CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ, GIẢM THIỂU Ơ NHIỄM VÀ BẢO VỆ KHƠNG KHÍ
3.3.1.2. Nguyên tắc hấp thụ một số chất trong khí thải a Hấp thụ SO
a. Hấp thụ SO2
Để hấp thụ SO2 cĩ thể sử dụng nước, dung dịch hoặc huyền phù của muối kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ.
Hấp thụ bằng nước
Hấp thụ khí SO2 bằng nước là phương pháp đơn giản được áp dụng sớm nhất để loại bỏ khí SO2 trong khí thải, nhất là trong khĩi của các lị cơng nghiệp. Một hệ thống xử lý khí SO2 bằng nước bao gồm hai giai đoạn:
1- Hấp thụ khí SO2 bằng cách phun nước vào dịng khí thải hoặc cho khí thải qua lớp vật liệu đệm (vật liệu rỗng) cĩ chứa nước.
2- Giải thốt khí SO2 ra khỏi chất hấp thụ để thu hồi SO2 (nếu cần) và nước sạch. Quá trình hấp thụ SO2 bằng nước diễn ra theo phản ứng sau:
SO2 + H2O ↔ H+ + HSO3
Mức độ hịa tan của nước giảm khi nhiệt độ của nước tăng cao, do đĩ nhiệt độ nước cấp vào hệ thống hấp thụ phải đủ thấp. Cịn giải thốt khí SO2 khỏi nước thì nhiệt độ phải cao. Cụ thể là ở nhiệt độ 1000C thì SO2 thốt ra khỏi nước hồn tồn và trong khơng khí thốt ra cĩ lẫn cả hơi nước. Bằng phương pháp ngưng tụ người ta cĩ thể thu được khí SO2 với độ đậm đặc gần 100% để dùng vào mục đích sản xuất axit sunfuric. Bảng 3.2 là lượng nước lý thuyết cần để hấp thụ 1 tấn khí SO2 trong khí thải cho đến giới hạn bão hịa ứng với nhiệt độ và nồng độ ban đầu khác nhau của SO2 trong khí thải.
Bảng 3.2: Lượng nước lý thuyết tính bằng m3 cần để hấp thụ 1 tấn SO2
Lượng nước thực tế phải lớn hơn một ít so với lượng nước lý thuyết vì sau khi ra khỏi
thiết bị hấp thụ khơng thể đạt mức bão hịa khí SO2. Để giải hấp thụ cần phải đun nĩng một lượng nước rất lớn, tức phải cĩ nguồn cấp nhiệt (hơi nước) cơng suất lớn. Ngồi ra, để sử dụng lại nước cho quá trình hấp thụ phải làm nguội xuống gần 10oC, tức phải cần đến nguồn cấp lạnh. Do đĩ việc tái sử dụng nước và khí SO2 sau quá trình hấp thụ khơng đơn giản và khá tốn kém.
Từ những nhược điểm nĩi trên, phương pháp hấp thụ khí bằng SO2 bằng nước chỉ áp
dụng khi:
- Nồng độ ban đầu của khí SO2 trong khí thải tương đối cao; - Cĩ sẵn nguồn cung cấp nhiệt (hơi nước) với giá rẻ;
- Cĩ sẵn nguồn nước lạnh;
- Cĩ thể xả được nước cĩ ít nhiều axit ra sơng ngịi.
Trường hợp khí thải giàu SO2 như trong cơng đoạn nấu quặng sunfua kim loại của cơng nghiệp luyện kim màu, nồng độ SO2 trong khí thải cĩ thể đạt 2 - 12% người ta cĩ thể xử lý khí SO2 bằng nước kết hợp với quá trình oxi hĩa SO2 bằng xúc tác.
Xử lý khí SO2 bằng đá vơi (CaCO3) hoặc vơi nung (CaO)
Ưu điểm của phương pháp này là: quy trình cơng nghệ đơn giản, chi phí vận hành thấp, nguyên liệu rẻ tiền và cĩ sẵn mọi nơi, hiệu quả xử lý cao, cĩ khả năng xử lý mà khơng cần làm nguội và xử lý bụi sơ bộ.
Các phản ứng hĩa học xảy ra trong quá trình xử lý như sau: CaCO3 + SO2 = CaSO3 + CO2
CaO + SO2 = CaSO3 2CaSO3 + O2 = 2CaSO4
Hiệu quả hấp thụ SO2 bằng sữa vơi đạt 98%. Nguyên liệu vơi được sử dụng một cách hồn tồn, cụ thể là cặn bùn từ hệ thống xử lý thải ra cĩ thể được sử dụng làm chất kết dính trong xây dựng sau khi chuyển sunfit thành sunfat trong lị nung. Lượng đá vơi (CaCO3) cần xử lý SO2 trong khối do đốt cháy 1 tấn than đá được xác định theo cơng thức:
Trong đĩ
Sp - thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu tính theo phần trăm khối lượng (số phần trăm)
µS, µCaCO3 - phân tử gam của lưu huỳnh và canxi cacbonat
β - hệ số khử SO2 trong khĩi thải - tức mức độ cần thiết phải khử SO2 trong khĩi thải để đạt giới hạn phát thải cho phép (số thập phân)
K- tỷ lệ CaCO3 nguyên chất trong đá vơi (thường K = 0,8 - 0,9)
Nếu dùng vơi nung (CaO) thì trong cơng thức trên phân tử gam của CaCO3 được thay thế bằng CaO. Dùng đá vơi làm nguyên liệu hấp thụ thì rẻ tiền hơn nhưng hiệu quả khử SO2 thì kém hơn so với dùng vơi nung.
Xử lý khí SO2 bằng amoniac
Amoniac và khí SO2 trong dung dịch nước cĩ phản ứng với nhau và tạo ra muối trung gian amoni sunfit, sau đĩ muối amoni sinfit lại tác dụng tiếp với SO2 và H2O để tạo ra muối amoni bisunfit theo phản ứng sau:
SO2 + 2NH3 + H2O = (NH4)2SO3 (NH4)2SO3 + SO2 + H2O = 2NH4HSO3
Lượng bisunfit tích tụ dần dần trong dung dịch cĩ thể hồn nguyên bằng cách nung nĩng trong chân khơng, kết quả thu được amoni sunfit và SO2. Amoni sunfit này cĩ thể sử dụng tiếp để khử SO2
Ngồi ra trong dung dịch cĩ thể xảy ra sự phân hủy sunfit và amoni bisunfit thành amoni sunfat và lưu huỳnh đơn chất theo phản ứng sau:
2NH4HSO3 + (NH4)2SO3 = 2(NH4)2SO4 + S + H2O
Lưu huỳnh đơn chất hình thành theo phản ứng trên tác dụng với amoni sunfit tạo thành thiosunfat:
(NH4)2SO3 + S = (NH4)S2O3
Sau đĩ thiosunfat lại kết hợp với amoni bisunfit và tạo ra lưu huỳnh đơn chất nhiều hơn gấp hai lần:
Lưu huỳnh đơn chất lại tác dụng với sunfit. Cứ như vậy tốc độ phản ứng phân hủy dung dịch hấp thụ tăng dần và dung dịch hấp thụ sẽ hồn tồn biến thành amoni sunfat và lưu huỳnh đơn chất.
Xử lý SO2 bằng magie oxit (MgO)
SO2 được hấp thụ bởi magie oxit tạo thành tinh thể ngậm nước sunfit magie. Trong thiết bị hấp thụ các phản ứng xảy ra như sau:
MgO + SO2 = MgSO3 Magie sunfit tác dụng tiếp với SO2 để tạo thành bisunfit
MgSO3 + SO2 + H2O = Mg(HSO3)2
Một phần magie sunfit tác dụng với oxi trong khĩi thải tạo thành sunfat 2MgSO3 + O2 = 2MgSO4
Magie sunfat khơng cĩ hoạt tính đối với SO2 do đĩ phản ứng oxi hĩa sunfit là khơng mong muốn. Tuy nhiên khi nồng độ MgSO4 trong dung dịch hấp thụ đạt 120 – 160g/l thì quá trình oxi hĩa sunfit sẽ ngừng lại khơng tiếp tục xảy ra nữa. Magie bisunfit cĩ thể bị trung hịa bằng cách bổ sung thêm MgO mới
Mg(HSO3)2 + MgO = 2MgSO3 + H2O
Độ hịa tan của magie sunfit trong nước rất hạn chế, do đĩ sẽ kết tủa thành tinh thể hexahydrat MgSO3.6H2O và ở nhiệt độ 50oC hexahydrat biến thành trihydrat MgSO3.3H2O. Các tinh thể được tách ra khỏi dung dịch huyền phù, sấy khơ và xử lý nhiệt ở nhiệt độ 800 – 900oC để thu hồi MgO và SO2.
Magie oxit được quay trở lại chu trình hấp thụ, cịn SO2 đậm đặc cĩ thể đưa sang cơng đoạn chế biến axit sunfuric hoặc lưu huỳnh đơn chất.
Ưu điểm của phương pháp này là:
− Cĩ thể xử lý nĩng khơng cần làm nguội sơ bộ
− Thu được sản phẩm tận dụng là axit sunfuric
− MgO sẵn cĩ và rẻ, hiệu quả xử lý cao Xử lý SO2 bằng kẽm oxit ZnO
Trong phương pháp này, chất hấp thụ là kẽm. Phản ứng hấp thụ như sau: SO2 + ZnO + 2,5H2O = ZnSO3.2,5H2O
Khi nồng độ SO2 lớn
2SO2 + ZnO + H2O = Zn(HSO3)2
Sunfit kẽm tạo thành khơng tan trong nước được tách ra bằng xyclon nước và sấy khơ. Tái sinh ZnO bằng cách nung sunfit ở nhiệt độ 350oC.
ZnSO3.2,5H2O → ZnO + SO2 + 2,5H2O
− Ưu điểm: chính của phương pháp này quá trình phân ly kẽm sunfit ZnSO3 thành SO2 và ZnO xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với quá trình phân ly bằng nhiệt đới với MgSO3. Hiệu suất thu hồi SO2 với nồng độ gần bằng 100% trong khi MgSO3 phân ly chi đạt nồng độ khơng vượt quá 15 – 20%.
− Nhược điểm: cĩ thể hình thành sunfat kẽm (ZnSO4), làm cho việc tái sinh ZnO
bất lợi về kinh tế nên phải thường xuyên tách ZnSO4 và bổ sung thêm ZnO. Hấp thụ bằng muối Natri
Ưu điểm của phương pháp này là ứng dụng chất hấp thụ hĩa học khơng bay hơi, cĩ kh năng hấp thụ lớn. Phương pháp này cĩ thể được ứng dụng để loại SO2 ra khỏi khí ở các nồng độ khác nhau.
Nếu dùng sođa để hấp thụ sẽ thu được sunfit và bisunfit natri. Na2CO3 + SO2 = Na2SO3 + CO2 Na2SO3 + SO2 + H2O = 2NaHSO3
Khí tham gia phản ứng với sunfit và bisunfit làm tăng nồng độ bisunfit. SO2 + NaHCO3 + Na2SO3 + H2O → 3NaHSO3
Dung dịch hình thành tác dụng với oxit kẽm tạo thành sinfit kẽm. NaHSO3 + ZnO → ZnSO3 + NaOH