Xử lý khí thải bằng phương pháp hấp phụ

I.Tiếp cận vấn đề1.Thế nào là ô nhiễm không khí2.Các phương pháp xử lý khí thải hiện nay, ưu nhược điểmII.Tìm hiểu về hấp phụ1.Định nghĩa hấp phụ2.Cơ chế của hấp phụ3.Phân loại Hấp phụ vật lýHấp phụ hóa học4.Đặc tính của vật liệu hấp phụ5.Các yếu tố ảnh hưởng tới hấp phụ6.Một số loại vật liệu hấp phụIII.Xử lý khí thải1.Xử lý khí thải bằng phương pháp hấp phụ2.Cách tiến hành 3.Nguyên lý của hấp phụ khí thải4.Phạm vi áp dụng trong xử lý khí thải5.Các yếu tố ảnh hưởng6.Một số quá trình hấp phụ khí7.Các chu trình công nghệ có áp dụng hấp phụ trong thực tế

Đề tài: Xử lý khí thải bằng phương pháp hấp phụ

Mục lục :

I Tiếp cận vấn đề

1 Thế nào là ô nhiễm không khí

2 Các phương pháp xử lý khí thải hiện nay, ưu nhược điểm

7 Các chu trình công nghệ có áp dụng hấp phụ trong thực tế

IV Những ưu và nhược điểm của phương pháp xử lý bằng hấp phụ

I Tiếp cận vấn đề

1 Ô nhiễm không khí : Ô nhiễm không khí là sự thay đổi lớn trong thành phần

của không khí hoặc có sự xuất hiện các khí lạ làm cho không khí không sạch, có sựtỏa mùi, làm giảm tầm nhìn xa, gây biến đổi khí hậu, gây bệnh cho con người và sinh vật

Nguồn gây ô nhiễm không khí có thể do tự nhiên hoặc con người gây ra, trong khuôn khổ bài tiểu luận hôm nay, chúng tôi sẽ đề cập đến phương pháp xử lý khí thải bằng phương pháp hấp thụ với khi thải chủ yếu từ hoạt động sản xuất của con người ( So2, Co )

Bảng 1: Lượng khí phát thải các chất ô nhiễm chủ yếu từ ấc nguồn thiên nhiên và nhân tạo ( ô nhiễm không khí và xử lý khí thải tập 1 – GS.Ts.Trần Ngọc Chấn )

2 Các phương pháp xử lý khí thải hiện nay

Hiện nay có rất nhiều phương pháp để có thể xử lý khí thải, nhưng đều qui về bốn hướng xử lý chính:

+hấp thụ: Phương pháp này sử dụng các chất hấp thụ như dung môi, nước, các

hợp chất để hấp thụ Phương pháp này sử dung đối với các dung môi hữư cơ, không khí chứa hơi a-xít,…

+ngưng tụ: Hỗn hơp khí được làm lạnh xuống dưới điểm sôi của chất ô nhiễm

Chất ô nhiễm sẽ bị ngưng tụ và tách ra khỏi hỗn hợp khí dưới dạng lỏng

+oxy hóa khử: Oxy hóa các chất o onhieemx khí thành dạng không độc hoặc ít

độc hơn ở nhiệt độ cao ( bằng cách đốt ) hoặc ở nhiệt độ thấp ( bằng quá tình sinh học )

+hấp phụ: là quá trình hút các chất trên bề mặt các vật liệu xốp nhờ các lực bề

mặt Vật liệu xốp được gọi là chất hấp phụ, chất bị hút gọi là chất bị hấp phụ

Mỗi phương pháp xử lý khí thải có những ưu nhược điểm nhất định về hiệu suất

xử lý, loại hình khí thải xử lý, độ hoàn nguyên vật liệu hấp phụ, chi phí đầu tư dây chuyền sản xuất, Trong khuôn khổ bài tiểu luận hôm nay, chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu về phương pháp hấp phụ, ưu nhược điểm của phương pháp này trong xử lý khí thải

II Tìm hiểu về hấp phụ

1 Hấp phụ là gì: như đã đề cập ở trên, hấp phụ là quá trình hút các chất trên bề mặt

các vật liệu xốp nhờ các lực bề mặt Vật liệu xốp được gọi là chất hấp phụ, chất bị hút gọi là chất bị hấp phụ

“Hấp phụ là hiện tượng phân tử chất khí, lỏng các ion được giữ lại trên bề mặtphân cách pha Bề mặt phân cách pha có thể là lớp khí -lỏng, lỏng - lỏng, khí -rắn

và lỏng-rắn.”

Dưới đây là hình ảnh ví dụ về chất hấp phụ ( cacbon hoạt tính )

Hình 1: than hoạt tính hấp phụ khí gas

2 Cơ chế hấp phụ:

Quá trình 1: Sự khuếch tán chất đến bề mặt vật liệu hấp phụ

Quá trình 2: Sự di chuyển chất đến mao quản của vật liệu hấp phụ

Quá trình 3: Hấp phụ: quá trình hấp phụ làm bão hòa dần từng phần không gian hấp phụ, đồng thời làm giảm độ tự do của các phân tử bị hấp phụ , nên luôn kèm theo sự tỏa nhiệt Hiệu ứng này rất đáng kể khi hấp phụ khí

3 Phân loại :

3.1 Hấp phụ hóa học:

Hấp phụ hóa học là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực có bản chất hóa học Hấp phụ hóa học thường xảy ra ở nhiệt độ cao với tốc độ hấp phụ chậm Nhiệt hấp phụ hóa học khoảng 80-400 kJ/mol, tương đương với lực liên kết hoá học Hấp phụ hóahọc thường kèm theo sự hoạt hoá phân tử bị hấp phụ nên còn được gọi là hấp phụ hoạt hoá Hấp phụ hóa học là giai đoạn đầu của phản ứng xúc tác dị thể Hấp phụ hóa học về bản chất khác với hấp phụ vật lý

Đặc trưng của hấp phụ hóa học:

• Xảy ra ở nhiệt độ cao

• Tương tác: mạnh, xảy ra liên kết cộng hóa trị giữa chất bị hấp phụ và bề mặt

• Entanpi cao: 50 kJ/mol < ΔH < 800 kJ/mol

• Chỉ xảy ra hấp phụ đơn lớp

• Có năng lượng hoạt hóa cao

• Mật độ electron tăng lên ở bề mặt phân cách chất hấp phụ-chất bị hấp phụ

• Chỉ xảy ra thuận nghịch ở nhiệt độ cao

3.2 Hấp phụ vật lý:

Hấp phụ vật lí là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực hấp phụ có bản chất vật lí và không hình thành liên kết hóa học, được thể hiện bởi các lực liên kết yếu như liên kết Van Đơ Van, lực tương tác tĩnh điện hoặc lực phân tán London Hấp phụ vật lý xảy ra ở nhiệt độ thấp, nhiệt hấp phụ thường nhỏ hơn so với hấp phụ hóa học, khoảng dưới 20 kJ/mol Sự hấp phụ vật lí đặc trưng nhất là hấp phụ hơi nước trên

bề mặt silicagen

Đặc trưng của hấp phụ vật lý

• Xảy ra ở nhiệt độ thấp, dưới nhiệt độ tới hạn của chất bị hấp phụ

• Loại tương tác: Tương tác giữa các phân tử

• Entanpi thấp: ΔH < 20 KJ/mol

• Xảy ra hấp phụ đa lớp

• Năng lượng hoạt hóa thấp

• Năng lượng trạng thái của chất bị hấp phụ không thay đổi

(giáo trình hóa keo đại cương – thư viện học liệu mở Việt Nam)

4 Đặc tính của các loại vât liệu hấp phụ

Các chất hấp phụ thường được ở dạng: hạt hình nhỏ, thanh, bùn, hoặc đá

nguyên khối với hydrodynamic đường kính khoảng 0.5 đến 10 mm chúng phảichống mài mòn cao, ổn định với nhiệt và đường kính lỗ nhỏ, giúp tăng diện tích bềmặt do đó tăng khả năng hấp phụ Các chất hấp phụ phải có cấu trúc lỗ xốp riêng biệt với nhau giúp cho chúng có khả năng thoát khí nhanh

Khi đánh giá một chất hấp phụ, người ta dựa trên các đặc tính sau

• Có khả năng hấp phụ cao: tức là hút được một lượng lớn khí cần khử từ pha khí

• Phạm vi tác dụng rộng – tách được nhiều loại khí khác nhau

• Có độ bền cơ học cần thiết: không bị vỡ vụn, nghiền nhỏ trong quá trình vận chuyển

• Khả năng hoàn nguyên dễ dàng: có thể được sử dụng lại

• Giá thành thấp

Tất cả các yêu cầu trên đều nhắm mục đích tăng hiệu quả xử lí khí tránh ô

nhiễm môi trường đồng thời tiết kiệm chi phí cho quá trình làm việc

5 Các yếu tố ảnh hưởng tới hấp phụ

Áp suất của chất khí: Áp suất trong trường hợp này được hiểu chính là mật độ

các phân tử khí trên một đơn vị thể tích (trong một thể tích cố định mà nếu mật độ phân tử khí càng cao thì áp suất càng lớn) Từ đó ta thấy khi số phân tử khí càng lớn thì sự tiếp xúc được với bề mặt hấp phụ càng lớn Nên có thể kết luận Áp suất tăng hấp phụ tăng

Nhiệt độ: đây là yếu tố thường được duy trì ổn định để được áp dụng các

phương trình đẳng nhiệt hấp phụ (phương trình là quan hệ của lượng chất hấp phụ,

bị hấp phụ và áp suất (khí) hay nồng độ chất bị hấp phụ (lỏng)) Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự linh động của các phân tử, phân tử càng linh động càng khó đẻ thực hiện hấp thu chúng (giữ vào bề mặt hấp phụ (trong hấp thụ là bên trong)), ví như việc ở nhiệt độ tăng thì tăng khối khí nhẹ hơn nên bay lên, hay bên ngoài bề mặt là

sự chuyển động tăng rất khó cho các phân tử ở bề mặt liên kết được với phân tử khí (các phân tử ở bề mặt chưa cân bằng được lực nên có xu hướng liên kết với cácphân tử khác, nên để liên kết được thì lực này phải lớn hơn lực được tao ra do sự dichuyển của các phân tử) hay việc nhiệt độ tăng thì bề mật chất hấp phụ cũng tăng (chắc chắn là không nhiều) điều này có lợi cho cả hấp phụ và nhả hấp phụ tóm lại Nhiệt độ tăng hấp phụ giảm.để tính toán ảnh hưởng cụ thể có thể sử dụng biểu thứcDubinin

Bản chất chất hấp phụ và bị hấp phụ: với chất hấp phụ chính là bề mặt hấp

phụ, được đặc trương bằng đại lương bề mặt riêng (m2/g) bề mặt riêng càng lớn hấp phụ càng tốt còn với chất bị hấp phụ chính là việc sự tương thích với chất hấp phụ, nên mới có chuyện với mỗi loại chất hấp phụ có một danh sách các chất bị hấp phụ thích hợp với nó, từ đây ta cũng có thể thấy các tính chất hay hiện tượng nào ảnh hưởng đến tính chất của chất hấp phụ và bị hấp phụ như PH cũng ảnh hưởng đến hấp phụ

6 Một số vật liệu hấp phụ

6.1 Than hoạt tính

Than hoạt tính là một chất chủ yếu là nguyên tố cacbon ở dạng vô định hình , một phần nữa là dạng vụn tinh thể , vụn gravit Than hoạt tính là một chất hấp phụ rắn xốp và không phân cực có bề mặt riêng lớn Về mặt cấu tạo có thể chia lỗ xốp thành 3 loại sau

+ dạng vi mao quản có bán kính hiệu dụng cỡ 10 Acó mặt riêng lớn nhất 350-1000 m2/gam và chiếm thành phần chủ yếu trong than hoạt tính

+dạng mao quản trung gian RHD = 100-250 A° có bề mặt riêng không lớn lắm khoảng 100m2/ gam

+dạng mao quản lớn có bán kính hiệu dụng khoảng 1000-10000 A° dạng này có bề mặt riêng nhỏ không quá 2 m2/gam

Ưng dụng của than hoạt tính

+môi trường không khí : làm mặt nạ phòng độc , làm sạch mùi khử màu các sản phầm dầu mỡ , khử các khí độc hại , xử lý ô nhiễm không khí

+môi trường nước : làm sạch nước để uống xử lý nước sinh hoạt xử lý nước thải của các công trình có cấp độ ô nhiễm thấp , xử lý nước thải công nghiệp ,

xử lý cấp ba nước thải nước thải công nghiệp và đô thị

6.2 Silicagen

Silicagen có công thức hóa học là SiO2.Nh2o

Silicagen 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 tố Oxy phân bố tại đỉnh

Ứng dụng của silicagen : silicagen thường được sử dụng trong xử lý khí thải , nước thải , thường được sủ dụng để hấp phụ rượu, phenol, nước, amin bằng cơ chế hấp phụ thông qua liên kết hydro Ngoài ra silicagen còn dung để tách các

hydrocacbon thơm tách các sắc ký của hợp chất hữu cơ Trong đời sống thường gặp siicagen ở trong các gói nhỏ của lọ thuốc tây , trong sản phẩm điện tử …

6.3 Zeolit

Zeolit là các hợp chất alumoshicat có cấu trúc tinh thể Tính chất của zeolite phụ thuộc vào tỉ 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 them vào trongquá trình tạo sản phẩm

Ứng dụng của Zeolit :

+ xử lý không khí : có khả năng hấp phụ rất cao các khí độc , trong nước

có khả năng hấp phụ H2S và trao đổi ion để giữ lại trên bề mặt chất rắn amoniac ,

có khả năng mang vào những vi sinh cần thiết để xử lý mùi hôi mùi khó chịu của

hồ nuôi tôm

+ xử lý nước thải : zeolite được dùng để tách các ion kim loại nặng , amoni và các hợp chất hữu cơ độc hại trong nước thải và nước sinh hoạt Khả năng giữ bẩn của zeolite lớn , clenoptiloit có khả năng lọc các hạt keo hạt huyền phù có nguồn gốc vô cơ và hữu cơ Ngoài ra zeolite có khả năng lọc vi khuẩn

6.4 Bentonit

Bentonit là một khoáng sét tự nhiên mà thành phần chính là montmorillonit có công thức hóa học tổng quát là Si.n O và thêm một số khoáng sét khác như saponit, montronit

Bentronit có một số tính chất hóa lý như tính chất trương nở , tính trao đổi ion, tính chất hấp phụ Tính chất hấp phụ của bentonit là một trong những tính chất quan trọng được quyết định bởi đặc tính bề mặt và cấu trúc xốp của chúng

Ứng dụng : khử trùng nước nhất là những nguồn nước có độ đục cao mà các phương pháp khử trùng khác không có hiệu quả , làm sạch nước khỏi các hợp chất hữu cơ , các chất cao phân tử , những hóa chất độc hại của nhà máy xí nghiệp , các kim loại nặng và phóng xạ Bentonit còn được sử dụng như một vật liệu xây

dựng , phân loại dầu ,tẩy sạch dầu mỡ làm chất mang trong thuốc trừ sâu

6.5 Biomass

Biomass là một dạng sinh khối có nguồn gốc từ sinh vật sống , trong đó bao gồm động vật , thực vật và các sản phẩm phụ của nó

Ưu điểm nổi bật là sử dụng sinh khối không ảnh hưởng đến lương thực , thực phẩm nuôi sống con người , và gia súc đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu đồng thời góp phầm giảm thiểu ô nhiễm

Ứng dụng của biomass : loại bỏ phần lớn kim loại nặng trong nước , ứng dụng phổ biến trong xử lý ô nhiễm dầu , khử mùi hôi xử lý nước thải chăn nuôi

6.7 Nhôm và các oxit nhôm hoạt hóa

Nhôm hoạt hóa là dạng oxit nhôm xốp có diện tích bề mặt lớn và có công thức nO

Nhôm hoạt hóa có tính phân cực hơn silicagen và phản ánh được tính lưỡng cực của nhôm

Trong thương mại thì nhôm hoạt hóa có thể thay thế vật liệu zeolite

Ứng dụng : hấp phụ các khí argon, heli, hydro , clo, ankan có khối lượng phân tửlượng thấp , HCl, S, , nhôm hoạt hóa được sử dụng có hiệu quả được sử dụng nước

có hàm lượng chất rắn hòa tan cao , sử dụng trong sắc ký khí và làm khô một số chất như hydrocacbon thơm , phân đoạn hydrocacbon thơm

III Xử lý khí thải

1 Hấp phụ trong xử lý khí thải

Là quá trình phân li khí dựa trên ái lực của một số chất rắn đối với một số

loại khí có mặt trong hỗn hợp khí nói chung và trong khí thải nói riêng, trong quá trình đó các phân tử chất khí ô nhiễm trong khí thải bị giữ lại trên bề mặt của vật liệu rắn

o Vật liệu rắn được sử dụng trong quá trình này gọi là chất hấp phụ

(adsorbent)

o Chất khí bị giữ lại trong chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ (adsorbate)

o Những khí không bị hấp phụ gọi là khí trơ

2 Cách tiến hành

Cho tiếp xúc 2 pha ko hòa tan là pha rắn ( chất hấp phụ) với pha khí Dung chất ( chất bị hấp phụ) sẽ đi từ pha khí đến pha rắn cho đến khi nồng độ của dung chất phân bố giữa 2 pha dạt cân bằng Bây giờ ta cần phải tiến hành giải thoát dung chất

ra khỏi pha rắn , tức là giải thoát chất ô nhiễm đã bị hấp thụ phụ ra khỏi bề mặt vật liệu Quá trình này được gọi là quá trình giải hấp – hoàn nguyên

3 Nguyên lý của hấp phụ

Là do phân tử hoặc nguyên tử chất hấp phụ chưa bão hòa hóa trị, do lực hóa trị

dư tạo ra liên kết hóa học, khoảng tác dụng của lực này ko lớn hơn đường kính phân tử do đó chỉ hấp phụ một lớp Quá trình hấp phụ chỉ xảy ra trên những điểm đặc biệt được gọi là tâm hấp phụ

Bản chất của hấp phụ thực chất là hút các phân tử chất khí lên bề mặt vật liệu và giữ chúng lại trên bề mặt của chúng

4 Phạm vi áp dụng hấp phụ trong xử lý khí thải

• Chất khí ô nhiễm không cháy được hoặc khó đốt cháy

• Chất khí cần khử là có giá trị và cần thu hồi

• Chất khí ô nhiễm có nồng độ thấp trong khí thải mà quá trình khử khí khác không thể áp dụng

5 Các yếu tố ảnh hưởng

• Ảnh hưởng của môi trường

Giữa môi trường và chất tan thường có sự cạnh 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 hơn lên bề mặt vật rắn Tuy nhiên, trong thực tế còn có sự tác động của các yếu tố khác

• Ảnh hưởng của bản chất hấp phụ

Bản chất là độ xốp của vậ hấp phụ ảnh hưởng lớn đến sự hấp phụ Vật hấp phụkhông phân cực thì hấp phụ chất không cực tốt, và ngược lại

• Ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất( đối với chất khí thì chỉ chịu ảnh hưởng

của 2 loại này)

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

6 Một số quá trình hấp phụ khí

6.1 Xử lí khí SO2 bằng vôi và dolomit trộn vào than nghiền

Hình 3: Sơ đồ xử lý khí SO2 bằng vôi và dolomoit trộn than nghiền

1.ghi phân phối khí

vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện

Phản ứng giữa vôi (CaO) và đolimit (CaCO3.MgCO3) với SO2 xảy ra như sau:2CaO + 2SO2 + O2 = 2CaSO4

2CaCO3.MgCO3+ 2SO2 + O2 = 2[CaSO4 + MgO] + 4CO2

Phản ứng giữa vôi và SO2 xảy ra mạnh nhất ở nhiệt đọ 760 – 10400C, còn phảnứng giữa đolomit và SO2 - ở nhiệt độ 600 – 12000C [11;64]

Có thể nói phương pháp này là sự kết hợp giữa quá trình cháy với quá trình khửkhí SO2 thành một quá trình thống nhất trong buồng đốt của lò mà không đòi hỏiphải lắp đặt thêm nhiều thiết bị phụ trợ khác

Than nghiền với cỡ hạt có kích thước trên 6 mm được trộn với vôi bột kích

thước 1,6 – 6 mm đổ thành lớp dầy bên trên ghi phân phối không khí 1 Không khíđược thổi qua lớp ghi từ dưới lên trên với vận tốc trên toàn tiết diện ngang của

buồng đốt 0,6 – 4,6 m/s Không khí xuyên qua lớp than cháy ở nhiệt độ 760 –

10400C làm cho các hạt nhiên liệu và vôi chuyển động, những hạt nặng và to bốc lên rồi rơi xuống, còn các hạt mịn bay theo sản phẩm cháy Lớp than trong buồng đốt sôi động và do đó người ta gọi là quá trình đốt than “giả hóa lỏng” hoặc “giả sôi” Buồng đốt được bao quanh bằng các vách ống 2 để hấp thụ nhiệt bức xạ, trong đó lưu thông nước và hơi Ngoài ra, trong lớp than “giả hóa lỏng” còn có thể

bố trí các dãy ống xoắn 3 để nhận nhiệt trực tiếp từ lớp than cháy Bên trên lớp than còn được bố trí dãy ống nằm ngang để vừa nhận nhiệt vừa có tác dụng cản trởkhông cho các hạt than bốc lên cao và theo khói đi ra ngoài Trên đường khói bố trícác dàn ống nhận nhiệt đối lưu và dàn ống tận dụng nhiệt trong khói thải để hâm nóng nước trước khi đưa vào dàn ống chính Khói thải đi ra khỏi lò có chứa tro, các hạt vôi hoặc đolomit và than được lọc bụi cấp thô trong xiclon để thu hồi than chưa cháy hết, tiếp theo được lọc tinh ở bộ lọc rồi thải khí quyển

Lớp than nổi bên trên phần lớn là tro, các chất trơ, vôi và sunfat có lẫn một ít than chưa cháy hết sẽ được thải ra ngoài và nhiên liệu cùng chất hấp phụ SO2 được bổ sung vào buồng đốt qua ghi phân phối không khí hoặc qua cấp than trên vách lò

6.2 Hấp phụ SO2 bằng than hoạt tính