cong nghe xu li khi thai - takitori
Chương 1
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1. CÁC NGUỒN TẠO RA KHÍ THẢI VÀ BỤI
Trong thực tế có hai nguồn tạo ra khí thải và bụi, đó là nguồn ô nhiễm tự nhiên
và nguồn ô nhiễm nhân tạo gắn liền với các hoạt động của con người.
1.1.1. Nguồn ô nhiễm tự nhiên
Các hoạt động tự nhiên có thể làm tăng hàm lượng bụi tại một thời điểm và ở
một không gian nào đó như gió lốc, bão sa mạc mang theo bụi đất cát trên mặt đất tung
vào bầu không khí. Núi lửa hoạt động có thể phun vào bầu khí quyển một lượng bụi và
khí khổng lồ. Những hiện tượng như trên không xảy ra liên tục và phát tán nhanh ra
một vùng rộng lớn làm giảm hàm lượng bụi và khí.
Các hiện tượng phân hủy, thối rữa động thực vật xảy ra thường xuyên cũng thải
vào không khí một lượng khí độc hại.
Các hiện tượng sấm chớp, mây, mưa, bức xạ trong hệ mặt trời và vũ trụ, thông
qua các phản ứng phân hủy hoặc kết hợp các chất tồn tại cân bằng trong không khí tạo
ra các chất có hại.
Nhìn chung ô nhiễm không khí do thiên nhiên tạo ra về khối lượng là rất lớn
song thường phân bố trong một không gian rộng và khá đồng đều nên ít gây nguy hại.
Mặt khác các sinh vật trên mặt đất, qua hàng ngàn vạn năm đã quen và đã thích
ứng được với những thay đổi nói trên.
1.2. CÁC DẠNG THẢI VÀO KHÔNG KHÍ
*Các chất ở dạng khí: là những chất ở điều kiện thông thường tồn tại ở thể khí
như: CO, CO2,NOx,SOx,Cl2…
*Các chất thải dạng bụi: là các hạt chất rắn được phân tán trong không khí có
kích thước khác nhau (từ 1/10 đến hàng nghìn micromet).
*Các chất dạng hơi: thể khí của các chất ở điều kiện bình thường là chất lỏng
hoặc rắn. Ví dụ: hơi benzen, iod, tetraetyl chì...
*Các chất dạng soi: là tập hợp các phân tử chất lỏng hoặc chất rắn tạo thành các hạt nhỏ li ti phân tán trong không khí.
Các chất thải là khí, hơi, bụi hay sol có tác hại ít hay nhiều sẽ phụ thuộc vào bản
thân tính chất của chúng.
---------Bảng 1. 1. Các nguồn và các vật chất gây ô nhiễm chủ yếu
l.Oxit các bon (CO, CO2)
- Các nhà máy nhiệt điện
- Các ngành công nghiệp sử dụng năng lượng là đốt nhiên liệu
- Giao thông vận tải
- Các lò đốt rác và dân dụng
- Phân hủy yếm khí
l.Bụi than, tro: Các nguồn đốt nhiên liệu thải cùng với khí cacbon oxit
l. Bụi berili : Chế hóa quặng và luyện kim
l.Bụi uranium: Chế hóa quặng
l.Hợp chất chứa kim loại có độc tính cao
- Các cơ sở luyện kim
- Các cơ sở sản xuất hóa chất
- Các cơ sở sản xuất thuốc trừ dịch hại
- Sử dụng các sản phẩm thuốc trừ dịch hại
l.Các hợp chất chứa clo
- Thuốc trừ sâu
- Các cơ sở sản xuất hóa chất
- Các cơ sở sản xuất giấy và bột giấy
- Khử trùng bằng clo và các hợp chất chứa clo hoạt động
l.Flo và các hợp chất chứa flo
- Các cơ sở sản xuất hóa chất
- Các cơ sở sản xuất phân lân từ apatit và photphorit..
- Các cơ sở luyện kim
l. Hydrocacbon
- Đốt nhiên liệu
- Công nghiệp sơn và trang trí bằng sơn.
- Các cơ sở sản xuất linh kiện cần làm sạch bằng dung môi hữu cơ
- Các cơ sở sản xuất hóa chất hữu cơ
- Luyện kim
l. Nitơ oxit
- Đốt nhiên liệu
- Các nhà máy hóa chất
- Các cơ sở sản xuất phân đạm, phân tổng hợp NPK
l.Lưu huỳnh oxit :
- Các cơ sở sản xuất hóa chất
- Các nhà máy nhiệt điện
- Luyện kim
- Các công đoạn đốt nhiên liệu khác
l.Các hợp chất có chứa phối pho
- Các cơ sở sản xuất thuốc trừ dịch hại
- Sử dụng thuốc trừ dịch hại
l.Bụi khoáng vô cơ
- Công nghiệp sản xuất xi măng
- Công nghiệp khai khoáng
- Giao thông vận tải
- Xây dựng
l.Bụi phóng xạ
- Các vụ thử hạt nhân
- Sự rò rỉ của các cơ sở năng lượng hạt nhân
l.Hơi kiềm, hơi axit
- Các cơ sở sản xuất hóa chất
- Các cơ sở sử dụng axit và kiềm trong sản xuất
l.Bụi chì
- Các cơ sở sản xuất acquy
- Giao thông vận tải
l.Dicyan và HCN
-Các cơ sở mạ kim loại
- Khai thác, trích chiết vàng, bạc và các kim loại ------------
Có nhiều cách phân loại bụi, hơi và khí độc. Dưới góc độ thu gom và tách lọc, ta
có thể phân loại theo dải kích thước (bảng 1.2).
-------- Bảng 1.2. Phân loại bụi và hơi khí độc theo dải kích thước
l.Bụi (0,1 ÷ 1000-2000) Phát sinh trong quá trình đập, phá, nổ, mài khoan... các chất rắn như đá,quặng, than, kim loại. Một số bụi có dạng sợi có nguồn gốc hoá học, thực vật hoặc khoáng. Các bụi lớn có lắng do lực trọng trường. Các bụi nhỏ có khuynh hướng bay lơ lửng trong không khí.
l.Khói I (0,001 – 0,1) Được tạo ra do ngưng tụ các hạt chất rắn trong quá trình làm nóng chảy kim loại hoặc các phản ứng hoá học.
l.Khói II (0,1 – 0,1 ) Được tạo ra do quá trình đốt cháy nhiên liệu
l.Sương (0,01 – 10,0) Là sản phẩm của quá trình ngưng tụ các hạt chất lỏng
l.Hơi (0,005) Là thể khí mà trong điều kiện bình thường chúng ở thể lỏng hoặc rắn
l.Khí(0,0005) Là dạng vật chất mà trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thông thường chúng không tồn tại ở thể lỏng hoặc rắn------------
Chương 2
CÁC BIỆN PHÁP KỸ THUẬT LÀM SẠCH KHÔNG KHÍ
Giữa thiên nhiên và con người trên hành tinh của chúng ta luôn có một mối quan
hệ mật thiết. Những tác động đến thiên nhiên gây ra do ô nhiễm không khí có quan hệ
nhân quả đối với hoạt động sống của con người. Đó là sự sa mạc hoá, sự nóng lên của
trái đất, xói mòn, bão, lốc... Để giảm thiểu sự ô nhiễm không khí, có thể có những biện
pháp sau:
2.1. CÁC BIỆN PHÁP MANG TÍNH VĨ MÔ
- Hạn chế tác động của con người vào thiên nhiên như: Hạn chế đốt rừng, hạn
chế khai thác rừng, khoáng sản nhằm giảm ảnh hưởng đến sự cân bằng vốn có của khí
quyển.
- Chống sa mạc hóa, hoang hóa.
- Trồng cây xanh, trồng rừng, trồng rừng cây đệm ven bờ biển chung sự xâm lấn
của cát, hơi muối biển.
2.2. CÁC BIỆN PHÁP MANG TÍNH CỤC BỘ
- Cải tiến công nghệ sản xuất và khai thác: Biện pháp này nhằm giảm các chất
thải và các chất thải độc gây ô nhiễm môi trường không khí.
- Thay đổi nguyên, nhiên liệu cho sản xuất để tránh hoặc giảm thiểu thải các chất
có hại vào không khí.
2.3. CÁC BIỆN PHÁP CẢI THIỆN KHÔNG KHÍ NƠI LÀM VIỆC
2.3.1. Thông gió
Nhiệm vụ của thông gió là đảm bảo trạng thái không khí cho con người sống và
hoạt động phù hợp với tiêu chuẩn vệ sinh quy định.
1. Thông gió chung
Mục đích của thông gió chung là đưa không khí từ ngoài vào với lưu lượng cần
thiết nhằm pha loãng cường độ ô nhiễm (bởi nóng, bụi, hơi hoặc khí độc) trong toàn
bộ không gian nhà xưởng, sau đó thải ra ngoài.
Nhược điểm của biện pháp này là tạo ra mức độ không đồng đều của điều kiện vệ
sinh tại những điểm khác nhau trong không gian nhà xưởng; đồng thời dễ đưa độc hại
từ vùng này sang vùng khác. Vì vậy, một trong những yêu cầu cần thiết khi áp dụng
biện pháp này là phải ổn định được các nguồn phát thải độc hại. Hiện tồn tại một số sơ
đồ hệ thống trao đổi không khí trong phòng như sau:
+ Thổi trên hút dưới. + Thổi trên hút trên.
+ Thổi dưới hút trên. + Thổi dưới hút dưới.
Tùy từng trường hợp mà áp dụng sơ đồ này hay sơ đồ khác, nhưng phải tuân thủ
theo nguyên tắc là dòng không khí phải đi theo trình tự:
Không khí sạch Æ Vùng thở Æ Vùng toả độc Æ Miệng Hút Æ Thải
2. Thông gió cục bộ
Mục đích của thông gió cục bộ là thu giữ các khí, hơi độc ngay tại nguồn phát
sinh. Đây là biện pháp hiệu quả nhất trong việc đảm bảo trong sạch không khí cho
vùng làm việc.
Việc tổ chức, xử lý hợp lý các chất gây ô nhiễm phải thoả mãn các yêu cầu sau:
+ Không cản trở thao tác công nghệ.
+ Không cho không khí chứa chất ô nhiễm đi qua vùng thở.
+ Vận tốc thu khí đủ lớn.
3. Thông gió chống nóng
* Khái niệm về cân bằng nhiệt
Trong quá trình hoạt động, con người luôn có sự trao đổi về nhiệt với môi
trường. Mức độ trao đổi nhiệt tiêu chuẩn đối với một người trong điều kiện nghỉ ngơi
là 100 Kcal/giờ. Về mùa hè, thời tiết nóng nên chỉ có con đường duy nhất để cân bằng
nhiệt là thoát mồ hôi. Để thu được hiệu quả làm mát bằng bốc hơi mồ hôi thì phải có
các điều kiện sau:
+ Độ ẩm của không khí thấp.
+ Có gió với vận tốc phù hợp.
Tại nước ta, độ ẩm trung bình tương đối cao. Do vậy để tăng hiệu quả bốc hơi mồ
hôi phải dùng gió có tốc độ đủ lớn, ví dụ:
+ Đối với hệ điều hoà không khí: v = 0,25 - 0,38 m/giây.
+ Đối với lao động: v = 5,00 - 10,00 m/giây.
* Các giải pháp chống nóng
Tùy theo mức độ, yêu cầu khác nhau về vệ sinh công nghiệp mà áp dụng các giải
pháp thông gió chống nóng khác nhau. Có thể chia làm hai loại:
+ Giải pháp thông gió tự nhiên và cách nhiệt.
+ Giải pháp thông gió cưỡng bức.
Thông gió tự nhiên là lợi dụng các yếu tố của tự nhiên như vận tốc gió trời,
chênh lệch tỷ trọng của không khí để tạo ra các dòng khí vào ra một cách hợp lý. Tại
nước ta, thông gió tự nhiên chủ yếu là dùng gió trời. Do vậy việc mở các cửa đón gió,
thoát gió với tỷ lệ đủ lớn là việc làm rất quan trọng. Các nghiên cứu gần đây cho thấy
tỷ lệ mở cửa phải từ 40 đến 60% diện tích tường mới đảm bảo thông gió tự nhiên theo
phương nằm ngang có hiệu quả.
Một vấn đề quan trọng khác là việc hạn chế bức xạ nhiệt mặt trời truyền qua mái
nhà. Về mùa hè, lượng nhiệt truyền qua mái có thể lên tới 110 - 120 Kcal/m2. Một trong những biện pháp có thể áp dụng là phun nước lên mái.
Thông gió cưỡng bức được sử dụng khi thông gió tự nhiên không còn khả năng
đáp ứng được vấn đề cân bằng nhiệt. Thông gió cưỡng bức nhằm tạo ra vận tốc gió
thổi thích hợp, kết hợp với các thông số như nhiệt độ, độ ẩm... để đưa vi khí hậu về
trạng thái tự nhiên dễ chịu.
Trong giải pháp thông gió cưỡng bức thì điều hòa không khí là hình thức cao
nhất của kỹ thuật thông gió nhằm đáp ứng chủ động các thông số vi khí hậu trong nhà
mà không phụ thuộc vào khí hậu ngoài trời.
Trong công nghiệp, ngoài yếu tố vận tốc gió thổi còn có thể hạ nhiệt độ không
khí để làm tăng hiệu quả làm mát. Một trong những biện pháp đơn giản có thể áp dụng
là làm mát bằng bốc hơi đoạn nhiệt. Nguyên lý chung của biện pháp này là cho dòng
không khí đi qua buồng phun nước hoặc lớp màng ướt. Nhiệt của không khí làm nước
bay hơi và tự nó hạ nhiệt độ xuống nhưng độ ẩm tương đối tăng lên. Biện pháp này
được áp dụng cho những vùng có khí hậu nóng, khô như miền Trung và miền Nam
nước ta.
2.3.2. Sử dụng cây xanh
Cây xanh có tác dụng rất lớn trong việc hạn chế ô nhiễm không khí như thu hút
bụi, lọc sạch không khí, giảm và che chắn tiếng ồn, giảm nhiệt độ không khí. Một số
loại cây xanh rất nhạy cảm với ô nhiễm không khí, cho nên có thể dùng cây xanh làm
vật chỉ thị để phát hiện ô nhiễm. Vì thế nên trồng nhiều cây xanh trong khuôn viên và
xung quanh các nhà máy, dọc các đường giao thông, trong khu đệm giữa các khu công
nghiệp, thương mại và dân cư. Tỷ lệ diện tích cây xanh trên diện tích khu công nghiệp
cần đạt từ 15 đến 20%.
2.3.3. Giải pháp công nghệ
Đây là biện pháp nhằm giảm thiểu ô nhiễm không khí được coi là cơ bản, vì nó
cho phép hạ thấp hoặc loại trừ chất ô nhiễm không khí có hiệu quả nhất. Nội dung chủ
yếu của biện pháp này là hoàn thiện công nghệ sản xuất và áp dụng chu trình kín.
Biện pháp công nghệ bao gồm việc sử dụng những công nghệ sản xuất không có
hoặc có rất ít chất thải. Nó cũng bao gồm việc thay thế các nguyên liệu, nhiên liệu thải
ra nhiều chất độc hại bằng những nguyên, nhiên liệu không hoặc ít thải độc. Ví dụ như
thay thế than đá bằng khí đốt. Nó còn bao gồm cả việc sử dụng các phương pháp sản
xuất, gia công ít sản sinh ra chất độc hơn như gia công khô nhiều bụi bằng gia công
ướt ít bụi hơn hay thay vì đốt bằng than thì đốt bằng điện...
Tạo ra một chu trình sản xuất kín có tác dụng loại trừ các chất ô nhiễm không khí
ngay trong quá trình sản xuất. Bằng cách sử dụng tuần hoàn một phần hay toàn bộ các
khí thải trong quy trình sản xuất, hoặc tái sử dụng chúng cho việc sản xuất sản phẩm
khác sẽ giảm bớt hoặc triệt tiêu hoàn toàn khí thải.
2.4. BIỆN PHÁP QUẢN LÝ VÀ VẬN HÀNH SẢN XUẤT
Việc vận hành và quản lý thiết bị máy móc hoặc như quy trình công nghệ cũng là một biện pháp để khống chế ô nhiễm không khí. Nghiêm túc thực hiện chế độ vận
hành, định mức chính xác nguyên vật liệu, chấp hành đúng quy trình công nghệ sẽ làm
cho lượng chất thải giảm xuống và có điều kiện quản lý chặt chẽ nguồn thải và lượng
chất thải.
Chương 3
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ
XỬ LÝ BỤI
3.1. KHÁI QUÁT VỀ BỤI VÀ XỬ LÝ BỤI
Như đã nói đến ở phần trên, bụi là những hạt chất rắn có kích thước cũng như tỷ
trọng khác nhau phân tán trong không khí. Để xử lý lọc sạch bụi trước khi thải ra môi
trưởng người ta đã nghiên cứu và sử đụng nhiều cách khác nhau. Mỗi cách (phương
pháp) phù hợp với các loại bụi, kích thước bụi khác nhau và có những ưu nhược điểm
riêng. Chính vì vậy mà tùy thuộc vào đối tượng bụi, người ta chọn phương pháp xử lý
phù hợp.
Các phương pháp xử lý bụi có thể chìa thành các nhóm sau như trên bảng 3.1.
------------ Bảng 3. 1. Các phương pháp xử lý bụi
l.Lọc :Thùng lọc gốm,Lọc có vật đệm, Lọc túi (màng)
l.Dập bằng nước Dàn mưa , Sục khí ,Đĩa quay , Lọc tầng kiểu Venturi
l.Dập bằng tĩnh điện: Lọc tĩnh điện
l.Khử bụi dựa vào lực ly tâm:Thiết bị sử dụng lực quán tính, Thiết bị sử dụng lực ly tâm (cyclon). Thiết bị quay
l,Khử bụi dựa vào trọng lực: Buồng lắng bụi -------------
Trên cơ sở phân loại các phương pháp xử lý, ta có thể chia các thiết bị xử lý bụi
làm 6 động chính như sau:
1. Lọc cơ khí 4. Thiết bị lọc tĩnh điện
2. Thiết bị màng lọc 5. Thiết bị lọc ướt
3. Thiết bị hấp thụ 6. Thiết bị buồng đốt
Hai loại đầu dùng để xử lý bụi. Thiết bị lọc tĩnh điện và lọc ướt có thể dùng để
xử lý bụi hoặc hơi khí độc. Hai thiết bị sau hay được dùng để xử lý khí.
Đặc trưng và hiệu quả xử lý bụi của các kiểu thiết bị được khái quát trên
bảng 3.2.
------------- Bảng 3. 2. Vùng lọc và hiệu quả xử lý của các phương pháp
Thiết bị xử lý -Kích thước hạt phù hợp -Hiệu quả xử lý (%
1 Thùng lắng bụi: 2000 – 100 :40 – 70 %
2 Cyclon hình nón:100 – 5 :45 – 85
3 Cyclon tổ hợp :100 – 5 :65 – 95
4 Lọc có vật điệm :100 – 10 : đến 99
5 Tháp lọc ướt :100 – 0,1: 85 – 99
6 Lọc túi (màng lọc) :10 – 2 :85 – 99,5
7 Lọc tĩnh điện :10 – 0,005: 85 - 99
Bảng 3.2 và hình 3.1 cho thấy rằng các thiết bị xử lý bằng lực quán tính và các
cyclon rất tiện để tách các hạt bụi tương đối lớn. Loại cyclon tổ hợp có hiệu suất lớn
nhất. Dùng các thiết bị lọc điện, thiết bị lọc hình ống tay áo và các thiết bị lọc bụi loại
ướt có thể đạt được độ tinh lọc khá cao.
Thiết bị lọc bụi loại ướt chỉ dùng khi chất khí cần xử lý chịu được nhiệt độ thấp
và ẩm. Trong trường hợp này các thiết bị lọc bụi loại ướt có nhiều ưu điểm hơn so với
thiết bị lọc điện ở chỗ thiết bị giản đơn và rẻ tiền. Ngoài ra, người ta còn dùng các thiết
bị lọc ướt để lọc sạch khí khỏi bụi, khói và mù (tới 90%). Ứng dụng thiết bị lọc bụi
loại ướt trong nhà máy có nhiều khó khăn vì ở đây quá trình tinh lọc có liên quan tới
việc thu gom và thải một lượng lớn nước có tính axit. Thiết bị lọc điện là một loại thiết
bị lọc sạch bụi có hiệu suất cao; trong đó muốn lọc các loại khí khô ta dùng loại thiết
bị lọc điện thanh bản, còn để lọc sạch các loại bụi và hơi mù khó hấp thụ, cũng như để
lọc sạch được tốt hơn, ta dùng loại thiết bị lọc điện kiểu ống và khi cần lọc sạch một
thể tích khí lớn thì dùng thiết bị lọc điện tổ hợp, rẻ.
Tóm lại, muốn chọn được thiết bị để tách bụi và lọc sạch khí có hiệu quả, phải
xuất phát từ các yêu cầu chính sau:
1. Thành phần hạt bụi và kích thước hạt của nó.
2. Trạng thái và thành phần của khí.
3. Độ tinh lọc khí cần thiết.
