Tiểu luận: Hấp thụ hơi khí độc

Chia sẻ: Nguyễn Quang Minh | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:37

Thêm vào BST

Báo xấu

271
lượt xem 42
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tiểu luận: "Hấp thụ hơi khí độc" trình bày tổng quan phương pháp hấp thụ khí trong xử lý ô nhiễm không khí, giới thiệu phương pháp xử lý các chất gây ô nhiễm không khí khá hiệu quả. Mời bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tiểu luận: Hấp thụ hơi khí độc

MỤC LỤC Trong mọi lĩnh vực của nền sản xuất công nghiệp, trong giao thông vận tải cũng như trong sinh hoạt hằng ngày của con người, đâu đâu ta cũng bắt gặp quá trình đốt cháy nhiên liệu trong các nguồn cố định như: lò nhiệt điện, lò hơi, lò luyện kim loại, lò nung gạch, lò xi măng, lò chế biến thực phẩm,…hoặc trong các nguồn di động như ôtô, máy bay, tàu thủy,…Đó chính là những nguồn phát thải vào khí quyển các loại chất khí độc hại phổ biến nhất. Ngoài ra, các nhà máy hóa chất, nhà máy phân bón, thuốc trừ sâu, các loại lò thiêu đốt phế thải cũng thải vào khí quyển nhiều loại khí, hơi độc hại đặc trưng cho mỗi loại công nghệ riêng biệt, nhưng bao trùm lên tất cả cũng là quá trình đốt cháy nhiên liệu. Nguồn tĩnh của khí thải ô nhiễm không khí, chẳng hạn như nhà máy điện, nhà máy thép, lò nung, nhà máy xi măng, nhà máy lọc dầu, và các quy trình công nghiệp khác, chất gây ô nhiễm phóng vào khí quyển như hạt, bình xịt, hơi dầu, hoặc khí. Những khí thải thường được kiểm soát để hiệu quả cao sử dụng một loạt các thiết bị kiểm soát ô nhiễm không khí. Việc lựa chọn các công nghệ kiểm soát thích hợp được xác định bởi các chất gây ô nhiễm thu thập được và hiệu quả kiểm soát yêu cầu. Trong một số trường hợp, lượng khí thải gây ô nhiễm có thể giảm đáng kể thông qua quá trình sửa đổi và điều khiển quá trình đốt cháy. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, một số hình thức của thiết bị kiểm soát ô nhiễm add-on được cài đặt trong các đường ống (hoặc ống khói) dẫn đến khói ngăn xếp để đáp ứng các giới hạn được phép phát thải hiện tại. Hiện nay, do sự phát triển của các nghành công nghiệp tạo ra các sản phẩm phục vụ con người, đồng thời cũng tạo ra một lượng chất thải vô cùng lớn làm phá vỡ cân bằng sinh thái gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Trong các loại ô nhiễm, ô nhiễm không khí ảnh hưởng trực tiếp đến con người , động vật , thực vật và các công trình xây dựng. Sức khỏe và tuổi thọ con người phụ thuộc rất nhiều vào độ trong sạch của môi trường. Vì vậy, trong những năm gần đây ô nhiễm không khí từ các ngành sản xuất công nghiệp ở nước ta đang là vấn đề quan tâm không chỉ của nhà nước mà còn là của toàn xã hội bởi mức độ nguy hại của nó đã lên đ ến mức báo động. Và SO2 là một trong những chất ô nhiễm không khí được sản sinh nhiều trong các nghành sản xuất công nghiệp và sinh hoạt. Việc xử lý SO2 có nhiều phương pháp khác nhau. Phương pháp nào được áp dụng để xử lý tùy thuộc vào hiệu quả và tính kinh tế của phương pháp.Do đó chuyên đề này sẽ giới thiệu phương pháp xử lý các chất gây ô nhiễm không khí khá hiệu quả.
2. TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ KHÍ TRONG XỬ LÝ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 2.1. Xử lý ô nhiễm không khí Phương pháp phổ biến để loại trừ hoặc giảm thiểu khí gây ô nhiễm • Phá hủy các chất ô nhiễm do đốt bằng nhiệt hoặc xúc tác, chẳng hạn như bằng cách s ử dụng một ngọn lửa mạnh, một lò đốt nhiệt độ cao, hoặc một lò phản ứng đốt cháy xúc tác; • Thay đổi các chất ô nhiễm với các hình thức ít độc hại hơn thông qua phản ứng hóa học, chẳng hạn như chuyển đổi các oxit nitơ (NOx) thành nitơ và nước thông qua việc bổ sung các amoniac để ống khói khí ở phía trước của một lò phản ứng xúc tác có chọn lọc; và • Thu thập các chất ô nhiễm bằng cách sử dụng hệ thống kiểm soát ô nhiễm không khí trước khi đưa nó vào bầu khí quyển. Các thiết bị phổ biến nhất được sử dụng để kiểm soát phát thải bụi bao gồm: • Lọc bụi tĩnh điện (loại ướt và khô), • Bộ lọc vải (còn gọi là nhà túi), • Máy lọc ướt, và • Cyclone (hoặc multiclones). Trong nhiều trường hợp, nhiều hơn một trong những thiết bị này được sử dụng có được hiệu quả loại bỏ các chất gây ô nhiễm mong muốn đáng quan tâm. Ví dụ, một cyclone có thể được sử dụng để loại bỏ bụi lớn trước khi dòng gây ô nhiễm xâm nhập vào một tháp rửa ướt. - Thiết bị điều khiển chung cho các chất ô nhiễm dạng khí và hơi nước bao gồm: • Xi hóa nhiệt, • Lò phản ứng xúc tác, • Carbon hoạt tính, • Tháp hấp thụ, và • Lọc sinh học. 2.2. Phương pháp hấp thụ Việc loại bỏ một hoặc nhiều thành phần được lựa chọn từ một hỗn hợp khí bằng cách hấp thụ có lẽ là hoạt động quan trọng nhất trong việc kiểm soát khí thải ô nhiễm khí.
Hấp thụ là một quá trình trong đó một chất gây ô nhiễm khí đ ược hòa tan trong một chất lỏng. Định nghĩa: Sự hấp thu là một quá trình chuyển giao khối lượng, trong đó một hơi tan A trong một hỗn hợp khí được hấp thụ bằng một chất lỏng trong đó chất tan nhiều hơn hoặc ít hơn chất có thể tan được. Hỗn hợp khí bao gồm chủ yếu là của một khí trơ và khí tan được. Chất lỏng là yếu tố cơ bản trong giai đoạn khí đốt: nghĩa là, sự bay hơi của nó vào giai đoạn khí là tương đối nhẹ. Một ví dụ điển hình là sự hấp thụ của chất tan amoniac t ừ một hỗn hợp khí-amoniac bằng nước. Trong quá trình giải hấp ngược lại hoặc quá trình đẩy, cùng một nguyên tắc và phương trình tổ chức. - Cơ chế của quá trình hấp thụ: • Khuếch tán các phân tử chất ô nhiễm thể khí trong khối khí thải đến bề mặt của chất hấp thụ. • Thâm nhập và hòa tan chất khí vào bề mặt của chất hấp thụ • Khuếch tán chất khí đã hòa tan trên bề mặt ngăn cách vào sâu trong khối chất lỏng hấp thụ. Khi dòng khí đi qua chất lỏng, chất lỏng hấp thụ khí, trong giống như cách đường được hấp thu trong một ly nước khi khuấy. Hấp thụ thường được gọi là lọc khí, và có nhiều loại khác nhau của thiết bị hấp thụ. Các loại chính của thiết bị hấp thụ khí bao gồm tháp phun, cột đóng gói, buồng phun, và máy lọc nhanh. Nói chung, hấp thụ có thể đạt được hiệu quả loại bỏ > 95%. Một vấn đề tiềm năng với sự hấp thụ là chất lượng của nước thải, trong đó chuyển đổi một vấn đề ô nhiễm không khí thành một vấn đề ô nhiễm nguồn nước. Khi một chất khí hoặc hơi nước được đưa vào tiếp xúc với một chất rắn, một phần của nó được đưa lên bởi rắn. Các phân tử biến mất khỏi khí hoặc nhập vào bên trong của rắn, hoặc vẫn còn ở bên ngoài gắn liền với bề mặt. Hiện tượng này trước đây được gọi là hấp thụ (hoặc giải thể) và sự hấp thụ sau. - Vai trò của phương pháp hấp thụ khí Làm sạch khí Thu hồi các cấu tử quý Tách hỗn hợp thành cấu tử riêng Tạo thành sản phẩm cuối cùng
- Phân loại hấp thụ Hấp thu vật lý: không tương tác hóa học Quá trình thuận nghịch: xảy ra đồng thời hấp và nhả hấp. Hấp thu hóa học: xảy ra phản ứng hóa học. Ưu điểm: Rẻ tiền, nhất là khi sử dụng H2O làm dung môi hấp thụ các khí độc hại như H2S, SO2,NH3,HF,…có thể được xử lí rất tốt với phương pháp này. Có thể sử dụng kết hợp khi cần rửa khí làm sạch bụi khi trong khí thải chứa b ụi lẫn các chất độc hại mà các chất khí có khả năng hòa tan tốt trong nước rửa. Nhược điểm Hiệu suất làm sạch không cao, hệ số làm sạch giảm khi nhiệt độ dòng khí cao nên không thể dùng xử lí các dòng khí có nhiệt độ quá cao, quá trình hấp thụ là quá trình tỏa nhiệt nên khi thiết kế, xây dựng và vận hành hệ thống thiết bị hấp thụ xử lí khí thải nhiều trường hợp phải lắp đặt thêm thiết bị trao đổi nhiệt trong tháp hấp thụ để làm nguội thiết bị tăng hiệu quả của quá trình xử lí. Như vậy thiết bị sẽ trở nên cồng kềnh vận hành phức tạp. Khi làm việc hiện tượng “sặc” rất dễ xảy ra khi ta khống chế, điều chỉnh mật độ tưới của pha lỏng không tốt, đặc biệt khi dòng khí thải có hàm lượng bụi lớn. Việc lựa chọn dung môi thích hợp sẽ rất khó khăn, khi chất khí xử lí không có khả năng hòa tan trong nước. Lựa chọn dung môi hữu cơ sẽ nảy sinh vấn đề: các dung môi này có độc hại cho người sử dụng và môi trường hay không? Việc lựa chọn dung môi thích hợp là bài toán hóc búa mang tính kinh tế và kĩ thuật, giá thành dung môi quyết định lớn đến giá thành xử lí và hiệu quả xử lí. Phải tái sinh dung môi (dòng chất thải thứ cấp) khi sử dụng dung môi đ ắt tiền. Chất thải gây ô nhiễm nguồn nước, phải đầu tư xử lý nước thải làm cho hệ thống càng trở nên cồng kềnh phức tạp. 3. CÁC LOẠI THÁP HẤP THỤ HƠI KHÍ ĐỘC 3.1. Tháp đệm 3.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tháp đệm Cấu tạo gồm: - Thân tháp rỗng bên trong đổ đầy vật đệm làm từ vật liệu khác nhau (như gỗ, nhựa, kim loại, gốm, sành sứ...) với những hình dạng khác nhau (như hình trụ, hình cầu, dạng tấm, dạng yên ngựa hay lò xo,.. ), có thêm lưới đỡ vật liệu đệm.
- Ống dẫn dòng khí và chất lỏng vào ra tháp. - Bộ phận phân phối: Để phân phối đều chất lỏng lên khối đệm chứa trong tháp, người ta dùng bộ phận phân phối dạng lưới phân phối (lỏng đi trong ống – khí ngoài ống; lỏng và khí đi trong cùng ống); màng phân phối, vòi phun hoa sen (dạng trụ, bán cầu, khe); bánh xe quay (ống có lỗ, phun quay, ổ đỡ);... - Lớp đệm tách hạt lỏng: để chỉ cho dòng khí sạch sau xử lý thoát ra ngoài. Hính 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tháp đệm Nguyên lý hoạt động: - Khí thải đi vào tháp thông qua cửa dẫn khí vào, đi qua các l ớp vật liệu lọc đã được bố trí sẵn trong tháp. Trên bề mặt các vật liệu lọc đã được làm ướt bằng dung môi thích hợp từ dàn vòi tưới. Quá trình hấp thụ hơi khí độc vào dung môi xảy ra chủ yếu khi dòng khí len lõi đi qua các lớp vật liệu lọc và tiếp xúc trực tiếp với dung môi trên bề mặt ấy tạo ra các phản ứng hóa học và các hơi khí độc hoặc có thể lẫn bụi đều được giữ lại trong dung môi. Dung môi hấp thụ chảy xuống đáy tháp và được thu lại để hoàn nguyên dung môi, còn khí có lẫn chất lỏng tiếp tục đi lên qua lớp tách hạt lỏng để giữ lại hạt lỏng, cuối cùng khí sạch thoát ra
phía trên cùng của tháp. Như vậy dòng chất lỏng đi từ trên xuống còn dòng khí cần hấp thụ đi từ dưới lên. 3.1.2. Vật liệu đệm sử dụng trong tháp hấp thụ (tháp đệm) - Thường dùng sành sứ, gỗ, nhựa, kim loại, gốm, vụn than cốc... với hình dạng khác nhau trụ, cầu, tấm, yên ngựa, lò xo,.. để làm tăng diện tích tiếp xúc hai pha. - Các vật liệu đệm được cho vào một cách ngẫu nhiên hoặc sắp xếp theo một thứ tự nhất định để tăng diện tích tiếp xúc và giảm thiểu cản trở dòng khí. - Tuổi thọ phụ thuộc điều kiện làm việc, khoảng 1-5 năm do bị ăn mòn, ô nhiễm, hoặc vỡ… Và sau một khoảng thời gian nhất định phải thau rửa vật liệu đệm để tăng hiệu quả xử lý và tuổi thọ của vật liệu đệm. - Các phần tử đệm được đặc trưng bằng: đường kính d, chiều cao h, bề dày δ. - Khối đệm được đặc trưng bằng các kích thước: +bề mặt riêng a (m2/m3) + thể tích tự do ε (m3/m3); +đường kính tương đương d (tđ) = 4r (thủy lực) = 4.S/n = 4 ε/a; +tiết diện tự do S (m2/m3). -Vận tốc dòng khí đi qua lớp đệm trong khoảng v=1-1,5 m/s. - Chiều dày lớp đệm: h = 0,4 - 3 m.
Hình 2 :Một số loại vật liệu đệm dùng trong tháp đệm 3.1.3. Lựa chọn dung dịch hấp thụ Dung môi dùng trong quá trình hấp thu cần có các tính chất sau: - Tính chọn lọc hòa tan : nghĩa là chỉ hòa tan tốt cấu tử cần tách ra khỏi hỗn hợp khí và không hoà tan hoặc hoà tan rất ít các cấu tử còn lại. Đây là điều kiện quan trọng nhất. - Độ nhớt của dung môi: dung môi có độ nhớt thấp sẽ tăng tốc độ hấp thu. - Nhiệt độ sôi của dung môi phải khác xa nhiệt độ sôi của chất cần hấp thu để dễ hoàn nguyên dung môi. - Nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh tắc thiết bị và thu hồi các cấu t ử hoà tan dễ dàng. - Ít bay hơi, rẻ tiền, dễ kiếm và không độc hại. Để xử lí SO2 thì dung môi hấp thu thường được dùng: nước, dung dịch sữa vôi, dung dịch sút là các dung môi dễ kiếm, rẻ tiền và cho hiệu quả xử lí cao. Tuy nhiên do khói thải có nhiệt độ khá cao (250°C) nên nước không được chọn làm dung môi hấp thu – ở đây dung dịch xút (NaOH) được chọn làm dung môi do những ưu điểm của nó: phản ứng tốt với SO x ở nhiệt độ cao, không tạo cặn, giá thành hợp lý, thao tác đơn giản, dễ bảo quản và dễ kiếm. Một số dung môi có thể chọn để hấp thụ khí SO2 - Hấp thụ khí SO2 bằng nước - Là phương pháp đơn giản được áp dụng sớm nhất để loại bỏ khí SO2 trong khí thải, nhất là trong khói từ các lò công nghiệp. +Ưu điểm: rẻ tiền, dễ tìm, hoàn nguyên được. SO2 + H2O  H+ + HSO3- +Nhược điểm: do độ hòa tan của khí SO2 trng nước quá thấp nên thườngphải dùng một lượng nước rất lớn và nóng lên đến 1000C nên tốn rất nhiều năng lượng, chi phí nhiệt lớn.
- Hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch sữa vôi - Là phương pháp được áp dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì hiệu quả xử lý cao, nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có ở mọi nơi. CaCO3 + SO2  CaSO3 + CO2 CaO + SO2  CaSO3 2CaSO3 + O2  2CaSO4 + Ưu điểm: công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư ban đầu không lớn, chi phí vận hành thấp, chất hấp thụ rẻ, dễ tìm, làm sạch khí mà không cần phải làm lạnh và tách bụi sơ bộ, 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 các đường ống và ăn mòn thiết bị. -Xử lý khí khí SO2 bằng ammoniac - Phương pháp này hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch ammoniac tạo muối amoni sunfit và amoni bisunfit theo phản ứng sau: SO2 + 2NH3 + H2O  (NH4)2SO3 (NH4)2SO3 + SO2 + H2O  2NH4HSO3 +Ưu điểm: hiệu quả rất cao, chất hấp thụ dễ kiếm và thu được muối amoni sunfit và amoni bisunfit là các sản phẩm cần thiết. + Nhược điểm: rất tốn kém, chi phí đầu tư và vận hành rất cao. -Xử lý khí SO2 bằng magie oxit Các phản ứng xảy ra như sau: MgO + SO2  MgSO3 MgSO3 + SO2 + H2O  Mg(HSO3)2 Mg(HSO3)2 + MgO  2MgSO3 + H2O + Ưu điểm: có thể làm sạch khí nóng mà không cần làm lạnh sơ bộ, thu được axit sunfuric như là sản phẩm của sự thu hồi, hiệu quả xử lý cao,MgO dễ kiếm và rẻ. +Nhược điểm: quy trình công nghệ phức tạp, vận hành khó, chi phí cao,tổn hao MgO khá nhiều. Xử lý khí SO2 bằng kẽm oxit - Phương pháp này dựa theo các phản ứng sau: SO2 + ZnO + 2,5 H2O  ZnSO3 . 2,5H2O ZnSO3 . 2,5H2O  ZnO + SO2 + 2,5H2O + Ưu điểm: có thể làm sạch khí ở nhiệt độ khá cao (200 - 2500C). + Nhược điểm: có thể hình thành ZnSO4 làm cho việc tái sinh ZnO bất lợi về kinh tế nên phải thường xuyên tách chúng ra và bổ sung lượng ZnO tương đương. Xử lý SO2 bằng kẽm oxit kết hợp natri sunfit
- Phương pháp này dựa theo các phản ứng sau: Na2CO3 + SO2 Na2SO3 + CO2 Na2SO3 + SO2+H2O  2NaHSO3 2NaHSO3 + ZnO  ZnSO3 + Na2SO3 + H2O + Ưu điểm: không đòi hỏi làm nguội sơ bộ khói thải, hiệu quả xử lý cao. + Nhược điểm: hệ thống xử lý khá phức tạp và tiêu hao nhiều muối natri. - Xử lý khí SO 2 bằng các chất hấp thụ hữu cơ: phương pháp này được áp dụng nhiều trong xử lý khí thải từ các nhà máy luyện kim màu. Chất hấp thụ chủ yếu được dùng là xyliđin và đimetylanilin +Quá trình sunfiđin Chất hấp thụ được sử dụng là hỗn hợp xyliđin và nước theo tỉ lệ 1:1 2C6H3(CH3)2NH2 + SO2  2C6H3(CH3)2NH2 . SO2 - Nếu khí thải có nồng độ SO2 thấp thì quy trình này không kinh tế vì tổn hao xyliđin. +Quá trình khử SO2 bằng đimetylanilin Với khí thải có trên 35% (thể tích) khí SO2 thì dùng đimetylanilin làm chất hấp thụ sẽ có hiệu quả hơn dùng xyliđin. - Hấp thụ bằng hổn hợp muối nóng chảy: Xử lý ở nhiệt độ cao dùng hổn hợp Cacbonat kim loại kiềm có thành phần như sau:LiCO3 32%, Na2CO3 33%, K2CO3 35%. - Hấp thụ bằng các Amin thơm: Để hấp thụ SO2 trong khí thải của luyện kim màu (nồng độ SO2 khoảng 1-2% thể tích) .Người ta sử dụng dung dịch:C 6H3(CH3)2 NH2 (tỉ lệ C6H3(CH3)2 NH2 : nước = 1- 1) .C6H3(CH3)2 NH2 không trộn lẩn với nước nhưng khi liên kết với SO2 tạo thành (C6H3(CH3)2 NH2)2 SO2 tan trong nước 3.1.4. Các chất ô nhiễm thường áp dụng phương pháp hấp thụ Phương pháp hấp thụ thường áp dụng cho chủ yếu là các khí vô cơ, hơi, và các loại khí (ví dụ, axit cromic, hydrogen sulfide, ammonia, clorua, florua, và SO2); hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC); và hạt vật chất (PM), bao gồm PM nhỏ hơn hoặc bằng 10 micromet (m) đường kính khí động học (PM10), PM nhỏ hơn hoặc bằng 2,5 m đường kính khí động học (PM2.5), và các chất độc hại gây ô nhiễm không khí (HAP) ở dạng hạt (PMHAP). Nước là dung môi phổ biến nhất được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm vô cơ. Loại bỏ chất gây ô nhiễm có thể được tăng cường bằng cách thao tác hóa học của các giải pháp hấp thụ để nó phản ứng với các chất gây ô nhiễm. Dung dịch xút ăn da (NaOH) là chất lỏng phổ biến nhất được sử dụng đ ể kiểm soát khí axit (ví dụ HCl, SO2, hoặc cả hai) (vôi tôi, Ca [OH]2), mặc dù natri cacbonat (Na2CO3) và hydroxit canxi cũng được sử dụng. Khi khí axit được hấp thu vào dung dịch, nó phản ứng với các hợp chất có tính kiềm để sản sinh ra muối
trung tính. Tỷ lệ hấp thụ của các khí axit phụ thuộc vào khả năng hòa tan của các khí axit trong dung dịch hấp thụ (EPA, 1996, EPA, 1996b). Hấp thụ được sử dụng rộng rãi như một kỹ thuật phục hồi sản phẩm trong tách và tinh chế các dòng khí có chứa nồng độ cao của VOC, đ ặc biệt là các hợp chất hòa tan trong nước như methanol, ethanol, isopropanol, butanol, acetone, và formaldehyde (Croll Reynolds, 1999). Ngoại trừ, VOC có thể được hấp thụ sử dụng một khối copolymer amphiphilic hòa tan trong nước. Tuy nhiên, như là một kỹ thuật kiểm soát khí thải, nó thường được sử dụng nhiều hơn nữa để kiểm soát khí thải vô cơ hơn so với VOC. Khi sử dụng tháp hấp thụ như các kỹ thuật kiểm soát chính cho hơi hữu cơ, dung môi phải được dễ dàng tái tạo hoặc xử lý một cách chấp nhận được với môi trường (EPA, 1991). Khi được sử dụng để kiểm soát PM, nồng độ cao có thể làm tắc nghẽn các lớp vật liệu đệm, hạn chế khả năng xử lý của thiết bị này để kiểm soát dòng khí với tải trọng bụi tương đối thấp (EPA, 1998). Đối với PM, thiết bị lọc ướt tạo ra chất thải dưới dạng bùn. Điều này tạo ra s ự cần thiết của xử lý nước thải và xử lý chất thải rắn. Ban đầu, bùn được xử lý đ ể tách các chất thải rắn ra khỏi nước. Nước được xử lý sau đó có thể được tái sử dụng hoặc thải. Khi nước được lấy ra, các chất thải còn lại sẽ được ở dạng của một chất rắn hoặc bùn. Nếu chất thải rắn là trơ và không độc hại, nó thường có thể được chôn lấp. Chất thải nguy hại sẽ có các thủ tục nghiêm ngặt hơn đ ể xử lý. Trong một số trường hợp, các chất thải rắn có thể có giá trị và có thể được bán hoặc tái chế (EPA, 1998). Khó có thể dùng một thiết bị để xử lý ô nhiễm một cách triệt để. Vì lý do này, dòng khí thải có chứa nhiều chất gây ô nhiễm (ví dụ, PM và SO2, hoặc PM và các loại khí vô cơ) thường được kiểm soát với nhiều thiết bị kiểm soát, đôi khi nhiều hơn một loại thiết bị lọc ướt (EC / R, 1996). 3.1.5. Giới hạn phát thải và hiệu quả có thể đạt được Khí vô cơ: các nhà cung cấp thiết bị kiểm soát ước tính rằng hiệu quả loại bỏ khoảng 95-99 % (EPA, 1993). VOC: hiệu quả của việc hấp thụ khí khác nhau cho mỗi hệ thống khí ô nhiễm, dung môi và các loại chất hấp thụ sử dụng. Hầu hết các vật liệu hấp thụ có hiệu quả loại bỏ vượt hơn 90 %, và tháp đệm dùng hấp thụ có thể đạt được hiệu suất lớn hơn 99 % cho một số loại chất ô nhiễm bằng dung môi thích hợp. Phạm vi hiệu quả điển hình được thu thập là từ 70% đến hơn 99 % (EPA, 1996, EPA, 1991). PM: tháp hấp thụ bị giới hạn bởi có thể xử lý khí trong đó tải trọng bụi thấp, và hiệu quả thu thập khoảng 50-95 %, tùy thuộc vào thiết bị (EPA, 1998). Hấp thụ vật lý phụ thuộc vào tính chất của dòng khí và dung môi lỏng, chẳng hạn như mật độ và độ nhớt, cũng như đặc điểm cụ thể của các chất gây ô nhiễm (s)
trong khí và dòng chất lỏng (ví dụ, khuyếch tán, cân bằng độ tan). Các tính chất này là phụ thuộc vào nhiệt độ và nhiệt độ thấp hơn thường có lợi cho sự hấp thụ khí bằng dung môi. Hấp thụ cũng được tăng cường bởi bề mặt tiếp xúc lớn hơn, tỷ lệ chất khí- lỏng cao hơn , và nồng độ cao hơn trong dòng khí. Hấp thụ hóa học có thể bị giới hạn bởi tốc độ của phản ứng, mặc dù bước hạn chế tỷ lệ thường là tỷ lệ hấp thụ vật chất, không phải là tỷ lệ phản ứng hóa học. Đối với hoạt động dựa trên phản ứng hóa học với sự hấp thụ, một mối quan tâm khác là tốc độ phản ứng giữa dung môi và chất gây ô nhiễm (s). Hầu hết phản ứng hóa học hấp thụ khí tương đối nhanh và giới hạn tốc độ là hấp thụ vật lý của các chất ô nhiễm vào dung môi. Tuy nhiên, với hệ thống dung môi ,gây ô nhiễm nơi các phản ứng hóa học là giai đoạn hạn chế, tỷ lệ phản ứng sẽ cần phải được phân tích động học. Nhiệt có thể được tạo ra như là kết quả của phản ứng hóa học toả nhiệt. Nhiệt cũng có thể được tạo ra khi một lượng lớn chất tan được hấp thu vào pha lỏng, do sức nóng của giải pháp. Kết quả là sự thay đổi nhiệt độ dọc theo chiều cao của cột hấp thụ có thể làm hỏng thiết bị và làm giảm hiệu quả hấp thụ. Vấn đ ề này có thể tránh được bằng cách thêm bộ phận làm mát. Tuy nhiên, trong những hệ thống nước là dung môi, độ bão hòa đoạn nhiệt của khí xảy ra trong quá trình hấp thu do dung môi bay hơi. Điều này gây ra làm mát đáng kể của chất hấp thụ mà bù đắp lượng nhiệt sinh ra bởi các phản ứng hóa học. Do đó, ống làm mát hiếm khi được yêu cầu với những hệ thống này. Trong mọi trường hợp, tháp đệm có thể được thiết kế giả định rằng điều kiện đẳng nhiệt tồn tại trong suốt cột. Nước thải từ tháp có thể được tái chế vào hệ thống và sử dụng một lần nữa. Điều này thường là trường hợp dung môi rất tốn kém, ví dụ, dầu hydrocarbon, xút ăn da. Ban đầu, các dòng tái chế có thể đi đến một hệ thống xử lý chất thải đ ể loại b ỏ các chất gây ô nhiễm hoặc sản phẩm phản ứng. Dung môi được tái sinh sau đó có thể được thêm vào trước khi dòng chất lỏng vào tháp lại lần nữa. Tuần hoàn c ủa dung môi đòi hỏi một máy bơm, hệ thống thu hồi dung môi, dung môi và nắm giữ thùng trộn, và các đường ống và thiết bị liên quan. 3.1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ hơi khí độc - Trong tháp, người ta thường nhồi các vật thể lồng cồng như ốc sành sứ, lò so kim loại, vụn than cốc... để làm tăng diện tích tiếp xúc hai pha. Khi vận hành, khí thải được đi từ dưới lên trên còn chất lỏng thì đi từ trên xuống dưới. Lưu lượng của hai pha luôn được tính toán trước để thiết bị đạt hiệu quả cao nhất . Dung dịch hấp thụ được tưới đều lên đỉnh lớp đệm và chảy dọc theo các bề mặt vật liệu. Phản ứng hấp thụ xảy ra trên bề mặt ướt của lớp đệm. Hiệu quả lọc phụ thuộc vào vận tốc dòng khí trong lớp vật liệu tổng diện tích bề mặt tiếp xúc lớp đệm.
- Cường độ tưới dung dịch hấp thu μ = 1,5 - 4 kg/kg kk. Dung dịch h ấp th ụ đ ược phân phối đều trên toàn mặt cắt ngang tháp bắng vòi phun hay ống khoan lỗ. -Trở lực của tháp cho dòng khí thải p = 60 x (h/0,4) kg/m2. - Nồng độ bụi :Tháp đệm được dùng để lọc hơi khí độc có lẫn rất ít bụi để tránh nghẹt lớp đệm. - Tốc độ dòng khí qua lớp đệm được cấu tạo sao cho tránh hiện t ượng s ặc trong lớp đệm. Trong thực tế, người ta thường kết hợp buồng phun và tháp đệm để tiến hành lọc hơi khí độc. Thiết bị loại này có một buồng phun ở phía trên và một tháp đ ệm ở phía dưới. Sự phù hợp của sự hấp thụ khí như một phương pháp kiểm soát ô nhiễm nói chung là phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Có loại dung môi thích hợp; - Hiệu quả xử lý cần thiết; -Nồng độ chất ô nhiễm trong hơi đầu vào; - Năng lực cần thiết để xử lý khí thải; - Khả năng hoàn nguyên của chất gây ô nhiễm (s) hoặc chi phí xử lý các dung môi không thể phục hồi (EPA, 1996). Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ hơi khí độc .- Lưu lượng không khí: lưu lượng khí tiêu biểu cho tháp đệm là 0,25-35 m 3 tiêu chuẩn mỗi giây (m3 / giây) (500 đến 75.000 (scfm )) (EPA, 1982, EPA, 1998). (scfm: standard cubic feet meters) - Nhiệt độ: nhiệt độ đầu vào thường trong khoảng từ 4-370 oC (40 đến 700 oF) trong khí thải, cho các ứng dụng hấp thụ khí, được giới hạn trong khoảng 4-38 oC (40 đến 100 oF). Nói chung, nhiệt độ khí cao hơn, tỷ lệ hấp thụ thấp hơn, và ngược lại. Nhiệt độ khí quá cao có thể dẫn đến dung môi khó tìm hoặc mất chất lỏng thông qua bốc hơi. (Avallone, 1996; EPA, 1996). - Tải trọng chất gây ô nhiễm: Nồng độ chất ô nhiễm khí thông thường dao động từ 250 đến 10.000 ppmv (EPA, 1996). Máy lọc ướt thường được giới hạn cho các ứng dụng trong đó nồng độ PM là dưới 0,45 gram mỗi m 3 tiêu chuẩn (g / m3) để tránh làm tắc nghẽn (EPA, 1982). - Thời gian tiếp xúc giữa pha lỏng và pha khí diễn ra trong tháp và tốc đ ộ ph ản ứng giữa dung môi hấp thụ và chất ô nhiễm cần được hấp thụ: Thời gian tiếp xúc vừa phải thì sẽ làm cho hiệu quả cao hơn, tuy nhiên nó còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như dung môi, chất khí ô nhiễm, và đôi khi giữ lâu quá sẽ không tốt cho quá
trình hấp thụ. Tốc độ phản ứng cũng rất quan trọng nó sẽ quyết định một phần đến thời gian hấp thụ và hiệu quả phản ứng. - Những lưu ý khác: Đối với các ứng dụng điều khiển hữu cơ HAP hơi, nồng độ đầu vào thấp thường sẽ được yêu cầu, nếu cao quá sẽ dẫn đ ến tháp hấp th ụ không hiệu quả, thời gian tiếp xúc lâu dài, và tỷ lệ chất lỏng-khí cao có thể không có hiệu quả. Máy lọc ướt thường sẽ có hiệu quả để kiểm soát HAP khi chúng được sử dụng kết hợp với thiết bị điều khiển khác như lò đốt hoặc hấp phụ bằng carbon (EPA, 1991). Yêu cầu dòng khí trước khi xử lý Đối với các ứng dụng hấp thụ, máy làm nguội(ví dụ, buồng phun) có thể cần thiết để bão hòa dòng khí hoặc để giảm nhiệt độ khí vào đến mức chấp nhận để tránh bay hơi dung môi hoặc giảm tỷ lệ hấp thụ (EPA, 1996). 3.1.7. Một số thông tin về chi phí Sau đây là giá dao động (thể hiện trong năm 2002 USD) cho tháp đệm lọc khí ướt của thiết kế thông thường trong điều kiện hoạt động bình thường, phát triển sử dụng bảng tính dự toán EPA (EPA, 1996) và tham chiếu đến lưu lượng thể tích của dòng thải được xử lý. Để tính hiệu quả chi phí ví dụ, các chất gây ô nhiễm được sử dụng là axit hydrochloric và các dung môi là dung dịch xút ăn da. Các chi phí không bao gồm chi phí cho sau xử lý hoặc xử lý dung môi đ ược s ử dụng hoặc chất thải. Chi phí có thể cao hơn đáng kể so với các phạm vi hiển th ị cho các thiết bị đòi hỏi vật liệu, dung môi, hoặc các phương pháp xử lý đ ắt tiền. Theo nguyên tắc, các thiết bị nhỏ hơn kiểm soát một dòng chất thải nồng độ thấp sẽ đắt hơn nhiều (trên một đơn vị lưu lượng thể tích) hơn một thiết bị lớn làm sạch một dòng gây ô nhiễm cao. - Chi phí vốn: $23.000 đến $ 117,000 mỗi m3 / giây ($ 11 đến $ 55( scfm)) - Chi phí quản lý và vận hành hàng năm: $ 32.000 đến $ 104,000 mỗi m 3 / giây ($ 15 đến $ 49 (scfm)), - Chi phí hàng năm: $ 36,000 đến $ 165,000 mỗi m3 / giây ($ 17 đến $ 78 mỗi (scfm)), - Hiệu quả chi phí: $ 110 đến $ 550 mỗi tấn ($ 100 đ ến $ 500 mỗi t ấn ng ắn), chi phí hàng năm cho mỗi tấn chất ô nhiễm trong một năm được kiểm soát. 3.1.8. Hoàn nguyên chất hấp thụ - Hoàn nguyên chất hấp thụ là một công đoạn rất quan trọng sau khi xảy ra quá trình hấp thụ. - Hoàn nguyên chất hấp thụ để tách dung dịch sau hấp thụ thành từng hợp chất riêng biệt như ban đầu để thu lại lượng khí bị hấp thụ sử dụng cho mục đích
khác, thu lại lượng dung môi đem đi hấp thụ để tái sử dụng cho quá trình hấp thụ kế tiếp sẽ hiệu quả về kinh tế và còn góp phần giảm thiểu đáng kể ô nhiễm môi trường. Nhất là các loại dung dịch hấp thụ có tính chất quý hiếm, khó tìm và hiệu quả xử lý cao thì việc hoàn nguyên chất hấp thụ càng có nhiều ý nghĩa hơn nữa. - Tuy nhiên, trong một số trường hợp đối với một số loại dung môi dùng đ ể hấp thụ giá thành thấp, khó hoàn nguyên hoặc chi phí hoàn nguyên cao thì cần phải xem xét lại phương pháp hấp thụ và tính toán chi phí hoàn nguyên hoặc tái s ử dụng sao cho hợp lý. - Ngoài ra, đôi khi người ta cũng tận dụng dung dịch sau hấp thụ hoặc những hợp chất trung gian sinh ra trong quá trình hấp thụ rồi sau đó cho thêm một số chất phụ gia, tạo phản ứng sinh ra những hợp chất khác có giá trị sử dụng cao, như vậy hiệu quả hơn nhiều so với hoàn nguyên chất hấp thụ lại như ban đầu. - Sau đây là một số phương pháp thường dùng trong hoàn nguyên chất hấp thụ: + Dùng nhiệt để làm bốc hơi dung môi + Dùng nhiệt với chất xúc tác để tạo phản ứng thuận nghịch + Thêm vào một số hợp chất để phản ứng thu được những hợp chất có giá trị Ví dụ như: +Trong xử lý khí SO2 Nếu hấp thụ khí bằng nước thì phải đun đến 100oC để nước bốc hơi, tiêu tốn rất nhiều năng lượng. • Hấp thụ SO2 dùng MgO tạo ra MgSO3 than cốc MgSO3 MgO + SO2 900oC • Hấp thụ SO2 dùng NH3 tạo ra (NH4)2SO3 (NH4)2SO3 + HNO3 NH4NO3 + SO2 + H2O Trong đó thì NH4NO3 có thể làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất phân bón (phân đạm) rất tốt cho cây trồng. • Hấp thụ SO2 bằng ZnO thu được ZnSO3.2,5H2O ZnSO3.2,5H2O SO2 + ZnO + 2,5 H2O • Hấp thụ H2S bằng K3PO4 tạo ra K2HPO4, đun sôi ở nhiệt độ 107-115oC thu được H2S
• Hấp thu H2S bằng hỗn hợp muối nóng chảy (LiCO 3, Na2CO3, K2CO3) thu được Me2S: Me2S + CO2 + H2O Me2CO3 + H2S 3.1.9. Ưu và nhược điểm của tháp đệm dùng trong hấp thụ hơi khí độc Ưu điểm: Ưu điểm của tháp đệm bao gồm (AWMA, 1992): - Áp suất giảm tương đối thấp; - Vẫn có thể xử lý trong điều kiện khí có tính ăn mòn cao - Có khả năng đạt được hiệu quả tương đối cao; - Chiều cao khối vật liệu đệm có thể được thay đổi để cải thiện khối lượng chất ô nhiễm được xử lý mà không cần mua sắm thiết bị mới; - Chi phí vốn tương đối thấp; -Yêu cầu không gian tương đối nhỏ; - Khả năng xử lý được cả bụi và khí ô nhiễm Nhược điểm: Nhược điểm của tháp đệm bao gồm (AWMA, 1992): - Có thể tạo ra nước (hoặc chất lỏng) sau khi hấp thụ cần phải xử lý; - Sản phẩm thải thu được là dung dịch; - PM có thể gây ra tắt nghẽn vật liệu đệm; - Nhạy cảm với nhiệt độ; - Chi phí bảo trì tương đối cao. 3.1.10. Tính toán thiết kế tháp hấp thụ hơi khí độc Quá trình tính toán thiết kế tháp hấp thụ hơi khí độc khá phức tạp, các thông số quan trọng cần thiết trong tính toán thiết kế tháp: - Các thộng số đã biết: • Lưu lượng khí thải và tải lượng ô nhiễm • Hiệu quả xử lý - Các thông số cần xác định : • Đường kính thiết bị hấp thụ
• Chiều cao lớp vật liệu  Các bước thực hiện • Lựa chọn dung môi • Xác định lượng dung môi thực tế • Tính đường kính tháp D= Q: lưu lượng khí trung bình pha khí (m3/s) w : vận tốc khí trung bình qua tháp(m/s) • Xác định chiều cao tháp hấp thụ H: chiều cao lớp vật liệu đệm (m) Hl: Chiều cao của phần tách lỏng (m) Hđ: Chiều cao đáy (m) • Lưới phân phối khí Đường kính lỗ phân phối d(mm) Bước lỗ t(mm) Đường kính trong của lưới: D=Dtháp(m) Số lỗ trên một cạnh a= +1 Tổng số lỗ trên lưới phân phối N=3.a.(a-1) + 1 Vận tốc khí qua lỗ v= (m/s) - Lưới chắn lỏng gồm hai lưới giữa hai lưới là lớp vật liệu đệm để giữ hạt lỏng không bị lôi cuốn theo dòng khí. Kích thước vật liệu đệm Chiều dày lớp chắn lỏng (mm)
Đường kính lưới D=Dtháp(m) Bước lỗ t(mm) Số lỗ trên một cạnh Tổng số lỗ trên lưới phân phối N=3.a.(a-1) + 1 Vận tốc khí qua lỗ - Đường kính ống dẫn khí Ống dẫn khí vào tháp (tự chọn vận tốc khí trong khoảng 4–15 m/s) d1= Ống dẫn khí ra khỏi tháp d2=d1 Đường kính ống dẫn chất lỏng vào tháp(mm) d3= Tính toán vòi phun Lưu lượng dung môi qua vòi L(m3/h) Vận tốc khí trong tháp bằng 50-70% vận tốc giọt lỏng được phun vào tháp vgiọt=vkhí/50% (m/s) Số lỗ phun Nlỗ= Đường kính ống vào của vòi phun (mm) Dống=t.(b-1)+4d trong đó t: bước lỗ(mm) b: số lỗ nằm trên đường chéo d: đường kính lỗ trên vòi phun (mm) Chiều cao vòi phun (mm) hv=(2÷4).dống Đường kính miệng vòi phun (mm)
dv= dống+2.hv.tg200 Bố trí vòi phun t=Dt/3 (m) (nếu tháp có 18 vòi phun và được bố trí theo hình lục giác đều) Khoảng cách từ vòi phun đến khu vực làm việc của tháp H= (mm) Tính trở lực của tháp ΔPt = Δ Pk + Δ Pư (N/m2) Trong đó: Δ Pk: trở lực đệm khô (N/m2) Δ Pư: trở lực đệm ướt (N/m2) 3.2. Tháp sủi bọt 3.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Cấu tạo: Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ thẳng đứng trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi tiếp xúc nhau. Nguyên lý làm việc của thiết bị là khí thải cần làm sạch đi vào khoang trống bên dưới(dòng khí đi từ dưới lên ) của thiết bị hấp thụ gồm nhiều mâm có đ ục l ỗ. Khí thải theo các lỗ trên mâm sục qua lớp dung dịch hấp thụ ,làm sủi bọt. Khí cần xử lý sẽ bám vào bề mặt các bọt khí-lỏng này và do đó dòng khói thải sẽ được xử lý. Tốc độ hoạt động cao chỉ ra rằng hơi tích tụ lớn thông qua chất lỏng không thường xuyên. Các lỗ không được phun trào một cách đáng kể với tốc độ hơi trên điểm thoát, mặc dù sự hỗ trợ của chất lỏng bằng hơi không phải là hoàn toàn đầy đủ. Sự tương tác của khí và chất lỏng trong sự thiết kế khay sẽ dẫn đ ến sự hỗn loạn ở hai giai đoạn ở khu vực cao với phạm vi di chuyển của chất lỏng theo hướng dòng chảy xuyên vào dòng hơi tăng. Chất lỏng có chứa khí cũng có thể là chất lỏng liên tục (bọt) ở vận tốc hơi tương đối thấp hoặc hơi liên tục (phun) ở vận tốc hơi cao. Ưu điểm nổi bật của hệ thống sủi bọt là tháp hấp thụ không cần lớp đ ệm bằng vật liệu rỗng, do đó vấn đề đóng cặn bẩn gây tắc nghẽn lớp đệm là không xảy ra. Tuy nhiên do dòng khí phải sục qua lớp dung dịch nên sức cản khí động c ủa hệ thống tương đối cao vì vậy vận tốc dòng khí đi qua tiết diện ngang của thiết bị hấp thụ phải hạn chế ở mức thấp.
Hình 3. Biểu đồ mô tả hoạt động của tháp sủi bọt Hình 4. Sơ đồ hoạt động của tháp khi lượng dung môi thấ