3/
3.1.2Phân loại theo nguồn năng lƣợng sử dụng:
Nguồn UV nhân tạo sử dụng
Thiết bị phản ứng thƣờng sử dụng nguồn UV nhân tạo của ánh sáng huỳnh quang vì hiệu quà chuyển điện năng thành photon ánh sáng cáo hơn và hiệu quả hơn nhiều so với đèn hồ quang hơi thủy ngân hay xenon đƣợc kích hoạt bằng điện, do loại đèn này chuyển phần lớn điện năng thành nhiệt và ánh sáng khả kiến, giá thành cao và thời gian sử dụng thấp, khoảng 1000 giờ so với đèn UV huỳnh quang cĩ hiệu suất chuyển hịa điện năng thành photon cao và thời gian sử dụng từ 4000 đến 14000 giờ.
Hình 3.1 – Dãy quang phổ bức xạ tử ngoại (UV radiation spectrum). [www.ulvp.ca]
Dãy bức xạ UV cĩ buớc sĩng từ từ 100 – 400nm, đƣợc phân loại thành UV-A, UV-B UV-C và VUV. Trong đĩ, UV-A cĩ bƣớc sĩng từ 315 – 400nm, đèn UV-A thƣờng đƣợc thiết kế và sử dụng với 365 nm ± 20, là nguồn sáng chính cho quá trình quang xúc tác. UV-B cĩ bƣớc sĩng 280 – 315nm. UV-C cĩ bƣớc sĩng từ 200 – 315nm,
32
UV-C thƣờng đƣợc đặc trƣng bởi bƣớc sĩng 254nm. Cần phải lƣu ý khi sử dụng UV-C vì tia UV-C cĩ thể gây ung thƣ da và gây mù mắt. VUV cĩ bƣớc sĩng từ 100 – 200nm. Các thiết bị sử dụng nguồn UV nhân tạo đƣợc chế tạo tùy theo trạng thái chất xúc tác đƣợc sử dụng.
3.1.2.2 Thiết bị phản ứng sử dụng nguồn UV tự nhiên
Tiêu điểm chú ý của các quá trình xúc tác quang là sử dụng đƣợc năng lƣợng mặt trời tự nhiên trong các quá trình quang xúc tác, vì trong phổ các dải năng lƣợng mặt trời cĩ dải UV-A tƣơng ứng với bƣớc sĩng dƣới 400nm, tƣơng ứng với mức năng lƣợng lớn hơn 3,2eV, phù hợp với mức năng lƣợng cần thiết để thức hiện quá trình quang xúc tác trên TiO2. Tuy nhiên, dải ánh sáng UV chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng năng lƣợng bức xạ mặt trời (khoảng 5,6% trong tổng năng lƣợng bức xạ, ngày khơng mây [Trần Mạnh Trí, 2006]. Dù vậy, đầy là nguồn năng lƣợng “rẻ tiền” và sẵn cĩ trong tự nhiên, cĩ thể ứng dụng cho các nƣớc nằm trong khu vực từ 35o vĩ Bắc đến 35o vĩ Nam, năng lƣợng bức xạ trên 0,015 mW/cm2, năng lƣợng này đủ cho quá trình quang xúc tác.
Thiết bị phản ứng quang xúc tác sử dụng ánh sáng mặt trời đã đƣợc nghiên cứu và thiết kế với nhiều dạng khác nhau. Ngồi ra, do sự khác nhau của trạng thái xúc tác khi sử dụng nên các thiết bị cịn nhằm vào mức đích sao cho sử dụng nguồn UV trong ánh sáng mặt trời đạt hiệu quả cao nhất. Bởi chính yếu tố này, các thiết bị phản ứng đƣợc chia thành: thiết bị phản ứng tập trung ánh nắng (concentrating reactor) và thiết bị phản ứng khơng tập trung ánh nắng (non-concentrating reactor).
Thiết bị phản ứng tập trung ánh nắng tập trung ánh nắng vào một ống thủy tinh pyrex đặt ở giữa, dọc theo đƣờng hội tụ của máng parabol (parabolic trough
concentrator – PTC), mức độ tập trung ánh nắng đƣợc đánh giá thơng qua hệ số tập
trung ánh nắng (concentration ratio – CR), là hệ số tập trung và bề mặt của thiết bị phản ứng hấp thu các tia bức xạ tập trung vào, CR cĩ giá trị trong khoảng 5 – 10. Nƣớc cần xử lý chứa dung dịch huyền phù TiO2 chảy trong ống thuy tinh, tiếp nhận nguồn năng lƣợng này và thực hiện quá trình quang xúc tác. Hiện nay, thiết bị PTC do CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medio-Ambientales Technolĩgicas,
Tây Ban Nha) đƣợc đƣợc lắp đặt tại trạm mặt trời Almeria – PSA – Platforma Solar
de Almeria), [Malato và các cộng sự, 2002].
Qua các nghiên cứu, một số đặc điểm của dạng thiết bị phản ứng đƣợc thể hiện: i. Mật độ ánh sáng tập trung cao tại cùng một vị trí so với thiết bị phản ứng khơng tập trung ánh sáng. Tuy nhiên, tốc độ phản ứng phụ thuộc vào dịng photon (photon
33
dịng photon mà tăng theo bậc ½. Do đĩ, khơng địi hỏi việc tập trung cƣờng độ ánh sáng quá cao vào thiết bị phản ứng.
ii. Hệ thống nhằm cải tiến việc sử dụng năng lƣợng mặt trời, cĩ tác dụng tập trung ánh sáng chiếu trực tiếp, khơng cĩ tác dụng tập trung UV khuếch tán, do đĩ, nhiệt độ của hệ quang xúc tác sẽ tăng cao khơng cần thiết. Do đĩ tính thƣơng mại hĩa khơng cao và cần nhiều nghiên cứu để nâng cao hiệu suất [Alfano O.M và các cộng sự, 2000].
Hình 3.2 – Gƣơng parabol tập trung ánh sáng mặt trời – PTC – tại Almeria, PSA
Thiết bị phản ứng khơng tập trung ánh nắng khơng cĩ bộ phận chuyển động theo phƣơng vị mặt trời, khơng tập trung bức xạ, hệ số CR bằng 1. Do đĩ, cƣờng độ UV khơng cao, nhƣng, tốc độ phản ứng quang xúc tác tỉ lệ bậc nhất, cao hơn thiết bị phản ứng cĩ tập trung ánh nắng. Loại thiết bị phản ứng này cĩ nhiều ƣu điểm:
i. Dễ chế tao, cấu thành thiết bị đơn giản, giá thành rẻ.
ii. Sử dụng đƣợc cả UV khuếch tán cũng nhƣ UV trực tiếp trong ánh sáng mặt trời, UV khuếch tán chiếm thành phần khoảng 50% trong ánh nắng, nên thiết bị này vẫn cĩ thể sử dụng trong những ngày khơng mây.
iii. Hiệu suất “lƣợng tử” cao hơn thiết bị phản ứng cĩ hệ thống tập trung ánh sáng. Do đĩ, thiết bị phản ứng dạng này đƣợc áp dụng rộng rãi trong xử lý nƣớc thải cơng nghiệp. Một số dạng thiết bị đang đƣợc sử dụng hiện nay nhƣ thiết bị phản ứng với màng nƣớc chảy tự do, khoảng 100m (Free Falling Film – FFF) hay một dạng khác hơn của dạng thiết bị phản ứng này là thiết bị phản ứng lớp xúc tác cố định màng nƣớc mỏng (Thin-Film Fixed-Bed reactor – TFFB) [Hilgendorff và các cộng sự,
1993], sử dụng chất xúc tác dạng huyền phù hoặc cố định; thiết bị phản ứng với màng
nƣớc hình parabol khi chảy qua vịi phun (Fountain reactor with prabolic frofil)
[Puma và các cộng sự, 2001], chất xác tác đƣợc sử dụng ở dạng dung dịch huyền phù
phân tán cao; thiết bị phản ứng tấm hai lớp (Double-Skin Sheet reactor – DSS) [sản xuất tại cơng ty Rohm GmbH, Darmstadt, Đức], sử dụng dung dịch huyền phù phân tán cao chảy trong các rãnh [Alfano và các cộng sự, 2000], thiết bị phản ứng dạng ống
34
(tubular reactor), ghép song song hoặc nối tiếp và ghép thành các module, một dạng
thiết bị phản ứng thƣờng thấy ở thiết bị phản ứng dạng ống là thiết bị phản ứng cĩ máng thu parabol ghép đơi (Compound Parabolic Collecting Reactor – CPC). CPC khác PTC ở chỗ là khơng cĩ bộ phận chuyển hƣớng theo mặt trời, CR của thiết bị nhỏ hơn 1,15, coi nhƣ khơng tập trung ánh nắng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.3 – Thiết bị phản ứng dạng ống cĩ máng thu parabol ghép đơi
Ở một khía cạnh khác, các thiết bị phản ứng quang xúc tác bằng ánh sáng mặt trời đƣợc phân loại theo cách thức hoạt hoạt động, nƣớc chảy qua một lần (single-pass
mode), nƣớc chảy tuần hồn hay theo mẻ (batch mode).
Thiết bị phản ứng nƣớc chảy qua 1 lần (hoạt động liên tục) cần diện tích bề mặt đủ lớn và tốc độ dịng nƣớc trong thiết bị đủ để phân hủy các chất ơ nhiễm. Do đĩ, thiết bị thƣờng lớn và mức độ phân hủy chất ơ nhiễm khơng đồng đều do cƣờng độ UV khơng đồng đều trong ngày.
Thiết bị phản ứng nƣớc chảy qua nhiều lần (hoạt động theo mẻ) cho phép tuần hồn nƣớc đến khi hiệu quả xử lý đạt mức độ mong muốn. Do đĩ, diện tích bề mặt khơng cần phải quá lớn và đạt hiệu quả theo yêu cầu, khắc phục đƣợc 2 nhƣợc điểm của thiết bị phản ứng liên tục. Tuy nhiên, dạng thiết bị này bị hạn chế cơng suất do xử lý theo mẻ.