tiểu luận phát sinh, tác hại và pp kiểm soát khí NOx

Phát thải chủ yếu từ quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch và sinh khối từ những hoạt động công nghiệp hay hoạt động giao thông vận tải của con người Do sự tăng nồng độ của các hợp chất nit

VIỆN KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

……….o0o………

MÔN HỌC: KỸ THUẬT KIỂM SOÁT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

Giảng viên hướng dẫn: TS Lý Bích Thủy

Nhóm sinh viên thực hiện:

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, vấn đề ô nhiễm môi trường đang là vấn đề được xã hội quan tâm Đi cùng với sự phát triển của công nghiệp kĩ thuật là sự suy thoái môi trường trầm trọng Bầu khí quyển trên Trái Đất cũng không thoát khỏi sự ô nhiễm nặng nề

Như chúng ta đã biết, Nitơ chiếm đến gần 80% thành phần của không khí và các hợp chất của nó có tác động không nhỏ đến bầu khí quyển Nitơ ở dạng khí trơ không ảnh cũng như không gây hại cho con người, nhưng khi chuyển sang dạng hợp chất các hợp chất của nitơ lại có ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường đặc biệt là nitơ oxit có công thức chung là NOx bao gồm NO, NO2, N2O, N2O3, N2O5

Nguồn gôc của các khí NOxcó thể phát sinh từ tự nhiên hay nhân tạo từ tự nhiên là

do qua trình cháy sinh khối (cháy rừng), sấm chớp,…nhưng nguồn gốc các khí

NOx chủ yếu là do nhân tạo Phát thải chủ yếu từ quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch

và sinh khối từ những hoạt động công nghiệp hay hoạt động giao thông vận tải của con người

Do sự tăng nồng độ của các hợp chất nitơ này trong không khí là ảnh hưởng tới sứckhỏe con người và môi trường, đặc biệt là NO2 gây hiện tượng nóng lên toàn cầu

vì vậy hiện nay NOx cũng là khí được quan tâm xử lý

I.NGUỒN GỐC CỦA NOx

NOx có thể phát sinh do các quá trình tự nhiên hay do hoạt động công nghiệp

NOx trong khí quyển do các quá trình tự nhiên gây ra ước chừng 50 107 tấn

Nó phân bố đều trên mặt địa cầu với nồng độ khoảng 2 ÷ 10 µg/m3, gọi là nồng độ bền

NOx do hoạt động của con người tạo ra, tập trung chính ở vùng thành thị và các khu công nghiệp, chiếm khoảng 1/10 lượng NOx trong tự nhiên hiện nay

2 Nguồn gốc sinh học

- Khí thải của NOx chủ yếu là từ đất và phân hủy các chất hữu cơ trong đâị dương,

là chu kỳ Nito trong tự nhiên

- Do việc sử dụng ngày càng nhiều các loại phân bón nhân tạo có chứa Nito đặc biệt là đối với các loại đất có nhiều chất hữu cơ và chế độ thông khí không ổn định.Điều này là một nguồn phát sinh lớn khí N2O do úa trinhg denitrat hóa của một số

vi sinh vật trong điều kiện thiếu oxy dưới đất cũng như dưới nước

3 Nguồn công nghiệp

Phát thải NOx chủ yếu từ quá trình đốt sinh khối và nhiên liệu hóa thạch như ô

tô, máy bay, động cơ và quá trình đốt lò công nghiệp, cũng cuất phát từ việc sản xuất và sử dụng axit nitric: nhà máy phân đạm, nhà máy luyện kim loại Như vậy trên quy mô toàn cầu lượng NOx phát thải đang ngày càng gia tăng

Ngoài ra NO còn được tạo thành do quá trình oxy hóa các hợp chất có chứa nito trong nhiên liệu Sau đó, NO có thể bị oxi hóa tạo thành NO2 Thông thường hầu như trong các nguồn phát thải NOx, NO đều chiếm hơn 90% lượng NOx NOx

cũng được tìm thấy trong tầng bình lưu có thể do quá trình oxi hóa nito oxit hoặc

do khói thải của các máy bay Trong tầng đối lưu, NOx tham gia nhiều pahnr ứng hóa học với các tác nhân khác nhau như O3, ánh sáng, gốc hydroxyl (OH),

hydroperoxyl (H2O2), các phân tử hữu cơ ( bao gồm cả các gốc peroxyl hữu cơ,

RO2), độ ẩm, các hạt lơ lửng Ngoài các phản ứng hóa học, các quá trình vật lý nhưngưng tụ khô và ướt cũng là các quá trình loại NO và NO2 trong khí quyển Trong

đó các quá trình hóa học được xem là cơ chế sink chu yếu của NOx, còn các quá trình vật lý là cơ chế sink của PAN ( peroxyacyl nitrate), HNO3 và N2O5

NOx sớm được tạo thành do phản ứng giữa nito không khí với các gốc

hydrocacbon, CHi ( i = 02) được sinh ra từ nhiên liệu trong môi trường ít oxi:

N2 + CH. HCN + N.

Trong môi trường oxi hóa HCN tiếp tục phản ứng trong cơ chế tạo thành NOx

nhiên liệu

Cơ chế của quá trình tạo NOx sớm cũng xảy ra ở nhiệt độ thấp vì thế để hạn chế

sự hình thành NOx sớm người ta sẽ tăng tốc độ nạp của hỗn hợp nhiên liệu – không khí

II ẢNH HƯỞNG CỦA NOX

1. Đối với sức khỏe của con người

- Khí NOX thường tồn tại trong khí quyển độ 4 - 5 ngày Trong họ NOx thì

NO2 là độc hại nhất Tuy nhiên NO ở điều kiện hợp lý thì NO cũng chuyển thành NO2

- NO2 là chất khó hòa tan nên nó có thể đi theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm phổi và làm hủy hoại tế bào của phế nang Khi vào phổi 80% lượng NO2 bị giữ lại

- Nếu tiếp xúc với NO2 nồng độ 10 – 25 ppm trong 24h làm gia tăng hình thành fibrin ( tơ huyết) trong đường dẫn khí quản

- Đối với trẻ nhỏ nếu hít phải thì gây bệnh hô hấp và làm giảm khả năng miễn nhiễm

- Khí NO2 với nồng độ khoảng 100 ppm có thể gây tử vong cho người sau một số phút tiếp xúc

- Con người tiếp xúc lâu với không khí có nồng độ khoảng 0.06 ppm đã gây trầm trọng thêm các bệnh về phổi:

Nồng độ NO2, ppm Thời gian Hậu quả đến con người

50-100150-200

500 hoặclớnlơn

Dưới 1 giờDưới 1 giờ

2-10 ngày

Viêm phổi trong 6-8 tuần

Phá hủy dây khí quản, chếtnếu thời gian nhiễm độc là 3-5 tuần

Sẽ chết

Bảng 1: Hậu quả nhiễm độc khí NO 2 ở các nồng độ khác nhau

- Ngoài ra NO2 còn có thể gây hại cho mắt và dạ dày

- NO2 khi hít vào sẽ được chuyển hóa thành ion NO2- và NO3- sau đó nhanh chóng được tìm thấy trong máu và nước tiểu Tiếp xúc với NO2 có thểlàm thay đổi cấu trúc của túi phổi.

- Việc hít phải khí NO2 chứa trong các khí xuất hiện khi đốt xenlulozo và phim nitroxenlulozo dẫn đến cái chết

Hai người đã chết và năm người bị thương khi xảy ra sự rò rỉ NO2 lỏng khi phóng tên lửa vượt đại dương Titan II ở Rock, Kansas vào ngày 24/8/1978

- NO2 lỏng được dùng trong các tên lửa như là chất oxi hóa cho nhiên liệu

N2H2

2. Đối với thực vật

- Khí NO2 gây ức chế quang hợp: Do cạnh tranh NADPH giữa quá trình khử Nitrit và đồng hóaCacbon trong lục nạp

- Tổn thương màng tế bào và quá trình sinh hóa là do NH3 hòa tan như sau:

NOx-> NO3- -> NO2- -> NH3 -> amino acids-> proteins

- NO ức chế tổng hợp lipit vào oxi hóa axit béo không bão hoà

3 Đối với tự nhiên

- NO2 có phản ứng với các khí gốc Hydroxyl (HO) trong khí quyển

để hình thành axit nitric ( HNO3) Khi trời mưa, nước mưa sẽ rửa không khí bị ô nhiễm khí NO2 và hình thành nên mưa axit gây ảnh hưởng lớn đến con người và sinh vật trên Trái đất

- Các nghiên cứu khoa học cho biết các loại Nito oxit có tác dụng làm phai

màu thuốc nhuộm vải, làm hư hỏng vải bông và nilon, làm gỉ kim loại và sảnsinh ra các phân tử nitrat

- N2O còn có tác dụng gây hiệu ứng nhà kính ( Môi Trường Không Khí T127), được sinh ra trong quá trình đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch Hàmlượng của nó đang tăng lên trên phạm vi toàn cầu, hàng năm từ 0,2-3% Một lượng nhỏ N2O khác xâm nhập vào khí quyển do kết quả của quá trình nitrathóa các loại phân bón hữu cơ và vô cơ N2O xâm nhập vào không khí sẽ không thay đổi dạng trong thời gian dài, chỉ khi đạt tới những tầng trên của khí quyển nó mới tác động một cách chậm chạp với nguyên tử oxi

III PHƯƠNG PHÁP KIỂM SOÁT KHÍ NOX

Các vấn đề ô nhiễm môi trường không khí có những đặc đặc thù riêng biệt không như nhũng loại ô nhiễm khác như trong nước và trong đất.Không khí như chúng ta biết nó bao quanh chúng ta và dễ dàng phát tán ra vùng không gian rộng lớn, do

đó việc xử lí khi đã bị phát tán các chất ô nhiễm vô cùng khó khăn nên các biện pháp kiểm soát ,hạn chế nguồn phát thải các chất ô nhiễm luôn đươc ưu tiên hàng đầu

Các biện pháp kiểm soát nguồn thải

Trong nhóm biện pháp kiểm soát nguồn thải đượcnchia làm hai nhóm biện pháp nhỏ là biện pháp quản lí và biện pháp kĩ thuật

1.Biện pháp quản lí

Luật pháp chính sách : cần quy định cụ thể về việc xả thải trong các ngành công

trong các ngành đặc thù như xi măng khai khoáng Đồng thời cần thiết lập hệ thống quản lí ,quan trắc môi trường ,thanh tra việc tuân thủ luật pháp của các công ty ,xí nghiệ về các vấn đề môi trường

Cần có những chính sách khuyến khích các ngành công nghiệp phát triển : ngành năng lương tái tạo ,năng lượng thay thế hoặc hạn chế phát thải khí ô nhiễm như giảm thiểu , tạo cơ hội về mạt bằng thủ tục…

Cần giảm thiểu các thiết bị máy móc đã cũ, hiệu suất năng lượng thấp…

Xây dựng hệ thống quan trắc môi trường không khí để kịp thời phát hiện quá trình phát thải, ngăn chặn hay giảm thiểu bằng các biện pháp cưỡng chế và bắt buộc với các xí nghiệp phát thải sai quy định …

Tuyên truyền giáo dục người dân sử dụng tiết kiệm năng lượng, sử dụng những nguồn năng lượng sạch

2.Các biện pháp kĩ thuật

Dùng biện pháp thay đổi công nghệ ( sản xuất sạch hơn ) đây là bieenkj pháp mang tính tích cực ,chủ động mang lại hiệu quả to lớn như thay thế nhiên, nguyên liệu sản xuất thải ra nhiều bụi bằng các nguyên nhiên liệu ít ô nhiễm nhưng vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm ,thay thế quy trình công nghệ, thực hiện đúng các quy trình vận hành ,bảo dưỡng thiết bị là biện pháp ít tốn kém mang lại hiệu quả cao

Các biện pháp xử lý

Có 6 loai oxit nito ổn định là N2O, NO ,NO2, N2O3 và N2O4 và N2O5 và một dạng không ổn định là NO3

a. Hấp thụ khí nước

Xử lí khí thải NOx tên gọi chung của oxit nito gồm các chất NO, NO2 , N2O,

NO2 N2O4 N2O5 được phát sinh từ nguồn công nghiệp do đốt cháy oxi

Xử lí khí thải bằng phương pháp hấp thụ NOx được phản ứng mạnh bởi than hoạt tính tuy nhiên khi tiếp xúc với các oxit nito than có thể cháy và nổ Ngoài ra than có độ bền cơ học thấp và khi phục hồi có thể chuyển NOx

thành NO Khả năng hấp phụ NOx của silicagel thấp hơn than hoạt tính nhưng nó bền cơ học ,không cháy

Các loại khí thải co chứa oxit nito với nồng độ thấp thường được xử lí bằng các phương pháp dùng nước để rửa khí trong các thiết bị thiết bị sục khí sủi bọt ống ventury,…

Khi hấp thụ NO2 bằng nước một phần axit nitric được sinh ra từ pha khí :2NO2(hoặc N2O4) + H2O ->HNO3 + HNO2 (1)

Tháp sục khí sủi bọt

Các oxit nito có thể được khử bằng cách cho dòng khí đi qua hàng loạt các khay sủi bọt với chuyển động ngược chiều giữa khí và nước hoặc dung dịch axit nitric trong nước Khí thải đi vào hệ thống xử lí cần chứa đủ lượng oxy cần thiết để cung cấp cho quá trình oxy hóa oxit nito và thúc đẩy quá trình xảy ra được nhanh chóng và triệt để Hiệu quả khử NOx của tháp sục khí sủi bọt giảm khi nồng độ ban đầu của nó trong khí thải giảm.Khi nồng độ ban đầu thấp thì phần lớn thì các oxit nito thu được từ các phản ứng là ở dạng nito dioxit nếu cao thì thu được dinito tetraoxit thu được sẽ cao.Điều

đó giải thích vì sao hiệu quả của quá trình thấp khi nồng độ ban đầu thấp vì tốc độ phản ứng dinito tetraoxit với nước nhanh hơn nhiều so với nitodioxit với nước

Tháp scrubo có lớp đệm rỗng và tháp phun

Ascrubo có lớp đệm rỗng và tháp phun ( buồng phun ) cũng được sử dụng

để xư lí khí thải với chất hấp phụ là nước.Tuy nhiên các loại thiết bị này chohiệu quả không cao khi cho nồng độ ban đầu của NOx trong khí thải tương đối thấp

- Ưu điểm:

+ Tiết kiệm chi phí;

+ Dung dịch sau hấp thu dễ xử lý;

+ Dễ vận hành;

+ Trong quá trình ngoài NOx , thì bụi và một số khí độc khác có khả năng bị nước hấp thụ, cũng đc xử lí 1 phần.

- Nhược điểm:

+ Hiệu suất thấp;

+ Tiêu tốn lượng dung môi lớn

b. Hấp thụ bằng dung dịch amoni cacbonat

Atsukawa M và cộng sự hãng công nghiệp nặng Mitsubishi (Nhật Bản ) đã nghiên cứu quá trình xử lí này trong tháp hấp thụ với hiệu suất 65% và hiệu quả còn đượcnâng cao đáng kể khi dùng tấm nhựa polyvinyl gợn sóng làm lớp đệm trong tháp hấp thụ (hiệu quả đạt đến 95,1%)

c. Hấp thụ bằng silicagel, alumogel,than hoạt tính

Khí thải có chứa 1-1,5% NOx có thể xử lí bằng các chất hấp phụ như silicagel, alumogel, than hoạt tính,…

Khi trong chất hấp phụ có chứa đioxit nito thì nó trở thành chất xúc tác để oxy hóa các oxit nito thành nito dioxit.Nito dioxit bị hấp phụ vào các chất trên và cóthể tách ra bằng cách đun nóng

Khả năng hấp phụ NOx của các chất rắn là rất thấp lên muốn đạt yêu cầu khử

NOx một cách triệt để cần lắp đặt hệ thống với nhiều tầng hấp phụ nối tiếp nhau,dẫn đến tiêu hao nhiều năng lượng để thắng sức cản khí động của hệ thống Mặtkhác , bụi trong khí thải cũng làm giảm nhanh chóng khart năng hấp phụ của vật liệu do đó khí thải trước khi vào hệ thống xử lí cannf dduocj lọc sạch tro bụinhưng cũng có uwu điểm là có khả năng thu hồi NO2 nồng độ cao để điều chế axit nitric phục vụ cho nhiều nhu cầu khác nhau trong công nghiệp

***Silicagel:

- Ưu điểm: Độ bền cơ học, không cháy.

- Nhược điểm: Khả năng hấp phụ kém, tái sinh có thể chuyển NOx thành NO + MnO và Fe2O3 kiềm hóa có nhược điểm là có tính mài mòn cao

+ Chất hấp thụ thích hợp nhất đối với NOx là chất có thể hoàn nguyên và không phản ứng ưu tiên với CO2 và H2O trong khí thải Với tiêu chí đó, chất hấp phụ có tiêu chí hơn cả là muối sắt, zeolit

+ Do sự khan hiếm chất hấp phụ, thể tích lọc của chúng nhỏ và chi phí nhiệt hoàn nguyên lớn nên pp này chưa được phổ biến rộng rãi

***Một số chất hấp phụ mới trong tự nhiên được nghiên cứu như than bùn, than nâu, licnin, nguyên liệu fotfat.

- Ưu điểm: sau khi lọc không cần hoàn nguyên mà có thể sử dụng như phân khoáng hữu cơ

d. Giảm thiểu có xúc tác lượng oxit nito bằng các chất gây phản ứng khử khác nhau

Oxit nito trong khói thải có thể được giảm thiểu có xúc tác bằng các chất gây phản ứng khử khác nhau nhau như CO, H2 ,CH4 , H2S , NH3,…

***Khử xúc tác chọn lọc với chất khử là CO

Khi sử dụng khí monoxit cacbon CO làm chất gây phản ứng khử, ta có phản ứng sau đây:

2NO + 2CO → 2CO2 + N2

2NO2 + 4CO → 4CO2 + N2

Chất xúc tác cho hiệu quả cao đối với các phản ứng nêu trên là các kim loại dạng plantin-rodi ( Pt-Rh)

Hai chất tham gia phản ứng dều độc hại và những chất thu được không hoặc rất ít

có hại Đặc bietj ý nghĩa hơn nếu điều chỉnh được quá trình cháy sao cho lượng khí

NOx và CO trong khói thải nằm trong tỉ lệ phù hợp với các phản ứng đó

***Khử xúc tác chọn lọc với chất khử là Amoniac

Amoniac là chất khử có khả năng phản ứng chọn lọc với NO và NO2 ở nhiệt

độ cao > 2320C Quá trình khử được thựchiện trên bề mặt xúc tác tạo thành Nito vànước theo các phản ứng sau:

+ Giá thành xử lý thấp do nguyên liệu rẻ, xúc tác dễ kiếm;

- Nhược điểm : Cần phải gia nhiệt dòng khí trước khi đưa vào hệ thống xử lý

e. Xử lí các oxit nitơ có thể sử dụng dung dịch oxy già loãng

YẾU TỐ CƠ BẢN XÁC ĐỊNH KINH TẾ của quá trình là lưu lượng oxi già.Để thúc đẩy quá trình có thể dùng chất xúc tác Hiệu quả xử lí có thể đạt 97%.

Phương trình phản ứng tạo thành các phức sau:

FeSO4 + NO =Fe(NO) Fe(NO)SO4

FeCl2 + NO =Fe(NO)Cl2

2Na2S2O3 + 6NO = 3N2 + 2Na2SO4

g. Xử lí khí thải NO x với nhiệt độ cao

Bản chất của quá trình xúc tác là để làm sạch khí và thực hiện các tương tác hóa học nhằm chuyển hóa chất độc thành sản phẩm khác với sự có mặt của chất xúc tác đặc biệt

Khử oxit nitơ có xúc tác và nhiệt độ cao

Quá trình diễn ra khi tiếp xúc NOx với khí khử trên bề mặt xúc tác

Chất khử là metan ,khí tự nhiên ,khí than hoặc khí dầu mỏ , CO H2 hoặc hỗn hợp nito hydro

Hiệu quả khử NOx phụ thuộc vào hoạt tính xúc tác.Xúc tác trên cơ sở

plantin kim loại

Bản chất quá trình khử được biểu diễn như sau

- Nhiệt độ cháy: nhiệt độ cháy càng cao, nồng độ NO trong sản phẩm càng lớn;

- Tỷ lệ nhiên liệu, không khí: Hệ số thừa không khí càng lớn, tỷ lệ NO trongsản phẩm cháy càng nhiều;

- Mức độ hòa trộn năng lượng - không khí- sản phẩm cháy;

- Cường độ hấp thu nhiệt của lò: đỉnh nhiệt độ của quá trình cháy giảm thìlượng NOx cũng giảm;

- Loại nhiên liệu: cùng 1 lượng, thứ tự phát thải: than, dầu mỏ, khí đốt

*.Hạ thấp hệ số thừa không khí

Cấp không khí cho quá trình cháy sát với tỷ lệ tính toán về nhu cầu oxi

hạn chế lượng oxi thừa có khả năng kết hợp với nito sinh ra NOx

Áp dụng cho nhiên liệu dầu và khí đốt

**.Tuần hoàn sản phẩm cháy (khói)

- Một phần sản phẩm cháy (10-20%) được tuần hoàn trở lại ngọn lửa

- Với mục đích hạ thấp nhiệt độ ngọn lửa và giảm lượng oxi thừa

- Có thể thực hiện giải pháp này bằng cách thổi hỗn hợp không khí-sản phẩm cháy vào buồng đốt theo tỉ lệ nhất định

- Để có hiệu quả cao người ta thường kết hợp các cách trên lại với nhau

- Ngoài ra còn phụ thuộc vào: