Polyacrylamide: Hóa chất kết tủa và bắc cầu

Cơ chế: Làm thế nào polyacrylamide kết tủa và kết nối các hạt keo hữu cơ

Polyacrylamide (PAM) loại bỏ các chất keo hữu cơ chủ yếu bằng hai cơ chế hóa lý bổ sung: trung hòa điện tích (kết tủa) và tạo bông bắc cầu. Trong quá trình trung hòa điện tích, PAM cation (hoặc PAM thủy phân một phần khi có mặt các cation đa hóa trị) làm giảm lực đẩy tĩnh điện giúp phân tán các hạt hữu cơ nhỏ, cho phép chúng kết tụ và lắng xuống. Trong quá trình bắc cầu, PAM có trọng lượng phân tử cao hấp phụ đồng thời lên nhiều hạt: chuỗi polyme dài đơn lẻ gắn vào các bề mặt tại các vị trí riêng biệt và liên kết vật lý các hạt thành các khối lớn hơn để lắng nhanh chóng hoặc có thể được khử nước.

Tính chất polyme xác định tác dụng kết tủa và bắc cầu

Trọng lượng phân tử (chiều dài chuỗi)

PAM trọng lượng phân tử cao (thường >5–10 MDa) thích hợp cho việc bắc cầu vì các cuộn dây dài có thể kéo dài khoảng cách giữa các hạt lớn và làm vướng víu nhiều hạt. PAM trọng lượng phân tử thấp có khả năng bắc cầu hạn chế và hoạt động giống như chất kết tụ tầm ngắn, có thể giúp trung hòa điện tích nhưng tạo thành các khối nhỏ hơn.

Mật độ và loại điện tích (cation, anion, không ion)

Dấu hiệu và mật độ của các nhóm ion trên PAM kiểm soát cơ chế kết tủa (trung hòa điện tích):

• PAM cation: có hiệu quả mạnh mẽ trong việc kết tủa các chất keo hữu cơ tích điện âm (ví dụ: chất humic, các hạt bùn anion) thông qua lực hút và trung hòa tĩnh điện.
• PAM anion: hữu ích khi chất keo tích điện dương hoặc khi muốn bắc cầu mà không cần trung hòa điện tích nhanh; thường được sử dụng với chất keo tụ cation trong phương pháp điều trị hai bước.
• PAM không ion: hoạt động chủ yếu bằng cách bắc cầu và được ưa chuộng ở những nơi tương tác ion yếu hoặc thay đổi.

Các biến quy trình chính ảnh hưởng đến hiệu quả

pH và cường độ ion

pH làm thay đổi điện tích bề mặt của chất keo hữu cơ và điện tích biểu kiến của các polyme bị thủy phân một phần; cường độ ion nén lớp điện kép và có thể thúc đẩy kết tủa bằng cách giảm lực đẩy. Cửa sổ pH xử lý nước điển hình là 6–9, nhưng phải kiểm tra độ pH tối ưu vì pH có thể làm thay đổi cấu trúc polyme và hành vi hấp phụ.

Trộn năng lượng và trình tự

Trộn ban đầu nhanh (cắt cao) thường được sử dụng để phân tán chất đông tụ và tạo tần số va chạm để trung hòa điện tích; trộn nhẹ nhàng sau đó để cho phép các chuỗi polyme hấp phụ và tạo cầu nối mà không làm đứt các chuỗi dài. Cắt quá mức sẽ phá vỡ các khối kết tụ được hình thành bằng cách bắc cầu và làm giảm hiệu suất lắng và khử nước.

Ứng dụng thực tế: chiến lược định lượng và phương pháp thử nghiệm lọ

Tối ưu hóa việc sử dụng PAM yêu cầu các thử nghiệm bình quy mô nhỏ bắt chước thời gian trộn và lưu trú tại hiện trường. Các bước điển hình là: chạy hỗn hợp nhanh để mô phỏng sự phân tán chất keo tụ, thêm polyme ở liều lượng thấp và quan sát; tăng dần liều lượng cho đến khi độ đục, thể tích bùn hoặc tốc độ lắng đạt đến mức tối ưu thực tế; đánh giá cường độ kết bông bằng cách áp dụng các xung cắt ngắn và quan sát sự tái phát triển. Luôn bao gồm một mẫu trắng (không có polyme) và kiểm tra các trọng lượng phân tử hoặc mật độ điện tích khác nhau.

Giám sát và kiểm tra phân tích để xác nhận lượng mưa và bắc cầu

Sử dụng các phép đo bổ sung để đánh giá xem lượng mưa (trung hòa điện tích) hay bắc cầu chiếm ưu thế và để định lượng hiệu suất:

• Loại bỏ độ đục và chất rắn lơ lửng (TSS) - chỉ số hiện trường nhanh chóng về sự hình thành cốt liệu.
• Điện thế Zeta - zeta gần bằng 0 biểu thị khả năng trung hòa điện tích hiệu quả; nếu zeta vẫn âm nhưng hình thành các khối lớn thì khả năng bắc cầu chiếm ưu thế.
• Phân bố kích thước hạt - sự phát triển đến đường kính thủy động lực lớn hơn báo hiệu việc bắc cầu thành công.
• Tốc độ lắng và thời gian hút mao dẫn (CST) đối với bùn - đánh giá hiệu quả khử nước từ các khối kết bông.

Cân nhắc về thiết kế và mẹo vận hành

Bắt đầu ở mức thấp và chuẩn độ

Bắt đầu với liều lượng vừa phải và tăng dần trong các thử nghiệm bình. Quá liều có thể làm ổn định lại chất keo (đặc biệt với một số thay đổi cân bằng anion/cation) hoặc tạo ra các khối keo nhớt, dễ cắt và khó khử nước.

Trình tự với chất keo tụ

Khi các chất hữu cơ tích điện mạnh hoặc hiện diện ở nồng độ cao, trước tiên hãy sử dụng chất keo tụ kim loại (ví dụ: phèn, clorua sắt) hoặc chất đa điện phân cation để giảm điện tích; tiếp theo là PAM MW cao để tăng trưởng cầu nối và kết bông. Trong nhiều loại bùn công nghiệp, chất keo tụ kết hợp mang lại kết quả thu giữ chất rắn và khử nước tốt nhất.

Quản lý cắt và lựa chọn máy bơm

Chọn máy bơm và đường ống để giảm thiểu lực cắt sau khi bổ sung polyme. Nếu polyme phải đi qua các vùng có độ cắt cao, hãy xem xét việc phục hồi ở hạ lưu (trộn vào vùng không hoạt động) để các khối kết tụ có thể hình thành lại.

Các vấn đề về môi trường, an toàn và chất lượng polymer

Hãy chú ý đến dư lượng monome (acrylamide) trong các sản phẩm PAM cấp kỹ thuật; chọn các sản phẩm được chứng nhận có hàm lượng monome dư thấp khi sử dụng trong các chất thải có thể uống được hoặc nhạy cảm với môi trường. Đồng thời xem xét khả năng phân hủy sinh học và số phận của các khối lớn - việc sử dụng đất hoặc chôn lấp chất rắn đã khử nước có thể yêu cầu kiểm tra dư lượng polymer, AOX hoặc các chất gây ô nhiễm liên quan tùy thuộc vào quyền tài phán.

Khắc phục sự cố thường gặp

• Độ lắng kém nhưng cải thiện độ đục thấp: kiểm tra MW polymer (có thể quá thấp) và lịch sử cắt; thử PAM không ion hoặc cation có MW cao hơn và giảm lực cắt.
• Các bông cặn nhầy nhụa, yếu sau khi dùng liều cao: dùng quá liều có thể gây ra sự ổn định về mặt không gian – giảm liều lượng và thực hiện lại các xét nghiệm bình.
• Hiệu suất không nhất quán với sự thay đổi ảnh hưởng của nước đầu vào: thực hiện giám sát trực tuyến độ đục/điện thế zeta và điều chỉnh liều lượng tự động (kiểm soát phản hồi).

Kết luận - cơ chế phù hợp với mục tiêu

Để loại bỏ các hạt keo hữu cơ một cách hiệu quả, hãy xác định xem ưu tiên của bạn là kết tủa nhanh (trung hòa điện tích) hay hình thành các khối keo tụ có khả năng khử nước mạnh (cầu nối). Chọn điện tích polyme và trọng lượng phân tử để phù hợp với mục tiêu đó, tối ưu hóa các điều kiện pH/ion và quá trình trộn, đồng thời xác nhận bằng các thử nghiệm bình và theo dõi zeta/kích thước. Khi được áp dụng đúng cách, polyacrylamide vẫn là một trong những công cụ linh hoạt và tiết kiệm nhất để biến chất keo hữu cơ ổn định thành chất rắn có thể lắng hoặc lọc được.