Chất hấp phụ công nghiệp

CHƯƠNG 6 : QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI

6.4. Hấp phụ

6.4.2. Chất hấp phụ công nghiệp

6.4.2.1. Cấu trúc xốp của chất hấp phụ:

Các chất hấp phụ cần đạt các yêu cầu cơ bản: - Có ái lực bề mặt đới với chất bị hấp phụ. - Có bề mặt riêng lớn (σ: m2/g).

- Có các mao quản đủ lớn để các phân tử bị hấp phụ đến được bề mặt, nhưng cũng cần đủ nhỏ để loại các phân tử xâm nhập.

- Bền năng lực hấp phụ, nghĩa là kéo dài thời gian làm việc. - Đủ bền cơ để chịu rung động và va đập.

- Nhẹ, rẻ tiền.

Những yêu cầu trên chứng tỏ chất hấp phụ khơng những phải có bề mặt riêng lớn mà cịn có mợt sớ tính chất khác về cấu trúc.

Nhìn chung các chất hấp phụ được dùng trong cơng nghiệp đều xớp, có bề mặt riêng lớn từ vài trăm mét vuông đến gần 2000m2 trên 1g. Cấu trúc xớp có thể phân loại như sau:

1. Mao quản nhỏ: kích thước từ 5÷10Φ, cực đại là 15 Φ.

2. Mao quản trung bình: kích thước từ 15÷1000 Φ, cực đại là 2000 Φ.

Loại này chiếm nhiều nhất. Trong các mao quản loại này xảy ra quá trình hấp phụ và ngưng tụ mao quản.

3. Mao quản lớn: kích thước lớn hơn 1000÷2000 Φ. Các mao quản này chỉ tạo ra 0,5 đến 2m2/g bề mặt, nhưng tạo ra hệ thống vận tải chất rất tốt, làm tăng vận tốc hấp phụ. Loại

GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC

Biên soạn: TS. Bùi Xuân Đông Trang 100

này thường được dùng cho các cột sắc kí.

Ngày nay có rất nhiều loại vật liệu hấp phụ như: than hoạt tính, silicagen, các polime hoạt tính, các zeolít, đất sét hoạt tính, nhôm oxit. Cùng với cấu trúc xớp, mỡi loại có những đặc tính tạo nên những vùng ứng dụng hiệu quả riêng từng loại.

6.4.2.2. Than hoạt tính:

Than này được chế tạo từ các nguyên liệu giàu cacbon như than bùn, than đá, các loại thực vật (gỡ, mùn cưa, bã mía, ...), xương đợng vật.

- Quá trình sản xuất than hoạt tính gồm hai giai đoạn: than hóa và hoạt hóa.

- Than hóa nhờ quá trình nhiệt phân, nhằm giải phóng cacbon khỏi các liên kết với các nguyên tử khác và các liên kết bền trước đây giữa chúng; loại các nguyên tố khác đồng thời nâng cao hàm lượng cacbon. Quá trình nhiệt phân các loại thực vật kết thúc ở 400÷4500C trong điều kiện khơng có chất oxy hóa.

- Giai đoạn hoạt hóa là than được oxy hóa chọn lọc ở 800÷10000C trong môi trường chứa hơi nước hoặc khí CO2. Trong quá trình đó, xảy ra các phản ứng, ví dụ dùng

khi dung hơi nước:

các phản ứng trên (đốt cháy một phần than) đã tạo nên độ xốp với bề mặt chứa các nhóm chức hoạt đợng và rất lớn từ 600÷1700 m2/g

Cấu trúc xớp và đợ hoạt động phụ thuộc vào loại nguyên liệu và chế đợ hoạt hóa. Do đó than có nhiều loại với phạm vi sử dụng rất khác nhau, thường có 4 nhóm về mặt ứng dụng: than tẩy màu, than hấp phụ kim loại, than hấp phụ khí, và than dùng trong y học. Cần khẳng định rằng khơng thể có mợt loại than dùng cho mọi mục đích.

Nhìn chung, đối với loại than giàu mao quản nhỏ (phần bề mặt ứng với mao quản nhỏ nhiều) dùng tớt cho hấp phụ khí, nó kém hiệu quả khi dùng hấp phụ các chất hữu cơ. Còn than hoạt tính dùng hấp phụ trong dung dịch cần giàu mao quản trung bình.

Than hoạt tính thường dùng ở hai dạng:

- Dạng bột thường dùng khi năng suất nhỏ, đem trộn vào dung dịch cần hấp phụ sau đó lọc. Thường được sử dụng than thường có kích thước 0,01 – 0,1mm, đợ xớp khá lớn, bề

GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC

Biên soạn: TS. Bùi Xuân Đông Trang 101

mặt riêng khoảng 200 m2/g. Đặc trưng hấp phụ là tốc độ chậm, nhiều tạp chất, sự cạnh tranh hấp phụ lớn, vì vậy để tăng cường tốc độ người ta thường khuấy và tiến hành ở nhiệt độ khá cao.

- Dạng viên (ép bột lại) thuận lợi cho việc hoàn nguyên than nên hay sử dụng cho hệ thớng có năng śt lớn. Than hoạt tính có khới lượng riêng đặc 1,75÷2,1 g/cm2; khới lượng riêng xớp khoảng 0,1÷1 g/cm3; cịn khới lượng riêng đớng khoảng 0,2÷0,6 g/cm2. Than hoạt tính được dùng rất sớm và rộng rãi nhờ hoạt tính lớn và tính chọn lọc cao. Nhược điểm lớn nhất của nó chỉ là dễ cháy, thậm chí gây nở.

6.4.2.3. Silicagen:

Chế tạo silicagen có thể theo nguyên tắc sau:

- Tạo thành H2SiO3 bằng cách tác dụng muối silicat, như Na2SiO3 với axit mạnh. H2SiO3 tạo thành kết tủa dưới dạng keo polime tổ hợp từ các hạt rất nhỏ, chứa rất nhiều nước.

- Sấy ở 120 – 1500C làm hết nước tự do, độ ẩm cịn lại 5 – 7%, giải phóng khơng gian giữa các vi hạt, hình thành các mao quản với bề mặt riêng phát triển, cỡ 300 – 750 m2/g

Silicagen là chất hấp phụ ưa nước. Nó hấp phụ tớt nước và nhiều chất có cực, ứng dụng lớn nhất của nó là để tách nước trong khơng khí, để làm khơ các khí O2, CO2, H2, N2, Cl2 cũng như trong bảo quản nông sản thực phẩm, thiết bị cơ khí, quang học, máy móc, khơng khí và các khí cơng nghiệp khác, tách nước trong các chất lỏng ít tan trong nước, .... Tuy vậy, nó cịn có thể được dùng tách các chất hữu cơ từ dung dịch (dùng trong sắt kí, công nghiệp dầu mỏ, dược phẩm,...) Silicagen bền cơ học ở nhiệt độ cao. Các tính chất hấp phụ không bị chuyển biến xấu khi silicagen được gia công nhiệt ở nhiệt độ 5000C. Silicagen được sử dụng dưới dạng hạt kích thước 0,2 – 0,7 mm; khối lượng riêng đặc 2,1 – 2,3 g/cm3; khối lượng riêng xốp 0,4 – 1,7 g/cm3; khối lượng riêng đống 0,1 –0,8 g/ g/cm3.

6.4.2.4. Chất dẻo xốp:

Than hoạt tính hấp phụ khá tốt nhiều chất hữu cơ. Tuy nhiên, rất kém đối với nhiều chất hữu cơ phân tử thấp chứa các nhóm chức clo, amin, fenol, ... Việc tách các chất này và rất nhiều chất khác ra khỏi dung dịch có thể dựa vào các chất dẻo xốp ra đời cách đây

GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC

Biên soạn: TS. Bùi Xuân Đông Trang 102

khơng lâu. Đó là các chất hấp phụ từ các polime được tổng hợp nhân tạo như styren, divinyl, benzen, polime, copolime, fenolformaldehyt-amin,...

Nói chung, nhựa xớp hấp phụ là các vật liệu có bề mặt kị nước, khơng có cực, hoặc có cực yếu, trương nhẹ trong các dung môi hữu cơ. Ái lực hấp phụ chủ yếu như lực Van der Waals. Tuy nhiên, chúng cũng được chế tạo để có tính chọn lọc, dùng tớt đới với mợt sớ chất nào đó. Trên thị trường hiện nay thường có hai loại phở biến:

* Loại XAD-8: có đường kính trung bình 250Φ (kích thước mao quản), bề mặt riêng 140 m2/g.

* Loại XAD-4: có đường kính trung bình 50Φ, bề mặt riêng 750 m2/g

6.4.2.5. Zeolit:

Là dạng khoáng từ alumino silicat được tởng hợp, có thành phần hóa học [XmYpO2p.nH2O], trong đó X: Na và K (hoặc có thể là K và Ba hay K và Sr); Y: Si, Al; n = 2÷14. Zeolít được gọi là “sàng phân tử”, nghĩa là tách được các chất dựa vào sự khác nhau về kích thước phân tử. Đó là nhờ mạng tinh thể tạo ra cấu trúc giống như các “lồng” được hình thành do chứa các tứ diện SiO2 và AlO4 được nối với nhau qua các nguyên tử oxy, và trên đó có các “cửa sở” có các kích thước nhất định chỉ cho phép qua những phân tử nhỏ hơn.

Với các nguồn khoáng khác nhau, cùng với các điều kiện chế tạo khác nhau sẽ cho kích thước của các “cửa sổ” khác nhau, trong khoảng từ 3 đến 10Φ. Zeolít thường được sử dụng dưới dạng viên được trộn thêm đất sét làm chất kết dính, đồng thời làm tăng thêm bề mặt hấp phụ nhưng lại làm tăng trở lực khuyếch tán.

Zeolít thường được sử dụng rộng rãi dể hấp phụ chọn lọc các loại hydrocacbon, như benzen và xiclohexan có nhiệt độ sôi gần nhau và giữa chúng tạo hỗn hợp đẳng phí nên không thể tách bằng chưng cất được, mà phải chọn các phương pháp khác. Ngồi ra zeolít cịn là tác nhân làm khơ rất tớt, đặc biệt khi cần làm khơ khi chế biến khí thiên nhiên và khí dầu mỏ. Mợt trong những ứng dụng gần đây của zeolít là để làm giàu oxy của không khí cho các bệnh nhân.

6.4.2.6. Nhơm oxyt hoạt tính:

GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC

Biên soạn: TS. Bùi Xuân Đông Trang 103

gồm việc tạo kết tủa Al(OH)3 ngậm nước dạng keo, sau đó sấy và nung theo chế đợ kĩ thuật nhất định, các phân tử nước sẽ bị bứt ra, các mạng cấu trúc bị đứt đoạn dọc theo các mặt liên kết yếu, tạo ra các mao quản và hoạt tính.

Alumogen có bề mặt riêng 200 – 400 m2/g, thuộc loại ưa nước, bền cơ học, bền nhiệt nên dùng tốt trong các lớp hấp phụ chuyển đợng. Nó cũng được dùng trong các cợt sắc kí, làm chất mang xúc tác.

Ứng dụng chủ yếu của oxyt nhôm:

- Làm khơ, hấp phụ khí. Nó có khả năng làm khơ khí tốt cho đến điểm sương (- 600C) và thấp hơn nữa. Một đặc điểm quan trọng của oxyt nhôm là khả năng chịu nước. Chính chỉ tiêu này thường được sử dụng khi lựa chọn chất hấp phụ.

- Tinh chế dầu, trước hết là dầu biến thế. Đặc tính lưỡng tính của oxyt nhôm làm chúng trở thành chất hấp phụ axit có hiệu quả. Các axit này là sản phẩm oxy hóa dầu mà việc tích lũy chúng làm giảm tính chất điện môi của dầu.

- Trong các hệ thống hấp phụ tĩnh, oxyt nhơm là chất làm khơ có hiệu quả trong bảo quản máy mới và các thiết bị biến thế.

- Có khả năng hấp phụ các ion flo, để tinh chế nước có hàm lượng flo cao; tinh chế dòng khí và lỏng khỏi các hợp chất chứa ion flo; hấp phụ hơi HF từ khí công nghiệp như treong quá trình điện phân và sunpephôtphát.

6.4.3. Động học q trình hấp phụ

Gờm có 3 giai đoạn:

1. Chuyển chất từ lòng pha lỏng đến bề mặt ngoài của hạt chất hấp phụ. 2. Khuyếch tán vào các mao quản của hạt.

3. Hấp phụ: quá trình hấp phụ làm bảo hịa dần từng phần khơng gian hấp phụ, đồng thời làm giảm độ tự do của các phân tử bị hấp phụ, nên luôn kèm theo sự tỏa nhiệt. Hiệu ứng này rất đáng kể khi hấp phụ khí.

6.4.4. Thiết bị hấp phụ chất lỏng

GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC

Biên soạn: TS. Bùi Xuân Đông Trang 104

Hình 6.14: Tháp hấp phụ dầu

1. lớp hấp phụ; 2. lưới phân phối; 3. cửa tháo chất hấp phụ; 4. cửa nạp

GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC

Biên soạn: TS. Bùi Xuân Đông Trang 105

CHƯƠNG 7: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT 7.1. Khái niệm về trao đổi nhiệt 7.1. Khái niệm về trao đổi nhiệt

Những thiết bị TĐN là những TB để trùn nhiệt từ mợt chất tải nhiệt nóng hơn đến chất tải nhiệt nguội hơn. TB TĐN là những cơ cấu độc lập hoặc là một bộ phận của TB khác, được dùng rộng rãi trong các nhà máy CNSH, CNHH vì phần lớn các QT kĩ thuật đều tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt.

QT TĐN có nhiều mục đích khác nhau: đun nóng hoặc làm ng̣i; các chất tải nhiệt thơng thường là chất lỏng, khí (bay hơi), cũng có thể là vật liệu cục, rắn hoặc linh đợng. QT TĐN có thể kèm theo thay đởi trạng thái.

Theo nguyên lí tác đợng có thể chia ra:

- Những thiết bị TĐN hoàn nguyên, trong đó sự truyền nhiệt tiến hành qua thành ngăn hai chất tải nhiệt

- Những TB TĐN tái sinh, trong đó nhiệt của chất tải nhiệt truyền cho vật rắn. Thí dụ, vành đệm – sau đó chất tải nhiệt ng̣i tiếp xúc với vành đệm, làm cho nó ng̣i, cịn bản thân thì nóng lên.

- Những TB TĐN hỡn hợp, trong đó sự TĐN thực hiện khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau.

Người ta chế tạo nhiều TB TĐN khác nhau, tùy theo công dụng của TB, điều kiện làm việc, tính chất tải nhiệt, vật liệu chế tạo. Ở đây ta chỉ nói đến TB TĐN hoàn nguyên là loại phổ biến nhất trong cơng nghệ sinh học và cơng nghệ hóa học.

7.2. Phân loại TB TĐN

Người ta phân loại các TB TĐN hoàn nguyên

7.2.1. Theo công dụng

- Để tiến hành truyền nhiệt không thay đổi trạng thái của chất tải nhiệt: thiết bị làm ng̣i, đun nóng.

- Để truyền nhiệt có thay đởi trạng thái kết hợp của mợt hoặc hai chất tải nhiệt: thiết bị ngưng tụ, đun bớc hơi

GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC

Biên soạn: TS. Bùi Xuân Đông Trang 106

- Để đồng thời thực hiện quá trình kĩ thuật và truyền nhiệt: nồi phản ứng, bộ phận truyền nhiệt đặt trong TB

7.2.2. Theo dòng các chất tải nhiệt:

Xuôi chiều, ngược chiều, chiều hỗn hợp

7.2.3. Theo vật liệu chế tạo

Kim loại, không phải kim loại

7.2.4. Theo cấu tạo và hình dạng bề mặt

- Thiết bị TĐN có bề mặt làm bằng ống; ống xoắn ruột gà (nhúng, tưới), vỏ ống (ớng trong ớng, ớng chùm)

- TB TĐN có bề mặt làm bằng tấm: có thành phẳng, xoắn ớc có vỏ bọc

7.2.5. Theo cách bổ chính dẫn nở vì nhiệt

- Khơng bở chính, có cấu tạo cứng - Bổ chính bằng bộ phận đàn hồi - Bổ chính bằng di chuyển tự do

7.3. Quá trình và thiết bị cô đặc

7.3.1. Tổng quan về quá trình bốc hơi (cô đặc)

7.3.1.1. Định nghĩa

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của dung dịch bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi, dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên gọi là hơi thứ.

Quá trình đun sôi dung dịch để cho dung môi bốc hơi gọi là đun sôi bốc hơi. Khi dung dịch đun sôi thì chất tan khơng bay hơi, chỉ có dung mơi bay ra do đó dung dịch dần đặc lại

Nếu chất hòa tan là chất lỏng, sau quá trình đun bốc hơi nồng độ dung dịch tăng cao. Nếu chất hòa tan là chất rắn, đủ bão hịa, khi đun bớc hơi xảy ra quá trình kết tinh.

GIÁO TRÌNH QTTB TRONG CƠNG NGHỆ SINH HỌC

Biên soạn: TS. Bùi Xuân Đông Trang 107

Quá trình đun bốc hơi (cô đặc) được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ sinh học, làm đậm đặc những dung dịch loãng và tiến hành quá trình kết tinh

7.3.1.2. Ứng dụng của quá trình bay hơi (cơ đặc)

- Làm tăng nờng đợ của chất hoà tan trong dung dịch; - Tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn (kết tinh);

- Tách dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất);

7.3.1.3. Các phương pháp cơ đặc

Quá trình cơ đặc có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi làm việc gián đoạn hoặc liên tục. Khi cô đặc gián đoạn dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục giữ nguyên mức chất lỏng không đổi trong quá trình và khi nồng độ dung dịch đạt yêu cầu sẽ lấy ra hết rồi tiếp tục cho dung dịch mới vào để cô đặc tiếp.

Khi cô đặc liên tục trong thiết bị cô đặc nhiều nồi thì dung dịch được đưa vào liên tục và hơi đốt cho vào liên tục, sản phẩm cũng được lấy ra liên tục.

Trong quá trình cơ đặc có thể tiến hành ở áp suất khác nhau tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật.

- Cô đặc ở áp suất thường thì thiết bị để hở

- Cô đặc ở áp suất chân không thì nhiệt đợ sơi dung dịch giảm do đó chi phí hơi đớt giảm và hiệu sớ nhiệt độ giữa hơi đốt và dung dịch giảm do đó diện tích bề mặt truyền nhiệt giảm, cô đặc chân không cho phép cơ đặc dung dịch có nhiệt đợ sơi cao ở áp śt thường có thể sinh ra phản ứng phụ không mong muốn (oxy hoá, đường hoá, nhựa hoá).

Cô đặc ở áp suất cao chỉ xảy ra trong các nồi cô đặc đặt trước đối hệ thống cô đặc