2.5 Kết quả xác định độ ẩm của PAC-Al13 51
6.3 Ứng dụng chất keo tụ PAC-Al13 trong xử lý nước 52
6.3.1 Ứng dụng trong xử lý nước mặt 52
6.3.1.1 Nguyên tắc thử nghiệm 52
6.3.1.2 Môi trường nước đục 53
6.3.1.3 Môi trường nước chứa huyền phù 56
6.3.1.4 Môi trường nước sông 59


6.3.2 Ứng dụng trong xử lý nước thải 62
6.3.2.1 Nước thải dệt nhuộm 62
6.3.2.2 Nước thải sản xuất giấy Vĩnh Huê 65

D.TỔNG KẾT
CHƯƠNG 7 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
7.1 Kết luận 69
7.2 Kiến nghị 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC