Nước uống cấp Polyaluminium Chloride (PAC): Chất tẩy rửa an toàn và hiệu quả cho xử lý nước

Giới thiệu

Với tình trạng thiếu nước toàn cầu ngày càng nghiêm trọng và các vấn đề ô nhiễm nước, công nghệ xử lý nước uống an toàn và hiệu quả đã trở thành chìa khóa để bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Polyaluminum Chloride (PAC viết tắt) là một loại chất đông tụ vô cơ cao phân tử mới, đã nhanh chóng thay thế các muối nhôm truyền thống kể từ khi ra đời vào những năm 1960 nhờ vào hiệu suất lọc nước xuất sắc của nó và đã trở thành tác nhân chính trong lĩnh vực xử lý nước. Đặc biệt trong lĩnh vực xử lý nước uống, PAC đạt tiêu chuẩn nước uống, với các đặc tính hiệu quả cao, an toàn và khả năng thích ứng rộng rãi, được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy nước đô thị, cung cấp nước tập trung ở nông thôn và các hệ thống chuẩn bị nước tinh khiết công nghiệp khác nhau.

Tiêu chuẩn "Tiêu chuẩn vệ sinh cho nước uống" của Trung Quốc (GB5749-2022) đã đặt ra yêu cầu cao hơn về chất lượng nước, điều này đã thúc đẩy sự phát triển của các hóa chất xử lý nước hiệu suất cao. So với nhôm sulfat và nhôm trichloride truyền thống, PAC cấp nước uống có những ưu điểm đáng kể như hiệu quả đông tụ tốt, nhôm dư thấp, phạm vi thích ứng pH rộng và ít bùn. Bài viết này sẽ giới thiệu một cách có hệ thống các đặc điểm, quy trình sản xuất, tiêu chuẩn chất lượng của PAC cấp nước uống và các công nghệ ứng dụng của nó trong các xử lý nước khác nhau, cung cấp một tài liệu tham khảo cho thiết kế và quản lý vận hành các dự án xử lý nước.

I. Tổng quan về PAC nước uống cấp

Polyaluminium chloride là một hợp chất vô cơ đại phân tử, và công thức hóa học của nó là [Al₂(OH)ₙCl₆ ₙ ₙ]ₘ, trong đó n=1-5, m≤10. PAC cấp nước uống là một sản phẩm có độ tinh khiết cao được phát triển đặc biệt cho xử lý nước uống. So với PAC cấp công nghiệp, nó có những hạn chế nghiêm ngặt hơn về hàm lượng tạp chất có hại như kim loại nặng. Từ góc độ cấu trúc hóa học, PAC là sản phẩm của quá trình thủy phân - trùng hợp giữa AlCl₃ và Al(OH)₃, chứa một số lượng lớn các phức hợp hydroxyl đa hạt mang điện tích dương, chẳng hạn như [Al₆(OH)₁₅]³⁺, [Al₈(OH)₂₀]⁴⁺, v.v. Những polymer mang điện tích cao này mang lại cho PAC khả năng điện trung hòa xuất sắc.

Theo các quy trình sản xuất khác nhau, PAC có thể được phân loại thành ba dạng: dạng sấy trống, dạng sấy phun và sản phẩm lỏng. PAC cấp nước uống chủ yếu được sản xuất bằng quy trình sấy phun. Quy trình này, thông qua việc sấy nhanh ở nhiệt độ cao, có thể duy trì hiệu quả các thành phần hoạt tính của PAC. Sản phẩm ở dạng bột màu vàng nhạt, với hàm lượng alumina (Al₂O₃) trên 30%, và độ kiềm được kiểm soát trong khoảng từ 40% đến 60%. PAC lỏng cũng được áp dụng trong các nhà máy nước nhỏ và vừa do tính tiện lợi khi sử dụng, nhưng chi phí vận chuyển thì tương đối cao.

Trung Quốc có tiêu chuẩn chất lượng nghiêm ngặt cho PAC cấp nước uống. "Polyaluminium Chloride cho Nước Uống" (GB/T 22627-2014) quy định: Hàm lượng Al₂O₃ của PAC cấp nước uống là ≥28%, độ kiềm là 40%-85%, chất không hòa tan trong nước là ≤1.5%, hàm lượng asen là ≤0.0005%, hàm lượng chì là ≤0.002%, hàm lượng cadmium là ≤0.0005%, và hàm lượng thủy ngân là ≤0.00001%. Những chỉ số này đảm bảo an toàn cho PAC trong xử lý nước uống. So với các tiêu chuẩn quốc tế như của Nhật Bản và Liên minh Châu Âu, tiêu chuẩn của Trung Quốc nghiêm ngặt hơn về giới hạn kim loại nặng, đặc biệt là đối với việc kiểm soát chất gây ung thư asen.

