sử dụng chất khử là cacbon (C) để phân hủy canxi sunfat
a) So sánh kết quả theo lý thuyết
Quá trình phân hủy canxi sunfat theo phương pháp truyền thống được diễn ra như sau:
C + 2CaSO4 = 2CaO + CO2 (g) + 2SO2 (g) (1-26) Phản ứng này được thể hiện qua 2 giai đoạn sau:
2C + CaSO4 = CaO + 2CO2 (1-27) CaS + 3CaSO4 = 4CaO + 4SO2 (g) (1-28) Để so sánh hiệu quả của việc sử dụng chất khử lưu huỳnh và cacbon, ta khảo sát nhiệt động học của các phản ứng (1-26) và (1-27). Ta có các thông số nhiệt động của các chất C và CO2 được liệt kê ở bảng 1.4.
Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Sinh viên: Nguyễn Thị Huế 25 Lớp: K37C - Hóa học
Bảng 1.4: Các thông số nhiệt động của C và CO2. [9,10]
Cấu tử (J/mol) ∆ (J/mol) Cp , J/mol.K
C 0 0 2,673+0,002617-116900.T-2
CO2 -393505 -394157,616 10,34+0,00274.T-195500.T-2 Tương tự tính toán giống mục 1.3.1. ta tính được các phương trình phụ thuộc vào nhiệt độ của entapy và năng lượng tự do.
= 2,673.T + + - 914,587 J (1-29) = -T.(2,673.lnT + - + - 18,03) J (1-30) = 10,34.T + + - 397365,3652 J (1-31) = - 10,34.T.lnT - + - 397365,3652 - - 257,77.T J (1-32) Từ phương trình (1-30), (1-32), (1-7), (1-9), (1-11). Ta tính toán được phương trình quan hệ ∆GT (1-26) và (1-27) theo nhiệt độ T tương ứng với phương trình (1-26) và (1-27).
∆GT(1-26) = -849,6452.T + 640544,84 + 38,017.LnT.T + 24,1325.10-3.T2 - - - 0,001.10-6.T3 J (1-33) ∆GT(1-27) = -2758,152.T + 1680915 + 168,594.LnT.T + 34,0335.10-3.T2 - - - 0,001.10-6.T3 J (1-34) Và dưới đây là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của ∆GT vào nhiệt độ của phản ứng (1-26) và (1-27).
Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Sinh viên: Nguyễn Thị Huế 26 Lớp: K37C - Hóa học
Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Sinh viên: Nguyễn Thị Huế 27 Lớp: K37C - Hóa học
-10000 -5000 0 5000 10000 15000 1078 1080 1082 1084 1086 1088 1090 1092 1094 1096 J/ m ol e T, 0K denta G, pu
Hình 1.8: Sự phụ thuộc ∆GT của phản ứng (1-27) vào nhiệt độ.
Khi đem so sánh hình 1.7 với hình 1.6 tương ứng là phản ứng 1-26, 1-15. Và hình 1.8 với hình 1.4 tương ứng là phản ứng 1-27, 1-26. Ta thấy rằng việc sử dụng lưu huỳnh là chất khử để phân hủy canxi sunfat có lợi thế hơn. Bởi vì, nhiệt độ bắt đầu xảy ra phản ứng 1-15 và 1-16 tương ứng là 965,5099 K và 749,445 K. Trong khi sử dụng cacbon là chất khử thì nhiệt độ phân hủy canxi sunfat cao hơn tương ứng là 1155,055 K và 1088,534 K của phản ứng 1-26 và 1-27. Như vậy việc hạ thấp nhiệt độ phân hủy canxi sunfat sẽ giảm thiểu được chi phí tốn kém cho vấn đề năng lượng, và giảm thải lượng phát sinh khí CO2 (khí nhà kính) ra môi trường bên ngoài.
Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Sinh viên: Nguyễn Thị Huế 28 Lớp: K37C - Hóa học
b) So sánh kết quả thực tế
Để thể hiện rõ hơn ưu điểm của việc sử dụng chất khử là lưu huỳnh tiết kiệm năng lượng hơn chất khử là cacbon. Ta có bảng 1.5 thể hiện rõ năng lượng entapy cung cấp cho quá trình phản ứng sau:
Bảng 1.5: So sánh năng lượng entapy phản ứng của 2 phương pháp khác nhau [14]
Chú thích: a: Hiệu ứng nhiệt phản ứng tiêu chuẩn.
b: Nhiệt của phản ứng cho 1 mol SO2 sản phẩm.
Quá trình khử bằng chất khử lưu huỳnh ứng với phản ứng 1-16 và 1- 17. Dựa vào năng lượng entapy tiêu chuẩn cho 2 phản ứng này ta tính được lượng nhiệt tương ứng cho mỗi mol sản phẩm SO2 là 236,979 kJ ở nhiệt độ thường. Trong khi đó quá trình khử bằng cacbon với phản ứng 1-27 và 1-28 tương ứng là 306,245 kJ trên 1 mol sản phẩm SO2. Dễ dàng nhận thấy năng
T/0K / (kJ/mol)a ∆HT / (kJ / mol SO2)b Phản ứng 1-16 Phản ứng 1- 17 và 1-18 Phản ứng 1-27 Chất khử là S Chất khử là C 298 367,857 1054,020 170,960 236,979 306,245 373 365,366 1053,150 171,238 236,419 306,097 473 354,689 1051,573 170,993 234,377 305,642 573 342,503 1048,582 169,849 231,848 304,608 673 289,070 1043,723 167,751 222,132 302,869 773 266,507 1036,775 164,707 217,214 300,371 873 249,037 1027,621 160,755 212,776 297,094 973 239,879 1016,189 155,945 209,345 293,034 1073 232,665 1002,437 150,335 205,850 288,193 1173 225,616 986,336 143,883 201,992 282,555
Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp
Sinh viên: Nguyễn Thị Huế 29 Lớp: K37C - Hóa học
lượng tiêu tốn cho quá trình sử dụng chất khử lưu huỳnh thấp hơn cacbon. Các tính toán cho thấy, entapy của phản ứng giảm dần theo nhiệt độ. Entapy của quá trình khử bằng cacbon giảm dần 10,98% (873-1173 K), trong khi đó quá trình khử bằng lưu huỳnh giảm dần 10,21%. Tuy nhiên entapy của phản ứng khử bằng lưu huỳnh vẫn thấp hơn 28,5% so với khử bằng cacbon ở nhiệt độ 1173 K.
Từ đó kết luận rằng việc sử dụng chất khử là lưu huỳnh có nhiều lợi thế hơn cacbon về mặt năng lượng cũng như giảm thiểu ô nhiễm môi trường.