Kiểm soát ô nhiếm không khí

Để lựa chọn một thiết bị xử lý ô nhiễm phải xem xét, cân nhắc tới các vấn đề có liên quan như: bụi thu hồi có được đưa vào sử dụng lại không, có cần thu hồi cả bụi và khí ô nhiễm không,

CHƯƠNG VI

KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

6.1 KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TỪ

NGUỒN CỐ ĐỊNH

Kiểm soát ô nhiễm không khí của những nguồn cố định có thể được thực hiện bởi hai phương pháp cơ bản là: kiểm soát ô nhiễm bằng biện pháp phát tán để pha loãng vào khí quyển, thiết kế hệ thống xử lý ô nhiễm nhằm làm giảm mức độ ô nhiễm tới mức nhỏ nhất

6.1.1 Kiểm soát bằng việc pha loãng vào khí quyển nhờ phát tán

Phương pháp tốt nhất để hạn chế ô nhiễm không khí là ngăn chặn ngay từ nguồn phát thải ra Tuy nhiên, sử dụng ống khói cũng là một biện pháp làm giảm nồng độ ô nhiễm không khí tại lớp sát mặt đất, bằng cách phát tán và pha lỗng chúng bằng chiều cao và đường kính ống khĩi hợp lý Biện pháp này ở một vài mức độ nào đĩ cũng có thể cho phép giữ được cho chất lượng không khí như mong muốn Bầu khí quyển có khả năng rất lớn trong việc phát tán, pha loãng và làm thay đổi tính chất của phần lớn các vật chất trong khí quyển mà con người không thể làm được

Tác động trực tiếp của các ống khói cao là làm cho nồng độ các chất ô nhiễm ở các ngôi nhà cao lân cận giảm nhẹ, khi chúng nằm trong khoảng cách từ 0 - 2,5H chiều cao ống khói Sự lan tỏa của khói vào trong khí quyển phụ thuộc vào các yếu tố

về nguồn thải, các yếu tố về khí tượng thuỷ văn và các yếu tố về nguồn Các yếu tố này

sẽ được trình bày kỹ ở các chương sau

Việc quy hoạch một khu dân cư, khu cơng nghiệp hay đơ thị cĩ liên quan chặt chẽ đến các nguồn thải cao nhằm ngăn chặn khả năng lan tỏa chất ô nhiễm ở mức độ nguy hại sang vùng lân cận Việc quy hoạch cũng yêu cầu phải xác định vị trí các nhà máy, cụ thể là lựa chọn vị trí ống khói sao cho tác động tới các vùng lân cận là nhỏ nhất Việc nghiên cứu khí hậu học giúp cho việc khoanh vùng không khí quy hoạch cho khu dân cư, bảo đảm cho các khu dân cư một vành đai an toàn Số liệu khí hậu cho phép dự đoán được những sự thay đổi của thời tiết, từ đó ta có biện pháp thích hợp để ngăn chặn sự phát tán khí thải khí vào trong khí quyển dựa trên những báo cáo hàng ngày về khí hậu

6.1.2 Kiểm soát nguồn ô nhiễm

Kiểm soát chất ô nhiễm tại nguồn thực chất là giữ lại hoặc tách chúng ra khỏi dịng khí các chất ô nhiễm, trừ khử chúng hoặc chuyển đổi chúng sang dạng khác làm chúng không còn tính độc, trước khi thải chúng vào môi trường Sau đây là một vài phương pháp kiểm soát nguồn

a Chuyển nguồn sang vị trí khác

Đây là một phương pháp hạn chế ô nhiễm ngay tại vị trí cũ của nguồn Trong quá trình nghiên cứu khí hậu học để quy hoạch và xác định một khu dân cư, đơ thị hay khu cơng nghiệp đôi khi cũng xác định được một vị trí tốt hơn đáp ứng được nhiều yêu cầu để đặt một nhà máy công nghiệp, cụ thể là vị trí đặc ống thải khói Bởi vậy việc di chuyển nguồn thải ra xa khu dân cư sinh sống là điều cần thiết, cũng có thể là tại vị trí mới sẽ có thuận lợi hơn về gió và cho phép một nồng độ chất ô nhiễm không khí cao hơn là ở vị trí cũ

b Ngưng hoạt động nguồn

Một nguồn gây ô nhiễm không khí có thể được ngưng hoạt động một thời gian, khi mà nồng độ chất ô nhiễm đạt tới mức độ có thể đe dọa tới sức khỏe cộng đồng Các cơ quan bảo vệ môi trường có trách nhiệm thống kê, giám sát các nguồn ô nhiễm; khi có sự thay đổi thời tiết dự báo có thể xảy ra thảm hoạ ô nhiễm thì cơ quan này phải có trách nhiệm ngưng ngay hoạt động một số nguồn; hoặc khi một nguồn nào đó có dấu hiệu gây ô nhiễm nghiêm trọng, cơ quan này phải thống kê ngay được các số liệu liên quan và có biện pháp cưỡng chế ngưng hoạt động, nếu sức khỏe cộng đồng dân cư xung quanh có dấu hiệu bị đe doạ

c Thay đổi năng lượng hoặc nguyên liệu sử dụng

Đây cũng là một biện pháp kiểm soát ô nhiễm không khí Nhiên liệu hoặc vật chất dùng làm năng lượng có thể được thực hiện thay đổi bằng cách thay than mềm bằng than cứng, dầu dư, dầu chưng tách hoặc khí tự nhiên Cách cải thiện tốt nhất là thay nhiên liệu hóa thạch bằng các nguồn năng lượng sạch như: sức nước, điện, năng lượng mặt trời hoặc năng lượng nhiệt Nhiên liệu cũng có thể được xử lý trước khi mang vào đốt, bằng cách sulfur hóa than và dầu Hay bằng cách lọc rửa than hoặc khí tự nhiên bằng các khí tự nhiên đã hóa lỏng (LNG) hoặc hóa lỏng khí dầu mỏ (LPG) làm cho sulfur thoát ra khỏi nhiên liệu

d Thay đổi quy trình công nghệ

Đây là phương pháp hạn chế ô nhiễm không khí có thể dùng mà không cần thay đổi nhiên liệu sử dụng Ví dụ: Trong công nghiệp luyện kim, lò luyện được mở cửa ở tâm lò thay thế cho mở cửa ở hông lò hoặc dùng lò nấu bằng điện để thay thế cho lò đốt dùng nhiên liệu, như vậy sẽ làm giảm được khói, cacbon monoxit và hơi kim loại Việc thay đổi này phải kết hợp cùng với thiết bị xử lý khí, nhờ vậy mà hạn chế được rất nhiều ô nhiễm không khí

e Chế độ vận hành tốt

Đây cũng là một biện pháp để kiểm soát ô nhiễm nguồn Khi không kể tới các yếu tố như thiết bị lắp đặt, nhiên liệu đốt, nguyên vật liệu được sử dụng thì chế độ vận hành là một chìa khóa khá quan trọng để làm giảm ô nhiễm không khí từ các nguồn thải Những thiết bị được dùng phải thích hợp, lắp đặt vận hành đúng sẽ hạn chế được khá nhiều sự thải chất ô nhiễm vào khí quyển Ví dụ, giới thiệu về việc đốt cháy sulfur hóa lỏng ở các nhà máy sản xuất acid sulfuric, mà không đủ không khí cung cấp cho quá trình cháy, kết quả là tạo ra rất nhiều khí sulfur oxit thoát ra

Một ví dụ khác, đó là sự thải ra rất nhiều tro tàn ở nhà máy nhiệt điện là do sai sót trong vận hành, có thể là đã đưa quá nhiều không khí vào trong lò đốt Có trường hợp quạt thải lâu ngày không được sửa chữa, bảo dưỡng làm cho sức hút kém, là nguyên nhân làm cho lò đốt bị thiếu không khí cho quá trình cháy, khói lửa nằm lại trong lò rồi lại tràn ra khu vực xung quanh lò mà không thoát ra ngoài xa được

Bởi vậy cần phải tổ chức huấn luyện, hướng dẫn vận hành sử dụng, yêu cầu những người vận hành lò đốt phải có giấy chứng nhận đã học qua khóa vận hành và sử dụng nhiên liệu

f Thiết bị và kỹ thuật kiểm soát ô nhiễm không khí

Có thể áp dụng như một biện pháp kiểm soát ô nhiễm Việc lắp đặt và vận hành một hệ thống thiết bị kiểm soát ô nhiễm không khí nhằm mục đích làm biến đổi cấu trúc, làm ẩm, làm giảm hiệu quả tác động của chất ô nhiễm hoặc làm giảm nồng độ của chất ô nhiễm

Những kỹ thuật, thiết bị đó thường rất cần thiết, dùng kết hợp với các biện pháp khác để kiểm soát ô nhiễm khí, các biện pháp đó ta đã nói tới trong chương trước nhằm hạn chế mức độ ô nhiễm đạt tới các tiêu chuẩn cho phép của nhà nước đã ban hành

Hệ thống thiết bị kiểm soát ô nhiễm nhìn chung, được thiết kế xử lý cho cả khí độc và bụi, nhưng cũng chỉ có một vài loại thiết bị có hiệu quả cao đối với cả hai loại khí độc và bụi Một vài loại thiết bị được thiết kế để xử lý từng loại chất ơ nhiễm hay thu hồi ứng với từng kích cỡ hạt bụi Để lựa chọn một thiết bị xử lý ô nhiễm phải xem xét, cân nhắc tới các vấn đề có liên quan như: bụi thu hồi có được đưa vào sử dụng lại không, có cần thu hồi cả bụi và khí ô nhiễm không, việc thu bụi có ảnh hưởng bởi nhiệt độ không, có các yếu tố tác động tổng hợp không (trong trường hợp phải thu giữ những bụi hóa chất sinh ra trong sản xuất thì những bụi này có tính chất ăn mòn không, có cần yêu cầu các thiết bị đặc biệt không…), hay nĩi khác đi là cần phải khảo sát thật kỹ thành phần, tính chất của các chất ơ nhiễm Ngồi ra cũng cần phải dựa vào các tiêu chuẩn về khí thải của nhà nước đã ban hành và điều kiện kinh tế, điều kiện thực

tế của từng cơ sở

6.1.3 Thiết bị và kỹ thuật kiểm soát ô nhiễm không khí

Kỹ thuật và thiết bị được dùng để kiểm soát chất ô nhiễm dạng khí được chọn phụ thuộc vào tính chất của từng loại khí cần kiểm soát Nhìn chung, kỹ thuật xử lý chất ô nhiễm dạng khí bao gồm các loại sau đây: hấp thụ, hấp phụ, thiêu đốt, sinh học và ngưng tụ Mặc dù những thiết bị dùng trong phương pháp đó được thiết kế phục vụ cho việc hạn chế độ phát thải của các khí cơ bản, nhưng đôi khi nó cũng có tác dụng làm hạn chế màu sắc khí thải cũng như hạn chế lượng bụi sinh ra Trong khuôn khổ cuốn sách này tác giả chỉ giới thiệu nguyên lý làm việc của một số thiết bị xử lý khí thải mà không đi sâu vào việc tính toán và thiết kế Các nội dung này sẽ được biên soạn trong một giáo trình khác – Giáo trình kỹ thuật xử lý ô nhiễm không khí

a Hấp thụ khí

Nguyên tắc cơ bản của việc hấp thụ khí là tạo ra một sự tiếp xúc giữa dịng khí chứa các chất ơ nhiễm và các hạt dung dịch hấp thụ thường được phun ra với kích thước nhỏ và mật độ lớn Các chất ơ nhiễm được tách ra bằng việc hoà tan trong chất lỏng hấp thụ hoặc xảy ra phản ứng hoá học giữa chất ô nhiễm và dung dịch hấp thụ Trong kỹ thuật hấp thu, dịng khí thường được cho đi ngược chiều với các hạt dung dịch hấp thụ với tốc độ hợp lý, thơng thường người ta thường chọn vận tốc này trong khoảng 1,0 – 2,5 m/s

Hiệu quả của các quá trình phụ thuộc vào diện tích bề mặt tiếp xúc giữa dịng khí và các hạt dung dịch hấp thụ, thời gian tiếp xúc, dung dịch hấp thụ, nhiệt độ khí thải, hướng chuyển động tương đối của dịng khí và dung mơi, tốc độ của dịng khí…

Dung dịch hấp thụ

Trong các yếu tố đã nêu ở trên, dung dịch hấp thụ là một trong các yếu tố rất quan trọng Yêu cầu với dung dịch hấp thụ cần phải đạt được: cĩ khả năng hấp thụ được các chất ơ nhiễm cần xử lý, rẻ tiền, dễ kiếm, dễ bay hơi ở nhiệt độ và áp suất thấp, độ nhớt động lực học thấp, ít hoặc khơng gây ăn mịn thiết bị Tuy nhiên khĩ cĩ loại dung dịch hấp thu nào đáp ứng được tất cả các yêu cầu trên, vì thế khi lựa chọn dung dịch người ta thường dựa vào khả năng cĩ thể hấp thụ được các loại chất ơ nhiễm làm yếu tố quan trọng nhất

Dung dịch hấp thụ có thể được phân loại nhờ tính phản ứng của chúng, nếu chúng là hoá chất dùng để tách chất ô nhiễm Ví dụ: sulfur dioxit có thể chuyển sang màu xanh nhạt do kết hợp với nước và oxit canxi (CaO), cụ thể là do nó kết hợp với hydroxyt canxi Ca(OH)2, tạo ra dạng muối sulfat canxi (CaSO4) Chính phản ứng này có tác dụng làm tẩy sạch SO2 ra khỏi dòng khí

Nếu chỉ tách khí ra do hòa tan mà không xảy ra phản ứng hóa học, chất hấp thụ này được coi như là chất hấp thụ không phản ứng Nước hoặc dầu cacbon nặng là những ví dụ cho dung dịch hấp thụ không phản ứng

Loại dung dịch hấp thụ đó không thể dùng lại được sau khi đã dùng hấp thụ, nghĩa là sau hấp thụ phải bỏ đi, do vậy gọi chúng là dung dịch hấp thụ không tái sinh Nước là một ví dụ Với những loại dung dịch hấp thụ mà thu được lượng khí ô nhiễm nhờ một tác động nào đó như thay đổi nhiệt độ dung dịch, thay đổi áp suất … thì gọi là dung dịch hấp thụ có thể tái sinh được Dung dịch hấp thụ có thể tái sinh (có thể sử dụng lại) là những dung dịch hóa chất đắt tiền hoặc là những chất xúc tác, có thể là hóa chất dùng để trung hòa chất ô nhiễm để có thể chuyển hóa chúng thành dạng rắn

hoặc lỏng rồi tách chúng ra hoặc là những chất đưa thêm vào quy trình sản xuất để tập trung chất ô nhiễm Một ví dụ của dung dịch hấp thụ có thể tái sinh là tetraclorua cacbon (CCl4), dưới điều kiện áp suất thích hợp nó kết hợp với khí Clo và bị cuốn theo dòng khí Tiếp đó là sự khác nhau giữa nhiệt độ và áp suất trong tháp, hai chất này được tách ra và CCl4 và clo tự do có thể được dùng trở lại như dung dịch hấp thụ Clo còn có thể được khôi phục trở về dạng khí hoặc lỏng để có thể dùng trong thương mại

Thiết bị hấp thụ

Thiết bị hấp thụ là loại thiết bị mà trong bản thân nó có chứa dung dịch hấp thụ, hấp thụ khí đi qua Việc lắp đặt, thiết kế sao cho có thể tách ra được một lượng khí lớn nhất từ dòng khí Sau đây là một vài kiểu thiết bị hấp thụ

1/ Tháp đệm (Hình 6.1)

Tháp đệm có dạng một hình trụ đứng thẳng, trong nó chứa đầy những hạt vật liệu thích hợp, có thể là hạt polyetylen có dạng hình xoắn ốc hoặc hình vành khuyên, các

Hình 6.1 Tháp hấp thụ kiểu đệm

khâu sứ làm từ đất sét nung với các kích thước khác nhau, ví dụ (50 x 50 x 3), (25 x 25 x 3) mm được xếp ngẫu nhiên trong thiết bị

Vật liệu đệm phải đảm bảo không thể gãy vỡ, phải có trọng lượng nhỏ, khơng bị

ăn mịn do hố chất và tạo ra diện tích bề mặt lớn Quá trình tiếp xúc giữa dịng khí và dung dịch hấp thụ là tiếp xúc dạng màng Dòng dung dịch hấp thụ bám trên bề mặt của lớp vật liệu đệm một lớp mỏng, bởi vậy tạo ra một bề mặt tiếp xúc lớn giữa dung dịch và khí Thông thường dòng dung dịch hấp thụ chảy qua tháp là xác định được, chúng được chảy từng giọt một từ trên đỉnh tháp xuống chân tháp, trong khi dòng khí thì đi từ chân tháp lên đỉnh xuyên qua lớp vật liệu đệm Tháp hấp thụ đệm cũng có tác dụng để tách ra (hạt bụi nước kích thước khoảng 10μm hoặc nhỏ hơn, do ngưng hơi các phân tử từ trạng thái hơi) Nếu hấp thụ khí, hơi có tính ăn mòn thì vật liệu đệm phải có tính chống lại tính ăn mòn Tháp đệm khi vận hành thường làm tăng trở lực cục bộ, bởi vậy phải dùng một quạt hút thích hợp Một trong các nhược điểm của tháp đệm là hay gây hiện tượng “tắc nghẽn” và “sặc” thiết bị do bụi hoặc các chất kết tủa do các phản ứng phụ giữa các chất ơ nhiễm và dung dịch hấp thụ sinh ra, từ đĩ làm cho hiệu suất xử

lý thường khơng ổn định Do vậy việc tính tốn thiết kế thiết bị này khá phức tạp và cần thiết phải khảo sát kỹ thành phần và bản chất của khí thải Bên cạnh đĩ việc vệ sinh lớp vật liệu đệm cũng cần phải tiến hành thường xuyên để gĩp phần khắc phục các nhược điểm trên

2/ Tháp đĩa (Hình 6.2)

Hình 6.2 Tháp đĩa

Tháp đĩa có dạng hình trụ đứng thẳng, bên trong có chứa một số đĩa lớn hình tròn có đục lỗ Dịng khí đi từ dưới lên với vận tốc thích hợp sẽ tạo ra các bọt khí trong lớp chất lỏng phía trên đĩa, vì thế quá trình tiếp xúc này thường gọi là quá trình tiếp xúc dạng bọt Ở phía cạnh đĩa có những ống dẫn nước nhằm cung cấp nước từ đĩa này sang đĩa khác

Tháp đĩa nếu nhìn về khía cạnh thiết kế thì nó có thể coi như là tháp đệm, khi mà chất lỏng hấp thụ có chứa những chất rắn lơ lửng hoặc những chất làm ảnh hưởng tới tính hòa tan của các chất khí Còn một lý do nữa là nó rất dễ làm sạch dòng khí và có thể điều chỉnh tốc độ dòng chất lỏng hấp thụ bằng tay Khi cần có tác dụng nhiệt để hòa tan các khí thì tháp đĩa là thích hợp do nó dễ dàng lắp đặt thêm hệ thống làm lạnh Tuy nhiên, giá thành đầu tư trang bị tháp đĩa lớn hơn đầu tư trang bị tháp đệm Hiệu suất xử lý của tháp đĩa phụ thuộc rất nhiều vào lớp bọt khí sinh ra trên các đĩa Vì vật việc giữ ổn định chiều cao lớp dung dịch hấp thụ trên đĩa, vận tốc dịng khí…, là yếu

tố rất quan trọng Quá trình này cũng giống tương tự như trong tháp sủi bọt Điều khác biệt giữa tháp sủi bọt và tháp đĩa là người ta thay các đĩa bằng các các tấm đục lỗ hay cịn gọi là các đĩa sủi bọt Chiều cao thích hợp của lớp dung dịch hấp thụ trong các thiết bị này nằm trong khoảng 10 – 12 cm Nhược điểm của hai loại tháp trên là thường hay tắc nghẽn các lỗ trên đĩa do bụi dẫn đến phá vỡ cấu trúc lớp bọt khí trên đĩa làm ảnh hưởng đến chế độ làm việc ổn định của thiết bị

3/ Tháp phun (thùng rửa khí rỗng) Hình 6.3

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 Trong trường hợp đặc biệt khi muốn hòa tan với tốc độ cao các thành phần trong dòng khí, ta tác dụng một lực ly tâm lên dòng khí, đồng thời phun dung dịch hấp thụ vào trong dòng khí tạo ra một tốc độ tiếp xúc giữa dòng khí và chất lỏng lớn nhất có thể được Tháp phun còn có tác động làm tách ra những hạt chất lỏng có kích thước lớn hơn 10 μm và tháp cũng có thể dùng để xử lý bụi Ưu điểm của loại thiết bị này là cấu tạo và vận hành đơn giản, gia thành thấp hơn tháp đệm và tháp đĩa, hiệu suất khá ổn định nhưng thường rất thấp và tiêu hao dung dịch hấp thụ lơn hơn các loại thiết bị trên

Hình 6.3 Tháp phun (thùng rửa khí rỗng)

4/ Lọc bằng phun chất lỏng (Hình 6.4)

Thiết bị gồm hai đơn nguyên, dung dịch hấp thụ được đưa vào một đơn nguyên từ phía đỉnh bằng cách phun mạnh xuống dòng khí, khí thải được đi vào từ phía hông thiết bị Những hạt dung dịch hấp thụ nhỏ mịn được phun vào làm giữ lại các hạt bụi nhỏ, bởi vậy làm tăng thêm hiệu quả lọc Các khí sạch được thoát ra ở đơn nguyên còn lại

Hình 6.4 Thiết bị rửa khí bằng phun nước

5/ Thùng rung đôïng (Hình 6.5)

Trong thùng có chứa một thiết bị khuấy động, khi đưa dung dịch hấp thụ vào sẽ làm xáo trộn dòng khí; trong thùng còn có các đĩa ngăn cũng có tác dụng làm xáo trộn dòng khí Chính sự chuyển động xáo trộn của dòng khí này tạo điều kiện cho dung dịch hấp thụ tốt các khí cũng như bụi ô nhiễm

Hình 6.5 Thùng rung động

Một vài vấn đề đáng lưu ý khi sử dụng tất cả các thiết bị hấp thụ là nhiệt độ dung dịch luôn phải giữ thấp hơn 100oC, nhằm giữ cho dung dịch hấp thụ luôn được giữ ở trạng thái lỏng Mặt khác ở nhiệt độ khí thải cao hiệu suất hấp thụ rất kém, do đĩ làm nguội khí thải trước khi đưa vào tháp hấp thụ là rất cần thiết Dung dịch hấp thụ cần được

bổ sung thường xuyên trong quá trình xử lý nếu cĩ tuần hồn dung dịch Dung dịch hấp thụ sau khi đã hấp thụ quá nhiều thì phải thay thế hoặc phải hồn nguyên để tách chất

ô nhiễm, đề phòng trường hợp khi chất ô nhiễm trong dung dịch đạt tới trạng thái quá bão hòa chúng sẽ được chuyển sang dạng chất ô nhiễm khác

b Hấp phụ khí

Hấp thụ khí như đã nói trước đây, là dựa trên cơ sở khí phản ứng với chất lỏng hấp thụ Nó được thực hiện khi mà các phần tử hoặc các nguyên tử được tách ra do cơ

chế hấp thụ vật lý, hoá học hoặc đồng thời xảy ra cả hai quá trình Hấp phụ khí là

dựa trên cơ sở các khí bị các chất rắn hấp phụ Nó được thực hiện khi các phân tử hoặc nguyên tử cần hấp phụ được tập trung chỉ ở trên bề mặt của chất rắn hoặc trong các mao quản của chất rắn Hấp phụ khí dựa trên nguyên tắc dòng khí tiếp xúc trực tiếp khi chuyển động xuyên qua lớp chất rắn hấp phụ chứa trong một thiết bị Chất hấp phụ có thể là những chất mà có tính chất lý học hoặc hóa học tự nhiên, ví dụ than hoạt tính, các hạt xilicagen…

Hiệu quả của thiết bị phụ thuộc vào nhiều yếu tố Chất hấp phụ lý học sẽ hấp phụ ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp của hỗn hợp hai pha khí - rắn Trái lại, chất hấp phụ hóa học thì được thực hiện chỉ khi khí đó bám được trên bề mặt chất hấp phụ Hơn nữa, một phần tử bị hấp phụ lý học có thể được tách ra mà không bị thay đổi tính chất khi giảm áp suất, giữ nhiệt độ so với thời điểm lấy mẫu Để tách lớp chất ô nhiễm bị hấp phụ bởi tính chất hóa học thì cực kỳ khó Ranh giới giữa khí bị hấp phụ và chất rắn hấp phụ là rất quan trọng để xác định tác động qua lại giữa chúng Bởi vậy điều thiết thực là phải tạo nên một diện tích bề mặt của các chất rắn hấp phụ lớn tới mức có thể được Chất rắn hấp phụ cần được lựa chọn dựa trên khí ô nhiễm cần hấp phụ

Một vài loại chất hấp phụ thường chỉ tách các chất khí ô nhiễm, các khí đã được hấp phụ bám trên bề mặt chất rắn theo một trật tự nhất định, sau khi tách khí đã hấp phụ ra thì có thể phục hồi được khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm Trong trường hợp không thực hiện được việc tiết kiệm về mặt kinh tế là tách riêng chất hấp phụ và khí

ra thì phải sắp xếp sao cho chúng tồn tại ở trạng thái hỗn hợp Chất hấp phụ sau quá

trình sử dụng sẽ giảm hiệu quả hấp phụ cần phải được thay thế (thải bỏ) hoặc hoàn nguyên chúng Quá trình hoàn nguyên thường được hiện bằng cách “nhả hấp” bằng hơi nước ở nhiệt độ và áp suất cao sau đó sấy khô và tái sử dụng

Chất hấp phụ

Chất hấp phụ (loại dùng trong công nghiệp) nhìn chung, là hấp phụ được cả khí vô cơ và khí hữu cơ Tuy nhiên, dựa vào những tính chất đặc trưng và những tính chất lý học mà có thể áp dụng một hoặc nhiều loại chất hấp phụ cho từng trường hợp đặc biệt cụ thể Ví dụ nhôm hoạt tính, silicagen, phân tử rỗng (chất tổng hợp, silicat, zeolit) sẽ hấp thụ hơi nước từ trong hỗn hợp hơi nước và chất ô nhiễm hữu cơ Alumin và silicagen được dùng trong công nghiệp như là một chất hút ẩm Bôxit được dùng để xử lý hơi dầu mỏ và hút ẩm Than hoạt tính thích hợp hấp phụ hợp chất hữu cơ không phân cực, các phần tử nước thì có tính phân cực cao tạo ra sức hút mạnh cho từng phần tử, tạo ra một sự tác động lẫn nhau trên bề mặt phân tử các bon không phân cực Kết quả là một lượng lớn các phần tử hữu cơ phân cực kém bị hấp phụ bởi cacbon Than hoạt tính là loại được dùng thông dụng nhất để hấp phụ các hơi chất hữu cơ hòa tan (than hoạt tính hoặc than củi được tạo ra từ việc đốt thiếu khí ở nhiệt độ cao, như vậy phần tử các bon chỉ cháy theo cách tạo ra cấu trúc rỗng trong phân tử và tạo nên một diện tích bề mặt rộng lớn) Than hoạt tính là chất được sử dụng làm chất hấp phụ nhiều nhất Ngoài ra có thể kể đến một số loại chất hấp phụ khác như silica gen …

Thiết bị hấp phụ

Trên hình 6.6 là thiết bị mà bên trong nó có chứa những chất rắn hấp phụ Một vài loại thiết bị hấp phụ được giới thiệu sơ lược sau đây

1/ Thiết bị với lớp hấp phụ mỏng

Dùng than củi hoạt tính làm chất hấp phụ theo lớp mỏng (độ dày khoảng 12 – 15 cm) được giữ lại bởi một lực cơ học, bởi vì khả năng chống lại lực đẩy của dòng khí rất yếu Chất hấp phụ có thể được đựng trên những đĩa dạng lưới hoặc là những phần tử cứng Thiết bị hấp phụ mỏng thường được áp dụng để lọc sạch lượng dưỡng khí cấp vào cho những căn hộ Không khí trong khí quyển, mặc dù lượng chất ô nhiễm thải vào là rất lớn, nhưng tính pha loãng của khí quyển cũng rất tốt, bởi vậy nồng độ chất

ô nhiễm trong khí quyển thường là rất nhỏ (dạng vết) Tốc độ hấp phụ của loại thiết

bị này nhanh, lượng chất ô nhiễm không thể nhanh chóng tập trung trên bề mặt chất hấp phụ, đủ để làm giảm hiệu quả hấp phụ của lớp hấp phụ mỏng

2/ Thiết bị với lớp hấp phụ dày

Sử dụng than củi làm chất hấp phụ với độ dày lớn hơn ½ inch (khoảng 12 cm), với đôï dày này sẽ đủ sức giữ được một khoảng trống tối thiểu và thường làm đơn giản hơn lớp hấp phụ mỏng, dễ dàng xác định lượng than hoạt tính sử dụng Thiết bị hấp phụ với lớp dày sẽ được sử dụng ở những nơi có yêu cầu sử dụng được trong thời gian dài, ít phải thay đổi lớp hấp phụ Ví dụ dùng để lọc sạch các khí thải từ các ống thải của các lò sưởi 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 lỗ hổng

Hình 6.6: Thiết bị hấp phụ bằng than hoạt tính 3/ Một số loại khác

Có thể bao gồm cả hai loại chất hấp phụ trong một hình trụ đứng hoặc trong một hình 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

c Thiêu đốt khí thải

Có nhiều các hợp chất ô nhiễm không thể xử lý bằng phương pháp hấp thụ, hấp phụ hoặc có hiệu suất rất thấp khi áp dụng các biện pháp này Thông thường đó là các chất hữu cơ khó phân hủy, chúng thường có cấu tạo mạch vòng khá phức tạp ví dụ dioxyn, furan, các hợp chất dung môi từ các quá trình sơn, … Để xử lý các chất ô nhiễm này, phương pháp thiêu đốt là thích hợp nhất

Để cho quá trình cháy được hoàn toàn, phải có đủ lượng ôxy cung cấp cho quá trình cháy, nhiệt độ, sự xáo trộn, thời gian cháy phù hợp

+ Ôxy: là yếu tố rất cần cho quá trình cháy xảy ra Những sản phẩm cuối cùng của quá trình cháy phụ thuộc vào việc cung cấp ôxy Ví dụ khi metal cháy mà không đủ ôxy chúng sẽ tạo ra dạng cacbon rắn và dạng bụi khói và bồ hóng Nếu đủ ôxy, cacbon sẽ cháy hoàn toàn và tạo ra cacbon dioxit

+ Nhiệt độ cháy: phải luôn luôn giữ ở nhiệt độ bốc cháy (nhiệt độ để gia nhiệt cho quá trình cháy phải lớn hơn nhiệt độ bốc cháy, đủ để bù vào lượng nhiệt mất mát

do tổn thất nhiệt ra xung quanh) Nhiệt độ cháy của quá trình cháy vật chất thường theo một khoảng rộng Ví dụ: sulfur 470 oF, metan 1.170 - 1380 oF, CO 1.130 - 1.215

oF Lớp cách nhiệt trong lò đốt được thiết kế để chống thất thoát nhiệt ra bên ngoài Một ống khói có chiều cao và đường kính ống khói thích hợp sẽ giúp cho nhiệt độ khí trong ống khói cao hơn nhiệt độ không khí xung quanh, tạo điều kiện cho việc phát tán vào khí quyển đạt tới mức cao nhất vào khí quyển

+ Sự xáo trộn: nhằm tạo cho hỗn hợp ôxy và và dòng khí chứa chất ô nhiễm được

đồng đều trong suốt thời gian cháy Có thể dùng vách ngăn hoặc vòi phun để tạo ra độ khuấy động cần thiết Hình dạng và chiều cao của ống khói của cũng là yếu tố tạo

ra sự khuấy động giúp cho pha loãng không khí

+ Thời gian cháy: Hiệu quả của quá trình cháy phụ thuộc vào kích cỡ thích hợp

của buồng cháy Tăng độ cao ống khói, tăng thời gian cháy sẽ hạn chế được lượng khói bốc ra Thời gian cháy phụ thuộc vào từng loại chất ô nhiễm, tuy nhiên thời gian tối thiểu lưu khí trong buồng đốt là 2 giây sẽ đảm bảo cho quá trình phân hủy các chất

ô nhiễm để chuyển chúng về các chất ít bị ô nhiễm hay dễ xử lý hơn là CO2 và hơi nước

Quá trình cháy các chất ô nhiễm cần cung cấp thêm năng lượng từ quá trinh đốt nhiên liệu Các loại nhiên liệu thường sử dụng cho các lò đốt là dầu FO, DO hoặc gas Thành phần của các loại nhiên liệu rắn, lỏng, khí hầu hết đều chứa C, H, O, S, độ tro (A) và hơi nước (W), khi cháy sẽ tạo ra bụi, CO2, CO, SO2 và H2O và sản phẩm không cháy HC

Nếu tập hợp các yếu tố như oxy, thời gian cháy, độ khuấy động, nhiệt độ cháy được cung cấp thích hợp thì 1 lb (450 g) cacbon cháy sinh ra năng lượng 14.600 Btu, đốt cháy 1 lb hydro sẽ sinh ra một lượng nhiệt ẩn trong hơi nước tương đương với 62.000 Btu Đốt cháy 1 lb sulfur sinh ra sản phẩm sulfur dioxt tương đương với 4.050 Btu Điều đó chỉ cho ta thấy rằng trong thành phần của than đá, sulfur khi cháy chỉ tạo

ra một năng lượng rất nhỏ Bởi vậy việc làm sạch sulfur trước khi đốt nhiên liệu cũng làm giảm năng lượng phát ra không đáng kể Hơn nữa, tách sulfur ra khỏi than đá làm cho quá trình cháy của cacbon dễ dàng hơn, đồng thời giảm lượng chất ô nhiễm do sulfur oxit Các quá trình cháy có thể phân loại ra như cháy trong lò đốt, cháy tự do nhờ ngọn lửa, cháy nhờ xúc tác

+ Lò đốt cháy:

Thông thường các lò đốt khí thải thường kết hợp với các quá trình xử lý chất thải rắn bằng phương pháp đốt, đôi khi chúng cũng có thể chỉ sử dụng để đốt các loại khí thải sinh ra Do vậy lò đốt có thể được thiết kế dạng lò một hoặc hai cấp

Với các lò đốt sử dụng để đốt chất thải nguy hại ở buồng đốt sơ cấp các chất thải nguy hại sẽ đốt cháy các chất thải rắn nguy hại và sản phẩm của chúng là bụi, các loại khí gas có thể cháy được Ở buồng đốt sơ cấp thường áp dụng quá trình đốt nhiệt phân với nhiệt độ khoảng 450 – 600 0C Dòng khí chứa các khí gas sẽ được thiêu đốt ở buồng đốt thứ cấp với nhiệt độ trong khoảng 1.000 – 1.2000C để phân hủy hết các chất ô nhiễm cần xử lý Thời gian lưu khí trong buồng thứ cấp tối thiểu là 2 giây Hình 6.7 giới thiệu sơ đồ đơn giản của một buồng đốt khí thải, thực chất đây là quá trình ôxy hóa nhờ tác dụng của nhiệt

Hình 6 7: Ôxy hóa nhờ nhiệt

Khí ô nhiễm sau khi được ôxy hóa ở nhiệt độ cao sẽ trở nên sạch và được thải vào trong khí quyển Loại lò đốt này thường sinh ra ngọn lửa màu vàng, trong hình 6.8 có trình bày kỹ thuật này

Lò đốt cũng có thể được dùng để xử lý methyl mercaptan, H2S, mùi methyl sulfid từ trong các quá trình chế biến bột giấy, xử lý hơi sơn, hơi vani từ các nồi nấu, mùi sinh ra từ rang cà phê, hơi bụi từ các lò sưởi trong gia đình Trong lò sưởi nhiên liệu đốt phụ được sử dụng làm chất tác động cho xảy ra quá trình cháy hoàn toàn dòng khí bốc lên và dùng một buồng lắng để thu hồi lượng bụi sinh ra Hình 6.9, 6.10 trình bày những khoang đốt, nhiên liệu phụ và buồng lắng

+ Đốt cháy bằng lửa: Đôi khi có trường hợp thích hợp với đốt trực tiếp, nó được

thực hiện bằng cách hòa trộn trực tiếp khí cần đốt và không khí rồi đốt bằng lửa Một thiết bị đánh lửa đặt trên đỉnh của ống khói được dùng để đánh lửa Ngọn lửa được hình thành khi ôxy trong không khí xung quanh được tiếp xúc với khí hydrocacbon khuếch tán tới Loại này áp dụng cho tất cả các nhà máy chế biến có phát sinh ra hydrocacbon, hydro, amoniắc, hydroxyanua hoặc một số loại chất khác Với một vài loại chất khác tuỳ thuộc vào mức độ nguy hiểm, cần phải được kiểm tra trực tiếp

Hình 6.8 Đốt trực tiếp

nhằm phát hiện kịp thời để bảo vệ cho cộng đồng con người và động, thực vật Đốt cháy trực tiếp nhờ ngọn lửa là cách tốt nhất để xử lý chất ô nhiễm Hình 6.11 minh hoạ cho phương thức đốt này

+ Đốt xúc tác: là cách đốt lượng khí bốc ra ở nhiệt độ thấp, cách này được

dùng khi khí phải đốt có nhiệt độ thấp và sạch, tức là khí chỉ chứa hơi và chất ô nhiễm có thể cháy (mà hầu như không chứa bụi)

Hình 6.9 Ống thải lò sưởi

Quá trình đốt cháy khí thường ở khoảng nhiệt độ 350 – 450 0C, có thể đốt cháy trực tiếp hoặc thông qua chất xúc tác Về nhiệt độ thì nó làm tăng và đẩy mạnh quá trình ôxy hóa bằng cách đốt cháy hoặc phá hủy các yếu tố cần thiết có trong khí Chất xúc tác có tác dụng đẩy mạnh quá trình ôxy hóa các chất cháy trong dòng khí và có thể làm giảm thấp nhiệt độ yêu cầu, kỹ thuật này đòi hỏi một mức độ tiêu thụ nhiên liệu chậm Hợp kim platin, một vài loại oxit hoặc vanadi pentoxit là những loại thường dùng làm chất xúc tác, nhờ có chúng mà chỉ cần một nhiệt độ thấp cũng đủ thực hiện quá trình cháy Một vài ứng dụng của kỹ thuật này là đốt hỗn hợp khí từ quá trình in thạch bản, phun sơn, nhà máy sản xuất acid nitric, nhà máy chế biến dầu mỡ, chất béo Hình 6 11 và 12 minh họa hệ thống đốt cháy xúc tác

Hình 6.10. Đốt cháy nhiên liệu phụ trên mái (dùng cho các ống khói lò sưởi)