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

Trong đó, ô nhiễm nước mặt, nước thải công nghiệp, chất lượng nước sinh hoạt đang là thách thức buộc các nhà quản lý và các nhà khoa học phải lưu tâm tìm các biện pháp xử lý hiệu quả giả

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG 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 NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG 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 NƯỚC

Chuyên ngành: Khoa học môi trường

Mã số: 60440301

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đồng Kim Loan

Hà Nội – 2017

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Thực trạng và tác động của ô nhiễm nguồn nước ở Việt Nam và thế giới 3

1.1.1 Thực trạng và tác động của ô nhiễm nguồn nước trên thế giới 3

1.1.2 Thực trạng và tác động của ô nhiễm nguồn nước ở Việt Nam 6

1.2 Tổng quan về chất keo tụ PFC và 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 của chất keo tụ 13

1.3 Một số công 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 các poly sắt 17

1.3.5 Điều chế poly silic sắt nhôm clorua (PSiFAC) 18

1.4 Các nghiên cứu ứng dụng của chất keo tụ trong xử lý nước 15

1.4.1 Nghiên cứu loại bỏ độ đục và chất hữu cơ (COD) trong 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

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 Đối tượng và 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, các số liệu 21

2.2.2 Phương pháp thực nghiệm 21

2.2.3 Các phương pháp phân tích và đánh giá hiệu quả keo tụ 26

2.2.4 Phương pháp thống kê, so sánh, đối chiếu số liệu 26

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 27

3.1 Kết quả điều chế PAC, PFC và tổng hợp PAFC 27

3.1.1 Kết quả điều chế chất keo tụ PAC 27

3.1.2 Kết quả điều chế chất keo tụ PFC 27

3.1.3 Kết quả tổng hợp chất keo tụ PAFC 27

3.2 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng keo tụ của PAC, PFC và PAFC 28

3.2.1 Ảnh hưởng của pH 28

3.2.2 Ảnh hưởng của liều lượng chất keo tụ 36

3.2.3 Ảnh hưởng của độ muối 39

3.3 Đánh giá hiệu quả keo tụ 40

3.4 Đánh giá hiệu quả kinh tế 46

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

PHỤ LỤC 52

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Đặc điểm và thành phần chất keo tụ PFC 12

Bảng 1.2 Đặc điểm và thành phần chất keo tụ PAFC 13

Bảng 2.1 Các dụng cụ, thiết bị và hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 25

Bảng 3.1 Các PAC tự điều chế, công thức phân tử và % nhóm thế OH- 27

Bảng 3.2 Các PFC tự điều chế, công thức phân tử và % nhóm thế OH- 27

Bảng 3.3 Kết quả tổng hợp chất keo tụ PAFC 28

Bảng 3.4 Các thông số của chất keo tụ PAC3 41

Bảng 3.5 Các thông số của chất keo tụ PFC2 42

Bảng 3.6 Các thông số của chất keo tụ PAFC16 43

Bảng 3.7 Các thông số của chất keo tụ PAC Trung Quốc 45

Bảng 3.8 Tính toán chi phí sản xuất 1m3 chất keo tụ PAFC 47

DANH MỤC HÌNH

Hình 3.1 Ảnh hưởng của pH đối với hiệu suất loại bỏ độ đục và COD của PAC3 29

Hình 3.2 Ảnh hưởng của pH đối với hiệu suất loại bỏ độ đục và COD của PFC1 30

Hình 3.3 Ảnh hưởng của pH đối với hiệu suất loại bỏ độ đục và COD của PFC2 31

Hình 3.4 Ảnh hưởng của pH đối với hiệu suất loại bỏ độ đục và COD của PAFC1 32

Hình 3.5 Ảnh hưởng của pH đối với hiệu suất loại bỏ độ đục và COD của PAFC8 32

Hình 3.6 Ảnh hưởng của pH đối với hiệu suất loại bỏ độ đục và COD của PAFC14 33

Hình 3.7 Ảnh hưởng của pH đối với hiệu suất loại bỏ độ đục và COD của PAFC16 34

Hình 3.8 Ảnh hưởng của pH đối với hiệu suất loại bỏ độ đục và COD của PAFC22 34

Hình 3.9 Ảnh hưởng của pH đối với hiệu suất loại bỏ độ đục và COD của PAFC25 35

Hình 3.10 Ảnh hưởng của liều lượng đối với hiệu suất loại bỏ độ đục của PAC3, PFC2 và PAFC16 37

Hình 3.11 Ảnh hưởng của liều lượng đối với hiệu suất xử lý COD của PAC3, PFC2 và PAFC16 38

Hình 3.12 Ảnh hưởng của độ muối đối với hiệu suất loại bỏ độ đục của PAC3, PFC2 và PAFC16 39

Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn thời gian sa lắng của chất keo tụ PAC3 41

Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn thời gian sa lắng của chất keo tụ PFC2 43

Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn thời gian sa lắng của chất keo tụ PAFC16 44

Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn thời gian sa lắng của chất keo tụ PAC Trung Quốc 46

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

MỞ ĐẦU

Sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và sự gia tăng dân số trong những năm gần đây gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng môi trường nước và sức khỏe cộng đồng Trong đó, ô nhiễm nước mặt, nước thải công nghiệp, chất lượng nước sinh hoạt đang là thách thức buộc các nhà quản lý và các nhà khoa học phải lưu tâm tìm các biện pháp xử lý hiệu quả giảm tải ô nhiễm theo tiêu chuẩn/quy chuẩn, cũng như đòi hỏi ngày càng cao về chất lượng và giá cả của chúng

Để xử lý làm giảm tải lượng ô nhiễm nước thải và tăng chất lượng nước cấp sinh hoạt, keo tụ là một phần thiết yếu trong xử lý sơ bộ nhằm làm giảm từ 50 – 60 đến 80 – 90% tổng chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ, màu, vi sinh vật Trong một hệ thống xử lý nước thải và nước mặt, nếu không có keo tụ mà chỉ lọc thì hiệu quả loại

bỏ vi khuẩn, vi rút, hạt keo đất và màu thường không cao Theo báo cáo của Nguyễn Việt Anh [1] với khoảng 500 hệ thống cấp nước tập trung trên tổng số hơn

770 đô thị trong cả nước, công suất cấp nước đô thị đã đạt khoảng 7,1 triệu m3/ngày vào năm 2015 Như vậy, chỉ tính riêng lượng chất keo tụ dùng để xử lý lượng nước này đã lên tới 142 – 2.130 tấn/ngày (tùy chất lượng nước đầu vào, lượng chất keo tụ

có thể dùng từ 20 – 300g/m3) Nếu tính giá trung bình của 1kg nhôm sunfat là 7.000 VNĐ thì phải chi tới 994 - 14.910 triệu đồng mỗi ngày cho việc mua chất keo tụ

Các chất keo tụ được dùng nhiều ở Việt Nam từ trước tới nay thường là phèn đơn (Al2(SO4)3.18H2O) hoặc phèn kép (AlK(SO4)3.12 H2O) và một số muối nhôm kiềm tính hoặc polyme nhôm vô cơ (có giá thành cao hơn khoảng 2.000đ/kg) được

sử dụng rộng rãi sau này như PAC (poly nhôm clorua, Aln(OH)mCl3n-m), PAS (poly nhôm sunfat) Những muối nhôm kiềm tính này khi hoà tan vào nước tạo thành cation phức hydroxit - nhôm có khối lượng lớn hơn so với trường hợp dùng nhôm sunfat, nên hiệu quả xử lý cao hơn Thêm nữa, việc sử dụng các chất keo tụ truyền thống đã đang dần bộc lộ những nhược điểm như:

 Chi phí sản xuất cao do giá chất keo tụ đắt;

 Tạo ra một lượng bùn lớn phải xử lý;

 Khoảng pH thích hợp cho nước được xử lý tương đối hẹp (6 – 7,5);

 Lượng chất keo tụ cần thiết để xử lý cho một đơn vị nước lớn

Thêm vào đó do giá thành sản xuất trong nước cao hơn và số lượng sản xuất cũng chưa đáp ứng được nhu cầu, nên chất keo tụ hiện được bán tại 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) và poly nhôm sắt clorua (PAFC) và ứng dụng trong xử lý nước” được thực

hiện nhằm góp phần vào việc sản xuất chất keo tụ trong nước khắc phục được các nhược điểm nêu trên, đồng thời có giá thành rẻ vì tận dụng nguyên liệu phế thải

Đề tài được thực hiện với các nội dung sau:

- Điều chế chất keo tụ PAC, PFC và tổng hợp PAFC;

- Khảo sát sự ảnh hưởng của pH, liều lượng chất keo tụ, độ muối đến khả năng keo tụ của PAC, PFC và PAFC;

- Đánh giá hiệu quả xử lý của hai loại chất keo tụ PFC và PAFC so với PAC trên mẫu nước nhân tạo có độ đục cao

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1.1 Thực trạng và tác động của ô nhiễm nguồn nước trên thế giới

Sự gia tăng dân số, hoạt động kinh tế phát triển và quá trình công nghiệp hóa làm tăng nhu cầu sử dụng nước cũng như tăng lượng nước thải Tài nguyên nước trên khắp thế giới đang bị đe dọa không chỉ bởi việc khai thác quá mức và quản lý kém mà còn làm suy thoái hệ sinh thái nước do nước bị ô nhiễm Chi phí sử dụng cho quá trình xử lý ngày càng nhiều, trên thế giới có nhiều dòng sông bị ô nhiễm do nước thải của các khu công nghiệp, nước thải sinh hoạt,…

Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã đưa ra quy định độ đục cho phép trong nước uống là 5 đơn vị NTU (Nephelometric Turbidity) Theo xác nhận của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (USEPA), độ đục là một thước đo độ bẩn của nước, được sử dụng để đánh giá chất lượng nước và hiệu quả quá trình lọc Độ đục cao là nguyên nhân làm gia tăng mật độ của vi sinh vật gây bệnh như vi - rút, ký sinh trùng và một số loại vi khuẩn Những vi sinh vật này trong nước uống có thể gây ra các triệu chứng như buồn nôn, đau đầu, tiêu chảy cho người sử dụng Các căn bệnh truyền nhiễm do vi - rút, vi khuẩn, động vật nguyên sinh và các vi sinh vật khác gây

ra gắn liền với sự gia tăng tỷ lệ mắc bệnh ở các nước phát triển và đang phát triển Trên thế giới hiện nay, trung bình mỗi ngày có 400 trẻ em chết vì các bệnh liên quan đến nguồn nước

Từ năm 2003, Viện Blacksmith, đặt trụ sở tại New York ( Mỹ), đã đưa ra bản danh sách những nơi đứng đầu trên thế giới về mức độ ô nhiễm trên mạng Internet Hiện nay đường thủy và sông ngòi nói chung ở châu Âu đều nhiễm độc, nhất là từ các hợp chất hữu cơ chứa clo Ở Hà Lan người ta đã phát hiện ra loại nông dược độc hại và những chất vi ô nhiễm (Micropolluant) trong nước uống bắt nguồn từ sông Ranh Năm 2000, vụ tai nạn hầm mỏ xảy ra tại công ty Aurul (Rumani) đã thải

ra 50 - 100 tấn xyanua và kim loại nặng (như đồng) vào dòng sông gần Baia Mare (thuộc vùng Đông- Bắc) [12]

Báo cáo của UNEP đã chỉ ra rằng, trong giai đoạn 1990 - 2010, môi trường nước của hơn 50% các dòng sông ở châu Á, châu Phi, châu Mỹ Latinh bị ô nhiễm vi sinh vật và ô nhiễm hữu cơ, đồng thời nước bị nhiễm mặn cũng tăng gần 35% Khoảng 25% các con sông ở châu Mỹ Latinh, 10 - 25% sông ở châu Phi và 50% các con sông ở châu Á bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm vi sinh vật, phần lớn là do việc xả nước thải, chất thải, rác thải sinh hoạt chưa qua xử lý ra sông Ngoài ra, nguồn nước mặt ở ba châu lục này hiện đang bị ô nhiễm hữu cơ nghiêm trọng do nước thải, chất thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp từ các khu công nghiệp, đô thị, nhà máy… với nhiều loại chất hữu cơ phức tạp, độc hại, ảnh hưởng đến các loại thủy sinh Bên cạnh đó, nước thải từ các hoạt động khai khoáng, hệ thống thủy lợi cùng với hiện tượng xâm nhập mặn cũng làm gia tăng độ mặn trong nước sông Cũng theo Báo cáo của UNEP, 23/25 hồ lớn của thế giới có hàm lượng phốt pho lớn, chủ yếu là từ các nguồn như phân bón, chất thải chăn nuôi, chất thải sinh hoạt Hầu hết các hồ lớn

ở châu Mỹ Latinh và châu Phi hiện có hàm lượng phốt pho cao hơn so với năm

1990 [17]

Cubatao – một thành phố của hàng loạt các khu liên hợp công nghiệp cơ khí

và hoá dầu ở Brazil là nơi có nhiều nhà máy/xí nghiệp đã “vô tư” thải các chất thải công nghiệp (kẽm, thuỷ ngân, dầu) vào các dòng sông của thành phố từ nhiều thập

kỉ nay Việc xử lý nguồn nước thải chưa được thực hiện đầy đủ theo đúng quy định của nhà nước [12]

Sự ô nhiễm sinh học (thể hiện bằng sự nhiễm bẩn do vi khuẩn rất nặng) là vấn đề lớn cho vệ sinh công cộng chủ yếu các nước đang phát triển Các bệnh cầu trùng, viêm gan do siêu vi khuẩn tăng lên liên tục ở nhiều quốc gia chưa kể đến các trận dịch tả Nhiễm bệnh trong công đồng đã gia tăng mạnh do ô nhiễm sinh học nguồn nước, ví dụ thương hàn, viêm ruột siêu khuẩn Nước thải từ các lò mổ chứa một lượng lớn mầm bệnh; Ví dụ lò mổ La Villette, Paris thải ra 350.109 mầm vi sinh vật hiếu khí và 20.109 mầm vi sinh vật yếm khí trong 1m³ nước thải, trong đó

có nhiều loài gây bệnh (Plancho in Furon, 1962) Ô nhiễm của vùng bờ biển Thái

Bình Dương của Hoa Kỳ, ở vịnh California, bởi hãng Montrose Chemicals do sự sản xuất nông dược cũng rất nặng nề Hãng này sản xuất từ đầu năm 1970, 2/3 số lượng DDT toàn cầu đã gây ô nhiễm một diện tích 10.000 km2 (Mc Gregor, 1976), làm cho một số cá không thể làm thức ăn được trong nhiều năm qua [16]

Các nhà máy giấy thải ra nước có chứa nhiều gluxit dễ lên men Tính bình quân mỗi nhà máy làm nhiễm bẩn nước tương đương với một thành phố 500.000 dân Các nhà máy chế biến thực phẩm, sản xuất đồ hộp, thuộc da, lò mổ, đều có nước thải chứa protein Khi được thải ra dòng chảy, protein nhanh chóng bị phân hủy cho ra axit amin, axit béo, H2S, nhiều hợp chất chứa S và P có tính độc và mùi khó chịu Hệ sinh thái nước của nhiều dòng sông trên thế giới đã bị nhiễm độc và suy thoái do thải vào nước các chất nitrat, phot phat dùng trong nông nghiệp và các kim loại nặng như Zn, Cr, Ni, Cd, Mn, Cu, Hg từ hoạt động luyện kim và các công nghệ khác Các vực nước ở đất liền cũng bị nhiễm bẩn bởi hydrocacbon, chất thải của các nhà máy lọc dầu hay dầu nhớt xe tàu, hoặc vô ý làm rơi vãi xăng dầu Tốc

độ thấm của xăng dầu lớn gấp 7 lần của nước, sẽ làm các lớp nước ngầm bị nhiễm Khoảng 1,6 triệu tấn hydrocacbon do các con sông của các quốc gia kỹ nghệ hóa thải ra vùng bờ biển [16]

Ở Trung Quốc, hàng năm lượng chất thải và nước thải công nghiệp thải ra ở các thành phố và thị trấn tăng từ 23,9 tỷ m3 trong năm 1980 lên 73,1 tỷ m3 trong năm 2006 Một lượng lớn chất thải chưa qua xử lí vẫn được thải vào các sông ngòi Hậu quả là hầu hết nước ở các sông hồ ngày càng trở lên ô nhiễm [14] Nằm tại khu vực chính giữa đất nước Trung Quốc, dòng sông Huai dài 1978 km được xem là nơi

ô nhiễm nhất của nước này do các chất thải công nghiệp, nông nghiệp Mức độ mắc các bệnh cao bất thường của cộng đồng dân cư sống gần lưu vực sông đã khiến chính phủ phải xếp nguồn nước của con sông ở mức độ ô nhiễm độc hại nhất [12]

Mỗi ngày, có 2 triệu tấn nước thải công nghiệp và nông nghiệp thải vào môi trường nước trên toàn thế giới Liên hợp quốc ước tính lượng nước bẩn thải ra hàng năm khoảng 1.500 km3, gấp sáu lần lượng nước tồn tại trên tất cả con sông trên thế

giới (UN, WWAP, 2003), 70% chất thải công nghiệp ở các nước đang phát triển thải trực tiếp ra môi trường nước gây ô nhiễm nguồn cung cấp nước 18% dân số thế giới tương đương với 1,2 tỷ người (1/3 trong số đó ở vùng nông thôn) đã sử dụng bừa bãi nguồn nước sẵn có gây suy giảm chất lượng nước (UNICEF WHO 2008) [20]

Nguồn nước ô nhiễm gây tác động rất lớn đối với cuộc sống và sức khỏe con người cũng như hệ sinh thái Nguồn nước không an toàn hoặc thiếu nước sạch để dùng gây ra khoảng 3,1% tổng số người chết và 3,7% các bệnh về dị tật trên toàn thế giới (WHO 2002) Nước không an toàn gây ra 4 tỷ trường hợp tiêu chảy mỗi năm, 2,2 triệu người chết, chủ yếu là trẻ dưới 5 tuổi Điều này có nghĩa là 15% trẻ

em tử vong mỗi năm là do tiêu chảy Chỉ riêng Ấn Độ, nguyên nhân gây bệnh và tử vong ở trẻ em lớn nhất là do tiêu chảy, mỗi năm gần nửa triệu trẻ em chết (WHO and UNICEF 2000) Ở một số vùng, hơn 50% loài cá nước ngọt bản địa và gần 1/3

số loài lưỡng cư trên thế giới có nguy cơ tuyệt chủng [20]

1.1.2 Thực trạng và tác động của ô nhiễm nguồn nước ở Việt Nam

Hiện nay ở Việt Nam, mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước vẫn là vấn đề rất đáng lo ngại Tốc độ công nghiệp hóa, đô thị hóa khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước Nước thải của hầu hết các ngành công nghiệp sản xuất giấy, bia, thực phẩm, thuộc

da, dệt nhuộm, khai thác khoáng sản đều có SS, TSS, COD, BOD, độ màu, kim loại nặng cao Hàm lượng chất rắn lơ lửng dạng vô cơ và hữu cơ (SS, TSS) làm nguồn tiếp nhận bị vẩn đục và sa lắng, gây ảnh hưởng đến môi trường sống của các loài động vật thủy sinh (cá, sinh vật phù du) Màu của nước thải làm cho nguồn tiếp nhận có màu, làm giảm quá trình quang hợp của rong tảo Nước bị ô nhiễm là do sự phú dưỡng xảy ra chủ yếu ở các khu vực nước ngọt và các vùng ven biển, vùng biển khép kín Do lượng muối khoáng và hàm lượng các chất hữu cơ quá dư thừa làm cho các quần thể sinh vật trong nước không thể đồng hoá được Kết quả làm cho

hàm lượng ôxy trong nước giảm đột ngột, các khí độc tăng lên, tăng độ đục của nước, gây suy thoái thủy vực Hàm lượng chất hữu cơ cao (COD, BOD), làm lượng oxy hòa tan trong nước giảm xuống, gián tiếp ảnh hưởng đến đời sống các loài thủy sinh Do đó, cần phải loại bỏ chúng trước khi thải ra môi trường [15]

Ở các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước do không có công trình và thiết bị xử lý chất thải Ô nhiễm nước do sản xuất công nghiệp là rất nặng như ngành công nghiệp diệt may, ngành công nghiệp giấy và bột giấy, nước thải thường có độ pH trung bình từ 9-11; chỉ số nhu cầu ôxy sinh hoá (BOD), nhu cầu ôxy hoá học (COD) có thể lên đến 700 mg/L

và 2.500 mg/L; hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) cao gấp nhiều lần giới hạn cho phép Hàm lượng nước thải của các ngành này có chứa xyanua (CN-) vượt đến 84 lần, H2S vượt 4,2 lần, hàm lượng NH3 vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm nặng nề các nguồn nước mặt trong vùng dân cư [15]

Tại cụm công nghiệp Tham Lương, thành phố Hồ Chí Minh, nguồn nước bị nhiễm bẩn bởi nước thải công nghiệp với tổng lượng nước thải ước tính 500.000

m3/ngày từ các nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm, dệt Ở thành phố Thái Nguyên, nước thải công nghiệp thải ra từ các cơ sở sản xuất giấy, luyện gang thép, luyện kim màu, khai thác than; về mùa cạn tổng lượng nước thải khu vực thành phố Thái Nguyên chiếm khoảng 15% lưu lượng sông Cầu; nước thải từ sản xuất giấy có pH từ 8,4-9

mùi khó chịu… [15]

Tiêu chuẩn nước sạch quy định độ đục nhỏ hơn 5 NTU (QCVN 02:2009/BYT), nhưng giới hạn tối đa của nước uống chỉ là 2 NTU (QCVN 01:2009/BYT), tổng chất rắn lơ lửng (TSS) đối với nước mặt cột A1 là 20mg/L (QCVN 08-MT:2015/BTNMT) Các quy trình xử lý như keo tụ, lắng, lọc góp phần làm giảm độ đục của nước Trong các chỉ tiêu về xử lý nước thải thì chỉ tiêu về độ đục và màu luôn được chú trọng

 Độ đục của nước gồm ba yếu tố là: Vi sinh vật, cặn đất đá, và chất huyền phù

 Màu sắc của nước được phân làm hai loại là:

- Màu sắc biểu kiến: màu biểu kiến do chất tan, chất keo và lơ lửng gây ra

- Độ màu thực: màu thực do các chất hữu cơ ở dạng keo, hòa tan tạo nên Trong đó, có các nguyên nhân gây ra ô nhiễm về độ đục và màu sắc của nước trầm trọng như hiện nay là do:

 Hoạt động sản xuất nông nghiệp

Tình trạng ô nhiễm nước ở nông thôn và khu vực sản xuất nông nghiệp, hiện nay Việt Nam có gần 76% dân số đang sinh sống ở nông thôn là nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn các chất thải của con người và gia súc không được xử lý nên thấm xuống đất hoặc bị rửa trôi, làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước về mặt hữu

cơ và vi sinh vật ngày càng cao Theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, số vi khuẩn Fecal coliform trung bình biến đổi từ 1.500-3.500MNP/100mL ở các vùng ven sông Tiền và sông Hậu, tăng lên tới 3800-

12.500MNP/100mL ở các kênh tưới tiêu [15]

Trong lĩnh vực trồng trọt, theo PGS TS Mai Văn Trịnh – Viện trưởng Viện Môi trường nông nghiệp, ước tính lượng phân bón dư thừa trong sản xuất lúa tại Đồng bằng sông Cửu Long đã phát thải gần 140 nghìn tấn/năm; lượng thuốc diệt cỏ, trừ sâu, diệt nấm… cũng đều vượt so với chỉ tiêu mà Bộ NN&PTNT đề ra [2]

 Nước thải sinh hoạt và công nghiệp

Theo Báo cáo môi trường quốc gia năm 2012 – Môi trường nước mặt, các năm gần đây chất lượng nước sông Kỳ Cùng bị giảm sút đáng kể Kết quả phân tích cho thấy các thông số TSS, COD, BOD5, NH4+, NO2-, Fe, Mn, Coliforms đều vượt quá QCVN loại A2, chỉ đạt nguồn nước loại B (Sở TN & MT Lạng Sơn, 2010) Sông Hiến, sông Bằng là nguồn cung cấp nước sinh hoạt, sản xuất cho thị xã Cao Bằng và một số huyện lân cận có hàm lượng TSS vượt QCVN loại B1 từ 2 – 3 lần, ở

các sông nhánh khác xung quanh vượt từ 6 – 7 lần Môi trường nước mặt của lưu vực sông Nhuệ - Đáy đang chịu tác động mạnh của nước thải sinh hoạt và các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và thủy sản trong khu vực nên chất lượng nước của nhiều đoạn sông đã bị ô nhiễm tới mức báo động, vào mùa khô, giá trị các thông số BOD5, COD, TSS,… tại các điểm đo đều vượt QCVN 08:2008/BTNMT loại A1nhiều lần Ví dụ như tại điểm Đông Quan năm 2009 giá trị BOD5 vượt QCVN 08:2008/BTNMT loại B1 1,9 lần; loại A1 7 lần

Theo báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia giai đoạn 2011 – 2015, kết quả quan trắc đã cho thấy hiện tượng ô nhiễm chất hữu cơ cục bộ trên sông Thương đoạn chảy qua tỉnh Bắc Giang như giá trị COD năm 2013 đoạn qua thành phố Bắc Giang cao hơn QCVN 08:2015/BTNMT loại A1 4,5 lần; loại B1 1,5 lần

Theo báo cáo của Cục Quản lý Tài nguyên nước năm 2010, 80% trường hợp bệnh lỵ và tiêu chảy là do nguồn nước bị ô nhiễm gây ra, chủ yếu ở các địa phương nghèo Đã có những trường hợp bị tử vong do sử dụng nước bẩn và ô nhiễm (chủ yếu là trẻ em) Theo Báo cáo môi trường quốc gia năm 2012 – Môi trường nước mặt, năm 2007 cả nước có 992.137 người dân nông thôn bị bệnh tiêu chảy, 38.529 người mắc bệnh lỵ trực khuẩn, 3.021 người mắc bệnh thương hàn do sử dụng nước sinh hoạt không đảm bảo vệ sinh, trong đó 88% trường hợp mắc bệnh là do thiếu nước sạch

Ngoài ra, ô nhiễm môi trường nước còn gây tác động đến sự phát triển kinh

tế Theo báo cáo môi trường quốc gia năm 2012, bệnh lỵ, tả và các bệnh tiêu chảy khác vẫn còn rất phổ biến là do nguồn nước bị ô nhiễm gây ra, chủ yếu ở các địa phương nghèo có nguồn nước bị ô nhiễm nặng Chi phí khám chữa bệnh cho các bệnh này đã lên đến con số hàng trăm tỷ đồng Chỉ trong vòng bốn năm gần đây đã

có khoảng 6 triệu ca bệnh liên quan đến nước tính trên phạm vi toàn quốc, chi phí trực tiếp cho việc khám chữa bệnh tả, thương hàn, lỵ và sốt rét khoảng 400 tỷ đồng

Ô nhiễm môi trường nước cũng gây những thiệt hại kinh tế không nhỏ trong hoạt động sản xuất nông nghiệp và khai thác, nuôi trồng thủy sản Theo số liệu thống kê,

sản lượng nuôi trồng thủy sản (đặc biệt là nuôi cá bè trên sông) đã bị giảm sút nhiều

do vấn đề ô nhiễm nước sông, đặc biệt khi xảy ra các sự cố về môi trường nước Ví

dụ như, vào thời điểm tháng 4/2007 có hàng loạt bè cá đang gần ngày thu hoạch ở

La Ngà đột ngột chết trắng do nước sông La Ngà bị ô nhiễm từ nguồn nước thải của hai công ty Men Mauri Việt Nam và công ty cổ phần mía đường La Ngà

Các chất rắn không tan khi được thải vào nước làm tăng lượng chất lơ lửng, tức làm tăng độ đục của nước Các chất này có thể là gốc vô cơ hay hữu cơ, có thể được vi khuẩn ăn Sự phát triển của vi khuẩn và các vi sinh vật khác lại càng làm tăng độ đục của nước và làm giảm độ xuyên thấu của ánh sáng Nhiều chất thải công nghiệp có chứa các chất có màu, hầu hết là màu hữu cơ, làm giảm giá trị sử dụng của nước về mặt y tế cũng như thẩm mỹ Ngoài ra các chất thải công nghiệp còn chứa nhiều hợp chất hoá học như muối sắt, mangan, clo tự do, hydro sunfua, phenol làm cho nước có vị không bình thường Amoniac, sunfua, cyanua, dầu làm nước có mùi lạ, rong tảo làm nước có mùi bùn, một số sinh vật đơn bào làm nước

có mùi tanh của cá [16]

Nước ở các mỏ than thường có hàm lượng các ion kim loại nặng, á kim, các hợp chất hữu cơ, các nguyên tố phóng xạ… cao hơn so với nước mặt và nước biển khu vực đối chứng và cao hơn TCVN từ 1-3 lần Đặc biệt khu vực từ Quảng Yên đến Cửa Ông Để sản xuất 1 tấn than, doanh nghiệp cần bóc đi từ 8 đến 10 m³ đất phủ và thải từ 1 đến 3 m³ nước thải mỏ Trung bình hàng năm, các mỏ than của Tập đoàn Công nghiệp Than và Khoáng sản Việt Nam đã thải ra môi trường 182,6 triệu m³ đất đá, khoảng 70 triệu m³ nước thải mỏ dẫn đến một số vùng thuộc tỉnh Quảng Ninh bị ô nhiễm đến mức báo động như Mạo Khê, Uông Bí,…các mỏ thiếc sa khoáng, biểu hiện chính của ô nhiễm hoá học là làm đục nước bởi bùn – sét lơ lửng, tăng hàm lượng các ion sắt và một số khoáng vật nặng Các chất thải này không được xử lý, thải trực tiếp và môi trường, làm độc hại nguồn nước khu vực cũng như vùng xung quanh, không chỉ làm ô nhiễm nguồn nước mặt mà còn ô nhiễm nguồn nước ngầm và nước trong không khí khi bốc hơi Việc khai thác và tuyển quặng

vàng phải dùng đến thuốc tuyển chứa Hg Ngoài ra, các nguyên tố kim loại nặng như asen, các loại quặng sunfua, có thể hoà tan vào nước Vì vậy, ô nhiễm hoá học

do khai thác và tuyển quặng vàng là nguy cơ đáng lo ngại Tại những khu vực này, nước thường bị nhiễm bẩn bởi bùn sét, một số kim loại nặng và hợp chất độc như

Hg, As, Pb v.v… mà nguyên nhân chính là do nước thải, chất thải rắn không được

xử lý đổ bừa bãi ra khai trường và khu vực tuyển quặng

 Lũ lụt

Tình trạng suy kiệt nguồn nước trong các hệ thống sông, hạ lưu các hồ chứa

và nước ngầm ở nhiều vùng đang diễn ra ngày càng nghiêm trọng Lũ lụt làm cho

chuẩn cho phép Theo báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia giai đoạn 2011 –

2015 cho thấy sông Hồng có đặc điểm tự nhiên là lượng phù sa lớn nên hàm lượng chất rắn lơ lửng và sắt trong nước khá cao, nhất là vào mùa mưa lũ (tháng 4 – tháng 10), hàm lượng TSS có sự gia tăng mạnh do nước mưa làm xói mòn các hợp chất bề mặt vào môi trường nước Do đặc điểm tự nhiên của sông Mã, mùa khô nước trong, trong khi đó mùa mưa nước sông nhiều phù sa, hàm lượng TSS và Fe có giá trị cao, điển hình là đoạn thượng nguồn ở tỉnh Điện Biên và Sơn La Ví dụ như, hàm lượng TSS tại điểm Cầu phao Chiềng Koong – Sơn La đầu mùa mưa là 740 mg/L cao gấp

37 lần so với đầu mùa khô, vượt QCVN 08:2015/BTNMT loại B1 14,8 lần

Lũ lụt gây tác động xấu đến cuộc sống cũng như sức khỏe của con người Tại các khu vực bị ngập nước, các nguồn nước, công trình cấp, thoát nước, công trình

vệ sinh bị phá hủy khiến tình trạng thiếu nước sạch sinh hoạt càng trở nên nghiêm trọng Nguồn nước nhiễm bẩn, vi khuẩn, vi-rút, ký sinh trùng có điều kiện sinh sôi, phát triển dẫn đến lan truyền các mầm bệnh Các bệnh dễ mắc phải như bệnh về da (mẩn ngứa, mụn nhọt, nấm chân tay, ghẻ,…), các bệnh về đường ruột và tiêu hóa (tiêu chảy, tả, thương hàn),…

1.2 Tổng quan về chất keo tụ PFC và PAFC

Poly sắt clorua (polyferric chloride) là một trong những chất keo tụ thế hệ mới, tồn tại dưới dạng polyme vô cơ và thường viết tắt là PFC, có công thức phân

tử là [Fe2(OH)n(Cln)3-N/2]m, n>2; m = f(n) Khi cho chất keo tụ PFC vào nước, có nhiều dạng ion phức sắt được hình thành như: [Fe2(OH)3]3+, [Fe(H2O)6]3+, [Fe3(OH)3]6+ Vì vậy nó dễ dàng tạo bông và đây là sản phẩm keo tụ tốt Cấu trúc hóa học của nó là mạng lưới polyme có nhiều mạch [19]

Poly sắt clorua là một chất keo tụ rắn mạng lưới polyme có một ion phức đa nhân, thủy phân dễ dàng trong nước và có khả năng cao sinh ra ion phức âm đa nhân hydroxyl Các hạt polyme, ở điện tích bằng 8, sẽ trung hòa điện tích hạt keo và gây keo tụ rất mạnh, ngoài ra tốc độ thủy phân của chúng cũng chậm hơn Fe3+ rất nhiều Điều này làm tăng thời gian tồn tại của chúng trong nước nghĩa là tăng khả năng tác dụng của chúng lên các hạt keo cần xử lý, giảm chi phí hóa chất Ngoài ra vùng pH hoạt động của PFC cũng lớn hơn gấp hai lần so với phèn sắt thông thường, nên làm cho việc keo tụ bằng PFC dễ áp dụng hơn Hơn nữa, do kích thước hạt polyme lớn hơn nhiều so với Fe3+ (cỡ 2nm so với nhỏ hơn 0,1nm) nên bông cặn hình thành cũng to và chắc hơn, thuận lợi cho quá trình lắng tiếp theo So với PAC thì sử dụng PFC thì bông cặn sẽ nhỏ và mịn hơn

 Sử dụng [19]: Poly sắt clorua thường được sử dụng để

1.2.2 Chất keo tụ PAFC

PAFC (Poly nhôm sắt clorua) là chất keo tụ cao phân tử, có công thức phân

tử là: [Al2(OH)nCl6-n]m.[Fe2(OH)NCl6-N]M [13]

Chất keo tụ PAFC là sản phẩm làm trong nước dùng cho sản xuất sinh hoạt

và nước thải công nghiệp

 Ưu điểm của PAFC đối với các chất keo tụ vô cơ khác [13]

 Sản phẩm mới, chất lượng cao, là chất keo tụ vô cơ cao phân tử gốc muối nhôm và sắt;

 Khả năng keo tụ tốt, bông dày, lắng nhanh;

 Khả năng làm trong nước tốt, chất lượng nước tốt, không chứa kim loại nặng và các chất có hại khác, không có sự chuyển đổi giữa các ion trong dung dịch nước, không độc hại, an toàn và đáng tin cậy;

 Làm trong nước, tẩy màu, khử dầu, diệt khuẩn, khử mùi, khử tảo; đặc biệt

có hiệu quả khử bỏ COD, BOD và các ion kim loại nặng trong nước;

 Thích hợp với nước có độ pH khoảng 4 – 11, tốt nhất là trong khoảng 6 – 9; độ pH và độ kiềm của nước sau khi được làm sạch thay đổi ít, ít gây ăn mòn với các thiết bị xử lý;

 Có tính hiệu quả rõ rệt với nước ô nhiễm nhẹ, có chứa tảo, nhiệt độ thấp

và độ đục thấp; đối với nước thô có độ đục cao khả năng làm trong rất rõ rệt;

 Liều dùng thấp, chi phí thấp, tiết kiệm từ 20% - 50% chi phí xử lý

1.2.3 Các ứng dụng chủ yếu của chất keo tụ

Các chất keo tụ, tạo bông được sử dụng chủ yếu để:

- Xử lý nước: loại bỏ các hạt rắn và keo vô cơ hoặc có nguồn gốc từ chất hữu

cơ trong nước;

- Thêm vào trong quá trình xử lý nước thải để loại bỏ hiệu quả hơn các ion kim loại, phốt phát, kim loại độc, các chất màu

Quá trình lắng keo tụ chính là quá trình giảm thế zeta dựa vào sự hoạt động của các chất keo tụ, đó là các chất khi tan trong nước có khả năng thủy phân tạo kết tủa hidroxit hình thành các hạt keo dương, các hạt keo dương này tương tác tĩnh điện với các hạt keo âm có sẵn trong nước thải, phá trạng thái bền của hệ tạo thành các hạt có kích thước, trọng lượng lớn hơn và dễ dàng lắng xuống

