Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước đang là vấn đề cấp bách toàn cầu với tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Tại Việt Nam, nước thải công nghiệp và đô thị chứa nhiều chất ô nhiễm như BOD5, COD, kim loại nặng vượt mức quy chuẩn cho phép, gây nguy hại nghiêm trọng. Theo số liệu phân tích mẫu nước thải tại một công ty công nghiệp, các chỉ tiêu như BOD5 đạt 328 mgO2/l (quy chuẩn 50 mgO2/l), COD 480 mgO2/l (quy chuẩn 150 mgO2/l), TSS 516 mg/l (quy chuẩn 100 mg/l), cùng nhiều kim loại nặng như Pb, Cr, Cd vượt ngưỡng cho phép. Do đó, việc phát triển các vật liệu xử lý nước thải hiệu quả, thân thiện môi trường là rất cần thiết.

Polyme hữu cơ dạng anionic, đặc biệt là copolyme từ acrylamit và axit acrylic, được xem là chất keo tụ tiềm năng trong xử lý nước thải nhờ khả năng tăng kích thước hạt cặn, thúc đẩy quá trình lắng và loại bỏ các chất rắn lơ lửng. Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp polyme hữu cơ dạng anionic bằng phương pháp đồng trùng hợp gốc tự do trên cơ sở acrylamit và axit acrylic, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp, đồng thời thăm dò ứng dụng polyme này trong xử lý nước thải thực tế tại Việt Nam. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2019-2020 tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, với phạm vi tập trung vào quy trình tổng hợp trên thiết bị đùn trục vít và đánh giá hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp.

Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu polyme hữu cơ dạng anionic sản xuất trong nước, giảm phụ thuộc nhập khẩu, đồng thời nâng cao hiệu quả xử lý nước thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, hướng tới phát triển bền vững ngành công nghiệp hóa chất và bảo vệ môi trường tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết đồng trùng hợp gốc tự do giữa hai monome acrylamit (AM) và axit acrylic (AA). Quá trình đồng trùng hợp gồm ba giai đoạn chính: khơi mào tạo gốc tự do, phát triển mạch polymer và ngắt mạch. Hằng số đồng trùng hợp (r1, r2) phản ánh khả năng phản ứng của từng monome, ảnh hưởng đến thành phần và cấu trúc copolyme. Cơ chế khơi mào sử dụng hệ oxy hóa khử amoni persunfat (APS) và axit ascorbic (AAs), tạo gốc tự do SO4•- và OH• tham gia phản ứng.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Khối lượng phân tử trung bình (Mw): ảnh hưởng đến tính chất keo tụ của polyme.
  • Mức độ anionic (DI): tỷ lệ nhóm ion hóa trên polyme, ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ và trung hòa điện tích.
  • Độ nhớt dung dịch: liên quan đến khả năng bơm định lượng và gia công trên thiết bị đùn trục vít.
  • Cơ chế keo tụ: trung hòa điện tích và cầu nối polyme giúp tạo thành các khối keo lớn, tăng hiệu quả xử lý nước thải.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu nước thải công nghiệp lấy tại đầu vào bể keo tụ của một công ty tại Việt Nam, cùng với các mẫu polyme hữu cơ dạng anionic tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Quá trình tổng hợp polyme được thực hiện theo hai giai đoạn: polyme hóa sơ bộ trong bình khuấy trộn và đồng trùng hợp trên thiết bị phản ứng đùn trục vít model JH35-25 với công suất 5 kg/giờ.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xác định khối lượng phân tử trung bình bằng phương pháp đo độ nhớt sử dụng nhớt kế Ubbelohde và công thức Mark-Houwink.
  • Đo hiệu suất chuyển hóa monome thành polyme bằng phương pháp trọng lượng.
  • Xác định mức độ anionic (DI) bằng chuẩn độ axit-bazơ.
  • Đo độ nhớt dung dịch polyme bằng thiết bị RheolabQC.
  • Phân tích các chỉ tiêu nước thải theo tiêu chuẩn TCVN và ISO như pH, BOD5, COD, TSS, kim loại nặng bằng phương pháp trắc phổ hấp thụ nguyên tử và các phương pháp chuẩn khác.
  • Thí nghiệm xử lý nước thải với liều lượng PAC và polyme hữu cơ dạng anionic, đánh giá hiệu quả qua các chỉ tiêu môi trường.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2019-2020, bao gồm giai đoạn tổng hợp, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng, phân tích đặc tính vật liệu và thử nghiệm ứng dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của độ nhớt dung dịch phản ứng đến chế độ gia công: Độ nhớt dung dịch polyme hóa sơ bộ từ 740,5 đến 827,7 mPa.s cho phép bơm định lượng và gia công trên thiết bị đùn trục vít, sản phẩm thu được có dạng sợi tơi, phù hợp cho quá trình tiếp theo. Độ nhớt quá cao (869,8 mPa.s) gây khó khăn trong bơm và gia công.

  2. Ảnh hưởng của nồng độ monome: Khi tăng nồng độ monome từ 25% lên 40%, hiệu suất chuyển hóa và khối lượng phân tử trung bình của polyme tăng đáng kể, đạt hiệu suất chuyển hóa khoảng 90% và Mw khoảng 1,5 x 10^7 đvC, giúp cải thiện tính chất keo tụ.

  3. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng AA/AM: Tỷ lệ 50/50 cho hiệu suất chuyển hóa và mức độ anionic tối ưu, với DI đạt 20-25%, đảm bảo polyme có khả năng hấp phụ và trung hòa điện tích tốt, tăng hiệu quả xử lý nước thải.

  4. Ảnh hưởng của hệ khơi mào APS/AAs: Tỷ lệ khối lượng APS/AAs = 2:1 và tổng nồng độ 1% cho tốc độ phản ứng ổn định, hiệu suất chuyển hóa cao, đồng thời kiểm soát được trọng lượng phân tử và độ nhớt sản phẩm.

  5. Hiệu quả xử lý nước thải: Sử dụng 100 mg/L polyme hữu cơ dạng anionic kết hợp 300 mg/L PAC, giảm độ màu từ 491 Pt/Co xuống dưới 150 Pt/Co, BOD5 giảm từ 328 mgO2/l xuống dưới 50 mgO2/l, COD giảm từ 480 mgO2/l xuống dưới 150 mgO2/l, TSS giảm từ 516 mg/l xuống dưới 100 mg/l. Hiệu quả loại bỏ kim loại nặng như Pb, Cr, Cd đạt trên 80%.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc kiểm soát các yếu tố như nồng độ monome, tỷ lệ AA/AM, hệ khơi mào và điều kiện gia công trên thiết bị đùn trục vít ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính vật lý và hóa học của polyme hữu cơ dạng anionic. Độ nhớt dung dịch phản ứng là chỉ số quan trọng để đảm bảo quá trình bơm và gia công hiệu quả, tránh hiện tượng tắc nghẽn thiết bị.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất chuyển hóa và khối lượng phân tử đạt được tương đương hoặc vượt trội, chứng tỏ quy trình tổng hợp trong nước có thể cạnh tranh về chất lượng. Việc ứng dụng polyme hữu cơ dạng anionic trong xử lý nước thải công nghiệp tại Việt Nam đã chứng minh hiệu quả rõ rệt trong việc giảm các chỉ tiêu ô nhiễm, phù hợp với quy chuẩn môi trường hiện hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ monome và hiệu suất chuyển hóa, bảng so sánh hiệu quả xử lý các chỉ tiêu môi trường trước và sau xử lý, giúp minh họa rõ ràng tác động của polyme hữu cơ dạng anionic.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp polyme: Áp dụng tỷ lệ monome AA/AM = 50/50, hệ khơi mào APS/AAs = 2:1 với tổng nồng độ 1%, duy trì pH khoảng 5 và nhiệt độ gia công 80°C trên thiết bị đùn trục vít để đạt hiệu suất chuyển hóa và khối lượng phân tử tối ưu. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể: Viện Hóa học và các doanh nghiệp sản xuất polyme.

  2. Phát triển sản phẩm polyme hữu cơ dạng anionic trong nước: Đẩy mạnh nghiên cứu và sản xuất polyme với mức độ anionic 20-25%, khối lượng phân tử trung bình 1-1,5 x 10^7 đvC, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả keo tụ. Thời gian: 1 năm. Chủ thể: Doanh nghiệp hóa chất trong nước phối hợp viện nghiên cứu.

  3. Ứng dụng polyme trong xử lý nước thải công nghiệp: Khuyến khích sử dụng polyme hữu cơ dạng anionic kết hợp PAC với liều lượng thích hợp (100 mg/L polyme, 300 mg/L PAC) để xử lý nước thải có chỉ tiêu ô nhiễm cao, giảm thiểu chi phí và tăng hiệu quả xử lý. Thời gian: triển khai ngay. Chủ thể: Các nhà máy xử lý nước thải, công ty môi trường.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật tổng hợp và ứng dụng polyme hữu cơ dạng anionic cho cán bộ kỹ thuật và doanh nghiệp, nâng cao năng lực sản xuất và ứng dụng. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: Viện Hóa học, Bộ Khoa học và Công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Hóa hữu cơ: Nghiên cứu chi tiết về cơ chế đồng trùng hợp, ảnh hưởng các yếu tố công nghệ đến đặc tính polyme hữu cơ dạng anionic, phục vụ phát triển đề tài và luận văn chuyên sâu.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu polyme và hóa chất xử lý nước: Áp dụng quy trình tổng hợp polyme hữu cơ dạng anionic hiệu quả, giảm chi phí nhập khẩu, nâng cao chất lượng sản phẩm phục vụ thị trường trong nước.

  3. Các đơn vị xử lý nước thải công nghiệp và môi trường: Tham khảo giải pháp sử dụng polyme hữu cơ dạng anionic kết hợp PAC để cải thiện hiệu quả xử lý nước thải, giảm ô nhiễm, đáp ứng quy chuẩn môi trường.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và khoa học công nghệ: Sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở khoa học cho việc xây dựng chính sách phát triển công nghệ xử lý nước thải, thúc đẩy sản xuất vật liệu thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Polyme hữu cơ dạng anionic là gì và tại sao được sử dụng trong xử lý nước thải?
    Polyme hữu cơ dạng anionic là copolyme có nhóm mang điện tích âm, thường tổng hợp từ acrylamit và axit acrylic. Chúng được sử dụng làm chất keo tụ trong xử lý nước thải nhờ khả năng trung hòa điện tích hạt keo, tạo cầu nối polyme giúp kết tụ các hạt lơ lửng, tăng hiệu quả lắng và loại bỏ chất rắn.

  2. Quá trình tổng hợp polyme hữu cơ dạng anionic được thực hiện như thế nào?
    Quá trình tổng hợp dựa trên phản ứng đồng trùng hợp gốc tự do giữa acrylamit và axit acrylic trong dung dịch nước, sử dụng hệ khơi mào oxy hóa khử APS/AAs. Phản ứng được tiến hành qua hai giai đoạn: polyme hóa sơ bộ trong bình khuấy và đồng trùng hợp trên thiết bị đùn trục vít, giúp kiểm soát độ nhớt và khối lượng phân tử.

  3. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến chất lượng polyme hữu cơ dạng anionic?
    Các yếu tố chính gồm nồng độ monome, tỷ lệ khối lượng AA/AM, nồng độ và tỷ lệ hệ khơi mào APS/AAs, pH dung dịch, nhiệt độ gia công và tốc độ trục vít. Chúng ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa, khối lượng phân tử, mức độ anionic và độ nhớt của polyme, từ đó quyết định hiệu quả keo tụ.

  4. Polyme hữu cơ dạng anionic có an toàn và thân thiện với môi trường không?
    Polyme này có kích thước phân tử lớn, không dễ hấp thụ qua da hoặc đường tiêu hóa, có độc tính thấp với động vật có vú và cá. Khi sử dụng đúng liều lượng, polyme hữu cơ dạng anionic là chất keo tụ an toàn, thân thiện môi trường, không làm thay đổi pH môi trường và giảm lượng bùn thải so với chất keo tụ vô cơ.

  5. Hiệu quả xử lý nước thải khi sử dụng polyme hữu cơ dạng anionic ra sao?
    Kết hợp polyme hữu cơ dạng anionic với PAC giúp giảm đáng kể các chỉ tiêu ô nhiễm như độ màu, BOD5, COD, TSS và kim loại nặng. Ví dụ, trong nghiên cứu, độ màu giảm từ 491 Pt/Co xuống dưới 150 Pt/Co, BOD5 từ 328 mgO2/l xuống dưới 50 mgO2/l, COD từ 480 mgO2/l xuống dưới 150 mgO2/l, TSS từ 516 mg/l xuống dưới 100 mg/l, hiệu quả loại bỏ kim loại nặng đạt trên 80%.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công quy trình tổng hợp polyme hữu cơ dạng anionic trên cơ sở acrylamit và axit acrylic bằng phương pháp đồng trùng hợp gốc tự do, sử dụng thiết bị đùn trục vít quy mô phòng thí nghiệm.
  • Các yếu tố như nồng độ monome, tỷ lệ AA/AM, hệ khơi mào APS/AAs, pH và điều kiện gia công ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất chuyển hóa, khối lượng phân tử và đặc tính keo tụ của polyme.
  • Polyme hữu cơ dạng anionic tổng hợp có mức độ anionic 20-25%, khối lượng phân tử trung bình khoảng 1-1,5 x 10^7 đvC, phù hợp làm chất keo tụ trong xử lý nước thải công nghiệp.
  • Ứng dụng polyme hữu cơ dạng anionic kết hợp PAC trong xử lý nước thải thực tế cho hiệu quả giảm đáng kể các chỉ tiêu ô nhiễm, đáp ứng quy chuẩn môi trường Việt Nam.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình sản xuất, mở rộng ứng dụng và chuyển giao công nghệ nhằm phát triển ngành công nghiệp polyme trong nước, góp phần bảo vệ môi trường bền vững.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị sản xuất và xử lý nước thải áp dụng quy trình và sản phẩm polyme hữu cơ dạng anionic đã nghiên cứu, đồng thời triển khai đào tạo kỹ thuật và nghiên cứu mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác.