I. TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA PHÈN ĐƠN Al₂(SO₄)₃
1. Cấu trúc & Dạng tồn tại
Phèn đơn nhôm sunfat tồn tại chủ yếu ở dạng hydrat hóa:
| Dạng | Công thức | Ghi chú |
|---|---|---|
| Dạng khan | Al₂(SO₄)₃ | Hiếm gặp trong thực tế |
| Dạng 18 nước | Al₂(SO₄)₃·18H₂O | Phổ biến nhất trong xử lý nước |
| Dạng 14 nước | Al₂(SO₄)₃·14H₂O | Gặp trong công nghiệp |
2. Thông số hóa lý cơ bản
| Thông số | Giá trị |
|---|---|
| Khối lượng phân tử (dạng khan) | 342,15 g/mol |
| Khối lượng phân tử (18H₂O) | 666,43 g/mol |
| Hàm lượng Al₂O₃ (dạng 18H₂O) | ~15–17% |
| Độ tan trong nước (25°C) | ~36 g/100 mL |
| Tỷ trọng dung dịch 10% | ~1,09 g/cm³ |
| pH dung dịch 1% | 3,5 – 4,5 (axit yếu) |
| Điểm nóng chảy | 86,5°C (mất nước kết tinh) |
| Màu sắc | Trắng đục đến vàng nhạt |
3. Phản ứng thủy phân – Cơ chế cốt lõi
Đây là phản ứng quyết định hiệu quả keo tụ:
Bước 1 – Thủy phân tạo hydroxide:
Al³⁺ + 3H₂O → Al(OH)₃↓ + 3H⁺Bước 2 – Tiêu thụ độ kiềm của nước:
Al₂(SO₄)₃ + 3Ca(HCO₃)₂ → 2Al(OH)₃↓ + 3CaSO₄ + 6CO₂↑Bước 3 – Chuỗi phản ứng trung gian (phức đa nhân):
Al³⁺ → Al(OH)²⁺ → Al(OH)₂⁺ → Al₈(OH)₂₀⁴⁺ → Al(OH)₃↓ → AlO₂⁻⚠️ Lưu ý then chốt: Hiệu quả keo tụ phụ thuộc cực kỳ nhạy vào pH. Vùng pH tối ưu: 6,5 – 7,5. Ngoài vùng này, Al(OH)₃ hoặc tan trở lại (pH < 5) hoặc tạo aluminate (pH > 8,5).
4. Yếu tố ảnh hưởng đến hòa tan & hiệu quả
- Nhiệt độ nước thấp (< 10°C): Phản ứng thủy phân chậm, bông cặn nhỏ, khó lắng
- Độ kiềm nước: Cần tối thiểu 75–100 mg/L CaCO₃ để đệm pH
- Độ đục: Hiệu quả tốt nhất khi độ đục > 10 NTU; nước quá trong khó keo tụ
II. ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC
A. Xử lý nước cấp
| Mục tiêu | Cơ chế | Liều dùng thông thường |
|---|---|---|
| Loại độ đục (TSS, keo đất sét) | Trung hòa điện tích âm → kết bông | 10–50 mg/L |
| Loại màu (humic, fulvic acid) | Hấp phụ – kết tủa phức Al-humate | 20–80 mg/L |
| Loại tảo | Keo tụ tế bào tảo | 15–40 mg/L |
| Loại photpho | Al³⁺ + PO₄³⁻ → AlPO₄↓ | 30–80 mg/L |
| Loại Asen (As) | Hấp phụ lên bề mặt Al(OH)₃ | 15–30 mg/L |
| Tiền xử lý lọc nhanh | Tạo bông cặn thô trước bể lọc | Liều thấp 5–15 mg/L |
Dây chuyền xử lý nước cấp điển hình:
Phèn → Khuấy nhanh (G = 300–500 s⁻¹, t = 30–60s)
→ Khuấy chậm (G = 10–30 s⁻¹, t = 15–30 phút)
→ Lắng (v = 0,5–1,5 mm/s)
→ Lọc nhanhB. Xử lý nước thải
| Loại nước thải | Mục tiêu | Hiệu quả |
|---|---|---|
| Nước thải công nghiệp giấy | Loại lignin, SS | 70–90% SS |
| Nước thải dệt nhuộm | Loại màu hoạt tính | 60–80% màu |
| Nước thải chăn nuôi | Loại P, SS | 70–85% TP |
| Nước thải đô thị (3° treatment) | Loại P triệt để | > 90% TP |
| Nước thải nhà máy bia | Loại COD dạng keo | 30–50% COD |
III. SO SÁNH PHÈN ĐƠN Al₂(SO₄)₃ VỚI PAC
PAC là gì?
PAC (Poly Aluminium Chloride): [Al₂(OH)ₙCl₆₋ₙ]ₘ, với n = 1–5, m = 10–∞
Hàm lượng Al₂O₃: 10–17% (thương phẩm dạng lỏng ~10%, dạng bột ~30%)
Bảng so sánh toàn diện
| Tiêu chí | Phèn đơn Al₂(SO₄)₃ | PAC |
|---|---|---|
| Cơ chế chủ đạo | Thủy phân → keo tụ trung hòa điện tích | Keo tụ + hấp phụ + polymer hóa sẵn |
| Mức độ polyme hóa | Thấp, đơn phân tử Al³⁺ | Cao, chuỗi đa nhân [Alₙ(OH)ₘ]^(3n-m)+ |
| Vùng pH tối ưu | Hẹp: 6,5 – 7,5 | Rộng hơn: 5,0 – 9,0 |
| Hiệu quả ở pH thấp | Kém (Al³⁺ không thủy phân đủ) | Tốt (chuỗi polyme bền hơn) |
| Tốc độ tạo bông | Chậm hơn | Nhanh hơn (bông xuất hiện sớm) |
| Kích thước bông cặn | Nhỏ hơn, nhẹ hơn | Lớn hơn, chắc hơn, nặng hơn |
| Tốc độ lắng | Chậm (0,4–0,8 mm/s) | Nhanh hơn 20–40% (0,6–1,2 mm/s) |
| Hiệu quả ở nước lạnh | Kém (<10°C giảm mạnh) | Tốt hơn (ít phụ thuộc nhiệt độ) |
| Tiêu thụ độ kiềm | Cao (3Ca(HCO₃)₂/mol phèn) | Thấp hơn ~30–50% |
| Lượng bùn phát sinh | Nhiều | Ít hơn 20–40% |
| Ảnh hưởng pH nước sau xử lý | Giảm pH đáng kể | Ít ảnh hưởng pH hơn |
| Hàm lượng Al tồn dư | Cao hơn nếu pH không chuẩn | Thấp hơn (keo tụ triệt để hơn) |
| Hiệu quả loại photpho | Tốt | Tốt tương đương |
| Hiệu quả loại màu | Trung bình | Tốt hơn (đặc biệt màu axit) |
| Giá thành | Rẻ hơn 30–50% | Đắt hơn |
| Dễ bảo quản, vận chuyển | Dạng rắn, bền | Lỏng: cần bồn chứa, dễ thao tác |
| Liều dùng | Cao hơn | Thấp hơn 20–40% |
| Ứng dụng phù hợp | Nước đục cao, ổn định, kinh tế | Nước lạnh, pH biến động, yêu cầu cao |
Biểu đồ hiệu quả lắng theo pH
Hiệu quả
lắng (%)
100% | ████████████
90% | ███ ███ ← PAC
80% | ██ ██
70% | ██ ██
60% | ██ ←Phèn đơn ██
50% | ██ ███████ █
40% | ████████████
|___________________________
4 5 6 7 8 9 10 pHIV. KHUYẾN NGHỊ THỰC TIỄN
Chọn phèn đơn khi:
- ✅ Nước đục > 50 NTU, nhiệt độ > 15°C
- ✅ Độ kiềm nước > 100 mg/L CaCO₃
- ✅ pH ổn định trong khoảng 6,5–7,5
- ✅ Ưu tiên chi phí vận hành thấp
- ✅ Nguồn nước mặt đồng bằng (sông Hồng, sông Cửu Long mùa lũ)
Chọn PAC khi:
- ✅ Nước lạnh < 10°C (miền núi, mùa đông)
- ✅ Nước độ đục thấp (< 10 NTU) hoặc màu cao
- ✅ pH nước dao động, độ kiềm thấp
- ✅ Yêu cầu Al tồn dư thấp (< 0,1 mg/L theo QCVN 01:2009)
- ✅ Bể lắng tải trọng cao, cần tốc độ lắng nhanh
- ✅ Nước thải công nghiệp có pH axit