Quá trình đông tụ, keo tụ được áp dụng trong các trường hợp này (xử lý bậc 1) để giảm tải trọng ô nhiễm trong xử lý bậc 2 và 3 Tùy vào đặc tính và yêu cầu chất lượng nước thải đầu ra cho từng ngành công nghiệp mà các loại chất đông tụ với các nồng độ khác nhau được sử dụng Một số áp dụng thực tế đã được thực hiện như:

Nước thải ngành thuộc da nói chung có độ màu cao, hàm lượng rắn lơ lửng

SS 1250 – 6000 mg/L, COD 2500 – 3000 mg/L, Cr3+ 70 - 100 mg/L Nazmul và cộng sự (2011) đã nghiên cứu và đánh giá hiệu quả sử dụng các chất đông tụ hóa học để xử lý SS, COD, độ màu, pH của nước thải ngành này Kết quả là khi sử dụng phèn nhôm, phèn nhôm kết hợp với sắt clorua cho hiệu quả loại bỏ SS, crom, độ màu trong nước thải thuộc da tốt nhất

Đặc tính nước thải ngành dệt nhuộm là có độ màu cao do dư lượng thuốc nhuộm, COD cao do sử dụng hồ tinh bột biến tính, độ đục phát sinh do các chất rắn hòa tan từ quá trình hồ sợi, giũ hồ Do đó, quá trình đông tụ, keo tụ là bắt buộc trong quy trình xử lý Ngoài các loại hóa chất thông thường được sử dụng, Hassan

và cộng sự đã sử dụng chất đông tụ tự nhiên (chitosan) để xử lý COD, độ đục trong nước thải ngành này Hiệu suất loại bỏ độ đục, COD cao nhất lần lượt là 94,90%, 72,50% khi nồng độ chitosan là 30 mg/L trong khoảng pH từ 4 đến 6 Kết quả này

là gần như tương đương khi sử dụng các chất đông tụ tổng hợp

Ngành công nghiệp sản xuất sữa cũng phát thải lượng lớn COD, TSS trong nước Do đó, cần phải loại bỏ chúng trước khi phát thải ra nguồn tiếp nhận Đông

tụ, keo tụ là cần thiết trong quá trình xử lý này Sarkar và cộng sự (2006) đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng đông tụ, keo tụ trong tiền xử trước khi xử lý bằng màng Các hợp chất vô cơ là phèn nhôm, sắt clorua, polymer (PAC) được sử dụng để so sánh hiệu quả xử lý với các hợp chất hữu cơ (sodium carboxymethyl cellulose – Na-CMC, axit alginic và chitosan) Khi sử dụng phèn nhôm và phèn sắt thì cho hiệu quả xử lý cao nhất với sự hình thành bông cặn là 500 mg/L tại pH 6,5 và 8,0 Nếu

xử lý bằng chitosan với liều lượng 10mg/L, pH =4 cho kết quả tương tự Như vậy,

có thể sử dụng các chất keo tụ tổng hợp và tự nhiên cho quá trình này loại bỏ này

1.3.1 Điều chế phèn nhôm

Đầu tiên là sản xuất nhôm sunfat từ axit sunfuric và một vật liệu chứa nhôm như đất sét, cao lanh, quặng bôxit hay đi trực tiếp từ nhôm hydroxit Khi dùng nhôm hydroxit thì sản phẩm thu được có chất lượng tốt nhất với hàm lượng Al2O3

có thể đạt tới 17%, đồng thời hàm lượng sắt oxit (Fe2O3) có thể ít hơn 0,04% Khi dùng nguyên liệu chứa nhôm khác, chất lượng sản phẩm thường thấp hơn và tiêu

hao nguyên vật liệu thường cao hơn Công thức của nhôm sunfat là Al2(SO4)3.nH2O với loại thường gặp có n = 18 và hàm lượng Al2O3 = 15%

Khi cho thêm muối sunfat của các nguyên tố hóa trị I như: K+, NH4+ vào quá trình phản ứng ta thu được phèn kép Al2(SO4)3.K2SO4.24H2O hay

Al2(SO4)3.(NH4)2SO4.24H2O [18]

Ở miền Bắc nước ta, sản xuất phèn đi từ cao lanh

Al2O3.2SiO2.2H2O + 2KOH → 2KAlO2 + 3H2O + 2SiO2↓ 2KAlO2 + 4H2SO4 + 20H2O → Al2(SO4)3.K2SO4.24H2O Tại miền Nam sử dụng nguyên liệu là nhôm hydroxit

2Al(OH)3 + 3H2SO4 + 12H2O → Al2(SO4)3.18H2O

1.3.2 Điều chế poly nhôm clorua (PAC)

Có thể điều chế PAC từ các nguồn nguyên liệu khác nhau như: từ nhôm hydroxit, từ oxit nhôm, từ nhôm clorua,…

 Công trình của Viện Công nghệ Hóa học

Công trình của Viện Công nghệ Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu – chế tạo thành công và đã đưa ra sử dụng sản phẩm PAC có hàm lượng Al2O3 đạt ≈ 30% Sản phẩm này đã có mặt kịp thời để giải quyết vấn đề nước sinh hoạt cho bà con vùng lũ ở đồng bằng Sông Cửu Long

PAC này được điều chế đi từ nguồn nhôm hydroxit và axit clohydric ở điều kiện áp suất hơi quá nhiệt là 5atm (nhiệt độ khoảng 155˚C) trong thời gian 3 giờ

Nguyên tắc điều chế theo phương trình cơ bản:

nAl(OH)3 + (3n-m)HCl → Aln(OH)mCl3n-m + (3n-m)H2O Hiện nay Viện vẫn còn đang tiếp tục nghiên cứu nhằm nâng cao hàm lượng nhôm oxit trong sản phẩm và tìm các hướng đi từ các nguồn nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên như: quặng bauxite, đất sét hoặc đi từ các chất thải công nghiệp và sinh hoạt như: bùn đỏ, phôi nhôm, vỏ lon bia,…

 Công trình của Dempsey et al (1984)

Ở nghiên cứu này, Dempsey điều chế PAC từ dung dịch muối AlCl3 bằng cách thay thế ion Cl- bằng ion OH- với các tỉ lệ từ 1 đến 2,5 sử dụng Na2CO3 để trung hòa

1.3.3 Điều chế poly nhôm sunfat (PAS)

Công trình của Jia Negyou, Lu Zhu và Xiang Quan ở Trung Quốc đã điều chế hợp chất keo tụ poly nhôm sunfat, đi từ nguyên liệu đầu là nhôm sunfat

Cho dung dịch Ca(OH)2 vào dung dịch Al2(SO4)3 ở 70˚C với tỷ lệ:

Al2(SO4)3 : Ca(OH)2 : H2O = 5:1:12 Giữ tỷ lệ này không đổi trong suốt thời gian phản ứng 12 giờ Đem hỗn hợp

đi lọc lấy dung dịch lọc, cho thêm lượng nhỏ acid hữu cơ để ổn định sản phẩm Hàm lượng nhôm oxit đạt được 10,8%, sản phẩm dạng lỏng Sau đó đi xác định cấu trúc của PAS bằng phổ IR, nhiễu xạ tia X – XRD, NMR cho thấy PAS là một hợp chất kiềm được tạo thành từ các loại: polyme Al13(SO4)2(OH)5,… monomer và một lượng nhỏ ion [10]

