T*b*W*T* "% ) GC $ d #aW B (? 7 P -
Yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến khí hậu thế giới là sự cân bằng nhiệt của trái đất. Lượng nhiệt trái đất và khí quyển tiếp nhận, giữ lại và phản xạ quyết định sự cân bằng sinh thái. Con người gây ảnh hưởng đến quỹ nhiệt này qua việc thải CO2 vào khí quyển.
Khí CO2 gần như trong suốt với ánh sáng nhưng lại là chất hấp thụ mạnh và phản phát xạ bức xạ hồng ngoại, đặc biệt trong vùng bước sóng từ 12 - 18µm. Vì vậy khí CO2 tăng, gây tăng nhiệt độ vùng khí quyển thấp, do nhiều bức xạ hồng ngoại từ trái đất bị giữ lại. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng nhà kính, có thể làm tăng nhiệt độ trái đất lên một cách lâu dài [5,15].
Các nghiên cứu cho thấy khi nồng độ CO2 tăng từ 300 đến 600 ppm thì nhiệt độ tăng 3,26oC. Nồng độ CO2 trung bình trong khí quyển vào khoảng 320 ppm. Nồng độ CO2 trong khí quyển tăng hàng năm trung bình khoảng 0,7 ppm. Hiệu ứng nhà kính làm Trái Đất nóng lên, gây ra tác hại rất lớn đối với sự sống trên Trái Đất,
như là làm tan các biển núi băng ở hai cực Trái Đất, lượng băng giá tan sẽ làm cho mực nước biển dâng cao và nước tràn ngập những vùng đồng bằng rộng lớn ven biển. Theo tính tốn thì mức nước biển sẽ tăng cao 0,25 m khi nhiệt độ Trái Đất tăng 1oC, và nếu như không có biện pháp hữu hiệu giảm thiểu khí nhà kính thì mực nước bển có thể dâng cao tới 1-3 m vào cuối thế kỷ này [5]. Sau vài thế kỷ tiếp theo băng giá ở tây Antartic tan ra chảy vào biển thì mực nước biển sẽ tăng cao tới 5-6 m.
T*b*W*W* eJ L #aW & 7 P + $ 8
Phương pháp này chủ yếu sử dụng dung môi hóa học tái sinh là các bazơ yếu. Bản chất của phương pháp hấp thụ hóa học là phản ứng hóa học giữa dung môi bazơ và khí CO2 (có tính acid) để tạo thành dung dịch muối tan. Trong quá trình tái sinh dung môi, các muối này có thể phân hủy bởi nhiệt. Các dung môi thường dùng là monoethanolamine (MEA), methyldiethanolamine (MDEA), diethanolamine (DEA). Phản ứng cơ sở của phương pháp này như sau:
2HO-R-NH2 + CO2 + H2O ↔ (HO-R-NH3)2CO3
Sản phẩm CO2 sau khi ngưng tụ (áp suất khoảng 25psi) được làm khô và nén tới áp suất phù hợp để thuận lợi cho quá trình thu gom. Độ sạch của CO2 tách từ quá trình hấp thụ bằng dung môi amine đạt 99,9% thể tích. Chất lượng của CO2 sau khi làm sạch đáp ứng tiêu chuẩn dùng cho thực phẩm.
Ngày nay có rất nhiều biện pháp xử lý CO2 bằng phương pháp hấp thụ. Dưới đây là một số phương pháp hấp thụ thường dùng.
Phản ứng hấp thụ CO2 bằng dung dịch metanolamin: 2RNH2 + CO2 + H2O = (RNH3)2CO3 (RNH3)2CO3 + CO2 + H2O = RNH3HCO3
2RNH2 + CO2 = RNHCOONH3R Dung dịch hấp thụ được phục hồi bằng cách đun nóng.
+ Ưu điểm của phương pháp môn metanolamin là: giá rẻ, khả năng phản ứng cao, ổn định, dễ phục hồi.
+ Nhược điểm là áp suất hơi cao.
Để giảm áp suất hơi, người ta dùng nước rửa khí để thu hồi hơi metanolamin. Phản ứng hấp thụ như sau :
2NH3 + CO2 + H2O = NH4HCO3 2NH3 + CO2 + H2O = (NH3)2CO3
Phương pháp này được ứng dụng để xử lý khí thải có chưa 30% CO2. Trong thực tế, phương pháp này cho phép giảm nồng độ CO2 từ 34% xuống còn 0,015% trong tổng hợp NH3.Dung dịch hấp thụ được phục hồi bằng cách đun nóng.
Thường sử dụng chất hấp thụ là Na2CO3. Phản ứng hấp thụ như sau: Na2CO3 + CO2 + H2O = 2NaHCO3.
Vận tốc hấp thụ nhỏ, để tằng vận tốc người ta thường dùng xúc tác là methanol, etanol, đường…Dung dịch phục hồi bằng cách đun nóng hơi nước.Khuyết điểm là hiệu quả hấp thụ thấp và tốn nhiều hơi nước để phục hồi dung dịch. Để tăng hiệu quả hấp thụ, cho vào dung dịch 1 lượng dư NaOH và dung dịch không tái sinh mà dùng vào mục đích khác.
Phản ứng như sau:
H2O + CO2 = H+ + HCO3-
Hấp thụ CO2 bằng hơi nước có ý nghĩa công nghiêp trong xử lý khi áp suất cao, ví dụ như khi tổng hợp NH3. Khả năng hấp thụ của nước cao khi áp suất riêng phần của CO2 lớn hơn 3,4 atm. Khi tổng hợp NH3 chứa đến 25% CO2, điều này làm hạn chế ứng dụng của nước vì khi đo áp suất dư trong hệ thống đạt tới 14 atm.
+ Ưu điểm khi sử dụng nước thay cho dung dịch etanolamin: − Kết cấu thiết bị đơn giản.
− Không tốn nhiệt. − Dung môi rẻ. + Nhược điểm:
− Nước hấp thụ CO2 trong không khí. − Tải trọng máy bơm rất cao.
− Khả năng hấp thụ thấp.
− CO2 thu được không đạt độ tinh khiết cao.
Bản chất của phương pháp hấp phụ là các phân tử CO2 được giữ lại trên bề mặt của chất hấp phụ. Các chất hấp phụ CO2 thường được sử dụng phổ biến là than hoạt tính, zeolite, silicagel, nhôm. Hệ thống hấp phụ hoạt động theo ba bước: hấp
phụ CO2, loại bỏ các loại khí khác và giải hấp để tách CO2. Thiết bị của quá trình này chứa 3 lớp vật liệu hấp phụ để tối ưu hóa hiệu suất:
− Khói thải đi vào tháp hấp phụ từ phía dưới, khí đã tách CO2 thoát ra từ đỉnh tháp. − Bơm CO2 vào tháp để loại triệt để khí N2.
− Bơm chân không để giảm áp trong hệ thống thiết bị giải hấp CO.
Khói thải đi vào tháp hấp phụ gồm nhiều tầng, khí CO2 được giữ lại trong lớp than hoạt tính của các tầng hấp phụ, sau đó khói đi qua cyclone để lọc sạch tro bụi trước khi thải ra khí quyển.
Than hoạt tính được hoàn nguyên bằng cách nâng nhiệt độ lên 400-450oC. Khí CO2 thoát ra từ quá trình hoàn nguyên có nồng độ 40-50% và đạt khoảng 96- 97% lượng khí CO2 có trong khói thải. Sau khi hoàn nguyên than hoạt tính được sàn chọn lại để loại bỏ phần than quá vụn nát và bổ sung thêm than mới để đưa lên hấp phụ trở lại. Khí thoát ra từ quá trình hoàn nguyên ngoài CO2 còn có một số loại khí khác như: H2S là 2-4%, lưu huỳnh là 0,1-0,3%.
Màng hấp thụ khí sử dụng dung môi để hấp thụ CO2. CO2 khuếch tán giữa các lỗ màng, sau đó được hấp thụ bởi dung môi. Màng đóng vai trò tăng cường và duy trì tiếp xúc của pha khí và pha lỏng. Màng hấp thụ khí được sử dụng khi áp suất riêng phần của CO2 thấp (vì động lực tách khí nhỏ). Các lỗ xốp của màng cho phép khí tiếp xúc với dung môi. CO2 được hấp thụ bởi tính chọn lọc của dung môi. Màng không tự tách CO2 từ các khí khác mà chỉ có vai trò khuếch tán khí trong các lỗ xốp nằm chắn giữa pha lỏng và khí. Hiệu quả tách CO2 bằng màng hấp thụ khí cao hơn hiệu quả tách CO2 bằng dung môi thông thường nên kích thước thiết bị giảm. Dạng module thường được sử dụng là màng sợi rỗng.
Lợi thế của việc sử dụng màng tách khí là thiết bị nhỏ gọn vì không sử dụng dung môi. Chi phí chính cho phương pháp này là năng lượng cần thiết để tạo áp suất đủ lớn cho pha khí. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của màng là kích thước phân tử khí, nồng độ khí, chênh lệch áp suất và độ chọn lọc của vật liệu màng.
Cơ chế tách khí của màng phụ thuộc vào kích thước lỗ màng: cơ chế rây phân tử (lỗ màng kích thước từ 0 - 0,5nm), cơ chế khuếch tán bề mặt (từ 0,5 - 2,5nm), cơ chế khuếch tán Knudsen (kích thước > 2,5nm).
Kỹ thuật làm lạnh sâu sử dụng nhiệt độ thấp để làm lạnh, ngưng tụ và tách CO2 từ hỗn hợp khí. Có hai phương pháp làm lạnh sâu:
− Đông lạnh: khói thải dưới áp lực cao được làm lạnh đến nhiệt độ đông đặc của CO2, chỉ có CO2 ngưng tụ, các khí khác thoát ra ngoài.
− Tạo các hydrate: nước lạnh được đưa vào khói thải đã làm mát. Tại nhiệt độ và áp suất thích hợp, CO2 và nước đóng băng với nhau tạo các tinh thể (băng) chứa CO2. CO2 dễ dàng thu lại bằng cách đun nóng các tinh thể hydrate. Khói thải ở nhiệt độ 313oK và áp suất 6 bar được làm khô và lạnh xuống 170oK trước khi đi vào thiết bị tách, CO2 được nén và làm lạnh kết tinh dưới dạng đá (tuyết), phần hỗn hợp không chứa CO2 thoát ra ngoài. Đá CO2 đi xuống thiết bị hóa lỏng (230oK) và sử dụng bơm để tăng áp cho dòng này. Phương pháp làm lạnh sâu xử lý dòng CO2 có nồng độ cao (> 90%), do đó không phù hợp cho khói thải từ công nghệ thu CO2 sau khi đốt nhưng phù hợp sử dụng công nghệ thu CO2 trước khi đốt và đốt bằng O2.
+ Ưu điểm của phương pháp làm lạnh sâu cho phép sản xuất trực tiếp CO2 lỏng. + Nhược điểm của phương pháp này là cần năng lượng lớn để làm lạnh cho quá trình.
Trong đồ án này tôi đã sử dụng phương pháp khác nhau để xử lý CO2 bằng bùn đỏ. Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng xử lý CO2 của bùn đỏ là rất cần thiết, kết quả nghiên cứu là cơ sở quan trọng trong việc lựa chọn các điều kiện tối ưu để sử dụng bùn đỏ ứng dụng trong thực tế.