XỬ LÝ KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ VÀ CHO VÍ DỤ

Hấp phụ là quá trình phân ly 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 mjawt của vật liệu rắn. vật liệu rắn sử dụng trong quá trình này được gọi là chất hấp phụ( adsorbant), còn chất khí bị giữ lại trong chất hấp phụ dược gọi là chất bị hấp phụ( adsorbate). Quá trình hấp phụ được sử dụng rộng rãi để khử ẩm trong không khí hoặc trong môi trường khí nói chung, khử khí độc hại và mùi trong khí thải, thu hồi các loại hơi, khí có giá trị lẫn trong không khí hoặc khí thải. Đặc biệt quá trình hấp phụ được áp dụng rất phù hợp cho những trường hợp sau đây: 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 các quá trình khử khí khác không thể áp dụng được. Quá trình hấp phụ được phân chia thành hấp phụ vật lý(physical adsorption) và hấp phụ hóa học( chemisorption). Trong hấp phụ vật lý các phân tử khihs bị hút vào bề mặt của chất hấp phụ nhờ có ực liên kết giữa các phân tử. Hấp phụ là quá trình có tỏa nhiệt. Lượng nhiệt tỏa ra phụ thuộc vafocwonfg độ của lực liên kết phân tử và tương đương với entapy ngưng tụ của hơi, khí. Lượng nhiệt đó năm trong khoảng 220kJg.mol

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI BÁO CÁO TIỂU LUẬN KỸ THUẬT KIỂM SỐT Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ VÀ TIẾNG ỔN XỬ LÝ KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ VÀ CHO VÍ DỤ Sinh viên thực hiện: Người hướng dẫn: Đào Mạnh Hùng - 2021605137 Lương Xuân Hoàng - 2021601883 Hồ Thùy Linh - 2021604143 Lê Việt Hưng - 2021606186 TS Phạm Thị Thanh Yên Hà Nội, 10/2023 Mục Lục Mục Lục Danh Mục Bảng Biểu Danh Mục Hình Ảnh Mở đầu Nội dung 2.1 Vật liệu hấp phụ 2.2 Thiết bị hấp phụ 2.3 Đường đặc tính hay cịn gọi đường cân đẳng nhiệt vật liệu hấp phụ 2.4 Vùng hấp phụ sóng hập phụ 12 2.5 Lý thuyết tính tốn q trình hấp phụ 14 2.6 Hoàn nguyên vật liệu hấp phụ 17 Ưu điểm, Nhược điểm Ứng dụng phương pháp hấp phụ 18 3.1 Ưu điểm: 18 3.2 Nhược điểm 19 3.3 Ứng dụng 19 Tổng kết 19 Tài Liệu Tham Khảo 20 Danh Mục Bảng Biểu Bảng 1: Số hiệu kỹ thuật số loại than hoạt tính liên xơ sản xuất Bảng 2: Thông số kỹ thuật than MSC Nhật Bản sản xuất Bảng 3: Các thông số kỹ thuật chất hấp phụ thông dụng Danh Mục Hình Ảnh Hình 1: Sơ đồ hệ thống hấp phụ gồm hai thiết bị hấp phụ nối song song Hình 2: Đường cân đẳng nhiệt than hoạt tính axeton benzen 10 Hình 3: Các dạng đường đặc tính ( cân đẳg nhiệt) vật liệu hấp phụ 11 Hình 4: Sự dịch chuyển vùng hấp phụ lớp đệm thiết bị hấp phụ 12 Hình 5: a) Sóng hấp phụ; b) Nồng độ Y đầu thay đổi theo thời gian vận hành 13 Hình 6: Sơ đồ tính tốn cân vật chất sóng hấp phụ 15 Hình 7: Sơ đồ tính tốn bề dày hấp phụ 16 Mở đầu Hấp phụ q trình phân ly khí dựa lực số chất rắn số loại khí có mặt hỗn hợp khí nói chung khí thải nói riêng, q trình phân tử chất khí nhiễm khí thải bị giữ lại bề mjawt vật liệu rắn vật liệu rắn sử dụng trình gọi chất hấp phụ( adsorbant), cịn chất khí bị giữ lại chất hấp phụ dược gọi chất bị hấp phụ( adsorbate) Quá trình hấp phụ sử dụng rộng rãi để khử ẩm khơng khí mơi trường khí nói chung, khử khí độc hại mùi khí thải, thu hồi loại hơi, khí có giá trị lẫn khơng khí khí thải Đặc biệt trình hấp phụ áp dụng phù hợp cho trường hợp sau đây: - Chất khí ô nhiễm không cháy khó đốt cháy - Chất khí cần khử có giá trị cần thu hồi - Chất khí nhiễm có nồng độ thấp khí thải mà q trình khử khí khác khơng thể áp dụng Q trình hấp phụ phân chia thành hấp phụ vật lý(physical adsorption) hấp phụ hóa học( chemisorption) Trong hấp phụ vật lý phân tử khihs bị hút vào bề mặt chất hấp phụ nhờ có ực liên kết phân tử Hấp phụ q trình có tỏa nhiệt Lượng nhiệt tỏa phụ thuộc vafocwonfg độ lực liên kết phân tử tương đương với entapy ngưng tụ hơi, khí Lượng nhiệt năm khoảng 2-20kJ/g.mol Ưu điểm trình hấp phụ vật lý trình thuận nghịch Bằng cách hạ thấp áp suất riêng chất khí cần hấp phụ hỗn hợp khí thay đổi nhiệt độ, khí bị hấp phụ nhanh chóng nhả mà chất hóa học khơng bị thay đổi Trog trường hợp thay đổi nhiệt độ áp dụng cách phổ biến Tính chất thuận nghịch q trình hấp phụ vật lý có ý nghĩa đặc biệt quan trọng cần thu hồi chất bị hấp phụ có giá trị cần hồn ngun chất hấp phụ bão hòa để tái sử dụng 5 Lượng khí bị hấp phụ q trình hấp phụ vật lý giảm nhanh nhiệt độ tăng có trị số bé nhiệt độ cao nhiệt độ tới hạn chất bị hấp phụ Lượng khí bị hấp phụ tỷ lệ thuẩn theo diện tích bề mặt vật liệu hấp phụ Một ưu điểm hấp phụ vật lý tốc độ hấp phụ diễn nhanh Hấp phụ hóa học llaf kết phản ứng hóa học chất bị hấp phụ vật liệu hấp phụ Trong trường hợp lực liên kết mạnh nhiều so với lực liên kết hấp phụ vật lý Do lượng nhiệt tỏa lớn nhiều sơz với lượng nhiệt giải phóng hấp phụ vật lý Lượng nhiệt thương nằm khoản 20-400kJ/g.mol Do lượng nhiệt hấp phụ hóa học lớn, lượng cần cho phản ứng phân tử chất bị hấp phụ với phân tử chất hấp phụ đáng kể so với lượng cần cho phản ứng chất pha khí Chi phí lượng cho phản ứng sơ sở để giải thích hiệu chất xúc tác bề mặt chất rắn việc thúc đẩy nhanh số q trình hóa học cơng nghiệp hóa chất [5] Một đặc điểm khác biệt quan trọng hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học tính chất khơng thuận nghịch q trình Khi cần giải khí bị hấp phụ q trình hấp phụ hóa học chất hóa học khí bị thay đổi Do muốn thu hồi khí có giá trị hồn ngun chất hấp phụ để tái sử dụng cần chọn vật liệu hấp phụ có tính chất hấp phụ vật lý chủ yếu Nếu tốc độ trình hấp phụ hóa học phụ thuộc vào nhiệt độ, người ta gọi q trình hấp phụ hóa học kích hoạt Cịn q trình hấp phụ xảy nhanh không phụ thuộc vào nhiệt độ, người ta gọi q trình hấp phụ hóa học khơng kích hoạt 2.1 Nội dung Vật liệu hấp phụ [1] Vật liệu hấp phụ- thường loại vật liệu dạng hạt từ 6-10 mm xuống đến cỡ 200μm có độ rống lớn hình thành mạch mao quản li ti nằm bên khối vật liệu Đường kính mao quản lớn số lần đường kính phân tử chất cần hấp phụ vật liệu hâp phụ có tác dụng tốt Do chứa nhiều mao quản, nề bề mặt tiếp xúc vật liệu lớn Ví dụ, than hoạt tính có bề mặt hiệu lên đến 105 -106 𝑚2 /kg Ngoài bề mặt tiếp xúc ra, vật liệu hấp phụ cần có số tính chất hóa học cần thiết tùy thuộc vào thành phần hóa học chúng Ví dụ than hoạt tính có lực mạnh hydrocacbon, silicagel có tính chất hút nước mạnh Than hoạt tính silicagel có khả phục hồi – tức hồn ngun Vật liệu hấp phụ cần đáp ứng yêu cầu sau đây: - Có khả hấp phụ cao- tức hút mộ lượng lớn khsi cần khử từ pha khí - Phạm vi tác dụng rộng- khử nhiều loại khí khác - Có độ bền học cần thiết - Giá thành rẻ Vật liệu hấp phụ chia thành ba nhóm chính: - Vật liệu khơng có cực: Trên bề mặt chúng xảy chủ yếu tượng hấp phụ vật lý - Vật liệu có cực: Trên bề mặt chúng xảy q trình hấp phụ hóa học khơng làm thay đổi cấu trúc phân tử khí cấu trúc bề mặt vật liệu hấp phụ - Vật liệu mà bề mặt chúng xảy q trình hấp phụ hóa học q trình làm thay đổi cấu trúc phân tử khí Vật liệu phổ biến thuộc nhóm than hoạt tính – vật liệu hồn tồn cấu tạo dạng ngun tử trung tính có diện tích phân bổ bề mặt Kích thước lỗ rỗng đóng vai trò quan trọng làm cho vật liệu hấp phụ có khả hấp phụ chất chất khác tức có tính chất lực chọn Ví dụ đường kính mao quản 0,003μm vật liệu hấp phụ chất H2O, NH3 Nếu đường kính mao quản tăng lên đến 0,004μm, loại phân tử lớn CO2, SO2, H2S, C2H4, bị hấp phụ Khi đường kính mao quản 0,005μm vật liệu hấp phụ parafin hydrocacbon mạch vòng Với đặc điểm đường kính mao quản, than hoạt tính hấp phụ chất sau đây: - Hơi axit, rượu, etylaxetat với mức độ hấp phụ 50% trọng lượng thân - Axeton, acronlein, Cl, H2S với mức 10- 25% Để lọc khí thải từ hệ thống thơng gió, Liên Xơ(Cũ) có sản xuất loại than hoạt tính nhãn hiệu AG, KAY, CKT v.v… với thông số kỹ thuật cho bảng sau: Bảng 1: Số hiệu kỹ thuật số loại than hoạt tính liên xơ sản xuất Kích thước Loại hạt mm Khối lượng Thể tích hấp đơn vị đồ đống phụ lỗ rỗng, kg/m3 cm3/g AG-2 1,0 - 3,5 600 0,3 AG – 1,5 – 2,7 450 0,3 AG – 1,0 – 1,5 450 0,3 AP – 1,0 – 5,5 550 0,33 APT 1,0 – 6,0 550-600 0,33 KAY 1,0 – 5,0 400 0,33 CAY 1,0 – 5,0 450 0,36 CKT 1,0 – 3,5 380-500 0,45 – 0,59 CKT – 1,0 – 3,5 420 – 450 0,46 Hiện công nghiệp người ta thượng dùng vật liệu hấp phụ gọi than lọc phân tử MSC ( Molecul Sieve Carbon) có tính tốt Sau số thông số kỹ thuật than MSC Nhật Bản sản xuất: Bảng 2: Thông số kỹ thuật than MSC Nhật Bản sản xuất Thơng số Kích thước lỗ rổng, m Khối lượng đơn vị đồ đống, kg/m3 Khối lượng đơn vị thực, kg/m3 Thể tích lỗ rỗng tổng cộng, cm3/g MSC – A 4.10-10 Các loại MSC MSC – 5A MSC – B 10-10 10-10 MSC – C 10-10 640 520 510 500 1800 1800 1800 1800 0,34 0,56 0,59 0,61 Bảng 3: Các thông số kỹ thuật chất hấp phụ thông dụng [2] Vật liệu Than hoạt tính Silicagel Alumogel Khối lượng đơn vị đồ đống, kg/m3 380-600 400-900 1000 Đường kính lỗ rỗng, m (20-40) 10-10 (30-200) 10-10 90 10-10 Thể tích lỗ rỗng tổng cộng, cm3/g 0,6-0,8 ≈0,4 0,39 Bề mặt lỗ rỗng, m2/g 500-1500 200-600 175 Ngoài ra, để hấp phụ chất dnajg rượu, nước( làm khô), người ta sử dụng loại vật liệu hấp phụ phổ biến than hoạt tính, silicagel alumogel với thông số kỹ thuật bảng 2.2 Thiết bị hấp phụ [3] Trong thiết bị hấp phụ, vật liệu hấp phụ đổ thành lớp đệm có bề dày định cho dịng khí cần xử lý qua Thơng số quan trọng lớp đệm vật liệu hấp phụ sức cản khí động phải nằm phạm vi thích hợp để tổn thất áp suất dịng khí qua thiết bị không lớn, đồng thời đảm bảo thời gian tiết xúc cần thiết khí vật liệu hấp phụ Thơng thường vận tốc khí tồn tiết diện ngang thiết bị năm khoảng 0,1-0,5 m/s thời gian lưu dịng khí lớp vật liệu hấp phụ khoảng 1-6s Yếu cầu đề thiết kế chọn thiết bị hấp phụ là: - Đảm bảo thời gian hcu kỳ làm việc thích hợp - Có xử lý sơ đới với khí thải để loại bỏ chất hấp phụ - Xử lý làm giảm bớt nồng độ ban đầu chất cần khử khí thải để bảo vệ lớp vật liệu hấp phụ khỏi bị tải - Phân phối dịng khí qua lớp vật liệu hấp phụ cách đặn - Đảm bảo khả thay hoàn nguyên vật liệu hấp phụ sau đạt trạng thái bão hịa Nói chung, thiết kế hệ thống hấp phụ, ta chọn phương án hoạt động đợt liên tục, có hồn ngun khơng hồn ngun Trong hình giới thiệu sơ đồ hệ thống hấp phụ làm việc liên tục gồm hai thiết bị hấp phụ luân phiên nhau, làm việc chu kỳ hấp phụ làm việc theo chu kỳ hoàn nguyên 9 Hình 1: Sơ đồ hệ thống hấp phụ gồm hai thiết bị hấp phụ nối song song 2.3 Đường đặc tính hay cịn gọi đường cân đẳng nhiệt vật liệu hấp phụ Để phục vụ cho việc tính tốn thiết kế hệ thống hấp phụ,một thơng số quan trọng vật liệu hấp phụ cần xác định thực nghiệm,đó khả hấp phụ vật liệu chất cần hấp phụ (kg/kg) ứng với nhiệt độ áp suất riêng khác chất cần hấp phụ khí thải.Các thơng số thiết lập thành đường biểu diễn gọi đường đặc tính đường cân đẳng nhiệt vật 10 liệu hấp phụ Trên hình đường cân đẳng nhiệt than hoạt tính chất khí axeton benzen Ở nhiệt độ định áp suất riêng chất bị hấp phụ khí thải tăng cao khả hấp phụ vật liệu tăng,trong nhiệt độ thấp khả hấp phụ tăng nhanh,ngược lại,ở nhiệt độ cao độ tăng khả hấp phụ chậm,thậm chí khơng đáng kể,theo độ tăng áp suất riêng.Do đó,điều ln ln mong muốn tiến hành q trình hấp phụ nhiệt độ thấp Hình 2: Đường cân đẳng nhiệt than hoạt tính axeton benzen tốt.Ngoài ra,khả hấp phụ tăng khối lượng phân tử chất bị hấp phụ tăng điều kiện khác nhau.Lấy đường cân 100C axeton benzen hình để so sánh nhiệt độ áp suất riêng,khả hấp phụ than hoạt tính benzen lớn đáng kể so với axeton phân tử gam benzen lớn phân tử gam axeton (tương đương 78 58) 11 Đường đặc tính loại vật liệu hấp phụ khác khơng phải lúc có dạng hình 2.Có thể có ba dạng đường đặc tính khác vật liệu hấp phụ : cong lõm phía (a),cong lõm phía dưới(b) cong có điểm uốn(c) (hình3) Hình 3: Các dạng đường đặc tính ( cân đẳg nhiệt) vật liệu hấp phụ Trong tài liệu kỹ thuật có nhiều cơng thức nhiều tác giả khác đường cong cân đẳng nhiệt vật liệu hấp phụ,trong số có công thức Brunauer-Emmett-Teller (B.E.T) áp dụng phổ biến Công thức thiết lập sở cường độ ngưng tụ bay từ nhiều lớp phân tử khác bề mặt vật rắn có dạng: [3] 𝑉 𝑉𝑚 = 𝑏𝑝 (𝑏−1)𝑝 ] 𝑃0 (𝑃0− 𝑝)[1+ Trong V : thể tích chất khí bị hấp phụ nhiệt độ áp suất cho; Vm : thể tích chất khí bị hấp phụ có lớp bề dày phân tử chất bị hấp phụ bề mặt vật liệu hấp phụ; P0 : áp suất bão hòa chất bị hấp phụ nhiệt độ hệ thống; p: áp suất riêng có chất bị hấp phụ khối khí thải; b : hệ số thực nghiệm trình hấp phụ 12 2.4 Vùng hấp phụ sóng hập phụ [2] Giả sử ta có thiết bị hấp phụ với lớp đệm vật liệu hấp phụ có tiết diện ngang S, m2 bề dài l, m Khí trơ mang chất nhiễm vào thiết bị với lưu lượng G’ kg/m2.s nồng độ ban đầu chất khí nhiễm A cần khử pha khí Yo, kg/kg khí trơ Theo thời gian làm viễ lượng chất ô nhiễm ( Khí A) bị hấp phụ lớp đệm tăng dần, tích tụ chất nhiểm lớp đệm khơng diễn cách đồng tồn lớp đệm Thời gian ban đầu, dải vật liệu đệm sát đầu vào thiết bị hấp phụ mạnh hiệu Hình 4: Sự dịch chuyển vùng hấp phụ lớp đệm thiết bị hấp phụ [3] chất ô nhiễm trở nên bão hịa Về phí pha khí qua dải đầu tiền lớp vật liệu đệm nồng độ chất nhiễm giảm nhanh khí hồn tồn giải phóng khỏi chất nhiễm dải Tình hình nêu thể hình 4a, độ dàu- thưa chấm hai mặt cắt 1-1 2-2 biểu diễn lượng chất ô nhiễm bị hấp phụ vật liệu đệm bảo hịa Như vật nồng độ chất nhiễm pha khí mặt cắt 1-1 giữ nguyên trạng tháu ban đầu( dải vật liệu đệm trước 1-1 bão hịa khơng cịn khả hấp phụ nữa), cịn mặt cắt 2-2 nồng độ tiệt tiêu Đường biểu diễn nồng độ chất ô nhiễm pha khí từ mặt cắt 1-1 đến 2-2 thể hình 5a tương ứng với vị trí trường hợp a,b,c hình 13 Hình 5: a) Sóng hấp phụ; b) Nồng độ Y đầu thay đổi theo thời gian vận hành Cần thấy đường biếu diễn nồng độ nêu đồng thời đường biếu diễn nồng độ chất ô nhiễm pha rắn từ mặt cắt 1-1 đến 2-2, tức lượng chất ô nhiễm bị hấp phụ quy cho 1kg chất hấp phụ ký hiệu X, kg/kg chất hấp phụ Như vậy, mặt cắt 1-1 : X1 = Xbh – nồng độ bão hòa mặt cắt 22 : X2 = Theo thời gian, đường biểu diễn nồng độ pha khí pha rắn mặt cắt 1-1 2-2 dịch chuyển phía cuối thiết bị sóng Chính ý nghĩa nêu trên, người ta quy ước gọi dải vật liệu đệm hai mặt cát 1-1 2-2 “ vùng hấp phụ” đường biểu diễn nồng độ vùng hấp phụ “ sóng hấp phụ” Trên hình 5b nồng độ chất nhiễm pha khí đầu thiết bị hấp phụ thay đổi thep thời gian theo lưu lượng tích lũy pha khí qua tồn 14 lớp vật liệu hấp phụ Khi vùng hấp phụ nằm vị trí (a), (b), nồng độ Y đầu thiết bị gần Khi mép bên phải vùng hấp phụ hết bà dài l lớp đệm( hình 5a – vị trí c) nồng độ đầu thiết bị bắt đầu tăng cao, đạt trị số Yn thời điểm tn sau bị tiếp tục làm viễ nồng độ tiếp tục tnawg đến nồng độ ban đầu Yo Tại thời điểm lớp vật liệu đệm hồnh tồn bão hịa tác dụng hấp phụ Về phương diện bảo vệ môi trường, người ta không đợi đến lúc nồng độ đầu thiết bị hấp phụ đạt trị số nồng độ ban đầu Y o, cho thiết bị ngừng hoạt động để hoàn nguyên thay mà thời điểm tn, nồng độ Yn, xấp xỉ nồng độ phát thải cho phép phải ngừng chu kỳ hấp phụ Lúc tn, gọi điểm ngừng Hình dạng sóng hấp phụ bề dày vùng hấp phụ có ý nghĩa quan trọng Cường độ hấp phụ vật liệu hấp phụ lớn bề dày vùng hấp phụ bé đường cong hấp phụ dốc đứng Khi cường độ vơ lớn bề dày vùng hấp phụ khơng sóng hấp phụ đường thẳng đứng Trong trường hợp thời gian làm việc thiết bị lúc xuất "điểm ngừng" kéo dài lúc xuất điểm ngừng toàn khối vật liệu hấp phụ lớp đệm bão hịa Đây trường hợp lý tưởng, khơng thể có thực tế Ngược lại, cường độ hấp phụ vật liệu thấp (yếu) bề dày vùng hấp phụ lớn sóng hấp phụ có dạng thoai thồi Lúc điểm ngừng xuất sớm độ bảo hòa khối vật liệu đệm thấp, nhiều trường hợp đạt khoảng 15 + 20% Trong thực tế, xét phương diện kinh tế kỹ thuật điều hợp lý để mức độ bảo hòa vật liệu đệm đạt khoảng 75 + 80% xuất điểm ngừng Tất điều nói phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quan trọng chương mục bề dày vận tốc dịch chuyển vùng hấp phụ 2.5 Lý thuyết tính tốn q trình hấp phụ [3] Lý thuyết tính tốn q trình hấp phụ xây dựng phương pháp tiếp cận vấn đề cách khác Ở ta xuất phát từ cân vật chất vùng hấp phụ cịn nói lớp sóng hấp phụ Trên hình sóng hấp phụ bề dày ở vị trí 𝑥 = 𝑥1 𝑥2 lớp đệm có diện tích tiết diện ngang S bề dài 𝑙 Như trình bày, phần vật liệu đệm phía trước mép trái (𝑥1 ) sóng hồn tồn bão hịa, điều có nghĩa phần lớp đệm pha khí pha rắn trạng thái cân Như nồng độ chất nhiễm pha khí 15 mép trái sóng 𝑌 = 𝑌0 , (nồng độ ban đầu chất ô nhiễm pha khí) cuối sóng (mép phải) 𝑌 = Cịn pha rắn, nồng độ chất nhiễm bị hấp phụ mép trái phải sóng cách tương ứng 𝑋𝑏ℎ Nếu gọi 𝑣𝑠 vận tốc dịch chuyển sóng sau quãng thời gian 𝑟 sóng dịch chuyển đoạn đường ∆𝑥 = 𝑣𝑠 𝑡 chiếm vị trí 𝑥’1 − 𝑥′2 Nếu điểm quan sát dịch chuyển theo sóng, ta ln ln nhận thấy nồng độ chất ô nhiễm pha khí vào mép trái sóng 𝑌 = 𝑌0 , khỏi mép phải sóng 𝑌 = Về phía pha rắn, lượng chất ô nhiễm từ pha khí chuyển vào pha rắn làm cho dài vật liệu đệm có bề dày ∆𝑥 hồn tồn bão hịa phần khí bị hấp phụ vào pha rắn vị trí đầu 𝑥1 − 𝑥2 , (phần gạch chéo) chuyển sang cách nguyên vẹn vị trí 𝑥’1 − 𝑥’2 (phần chấm chấm) Do ta viết phương trình cân vật chất cho sóng hấp phụ sau: 𝐺′𝑆𝑡 𝑌0 = 𝑝ℎ𝑝 𝑣𝑠 𝑆𝑡 𝑋𝑏ℎ (1) Hình 6: Sơ đồ tính tốn cân vật chất sóng hấp phụ Từ ta rút vận tốc dịch chuyển sóng hấp phụ 𝑣𝑠 : 𝑣𝑠 = 𝐺′𝑌0 𝑝ℎ𝑝 𝑋𝑏ℎ , 𝑚/𝑠 (2) Trong đó: 𝑝ℎ𝑝 - khối lượng đơn vị đổ đống vật liệu hấp phụ lớp đệm, 𝑘𝑔/𝑚3 𝐺′ - lưu lượng chất khí trơ mang chất nhiễm đơn vị diện tích tiết diện ngang thiết bị, 𝑘𝑔/𝑚2 𝑠; 𝑌0 - nồng độ ban đầu chất ô nhiễm pha khí, 𝑘𝑔/𝑘𝑔 khí trơ 16 𝑋𝑏ℎ - nồng độ bão hịa chất nhiễm lớp đệm vật liệu hấp phụ, 𝑘𝑔/𝑘𝑔 chất hấp phụ Nồng độ bão hịa 𝑋𝑏ℎ chất nhiễm vật liệu hấp phụ nhiệt độ áp suất định phụ thuộc vào nồng độ chất ô nhiễm pha khí thường biểu diễn biểu thức: 𝛽 (3) 𝑌𝑐 = 𝛼𝑋𝑏ℎ Trong đó: 𝑌𝑐 - nồng độ cân pha khí ứng với nồng độ bão hòa 𝑋𝑏ℎ pha rắn; 𝛼, 𝛽- số thực nghiệm cho cặp chất hấp phụ bị hấp phụ nhiệt độ áp suất định Như giả thiết, phần vật liệu hấp phụ phía trái sóng hấp phụ bão hòa cân với nồng độ ban đầu chất nhiễm pha khí, ta nhận 𝑌𝑐 = 𝑌0 , thay trị số Xoa từ biểu thức (3) vào (2), ta có: 𝑣𝑠 = 𝐺′ 𝑝ℎ𝑝 (𝛽−1)/𝛽 𝛼1/𝛽 𝑌0 , 𝑚/𝑠 (4) Bây để xác định bề dày sóng vùng hấp phụ, ta cần thiết lập mối quan hệ 𝑌 𝑥 cách xem xét trình trao đổi chất diễn dài vật liệu đệm có bề dày dư vùng hấp thụ (hình 7) Tại điểm dọc theo trục 𝑥 vùng hấp phụ nói chung phần tử đệm 𝑑𝑥 vùng hấp phụ nói riêng có giá trị 𝑌 pha khí tương ứng với 𝑋 pha rắn Nếu gọi 𝑑𝑚 khối Hình 7: Sơ đồ tính tốn bề dày hấp phụ lượng chất nhiễm trao đổi pha khí pha rắn phần tử đệm 𝑑𝑥 , dựa vào lý thuyết trao đổi chất áp dụng phần hấp thụ, ta viết phương trình sau đây: 𝑑𝑚 = 𝐾𝑎𝑆𝑑𝑥(𝑌 − 𝑌𝑐 ), 𝑘𝑔/𝑠, (5) 17 Trong đó: K: hệ số trao đổi chất tình hấp phụ, kg/m2s 𝛼: diện tíchbề mặt tiếp xúc quy cho đơn vị thể tích chấp hấp phụ, m2/m3 Y: nồng độ chất ô nhiễm pha khí tọa độ x, kg/kg Yc: Nồng độ chất nhiễm lớp biên pha khí bề mặt chấp hấp phụ, kg/kg Đây trị số nồng độ cân pha khí lớp biên ứng với nồng độ X có pha rắn tọa độ thời điểm xem xét 2.6 Hoàn nguyên vật liệu hấp phụ [3] Khi xuất điểm ngừng, tức nồng độ chất ô nhiễm pha khí đầu thiết bị bắt đầu tăng vượt giới hạn cho phép Yn, cần phải ngừng chu kỳ hấp phụ chuyển sang chu kỳ hồn ngun để giải chất nhiễm bị hấp phụ bề mặt vật liệu Có thể áp dụng phương pháp sau để hoàn nguyên vật liệu hấp phụ: a) Hoàn nguyên nhiệt Vật liệu hấp phụ sấy nóng để khả hấp phụ giảm xuống đến mức thấp lúc chất khí bị hấp phụ Sau hoàn nguyên nhiệt, vật liệu hấp phụ cần làm nguội trước đưa vào sử dụng lại Phổ biến phương pháp nhiệt dùng khơng khí nóng nước b) Hồn nguyên áp suất Ở nhiệt độ không đổi áp suất giảm khả hấp phụ giảm chất khí bị hấp phụ khỏi bề mặt vật liệu c) Hồn ngun khí trơ Dùng trơ khơng chứa chất khí bị hấp phụ thổi qua lớp vật liệu hấp phụ Trong trường hợp áp suất riêng chất bị hấp phụ pha khí thấp không, tạo gradian p ngược chiều so với q trình hấp phụ chất bị hấp phụ pha rắn khuếch tán ngược trở lại vào pha khí tức giải hấp phụ (desorption) Trong phương pháp hồn ngun nêu phương pháp nhiệt nước áp dụng rộng rãi với lý đơn giản, tốn hiệu cao Ngoài ra, dùng nước để hoàn ngun cịn có ưu điểm khác sau đây: - Ở nhiệt độ cao (100°C) giải hầu hết chất khí nhiễm bị hấp phụ pha rắn mà không làm hỏng vật liệu hấp phụ chất khí giải - Hơi nước ngưng tụ lại nhà nhiệt ngưng tụ lớp vật liệu hấp phụ thúc đẩy q trình giải hấp phụ - Có thể thu hồi chất bị hấp phụ cách cho ngưng tụ Vật liệu hấp phụ có độ ẩm cao sau hồn ngun nước làm khơ cách thổi khơng khí lạnh khơ qua; 18 - Hơi nước có entanpy cao nhiều so với khơng khí nóng nhiệt độ vật liệu hấp phụ nâng cao cách nhanh chóng Q trình hồn ngun - giải hấp phụ trình đảo ngược hấp phụ tức hình thành sóng giải hấp phụ sóng hồn ngun lớp vật liệu đệm dịng khí hồn ngun qua, theo Kenneth W cộng dạng công thức vận tốc dịch chuyển sóng, bề dày sóng v.v có dạng tương tự q trình hấp phụ Ta có cơng thức thời gian hồn ngun bỏ qua bề dày sóng hồn ngun xác định: tR= 𝑙 𝑣𝑅 = 𝑙.𝑝ℎ𝑠 𝐺′𝑅 𝛼𝑅 𝑌 ( 𝑜) (1−𝛽𝑅 )/𝛽 (s) 𝛼 Ví dụ 13.4: Cần hồn ngun lớp đệm vật liệu hấp phụ xem xét ví dụ 13.3 nước bão hịa với lưu lượng G'R = 0,04 kg/m2.s Các hệ số biểu thức cân bằng: aR = 1400; Bk = 2,4 Xác định thời gian hồn ngun Giải: Áp dụng cơng thức ta tính được: tR= 1,7.450 0,04.1400 ( 0,004 (1−2,4)/2,2 150 ) = 4580s Nếu muốn hệ thống có hai thiết bị luân phiên làm việc hoàn nguyên thời gian hồn ngun phải rút ngắn từ 1,27 h xuống cịn 0,85 h Lúc lượng nước cấp cho q trình hồn ngun phải tăng lên thành 0,04 ×1,27/0,85 ≈ 0,06kg/m2.s Ưu điểm, Nhược điểm Ứng dụng phương pháp hấp phụ [4] 3.1 Ưu điểm: - Hiệu suất cao, đặc biệt chất khí có khả hịa tan tốt - Xử lý khí độc hại có nhiệt độ thấp - Vận hành đơn giản, dễ bảo quản sửa chữa, chi phí vận hành thấp - Dung dịch, chất hấp thụ dễ tìm kiếm hồn ngun (tuần hồn) - Có thể kết hợp xử lý khí với tách bụi làm lạnh - Có thể xử lý khí có nhiệt, loại bụi dầu nhờn, dễ cháy nổ lưu lượng lớn 19 3.2 - Nhược điểm Nếu sử dụng hồn ngun tốn chi phí hồn ngun lượng lớn dung dịch - Nếu khơng hồn ngun phải xử lý nước thải - Khá tốn lượng - Chiếm nhiều diện tích 3.3 Ứng dụng Hiện xử lý khí thải phương pháp hấp thụ ứng dụng để: - Xử lý khí thải nhiễm - Xử lý khí thải với lưu lượng phát thải lớn - Xử lý khí SOx, HCl, H2S, HF, Cl2, NOx, axeton,… - Thu hồi chất đề tuần hoàn chuyển sang công đoạn sản xuất khác Tổng kết Quá trình hấp phụ xảy buồng hấp phụ có chứa vật liệu hấp phụ, dịng khí thải dẫn qua tháp, theo đó, chất cần hấp phụ giữ lại bề mặt vật liệu hấp phụ dịng khí dẫn ngồi Tùy theo tính chất lưu lượng khí thải nhà máy, công xưởng mà chọn kiểu tháp hấp phụ khác Vật liệu hấp phụ đa dạng, kể đến như: than hoạt tính, silicagel, zeolit, chất hấp phụ tự nhiên khác, tùy loại khí thải cần xử lý mà chọn vật liệu hấp phụ thích hợp Phương pháp hấp phụ có khả làm khơng khí khả tái sinh, tiết kiệm chi phi xử lý cho nhà máy cao, hiệu xử lý 90%, giá thành xử lý thấp vật liệu hấp phụ có giá thành rẻ mà đảm bảo chất lượng dịng khí thải đầu đạt tiêu chuẩn quy định Xử lý khí thải phương pháp hấp phụ Quá trình phân tách loại khí có mặt hỗn hợp nói chung khí thải nói riêng gọi xử lý khí thải phương pháp hấp phụ Q trình hấp phụ sử dụng rộng rãi để khử ẩm khơng khí loại bỏ chất gây mùi, dung mơi, chất màu, những ion hịa tan nước 20 Tài Liệu Tham Khảo [1] GS.TS Trần Ngọc Chấn, Ơ nhiễm khơng khí khí thải tập 3, Nhà xuất khoa học kỹ thuật: Hà Nội, 2001 [2] Tăng Văn Tồn, Trần Đức Hạ, Giáo trình kỹ thuật môi trường, NXB Giáo dục: Hà Nội, 1995 [3] Kenneth W , Cecil F.W, Air pollution Its Origin and Control 2nd Edition, Harper & Row Publishers: New York, 1981 [4] GS.TS Trần Ngọc Chấn, Vấn đè tính tốn dự bào nhiễm mơi tường khơng khí ống khói nhà máy gây ra, Đại Học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh: Bộ GD&ĐT, Bộ Khoa Học, 11/1997 [5] Hoàng Kim Cơ, Kỹ thuật lọc bụi làm khí, NXB Giáo dục: Hà Nội, 1999