1.3.4 Điều chế các poly sắt

Theo các tài liệu cho biết, các công trình nghiên cứu điều chế các poly sắt thường từ dung dịch của muối sắt 3 hoặc oxy hóa muối sắt 2, sau đó duy trì ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao và để già hóa trong một thời gian Kiểm tra sản phẩm thu được bằng phổ Raman cho thấy ngoài các pic của liên kết Fe-OH, Fe-SO4 còn thu được pic của liên kết Fe-O, chứng tỏ có tạo thành polymer [7]

Ở nghiên cứu của Chen W, Zheng H, Teng H, Wang Y, Zhang Y, Zhao C, et

al (2015) [6], có ba chất keo tụ poly sắt được điều chế từ muối FeSO4.7H2O Cho 55,6g FeSO4.7H2O vào trong cốc đựng 45 mL axit H2SO4 20%, khuấy đều, đun với nhiệt độ 60˚C tạo thành dung dịch sắt sunfat đồng nhất Cho 3,55g NaClO3 vào để oxy hóa muối sắt 2 thành sắt 3 Sau khi chuẩn bị dung dịch muối sắt 3, ba chất keo

tụ poly sắt được điều chế theo ba cách khác nhau

 Poly sắt sunfat (PFS)

Dùng NaHCO3 để điều chỉnh tính bazơ của chất keo tụ Sau khi ion H+ và

OH- cân bằng thì các gốc OH- sẽ thay thế các gốc sunfat

Fe2(SO4)3 + nOH- → Fe2(OH)n(SO4)3-n/2 + (n/2)SO4mFe2(OH)n(SO4)3-n/2 → [Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]mLượng NaHCO3 cần thêm vào là 5,04g, khuấy chậm với tốc độ 95-100 vòng/phút ở nhiệt độ 60˚C Sau khi khuấy 60 phút, hỗn hợp phản ứng thu được bảo quản ở nhiệt độ phòng

2- Poly sắt silic sunfat (PFSS)

Thủy tinh lỏng được pha loãng đến 3%, sau đó cho từ từ vào dung dịch axit HCl 20%, dùng máy khấy từ ở nhiệt độ phòng (25˚C) Điều chỉnh giá trị pH về pH=3 bằng dung dịch H2SO4 0,5M và NaOH 1M Thêm vào hỗn hợp phản ứng dung dịch axit silicic 2,5% với tỉ lệ Si/Fe = 0,2 Sau khi bổ sung axit silicic 10 phút thì bước tiếp theo thêm NaHCO3 tương tự PFS

 Poly sắt photpho sunfat (PFPS)

Hòa tan NaH2PO4 trong 20 mL H2O, sau đó cho vào hỗn hợp phản ứng ở trên qua máy bơm nhu động Sau khi dung dịch NaH2PO4 được bổ sung hoàn toàn thì bước tiếp theo thêm NaHCO3 tương tự PFS

1.3.5 Điều chế poly silic sắt nhôm clorua (PSiFAC)

Công trình của A K Tolkou, A I Zouboulis (2014) [4] đã điều chế poly silic sắt nhôm clorua bằng cách kết hợp chất keo tụ tiền polyme vô cơ (PAC) với loại chứa sắt và axit polysilicic với tỉ lệ phối trộn Al/Fe/Si và OH/Al bằng cách sử dụng hai lần trùng hợp

Các polyme vô cơ tan trong nước trên cơ sở nhôm và sắt cùng làm chất keo

tụ là đề tài mới mẻ và rất được các nhà nghiên cứu khoa học quan tâm

Tóm lại, công việc nghiên cứu về các phương pháp điều chế, cấu trúc, cơ chế keo tụ của các sản phẩm này ngày càng được quan tâm và đầu tư phát triển đạt hiệu quả cao

1.4.1 Nghiên cứu loại bỏ độ đục và chất hữu cơ trong nước sông

Các kết quả thí nghiệm về các đặc tính của chất keo tụ gốc nhôm và sắt cho nước sông Nakdong cho thấy các chất thủy phân chính chứa phèn và FeCl3 là các loại monomeric tương ứng 98% và 93,3% PACl của r = 1,2 được tạo ra bằng cách

bổ sung thêm bazơ chứa 31,2% các polyme Al và PACl của r = 2,2 có 85,0% các polyme Al phân tử, cho thấy các loài polyme Al có giá trị r tăng lên Các thí nghiệm

sử dụng chất keo tụ muối của Al (III) và Fe (III) cho nước sông Nakdong cho thấy hiệu quả keo tụ của độ đục và chất hữu cơ cao theo thứ tự của FeCl3 > PACl (r = 2,2) > PACl (r = 1,2) > phèn FeCl3 cho thấy hiệu quả keo tụ tốt hơn so với chất keo

tụ muối của Al (III) Ngoài ra, trong trường hợp các chất keo tụ Al (III) có độ bazơ cao hơn, có chứa nhiều polyme Al hơn, mang lại hiệu quả keo tụ tốt hơn cho cả độ đục và chất hữu cơ được loại bỏ Khoảng pH tối ưu cho tất cả các chất keo tụ được khảo sát là khoảng pH = 7,0 trong phạm vi pH thực nghiệm 4,0 - 9,5 Đặc biệt, PACl (r = 2,2) và FeCl3 cao nhất được coi là chất keo tụ thích hợp hơn để loại bỏ độ đục trong trường hợp nước thô có độ pH cao hơn [9]

1.4.2 Nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm

Phương pháp xử lý nước thải hữu cơ với các chất keo tụ như phèn nhôm, phèn sắt (III), PAC,… hiện đã được ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam và trên thế giới Trong công trình của Đào Minh Trung, Phan Thị Tuyết San, Ngô Kim Định – Viện

Kỹ thuật nhiệt đới và bảo vệ môi trường, đối tượng nghiên cứu là nước thải dệt nhuộm với các thông số chính ban đầu: pH = 10, COD = 480 mg/L, độ màu = 1200 (Pt – Co) Các nghiên cứu được thực hiện với các loại phèn riêng biệt (phèn Fe(III), phèn Al(III), PAC) và hỗn hợp dung dịch phèn Fe(III), phèn nhôm sunfat tính theo

tỷ lệ mol Fe:Al Kết quả nghiên cứu cho thấy hỗn hợp phèn có tỷ lệ mol Fe:Al = 1:2 đạt hiệu quả xử lý tốt nhất (hiệu suất hơn 90% theo độ giảm COD và lượng dung dịch hỗn hợp phèn sử dụng là 11mL dung dịch phèn/lít nước thải diệt nhuộm

1.4.3 Nghiên cứu xử lý nước thải giết mổ gia súc

Nghiên cứu xử lý nước thải lò giết mổ bằng phương pháp keo tụ được tiến hành qua các thí nghiệm Jartest và trên mô hình bể keo tụ tạo bông kết hợp lắng để đánh giá hiệu quả và xác định một số thông số liên quan đến vận hành và thiết kế qui trình Đối tượng nghiên cứu là nước thải từ lò giết mổ gia súc của Xí nghiệp Chế biến Thực phẩm I, Thành phố Cần Thơ; hóa chất dùng để keo tụ là phèn sắt FeCl3.6H2O và phèn nhôm Al2(SO4)3.18H2O Các kết quả của các thí nghiệm Jartest cho thấy FeCl3.6H2O có hiệu quả keo tụ cao hơn Al2(SO4)3.18H2O; liều lượng chất keo tụ là 400 mg/L FeCl3.6H2O kết hợp 600 mg/L vôi là liều lượng khả thi về mặt

kỹ thuật và kinh tế Kết quả vận hành mô hình bể keo tụ tạo bông kết hợp lắng ở liều lượng 400 mg/L FeCl3.6H2O kết hợp 600 mg/L vôi cho hiệu suất loại bỏ SS, BOD, COD, TKN, TP lần lượt là 79,54%, 64,75%, 70,61, 68,69%, 71,33%; cao hơn nhiều so với hiệu quả khi vận hành không sử dụng chất keo tụ Các thông số của nước thải sau quá trình keo tụ - lắng đều đảm bảo điều kiện để tiếp tục đưa vào công đoạn xử lý sinh học

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯƠNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

- Chất keo tụ poly nhôm clorua (PAC), poly sắt clorua (PFC) và poly nhôm sắt clorua (PAFC);

- Mẫu nước nhân tạo có độ đục cao được pha bằng nước máy và đất sét phù sa sông Hồng

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu trong quy mô phòng thí nghiệm

2.2.1 Phương pháp thu thập thông tin, các số liệu

Thu thập, tổng hợp các tài liệu, các công trình nghiên cứu có liên quan đến vấn đề nghiên cứu trong và ngoài nước:

- Các nghiên cứu về các chất keo tụ và quá trình keo tụ;

- Các nghiên cứu, bài báo về quy trình điều chế các polyme vô cơ và phèn nhôm truyền thống;

- Các tài liệu về các phương pháp xử lý nước

Từ đó xác định các vấn đề, cũng như các thí nghiệm cần thiết cho việc tiến hành thực hiện các nội dung của luận văn

- Thêm 23,8g phôi nhôm,

- Trung hòa nấc 1 (thế 1Cl- - PAC1): 46,64g Na2CO3

2AlCl3 + H2O + Na2CO3 → 2AlCl2OH + 2NaCl + CO2↑

- Trung hòa nấc 2 (thế 1,5Cl- - PAC2): 69,96g Na2CO3

4AlCl3 + 3H2O + 3Na2CO3 → 4AlCl1,5(OH)1,5 + 6NaCl + 3CO2↑

- Trung hòa nấc 3 (thế 2Cl- - PAC3): 93,28g Na2CO3

AlCl3 + H2O + Na2CO3 → AlCl(OH)2 + 2NaCl + CO2↑ Tổng thời gian cho quá trình điều chế khoảng 4 ÷ 6 giờ

 Điều chế PFC

 Hòa tan FeCl3:

- Cho 5,72mL axit H3PO4 vào 1L H2O để tránh sự thủy phân của FeCl3,

FeCl3 + H2O + Na2CO3 → FeCl(OH)2 + 2NaCl + CO2↑ Tổng thời gian cho quá trình điều chế khoảng 5 ÷ 7 giờ

 Tổng hợp PAFC

Trộn PAC và PFC đã điều chế ở trên theo các tỉ lệ: 1:1; 1:2; 1:0,5 ta có 9 nhóm chính:

 Nhóm 1: PFC1 : PAC1 = 1:1; 1:2; 1:0,5 (PAFC1; PAFC2; PAFC3);

 Nhóm 2: PFC1 : PAC2 = 1:1; 1:2; 1:0,5 (PAFC4; PAFC5; PAFC6);

 Nhóm 3: PFC1 : PAC3 = 1:1; 1:2; 1:0,5 (PAFC7; PAFC8; PAFC9);

 Nhóm 4: PFC2 : PAC1 = 1:1; 1:2; 1:0,5 (PAFC10; PAFC11; PAFC12);

 Nhóm 5: PFC2 : PAC2 = 1:1; 1:2; 1:0,5 (PAFC13; PAFC14; PAFC15);

 Nhóm 6: PFC2 : PAC3 = 1:1; 1:2; 1:0,5 (PAFC16; PAFC17; PAFC18);

 Nhóm 7: PFC3 : PAC1 = 1:1; 1:2; 1:0,5 (PAFC19; PAFC20; PAFC21);

 Nhóm 8: PFC3 : PAC2 = 1:1; 1:2; 1:0,5 (PAFC22; PAFC23; PAFC24);

 Nhóm 9: PFC3 : PAC3 = 1:1; 1:2; 1:0,5 (PAFC25; PAFC26; PAFC27)

2.2.2.2.Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ

 Chuẩn bị mẫu nước nhân tạo

- Mẫu nước đục nhân tạo được pha bằng nước máy và đất sét phù sa sông Hồng được sấy khô đến khối lượng không đổi, ở nhiệt độ phòng có độ đục là 7100NTU, COD là 640mg/L, độ muối bằng 0%

- Độ muối được tạo ra bằng cách bỏ vào mẫu nước nhân tạo ở trên một lượng muối NaCl tinh khiết sao cho đạt được các nồng độ 1; 2 và 3,5%

 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình keo tụ

Để tìm được pH tối ưu cho quá trình loại bỏ độ đục và chất hữu cơ của mẫu nước nhân tạo đã chuẩn bị ở trên, nồng độ chất keo tụ (PAC, PFC và PAFC) được

cố định ở 0,35mL/L và tiến hành ở pH từ 4 đến 9 (chỉnh bằng NaOH và HCl) Sau khi cho chất keo tụ vào dùng máy khuấy khuấy nhanh 100 vòng/phút trong 30 giây;

sau đó để dung dịch tự chuyển động theo quán tính và lắng Lấy mẫu phân tích sau thời gian lắng 1 giờ, đo lại độ đục và COD trong nước

 Khảo sát liều lượng chất keo tụ tối ưu cho quá trình keo tụ

Sau khi đã tìm được pH tối ưu, liều lượng chất keo tụ được khảo sát ở các nồng độ 0,15; 0,25; 0,35 và 0,45mL/L Mục đích của bước này nhằm tìm ra liều lượng chất keo tụ tối ưu để loại bỏ độ đục và chất hữu cơ của nước Quy trình thí nghiệm như sau:

- Chỉnh pH của mẫu nước về pH tối ưu đã khảo sát được;

- Mẫu nước sau khi cho chất keo tụ với các liều lượng như trên được khuấy nhanh trong vòng 30 giây với tốc độ 100 vòng/phút;

- Sau khi kết thúc quá trình khuấy nhanh, để dung dịch tự chuyển động theo quán tính và lắng Lấy mẫu sau thời gian lắng 1 giờ, đo lại độ đục và COD

 Khảo sát ảnh hưởng của độ muối đến quá trình keo tụ

Sau khi đã tìm được pH tối ưu, liều lượng chất keo tụ tối ưu, độ muối của nước khảo sát ở các nồng độ 1; 2 và 3,5% Mục đích của bước này là khảo sát ảnh hưởng của độ muối đến quá trình keo tụ Quy trình thí nghiệm như sau:

- Chỉnh pH của mẫu nước về pH tối ưu đã khảo sát được;

- Điều chỉnh độ muối của nước theo các nồng độ 1; 2 và 3,5% như đã nêu ở trên;

- Cho lượng chất keo tụ với liều lượng tối ưu ở trên được khuấy nhanh trong vòng 30 giây với tốc độ 100 vòng/phút;

- Sau khi kết thúc quá trình khuấy nhanh, để dung dịch tự chuyển động theo quán tính và lắng Lấy mẫu sau thời gian lắng 1 giờ, đo lại độ đục

 Khảo sát để lựa chọn chất keo tụ

Để tìm được chất keo tụ tối ưu, chất keo tụ được cố định ở liều lượng tối ưu

và tiến hành ở pH từ 4 đến 9 (chỉnh bằng NaOH và HCl) Sau khi cho chất keo tụ