3.2. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỤI BẰNG BUỒNG LẮNG
3.2.1. Nguyên tắc
Sự lắng bụi bằng buồng lắng là tạo ra điều kiện để trọng lực tác dụng lên hạt bụi
thắng lực đẩy ngang của dòng khí. Trên cơ sở đó người ta tạo ra sự giảm đột ngột lực
đẩy của dòng khí bằng cách tăng đột ngột mặt cắt của dòng khí chuyển động. Trong
thời điểm ấy, các hạt bụi sẽ lắng xuống.
Để lắng có hiệu quả hơn, người ta còn đưa vào buồng lắng các tấm chắn lửng
Các hạt bụi chuyển động theo quán tính sẽ đập vào vật chắn và rơi nhanh xuống đáy.
1. Bề mặt cắt ngang của buồng lắng được tính theo công thức: S=a.h=V/w (m2)
a là chiều rộng của buồng lắng
h là chiều cao của buồng lắng
V là lưu lượng khí qua buồng lắng
w là vận tốc dòng khí qua buồng lắng.
Như vậy, khi thiết diện của buồng lắng càng tăng thì vận tốc dòng khí trong
buồng lắng càng giảm.
2. Bề mặt rằng cần thiết (F) tính theo công thức: F=V/w1
w1 là vận tốc lắng bụi
V là lưu lượng dòng khí và bụi.
Thời gian lắng của hạt bụi được tính theo công thức: t = h /w1 (s)
Thể tích làm việc của buồng lắng (VLV): VLV = V.t (m3)
Chiều dài cần thiết của buồng lắng (l): l = F / a = VLV /h. a (m)
3.2.3. Cấu tạo của buồng lắng nhiều tầng
Buồng lắng nhiều tầng là một dãy các buồng lắng đơn lẻ nối tiếp nhau. Từng tầng
đơn lẻ hoạt động giống như buồng lắng đơn. Như vậy chiều dầy tổng cộng:
H= tong sich ma ni.hi (m)
trong đó: ni là tầng thứ i
hi là chiều cao tầng thứ i
Tóm lại, buồng lắng bụi là một loại thiết bị thu bụi đưa vào lực trọng lực và lực
quán tính để thu giữ bụi. Với thiết bị loại này người ta có thể thu gom các hạt bụi có
kích thước lớn hơn 10 µm. Để làm sạch khí trong các lò đốt ta cũng có thể sử dụng
thiết bị buồng lắng nhiều tầng. Mặc dù buồng lắng bụi là biện pháp rẻ tiền nhưng thiết
bị của nó cồng kềnh và hiệu quả xử lý thường là thấp nhất so với các phương pháp
khác Nó hay được sử dụng để làm sạch sơ bộ.
3.3. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỤI DỰA VÀO LỰC LY TÂM (CYCLON)
3.3.1. Nguyên lý
Khi dòng khí và bụi chuyển động theo một quỹ đạo tròn (dòng xoáy) thì các hạt
bụi có khối lượng lớn hơn nhiều so với các phân tử khí sẽ chịu tác dụng của lực ly tâm
văng ra phía xa trục hơn, phần gần trục xoáy lượng bụi sẽ rất nhỏ.
Nếu ta giới hạn dòng xoáy trong một vỏ hình trụ thì bụi sẽ va vào thành vỏ và rơi
xuống đáy. Khi ta đặt ở tâm dòng xoáy một ống dẫn khí ra, ta sẽ thu được khí không
có bụi hoặc lượng bụi đã giảm đi khá nhiều.
........
3.4. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỤI BẰNG LỌC MÀNG, LỌC TÚI
3.4.1. Nguyên lý
Dòng khí và bụi được chặn lại bởi màng hoặc túi lọc; túi (màng) này có các khe
(lỗ) nhỏ cho các phân tử khí đi qua dễ dàng nhưng giữ lại các hạt bụi. Khi lớp bụi đủ
dày ngăn cản lượng khí đi qua thì người ta tiến hành rung hoặc thổi ngược đê thu hồi
bụi và làm sạch màng.
3.4.2. Cấu tạo và vận hành
Màng lọc là những tấm vải (nỉ) được đặt trên một giá đỡ là những tấm cứng đan
hoặc tấm cứng liền có đục lỗ.
Túi lọc bằng vải, nỉ có dạng ống một đầu hở để khí đi vào còn đầu kia khâu kín.
Để túi được bền hơn người ta thường đặt trong một khung cứng bằng lưới kim loại
hoặc nhựa.
Năng suất lọc của thiết bị phụ thuộc vào bề mặt lọc, loại bụi và bản chất, tính
năng của vật liệu làm túi (màng).
................
3.5. THU BỤI BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚT
Các phương pháp ướt thường được sử dụng cho những nơi bụi mang độ ẩm cao
hoặc không khí tại nơi làm việc không đồng đều về nhiệt độ và độ ẩm. Nguyên tắc của
phương pháp này là dòng không khí chứa bụi phải được đi qua một môi trường lỏng
hoặc màng hơi nước để tăng khả năng lắng xuống của hạt bụi. Có rất nhiều cách để áp
dụng nguyên tắc này, dưới đây chúng ta sẽ xem xét một vài phương pháp hay được sử
dụng trong công nghiệp.
3.5.1. Phương pháp dập bụi bằng màng chất lỏng
1. Nguyên lý
Dòng khí có chứa bụi đi qua màng chất lỏng (thường là nước). Các hạt bụi gặp
nước sẽ bị dìm xuống hoặc cuốn bám theo màng nước, còn dòng khí đi qua. Nước
thường được đi từ trên xuống, còn dòng khí đi từ dưới lên.
2. Cấu tạo và vận hành của thiết bị
* Dàn mưa: Đây là thiết bị đơn giản nhất để dập bụi nhưng lại có hiệu quả cao.
Lượng nước phun vào có thể quay vòng trở lại sau khi lắng bùn bụi. Thiết bị này
thường dùng trong các nhà máy xi măng hay các xí nghiệp nghiền quặng.
* Tháp đĩa chồng: Đây là một kiểu tháp dập bụi khác rất có hiệu quả.
Trong công nghiệp, thiết bị lọc bụi qua màng chất lỏng thường được đặt sau hệ
thống buồng lắng bụi nhằm mục đích thu gom những hạt bụi quá nhỏ không bị giữ lại
ở buồng lắng. Kích thước thiết bị thường có bề rộng > 1m; sâu và cao > 1,5 m; đường
kính ống thải > 600 mm; chiều cao ống thải chỉ nên hạn chế < 5 m để thuận tiện làm
vệ sinh.
..........
3.5.2. Phương pháp sục khí qua chất lỏng (nước) - Phương pháp sủi bọt
Đây là một trong các kiểu tách bụi ra khỏi khí thải bằng phương pháp ướt có hiệu
quả cao (với bụi có đường kính lớn hơn 5 µm, hiệu suất làm sạch khí đạt tới 99%).
1. Nguyên lý
Khí chứa bụi đi qua màng đục lỗ rồi qua lớp chất lỏng dưới dạng các bọt khí. Bụi
trong các bọt khí bị thấm ướt và bị kéo vào pha nước tạo thành các huyền phù rồi được
thải ra ngoài. Khí sau khi được làm sạch sẽ thải ra môi trường. Thiết bị làm sạch khí
kiểu này phù hợp với nồng độ bụi khoảng 200 đến 300 mg/m3; công suất có thể lên tới
50.000 m3/h.
2. Cấu tạo và hoạt động.
............
3.5.3. Phương pháp rửa khí ly tâm
Thực tế đây là thiết bị kết hợp lực ly tâm của cyclon với sự gập bụi của nước.
Nước được phun từ trên xuống theo thành hình trụ của thiết bị, đồng thời khí được thổi
theo dòng xoáy từ dưới đi lên. Bụi văng ra phía thành bị nước cuốn theo đi xuống cửa
thoát dưới đáy (mô hình của thiết bị cyclon ướt đã được minh hoạ trong mục 3.3) (hình
3.8).
3.5.4. Phương pháp rửa khí kiểu Venturi
1. Nguyên lý
Dòng khí được dẫn qua một ống thắt, tại đây tốc độ dòng khí tăng lên cao (50 -
150 m/s). Khi vượt qua đầu cấp chất lỏng để ngỏ sẽ kéo theo dòng sol. Những hạt chất
lỏng nhỏ bé đó sẽ làm ướt bụi cuốn theo và ngưng hại thành dạng bùn đi ra theo cửa
dưới và dòng khí ra sẽ là khí sạch.
2. Cấu tạo và vận hành
................
Thiết bị tách bụi khỏi dòng khí thải kiểu Venturi được mô tả trên hình 3.15. Khí
được dẫn vào cửa 1 qua cổ thắt 2, tại đây có đặt cửa cấp nước. Sau khi dẫn qua cửa 3
khí đi vào buồng lọc sol 4; tại đây có trang bị hệ thống tách sol là những tấm lưới đặt
xiên so với thành buồng. Sol nước lẫn bụi ướt tích tụ lại ở phần đáy và được thải ra
ngoài theo cửa 6. Khí sau khi tách sol và bụi được thoát ra ngoài theo cửa 5.
Ngược lại với kiểu Venturi người ta còn dùng dòng nước thay vì dòng khí trong
thiết bị rửa khí. Dòng chất lỏng có vận tốc lớn đi qua cửa thắt sẽ tạo một áp suất âm ở
khoảng không gian giữa dòng nước và thành cửa thắt; khí thải sẽ bị cuốn vào qua cửa
thắt, tiếp xúc với dòng phun của chất lỏng và quá trình tách bụi xảy ra giống như
nguyên lý trong thiết bị Venturi. Nước (chất lỏng) sau khi tách phần lớn huyền phù bụi
ở các ngăn bể tại phần đáy của thiết bị được sử dụng tuần hoàn trở lại. Khí đi ra là khí
sạch. Đối với thiết bị kiểu này, vận tốc của chất lỏng thường vào khoảng từ 20 đến 30
m/s; tốc độ dòng khí vào từ 10 đến 20 m/s.
Các thiết bị tách bụi khỏi khí kiểu này có thể lắp liên tiếp nhau qua nhiều bậc tuỳ
theo yêu cầu độ sạch của khí ra.
Trong các loại thiết bị rửa khí ướt, thiết bị kiểu Venturi đạt hiệu quả thu bụi cao
nhất và được sử dụng rộng rãi trong kỹ nghệ. Dưới đây là một số thiết bị tách bụi kiểu
ướt khác hay được sử dụng:
...................
3.5.5. Rửa khí kiểu dòng xoáy
1. Nguyên 1ý
Dòng khí có tốc độ lớn thổi trực tiếp vào bề mặt chất lỏng theo một góc xiên;
dưới áp lực của dòng khí, chất lỏng sẽ bị tung lên, khí và chất lỏng tiếp xúc với nhau;
bụi bị thấm ướt sẽ giữ lại trong chất lỏng và khí sạch đi ra ngoài.
2. Cấu tạo và vận hành
Các kiểu thiết bị rửa khí dòng xoáy được mô tả như trên hình 3.18. Đối với kiểu
1 và 2 tuy cấu tạo có khác nhau nhưng quá trình vận hành tương tự nhau. Dòng khí và
bụi được dẫn qua cửa vào buồng rửa (với vận tốc thường từ 10 đến 15 m/s). Do cấu tạo
có tấm chắn định hướng nên dòng khí tiếp xúc với bề mặt chất lỏng dưới một góc xiên.
Dòng khí và chất lỏng được tiếp xúc với nhau trong vùng tiếp xúc. Hầu hết bụi sẽ
được giữ lại trong lòng chất lỏng; dòng khí chứa sol được đi qua màng tách sol và đi ra
ngoài theo cửa ra. Huyền phù bụi được thường xuyên lấy ra theo cửa thải.
Kiểu thứ 3 có trang bị cánh hướng dòng hình xoắn ốc nên đã làm tăng thời gian
tiếp xúc giữa dòng khí bẩn và sol nước dẫn đến hiệu quả làm sạch được tăng lên. Mặt
khác do thời gian dòng khí và sol đi trong cánh định hướng dài hơn nên hầu hết các sol
đã được lắng lại nên không cần trang bị thêm màng tách sol. Khí bẩn đi vào thiết bị
theo một ống lắp xiên với thành thiết bị; sau khi tiếp xúc với bề mặt chất lỏng sẽ đi vào
cánh hướng dòng. Khí sạch đi theo cửa ra. Huyền phù bụi được định kỳ lấy ra theo cửa
tháo bụi.
Ưu điểm của các thiết bị rửa xoáy là bụi được kéo vào trong phần nước rửa tuần
hoàn, vì thế ta chỉ cần bổ sung lượng nước thất thoát nên sẽ tiết kiệm được nước rửa và
phần nước phải xử lý cũng ít đi.
3.5.6. Rửa khí kiểu đĩa quay
1. Nguyên lý
Bụi trong dòng khí đi qua hệ thống khử bụi gồm nhiều tấm đục lỗ hay lưới bằng
kim loại. Những tấm lưới này luôn luôn được thấm ướt bằng một chất lỏng thích hợp
và quay tròn đều trong một không gian hình trụ. Những hạt bụi trong dòng khí gặp bề
mặt chất lỏng sẽ bị làm ướt và bị giữ lại rồi trôi theo những giọt nước rơi xuống đáy.
2. Cấu tạo và vận hành
Khí thải được dẫn vào thiết bị theo cửa "khí vào" 1 ở phía dưới; sau khi đi qua hệ
thống đĩa quay 5 sẽ đi ra ngoài theo cửa "khí thoát" 2. Chất lỏng được phun vào đĩa
trên cùng bằng hệ thống phun 3 và chảy đều xuống các đĩa phía dưới. Bụi bị thấm ướt
sẽ chảy theo dòng chất lỏng đi xuống phía dưới và được thường xuyên tháo ra theo cửa
thoát 4 (hình 3.19)
..............
3.6. KHỬ BỤI TĨNH ĐIỆN
3.6.1. Nguyên lý
Trong một điện trường đều, có sự phóng điện của các điện tử từ cực âm sang cực
dương. Trên đường đi, nó có thể va phải các phân tử khí và ion hóa chúng hoặc có thể
gặp phải các hạt bụi làm cho chúng tích điện âm và chúng sẽ chuyển động về phía cực
dương. Tại đây chúng được trung hòa về điện tích và nằm lại ở đó. Lợi dụng nguyên lý
này người ta sẽ thu được bụi từ các tấm điện cực dương và khí đi ra là khí sạch bụi.
Dưới đây chúng ta sẽ xem xét cách di chuyển của những hạt bụi trong một điện
trường đều (hình 3.20) và quá trình hoạt động của một hệ thống lắng bụi bằng tĩnh
điện (hình 3.21).
................
3.6.2. Cấu tạo và hoạt động
Thông thường để dập bụi bằng điện trường, người ta làm nhiều tầng điện cực liên
tiếp nhau. Điện cực âm thường là một dây dẫn trần, khi hoạt động xung quanh dây dẫn
thường có quầng sáng do điện tử ion hoá các phân tử khí khi nó chuyển động qua điện
cực dương nên còn gọi là điện cực quầng sáng. Mô hình cấu tạo đơn giản của một thiết
bị lọc bụi tĩnh điện được mô tả trong hình 3.22.
..................
Chương 4
CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ HƠI VÀ KHÍ ĐỘC
4.1. KHÁI QUÁT VỀ HƠI VÀ KHÍ ĐỘC
Khác với bụi và sol, khí và hơi ổn tại dưới dạng các phân tử riêng biệt lẫn vào
không khí theo các chuyển động chaose.
Ở điều kiện bình thường hơi có thể ngưng tụ được, còn khí thì chỉ ngưng tụ được
khi tạo được áp suất hoặc nhiệt độ phù hợp (áp suất cao, nhiệt độ thấp).
Xử lý hơi hoặc khí thải độc hại có thể tiến hành bằng các phương pháp tiêu hủy,
ngưng tụ, hấp phụ hoặc hấp thụ.
4.2. XỬ LÝ KHÍ VÀ HƠI BẰNG PHƯƠNG PHÁP THIÊU HỦY
Để phân hủy một chất ở dạng khí hoặc hơi có hại cho môi trường thành một hay
nhiều chất khác ít hoặc không độc hại có thể thực hiện bằng nguồn nhiệt - phân hủy
nhiệt hoặc phân hủy thông qua các phản ứng hóa học, hoặc kết hợp cả hai như phương
pháp đốt.
4.2.1. Thiêu hủy bằng nhiệt
Phương pháp này phù hợp với khí thải chứa các hợp chất hữu cơ như các hơi
dung môi, hơi lò cốc hoá than, hơi đốt...
Trong điều kiện nhiệt độ cao các chất hữu cơ sẽ bị phân huỷ thành than: khí và
hơi nước. Muốn phân hủy thành than, khí và hòi nước nhiệt độ phân hủy đòi hỏi phải
cao và tốc độ phân hủy thường chậm. Vì vậy người ta thường tiến hành phân huỷ nhiệt
với sự chó mặt của các chất xúc tác.
4.2.2. Thiêu hủy bằng phương pháp hóa học
Đây là phương pháp được sử dụng khá phổ biến đối với các khí độc hại. Thí dụ:
SO2 (SO3) + NaOH Æ Na2SO3 (Na2SO4)
NOx + NH1OH Æ NH1NOx
Đối với các chất hữu cơ độc hại như thuốc trừ dịch hại, người ta thường sử dụng
các phản ứng oxy hóa khử hoặc thủy phân trong môi trường thích hợp để thay đổi cấu
trúc phân tử hay dạng tồn tại của chúng trở thành các sản phẩm ít hoặc không có hại
đối với người và động thực vật.
Thí dụ
* Phản với ôzôn có một tia cực tím
Ôzôn hóa kết hợp với chiếu tia cực tím là phương pháp rất có hiệu quả đối với
chất thải hữu cơ hoặc dung môi.
Chất trừ dịch hại + O3 + UV → CO2 + H2O + các chất không độc
* Ô xi hóa bằng các chất ôxy hóa mạnh khác
Chất hữu cơ + KMnO4 → Mn2+ CO2 + H2O +... → MnO2 + các sản phẩm không độc
4.2.3. Thiêu hủy bằng phương pháp đốt
Đất là phương pháp hay dược dùng khi mà sản phẩm đó không thể tái sinh hoặc
thu hồi được. Quá trình đốt thực chất là quá trình tiêu huỷ bằng nhiệt nhưng luôn phải
có mặt không khí. San phẩm của quá trình đốt này thường là CO2., hơi nước và các khí
không hoặc ít độc hại. Nhiệt độ đòi hỏi cho việc đốt khí và hơi thải thường phải từ
800-1000 do C
C. Có 2 cách để đốt:
1. Đốt không có chất xúc tác
Nhiệt độ của quá trình thiêu đốt này không đòi hỏi quá cao để phân huỷ hoàn
toàn chất và thường dùng khi nồng độ các chất độc hại cao (vượt quá giới hạn bốc
cháy). Ví dụ như đốt khí đồng hành trong khai thác dầu mỏ.
Sơ đồ của một quá trình đốt không xúc tác như sau:
.................
2. Đốt có xúc tác
Trong phương pháp này người ta sử dụng các kim loại có bề mặt rất phát triển
như bạch kim, đồng, niken làm chất xúc tác. Nhiệt độ thiêu đốt thấp (từ 50-300 do C).
Phương pháp này thích hợp với các khí thải độc hại có nồng độ thấp, gần với giới
hạn bắt lửa. So với đốt không xúc tác thì nó rẻ tiền và sản phẩm thường an toàn hơn.
Dưới đây là mô hình của một số thiết bị xử lý khí bằng phương pháp dốt dạng phun.
................
4.3. PHƯƠNG PHÁP NGƯNG TỤ
Nguyên tắc của phương pháp là dựa trên sự hạ thấp nhiệt độ môi trường xuống
một giá vị nhất định thì hầu nhú các chất ở thể hơi sẽ ngưng tụ lại và sau đó được thu
hồi hoặc xử lý tiêu hủy. Ở diều kiện làm lạnh bình thường, nếu xử lý bằng ngưng tụ
thường khi thu hồi được hơi các dung môi hữu cơ, hơi axít ra nhân phương phát này
chỉ phù hợp với những trường hợp khí thải có nồng độ hơi tương đối cao (>>20 g/m3).
Trong trường hợp nồng độ nhỏ, người ta thường dùng các phương pháp hấp phụ hay
hấp thụ. Hiệu suất ngưng tụ (giá trị tương đối) được tính theo công thức:
...........
4.4. XỬ LÝ HƠI VÀ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ
4.4.1. khái quát về hiện tượng hấp phụ
Hấp phụ là một hiện tượng (quá trình) gây ra sự tăng nồng độ của một chất hoặc
một hỗn hợp chất trên bề mặt tiếp xúc giữa hai pha (rắn - khí, rắn - lỏng, lỏng - khí).
Như chúng ta đã biết, các phần tử của cùng một chất nằm ở bề mặt và bên trong
khối chất đó thường chịu mức độ tương tác khác nhau dẫn đến hành vi của chúng cũng
khác nhau.
Chăng hạn như về trường lực, các phần tử ở bên trong khối chất chịu lực tác
dụng ở mọi phía đồng đều và như nhau; còn các phần tử ở trên bề mặt thì chịu lực tác
dụng không đều nhau mà luôn luôn có xu thế bị kẻo vào bên trong khối chất làm cho
bề mặt khối chất có xu hướng bị co lại tạo ra một sức căng bề mặt (năng lượng bề mặt
tự do) để hình thành một mặt phân cách như minh họa ở hình trên. Nói chung các phần
tử bề mặt ngăn cách luôn có năng lượng tự do cao hơn các phần tử nằm bên trong lòng
chất của nó.
Khi bề mặt khối chất tiếp xúc với các phần tử của chất khác, các phần tử trên bề
mặt khối chất đó tác dụng lên các phần tử của pha khác những lực hướng về phía mình
nhằm cân bằng về lực theo mọi hướng. Đây chính là nguyên nhân của sự hấp phụ chất
trên bề mặt chất khác.
Chất giữ chất khác trên bề mặt của nó thì được gọi là chất hấp phụ. Ngược lại
chất được giữ lại trên bề mặt của một chất nào đó thì gọi là chất bị hấp phụ.
Trong trường hợp tương tác giữa bề mặt chất rắn với các phân tử khí hoặc lỏng
khi chúng tiếp xúc với nhau mà mạnh, tương tự như tương tác trong một phản ứng hóa
học, chúng sẽ tạo nên một hợp chất mới trên bề mặt tiếp xúc - hợp chất bề mặt. Như
vậy thực chất có thể chia hấp phụ làm hai loại: Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
1. Hấp phụ vật lý
Là loại hấp phụ gây ra do tương tác yếu giữa các phân tử; nó giống như tương tác
trong hiện tượng ngưng tụ. Lực tương tác là lực van der Waals. Trong nhiều quá trình
hấp phụ khí, sự hấp phụ có thể xảy ra dưới tác động của các lực phân tử gây ra sự vi
phạm các định luật khí lý tưởng và hiện tượng ngưng tụ. Dạng hấp phụ này còn gọi là
hấp phụ phân tử hay hấp phụ van der Waals.
2. Hấp phụ hóa học
Là loại hấp phụ gây ra do tương tác mạnh giữa các phân tử và tạo ra hợp chất bề
mặt giữa bề mặt chất hấp phụ và các phần tử bị hấp phụ. Hấp phụ hoá học được tạo ra
do áp lực hoá học. Thông thường ở nhiệt độ thấp, tộc độ hấp phụ hoá học cũng chậm.
Khi tăng nhiệt độ, tốc độ hấp phụ hoá học tăng nhưng lại làm giảm quá trình hấp phụ
vật lý. Sự hình thành các hợp chất bề mặt liên quan rất nhiều đến hàng rào hoạt hoá
đặc trưng cho quá trình tương tác giữa các phân tử khí và các nguyên tử bề mặt chất
rắn. Vì vậy hấp phụ hoá học còn được gọi là hấp phụ hoạt hoá (tuy nhiên không phải
lúc nào cũng vậy). Nhiệt hấp phụ của chất khí lên chất hấp phụ rắn bao giờ cũng mang
dấu dương, vì vậy để đáp ứng những yêu cầu về nhiệt động học thì giá trị cân bằng của
lượng chất hấp phụ bao giờ cũng giam khi nhiệt độ tăng.
Đối với chất bị hấp phụ là chất khí, quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất.
Lượng khí bị hấp phụ (thường gọi tắt là lượng khí hấp phụ, ký hiệu bằng chữ a) là một
hàm phụ thuộc vào hai biến T và P.
a = f(T,P)
Nếu giữ nhiệt độ không đổi ta được đường đẳng nhiệt:
a = f ’(P)
Nếu giữ áp suất không đổi ta có đường đẳng áp:
a = f ”(T)
.............
Từ các phương trình hấp phụ và bằng thực nghiệm, người ta đã tính được rằng
nhiệt độ tăng làm giảm quá trình hấp phụ. Ngược lại áp suất tăng thì lại xúc tiến cho
quá trình hấp phụ xảy ra mạnh hơn. Tóm lại hạ nhiệt độ hoặc tăng áp suất sẽ có lợi cho
quá trình hấp phụ.
4.4.2. Xử lý hơi và khí thải bằng phương pháp hấp phụ
1. Nguyên lý của phương pháp
Hơi và khí độc khi đi qua lớp chất hấp phụ bị giữ lại nhờ hiện tượng hấp phụ.
Nếu ta chọn được các chất hấp phụ chọn lọc thì có thể loại bỏ được các chất độc hại
mà không ảnh hưởng đến thành phần các khí không có hại khác.
..................
Một thiết bị hấp phụ về cơ bản có hình dạng như trên hình 4.5. Thông thường, có
hai cách để áp dụng phương pháp hấp phụ xử lý chất thải trong công nghiệp.
*Cách thứ nhất là sử dụng thiết bị hấp phụ định kỳ, tức là trên một tháp hấp phụ,
người ta nhồi chất hấp phụ vào và cho chất bị hấp phụ đi qua đó. Sau một thời gian
nhất định chất hấp phụ đã " no" (đã bão hoà chất bị hấp phụ) thì quá trình hấp phụ
được dừng lại để tháo bỏ chất hấp phụ đã "no" và đưa lượng chất hấp phụ mới vào.
Trong thực tế, người ta thường dùng biện pháp tái sinh lại chất hấp phụ để sử dụng lại
và thu chất bị hấp phụ. Việc tái sinh thường được thực hiện với sự có mặt của hơi
nước hoặc khí nóng.
*Cách thứ hai là sử dụng thiết bị hấp phụ liên tục, trong đó chất hấp phụ được
chuyển động ngược dòng với chất bị hấp phụ.
2. Các kiểu tiến hành hấp phụ
Trong thực tế tiến hành hấp phụ, người ta có thể tiến hành theo hai phương pháp:
phương pháp hấp phụ tĩnh và phương pháp hấp phụ động.
*Hấp phụ tĩnh
Khả năng hấp phụ của một chất hay dung lượng hấp phụ của một chất phụ thuộc
vào tính chất, trạng thái hoá học của bề mặt, cấu trúc lỗ xốp của chất hấp phụ cũng như
phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của quá trình hấp phụ. Tuỳ thuộc vào đặc trưng
tương tác của chất bị hấp phụ với bề mặt chất hấp phụ ta có hấp phụ vật lý hoặc hấp
phụ hoá học.
Trong trường hợp chung, ta có phương trình cho lượng chất bị hấp phụ như sau:
a=am.h.k/(1-h)[1+h(k+1')]
a: là lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ (mol/gam).
am: là lượng chất bị hấp phụ ứng với sự lấp đầy lớp đơn phân tử (mol/gam).
h = P/Ps với P là áp suất riêng phần của khí bị hấp phụ, Ps là áp suất hơi bão hoà
của nó.
k: là hệ số biểu hiện sự tương tác của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.
Đối với một chất hấp phụ thông thường có bề mặt phẳng, sự ngưng tụ một chất
chỉ xảy ra khi h > 1.
Tuy nhiên, trong các chất hấp phụ xốp (đường kính lỗ xốp khoảng 10-15 Ao
) thì
xuất hiện sự ngưng tụ mao quản. Ở trong các vùng mao quản của chất hấp phụ có thể
xảy ra quá trình hấp phụ nghĩa là các chất khí hoặc hơi bị giữ lại (“được ngưng tụ”)
mặc dù áp suất hơi riêng phần nhỏ hơn áp suất hơi bão hoà (khi đó tỷ lệ P/Ps nhỏ hơn
1). Hiện tượng này xảy ra là do tại đây tồn tại một trường lực hấp dẫn đặc biệt có thể
ngưng tụ chất bị hấp phụ ngay cả khi nồng độ (áp suất riêng phần) của chúng rất bé,
tạo điều kiện thu giữ rất tốt các chất, nhất là các chất hữu cơ, tạo nên cột chất lỏng
trong các lỗ xốp của chất hấp phụ.
*Hấp phụ động
Thực tế của quá trình làm sạch khí thải bằng phương pháp hấp phụ là một quá
trình động. Quá trình hấp phụ thông thường được tiến hành trong các buồng hấp phụ
có chứa các chất có khả năng hấp phụ. Khí thải chứa các chất cần hấp phụ được dẫn
qua lớp chất hấp phụ. Các chất cần hấp phụ sẽ được giữ lại còn khí sạch sẽ được thải
ra ngoài.
Nếu chất hấp phụ có hoạt độ cân bằng là a, chiều dầy của lớp hấp phụ là L, diện
tích thiết diện ngang của thiết bị hấp phụ là S, khí thải có nồng độ chất cần hấp phụ là
Co và tốc độ dòng trong thiết bị hấp phụ là w thì lượng chất được hấp phụ sẽ được tính
theo biểu thức:
M = a. S. L
hay mt = w. S. Co.τ (a ≈ C)
trong đó: τ là thời gian dòng khí tiếp xúc với lớp chất hấp phụ để có lượng chất được
hấp phụ là mt tại thời điểm t.
Ta giả thiết: tốc độ hấp phụ là vô cùng lớn và chất nhiễm bẩn ngay lập tức đạt tới
cân bằng khi tiếp xúc với chất hấp phụ.
Từ đó ta rút ra: τ=a.L/(w.Co)
Điều đó có nghĩa là ứng với một loại chất hấp phụ (thiết bị hấp phụ tương ứng)
nào đó có chiều dày lớp chất hấp phụ L, nồng độ dòng khí đưa vào thiết bị Co với tốc
độ w thì sau thời gian T bắt đầu xuất hiện sự lọt chất bẩn ra khỏi thiết bị hấp phụ. Điều
đó cũng có nghĩa là việc sử dụng chất hấp phụ cần được tái sinh định kỳ.
Đường biểu diễn quá trình hấp phụ trong tháp sẽ có dạng như trong hình 4.6.
...........
Phương pháp hấp phụ động có hiệu suất cao hơn và phù hợp hơn đối với thực
tiễn sản xuất nên thường được sử dụng trong xử lý khí thải công nghiệp. Một số loại
thiết bị hấp phụ được mô tả trong hình 4.7.
...................
4.3. Các chất hấp phụ sử dụng trong công nghệ xử lý khí thải
Như vậy, tùy thuộc vào bản chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ; tuỳ thuộc
vào năng lượng tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ mà ta có thể lựa chọn
được chất hấp phụ có dung lượng lớn và khả năng hấp phụ chọn lọc đối với một chất
bẩn nào đó. Mặt khác chất hấp phụ cần phải là những hệ có bề mặt riêng rất phát triển
để tạo ra một tương tác lớn với chất bị hấp phụ. Điều đó cho phép trong từng trường
hợp cụ thể có thể chọn lựa được chất hấp phụ có độ chọn lọc cao, đảm bảo lọc sạch khí
với sự tiêu tốn ít.
Trong công nghệ xử lý môi trường, để làm sạch các hơi và khí thải người ta
thường sử dụng các chất hấp phụ xốp như than hoạt tính, sihcagen, zeolit có hoạt độ
cao và khá dễ dàng tái sinh.
1. Than hoạt tính
Than hoạt tính là một chất hấp phụ rắn, xốp, không phân cực và có bề mặt riêng
rất lớn. Về bản chất nguyên tố, nó thuộc nhóm graphit - một dạng thù hình của cacbon-
gồm các tinh thể nhỏ có cấu trúc bất trật tự; nhưng khác vôi graphit là trong tinh thể
của than hoạt tính các vòng sáu nguyên tử cacbon sắp xếp kém trật tự hơn. Vì vậy than
hoạt tính có cấu tạo xốp hơn và tạo nên nhiều lỗ hổng nhỏ không đồng đều và rất phức
tạp.
Cấu trúc lỗ xốp phức tạp và bề mặt riêng khác nhau làm cho các loại than hoạt
tính này trở nên có khả năng hấp phụ khác nhau. Việc tạo ra các loại than khác nhau
phụ thuộc chủ yếu vào cách chế tạo.
Nhìn chung, các lỗ xốp trong than hoạt tính có bán kính hiệu dụng từ vài chục
đến hàng chục nghìn anstron. Về mặt cấu tạo, nó có cấu tạo kiểu tổ ong gồm một hệ lỗ
xốp mao quản thông nhau và thông với môi trường bên ngoài với cấu trúc không gian
ba chiều. Có thể chia kích thước lỗ xốp thành ba loại sau:
* Dạng vi mao quản, bán kính hiệu dụng cỡ 10 Ao
, có bề mặt riêng lớn nhất (350
1000 m2
/gam và chiếm phần chủ yếu trong than hoạt tính.
*Dạng mao quản trung gian có bán kính hiệu dụng trong khoảng 100 đến 250 Ao
,
bề mặt riêng không lớn lắm, khoảng 100 m2
/gam.
*Dạng mao quản lớn có bán kính hiệu dụng khoảng 1.000 đến 10.000 Ao
; dạng
này có bề mặt riêng rất nhỏ, không quá 2 m2
/gam.
Than hoạt tính có tác dụng hấp phụ tốt đối với các chất không phân cực ở dạng
khí và dạng lỏng. Từ lâu than hoạt tính đã được sử dụng để làm mặt nạ phòng độc, làm
sạch mùi và khử màu các sản phẩm dầu mỡ. Ngày nay trên thế giới than hoạt tính
được coi như là một chất hấp phụ chủ yếu trong công nghệ xử lý làm sạch môi trường
bao gồm các lĩnh vực:
- Làm sạch nước để uống, xử lý nước sinh hoạt hoặc xử lý nước thải của các
công trình có độ nhiễm bẩn thấp. Trong những trường hợp này, than hoạt tính sẽ giữ
lại các hợp chất hữu cơ hoà tan, nhất là các chất gây mùi, gây màu và cả vết những
kim loại nặng. Than hoạt tính đặc biệt có hiệu quả xử lý cao đối với nước bị nhiễm nhẹ
các chất diệt trừ dịch hại.
- Xử lý nước thải công nghiệp. Người ta sử dụng than hoạt tính trong những
trường hợp hấp phụ các chất kém hoặc không bị vi sinh vật phân hủy, các chất gây độc
hại đối với các vi sinh vật. Trong trường hợp này xử lý chọn lọc bảng than hoạt tính
đóng vai trò như là quá trình tiền xử lý cho các bước xử lý sinh học tiếp theo.
- Xử lý "cấp ba" nước thải công nghiệp và đô thị.
Khi than đã hấp phụ "no" (bão hòa), nó không còn khả năng hấp phụ tiếp tục nữa.
Đối với than hoạt tính, trong trường hợp này không phải bỏ đi mà có thể tái sinh và sử
dụng lại được. Đại đa số các chất hấp phụ trên than hoạt tính đều có thể giải hấp bằng
nhiệt. Khi ở trong môi trường có nhiệt độ cao, các chất hữu cơ cũng như các phân tử
axit dễ bay hơi đã tách khỏi bề mặt của than. Đối với mỗi một chất sẽ có một nhiệt độ
xử lý phù hợp. Với các hợp chất của kim loại thì thông thường phải giải hấp bằng axit
sau đó rửa bằng nước và sấy để tái sinh.
2. Silicagel
Silicagel là gel của anhydrit axit silisic có cấu trúc lỗ xốp rất phát triển. Mạng
lưới của gel bao gồm các nguyên tử Si nằm giữa khối tứ diện nối với nhau thông qua
các nguyên tử O phân bố tại các đỉnh. Bề mặt của gel thay vì các nguyên tử oxy là các
nhóm hydroxyl (OH); điều đó quyết định tính chất hấp phụ của silicagel.
Silicagel dễ dàng hấp phụ các chất phân cực cũng như các chất có thể tạo với
nhóm hydroxyl các liên kết kiểu cầu hydro. Đối với các chất không phân cực, sự hấp
phụ trên silicagel chủ yếu do tác dụng của lực mao dẫn trong các lỗ xốp nhỏ.
Cũng như các chất hấp phụ có thể tái sinh khác, chế độ tái sinh silicagel có một ý
nghĩa rất quan trọng. Đối với silicagel, trạng thái hóa học của bề mặt gel quyết định
tính hấp phụ mạnh các chất phân cực. Trạng thái này chỉ được bảo toàn ở nhiệt độ
dưới 200o
C, nếu giải hấp được tiến hành bằng khí khô. Nếu tái sinh silicagel ở nhiệt độ
cao hơn sẽ dẫn đến sự thay đổi bất thuận nghịch của cấu trúc và bề mặt làm mất khả
năng hoạt động của silicagel. Do cấu tạo của silicagel, đặc biệt là sự có mặt của nhóm
OH, nếu tiến hành giải hấp bằng khí nóng ẩm hay bằng hơi nước với thời gian kéo dài
sẽ làm giảm hoạt tính hấp phụ của chúng mà nguyên nhân chủ yếu là do bị giảm bề
mặt riêng. Vì vậy việc giải hấp đối với silicagel cần phải lưu ý hơn so với việc giải hấp
than hoạt tính.
3. Zeolit
Zeolit là các hợp chất alumosihcat có cấu trúc tinh thể. So với silicagel, trong
mạng lưới tinh thể của zeolit một phần lớn ion Si
4+
được thay thế bằng các ion Al
3+
dẫn đến sự thiếu hụt về điện tích dương. Vì vậy zeolit có thể tiếp nhận các cation nhất
định của các kim loại khác. Mặt khác sự thiếu hụt này đã phá vỡ cấu trúc đều đặn của
tinh thể đơn chất, gây ra những khoảng không gian trống và các lực điện trường khác
nhau trong zeolit.
Tính chất của zeolit phụ thuộc vào tỷ lệ Si và Al và mức độ tạo tinh thể của sản
phẩm cuối cùng; đồng thời nó còn chịu ảnh hưởng của các cation kim loại khác được
nhận thêm vào trong quá trình hình thành sản phẩm.
Vì vậy người ta có thể tạo ra những kiểu zeolit khác nhau bằng cách điều chế
chúng với các tỷ lệ khác nhau của Si và Al. Đặc biệt để tăng hoạt tính hấp phụ và xúc
tác, zeolit tự nhiên hoặc zeolit sau khi tổng hợp được thường được biến tính bằng các
cation kim loại có hoạt tính xúc tác, hấp phụ. Trong công nghiệp phổ biến nhất là các
zeolit A và zeolit X. Các zeolit này có tính hấp phụ khá tốt và tương đối chọn lọc.
Các zeolit thể hiện tính nhạy cảm rất rõ đối với nhiệt độ. Thí dụ như zeolit chứa
Ca chỉ bị mất tính hấp phụ khi nhiệt độ lên tới 800o
C, chứa Na bị mất hoạt độ ở nhiệt
độ 700o
C còn zeolit chứa Li thì ở 640o
C.
Sử dụng zeolit để làm chất hấp phụ hay được áp dụng trong kỹ nghệ. Ví dụ như
các hợp chất mercaptan hầu như được loại bỏ hoàn toàn khi sử dụng zeolit NaX ở
nhiệt độ thường (dung lượng hấp phụ etylmercaptan ở 25o
C là 0,19 kg/kg) hoặc như
người ta có thể sử dụng zeolit A để xử lý nước biển.
4. Các chất hấp phụ khác
Trong tự nhiên có nhiều loại khoáng chất có khả năng hấp phụ như sét, bentomt,
diatomit... Các loại khoáng chất này thường được làm tăng khả năng hấp phụ của
chúng lên nhiều sau khi xử lý bằng các biện pháp phù hợp. Tính ưu việt nhất của các
chất hấp phụ tự nhiên là chúng có giá thành rất thấp so với các chất hấp phụ nhân tạo.
Các muối vô cơ và các oxit kim loại cũng có thể được dùng làm chất hấp phụ khi
ta đưa nó lên trên một chất mang nào đó, chẳng hạn như silicagen, oxit nhôm... Để làm
điều đó, người ta trộn đều dung dịch 20-25% của muối yêu cầu với chất mang rồi sấy
khô.
4.4.4. Những ưu và nhược điểm của phương pháp xử lý bằng hấp phụ
Phương pháp hấp phụ có khả năng làm sạch cao. Chất hấp phụ sau khi sử dụng
đều có khả năng tái sinh; điều này đã làm hạ giá thành xử lý và đây cũng là ưu điểm
lớn nhất của phương pháp.
Nhược điểm của phương pháp là không thể sử dụng đối với nguồn thải có tải
trọng ô nhiễm cao. Quá trình xử lý thường phải thực hiện theo phương pháp gián đoạn.
Chính vì những ưu, nhược điểm trên cho nên khi có ý định sử dụng phương pháp
hấp phụ cần phải cân nhắc và phân tích, điều tra tỉ mỉ và thật cụ thể rồi mới tiến hành.
4.5. XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ
4.5.1. Nguyên lý
Cơ sở của phương pháp là dựa trên sự tương tác giữa chất cần hấp thụ (thường là
khí hoặc hơi) với chất hấp thụ (thường là chất lỏng) hoặc dựa vào khả năng hòa tan
khác nhau của các chất khác trong chất lỏng để tách chất.
Tuỳ thuộc vào bản chất của sự tương tác nói trên mà người ta chia thành sự hấp
thụ vật lý hay sự hấp thụ hóa học.
1. Hấp thụ vật lý
Là quá trình dựa trên sự tương tác vật lý thuần túy; nghĩa là chỉ bao gồm sự
khuếch tán, hòa tan các chất cần hấp thụ vào trong lòng chất lỏng và sự phân bố của
chúng giữa các phần tử chất lỏng. Ví dụ như sự phân bố của khí hoà tan giữa các phân
tử chất lỏng: NH3/aceton, CO/benzen, trimetylamin/dầu hoả, sự hoà tan của khí
SO3/H2SO4.
Độ hòa tan của một chất cần hấp thụ trong lòng chất lỏng luôn luôn là một hàm
của nhiều biến số. Nếu gọi D là độ tan thì ta có thể biểu diễn nó như sau.
D = f (x1, x2.... xj. T, S, P, kD…)
trong đó:
x: là nồng độ của các chất khí hoặc hơi trong chất lỏng.
T: là nhiệt độ làm việc.
S: là diện tích tiếp xúc giữa hai pha.
P: là áp suất riêng phần của hơi hoặc khí trong pha khí.
kD: là hệ số khuếch tán của chất được hấp thụ trong pha lỏng.
Ta có thể biểu diễn quá trình hấp thụ qua sơ đồ sau:
Trong trường hợp xj -> 0
P -> 0
Phương trình Henry
Pi = K.xj (voi S=1)
ta có phương trình Henry
Pi = D.xj (với S=1)
Hệ số độ tan D phụ thuộc vào nhiệt độ theo phương trình:
............
trong đó: ∆H là nhiệt hòa tan của khí; A là hằng số; R là hằng số khí = 8,31 kj/kmol.độ.
Thực tế quá trình hấp thụ trên là quá trình động, trên bề mặt tiếp xúc giữa các pha
luôn luôn có quá trình cân bằng xảy ta và sự chuyển dịch cân bằng. Do vậy đòi hỏi
phải quan tâm đến quá trình chuyển pha (từ pha khí sang pha lỏng, các phản ứng xảy
ra khi có tiếp xúc pha, quá trình chuyển chất vào sâu trong lòng chất lỏng cũng như
các ảnh hưởng của nhiều yếu tố đến cân bằng vật chất trên ranh giới phân cách pha).
Vì thế, quá trình hấp thụ sẽ tăng khi diện tích tiếp xúc hai pha tăng và nhiệt độ
làm việc giảm; riêng hiệu suất xử lý thì còn phụ thuộc nhiều vào áp suất riêng phần
của khí hoặc hơi và nồng độ của chúng trong pha lỏng.
Để tăng hiệu quả xử lý, người ta thường dùng các kiểu thiết bị làm tăng diện tích
tiếp xúc tối đa, truyền nhiệt tốt và hạn chế sự tăng của chất điện ly trong pha lỏng (đối
với trường hợp chất bị hấp thụ là khí). Có các kiểu thiết bị thông dụng như: tháp hấp
thụ có tầng đệm, tháp hấp thụ sủi bọt, tháp phun...
2. Hấp thụ hóa học
Hấp thụ hóa học là một quá trình luôn đi kèm với một hay nhiều phản ứng hóa
học. Một quá trình hấp thụ hoá học bao giờ cũng bao gồm 2 giai đoạn: giai đoạn
khuếch tán và giai đoạn xảy ra các phản ứng hóa học. Như vậy sự hấp thụ hóa học
không những phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán của chất khí vào trong chất lỏng mà còn
phụ thuộc vào tốc độ chuyển hóa các chất - tốc độ phản ứng của các chất.
Trong hấp thụ hóa học, chất được hấp thụ có thể phản ứng ngay với các phần tử
của chính chất hấp thụ. Thí dụ: amoniac hay khí sunphurơ hấp thụ vào nước:
NH3 + H2O ⇔ NH4OH ⇔ NH4+ + OH-
SO2 + H2O ⇔ H2SO3 ⇔ H+
+ HSO3
-
Chất được hấp thụ phản ứng với các thành phần hoạt động trong chất hấp thụ
(thông thường là dung dịch của các chất hoạt động). Thí dụ như hấp thụ CO2, SO2
trong dung dịch NaOH:
CO2 + 2NaOH ⇔ Na2CO3 + H2O
Na2CO3 + H2O + CO2 ⇔ 2NaHCO3
Với SO2 cũng có phản ứng tương tự.
Trong trường hợp chúng ta có thể biểu diễn phương trình phản ứng một cách
tổng quát như sau: aA +bB + cC -> mM + nN +...
Khi đạt tới cân bằng, hằng số cân bằng, phản ứng có dạng
Kcb = .....
Kcb càng lớn bao nhiêu thì quá trình hấp thụ xảy ra càng thuận lợi bấy nhiêu.
Giá trị [A] là nồng độ tự do của chất A trong dung dịch chưa tham gia vào phản
ứng.
4.5.2. Sự chuyển chất trong quá trình hấp thụ
Khi chưa đạt tới cân bằng giữa các pha (chẳng hạn pha hấp thụ là lỏng và pha bị
hấp thụ là khí) thì xảy ra sự chuyển chất từ pha này sang pha khác - quá trình này gọi
là sự chuyển khối.
Tương tự như sự truyền nhiệt, sự chuyển khối là một quá trình phức tạp, bao gồm
các quá trình chuyển chất tới ranh giới giữa các pha. Khi xét quá trình này, người ta
dựa vào một số giả thuyết mà ta không xét tới tới đây. Để đơn giản, người ta dựa vào
phương trình chuyển khối:
WA = β.F.∆
trong đó: WA là lượng chất chuyển được trong một đơn vị thời gian; F là bề mặt
tiếp xúc; β là lực chuyển động-biểu diễn cho sự khác nhau về nồng độ dung dịch tại
thời gian hấp thụ với nồng độ ở thời điểm cân bằng; ∆ là hệ số tỷ lệ (hệ số chuyển
khối)-lượng chất chuyển vào bên trong pha trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị
bề mặt khi chuyển động bằng l, chịu ảnh hưởng của mật độ, độ nhớt, hệ số khuếch tán,
nhiệt độ, áp suất nồng độ của, chất trong chất hấp thụ và sức năng bề mặt.
Tuy nhiên, tuỳ trường hợp cụ thể, người ta phải xem xét xem cơ chế chuyển chất
sẽ là khuếch tán phân tử hay khuếch tán rối là chính để đưa ra các mô hình chuyển
chất
4.5.3. Các loại thiết bị hấp thụ
1. Thiết bị hấp thụ kiểu màng chất lỏng
Màng chất lỏng trong thiết bị hình tháp được tạo thành khi cho chất lỏng chảy
thành màng theo các ống, tấm tĩnh hay đĩa quay bố trí hợp lý trong tháp. Chất lỏng
theo màng có thể chuyển động từ trên xuống dưới và khí đi từ dưới lên trên; rất ít khi
sử dụng chế độ chuyển động cùng chiều từ dưới lên trên chế độ làm việc này chỉ sử
dụng khi tốc độ của dòng khí thải cao - trên 15 - 20 m/s). Với thiết bị màng ống và
màng tấm, người ta thường áp dụng cho khí thải có tốc độ trung bình từ 4 đến 5 m/s.
Thiết bị hấp thụ kiểu màng chất lỏng có ưu điểm là tạo được diện tích tiếp xúc pha khá
lớn và có khả năng tách, thoát nhiệt tốt đồng thời với quá trình hấp thụ.
Ngày nay người ta ít dùng các thiết bị hấp thụ kiểu màng ống và màng tấm. Duy
còn phổ biến hơn cả là trong trường hợp hấp thụ một số khí hoà tan tốt, có nồng độ cao
từ hỗn hợp khí đậm đặc đồng thời có sự toả nhiệt mạnh như HCl, NH3…
2. Thiết bị màng đĩa quay
Có cấu tạo giống như thiết bị đĩa quay trong xử lý bụi và sol. Chất lỏng để hấp
thụ được phân bố đều trên các tầng đĩa, chuyển động từ trên xuống và được quay tròn
liên tục trong suốt quá trình xử lý. Thực nghiệm cho thấy tốc độ chuyển khối tăng khi
tăng số vòng quay của đĩa. Trong thiết bị màng quay, sức cản thủy lực nhỏ và có thể
làm việc với mức tiêu hao chất hấp thụ thấp.
Trong công nghiệp, thiết bị này vẫn được sử dụng thí dụ như để hấp thụ HCl hay
SO2 bằng Na2S trong sản xuất natrithiosunphat (Na2S2O3). Thiết bị có 11 với đường
kính 800 mm, tốc độ quay là 150 vòng/phút, làm việc được với năng suất là 1.700 m3/h.
3. Tháp hấp thụ loại đệm
Được dùng phổ biến nhất. Trong tháp, người ta thường nhồi các vật thể lồng
cồng như ốc, sành sứ, lò so kim loại. vụn than cốc... để làm tăng diện tích tiếp xúc hai
pha. Khi vận hành, khí thải được đi từ dưới lên trên còn chất lỏng thì đi từ trên xuống
dưới. Lưu lượng của hai pha luôn được tính toán trước để thiết bị đạt hiệu quả cao
nhất. Khi chất lỏng chảy trên bề mặt các vật thể đệm, về cơ bản chúng có đặc trưng
của màng chất lỏng. Tuy nhiên về bản chất của quá trình vận hành, giữa thiết bị hấp
thụ màng và thiết bị hấp thụ đệm có sự khác nhau. Ở thiết bị hấp thụ màng, màng chất
lỏng chuyển động liên tục theo chiều cao của tháp hấp thụ; còn trong thiết bị hấp thụ
đệm thì khi nàng chất lỏng chuyển động từ đơn nguyên của vật đệm này sang đơn
nguyên của vật đệm khác thì màng cũ bị phá vỡ và màng mới được hình thành. Quá
trình này được lặp đi lặp lại trong suốt chiều dài của tháp. Việc phá vỡ là do sự chuyển
động ngược chiều của dòng khí. Do vậy mà tháp đệm phần nào còn mang tính chất
như một tháp hấp thụ sủi bọt.
Sự chuyển động thuận dòng trong tháp đệm đôi khi cũng được sử dụng. Đó là
những trường hợp khi tốc độ khí thải khá lớn (khoảng 10 m/s), không hoặc khó thực
hiện được đối với kiểu ngược dòng. Sự bố trí thuận dòng sẽ làm tăng quá trình trao đổi
chất, giảm trở lực thủy động và giảm kích thước của thiết bị.
Trong trường hợp sự hấp thụ đi kèm với các phản ứng thủy phân hoặc tạo kết tủa
thì người ta thường dùng loại tháp hấp thụ đệm nổi. Các lớp đệm nổi (những mảnh bọt
xốp polyme hay các quả cầu rỗng làm bằng chất dẻo) được "treo" lơ lửng bởi dòng khí
trong tháp và bởi các tấm lưới đỡ. Giữa các lớp đệm là những khoảng trống để đảm
bảo cho các kết tủa không làm tắc nghẽn sự lưu thông của dòng khí qua các lớp đệm.
Tất nhiên ở đây chất hấp thụ lỏng cũng được chuyển động từ trên đi xuống.
Các nghiên cứu thủy động học và chuyển khối trong các thiết bị hấp thụ đệm nổi
cho thấy, tháp hấp thụ kiểu này có thể làm việc với tốc độ dòng khí lớn mà không bị
tắc nghẽn. Nhược điểm của tháp hấp thụ đệm nổi là khó thoát nhiệt trong quá trình hấp
thụ. Muốn tách nhiệt, người ta thường phải sử dụng làm lạnh tuần hoàn.
Trong công nghiệp sản xuất axit phophoric từ quặng người ta đã sử dụng kiểu
tháp hấp thụ đệm nổi để hấp thụ khí SiF4 hay SiCl4 vào nước vì chúng tạo thành axit
silisic không tan trong nước hay dùng huyền phù vôi để hấp thụ các khí như CO2, SO2
4. Tháp hấp thụ sủi bọt (giống như tháp sủi bọt trong xử lý bụi)
Thường được sử dụng trong trường hợp tải lượng cao, áp suất khí phải lớn và quá
trình hấp thụ có sự toả nhiệt, cần được làm lạnh.
Các kiểu tháp hấp thụ sủi bọt chính gồm (l) sủi bọt qua lưới (hay vật xốp), (2) sủi
bọt qua các đĩa chụp xen kẽ và (3) trộn cơ học khí và chất lỏng.
Hấp thụ kiểu sủi bọt có nhược điểm lớn nhất là luôn có lớp bọt chiếm thể tích
khá lớn trong thiết bị. Việc chuyển động của chất lỏng gặp phải trở lực lớn. Các nhà
thiết kế đã có nhiều công trình làm giảm bớt những nhược điểm trên để có thể sử dụng
kiểu hấp thụ này trong công nghiệp vì nó có hệ số chuyển khối rất cao.
Chiều cao lớp chất lỏng tăng sẽ làm tăng khả năng hấp thụ song đồng thời cũng
tăng trở lực của thiết bị. Vì vậy, thông thường người ta không tăng lớp chất lỏng quá
50 mm.
5. Tháp hấp thụ kiểu đĩa chụp
Tháp hấp thụ kiểu đĩa chụp tạo ra sự chuyển động đối dòng của dòng hơi, khí
thải và chất lỏng hấp thụ qua từng bậc một. Chất lỏng đi từ phía trên đĩa xuống, rơi
vào đáy của đĩa ở phía dưới rồi tiếp tục chảy xuống phía trên của đĩa tiếp theo. Còn khí
thì len lỏi cũng theo con đường ấy nhưng ngược chiều với chất lỏng.
6. Tháp phun
Là loại thiết bị hấp thụ đơn giản. Trong tháp phun, chất lỏng được phun thành bụi
mù (sương) từ phía trên xuống, khí thường đi từ dưới lên nhằm làm tăng diện tích tiếp
xúc và để nồng độ thực tế của chất cần hấp thụ trong pha khí giảm dần theo chiều từ
dưới đi lên và nồng độ chất bị hấp thụ trong pha lỏng được tăng dần theo chiều từ trên
đi xuống. Quá trình này rất có lợi cho việc tăng hiệu quả xử lý.
Tháp hấp thụ phun có thể chia ra làm ba kiểu khác nhau: (1) thiết bị hấp thụ phun
kiểu thùng rỗng, (2) thiết bị hấp thụ phun thuận dòng tốc độ cao và (3) thiết bị hấp thụ
phun sương kiểu cơ khí.
* Đối với kiểu thùng rỗng
Thiết bị hấp thụ kiểu thùng rỗng có vòi phun sương thường được đặt ở phía trên
phun xuống. Trong trường hợp tháp hấp thụ có chiều cao lớn, người ta thường đặt các
vòi phun chia ra ở các tầng khác nhau.
Thiết bị hấp thụ thùng rỗng có ưu điểm là đơn giản, đầu tư thấp, lực cản thủy
động nhỏ và có thể sử dụng đối với khí thải có độ nhiễm bẩn cao; chất lỏng dùng để
hấp thụ có thể quay vòng cho tới khi hấp thụ no mới thải cho nên tiết kiệm được chất
hấp thụ.
Nhược điểm của thiết bị thùng rỗng là khí thường phân bố không đều trong toàn
bộ tháp dẫn dấn làm giảm hiệu suất xử lý. Tuy nhiên để khí phân bố đều người ta đã
tạo ra các bộ phận phân phối khí như phân phối khí qua miệng thắt, phân phối khí
thông qua màng phán phối xốp hay phân phối khí theo dòng xoáy kiểu cyclon...
Thêm nữa, đo loại thiết bị kiểu này hiệu quả xử lý không cao vì hệ số chuyển
khối thấp, nên tốc độ dòng khí không được quá lớn (phải nhỏ hơn 1 m/s) để tránh hiện
tượng chất lỏng bị cuốn theo khí ra ngoài.
* Thiết bị phun thuận dòng tốc độ cao
Thiết bị kiểu này phù hợp với dòng khí thải có vận tốc lớn (khoảng từ 20 - 30
m/s). Cho nên, khi vận hành chất lỏng thường bị cuốn theo cùng dòng khí, sau đó được
tách ra bởi một thiết bị kèm theo. Thiết bị phun thuận dòng tốc độ cao có dạng như
kiểu thiết bị Venturi (giống như trong xử lý bụi). Khí thải với tốc độ cao đi qua ống
thắt, cuốn theo chất lỏng từ cửa chờ dưới dạng bụi sương và cùng đi vào vùng khuếch
tán rồi tới bộ phận tách chất lỏng. Trong vùng khuếch tán, động năng của dòng khí
chuyển thành áp lực với mức hao hụt là cực tiểu. Thiết bị phun thuận dòng tốc độ cao
được sử dụng khá phổ biến trong xử lý khí thải.
* Thiết bị phun sương kiểu cơ khí
Ít được sử dụng, nó chỉ phù hợp trong những trường hợp đặc biệt. Tóm lại, các
loại thiết bị dùng trong hấp thụ rất hay được sử dụng trong công nghiệp bởi khả năng
loại bỏ đồng thời cả bụi và khí cũng như khả năng làm sạch triệt để bụi của nó. Tuy
nhiên, tuỳ trường hợp cụ thể, tuỳ lưu lượng, nồng độ và cường độ bụi khí thải mà
chúng ta sẽ tìm chọn phương pháp phù hợp.
4.5.4. Một số ví dụ hấp thụ trong công nghiệp
1. Hấp thụ bằng dầu
Người ta thường sử dụng các loại dầu để hấp thụ các hợp chất hyđrocacbon.
Chẳng hạn như việc hấp thụ butadien: để hấp thụ, người ta dùng rượu etylic, dầu hoả...
Độ hoà tan của butadien tuân theo quy luật Henry, có dạng như phương trình thực
nghiệm dưới đây:
p= (a+bT).x ^n (bar)
trong đó: x là phần mol butadien trong dung dịch
T là nhiệt độ.
2. Hấp thụ bằng axetylen
Để hấp thụ các hợp chất như dimetylformamit ((CH3)2CONH), metanol
(CH3OH), amoniac lỏng (NH4OH)..., người ta có thể dùng axetylen. Chú ý rằng
axetylen ở nhiệt độ thường là khí, do vậy để thực hiện có hiệu quả sự hấp thụ
(metanol, amomiac lỏng) người ta tiến hành hấp thụ chúng ở điều kiện nhiệt độ thấp
(-10÷ -78 do C).
3. Sự hấp thụ CO2
Người ta sử dụng nước, metanol, kiềm, dung dịch amoniac để hấp thụ CO2
* Trong metanol, CO2 hấp thụ theo kiểu vật lý.
* Trong nước, sau khi khuếch tán vào, CO2 sẽ hợp với nước tạo thành các sản
phẩm H2CO3 và HCO3
-
. Những sản phẩm này trong nước hình thành cân bằng thuận
nghịch sau:
Nhiệt độ tăng sẽ thúc đẩy quá trình giải hấp. Do vậy để hấp thụ CO2 tốt nhất là
tiến hành ở nhiệt độ thấp.
* Khi sử dụng dung dịch kiềm hay amoniac thì đồng thời với quá trình hấp thụ
hòa tan là các phản ứng trung hòa tạo thành các muối tương ứng
CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O
CO2 + Na2CO3 + H2O = 2NaHCO3
4. Sự hấp thụ SO2
Có thể sử dụng nước, soda hoặc dung dịch amoni sunfit để hấp thụ SO2
*Khi hấp thụ bằng nước, trong dung dịch tồn tại cân bằng sau:
* Khi hấp thụ bằng xút, ta có các phản ứng:
2NaOH + SO2 Æ Na2SO3 + H2O
Na2SO3 + SO2 + H2O Æ 2NaHSO3
* Khi hấp thụ bằng dung dịch amoniac, tạo nên (NH4)2SO3 và NH4HSO3. Song
trên bề mặt dung dịch hấp thụ có phản ứng thuận nghịch:
5. Hấp thụ các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh
Ta có thể sử dụng biện pháp hấp thụ hoá học để loại bỏ các hợp chất hữu cơ có
chứa lưu huỳnh có trong dòng khí bụi thải. Việc hấp thụ này dựa trên khả năng tạo ra
liên kết hoá học giữa các hợp chất chứa lưu huỳnh với một tác nhân hoạt động mạnh
như các oxyt kẽm, sài, đồng ở nhiệt độ khoảng 200- 400o
C.
Sơ đồ nguyên tắc gồm hai giai đoạn: đốt nóng khí và phản ứng hấp thụ. Các
phương trình hấp thụ xảy ra như sau
2ZnO + CS2 = 2ZnS + CO2-
ZnO + COS = ZnS + CO2
ZnO + C2H5SH = ZnS + C2H4 + H2O
ZnO + C2H5SH = ZnS + C2H5OH
Phản ứng giải hấp thụ xảy ra ở nhiệt độ 500-550o
C bằng cách oxy hóa ZnS bằng
oxy không khí. Đây là một phản ứng toả nhiệt nên việc làm quá nóng ZnO sẽ dẫn tới
giảm hoạt độ hấp thụ của nó. Vì vậy, trong thực tế, để tái sinh ZnO người ta dẫn dòng
hỗn hợp không khí có nồng độ oxy khoảng 0,5 % vào cùng với khí trơ.
Cần nhớ rằng, trong phương pháp hấp thụ hoá học, việc chọn chất hấp thụ đóng
vai trò quan trọng song song với sự lựa chọn thiết bị hấp thụ.
Dưới đây chúng tôi xin giới thiệu một số hệ thống thiết bị thông dụng trong xử lý
bụi và khí thải:
.............
Bạn đang đọc truyện trên: AzTruyen.Top