xử lý khí thải trước khi đưa vào môi trường

Giảm thiểu khí hại độc hại cho môi trường có thể làm bằng nhiều cách như thay đổi nguyên nhiên liệu, cải tiến hệ thống thiết bị sản xuất, xử lý triệt để trước khi đưa vào môi trường

LỜI GIỚI THIỆU

Ô nhiễm không khí hiện đang là vấn đề quan tâm của toàn thế giới, nó không chỉảnh hưởng đến sức khỏe của con người mà còn có thể làm thay đổi cả hệ sinh thái, biếnđổi khí hậu toàn cầu dẫn đến những hậu quả khó lường được Vì vậy giảm thiểu và xử lýkhí thải là biện pháp bắt buộc phải làm đễ bảo vệ chính chúng ta và thế hệ tương lai

Giảm thiểu khí hại độc hại cho môi trường có thể làm bằng nhiều cách như thayđổi nguyên nhiên liệu, cải tiến hệ thống thiết bị sản xuất, xử lý triệt để trước khi đưa vàomôi trường Tuy nhiên những yêu cầu trên phải đòi hỏi có thời gian dài và sự chuẩn bị kỹlưỡng cho sự phát triển bền vững Vì thế mà trong tình hình hiện nay và những năm tới,việc xử lý khí thải trước khi đưa vào môi trường vẫn là giải pháp chính đề giảm thiểu ônhiễm môi trường

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TOLUENI.1 Tính chất vật lý:

Là chất lỏng thơm, không màu, không tan trong nước, tan trong cồn và ete, nhẹhơn nước và nổi trên mặt nước, sôi ở 1110 C, là chất dễ cháy ở nhiệt độ lớn hơn 40 º F(4,4 º C) Toluene là một chất lỏng khúc xạ, trong suốt, độ bay hơi cao, có mùi thơm nhẹ,ngoài ra Toluen còn có tên khác là Methyl Benzen, Benzen Methyl, khí Mê-tan Phenyl,

và Toluol Công thức hóa học Toluen là

Nếu tiếp xúc với toluen trong thời gian đủ dài, có thể bị bệnh ung thư

Nó có thể gây nhiễm độc bởi uống hoặc hít phải và đang dần được hấp thụ qua da.triệu chứng của ngộ độc toluene bao gồm các hiệu ứng thần kinh trung ương (nhức đầu,chóng mặt, mất điều hòa, buồn ngủ, hưng phấn, ảo giác, run, co giật và hôn mê)

Tiếp xúc với mắt: kích thích, nhưng không ảnh hưởng đến màng mắt

Tiếp xúc với da: tiếp xúc thường xuyên hoặc lâu dài có thể bị kích thích và viêm

da Tiếp xúc ngắn và không thường xuyên với chất lỏng sẽ không gây sự kích thíchnghiêm trọng tức khi bay hơi xẩy ra Tiếp xúc vào da có thể gây điều kiện viêm da trầmtrọng

Hít phải (hệ hô hấp): hàm lượng bay hơi cao (lớn hơn khoảng 1000 ppm) gây kíchthích mắt và cơ quan hô hấp, có thể gây đau đầu, ngủ gật, vô thức, ảnh hưởng đến trungtâm thần kinh, hỏng não và có thể gây chết.

Nuốt phải (hệ tiêu hóa): một lượng nhỏ vào trong bụng hoặc gây nên hoặc làm hỏng phổi, có thể gây chết

I.6 Nồng độ cho phép:

Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải thải công nghiệp QCVN 20:2009 đốivới một số chất hữu cơ thì nồng độ cho phép tối đa của Toluen trong không khí là 750 (mg/Nm3)

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ HƠI TOLUEN.

II.1 Phương pháp hấp thụ:

Phương pháp này sử dụng các chất hấp thụ như dung môi, nước, các hợp chất đểhấp thụ Phương pháp này sử dung đối với các dung môi hữư cơ, không khí chứa hơi a-xít,

Quá trình hấp thu là quá trình trong đó một hỗn hợp khí được cho tiếp xúc với chấtlỏng nhằm mục đích hoà tan chọn lựa một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nênmột dung dịch các cấu tử trong chất lỏng

Dung dịch hấp thu là dung môi, nhưng ở đây cấu tử cần hấp thu lại là dung môi,nên dung dịch hấp thu thường phải có độ hoà tan tốt dung môi, chất hay dùng là nước

Cơ chế của quá trình hấp thu, chia làm 3 giai đoạn:

Khuếch tán của chất ô nhiễm ở thể khí đến bề mặt phân pha giữa 2 pha khí – lỏng.Thâm nhập và hòa tan chất khí qua bề mặt của chất hấp thu

Khuếch tán chất khí đã hoà tan trên bề mặt phân cách vào sâu trong lòng chất hấpthu

II.2 Phương pháp hấp phụ:

Quá trình hấp phụ là quá trình hút chọn lựa các cấu tử trong pha khí lên bề mặtchất rắn Người ta áp dụng phương pháp hấp phụ để làm sạch khí có hàm lượng tạp chấtkhí và hơi nhỏ

Quá trình hấp phụ được thực hiện bằng cách cho tiếp xúc giữa pha rắn và pha khí,

ở điều kiện bình thường thì pha khí trong hỗn hợp với không khí thì không khí sẽ không

bị hấp phụ

Vật liệu dùng để làm chất hấp phụ là các vật liệu xốp với bề mặt bên trong lớn,được tạo thành do nhân tạo hoặc tự nhiên Trong công nghiệp hay dùng các chất hấp phụnhư: than hoạt tính, silicagel, keo nhôm, zeolit và ionit chất trao đổi ion

Ưu điểm của quá trình hấp phụ này là các vật liệu hấp phụ có thể được hoànnguyên và sử dụng lại Như vây sẽ ít tốn kém trong khi hoạt động

II.3 Phương pháp nhiệt:

Bản chất là quá trình oxi hoá các cấu tử độc hại và các tạp chất có mùi hôi bằngoxy ở nhiệt độ cao (450oC – 1200oC)

Phương pháp này dùng để loại bỏ bất kì loại khí và hơi nào mà sản phẩm cháy ítđộc hại hơn.

Ưu điểm: là thiết bị xử lý đơn giản và có khả năng ứng dụng rộng rãi vì thành

phần khí thải ít ảnh hưởng đến thiết bị đốt

Nhược điểm: là tốn nhiều năng lượng và thành phần khí thải sau đốt có CO2 cao,

là chất gây ô nhiễm không khí và hiệu ứng nhà kính

II.4 Phương pháp xúc tác:

Bản chất của quá trình xúc tác để làm sạch khí thải là thực hiện các tương tác hóahọc nhằm chuyển các chất độc hại thành các sản phẩm không độc hoặc ít độc hơn của cácchất trên bề mặt chất xúc tác rắn

Các chất xúc tác không làm thay đổi mức năng lượng của các phân tử chất tươngtác và không làm dịch chuyển cân bằng phản ứng đơn giản Vai trò của chúng là làm tăngvận tốc tương tác hoá học Các chất xúc tác trong xử lý khí thải công nghiệp là các chấttiếp xúc trên cơ sở các kim loại quý: Pt, Pd, Ag … , các oxit Mangan, Đồng, Cobalt …

Hiệu quả xử lý của phương pháp này chủ yếu phụ thuộc vào hoạt tính của chất xúctác

Nhược điểm: của phương pháp này là tốn kém và hiệu suất không ổn định.

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ HƠI TOLUEN

BẰNG THAN HOẠT TÍNH.

III.1 Khái niệm:

Hấp phụ là quá trình phân ly khí dựa trên ái lực của một số chất rắn đối với một sốloại khí có mặt trong hỗn khí nói chung và trong khí thải nói riêng, trong quá trình đó cácphân tử chất ô nhiễm trong khí thải bị giữ lại trên bê mặt của vật liệu rắn vật liệu rắn sửdụng trong quá trình này được gọi là chất hấp phụ, còn khí bị giữ laị trong chất hấp phụđược gọi là chất bị hấp phụ

Hấp phụ là quá trình gây ra hiện tượng tăng nồng độ của chất trên bề mặt tiếp xúcgiữa hai pha (rắn-khí, rắn-lỏng)

Hấp phụ là sự hút các phân tử khí, hơi bởi bề mặt chất hấp phụ

III.2 Phương pháp hấp phụ:

a Hấp phụ vật lý:

Là quá trình xảy ra thuận nghịch, là loại hấp phụ gây ra do tương tác yếu giữa cácphần tử, lực tương tác là lực Van Đơ Van

Ưu điểm: quá trình thuận nghịch bằng, cách hạ thấp áp suất riêng của chất bị hấp

phụ hay nhiệt độ, chất bị hấp nhanh chóng được nhả ra mà bản chất hóa học của nókhông hề thay đổi Hấp phụ vật lý có tốc độ hấp phụ diễn ra rất nhanh

b Hấp phụ hoá học:

Là quá trình không thuận nghịch là hấp phụ đơn phân tử (hấp phụ một lớp), lựcliên kết là lực liên kết hóa học, tạo thành hợp chất bề mặt Lực liên kết trong hấp phụ hóahọc mạnh hơn nhiều so với hấp phụ vật lý Do đó lượng nhiệt tỏa ra lớn, khoảng 20 – 400kJ/g.mol Tốc độ của quá trình hấp phụ hóa học phụ thuộc vào nhiệt độ

Ưu điểm: nhiệt lượng hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới 800 KJ/mol, năng lượng

cần cho phản ứng

III.3 Các yếu tố ảnh hưởng:

a Ảnh hưởng của môi trường:

Giữa môi trường và chất tan thường có sự canh tranh sự hấp phụ lên bề mặt rắn

Về mặt nhiệt động học, cấu tạo nào có sức căng bề mặt bé hơn sẽ bị hấp phụ mạnh hơnlên bề mặt vật rắn, tuy nhiên, trong thực tế còn có sự tác động của cáo yếu tố khác

b Ảnh hưởng của bản chất hấp phụ:

Bản chất và độ xốp của vật hấp phụ ảnh hưởng lớn đến sự hấp phụ Vật hấp phụkhông phân cực thì hấp phụ chất không phân cực tốt, vật hấp phụ phân cực hấp phụ tốtvới chất phân cực

c Tính chất của chất bị hấp phụ:

Quá trình hấp phụ diễn ra theo hướng làm san bằng sự phân cực giữa các pha Độchênh lệch của sự phân cực càng lớn thì sự hấp phụ diễn càng mạnh Quy tắc này chophép xác định cấu trúc lớp bề mặt và chỉ ra điều kiện chon chất hấp phụ thích hợp nhấttrong trường hợp cụ thể

d Quy tắc phân tử lượng đối với sự hấp phụ chất tan từ dung dịch:

Chất hấp phụ có phân tử lượng càng lớn thì sự hấp phụ càng tăng nhanh

e Ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm:

Sự hấp phụ trong dung dịch xảy ra chậm hơn trong pha khí vì sự thay đổi nồng độtrên bề mặt phân chia pha được thực hiện bởi quá trình khuếch tán Tốc độ khuếch tántrong pha khí diễn ra nhanh hơn trong pha lỏng

Khi nhiệt độ tăng lên, khả năng khuếch tán vật chất vào dung dịch giảm xuống dầnđến giảm sự hấp phụ

Áp suất: áp suất càng cao, khả năng hấp phụ càng tốt

Độ ẩm: độ ẩm càng thấp, khả năng hấp phụ càng tốt

III.4 Thiết bị hấp phụ:

a Yêu cầu cần thiết:

 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 đều đặn

 Đảm bảo khà năng thay thế mới hay hoàn nguyên vật liệu hấp phụ

lớn, nhưng tính pha loãng của khí quyển cũng rất tốt, bởi vậy nồng độ chất ô nhiễm trongkhí quyển thường là rất nhỏ (dạng vết) Tốc độ hấp phụ của loại thiết bị này nhanh, lượngchất ô nhiễm không thể nhanh chóng tập trung trên bề mặt chất hấp phụ, đủ để làm giảm.

c Thiết bị với lớp hấp phu hạt tầng dày:

Sử dụng than củi làm chất hấp phụ với độ dày lớn hơn 1/2 inch (khoảng 12 cm),với đô dày này sẽ đủ sức giữ được một khoảng trống tối thiểu và thường làm đơn giảnhơn lớp hấp phụ mỏng, dễ dàng xác định lượng than hoạt tính sử dụng Thiết bị hấp phụvới lớp dày sẽ được sử dụng ở những nơi có yêu cầu sử dụng được trong thời gian dài, ítphải thay đổi lớp hấp phụ Ví dụ dùng để lọc sạch các khí thải từ các ống thải của các lòsưởi dùng trong nhà, mức độ tập trung chất ô nhiễm cao Việc hấp phụ chất ô nhiễm trên

bề mặt lớp hấp phụ là quá nhanh so với hấp phụ lớp mỏng, do vậy không bị bít kín các lỗhổng

Nhược điểm chung của 2 thiết bị trên:

Tạo vùng khí bão hòa

Khi hơi đạt tiêu chuẩn xử lý, cần phải thay hay hoạt hóa lại toàn bộ than, kể cảlượng than chưa bão hòa

d Thiết bị hấp phụ tầng sôi:

Khi một dòng khí được thổi qua tầng hấp phụ chứa các chất hấp phụ dạng hạt thì

sự giảm áp suất do tầng này sẽ theo chiều ngược lại với khối lượng của chính nó Khi vậntốc dòng khí đủ cao, độ giảm áp sẽ bằng với khối lượng của tầng hấp phụ và chất hấp phụtrong đó bắt đầu chuyển động,

nghĩa là bắt đầu quá trình sôi Ở

tốc độ khí cao hơn (khoảng

259ft./phút), các hạt chất hấp phụ

có thể chuyển động không ngừng

Độ giảm áp cần để có hiện tượng

sôi tỷ lệ thuận vào độ dày tầng

vùng hoạt động của tầng hấp phụ, trong khi đó Cacbon bão hòa đượng hoàn nguyên đểtận dụng lại thiết bị hấp phụ tầng xoay gồm 4 hình trụ.

Toàn bộ hệ thồng sẽ xoay ở một góc độ sao cho các đoạn của tầng hấp phụ sẽchuyển từ hấp phụ sang giải hấp ngay sau khi nó đạt mức bão hòa

Nhược điểm: tuy việc sử dụng than đã được cải tiến nhưng việc sử dụng hoi lại

trở nên kém hiệu quả Việc bảo trì các mối hàn kín và những bộ phận chuyển động cũngtốn kém hơn bảo trì thiết bị hấp phụ có tầng hấp phụ tĩnh

f Một số loại khác

Có thể bao gồm cả hai loại chất hấp phụ trong một hình trụ đứng hoặc trong mộthình trụ nằm ngang; một lớp hấp phụ chuyển động được chứa trong một tang trống quay.Mỗi hình thức thích hợp với từng trường hợp cụ thể

Ứng dụng của thiết bị hấp phụ, bao gồm một số các ứng dụng sau:

 Thu hồi rượu đẳng propyl từ các quá trình chế biến nước cam – quýt

 Thu hồi metylclorua từ các nhà máy sản xuất phim ảnh

 Thu hồi hơi rượu etyl từ các lò nấu rượu Whisky

 Làm sạch khí thải từ các ống khói nhà bếp

 Làm sạch chất bẩn có trong không khí khi cung cấp dưỡng khí cho phòng

mổ hoặc phòng điều khiển điện

III.5 Chọn thiết bị:

a Ta chọn thiết bị hấp phụ tầng cố định.

Đây là thiết bị trong đó pha khí được cho chuyển động qua tầng hạt chất hấp phụ

cố định, được sử dụng nhiều lĩnh vực như thu hồi hơi dung môi có giá trị từ các chất khí,khử nước trong pha khí hoặc lỏng, khử màu các loại dầu khoáng dầu thực vật …

Các hạt chất hấp phụ được đặt trong tầng có chiều cao từ 0,3 – 1,2m trên tấm đỡ

có đục lỗ, dòng khí nhập liệu được thổi từ trên xuống

Loại thiết bị này có ba phương thức làm việc:

1 Phương thức bốn giai đoạn: hấp phụ, nhả hấp, sấy, làm lạnh

2 Phương thức ba giai đoạn: hấp phụ, nhả hấp, làm lạnh

3 Phương thức hai giai đoạn: hấp phụ, nhả hấp

Khi chọn phương thức làm việc cho thiết bị, cần căn cứ vào đặc trưng của chất bịhấp phụ cần thu hồi và nồng độ đầu của nó trong hỗn hợp khí:

 Khi nồng độ đầu khá cao thì dùng phương thức bốn giai đoạn.

 Khi nồng độ đầu trung bình v nhỏ (2 – 3 g/m3) thì dùng phương thức ba giai đoạn

 Khi nhiệt độ của hỗn hợp khí thiết bị tương đối đồng nhất và thấp (<35oC) và chất

bị hấp phụ không tan trong nước thì dùng phương thức hai giai đoạn

Thiết bị tầng cố định có loại thẳng đứng, loại nằm ngang, loại hình vành khăn

III.6 Vật liệu hấp phụ:

Chất hấp phụ thường là các loại vật liệu dạng hạt có đường kính từ 6 – 10 mm đến200µm, có độ rỗng lớn được hình thành do những mạch mao quản li ti nằm bên trongkhối vật liệu Đường kính của mao quản chỉ cần lớn hơn đường kính phân tử của chất bịhấp phụ thì chất hấp phụ mới có hiệu quả Do chứa nhiều mao quản nên bề mặt tiếp xúccủa chất hấp phụ rất lớn

Đối với than hoạt tính khi đã hấp phụ no, không còn hấp phụ được nữa thì ta cóthể tái sinh và sử dụng lại chúng bằng phương pháp giải hấp nhiệt Kih ở trong môitrường nhiệt độ cao các chất hữu cơ cũng như các phân tử axit bay hơi và tách khỏi bềmặt của than

c Silicagel:

Silicagel là gel của anhydrite axit silisic có cấu trúc lỗ xốp rất phát triển Bề mặtcủa gel thay vì các nguyên tử oxy được thay bằng các nhóm hydroxyl (OH-), điều đóquyết định tính chất hấp phụ của silicagel

Silicagel dễ dàng hấp phụ các chất dễ phân cực cũng như các chất có thể tạo vớihydroxyl các lien kết kiểu cầu hydro Với các chất không phân cực, sự hấp phụ trênsilicagel chủ yếu tác dụng của lực mao dẫn trong các lỗ xốp nhỏ

Chúng cũng như các chất hấp phụ khác có thể tái sinh Tái sinh chúng thường ởnhiệt độ dưới 2000C Nếu trên nhiệt độ này sẽ dẫn đến thay đổi bất thuân nghịch của cấutrúc bề mặt và làm mất khả năng hoạt động của chúng Việc giải hấp phụ của silicagelcần phải lưu ý nhiều hơn so với than hoạt tính

d Zeolit:

Zeolit là hợp chất aluminosilicat có tinh thể Tính chất của Zeolit phu thuộc vào tỉ

lệ Si và Al và mức độ tinh thể của sản phảm cuối cùng Đồng thời còn chịu ảnh hưởngcủa các cation kim loại khác được nhận thêm vào trong quá trình hình thành sản phẩm

Zeolit thể hiện tính nhạy cảm rất rỏ với đối với nhiệt độ Ví dụ như zeolit chứa Cachỉ bị mất tính hấp phụ khi nhiệt độ lên tới 8000C, chứa Na bị mất tính hoạt động khinhiệt độ 7000C, còn chứa Li thì ở 6400C

III.7 Phương pháp hoàn nguyên vật liệu hấp phụ:

a Hoàn nguyên bằng nhiệt:

Phổ biến nhất là dùng không khí nóng hoặc hơi nước để sấy nóng vật liệu làm chokhả năng hấp phụ giảm xuống đến mức thấp nhất và lúc đó chất khí đã bị hấp phụ sẽthoát ra ngoài Sau khi hoàn nguyên bằng nhiệt, vật liệu hấp phụ cần được làm nguộitrước khi đưa vào sử dụng lại

b Hoàn nguyên bằng áp suất:

Ở nhiệt độ không đổi, nế giảm áp suất thì khả năng hấp phụ giảm và do đó chấtkhí đã bị hấp phị sẽ thoát khỏi bề mặt của vật liệu

c Hòa nguyên bằng khí trơ:

Dung khí trơ không chứa chất khí đã bị hấp phụ thổi qua lớp vật liệu hấp phụ.Trong trường hợp này áp suất riêng của chất bị hấp phụ trong pha khí sẽ thấp hơn hoặcbằng không, như vậy sẽ tạo được gradian  ngược chiều so với quá trình hấp phụ và do

đó chất bị hấp phụ trong pha rắn sẽ khuếch tán ngược trở lạn vào pha khí – tức giải hấpphụ (desorption)

Trong các phương pháp trên thì phương pháp hoàn nguyên bằng nhiệt được ápdụng rộng rãi nhất.

Ưu điểm:

Đơn giản, ít tốn kém, hiệu quả cao

Ở nhiệt độ cao (1000C) hơi có thể giải thoát được hầu hết các chất khí ô nhiễm đã

bị hấp phụ trong pha rắn, không làm hỏng các vật liệu hấp phụ cũng như chất khí đượcgiải thoát

Hơi nước ngưng tụ lại và nhả nhiệt ngưng tụ trong lớp vật liệu hấp thụ càng thúcđẩy qua trình giải hấp phụ

Có thể thu hồi được các 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 vậtliệu hấp phụ được nâng cao một cách nhanh chóng

Vật liệu hấp phụ có độ ẩm cao sau khi hoàn nguyên bằng bằng hơi nước có thểđược làm khô bằng cách thổi khí lạnh và khô vào

III.8 Đề xuất quy trình công nghệ:

Tóm tắt sơ lược về quy trình công nghệ xử lý khí Toluen:

Đầu tiên là khí từ bồn chứa sẽ được hút vào tháp hấp phụ bằng quạt Dòng khí vàotrong tháp sẽ đi từ dưới lên đi qua vật liệu hấp phụ và đi ra ngoài qua ống khói Khi đãhấp phụ nhiều lần thì vật liệu hấp phụ sẽ trở nên bão hòa Lúc này dòng hơi quá nhiệt sẽđược cấp vào hoàn nguyên vật liệu hấp phụ lúc đó sẽ tái sử dụng lại tránh hiện tượng lãngphí Lượng nước ngưng tụ trong quá trình nhả hấp sẽ được đưa tới hệ thống xử lý nướcthải.

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ HẤP PHỤ:

IV.1 Thiết lập đường hấp phụ đẳng nhiệt của Toluen:

Dựa vào đường hấp phụ đẳng nhiệt của Benzen (hình X.1 trang 245 sổ tay quá

trình và thiết bị công nghệ hóa chất - Tập 2) ta xây dựng đường hấp phụ đẳng nhiệt của

Toluen theo công thức:

a1*, a2*: Nồng độ của Benzen và Toluen bị hấp phụ (kg chất bị hấp phụ/kg than)

V1, V2: Thể tích mol Benzen và Toluen ở dạng lỏng (m3/kmol)

p1, p2: Áp suất riêng phần của hơi Benzen và Toluen (mmHg)

ps,1, ps,2: Áp suất hơi bão hoà của hơi Benzen ở 20oC và Toluen ở 25oC (mmHg)

T1, T2:Nhiệt độ của Benzen và Toluen khi hấp phụ (oK)