I. Giới thiệu

Polyacrylamide (PAM viết tắt) là một polymer phân tử cao tuyến tính. Kể từ khi sản xuất công nghiệp của nó được thực hiện vào những năm 1950, nó đã trở thành một trong những tác nhân hóa học quan trọng nhất trong lĩnh vực xử lý nước. Do cấu trúc phân tử độc đáo và hiệu suất có thể điều chỉnh, PAM đóng vai trò không thể thay thế trong các quy trình tinh chế nước uống, xử lý nước thải, xử lý nước thải công nghiệp và tách nước bùn. Với các quy định bảo vệ môi trường ngày càng nghiêm ngặt và sự gia tăng của các vấn đề thiếu hụt tài nguyên nước, nghiên cứu ứng dụng của PAM trong xử lý nước đã được đào sâu liên tục, và sự phát triển của các sản phẩm PAM biến đổi mới cũng đã đạt được những tiến bộ đáng kể.

Ii. Đặc điểm cơ bản và phân loại của PAM

1.Cấu trúc hóa học và tính chất vật lý

PAM là một hợp chất có phân tử khối cao được hình thành từ quá trình trùng hợp gốc tự do của các monome acrylamide. Chuỗi phân tử của nó chứa một số lượng lớn các nhóm amide (-CONH2), và những nhóm phân cực này mang lại cho PAM khả năng hòa tan tốt trong nước và hoạt tính hóa học. Trọng lượng phân tử trung bình của PAM thường nằm trong khoảng từ 1 triệu đến 20 triệu. Các sản phẩm có trọng lượng phân tử khác nhau có thể được thu được bằng cách điều chỉnh mức độ trùng hợp theo nhu cầu.

2.Các loại chính của PAM

Theo các đặc tính ion, PAM có thể được phân loại thành ba loại chính:

●Nonionic PAM (NPAM) : Các chuỗi phân tử không mang điện và chủ yếu hoạt động thông qua các liên kết hydro và lực van der Waals. Nó phù hợp cho các môi trường có độ mặn cao hoặc giá trị pH cao.

●PAM âm tính (APAM): Bằng cách giới thiệu các nhóm âm tính như nhóm carboxyl thông qua thủy phân hoặc đồng polymer hóa, nó có hiệu ứng keo tụ xuất sắc đối với các hạt keo mang điện tích dương và được sử dụng rộng rãi trong việc xử lý nước thải đô thị và nước thải chế biến khoáng sản.

●PAM cation (CPAM): Được chuẩn bị bằng cách giới thiệu các nhóm cation như muối amoni bậc bốn, nó đặc biệt phù hợp cho các colloid hữu cơ mang điện tích âm trong các lĩnh vực như làm khô bùn và nước thải sản xuất giấy.

Ngoài ra, còn có các loại đặc biệt như PAM lưỡng tính và PAM đã được sửa đổi, có thể được thiết kế phân tử theo các đặc điểm của đối tượng được xử lý.

Iii. Cơ chế của PAM trong xử lý nước

1.Cơ chế keo tụ

PAM chủ yếu đạt được sự tập hợp của các chất rắn lơ lửng thông qua ba cách sau:

●Điện trung hòa: Các phân tử PAM mang điện trung hòa điện tích bề mặt của các hạt keo thông qua tương tác tĩnh điện, giảm tiềm năng ζ và làm mất ổn định keo.

●Hiệu ứng cầu nối hấp phụ: Các phân tử PAM chuỗi dài đồng thời hấp phụ nhiều hạt, tạo thành cấu trúc floc "hạt-polymer-hạt", đây là một chế độ tác động độc đáo của các chất keo tụ phân tử cao.

●Hiệu ứng bắt và quét mạng: Cấu trúc mạng ba chiều được hình thành bởi PAM có thể cơ học giữ lại các hạt nhỏ trong quá trình lắng đọng.

2.Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả keo tụ

●Trọng lượng phân tử: Nói chung, trọng lượng phân tử càng lớn thì khả năng kết nối càng mạnh, nhưng độ hòa tan sẽ giảm.

●Bậc ion: Nó xác định mật độ điện tích và ảnh hưởng đến khả năng điện trung hòa.

●Liều lượng: Có một giá trị tối ưu. Liều lượng quá mức có thể khiến keo ổn định lại.

●Giá trị pH của dung dịch: Ảnh hưởng đến mức độ ion hóa của PAM và các tính chất điện tích bề mặt của các hạt.

●Điều kiện khuấy: Khuấy vừa phải sẽ thuận lợi cho việc hình thành các cụm, trong khi khuấy quá mức sẽ làm hỏng các cụm.

Iv. Ứng dụng của PAM trong các lĩnh vực xử lý nước khác nhau

1.Xử lý nước uống

Trong ngành cấp nước, PAM chủ yếu được sử dụng như một chất hỗ trợ đông tụ kết hợp với các chất đông tụ muối nhôm hoặc sắt, có thể giảm liều lượng của các chất đông tụ vô cơ từ 30-50% và cải thiện đáng kể chất lượng nước thải. Các nghiên cứu cho thấy việc sử dụng tối ưu APAM có thể giảm độ đục của nước thải từ bể lắng xuống dưới 0.5NTU và loại bỏ hiệu quả các chất hữu cơ vết và tảo trong nước.

2.Xử lý nước thải đô thị

Trong quá trình xử lý thứ cấp, PAM có thể tăng tốc độ lắng của bùn hoạt tính và cải thiện hiệu quả của bể lắng thứ cấp. Trong quá trình xử lý nâng cao thứ ba, lọc hỗ trợ bằng PAM có thể loại bỏ thêm phốt pho và chất rắn lơ lửng. Sau khi một nhà máy xử lý nước thải nhất định áp dụng CPAM, chỉ số thể tích bùn (SVI) đã giảm từ 150mL/g xuống 80mL/g, và công suất xử lý tăng khoảng 40%.

3.Xử lý nước thải công nghiệp

●Nước thải sản xuất giấy: CPAM có thể xử lý hiệu quả nước thải hữu cơ nồng độ cao, với tỷ lệ loại bỏ COD trên 85%.

●Nước thải điện phân: APAM tạo thành bông với các ion kim loại nặng, và tỷ lệ loại bỏ niken, crom, v.v. vượt quá 99%.

●Nước thải từ mỏ dầu: PAM được sử dụng để xử lý nước thải có dầu, và hàm lượng dầu có thể giảm từ 1000mg/L xuống dưới 10mg/L.

4.Xử lý nước thải bùn

Điều kiện PAM có thể cải thiện đáng kể hiệu suất tách nước của bùn, giảm độ ẩm của bùn từ 98% xuống dưới 80%, và giảm đáng kể thể tích của bùn. Hệ thống định lượng tự động tiên tiến có thể điều chỉnh liều lượng và mức độ ion hóa của CPAM theo thời gian thực dựa trên tính chất của bùn, đạt được hiệu quả tách nước tốt nhất.

V. Tối ưu hóa và Đổi mới việc sử dụng PAM

1.Công nghệ tổng hợp

Việc sử dụng kết hợp PAM với các chất đông tụ vô cơ (như PAC), chất oxy hóa (như persulfate), hoặc các chất tạo bông hữu cơ khác có thể tạo ra hiệu ứng hiệp đồng. Ví dụ, khi PAM và PAC được sử dụng kết hợp để xử lý nước thải in ấn và nhuộm, tỷ lệ loại bỏ màu có thể tăng lên 20-30%.

2.Phát triển PAM đã được sửa đổi

●PAM chịu nhiệt độ cao và muối: Bằng cách giới thiệu các nhóm ưa nước mạnh như nhóm axit sunfonic, độ ổn định của nó trong môi trường nhiệt độ cao và muối cao được cải thiện.

●PAM thân thiện với môi trường: Giảm hàm lượng monomer dư (acrylamide) trong sản phẩm và tăng cường khả năng phân hủy sinh học.

●Nano-composite PAM: Nano-sio2, ống nano carbon, v.v. được thêm vào để tăng cường độ bền cơ học và hiệu suất tạo bông.

3.Công nghệ điều khiển thông minh

Hệ thống định lượng thông minh dựa trên việc giám sát trực tuyến tiềm năng Zeta, kích thước hạt floc, v.v. có thể tối ưu hóa các tham số định lượng PAM theo thời gian thực và giảm tiêu thụ hóa chất từ 15-30%. Một nhà máy nước thông minh nhất định áp dụng các thuật toán AI để kiểm soát việc bổ sung PAM, tiết kiệm hơn 500.000 nhân dân tệ chi phí hàng năm.

Vi. Các biện pháp phòng ngừa khi sử dụng PAM

1.Quá trình hòa tan: PAM nên được rắc từ từ vào nước sạch và khuấy đều để tránh sự hình thành của các chất không tan hình "mắt cá". Thông thường, một dung dịch 0.1-0.5% được chuẩn bị và sử dụng ngay sau khi chuẩn bị.

2.Bảo vệ an toàn và môi trường: Các monome acrylamide có độc tính thần kinh. Nên chọn các sản phẩm đơn lẻ chất lượng cao và có dư lượng thấp (<0,05%). Dung dịch PAM thải bỏ cần được xử lý đúng cách để tránh bị xả thải trực tiếp vào các nguồn nước.

3.Điều kiện lưu trữ: PAM rắn nên được lưu trữ trong một container kín ở nơi mát mẻ và khô ráo để ngăn ngừa sự hấp thụ độ ẩm và vón cục. Dung dịch không nên được lưu trữ quá 48 giờ.

Vii. Xu hướng phát triển tương lai

1.Công nghệ tổng hợp xanh: Phát triển các quy trình sản xuất thân thiện với môi trường như polyme hóa xúc tác enzyme sinh học để giảm tiêu thụ năng lượng và phát sinh chất thải.

2.Thiết kế chức năng: Thiết kế phân tử PAM cụ thể cho các chất ô nhiễm mới nổi (chẳng hạn như vi nhựa, dư lượng thuốc).

3.Quản lý kỹ thuật số: Bằng cách tích hợp Internet of Things và phân tích dữ liệu lớn, đạt được việc sử dụng PAM một cách chính xác và thông minh.

4.Tái chế tài nguyên: Sử dụng sự keo tụ PAM để làm giàu các chất có giá trị trong nước thải, chẳng hạn như các nguyên tố đất hiếm và kim loại quý.

Viii. Kết luận

Là một "người chơi đa năng" trong lĩnh vực xử lý nước, PAM đã liên tục đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ tài nguyên nước toàn cầu và kiểm soát ô nhiễm, nhờ vào hiệu suất cao, tính kinh tế và khả năng thích ứng rộng rãi. Với sự tiến bộ của khoa học vật liệu và công nghệ môi trường, các sản phẩm PAM mới với hiệu suất vượt trội và thân thiện với môi trường hơn sẽ tiếp tục xuất hiện, cung cấp nhiều giải pháp hơn để giải quyết các thách thức phức tạp trong xử lý nước. Sự phát triển trong tương lai của công nghệ PAM nên chú ý nhiều hơn đến sự cân bằng giữa việc cải thiện hiệu suất và tính thân thiện với môi trường, thúc đẩy ngành công nghiệp xử lý nước phát triển theo hướng hiệu quả và bền vững hơn.