đề tài cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ

đề tài cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ

NỘI DUNG

Khái niệm Bản chất quá trình hấp phụ Hấp phụ hóa học

Xử lý hơi và khí thải

NỘI DUNG

Vật liệu hấp phụ Thiết bị hấp phụ Yêu cầu đề ra Ứng dụng

Hoàn nguyên

Các phương pháp hoàn nguyên vật

liệu hấp phụ Một số phương pháp hoàn nguyên

hay tái sinh cụ thể

1.Khái niệm hấp phụ

Hấp phụ là một hiện tượng (quá trình) gây

ra sự tăng nồng độ của một chất trên bề

mặt tiếp xúc giữa hai pha ( khí;

rắn-lỏng; lỏng-khí)

Hấp phụ là sự hút các phân tử khí, hơi bởi

bề mặt chất hấp phụ

• Là lọai hấp phụ gây ra do tương tác yếu giữa các phân tử

Là lọai 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

Được tạo ra do áp lực hóa học

Nhiệt độ thấp, tộc độ hấp phụ hoá học

chậm.Khi tăng nhiệt độ, tốc độ hấp phụ hoá học tăng nhưng lại làm giảm quá trình hấp phụ

vật lý

HẤP PHỤ HÓA HỌC

HẤP PHỤ HÓA HỌC

Đối với chất bị hấp phụ là chất khí, quá

trình phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất

Lượng khí bị hấp phụ 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)

Xử lý hơi và khí thải bằng phương pháp

hấp phụ

Nguyên lý của phương pháp:

Hơi và khí độc đi qua lớp chất hấp phụ bị giữ lại nhờ hiện tượng hấp phụ

Thông thường, có hai cách để áp dụng phương pháp hấp phụ xử lý chất thải

Vật liệu hấp phụ

• Vật liệu làm chất hấp phụ là các vật liệu xốp với bề mặt trong lớn, được tạo thành do tổng hợp nhân tạo hay tự nhiên

• Cấu trúc bên trong của các chất hấp phụ công nghiệp được đặc trưng bởi kích thước và hình dạng khác nhau của khỏang trống và lỗ xốp

Vật liệu hấp phụ cần đáp ứng các yêu cầu

• Có khả năng hấp phụ cao

• Phạm vi tác dụng rộng

• Có độ bền cơ học cần thiết

• Có khả năng hòan nguyên dễ dàng

• Rẻ tiền

Một số vật liệu hấp phụ phổ biến

Than hoạt tính là một chất hấp phụ rắn, xốp, không phân cực và có bề mặt riêng rất lớn.

Than hoạt tính có cấu tạo xốp và nhiều lỗ hổng nhỏ không đồng đều và rất phức tạp.

Có thể chia kích thước lỗ xốp thành ba loại:

-Dạng vi mao quản

-Dạng mao quản trung gian

-Dạng mao quản lớn

Than họat tính có thể tích lỗ xốp vào khỏang

0,24-0,48 cm3/g

Đặc tính: Bề mặt kỵ nước hấp phụ các chất hữu

cơ trong nước và không khí

Ứng dụng: Tách các chất ô nhiễm có gốc hữu

cơ

Ưu điểm: Giá rẻ nhất dùng trong xử lý ô nhiễm

môi trường

Nhược điểm: Khó tái sinh nếu bị đóng cặn, có

thể bắt cháy khi tái sinh.

 Zeolit là các hợp chất

alumosihcat có cấu trúc tinh thể

 Sản xuất dưới dạng bột hoặc dạng viên xốp từ cao lanh tự nhiên sẵn có ở Việt Nam

• Tính chất của zeolit phụ thuộc vào

tỷ lệ Si và Al và mức độ tạo tinh thể của sản phẩm cuối cùng

• Các zeolit thể hiện tính nhạy cảm rất rõ đối với nhiệt độ

• Silicagel là gel của anhydrit axit silisic có cấu trúc lỗ xốp rất phát triển

• 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

• 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

Silicagen có lỗ xốp trung bình và thô dùng

để hút hơi các hợp chất hữu cơ

• ƯD : Do có ái lực mạnh với hơi nước nên

Silicagen được ứng dụng để sấy khô các môi trường khác

• Ưu: năng suất cao hơn Zeolit

Silicagen không cháy có nhiệt độ tái sinh thấp 110-200 oC và đủ đọ bền cơ học

Khuyết:Tuy nhiên nó bị phá hủy bởi các giọt

ẩm

Thiết bị hấp phụ

• Trong thiết bị hấp phụ, vật liệu hấp phụ được

đổ thành lớp đệm có độ dày nhất định, cho dòng khí cần xử lý đi qua

• Thông số quan trọng của lớp đệm bằng vật liệu hấp phụ là sức cản khí động của nó phải nằm

trong phạm vi thích hợp để tổn thất áp suất của dòng khí đi qua thiết bị không quá lớn, đồng

thời phỉa đảm bảo thời gian tiếp xúc cần thiết

giữa dòng khí và vật liệu hấp phụ

Thiết bị hấp phụ

• Thông thường vận tốc khí trên toàn tiết diện

ngang của thiết bị nằm trong khoảng 0,1- 0,5 m/s và thời gian lưu của dòng khí trong lớp vật liệu hấp phụ khoảng 1 – 6 s

Yêu cầu khi đề ra thiết kế hay

chọn thiết bị hấp phụ

• Đảm bảo thời gian chu kỳ làm việc thích hợp

• Có xử lý sơ bộ đối với khí thải

• Xử lý làm giảm bớt nồng độ ban đầu

• Phân phối dòng khí đi qua lớp vật liệu hấp phụ

1 cách đều đặn

• Đảm bảo khả năng thay thế mới hay hòan

nguyên vật liệu phụ

Ứng dụng

• Xử lí khí đihyđro sunfua

+ Xử lí khí đihyđro sunfua bằng natri

cacbonat,amoni cacbonat,kali photphat:

Với natri cacbonat

• Xử lí khí đihyđro sunfua bằng xút (NaOH)

Na2S + H2O = NaHS + NaOH

2NaHS + 2O2 = Na2S2O3 + H2O

Dung dịch xút đã xử dụng cũng như chất bùn nhão thu được khi dùng sữa vôi thay thế bằng cách dùng vôi clorua để oxi hoá các liên kết

sunfit.Lượng vôi clorua dùng vào mục đích

này là 6.3 kg qui về cho 1 kg lưu huỳnh với

nồng độ clo trong vôi là 35%

Xử lí khí đihyđro sunfua bằng amoniac:

Là quá trình khá đơn giản và được áp dụng rộng rãi

2NH3 + H2S =(NH4)2S

Đây là quá trình tuần hoàn 100% dung dịch hấp thụ

• Xử lí khí đihyđro sunfua bằng dung dịch natri

• Xử lí khí đihyđro sunfua bằng chất hấp phụ oxit sắt

kJ/mol

Có thể dùng oxit kẽm làm chất hấp phụ để khử khí H2S

• Xử lí khí đihyđro sunfua bằng than hoạt tính:

Nhờ hiện tượng oxi hoá khí H 2 S trên bề mặt của than

Xử lý khí SO2 bằng các chất hấp phụ

thể rắn

• Hấp phụ khí SO2 bằng than hoạt tính:

Khói thải đi vào tháp hấp phụ bị giữ lại

trong lớp than hoạt tính của các tầng hấp phụ Sau khi được hoàn nguyên cùng với một lượng than mới bổ xung được chuyển lên

phiễu chứa để cấp vào tháp hấp phụ qua bộ phận khống chế liều lượng

Sau khi được hoàn nguyên than hoạt tính được sang lọc lại để loại bỏ phần than quá vụn

Ưu:

+Hệ thống đơn giản và vạn năng

+Hệ thống làm việc ở nhiệt độ cao

Nhược:

+Tiêu hao nhiều vật liệu phụ

+sản phẩm thu hồi(SO2) có nồng độ thấp

Xử lý khí SO2 bằng than hoạt tính có

tưới nước

• Cần lắp đặt ít nhất hai bình hấp phụ hoạt động luân phiên nhau,một cái teo chu trình hấp

phụ,một cái theo chu trình hoàn nguyên

Lưu lượng khói thải 1000-1500 m3/h

Nồng độ ban đầu của SO2 là 0.1-0.15%

Hiệu quả khử SO2 đạt 98-99%

Xử lý khí SO2 bằng nhôm oxits kiềm hoá

Xử lý SO2 dựa trên tính chất hấp phụ của hỗn hợp nhôm oxit và natri oxit

Lượng chất hấp phụ lưu thong trong hệ

thống:48-50 kg cho 1000m3 khí thải

Nồng độ ban đầu của SO2 là 0.3%

Vận tốc chuyển động của khí trong tháp hấp phụ : 2-2.5m/s

Xử lý khí SO2 bằng mangan oxit (MnO)

Có 2 phương pháp tiêu biểu

+Quá trình mangan(Mỹ)

Chất hấp phụ: mangan oxit(Mn2O3) dạng hạt được làm khô ở nhiệt độ 300-400 độC

Đòi hỏi tiêu hao năng lượng lớn

• Quá trinh DAR mangan (Nhật Bản)

• Chất hấp phụ: oxit mangan hoạt tính

• Vận tốc khí trong tháp hấp thụ khoảng

13m/s

• Lượng chất hấp phụ cần cấp cho 1m3 khí thải 150-200g

• Hiệu suất : 98%

Xử lý khí SO2 bằng bằng vôi và đolomit trộn

vào than nghiền

Là sự kết hợp giữa quá trình cháy với quá trình khử khí SO2 thành một quá trình thống nhất trong bùn đốt của lò

Than nghiền với cỡ hạt có kích thước trên 6mm

được trộn cùng với vôi bột kích thước 1.6-6mm

Vận tốc không khí thổi vào : 0.6-4.6m/s

Nhiệt độ không khí xuyên qua lớp than cháy

:760-1040 độC

Hiệu quả cao nhất của quá trình: 90%

Hoàn nguyên vật liệu hấp phụ

Khi đã xuất hiện điểm dừng, lúc này cần phải ngừng chu kỳ hấp phụ và chuyển sang chu kỳ hoàn nguyên để giải thoát chất ô nhiễm đã bị hấp phụ trên bề mặt vật liệu

Cần thiết phải hoàn nguyên chất hấp phụ để thu hồi cấu tử hấp phụ và phục hồi khả năng hấp phụ của chất hấp phụ Chi phí hoàn

nguyên chiếm từ 40 – 70% tổng chi phí của

quá trình làm sạch khí

Các phương pháp hoàn nguyên vật liệu

hấp phụ:

• Hoàn nguyên bằng nhiệt

Phổ biến nhất của phương pháp này là dung

không khí nóng hoặc hơi nước

• Hoàn nguyên bằng áp suấp

Ở nhiệt độ không đổi nếu áp suất giảm thì khả năng hấp phụ giảm và chất khí đã bị hấp phụ

sẽ được thoát khỏi bề mặt của vật liệu

Hoàn nguyên bằng khí trơ:

Dùng khí trơ không chứa chất khí đã bị hấp phụ thổi qua lớp vật liệu hấp phụ

Áp suất riêng của chất bị hấp phụ trong pha khí sẽ thấp hoặc bằng không

Phương pháp nhiệt bằng hơi nước được áp dụng rộng rãi nhất

Phương pháp này có những ưu điểm :

• Đơn giản, ít tốn kém, hiệu quả cao.

• Ở nhiệt độ cao (100 0 C) hơi có thể giải thoát được hầu hết các chất khí ô nhiễm đã bị hấp phụ trong pha rắn, không làm hỏng vật liệu hấp phụ cũng

như chất khí được giải thoát.

• Hơi nước ngưng tụ lại và nhả nhiệt ngưng tụ

trong lớp vật liệu hấp phụ càng thúc đẩy quá trình giải hấp phụ

• Có thể thu hồi được chất bị hấp phụ trong hơi bằng cách

cho hơi ngưng tụ

• Hơi nước có entanpy cao hơn nhiều so với

không khí nóng

Do đó nhiệt độ của vật liệu hấp phụ được nâng cao một cách nhanh chóng

Một số phương pháp hoàn nguyên

hay tái sinh cụ thể

• Nhiệt độ tái sinh than hoạt tính, silicagel, keo

nhôm vào khoảng 1000 – 2000C, còn đối với

zeolit từ 1000 – 4000C

Than hoạt tính

• Đối với than hoạt tính dạng hạt người ta tái sinh trong lò đốt để oxy hóa các chất hữu cơ bám trên

bề mặt của chúng, trong quá trình tái sinh 5% -

10% hạt than bị phá hủy và phải thay thế bằng các hạt mới

• Than hoạt tính muốn tái tạo để sử dụng lại đúng chức năng của nó, phải qua quá trình nung ở 700 - 800°C, sau đó tiếp tục khử tạp chất với hơi nước, hoặc bằng phương pháp xử lý hóa học

• Các nhà khoa học đã tìm được dải nhiệt độ thích hợp và quy trình công nghệ bảo đảm an toàn môi trường, đồng thời cho hiệu suất tái sinh vật liệu hấp phụ cao, đáp ứng yêu cầu

thực tế và tiêu chuẩn đặt ra, đảm bảo an toàn trong sản xuất, tạo hiệu quả về kinh tế và bảo

vệ môi trường

• Cho silicagel vào lò vi-ba trong 7 phút ở chế

độ medium , silicagel sẽ chuyển màu

(đục->trong/ hồng->xanh), để nguội xài lại như cũ

Cứ 2 tuần lại làm như thế 1 lần, hoặc cứ thấy silicagel chuyển màu thì lập lại trình tự này, đồng hồ độ ẩm là không quan trọng vì cứ nhìn vào sự chuyển màu của hạt silicagel là đủ, chu

kì lập lại việc sấy silicagel nhanh hay chậm

tuỳ thuộc vào độ kín của joint

Tái sinh lại các hạt oxit nhôm

• Sau mỗi chu trình làm việc, lớp oxit nhôm

được khôi phục hoạt tính bằng việc cho tiếp xúc với một lượng nhất định dung dịch nhôm sulfat nồng độ 2% (dung dịch tái sinh).Quá

trình tiếp xúc này làm giải phóng lượng ion đã hấp phụ trong lớp oxit nhôm hoạt tính trong chu trình làm việc, khôi phục lại hoạt tính của lớp oxit nhôm

Những ưu và nhược điểm của phương pháp

xử lý bằng hấp phụ

• Ưu điểm: có khả năng làm sạch cao,chất hấp phụ sau khi

sử dụng đều có khả năng tái sinh; làm hạ giá thành xử lý.

• Nhược điểm : 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.

• 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.

Hết