3.6.1. Nguyên lý
Trong một điện trường đều, có sự phóng điện của các điện tử từ cực âm sang cực dương. Trên đường đi, nó có thể va phải các phân tử khí và ion hóa chúng hoặc có thể
gặp phải các hạt bụi làm cho chúng tích điện âm và chúng sẽ chuyển động về phía cực dương. Tại đây chúng được trung hòa vềđiện tích và nằm lại ởđó. Lợi dụng nguyên lý này người ta sẽ thu được bụi từ các tấm điện cực dương và khí đi ra là khí sạch bụi.
Dưới đây chúng ta sẽ xem xét cách di chuyển của những hạt bụi trong một điện trường đều (hình 3.20) và quá trình hoạt động của một hệ thống lắng bụi bằng tĩnh
Hình 3.20. Mô phỏng đường đi của hạt bụi trong điện trường
Hình 3.21. Quá trình lắng bụi tĩnh điện
3.6.2. Cấu tạo và hoạt động
Thông thường để dập bụi bằng điện trường, người ta làm nhiều tầng điện cực liên tiếp nhau. Điện cực âm thường là một dây dẫn trần, khi hoạt động xung quanh dây dẫn thường có quầng sáng do điện tử ion hoá các phân tử khí khi nó chuyển động qua điện cực dương nên còn gọi là điện cực quầng sáng. Mô hình cấu tạo đơn giản của một thiết bị lọc bụi tĩnh điện được mô tả trong hình 3.22.
Dưới đây là một số mô hình thiết bị lọc bụi tĩnh điện hay được sử dụng trong xử
lý khí thải công nghiệp.
Bộ lọc tĩnh điện dạng ống
Bộ lọc từđiện dạng tấm
Hình 3.23. Các loại thiết bị lọc tĩnh điện
Khoảng cách giữa hai điện cực khác dấu thường từ 10, 15 đến 20 cm; nó phụ
thuộc vào điện thế, độ cách điện và cường độ dòng điện.
1 Đối với thiết bị lọc điện tấm (lưới)
* Sốđiện cực dương (điện cực lắng) có hình tấm hoặc lưới là
trong đó:
2.l là khoảng cách giữa hai điện cực cùng dấu a là chiều cao của các tầng điện cực.
* Sốđiện cực âm (dây hay điện cực quầng) là trong đó b là chiều rộng của nhóm điện cực. * Thể tích làm việc của thiết bị trong đó: V là năng suất làm việc của thiết bị. t là thời gian lắng của bụi. * Tốc độ của dòng khí:
trong đó h là chiều cao làm việc của thiết bị.
2. Đối với kiều thiết bị lọc điện hình ống
* Thể tích ống
trong đó l là chiều dài ống; D là đường kính ống. * Sốống được tính theo biểu thức: n = Vl /Vô trong đó Vl là thể tích làm việc. 3. Tĩnh điện thế và cường độ dòng tại các điện cực U = E. l trong đó:
E là gradien điện thế (kw/cm) và sẽđược chọn như sau: - Đối với khí lạnh: E từ 4:3 đến 4,5 kv/cm.
- Đối với khí nóng: E từ 3,8 đến 4,0 kv/cm. I = i.l
trong đó: i là mật độ dòng theo chiều dài (A/m)
l là chiều dài hoạt động của điện cực âm (m) I: cường độ dòng điện
Để tránh hiện tượng đoản mạch giữa các điện cực trong thiết bị lọc tĩnh điện, người ta tạo ra một điện trường không đồng nhất mà thế hiệu của nó giảm dần khi càng xa điện cực âm. Sự phụ thuộc của mật độ dòng vào khoảng cách giữa các điện cực có thể tham khảo ở bảng sau:
4. Công suất tiêu tốn cho toàn bộ hệ tộc tính theo biểu thức trong đó: U và I: là điện áp và dòng cần cho quá trình lọc K: là hệ số chỉnh lưu đòng η: là hệ số hữu ích (= 0,8) Cosφ: bằng từ 0,7 đến 0.75
P1: là công suất tiêu tốn cho các hoạt động phụ như rung bụi... l/1,41: là hệ số biên độđiện áp hiệu dụng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhìn chung, so với các thiết bị lọc điện tấm thì thiết bị lọc điện ống có ưu điểm là điện trường có hiệu suất cao hơn và sự phân phối khí tốt hơn do đó làm tăng hiệu suất lọc. Tuy nhiên thiết bị lọc ống lắp ráp phức tạp, khó làm chấn động các điện cực âm do phải đảm bảo cố định tâm của chúng một cách chính xác cũng như tốn nhiều năng lượng trên một đơn vị chiều dài của dây dẫn. Thiết bị lọc điện tấm thì ngược lại dễ lắp ráp hơn và dễ dàng làm chấn động các điện cực âm hơn. Do vậy, để làm sạch khí khô, làm sạch bụi khó thấm ướt người ta hay dùng thiết bị lọc điện thanh bản (tấm). Còn để loại các hạt lỏng ra khỏi mù (không cần làm chấn động điện cực quầng sáng) và đểđảm bảo được độ làm sạch khí cao, người ta dùng thiết bị lọc điện ống.
Chương 4
CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ HƠI VÀ KHÍ ĐỘC
4.1. KHÁI QUÁT VỀ HƠI VÀ KHÍ ĐỘC
Khác với bụi và sol, khí và hơi ổn tại dưới dạng các phân tử riêng biệt lẫn vào không khí theo các chuyển động chaose.
Ởđiều kiện bình thường hơi có thể ngưng tụđược, còn khí thì chỉ ngưng tụđược khi tạo được áp suất hoặc nhiệt độ phù hợp (áp suất cao, nhiệt độ thấp).
Xử lý hơi hoặc khí thải độc hại có thể tiến hành bằng các phương pháp tiêu hủy, ngưng tụ, hấp phụ hoặc hấp thụ.
4.2. XỬ LÝ KHÍ VÀ HƠI BẰNG PHƯƠNG PHÁP THIÊU HỦY
Để phân hủy một chất ở dạng khí hoặc hơi có hại cho môi trường thành một hay nhiều chất khác ít hoặc không độc hại có thể thực hiện bằng nguồn nhiệt - phân hủy nhiệt hoặc phân hủy thông qua các phản ứng hóa học, hoặc kết hợp cả hai như phương pháp đốt.
4.2.1. Thiêu hủy bằng nhiệt
Phương pháp này phù hợp với khí thải chứa các hợp chất hữu cơ như các hơi dung môi, hơi lò cốc hoá than, hơi đốt...
Trong điều kiện nhiệt độ cao các chất hữu cơ sẽ bị phân huỷ thành than: khí và hơi nước. Muốn phân hủy thành than, khí và hòi nước nhiệt độ phân hủy đòi hỏi phải cao và tốc độ phân hủy thường chậm. Vì vậy người ta thường tiến hành phân huỷ nhiệt với sự chó mặt của các chất xúc tác.
4.2.2. Thiêu hủy bằng phương pháp hóa học
Đây là phương pháp được sử dụng khá phổ biến đối với các khí độc hại. Thí dụ: SO2 (SO3) + NaOH Æ Na2SO3 (Na2SO4)
NOx + NH1OH Æ NH1NOx
Đối với các chất hữu cơđộc hại như thuốc trừ dịch hại, người ta thường sử dụng các phản ứng oxy hóa khử hoặc thủy phân trong môi trường thích hợp để thay đổi cấu trúc phân tử hay dạng tồn tại của chúng trở thành các sản phẩm ít hoặc không có hại
đối với người và động thực vật.
Thí dụ
* Phản với ôzôn có một tia cực tím
Ôzôn hóa kết hợp với chiếu tia cực tím là phương pháp rất có hiệu quả đối với chất thải hữu cơ hoặc dung môi.
* Ô hóa bằng các chất ôxy hóa mạnh khác
Chất hữu cơ + KmnO4ÆMn2+ + CO2 + H2O +...
Æ MnO2 + các sản phẩm không độc
4.2.3. Thiêu hủy bằng phương pháp đốt
Đất là phương pháp hay dược dùng khi mà sản phẩm đó không thể tái sinh hoặc thu hồi được. Quá trình đốt thực chất là quá trình tiêu huỷ bằng nhiệt nhưng luôn phải có mặt không khí. San phẩm của quá trình đốt này thường là CO2., hơi nước và các khí không hoặc ít độc hại. Nhiệt độ đòi hỏi cho việc đốt khí và hơi thải thường phải từ
800-1000oC. Có 2 cách đểđốt:
1. Đốt không có chất xúc tác
Nhiệt độ của quá trình thiêu đốt này không đòi hỏi quá cao để phân huỷ hoàn toàn chất và thường dùng khi nồng độ các chất độc hại cao (vượt quá giới hạn bốc cháy). Ví dụ nhưđốt khí đồng hành trong khai thác dầu mỏ.
Sơđồ của một quá trình đốt không xúc tác như sau:
Hình 4. 1. Sơđồđốt không xúc tác (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2. Đốt có xúc tác
Trong phương pháp này người ta sử dụng các kim loại có bề mặt rất phát triển như bạch kim, đồng, niken làm chất xúc tác. Nhiệt độ thiêu đốt thấp (từ 50-300oC).
Hình 4.2: Sơđồ của quá trình đốt có xúc tác
Phương pháp này thích hợp với các khí thải độc hại có nồng độ thấp, gần với giới hạn bắt lửa. So với đốt không xúc tác thì nó rẻ tiền và sản phẩm thường an toàn hơn. Dưới đây là mô hình của một số thiết bị xử lý khí bằng phương pháp dốt dạng phun.
Hình 4.3. Đốt dạng phun
4.3. PHƯƠNG PHÁP NGƯNG TỤ
Nguyên tắc của phương pháp là dựa trên sự hạ thấp nhiệt độ môi trường xuống một giá vị nhất định thì hầu nhú các chất ở thể hơi sẽ ngưng tụ lại và sau đó được thu hồi hoặc xử lý tiêu hủy. Ở diều kiện làm lạnh bình thường, nếu xử lý bằng ngưng tụ
thường khi thu hồi được hơi các dung môi hữu cơ, hơi axít ra nhân phương phát này chỉ phù hợp với những trường hợp khí thải có nồng độ hơi tương đối cao (>>20 g/m3). Trong trường hợp nồng độ nhỏ, người ta thường dùng các phương pháp hấp phụ hay hấp thụ. Hiệu suất ngưng tụ (giá trị tương đối) được tính theo công thức:
trong đó: CR: là nồng độ hơi ởđầu ra. Co: là nồng độ hơi ban dầu.
Giá bị tuyệt đối của hiệu suất ngưng tụ tính theo công thức:
trong đó:
mi: là khối lượng của chất i được ngưng tụ Mi: là phân tử lượng của chất
VR: là lưu lượng khí ởđầu ra Vo: là lưu lượng khí ởđầu vào.
Hình 4.4a. Thiết bị ngưng tụ bề mặt
Hình 4.4b. Thiết bị ngưng tụ dạng tiếp xúc
4.4. XỬ LÝ HƠI VÀ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ 4.4.1. khái quát về hiện tượng hấp phụ
Hấp phụ là một hiện tượng (quá trình) gây ra sự tăng nồng độ của một chất hoặc một hỗn hợp chất trên bề mặt tiếp xúc giữa hai pha (rắn - khí, rắn - lỏng, lỏng - khí).
Như chúng ta đã biết, các phần tử của cùng một chất nằm ở bề mặt và bên trong khối chất đó thường chịu mức độ tương tác khác nhau dẫn đến hành vi của chúng cũng khác nhau.
Chăng hạn như về trường lực, các phần tử ở bên trong khối chất chịu lực tác dụng ở mọi phía đồng đều và như nhau; còn các phần tửở trên bề mặt thì chịu lực tác dụng không đều nhau mà luôn luôn có xu thế bị kẻo vào bên trong khối chất làm cho bề mặt khối chất có xu hướng bị co lại tạo ra một sức căng bề mặt (năng lượng bề mặt
tự do) để hình thành một mặt phân cách như minh họa ở hình trên. Nói chung các phần tử bề mặt ngăn cách luôn có năng lượng tự do cao hơn các phần tử nằm bên trong lòng chất của nó.
Khi bề mặt khối chất tiếp xúc với các phần tử của chất khác, các phần tử trên bề
mặt khối chất đó tác dụng lên các phần tử của pha khác những lực hướng về phía mình nhằm cân bằng về lực theo mọi hướng. Đây chính là nguyên nhân của sự hấp phụ chất trên bề mặt chất khác.
Chất giữ chất khác trên bề mặt của nó thì được gọi là chất hấp phụ. Ngược lại chất được giữ lại trên bề mặt của một chất nào đó thì gọi là chất bị hấp phụ.
Trong trường hợp tương tác giữa bề mặt chất rắn với các phân tử khí hoặc lỏng khi chúng tiếp xúc với nhau mà mạnh, tương tự như tương tác trong một phản ứng hóa học, chúng sẽ tạo nên một hợp chất mới trên bề mặt tiếp xúc - hợp chất bề mặt. Như
vậy thực chất có thể chia hấp phụ làm hai loại: Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
1. Hấp phụ vật lý
Là loại hấp phụ gây ra do tương tác yếu giữa các phân tử; nó giống như tương tác trong hiện tượng ngưng tụ. Lực tương tác là lực van der Waals. Trong nhiều quá trình hấp phụ khí, sự hấp phụ có thể xảy ra dưới tác động của các lực phân tử gây ra sự vi phạm các định luật khí lý tưởng và hiện tượng ngưng tụ. Dạng hấp phụ này còn gọi là hấp phụ phân tử hay hấp phụ van der Waals.
2. Hấp phụ hóa học
Là loại hấp phụ gây ra do tương tác mạnh giữa các phân tử và tạo ra hợp chất bề
mặt giữa bề mặt chất hấp phụ và các phần tử bị hấp phụ. Hấp phụ hoá học được tạo ra do áp lực hoá học. Thông thường ở nhiệt độ thấp, tộc độ hấp phụ hoá học cũng chậm. Khi tăng nhiệt độ, tốc độ hấp phụ hoá học tăng nhưng lại làm giảm quá trình hấp phụ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
vật lý. Sự hình thành các hợp chất bề mặt liên quan rất nhiều đến hàng rào hoạt hoá
đặc trưng cho quá trình tương tác giữa các phân tử khí và các nguyên tử bề mặt chất rắn. Vì vậy hấp phụ hoá học còn được gọi là hấp phụ hoạt hoá (tuy nhiên không phải lúc nào cũng vậy). Nhiệt hấp phụ của chất khí lên chất hấp phụ rắn bao giờ cũng mang dấu dương, vì vậy đểđáp ứng những yêu cầu về nhiệt động học thì giá trị cân bằng của lượng chất hấp phụ bao giờ cũng giam khi nhiệt độ tăng.
Đối với chất bị hấp phụ là chất khí, quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Lượng khí bị hấp phụ (thường gọi tắt là lượng khí hấp phụ, ký hiệu bằng chữ a) là một hàm phụ thuộc vào hai biến T và P.
a = f(T,P)
Nếu giữ nhiệt độ không đổi ta được đường đẳng nhiệt: a = f ’(P)
Nếu giữ áp suất không đổi ta có đường đẳng áp: a = f ”(T)
Hình 4.5.a. Đường cong hấp phụđẳng nhiệt và đẳng áp
Từ các phương trình hấp phụ và bằng thực nghiệm, người ta đã tính được rằng nhiệt độ tăng làm giảm quá trình hấp phụ. Ngược lại áp suất tăng thì lại xúc tiến cho quá trình hấp phụ xảy ra mạnh hơn. Tóm lại hạ nhiệt độ hoặc tăng áp suất sẽ có lợi cho quá trình hấp phụ.
4.4.2. Xử lý hơi và khí thải bằng phương pháp hấp phụ
1. Nguyên lý của phương pháp
Hơi và khí độc khi đi qua lớp chất hấp phụ bị giữ lại nhờ hiện tượng hấp phụ. Nếu ta chọn được các chất hấp phụ chọn lọc thì có thể loại bỏ được các chất độc hại mà không ảnh hưởng đến thành phần các khí không có hại khác.
Hình 4.5.b: Sơđồ tháp hấp phụ sử dụng than hoạt tính
Một thiết bị hấp phụ về cơ bản có hình dạng như trên hình 4.5. Thông thường, có hai cách để áp dụng phương pháp hấp phụ xử lý chất thải trong công nghiệp.
*Cách thứ nhất là sử dụng thiết bị hấp phụđịnh kỳ, tức là trên một tháp hấp phụ, người ta nhồi chất hấp phụ vào và cho chất bị hấp phụ đi qua đó. Sau một thời gian nhất định chất hấp phụ đã " no" (đã bão hoà chất bị hấp phụ) thì quá trình hấp phụ được dừng lại để tháo bỏ chất hấp phụ đã "no" và đưa lượng chất hấp phụ mới vào. Trong thực tế, người ta thường dùng biện pháp tái sinh lại chất hấp phụ để sử dụng lại và thu chất bị hấp phụ. Việc tái sinh thường được thực hiện với sự có mặt của hơi nước hoặc khí nóng.
*Cách thứ hai là sử dụng thiết bị hấp phụ liên tục, trong đó chất hấp phụ được chuyển động ngược dòng với chất bị hấp phụ.
2. Các kiểu tiến hành hấp phụ
Trong thực tế tiến hành hấp phụ, người ta có thể tiến hành theo hai phương pháp: phương pháp hấp phụ tĩnh và phương pháp hấp phụđộng.
*Hấp phụ tĩnh
Khả năng hấp phụ của một chất hay dung lượng hấp phụ của một chất phụ thuộc vào tính chất, trạng thái hoá học của bề mặt, cấu trúc lỗ xốp của chất hấp phụ cũng như
phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của quá trình hấp phụ. Tuỳ thuộc vào đặc trưng tương tác của chất bị hấp phụ với bề mặt chất hấp phụ ta có hấp phụ vật lý hoặc hấp phụ hoá học.
Trong trường hợp chung, ta có phương trình cho lượng chất bị hấp phụ như sau:
trong đó:
a: là lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ (mol/gam).