1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HOÀNG THỊ ĐINH TRÂM NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP POLYALUMINIUM SILICATE CHLORIDE (PASiC) Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Mã số: 60.52.75 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2011 2 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Cẩm Nam Phản biện 1: TS. Nguyễn Văn Dũng Phản biện 2: PGS.TS. Võ Văn Tân Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 29 tháng 7 năm 2011. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng 3 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của ñề tài Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá nhưng không phải vô tận. Nếu nguồn nước bị ô nhiễm, nhất là trong mùa mưa lũ sẽ gây ra hậu quả hết sức nghiêm trọng ñến môi trường, hệ sinh thái, các loài sinh vật, trong ñó có con người, tiềm ẩn nguy cơ bệnh tật rất cao. Vì vậy việc xử lý nguồn nước nhằm ñáp ứng nhu cầu sinh hoạt của người dân vùng lũ luôn là vấn ñề ñược quan tâm. Trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, việc sử dụng các chất keo tụ làm trong nước ñã ñược thực hiện từ rất lâu với những loại truyền thống như aluminium sulfate, amonium sulfate… và ñang ngày một phát triển, hoàn thiện hơn với polyaluminium chloride (PAC). Hiện nay, một số nhà nghiên cứu trên thế giới ñã phát triển thêm một loại hợp chất keo tụ với tên gọi polyaluminium silicate chloride (PASiC), nó ñược ñánh giá là một sản phẩm mới mang nhiều tính ưu việt so với các chất keo tụ truyền thống và việc nghiên cứu, tổng hợp PASiC trong ñiều kiện thực tế ở Việt Nam còn rất mới mẻ [5]. Với ñặc thù khí hậu ở Việt Nam, việc sử dụng chất keo tụ làm trong nguồn nước sinh hoạt vào mùa mưa lũ và việc không ngừng cải tiến chất lượng của chúng là vô cùng cần thiết vì nước ta là một nước nông nghiệp, có rất nhiều nơi hiện nay vẫn dùng nước giếng, giếng khoan, nước sông…làm nguồn nước sinh hoạt chính. Với những lý do trên, chúng tôi quyết ñịnh chọn ñề tài “Nghiên cứu quá trình tổng hợp polyaluminium silicate chloride (PASiC)”. 2. M ục ñích nghiên cứu Góp phần cải tiến hiệu suất keo tụ của các hợp chất cao phân tử ñang ñược sử dụng hiện nay trên thị trường. 4 Xây dựng một phương pháp tổng hợp PASiC ñủ ñộ tin cậy nhằm ñáp ứng ñược nhu cầu và ñiều kiện thực tế tại Việt Nam. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: polyaluminium silicate chloride (PASiC). - Phạm vi: xây dựng quy trình tổng hợp PASiC từ nguồn nhôm thương mại trên thị trường và vỏ lon nhôm ñã qua sử dụng trong ñiều kiện thực tế tại Việt Nam. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp vật lý, phương pháp hóa học, phương pháp toán học. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5.1. Ý nghĩa khoa học - Nghiên cứu tổng hợp polyaluminium silicate chloride (PASiC) là một xu hướng ñang ñược thế giới quan tâm nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình keo tụ trong xử lý nước. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn - Nghiên cứu này phù hợp cho ñặc thù khí hậu nhiều mưa lũ tại Việt Nam nói chung và miền Trung nói riêng. Công nghệ ñiều chế tương ñối ñơn giản do dựa trên nền sẵn có là AlCl 3 hoặc PAC. Nguồn nguyên liệu rẻ, dễ tìm, có thể tận dụng phế thải sinh hoạt và ñóng góp vào việc xử lý chất thải rắn, bảo vệ môi trường. 6. Cấu trúc của luận văn Nội dung của luận văn ñược trình bày theo các phần sau: Mở ñầu Chương 1: Tổng quan tài liệu Ch ương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả và thảo luận Kết luận và kiến nghị 5 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về nước 1.1.1. Tính chất vật lý, thành phần hóa học 1.1.2. Chỉ tiêu cảm quan, hoá lý và vi sinh của nước sinh hoạt 1.1.2.1. Chỉ tiêu cảm quan 1.1.2.2. Chỉ tiêu hoá lý 1.1.2.3. Chỉ tiêu vi sinh 1.2. Lon nhôm 1.3. Aluminium chloride (AlCl 3 ) và polyaluminium chloride (PAC) 1.3.1. Aluminium chloride (AlCl 3 ) 1.3.2. Polyaluminium chloride (PAC) PAC là một muối biến tính ñặc biệt của aluminium chloride. Đây là loại phèn nhôm thế hệ mới dạng cao phân tử (polymer). PAC có công thức chung là Al n Cl (3n-m) (OH) m , nó ñược xem như là một polyme vô cơ dựa trên cấu trúc Keggin của Al 13 . PAC là hợp chất phổ biến ñược sử dụng rộng rãi suốt 25 năm qua cả trong và ngoài nước trong lĩnh vực keo tụ xử lý nước. Được ñánh giá là có nhiều ưu ñiểm nổi bật trong xử lý nước như thời gian keo tụ nhanh, ít làm biến ñộng ñộ pH của nước, không cần hoặc dùng rất ít chất hỗ trợ, không cần các thiết bị và thao tác phức tạp, không bị ñục khi dùng thiếu hoặc thừa phèn. PAC có khả năng loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan và không hòa tan cùng kim loại nặng rất tốt. Điều này ñặc biệt có ý nghĩa trong việc tạo ra nguồn nước chất lượng cao, kể cả xử lý nước ñục trong mùa lũ lụt thành nước sinh ho ạt. Do vậy, các nước phát triển ñều sử dụng PAC trong các nhà máy cấp nước sinh hoạt. 6 1.4. Polyaluminium silicate chloride (PASiC) 1.4.1. Tính chất của PASiC Polyaluminium silicate chloride (PASiC) có công thức chung là Al n Si l Cl (3n+4l-m) (OH) m , nó ñược xem như là một polyme vô cơ dựa trên cấu trúc của PAC. Nhằm cải thiện hiệu suất trong quá trình keo tụ của PAC, với sự kết hợp các chuỗi silicate vào cấu trúc mạch của PAC sẽ tạo ra một hợp chất mới có tên gọi polyaluminium silicate chloride (PASiC) có phân tử lượng của thành phần chất keo tụ tăng lên, nâng cao khả năng keo tụ, tạo ra các cụm bông tụ lớn hơn, hạt keo có diện tích bề mặt lớn hơn mà vẫn giữ ñược các ưu ñiểm sẵn có của PAC [10], [11], [13], [14], [15]. 1.4.2. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về PASiC 1.4.3. Phương pháp tổng hợp PASiC Theo công trình nghiên cứu của Tzoupanosa N.D. và các cộng sự, nhìn chung PASiC ñược tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp, ban ñầu ta sẽ tạo ra hợp chất trung gian PAC, sau ñó thêm vào dung dịch PAC vừa tổng hợp một lượng dung dịch thuỷ tinh lỏng sao cho ñạt tỷ lệ mol Al/Si thích hợp nhằm tạo ra hợp chất PASiC như mong muốn. PASiC có bản chất keo tụ tương tự PAC nhưng mang nhiều ưu ñiểm vượt trội hơn như hoạt ñộng trong phạm vi pH rộng hơn (6.0 – 8.5), hiệu suất cao hơn, hàm lượng sử dụng ít hơn, hàm lượng Al dư thấp hơn… 1.5. Sự keo tụ tạo bông 7 CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng Tổng hợp polyaluminium silicate chloride (PASiC). 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Phương pháp nghiên cứu Polyaluminium silicate chloride (PASiC) là một hợp chất keo tụ thế hệ mới và chưa ñược nghiên cứu cũng như sản xuất rộng rãi trên thị trường Việt Nam. Trong nghiên cứu này chúng tôi phân chia làm ba phần: Phần 1: Dùng aluminium chloride thương mại làm nguyên liệu ban ñầu, khảo sát ñể tổng hợp polyaluminium chloride (PAC). Sau ñó thêm poly silicic acid vào ñể tổng hợp nên polyaluminium silicate chloride (PASiC). Phần 2: Dựa trên các thông số ñã nghiên cứu ñược ở phần 1, thay nguyên liệu aluminium chloride bằng lon nhôm và thực hiện quy trình tổng hợp polyaluminium silicate chloride (PASiC). Phần 3: So sánh khả năng keo tụ giữa các hợp chất PASiC tạo thành từ aluminium chloride, từ lon nhôm, polyaluminium chloride (PAC) thương mại và phèn 2.2.2. Phương pháp xử lý số liệu 2.3. Phương tiện nghiên cứu 2.3.1. Thiết bị, dụng cụ 2.3.2. Nguyên liệu, hóa chất 2.3.3. Các thiết bị phân tích sử dụng trong quá trình nghiên cứu 2.3.3.1. Quang phổ hồng ngoại (FT-IR) 2.3.3.2. Kính hi ển vi ñiện tử quét (SEM) 2.3.3.3. Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) 2.3.3.4. Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X (XRF) 8 2.4. Quy trình nghiên cứu Tham khảo các quy trình tổng hợp theo tài liệu [11], [17], [19], chúng tôi ñưa ra ñược quy trình tổng hợp mẫu PASiC như sau: 2.4.1 Tổng hợp từ AlCl 3 2.4.1.1. Quy trình tổng hợp Hình 2.7. Quy trình tổng hợp PASiC từ AlCl 3 2.4.1.2. Thuyết minh quy trình a) Các phương trình phản ứng - Tổng hợp polyaluminium chloride (PAC): AlCl 3 +4NaOH → NaAlO 2 + 3NaCl + 2H 2 O (2.1) 13AlCl 3 + 13NaAlO 2 + 26H 2 O → 2Al 13 (OH) 26 Cl 13 + 13NaCl (2.2) - Tổng hợp poly silicic acid: Na 2 O.SiO 2 + 2HCl + H 2 O → Si(OH) 4 + 4NaCl (2.3) - Tổng hợp polyaluminium silicate chloride (PASiC): Phản ứng giữa Al 13 (OH) 26 Cl 13 và Si(OH) 4 khi có mặt của HCl sẽ tạo ra sản phẩm PASiC với công thức dự kiến là Al 130 (OH) 260 Si 13 Cl 143 . b) Hóa ch ất và thuyết minh: Tổng hợp poly silicic acid: Dung dịch poly silicic axit có pH = 2.02. NaOH AlCl 3 Polyalumin ium chloride HCl Thu ỷ tinh lỏng P oly silicic acid Polyaluminium silicate chloride (PASiC) 9 Tổng hợp polyaluminium chloride: Dung dịch PAC có pH = 2.63 và mật ñộ d = 1.185 g/l Tổng hợp polyaluminium silicate chloride: Dung dịch PASiC tạo thành có pH = 2.53 và d = 1.19 g/l. Sản phẩm PAC và PASiC ñược sấy, nghiền mịn và phân tích trên FT-IR, SEM, XRD và XRF ñể xác ñịnh thành phần hóa. 2.4.2. Tổng hợp từ Al(OH) 3 2.4.2.1. Quy trình tổng hợp Hình 2.8. Quy trình tổng hợp PASiC từ Al(OH) 3 2.4.2.2. Thuy ết minh quy trình - Phương trình phản ứng tạo AlCl 3 từ Al(OH) 3 Al(OH) 3 + 3HCl → →→ → AlCl 3 + 3H 2 O (2.4) NaOH AlCl 3 Polyaluminium chloride (PAC) HCl Thu ỷ tinh lỏng Poly silicic acid Polyaluminium silicate chloride (PASiC) Al(OH) 3 HCl Tách ph ần n ư ớc trong 10 - Các bước tổng hợp ñược thực hiện tương tự Mục 2.4.1. 2.4.3. Tổng hợp từ vỏ lon nhôm 2.4.3.1. Quy trình tổng hợp Hình 2.9. Quy trình tổng hợp PASiC từ lon nhôm 2.4.3.2. Thuy ết minh quy trình - Lon nhôm sau khi thu mua ñược rửa sạch, phơi khô và ñược ñốt cháy trong lò nung ở 550 0 C trong 5 giờ. Sau ñó, tiếp tục Lon R ửa, sấy Nung 0 Đ ể nguội R ửa, sấy NaOH AlCl 3 Polyaluminium chloride (PAC) Poly silicic acid Polyaluminium silicate chloride (PASiC) HCl Tách ph ần n ư ớc trong HCl Thu ỷ tinh lỏng [...]... trong kho ng t 700 cm – 1200 cm-1 Đi u này ch ng t khi thêm m t -1 lư ng silicate nh t ñ nh vào m u trong quá trình t ng h p b ng cách thêm polysilicate ñã t o ra s thay ñ i trong m i liên k t gi a các ph n t trong m u nghiên c u Các peak ñ c trưng t i 3400 cm-1, 1634 cm-1 và 639 cm-1 theo Tzoupanosa N.D h u như không thay ñ i khi thêm silicate vào m u Trong vùng 700 cm-1 – 1200 cm-1: dao ñ ng t i peak... trong kho ng t 700 cm-1 ñ n 1200 cm-1 khi thêm m t lư ng silicate nh t ñ nh vào m u trong quá trình t ng h p mà không làm nh hư ng ñ n các peak ñ c trưng khác t i 3400 cm-1, 1634 cm-1 và 639 cm-1 theo nghiên c u c a Tzoupanosa N.D 20 Trong vùng 700 cm-1 – 1200 cm-1 ñã xu t hi n thêm peak 1100 cm-1, ñây chính là ñ nh th hi n s thay ñ i hàm lư ng Silicate có trong m u PASiC, ñ c trưng cho dao ñ ng liên... Vi t Nam v i giá thành h p lý nên chúng tôi quy t ñ nh s d ng hóa ch t c a Vi t Nam và Trung Qu c trong quá trình t ng h p PASiC Bên c nh ñó, chúng tôi s d ng ngu n lon nhôm ph th i làm nguyên li u ñ t ng h p T k t qu nghiên c u th c hi n trong ñ tài chúng tôi ñi ñ n m t s k t lu n như sau: 1 Quá trình t ng h p PASiC ph thu c nhi u vào t c ñ khu y, th i gian lão hóa và nhi t ñ s y m u 2 Đ t ng h p ñư... chính là ñ nh th hi n s thay ñ i hàm lư ng silicate có trong m u PASiC, ñ c trưng cho dao ñ ng liên k t c a Al-O-Si, t o s khác bi t v i PAC Nhìn chung, khi có m t silicate trong m u nghiên c u thì ph h ng ngo i c a PAC b thay ñ i, nh t là trong vùng 700 cm-1 – 1200 cm-1 Quan sát cũng cho th y peak t i 1100 cm-1 thư ng r t nh y c m v i s thay ñ i hàm lư ng c a silicate Ngoài ra chính s 14 hi n di n c... 3.20) Khi thêm silicate vào m u ñ t ng h p PASiC, b m t c a m u ñã có s thay ñ i ñáng k th hi n qua Hình 3.21 B m t PAC t ng h p không ñ u và s p x p không tr t t (Ph l c 3) và PASiC có xu hư ng s p x p thành chu i, l p không ñ u nhau trên b m t (Ph l c 4) Đi u này là do trong m u PASiC có s hình thành ph c Al-Si ñư c x p thành chu i d n ñ n c u trúc c a nó dày ñ c hơn PAC V y, qua quá trình nghiên c... th Đi u này là do s có m t c a NaCl ñư c tách ra t các ph n t khác, NaCl chính là s n ph m ph c a quá trình t ng h p (Hình 3.7) 3.3 T ng h p PASiC t Al(OH)3 Trên cơ s PASiC ñư c t ng h p t nguyên li u ban ñ u là AlCl3, chúng tôi ñã ti n hành t ng h p PASiC trên nguyên li u ñ u vào là Al(OH)3 theo quy trình Hình 2.8, k t qu ñ t ñư c: 3.3.1 Phân tích trên FT-IR Hình 3.8 Ph FT-IR c a PAC Hình 3.9 Ph FT-IR... chúng tôi th y r ng XRD c a PAC th hi n các tinh th c a h p ch t NaCl, AlCl3 XRD r t nh y v i NaCl và th hi n các peak t i các góc nhi u x 2θ l n lư t là 270, 320, 460, 570 [17], NaCl là s n ph m ph c a quá trình trung hoà AlCl3 và NaOH Bên c nh ñó, AlCl3 còn th a sau 15 ph n ng ch cho các tín hi u r t bé, không ñ c trưng ho c không nh n th y tín hi u Đ i v i PASiC, ngoài tinh th c a h p ch t NaCl, AlCl3... trên tương ñ i cao (94 ñ n 95% kh i lư ng) và thành ph n hóa h c khi so sánh gi a các v lon bia Heniken, bia 333 hay v lon nư c gi i khát Coca Cola g n x p x như nhau Đ t ng h p aluminium chloride t v lon nhôm s d ng quy trình theo ph n ng sau: 4Al + 3O2 → 2Al2O3 (2.4) 2Al2O3 + 6HCl→ 2AlCl3 + 3H2O (2.5) → - Cân 40 gam lon nhôm ñã x lý và cho t t vào 0.5 lít dung d ch HCl 18%, sau khi ph n ng x y ra, ti... l ng ñ c t t hơn PAC thương m i PASiC t ng h p t AlCl3 l ng ñ c t t hơn PASiC t ng h p t lon nhôm và PASiC l ng ñ c cho m u nư c có ñ t sét không t t b ng phèn nhôm Hình 3.22 M u nư c ñ t sét trong quá trình l ng ñ c 3.6.2 M u nư c h n h p Hình 3.23 M u nư c h n h p Hình 3.24 M u nư c h n h p chưa l ng ñ c sau l ng ñ c B ng 3.8 K t qu ño ñ ñ c c a m u h n h p Sau 30 phút Sau 2 gi Sau 4 gi Sau 6 gi... y các ph n t xu t hi n trên b m t m u là Al, Si, O, Cl và Na (Hình 3.14) 3.4 T ng h p PASiC t lon nhôm Phương pháp t ng h p t lon nhôm ñư c th c hi n theo quy trình phân tích ñã ñư c gi i thi u chương 2 (Hình 2.9) Đi m khác bi t v i các quy trình Hình 2.7 và Hình 2.8 là c n ph i x lý nguyên 19 li u ñ u vào M u sau khi t ng h p cũng th c hi n các bư c phân tích như M c 3.2, M c 3.3 và thu ñư c k t qu . NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng Tổng hợp polyaluminium silicate chloride (PASiC). 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Phương pháp nghiên cứu Polyaluminium silicate chloride (PASiC) là một hợp chất. quyết ñịnh chọn ñề tài “Nghiên cứu quá trình tổng hợp polyaluminium silicate chloride (PASiC) . 2. M ục ñích nghiên cứu Góp phần cải tiến hiệu suất keo tụ của các hợp chất cao phân tử ñang ñược. khảo sát ñể tổng hợp polyaluminium chloride (PAC). Sau ñó thêm poly silicic acid vào ñể tổng hợp nên polyaluminium silicate chloride (PASiC). Phần 2: Dựa trên các thông số ñã nghiên cứu ñược