Đề tài xử lý ô nhiễm không khí

Khi này hỗn hợp khí được cho tiếp xúc với chất lỏng nhằm mục đích hòa tan chọn lựa một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch cấu tử trong chất lỏng.. - Khí được hấp t

sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật như con dao hai lưỡi, vừa làm cho cuộc sống thêm phần tiện nghi vừa làm cho môi trường xuống cấp đến mức báo động Những nhà máy, xí nghiệp, bệnh viện … thải ra các cột khói, bụi, nước thải chứa đầy các chất ô nhiễm như:SO2, NOx, CO… đã đe doạ đến cuộc sống của con người và hệ sinh thái tự nhiên Chính vì thế xử lý các tác nhân ô nhiễm như

SO2 để có bầu không khí ta thở hàng ngày được trong lành hơn, giảm các bệnh về đường hô hấp, sảng khoái tinh thần làm việc hiệu quả hơn đang là một vấn đề được quan tâm hiện nay

1.2 Tổng quan về khí S0 2

Lưu huỳnh dioxit (SO2) là chất ô nhiễm phổ biến nhất trong sản xuất công nghiệp cũng như trong các hoạt động của con người Nguồn phát thải chủ yếu là từ các trung tâm nhiệt điện, từ các lò nung, lò hơi khí đốt nhiên liệu than, dầu và khí đốt có chứa S hay các hợp chất có chứa S Ngoài ra, một số công đoạn trong công nghiệp hóa chất, luyện kim cũng thải vào khí quyển một lượng SO2 đáng kể

Trên thế giới hàng năm tiêu thụ đến 2 tỷ tấn than đá các loại và gần 1 tỷ tấn dầu

mỏ Khi thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệutrung bình chiếm 1% thì lượng SO2 thải vào khí quyển là 60 triệu tấn / năm Đó là chưa kể lượng SO2 thải ra từ các ngành công nghiệp khác.Vấn đề ô nhiễm khí quyển bởi khí SO2 từ lâu đã trở thành mối hiểm họa của nhiều quốc gia nhất là các nước phát triển trên thế giới Chính những lý do nêu trên, công nghệ xử lý lưu huỳnh dioxit trong khí thải công nghiệp đã được nghiên cứu rất sớm và phát triển mạnh mẽ

Ngoài tác dụng làm sạch khí quyển bảo vệ môi trường, xử lý SO2 còn có ý nghĩa kinh tế to lớn của nó bởi vì SO2 thu hồi được từ khí thải là nguồn cung cấp nguyên liệu cho các nhà máy sản xuất axit sunfuaric (H2SO4) và lưu huỳnh nguyên chất.Với tầm quan trọng nêu trên, vấn đề xử lý SO2 đang được quan tâm và lựa chọn phương pháp để thực hiện

1.2.1 Đặc điểm khí SO 2

SVTH : Trần Thanh Thu Trúc

Lưu huỳnh dioxit (SO2) là một trong các chất chủ yếu gây ô nhiễm môi trường Nó được sinh ra do sự đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch (than dầu khí đốt), thoát vào bầu khí quyển và là một trong những nguyên nhân chính gây mưa axit Mưa axit tàn phá nhiều rừng cây, công trình kiến trúc bằng đá và kim loại, biến đất đai trồng trọt thành những vùng hoang mạc Không khí chứa SO2 gây hại cho sức khỏe con người (gây viêm phổi, mắt, da )

SO2 là chất khí không màu, mùi kích thích mạnh, dễ hóa lỏng, dễ hòa tan trong nước với nồng độ thấp ( ở điều kiện bình thường 1 thể tích nước hòa tan với 40 thể tích SO2 SO2 có nhiệt độ nóng chảy ở -750C và nhiệt độ sôi ở -100

C SO2 rất bền nhiệt (∆H0tt = - 296,9 kJ/ mol ) Khí SO2 là một chất khí ô nhiễm khá điển hình SO2có khả năng hòa tan trong nước cao hơn các khí gây ô nhiễm khác nên dễ phản ứng với

cơ quan hô hấp của con người và động vật

1.2.2 Tác hại của khí SO 2

Khí SO2 là khí độc hại không chỉ đối với sức khỏe con người, động thực vật mà còn tác động lên các vật liệu xây dựng, các công trình kiến trúc,làm thiệt hại mùa màng, nhiễm độc cây trồng

Đối với sức khỏe con người

Độc tính chung của SO2 thể hiện ở rối loạn chuyển hóa protein và đường, thiếu vitamin B và C, ức chế enzyme oxydaza Khi hàm lượng thấp, SO2 sưng niêm mạc Khi liều lượng cao ( > 0,5mg/m3) SO2 gây tức thở, ho, viêm loét đường hô hấp Nếu hít phải SO2 nồng độ cao có thể gây tử vong

SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua các cơ quan hô hấp hoặc các cơ quan tiêu hóa sau khi được hòa tan trong nước bot Và cuối cùng chúng có thể xâm nhập vào hệ tuần hoàn Khi tiếp xúc với bụi, SO2 có thể tạo ra các hạt axitnhỏ, các hạt này có thể xâm nhập vào các các tuyến huyết mạch nếu kích thước của chúng nhỏ hơn

2 – 3 µm SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua da và gây ra các chuyển đổi hóa học, kết quả của nó là hàm lượng kiềm trong máu giảm, ammoniac bị thoát qua đường tiểu và có ảnhhưởng đến tuyến nước bọt

Hầu hết dân củ sống quanh khu vực nhà máy các khu công nghiệp có nồng độ SO2đều mắc bệnh đường hô hấp

Bảng 1 : Liều lượng gây độc

20 - 30 Giới hạn gây độc tính

SVTH : Trần Thanh Thu Trúc

130 – 260 Liều nguy hiểm sau khi hít thở( 30 – 60 phút)

1000 – 1300 Liều gây chết nhanh (30 – 60 phút)

Đối với thực vật

Khí SO2 trong khí quyển khi gặp các chất oxy hóa dưới tác động của nhiệt độ, ánh sáng chúng chuyển thành SO3 Khi gặp nước SO3+ H2O = H2SO4 là nguyên nhân gây nên mưa axit gây thiệt hại lớn, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển của thực vật Khi tiếp xúc với môi trường có chứa hàm lượng SO2 từ 1 – 2 ppm trong vài giờ có thể gây thương tổn lá cây Đối với các loại thực vật nhạy cảm như nấm, địa y, hàm lượng 0,15 – 0,3 ppm có thể gây độc tính cấp

Bảng 2 : Nồng độ gây độc

0,03 Ảnh hưởng đến sinh trưởng của rau quả

0,15 – 0,3 Gây độc kinh niên

1 - 2 Chấn thương lá cây sau vài giờ tiếp xúc

Đối với môi trường

Sự có mặt của SO2 trong không khí ẩm còn là tác nhân gây ăn mòn kim loại, bê tông và các công trình kiến trúc SO2 làm hư hỏng, làm thayđổi tính năng vật lý, làm thay đổi màu sắc vật liệu xây dựng như đá vôiđá hoa cương, đá cẩm thạch, phá hoại các tác phẩm điêu khắc, tượng đài Sắt, thép và các kim loại khác ở trong môi trường khí ẩm, nóng và bị nhiễm SO2 thì bị gỉ rất nhanh SO2 cũng làm hư hỏng và giảm tuổi thọ các sản phẩm vải, nylon, tơ nhân tạo, đồ bằng da và giấy

SO2 bị oxy hóa ngoài không khí và phản ứng với nước mưa tạo thành axit sufurit hay các muối sufate gây hiện tượng mưa axit, ảnh hưởng xấu đến môi trường

Các tác hại của mưa axit:

 Nước hồ bị axit hóa : mưa axit rơi trên mặt đất sẽ rửa trôi các chất dinh dưỡng trên mặt đất và mang các kim loại độc hại xuống ao hồ, gây ô nhiễm nguồn

Chương 2 : TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ

2.1 Khái niệm

Hấp thu là quá trình xảy ra khi một cấu tử của pha khí khuếch tán vào pha lỏng do

sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng Nếu quá trình xảy ra ngược lại, nghĩa là cần sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha khí, ta có quá trình nhả khí Nguyên lý của cả hai quá trình là giống nhau

Quá trình hấp thu tách bỏ một hay nhiều chất ô nhiễm ra khỏi dòng khí thải(pha khí) bằng cách xử lý với chất lỏng (pha lỏng) Khi này hỗn hợp khí được cho tiếp xúc với chất lỏng nhằm mục đích hòa tan chọn lựa một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí

để tạo nên một dung dịch cấu tử trong chất lỏng

- Khí được hấp thụ gọi là chất bị hấp thu

- Chất lỏng dùng để hấp thu gọi là dung môi(chất hấp thụ)

- Khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ

là trong khói từ các loại lò công nghiệp

Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng nước gồm 2 giai đoạn:

 Hấp thụ SO2 bằng cách phun nước vào dòng khí thải hoặc chokhí thải đi qua lớp vật liệu đệm ( vật liệu rỗng )cod tưới nước – scrubơ

 Giải thoát khí SO2 ra khỏi chất hấp thu để thu hồi SO2(nếu cần)và nước sạch Mức độ hòa tan của khí SO2 trong nước giảm khi nhiệt độ nước tăng cao, do đó nhiệt độ nước cất vào hệ thống hấp thu khí SO2 phải đủ thấp Còn để giải thoát khí

SVTH : Trần Thanh Thu Trúc

SO2 khỏi nước thì nhiệt độ của nước phải cao Cụ thể là 1000

C thì SO2 bốc ra một cách hoàn toàn và trong khí thoát ra có lẫn cả hơi nước

Bằng phương pháp ngưng tụ người ta có thể thu được khí SO2với độ đậm đặc

≈100% để dùng vào mục đích sản xuất axit sunfuric Lượng nước thực tế phải lớn hơn một ít so với lượng nước lý thuyết vì nước sau khi ra khỏi thiết bị hấp thu không thể đạt tới mức bão hòa khí SO2 Để giải hấp thu cần phải đun nóng một lượng nước rất lớn tức phải có một nguồn cấp nhiệt công suất lớn Ngoài ra, để sử dụng lại nước cho quá trình hấp thu phải làm nguội nước xuống gần 100

C – tức phải cần đến nguồn cấp lạnh Đây là vấn đề không đơn giản và khá tốn kém.Từ những vấn đề trên phương pháp hấp thu khí SO2 bằng nước chỉ áp dụng được khi:

 Nồng độ ban đầu của khí SO2 trong khí thải tương đối cao

 Có sẵn nguồn cấp nhiệt (hơi nước) với giá rẻ

SVTH : Trần Thanh Thu Trúc

Do độ hòa tan của khí SO2 vào trong nước quá thấp nên phải dùng một lượng nước rất lớn và thiết bị phải có thể tích rất lớn, cồng kềnh Để tách SO2 khỏi dung dịch phải nung nóng đến 1000

C nên tốn rất nhiều năng lượng, chi phí nhiệt lớn

2.2.2 Hấp thu bằng dung dịch vôi sữa

Xử lý SO2bằng sữa vôi là phương pháp được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp

vì hiệu quả xử lý rất cao, nguyên liệu rẻ tiền và có sẵn ở mọi nơi Khí SO2 được thu hồi trong tháp rữa bằng sữa vôi, sữa vôi có tác dụngvới SO2 theo phản ứng:

SO2 + Ca(OH)2= CaSO3+ H2O

Ưu điểm

Công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư ban đầu không lớn, có thể chế tạo thiết bị bằng vật liệu thông thường, không cần đến vật liệu chống axit và không chiếm nhiều diện tích xây dựng

Nhược điểm:

Đóng cặn ở thiết bị do tạo thành CaSO4 và CaSO3, gây tắc nghẽn đường ống

Hình 1 -2 : sơ đồ xử lý SO2 bằng vôi sữa

Magie sunfit lại tác dụng tiếp với SO2 để cho bisunfit :

MgSO3+ SO2 + H2O  Mg(HSO3)2

Một phần magie sunfit tác dụng với oxy trong khói thải để tạo thành sunfat:

Mg(HSO3)2+ MgO  2MgSO3.+ H2O

Độ hòa tan của magie sunfit trong nước rất hạn chế, do đó MgSO3 sẽ kết tủa thành tinh thể hexahydrat MgSO3.6H2O và ở nhiệt độ 50o

C hexahydrat biến thành trihydrat MgSO3.3H2O

Các tinh thể được tách ra khỏi dung dịch huyền phù, sấy khô và xử lýnhiệt ở nhiệt độ 800÷900oC để thu hồi MgO và SO2 Magie oxit được quay trở lại chu trình làm việc, còn SO2đậm đặc có thể đưa sang công đoạn chế biến axit sunfuaric hoặc lưu huỳnh đơn chất

Ưu điểm :

Có thể làm sạch khí nóng mà không cần làm sạch sơ bộ , thu được axitsunfuric như là

1 sản phẩm của sự thu hồi, hiệu quả xử lý cao, MgO dể kiếm và rẻ

SVTH : Trần Thanh Thu Trúc

Quá trình xử lý khí SO2 trong khí thải bằng các chất hữu cơ được áp dụng nhiều trong công nghiệp luyện kim màu Chất hấp thu SO2 được sử dụng phổ biến là các amin thơm như: aniline C6H5 NH2, toluidin CH3C6H4 NH2, xylidin (CH3)2C6H3 NH2

và dimetyl-anilin C6H5N(CH3)2

Thực tế cho thấy dung dịch xylidin trong nước có nhiều ưu điểm khi sử dụng để khử

SO2 trong khói thảivới nồng độ thấp, còn khi nồng độ SO2 trong khói thải tương đối cao (trên 2%) thì dimetyl- aniline có ưu thế hơn

Quá trình sunfidin:

Khí thải sơ bộ được làm nguội và lọc sạch bụi trong thiết bị lọc bằng điện, sau đó cho qua các tháp hấp thu đặt nối tiếp nhau Các tháp hấp thu được tưới hỗn hợp xylidin- nước theo sơ đồ chuyển động ngược chiều của dòng khí và dung dịch hấp thu Trong quá trình hấp thu SO2 bằng xylidin cótỏa ra một lượng nhiệt đáng kể, do đó cần làm nguội dung dịch bằng các thiết bị trao đổi nhiệt Khí sạch đi ra khỏi tháp hấp thu

có chứa hơi xylidincần cho qua scrubơ để thu hồi hơi xylidin bằng axit sunfuric loãng

Quá trình khử SO 2 bằng dimetylanilin – quá trình ASARCO

Khí thải sau khi được lọc sạch bụi và các giọt sương axit sunfuric bằng bộ lọc điện và

sucrubơ được đưa vào tháp hấp thu trong đó xảy ra baquá trình sau:

-Hấp thu khí SO2 bằng dimetyl – aniline khan

-Khử SO2 còn lại trong khí bằng dung dịch natri cacbonat loãng để thu sunfit và bisunfit natri dùng cho các giai đoạn tiếp theo

- Hấp t h u h ơ i d i m e t y l a n i l i n e b ằ n g a x i t s u n f u r i c l o ã n g v à t h u được sunfat dimetyl – anilin

2.3 Thiết bị hấp thụ SO2

 Tháp đệm

 Tháp sủi bọt

 Thùng rửa khí rỗng (tháp phun) (thiết bị sử dụng trong công nghệ xử lý)

Tháp phun có dạng trụ đặt thẳng đứng, được sử dụng dựa trên nguyên tắc tạo ra sự tiếp xúc trực tiếp giữa các chất ô nhiễm và các hạt dung dịch hấp thụ được phun ra dưới dạng các hạt nhỏ và mật độ lớn Dung dịch hấp thụ được phun ngược chiều với dòng khí bốc lên, tạo ra một sự hỗn loạn trong dòng khí Thiết bị có cấu tạo và vận hành đơn giản, giá thành thấp, hiệu suất ổn định

Đặc tính của tháp phun

Tiết diện tháp có thể tròn hay hình chữ nhật

- Dòng khí và dịch thể trong tháp có thể chuyển động cùng chiều, ngược chiều hoặc cắt nhau

- Các mũi phun có thể bố trí một tầng hay nhiều tầng, hoặc đặt dọc trục thiết bị

- Các tháp rửa khí rỗng hoạt động có hiệu quả khi bụi có kích thước > 10m và kém hiệu quả khi kích thước bụi < 5m

Cấu tạo: Hình trụ tròn, rỗng bên trong có chứa hệ thống ống dẫn phân phối khí thải và

dung môi hấp thụ

Vật liệu: Vỏ tháp được làm bằng thép không gỉ: inox 201, inox 304 hoặc thép CT3

phủ sơn cách nhiệt

SVTH : Trần Thanh Thu Trúc

Hình : cấu tạo tháp phun khí rỗng

Vỏ thiết bị - Tấm phân phối khí -Vòi phun nước - Tấm chắn nước

Nguyên lý hoạt động

Công suất: Theo kiểu modul, tùy theo công suất yêu cầu của khách hàng

Khả năng xử lý: Thích hợp với hỗn hợp khí thải ít ô nhiễm, được ứng dụng chủ yếu

trước một công trình xử lý quan trọng

Nguyên lý làm việc: tháp được sử dụng để kết hợp lọc sạch bụi và hơi khí độc bằng

dung dịch phun Người ta đưa dòng khí thải có lẫn bụi và hơi khí độc vào một đầu buồng phun qua một thiết bị có thể phân đều dòng khí thải theo toàn bộ tiết diện ngang của buồng Trong không gian buồng phun có bố trí hệ thống ống phun để phun dung dịch thành chùm các hạt nước nhỏ ngược chiều dòng khí thải Hơi khí độc bị dung dịch hấp thụ qua bề mặt các hạt dung dịch Sau đó khí thải có thể được thải thẳng vào khí quyển hay đưa qua bộ sấy nóng trước khi thải để giảm độ ẩm tương đối của dòng khí

Dung dịch nước phun được thu hồi đưa qua thiết bị lắng cặn và xử lý hóa trước khi được phun trở lại Sau một khoảng thời gian làm việc, dung dịch phun được thải vào

hệ thống xử lý nước thải

Tháp được cấu tạo đơn giản, dễ dàng cho việc chế tạo lắp đặt

SVTH : Trần Thanh Thu Trúc

Vận hành đơn giản, giảm chi phí

Chương 3 : TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH HẤP THỤ SO 2

Yêu cầu : Thiết kế hệ thống xử lý SO2 bằng thiết bị tháp hấp thụ(tháp rửa khí rỗng) Nguồn khói thải có các thông số sau :

- Lưu lượng khí : 12700 m3/h

- Nồng độ SO2 : 14 g/m3 = 14000 mg/m3

- Nhiệt độ khói thải : 600C = 3330K

3.2 Tính toán dung môi hấp thụ

Quy chuẩn :

Theo QCVN 19 – 2009/BTNMT, nồng độ tối đa của SO2 được tính theo công thức :

Cmax = C Kp Kv = 500 1 1 = 500 (mg/Nm3) Trong đó :

C : nồng độ của SO2 được quy định tại mục 2.2 – cột B, C= 500mg/Nm3

Kp : hệ số lưu lượng nguồn thải tại mục 2.3, ta có lưu lượng nguồn thải 12700m3/h < 20000m3/h nên hệ số Kp = 1

Kv : hệ số vùng, khu vực quy định tại mục 2.4, ta chọn Kv = 1

 Ta áp dụng QCVN 19 – 2009/BTNMT cho đầu ra của thiết bị xử lý

Hiệu suất của quá trình xử lý bằng hấp thụ theo lý thuyết

E = = 96,4 %Vậy nồng độ cần giữ lại trong tháp

)(11

2

3 molH O molCaCO

hp g

1110

1

2 2

3 3

m kg O

H

O kgH CaCO

P SO

1960

10 24 , 2 log

87 , 1 58 , 3

Trong đĩ :

P*SO2: áp suất riêng phần SO2 cân bằng (Pa)

[SO2}:tỷ số mol /mol huyền phù

T: nhiệt làm việc của tháp (0K)

(trang 28/ sách Kỹ thuật xử lý khí thải công nghiệp – Phạm Văn Bôn)

molkhitro

molSO P

082 , 0

12700 1



T R

333.273

4,22.141000

1000

T R C T

R P M C

T R

Q P M

C Q y

SO

đ SO

đ

SO đ

00600 , 0 00597 , 0 1

00597 , 0

4 , 22 1000 1

64 / 5 , 0

00021 , 0