Ii. Cơ chế của PAC cấp nước uống trong xử lý nước

Cơ chế tinh chế của PAC trong xử lý nước là phức tạp và hiệu quả, chủ yếu bao gồm ba khía cạnh: trung hòa điện, cầu hấp phụ và quét bắt lưới. Hiệu ứng trung hòa điện là cơ chế cốt lõi của tinh chế nước PAC. Các hạt keo trong nước thường mang điện tích âm, và các tập hợp mang điện tích dương có hóa trị cao được tạo ra sau quá trình thủy phân của PAC có thể trung hòa hiệu quả các điện tích âm này, phá hủy sự ổn định của các hạt keo, và khiến chúng mất ổn định và kết tụ lại. Các nghiên cứu cho thấy rằng hàm lượng Alb (thành phần có mức độ polymer hóa trung bình) trong PAC càng cao, khả năng trung hòa điện của nó càng mạnh và hiệu ứng kết tụ càng tốt.

Hiệu ứng cầu nối hấp phụ đề cập đến thực tế rằng cấu trúc polymer chuỗi dài của PAC có thể tạo ra "cầu" giữa nhiều hạt keo, kết nối những hạt này để tạo thành các cụm lớn hơn. Hiệu ứng này đặc biệt quan trọng trong việc xử lý nước có nhiệt độ thấp và độ đục thấp. Hiệu ứng bắt giữ và quét ròng xảy ra khi liều lượng PAC tương đối cao, và kết tủa hydroxide nhôm được hình thành hoạt động như một màn lọc để bắt giữ các hạt mịn trong nước. Trong các ứng dụng thực tế, ba hiệu ứng này thường tồn tại đồng thời, nhưng cơ chế chi phối thay đổi theo điều kiện chất lượng nước và liều lượng PAC.

So với các muối nhôm truyền thống, PAC có những ưu điểm đáng kể: Thứ nhất, PAC là một sản phẩm đã được tiền thủy phân, và các thành phần hiệu quả của nó được hình thành tại nhà máy và không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ nước và pH, đảm bảo hiệu ứng đông tụ ổn định. Thứ hai, cấu trúc polymer của PAC mang lại cho nó khả năng trung hòa điện tích mạnh mẽ hơn và phạm vi thích ứng pH rộng hơn (pH5-9). Thứ ba, các bông được tạo ra bởi PAC lớn và dày, với tốc độ lắng nhanh. Nồng độ nhôm dư trong nước đã xử lý thấp, thường được kiểm soát dưới 0.1mg/L, thấp hơn nhiều so với giới hạn 0.2mg/L theo tiêu chuẩn quốc gia.

Iii. Ứng dụng của PAC cấp nước uống trong xử lý nước uống

Trong ứng dụng của công trình cấp nước, PAC, như là chất đông tụ chính, quy trình cho liều của nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước thải cuối cùng. Quy trình xử lý thông thường thường áp dụng quy trình "đông tụ PAC - lắng - lọc - khử trùng". Trong đó, điểm cho liều PAC thường được đặt trước bể trộn nhanh, và sự phân tán nhanh chóng và đồng đều của thuốc thử được đảm bảo thông qua khuấy cơ học hoặc trộn thủy lực. Liều lượng nên được xác định thông qua thử nghiệm trong cốc dựa trên chất lượng nước thô, thường dao động từ 5 đến 30mg/L (tính theo Al₂O₃). Đối với nước có độ đục cao, quy trình "tiền clo hóa - đông tụ" có thể được áp dụng; Đối với nước có nhiệt độ thấp và độ đục thấp, nên sử dụng kết hợp với chất hỗ trợ đông tụ.

PAC cho thấy những lợi thế độc đáo trong việc xử lý ô nhiễm nước đột ngột. Khi xuất hiện tảo bất thường, chất hữu cơ hoặc ô nhiễm kim loại nặng trong nước thô, những chất ô nhiễm này có thể được loại bỏ hiệu quả bằng cách điều chỉnh liều lượng PAC và giá trị pH. Các nghiên cứu cho thấy rằng dưới các điều kiện tối ưu, PAC có thể đạt được tỷ lệ loại bỏ trên 90% đối với các kim loại nặng như chì và cadmium, và tỷ lệ loại bỏ hơn 95% đối với tế bào tảo. Khi xử lý các đợt bùng phát tảo theo mùa, một nhà máy nước nhất định đã tăng liều lượng PAC từ 15mg/L lên 25mg/L, trong khi kiểm soát pH trong khoảng 6.5-7.0. Kết quả là, số lượng tảo trong nước thải đã giảm thành công từ 5,000 mỗi mL xuống dưới 50 mỗi mL.

Trong các dự án nước uống an toàn ở nông thôn, việc ứng dụng PAC linh hoạt và đa dạng hơn. Đối với các hệ thống cung cấp nước tập trung, có thể áp dụng thiết bị định lượng tự động. Đối với các điểm cung cấp nước phân tán, các thiết bị định lượng đơn giản và sản phẩm đóng gói nhỏ đã được phát triển. Trong dự án cải tạo nước uống nông thôn của một tỉnh nhất định, PAC đã được quảng bá và sử dụng, nâng cao tỷ lệ đủ điều kiện cung cấp nước từ 60% lên trên 90%, giải quyết hiệu quả vấn đề chất lượng nước có hàm lượng fluoride và arsenic cao kéo dài ở các khu vực nông thôn. Đáng lưu ý rằng trong các ứng dụng nông thôn, cần đặc biệt chú ý đến sự đơn giản trong vận hành và kiểm soát chi phí. PAC lỏng hoặc các dung dịch PAC đã chuẩn bị sẵn được ưa chuộng hơn.

Iv. Ứng dụng của PAC cấp nước uống trong cung cấp nước đô thị và cung cấp nước công nghiệp

Ngoài việc sản xuất nước máy thông thường, hệ thống cung cấp nước đô thị còn bao gồm việc tái sử dụng nước tái chế và duy trì chất lượng nước trong mạng lưới ống dẫn. PAC được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực này. Trong việc xử lý tái sử dụng nước tái chế, PAC có thể loại bỏ hiệu quả chất hữu cơ keo và phốt pho trong nước. Một nhà máy nước tái chế của một thành phố nhất định đã áp dụng quy trình đông tụ PAC + lọc màng, giảm COD của nước thải xuống dưới 10mg/L và tổng phốt pho xuống dưới 0.3mg/L, hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn sử dụng nước cảnh quan. Đối với vấn đề "nước vàng" trong mạng lưới ống dẫn, bằng cách điều chỉnh liều lượng PAC trong nhà máy nước để tối ưu hóa hiệu quả đông tụ, sự lắng đọng của sắt và mangan trong mạng lưới ống dẫn có thể được giảm đáng kể. Sau khi một thành phố nhất định thực hiện liều lượng PAC tối ưu, các khiếu nại về chất lượng nước ở đầu người dùng đã giảm 70%.

Trong lĩnh vực cung cấp nước công nghiệp, các ngành khác nhau có yêu cầu khác nhau về chất lượng nước, và việc ứng dụng PAC cũng thể hiện những đặc điểm đa dạng. Trong việc xử lý nước cấp cho nồi hơi của ngành điện, PAC, như một tác nhân tiền xử lý, có thể giảm hiệu quả tải cho hệ thống trao đổi ion sau đó. Trong việc chuẩn bị nước siêu tinh khiết trong ngành điện tử, PAC có độ tinh khiết cao được sử dụng để loại bỏ các kim loại vết khỏi nước. Ngành thực phẩm và đồ uống chú trọng hơn đến sự an toàn của PAC và tác động của nó đến hương vị. Một nhà máy bia nhất định đã áp dụng PAC có thiết kế đặc biệt với lượng cặn thấp để thay thế chất đông tụ truyền thống, cải thiện đáng kể chất lượng nước bia và làm cho sản phẩm có hương vị tinh khiết hơn.

Việc tái sử dụng nước thải công nghiệp là một kịch bản ứng dụng quan trọng khác của PAC. Trong quá trình xử lý nước thải tiên tiến ở các ngành công nghiệp như thép, nhuộm và in ấn, và sản xuất giấy, PAC có thể đồng thời loại bỏ COD, màu sắc và kim loại nặng, đạt được việc tái sử dụng nước thải. Một nhà máy giấy nhất định đã áp dụng quy trình đông tụ PAC + ozone, tăng tỷ lệ tái sử dụng nước thải từ 40% lên 75% và tiết kiệm 2 triệu tấn nước ngọt hàng năm. Không giống như nguồn cung cấp nước đô thị, liều lượng PAC trong các ứng dụng công nghiệp thường cao hơn, và đôi khi cần phải sử dụng kết hợp với các chất keo tụ polymer hữu cơ để đạt được hiệu quả xử lý tốt nhất.

V. Xu hướng phát triển và triển vọng của PAC cấp nước uống

Với sự tiến bộ của công nghệ xử lý nước và các yêu cầu bảo vệ môi trường ngày càng tăng, PAC cấp nước uống đang phát triển theo hướng hiệu suất cao, tính năng và tính xanh. Các loại sản phẩm PAC composite mới liên tục xuất hiện, chẳng hạn như PAC chứa silicon (PACS) và PAC chứa sắt (PAFC), v.v. Những sản phẩm này có hiệu quả xử lý tốt hơn cho các chất lượng nước cụ thể. Việc giới thiệu công nghệ nano cũng đã dẫn đến PAC quy mô nano, với diện tích bề mặt riêng lớn hơn và hoạt tính cao hơn đã nâng cao đáng kể hiệu quả đông tụ. Khả năng loại bỏ arsen của nano-PAC được phát triển bởi một nhóm nghiên cứu nhất định gấp hơn ba lần so với PAC truyền thống.

Sản xuất xanh là một xu hướng không thể tránh khỏi trong ngành PAC. Chất thải và nước thải axit phát sinh trong quy trình sản xuất PAC truyền thống đang được kiểm soát hiệu quả thông qua việc cải tiến quy trình. Công nghệ phun sấy mới giảm tiêu thụ năng lượng xuống 30% và tỷ lệ thu hồi sản phẩm phụ vượt quá 95%. Trong tương lai, công nghệ sản xuất PAC chất lượng cao từ axit thải công nghiệp, xỉ nhôm và các vật liệu thải khác sẽ được cải thiện hơn nữa để đạt được tái chế tài nguyên. Phương pháp sinh học của PAC cũng đang ở giai đoạn nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và dự kiến sẽ giảm thiểu thêm tác động môi trường của quy trình sản xuất.

Các ứng dụng thông minh sẽ thay đổi cách sử dụng PAC truyền thống. Hệ thống định lượng thông minh dựa trên dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo có thể phân tích sự thay đổi chất lượng nước theo thời gian thực và dự đoán liều lượng PAC tối ưu. Một dự án nhà máy nước thông minh nhất định đã đạt được kiểm soát tiên tiến về định lượng PAC thông qua một mô hình học máy, giảm tiêu thụ hóa chất xuống 20% trong khi đảm bảo sự ổn định của chất lượng nước thải. Với sự phát triển của công nghệ Internet of Things (iot), việc giám sát từ xa và tối ưu hóa định lượng PAC sẽ trở nên khả thi, điều này đặc biệt phù hợp với các kịch bản ứng dụng tại các điểm cung cấp nước phân tán và các nhà máy nước nông thôn.

Kết luận

Polyaluminium chloride cấp nước uống, như một tác nhân hóa học cốt lõi trong xử lý nước hiện đại, đóng vai trò không thể thay thế trong việc đảm bảo an toàn nước uống, cải thiện chất lượng cung cấp nước đô thị và hỗ trợ phát triển công nghiệp bền vững nhờ vào hiệu quả cao, an toàn và khả năng thích ứng mạnh mẽ. Với sự tiến bộ công nghệ và sự cải thiện của các tiêu chuẩn bảo vệ môi trường, các sản phẩm PAC và công nghệ ứng dụng của chúng sẽ tiếp tục đổi mới, cung cấp các giải pháp toàn diện hơn để giải quyết các thách thức về tài nguyên nước toàn cầu. Ngành công nghiệp xử lý nước nên nhận thức đầy đủ giá trị khoa học của PAC, liên tục tối ưu hóa công nghệ sản xuất và ứng dụng của nó, đồng thời tăng cường nghiên cứu và phát triển các chất đông tụ mới để cung cấp cho nhân loại nước uống an toàn và sạch hơn.