Xác định dung lượng hấp phụ dung môi hữu cơ của một số than hoạt tính trên giá thí nghiệm hấp phụ động lực

Việc sử dụng các loại than hoạt tính (THT) để xử lý các hơi khí độc đã rất phổ biến ở các nước trên thế giới. Với những ưu điểm vượt trội như giá thành rẻ, hiệu quả xử lý cao, thời gian làm việc và khả năng ứng dụng trong các hệ thống xử lý, than hoạt tính đã được ứng dụng trong công nghiệp để xử lý các hơi khí độc nói chung mà cụ thể là các loại hơi dung môi hữu cơ (DMHC) nói riêng.

K t qu nghiên c u KHCN XÁC NH DUNG L NG H P PH DUNG MÔI H U C C A M T S THAN HO T TÍNH TRÊN GIÁ THÍ NGHI M H P PH NG L C ThS Nguy n Vi t Th ng Vi n Nghiên c u KHKT B o h lao đ ng MỞ ĐẦU iệc sử dụng loại than hoạt tính (THT) để xử lý khí độc phổ biến nước giới Với ưu điểm vượt trội giá thành rẻ, hiệu xử lý cao, thời gian làm việc khả ứng dụng hệ thống xử lý, than hoạt tính ứng dụng công nghiệp để xử lý khí độc nói chung mà cụ thể loại dung mơi hữu (DMHC) nói riêng Tại Việt Nam, vấn đề xử lý dung môi hữu vấn đề thiết sở sản xuất sơn, in, da giày, sản xuất đồ gỗ… Đã có số đề tài nghiên cứu xử lý dung môi hữu tác giả: PGS.TS Vũ Anh Tuấn (Viện hố học), PGS.TS Nguyễn Hồng Liên… Ngồi ra, có nhiều nghiên cứu sản xuất sử dụng than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ tác giả như: PGS.TS Lê Xuân Thành (Viện kĩ thuật hoá học), PGS.TS Lê Huy Du… Các kết nghiên cứu cho thấy V hiệu phương pháp hấp phụ sử dụng than hoạt tính để xử lý DMHC sở sản xuất Hiện nay, thị trường có nhiều loại than hoạt tính nước ngoại nhập với khả hấp phụ giá khác Chính vậy, việc xác định dung lượng hấp phụ loại than hoạt tính với số DMHC phổ biến có ý nghĩa quan trọng trình ứng dụng xử lý DMHC I HỆ THỐNG GIÁ THÍ NGHIỆM HẤP PHỤ ĐỘNG LỰC [3] 1.1 Cấu tạo hệ thống giá thí nghiệm hấp phụ động lực Hệ thống giá thí nghiệm gồm có cụm thiết bị thơng số sau: - Tháp hấp phụ than hoạt tính + Đường kính thân tháp 40mm, chiều dày cột hấp phụ tối đa 500mm; + Vận tốc lọc trung bình 0,4m/s, lưu lượng dịng khí thí nghiệm 30l/ph; + Tồn thân tháp bảo ơn thuỷ tinh dày 50mm - Cụm thiết bị tạo dựng kiểm sốt dịng khí thí nghiệm + Bộ khử ẩm silicagel sử dụng để khử ẩm dịng khí trước vào thiết bị tạo dựng kiểm soát lưu lượng nhiệt độ độ ẩm; + Thiết bị tạo dựng kiểm soát lưu lượng, nhiệt độ độ ẩm P-50A Hãng Cellkraft (Thuỵ Điển) có khả tạo dựng kiểm sốt tự động: • Lưu lượng từ đến 50l/ph (ở 200C, áp suất khí quyển); • Nhiệt độ từ 20 đến 3000C, độ ẩm từ đến 100% - Thiết bị tạo dựng kiểm soát nồng độ DMHC + Máy cấp chất lỏng định lượng NE - 1600 sử dụng xilanh loại 20ml, bơm trực tiếp DMHC dạng lỏng vào buồng trộn với tốc độ 0,002µl/phút để hồ trộn với dịng khí sau qua thiết bị tạo dựng kiểm soát nhiệt độ độ ẩm + Buồng trộn giúp hồ trộn dịng khí DMHC đạt đến nồng độ 1.500ppm trước Taïp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 13 K t qu nghiên c u KHCN đưa vào tháp hấp phụ - Cụm thiết bị lấy mẫu, phân tích, đo đạc giám sát trình xử lý + Thiết bị sắc ký khí GC 2010 plus hãng Shimadzu (Nhật Bản) sử dụng detector FID để phân tích DMHC thuộc nhóm BTEX Ngồi ra, sử dụng lưu tốc kế Cole & Palmer để điều chỉnh lưu lượng dịng khí trước vào thiết bị hấp phụ (dải lưu lượng 0-80 lít/phút) Đồng thời, đo đạc nhiệt độ độ chênh áp dịng khí trước sau tháp hấp phụ - Toàn hệ thống đường ống ống inox có đường kính 10mm, bọc bảo ôn xác định độ kín khít chi tiết trước tiến hành thí nghiệm 1.2 Mơ tả hệ thống giá thí nghiệm hấp phụ động lực (Hình 1) Khơng khí sau qua máy nén (1) qua tháp khử ẩm (4) để khử ẩm sơ trước vào thiết bị gia cơng kiểm sốt lưu lượng, nhiệt độ độ ẩm (5) Đồng thời, bơm DMHC (7) đẩy vào buồng trộn (6) Tại đây, dịng khí sau đạt nhiệt độ độ ẩm cần thiết hoà trộn với DMHC vào khoang lấy mẫu đầu vào (8) Mẫu khí hoà trộn với DMHC qua lẫy mẫu khí (23) đưa vào thiết bị sắc ký khí (24) để xác định nồng độ DMHC Tồn dịng khí lúc đưa qua van (14) để ngồi mơi trường 14 Hình 1: S
đ giá thí nghi m h p ph đ ng l c 1-Máy nén khí; 2-Van điều áp; 3-Bộ lọc khí nén;4-Bộ khử ẩm; 5-Máy gia cơng độ ẩm, nhiệt độ; 6-Khoang cấp trộn DMHC; 7-Bơm cấp DMHC; 8-Khoang lấy mẫu đầu vào; 9-Cảm biến nhiệt độ; 10-Lưu tốc kế; 11-Đường tín hiệu; 12-Van nước; 13-Bình nước cất 1; 14-Van khí; 15-Tháp hấp phụ; 16, 17-Van khí; 18-Máy ngưng tụ; 19-Bình chứa nước ngưng tụ; 20-Máy sản xuất cấp nước; 21-Van khí; 22-Vi áp kế chữ U; 23-Bộ lấy mẫu khí GC; 24-Máy sắc kí khí GC; 25-Máy tính Sau đạt nồng độ DMHC u cầu, dịng khí qua lưu tốc kế (10) vào tháp hấp phụ sử dụng than hoạt tính (15) với độ dày xác định Than hoạt tính sau xử lý sơ cân định lượng đưa vào tháp hấp phụ (15) theo độ dày u cầu Lưu lượng dịng khí kiểm sốt thơng qua lưu tốc kế (10) Tại tháp hấp phụ, than hoạt tính hấp phụ DMHC sau thải ngồi qua van (21) Dịng khí sau qua tháp hấp phụ xác định nồng độ DMHC máy sắc ký khí (24) QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM 2.1 Đối tượng nghiên cứu 2.1.1 Than ho t tính (B ng 1) 2.1.2 Dung môi h u c
Các loại DMHC lựa chọn để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm là: toluen, xylen etylbenzen Các hoá chất sử dụng loại tinh khiết phân tích hãng Merck – Đức Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 K t qu nghiên c u KHCN B ng 1: Thông s v t lý c a lo i than ho t tính TT Chỉ tiêu Đơn vị Kết phân tích Than Trà Bắc Than tre Hoà Bình Than Jacobi Than Norit mm 0,075 – 4,75 2,4-3,1 1,7 – 2,38 0,47 – 1,7 kg/m3 0,474 0,518 420 490 Kích thước/ đường kính hạt Tỷ trọng Độ ẩm % 1,36 2,03 1,18 1,25 Độ tro % 1,81 8,93 0,85 0,92 Xuất xứ - Việt Nam Việt Nam Th Điển Hà Lan 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Ph

ng pháp nghiên c u h i c u tài li u, lý thuy t Phương pháp nghiên cứu tài liệu sử dụng để tổng quan trình hấp phụ xử lý dung môi hữu hệ thống giá thí nghiệm hấp phụ động lực Từ đó, làm sở cho việc quy hoạch nghiên cứu thực nghiệm đề tài 2.2.2 Ph

ng pháp nghiên c u th c nghi m Trên sở quy hoạch thực nghiệm, đề tài tiến hành nghiên cứu thực nghiệm giá thí nghiệm hấp phụ để xác định dung lượng hấp phụ loại than hoạt tính số DMHC 2.2.3 Ph

ng pháp th ng kê x lý s li u th c nghi m Từ số liệu nghiên cứu thực nghiệm Tiến hành phân tích xử lý số liệu để đưa giá trị xác, phản ánh thực tế khả hấp phụ DMHC loại than hoạt tính 2.3 Chế độ thí nghiệm Dịng khí từ máy nén khí gia cơng nhiệt độ, độ ẩm hồ trộn với DMHC Sau đó, đưa qua thiết bị hấp phụ lớp than hoạt tính cố định Tại diễn q trình hấp phụ DMHC Cuối cùng, dịng khí chứa DMHC sau q trình hấp phụ đưa ngồi mơi trường xung quanh STT Chế độ nhiệt ẩm Độ dày cột Lưu lượng Nồng độ than hoạt dòng khí DMHC tính 1.500±10 10 cm Nhiệt độ 40oC 30 lít/phút ppm độ ẩm 70% (tương ứng o vậ n tố c lọ c Nhiệt độ 35 C 20 cm trung bình 0,4 độ ẩm 80% m/s) Nhiệt độ 30oC 30 cm độ aåm 90% 40 cm QUY TRÌNH XÁC ĐỊNH DUNG LƯỢNG HẤP PHỤ HƠI DMHC CỦA THAN HOẠT TÍNH TRÊN GIÁ THÍ NGHIỆM HẤP PHỤ ĐỘNG LỰC 3.1 Quy trình xác định dung lượng hấp phụ (DLHP) DMHC than hoạt tính (xem Hình 2) 3.2 Tính tốn kết thí nghiệm xác định dung lượng hấp phụ Các số liệu từ trình nghiên cứu thực nghiệm xử lý tính tốn để xây dựng đồ thị mối quan hệ TGLV ln((Co-Cx)/Cx) Từ phương trình đồ thị, xác định hệ số A B phương trình tlv = B.a0 – A.ln ((Co-Cx)/Cx), cụ thể sau: Taïp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 15 K t qu nghiên c u KHCN Hình 2: S
đ quy trình xác đ nh Dung l
ng h p ph giá thí nghi m h p ph đ ng l c Từ giá trị hệ số A B này, tính tốn dung lượng hấp phụ hệ số tốc độ hấp phụ (TĐHP) cho loại than hoạt tính chế độ nhiệt ẩm chiều dày cột than hoạt tính khác Các thơng số a0D kv than hoạt tính điều kiện độ ẩm định giá trị trung bình a0D kv với chế độ chiều dày khác điều kiện độ ẩm Trong đó: • a0Di – Dung lượng hấp phụ động lực chế độ chiều dày thứ i (g/g) • kvi – Hệ số tốc độ hấp phụ chế độ chiều dày thứ i (1/ph) • mi – Khối lượng than hoạt tính chế độ chiều dày thứ i (g) • N – Số lượng chế độ chiều dày cột than hoạt tính Cuối cùng, giá trị DLHP hệ số TĐHP loại than hoạt tính DMHC chế độ nhiệt ẩm giá trị trung bình giá trị DLHP hệ số TĐHP chiều dày khác công thức Các kết tính tốn trình bày cụ thể chi tiết phần sau 16 IV KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Dung lượng hấp phụ hệ số tốc độ hấp phụ Từ Bảng thấy dung lượng hấp phụ than hoạt tính Trà Bắc – TBD ba DMHC (toluen, xylen etylbenzen) cao nhất, dao động từ 0,121 đến 0,153g/g DLHP than hoạt tính Jacobi Norit mức thấp hơn, dao động khoảng từ 0,056 đến 0,076g/g Cuối cùng, DLHP thấp than tre Hồ Bình, dao động khoảng 0,31 đến 0,045g/g Hệ số TĐHP than hoạt tính Trà Bắc – TBD ba DMHC (toluen, xylen etylbenzen) cao nhất, dao động từ 1.157,4 đến 1.636,5l/phút DLHP than hoạt tính Jacobi Norit mức thấp hơn, dao động khoảng từ 599,1 đến 792,0l/phút Cuối cùng, DLHP thấp than tre Hồ Bình, dao động khoảng 289,3 đến 504,4l/phút Có thể thấy rõ chênh lệch giá trị DLHP hệ số TĐHP bốn loại than hoạt tính DMHC (toluen, xylen etylbenzen) Từ đó, làm sở cho việc lựa chọn loại than hoạt tính tính tốn, thiết kế hệ thống xử lý DMHC sở sản xuất 4.2 Độ sai lệch kết tính tốn Trong q trình nghiên cứu thực nghiệm, điều kiện thực tế hệ thống giá thí nghiệm Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 K t qu nghiên c u KHCN B ng 2: Dung l
ng h p ph h s TĐHP c a lo i than ho t tính TT Chế độ nhiệt aåm 40oC vaø 70% 35oC vaø 80% 30oC vaø 90% Loại THT Dung lượng hấp phụ aM (g/g) Hệ số tốc độ hấp phụ kvM (l/phút) Toluen Xylen Etylbenzen Toluen Xylen Etylbenzen Trà Bắc 0,153 0,151 0,141 1.636,5 1.536,3 1.311,4 Hoà Bình 0,048 0,045 0,044 504,4 436,7 388,7 Jacobi 0,071 0,076 0,071 741,9 792,0 710,4 Norit 0,062 0,061 0,069 648,8 633,0 713,1 Trà Bắc 0,141 0,140 0,130 1.516,8 1.530,9 1.197,7 Hoà Bình 0,038 0,037 0,036 410,4 379,7 328,0 Jacobi 0,067 0,073 0,066 708,5 771,6 675,1 Norit 0,058 0,060 0,065 614,2 634,5 681,8 Trà Bắc 0,132 0,136 0,121 1.465,9 1.477,2 1.157,4 Hoà Bình 0,033 0,031 0,031 362,0 322,2 289,3 Jacobi 0,064 0,071 0,063 663,3 750,8 634,0 Norit 0,056 0,056 0,062 577,8 599,1 632,8 hấp phụ động lực, nhóm đề tài khơng thể đo đạc nhiệt độ cột than hoạt tính q trình hấp phụ mà xác định nhiệt độ dịng khí trước sau tháp hấp phụ Mặc dù tiến hành bảo ôn tháp hấp phụ toàn hệ thống đường ống việc thay đổi nhiệt độ dịng khí tháp hấp phụ so với thông số thiết lập ban đầu trước hấp phụ khơng thể tránh khỏi Vì vậy, để đảm bảo độ tin cậy kết tính tốn, nhóm đề tài sử dụng phương pháp tính tốn lý thuyết để ước lượng độ sai lệch giá trị dung lượng hấp phụ hệ số tốc độ hấp phụ Với giá trị đo đạc thực tế nhiệt độ dịng khí trước sau hấp phụ, khoảng dao động nhiệt độ ±10C 4.2.1 Dung l
ng h p ph Phương trình Dubinin–Radushkevich có dạng sau: Trong đó: • ao: DLHP cân (tĩnh) than hoạt tính DMHC (g/g) • ρDM: Khối lượng riêng DMHC lỏng nhiệt độ tuyệt đối T (g/cm3) • Wo: Thể tích hấp phụ tối đa than hoạt tính (cm3/g) • R: Hằng số khí lý tưởng (R = 0,008314kJ/mol.K) • T: Nhiệt độ tuyệt đối DMHC (0K) • β: Hệ số lực DMHC • Eo: Đặc trưng lượng hấp phụ DMHC so sánh (benzen) than hoạt tính (kJ/mol) • Cs: Nồng độ DMHC bão hoà nhiệt độ T (mg/m3 g/cm3) • C: Nồng độ DMHC nhiệt độ T (mg/m3 g/cm3) Dựa phương trình này, tính toán độ sai lệch giá trị dung lượng hấp phụ theo lý thuyết có dao động nhiệt độ khoảng ±10C 0,12% Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 17 K t qu nghiên c u KHCN 4.2.2 H s t c đ h p ph Mơ hình Wood Lodewyckx đề xuất năm 2003 Trong đó: • ao: dung lượng hấp phụ cân than DMHC (g/g) • M: khối lượng phân tử DMHC (g/mol) Dựa phương trình này, tính tốn độ sai lệch giá trị dung lượng hấp phụ theo lý thuyết có dao động nhiệt độ khoảng ±10C 0,21% Như vậy, khoảng sai lệch kết nghiên cứu thực nghiệm không lớn, dao động từ 0,12% dung lượng hấp phụ 0,21% hệ số tốc độ hấp phụ V KẾT LUẬN Đề tài tiến hành nghiên cứu ứng dụng quy trình xác định DLHP than hoạt tính giá thí nghiệm hấp phụ động lực Qua kết tính tốn, thấy, DLHP DMHC than hoạt tính Trà Bắc – TBD cao nhất, dao động từ 0,121 đến 0,153g/g DLHP than hoạt tính Jacobi Norit tương đồng mức thấp hơn, dao động khoảng từ 0,056 đến 0,076g/g Cuối cùng, DLHP than tre Hồ Bình thấp nhất, dao động khoảng 0,031 đến 0,045g/g Do có thay đổi nhiệt độ dịng khí trước, sau tháp hấp phụ trình nghiên cứu thực nghiệm, nhóm thực đề tài tiến hành sử dụng phương pháp lý thuyết để ước lượng độ sai lệch kết tính tốn Có thể thấy, độ sai lệch ước lượng theo phương pháp lý thuyết khoảng 0,12% giá trị dung lượng hấp phụ khoảng 0,21% giá trị hệ số tốc độ hấp phụ Khoảng sai lệch kết tính tốn tương đối nhỏ có thay đổi nhiệt độ dịng khí tháp hấp phụ 18 Từ kết đề tài, kiến nghị mở rộng hướng nghiên cứu quy mơ pilot để có thơng số thiết kế thiết bị hấp phụ Từ đó, làm sở cho việc tính tốn, thiết kế lắp đặt thiết bị hấp phụ than hoạt tính cho khu vực có phát sinh nhiều dung mơi hữu sở sản xuất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Bin, Các trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm (Tập 3, 4), Nhà xuất KHKT, 2004 [2] Nguyễn Thắng Lợi (2009), Nghiên cứu xử lý toluen xylen khí thải than hoạt tính sọ dừa Trà Bắc – TBD, luận án TSKT, Trường Đại học xây dựng Hà Nội [3] Nguyễn Thắng Lợi (2011), Nghiên cứu xây dựng phịng thí nghiệm xử lý khí, Chương trình quốc gia an toàn vệ sinh lao động 2011-2015 [4] Bansal R.C, Goyal M., Activated Carbon Adsorption, Taylor & Francis Group, USA, 2005 [5] E Gallegoa, F.J Rocaa, J.F Peralesa, X Guardinob, Comparative study of carbon nanotubes and granular activated carbon: Physicochemical properties and adsorption capacities, Tây Ban Nha, 2013 [6] N Mohan, G.K Kannan, S Upendra, R Subha N.S Kumar, Breakthrough of toluene vapours in granular activated carbon filled packed bed reactor, Ấn Độ, 2009 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 ... TRÌNH XÁC ĐỊNH DUNG LƯỢNG HẤP PHỤ HƠI DMHC CỦA THAN HOẠT TÍNH TRÊN GIÁ THÍ NGHIỆM HẤP PHỤ ĐỘNG LỰC 3.1 Quy trình xác định dung lượng hấp phụ (DLHP) DMHC than hoạt tính (xem Hình 2) 3.2 Tính tốn... giá trị hệ số A B này, tính tốn dung lượng hấp phụ hệ số tốc độ hấp phụ (TĐHP) cho loại than hoạt tính chế độ nhiệt ẩm chiều dày cột than hoạt tính khác Các thơng số a0D kv than hoạt tính điều... thực nghiệm không lớn, dao động từ 0,12% dung lượng hấp phụ 0,21% hệ số tốc độ hấp phụ V KẾT LUẬN Đề tài tiến hành nghiên cứu ứng dụng quy trình xác định DLHP than hoạt tính giá thí nghiệm hấp phụ