Bài giảng Quá trình hấp thụ - Phần 1 - Lê Thị Thái Hà

LOGO QUÁ TRÌNH HẤP THỤ GVGD: LÊ THỊ THÁI HÀ www.themegallery.com Company Logo MỤC TIÊU:  Tìm hiểu cơ sở lý thuyết của quá trình hấp thụ;  Ứng dụng quá trình hấp thụ vào xử lý ô nhiễm khí;  Các ưu và nhược điểm của phương pháp hấp thụ. www.themegallery.com Company Logo Định nghĩa Quy trình hấp thụ hơi khí độc là quá trình xảy ra phản ứng hóa học giữa hơi khí độc với chất hấp thụ khác pha để có chất mới với thuộc tính mới. Ví dụ : Quá trình hấp thụ SO2 bằng nước vôi. SO2 + Ca ( OH )2 = CaSO3 + H2O www.themegallery.com Company Logo Chất hấp thụ hơi khí độc đa phần là ở thể lỏng được phun thành giọt nhỏ vào dòng khí thải hay chảy tràn trên bề mặt lớp vật liệu rỗng của lớp đệm. www.themegallery.com Company Logo Các giai đoạn hòa tan chất khí vào chất lỏng:  Khuếch tán đến bề mặt chất lỏng hấp thụ;  Hòa tan chất khí vào bề mặt chất hấp thụ;  Khuếch tán chất khí đã hòa tan vào khối chất lỏng. www.themegallery.com Company Logo Yêu cầu đối với dung môi:  Có tính chất hòa tan chọn lọc;  Có độ nhớt thấp;  Không tạo thành kết tủa  Không gây ăn mòn thiết bị;  Ít độc hại đối với người. www.themegallery.com Company Logo Hiệu quả của quá trình hấp thụ phụ thuộc vào các yếu tố: Ái lực hoá học của chất phản ứng. Tốc độ và thời gian dòng khí đi qua thiết bị. Tổng diện tích bề mặt tiếp xúc của khí thải với dung dịch phun www.themegallery.com Company Logo Quá trình trao đổi thực hiện qua lớp biên;  Các phân tử đi qua lớp biên từ hai phía: Từ pha khí  lớp biên  pha lỏng; Từ pha lỏng  lớp biên  pha khí. Cường độ trao đổi phụ thuộc t, p, nồng độ và độ hòa tan. Quá trình khuếch tán bao gồm khuếch tán phân tử và rối. KT rối: san bằng nồng độ phân tử trong khối khí; KTPT: đẩy phân tử khí chuyển động vào lớp biên. www.themegallery.com Company Logo  Trong pha lỏng cũng xảy ra tương tự như pha khí: KT rối: san bằng nồng độ phân tử trong chất lỏng; KT chất lỏng: di chuyển phân tử đến lớp biên hay từ lớp biên vào pha khí.  Nếu có phản ứng hóa học thì phân tử không quay về pha khí được  cường độ trao đổi sẽ tăng lên. www.themegallery.com Company Logo Một số kết luận:  Hấp thụ chất khí dễ hòa tan thì sức cản của lớp biên khí có thể bỏ qua, sức cản lớp biên lỏng đóng vai trò quan trọng.  Hấp thụ chất khí có độ hòa tan thấp thì sức cản lớp biên khí quyết định cường độ hấp thu. www.themegallery.com Company Logo Nguyên tắc sử dụng chất hấp thụ Có đủ khả năng hấp thụ cao. Có tính chọn lọc cao theo quan hệ với thành phần cần được tách ra. Có thể có tính bốc hơi nhỏ. Có những tính chất động học tốt. Có khả năng hòan nguyên tốt. Có tính ổn định nhiệt hóa học. Không có tác động ăn mòn nhiều đến thiết bị. Có giá thành rẻ và dễ kiếm trong sản xuất công nghiệp. www.themegallery.com Company Logo THIẾT BỊ LỌC HƠI KHÍ ĐỘC THƯỜNG DÙNG www.themegallery.com Company Logo Buồng phun được sử dụng để kết hợp lọc sạch bụi và hơi khí độc bằng dung dịch phun. Người ta đưa dòng khí thải có lẫn bụi và hơi khí độc vào một đầu buồng phun qua một thiết bị có thể phân đều dòng khí thải theo toàn bộ tiết diện ngang của buồng. www.themegallery.com Company Logo Trong không gian buồng phun có bố trí 1, 2 hay 3 giàn mũi phun để phun dung dịch thành chùm các hạt nước nhỏ ngược chiều dòng khí thải. Hơi khí độc bị dung dịch hấp thụ qua bề mặt các hạt dung dịch, không khí sạch qua khỏi buồng phun được dẫn vào Cyclon ướt để thu lại các hạt nước phun. www.themegallery.com Company Logo Sau đó khí thải có thể được thải thẳng vào khí quyển hay đưa qua bộ sấy nóng trước khi thải để giảm độ ẩm tương đối của dòng khí. Dung dịch nước phun được thu hồi đưa qua thiết bị lắng cặn và xử lý hóa trước khi được phun trở lại. Sau một khoảng thời gian làm việc, dung dịch phun được thải vào hệ thống xử lý nước thải. www.themegallery.com Company Logo Tháp đệm www.themegallery.com Company Logo Tháp đệm thường là một tháp chứa lớp vật liệu rỗng như các loại khâu bằng sứ, kim loại hay plastic. Khí thải được dẫn vào ở đáy tháp và thoát ra ở đỉnh tháp. www.themegallery.com Company Logo Dung dịch hấp thụ được tưới đều lên đỉnh lớp đệm và chảy dọc theo các bề mặt vật liệu. Phản ứng hấp thụ xảy ra trên bề mặt ướt của lớp đệm. Hiệu quả lọc phụ thuộc vào vận tốc dòng khí trong lớp vật liệu và tổng diện tích bề mặt tiếp xúc lớp đệm. www.themegallery.com Company Logo Tháp đệm được dùng để lọc hơi khí độc có lẫn rất ít bụi để tránh nghẹt lớp đệm. Tốc độ dòng khí qua lớp đệm được cấu tạo sao cho tránh hiện tượng sặc trong lớp đệm. www.themegallery.com Company Logo Trong thực tế, người ta thường kết hợp buồng phun và tháp đệm để tiến hành lọc hơi khí độc. Thiết bị loại này có một buồng phun ở phía trên và một tháp đệm ở phía dưới. Khi thải đi từ dưới lên qua tháp đệm và qua buồng phun, sau đó được đưa qua một lớp vật liệu rỗng khác để tách lại các hạt nước phun. www.themegallery.com Company Logo Tháp bọt www.themegallery.com Company Logo Trong tháp bọt, người ta đưa không khí đi qua một tấm phẳng đục lỗ, phía trên có nước hay dung dịch hấp thụ. Khí thải đi qua lớp nước dưới dạng các bọt khí và nổ vỡ ở mặt trên của mặt nước. Quá trình thu bắt hạt bụi và hấp thụ hơi khí độc xảy ra trên bề mặt các bọt khí. www.themegallery.com Company Logo Mặt sàng thường làm bằng kim loại có chiều dày từ 4 - 6mm có các lỗ hình tròn đường kính d = 4 ~ 8mm. Tổng diện tích lỗ chiếm 20 ~ 25% diện tích mặt sàng. Lượng nước trên lưới đươc tính hay cấu tạo máng tràn sao cho lớp bọt có chiều cao 80 ~ 120mm. www.themegallery.com Company Logo Tốc độ khí đi qua lỗ giới hạn trong khoảng 6 ~ 10m/s là vận tốc tốt nhất để có lớp bọt ổn định. Tốc độ khí đi qua thiết diện ngang của thiết bị trong khoảng 1,5 ~ 2,5 m/s. Thiết bị thường có nhiều lớp mặt sàng để nâng cao hiệu quả của thiết bị. www.themegallery.com Company Logo XỬ LÝ MỘT SỐ KHÍ ĐỘC HẠI TIÊU BIỂU a. Xử lý SO2: Nguồn gốc phát sinh: Các trung tâm nhiệt điện, các lò nung. Lò hơi khí đốt nhiên liệu than, dầu và khí đốt có chứa lưu huỳnh hoặc hợp chất của lưu huỳnh. Các công đoạn sản xuất trong công nghiệp hóa chất, luyện kim. Hấp thụ SO2 bằng nước, các dung dịch kiềm: Na2CO3, NaOH, Ca(OH)2, dung dịch NH3 Hỗn hợp các huyền phù: MgO, ZnO, CaCO3. www.themegallery.com Company Logo Hấp thụ khí SO2 bằng nước: Đây là phương pháp đơn giản được áp dụng để loại bỏ khí SO2 trong khí thải, nhất là trong khói các loại lò công nghiệp. Mức độ hoà tan của khí SO2 trong nước giảm khi nhiệt độ nước tăng cao, do đó nhiệt độ nước cấp vào hệ thống hấp thụ khí SO2 phải đủ thấp. www.themegallery.com Company Logo Nếu dùng phương pháp phun nước để lọc SO2 trong khói lò đốt có nhiệt độ cao (từ 180 ~ 200OC) thì cần phải làm nguội khí và nước phun sao cho dung dịch phun luôn có nhiệt độ trong khoảng 25~30OC. www.themegallery.com Company Logo Xử lý khí SO2 bằng bột đá vôi (CaCO3) Đây là phương pháp được áp dụng phổ biến trong công nghiệp vì hiệu quả xử lý cao, nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có. Phương trình phản ứng như sau: CaCO3 + SO2 = CaSO3 +CO2 2CaSO3 + O2 = 2 CaSO4 (Phản ứng xảy ra chậm). www.themegallery.com Company Logo www.themegallery.com Company Logo Hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch sữa vôi: Sữa vôi là dung dịch quá bão hoà của vôi (Ca(OH)2) với nước (với hàm lượng vôi 100 ~ 110 g/lít). Khi phun vào tháp phun hay tháp đệm, khí SO2 bị dung dịch hấp thụ và xảy ra phản ứng: Ca(OH)2 + SO2 => CaSO3 + H2O Sunfit canxi ít tan trong nước và bị oxi hoá dần thành sufat canxi, lắng xuống theo phản ứng: 2CaSO3 + O2 => 2CaSO4 www.themegallery.com Company Logo Trong khói lò đốt ngoài khí SO2 ra còn có CO2 với hàm lượng cao. Lương khí này sẽ phản ứng với dung dịch nước vôi theo phản ứng sau: Ca(OH)2 + CO2 => CaCO3 + H2O Phản ứng không mong muốn này làm tiêu tốn thêm hoá chất trong hệ thống. Đồng thời, CaCO3 sẽ lắng đọng trên bề mặt lớp đệm, làm dày lên và làm tắc lớp đệm. Chúng còn đóng trên hệ thống phun dung dịch làm tắc nghẽn hệ thống này. www.themegallery.com Company Logo Hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch Xút Có một vài ứng dụng trong nước dùng tháp phun kết hợp tháp đệm lọc SO2 bằng dung dịch xút 0,5~ 1% thay cho dung dịch vôi. Hạ được nồng độ SO2 trong khí thải lò đốt dầu F.O khoảng 85 ~ 90%. Phản ứng trong quá trình như sau: NaOH + SO2 =NaHSO3 NaOH + NaHSO3 = Na2SO3 +H2O www.themegallery.com Company Logo Dung dịch này tránh được nhược điểm của dùng vôi là ít bị nghẹt hệ thống phun dung dịch và chỉ hấp thu SO2 . Phản ứng phụ của xút với CO2 nếu có xảy ra thì một phần của cacbonat natri được hình thành sẽ phản ứng với khí SO2 để tạo thành sunfit và bisunfit natri: NaOH + H2CO3 = NaHCO3 + H2O 2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O Na2CO3 + SO2 = Na2SO3 +CO2 NaHCO3 + SO2 = NaHSO3 + CO2 Na2SO3 + SO2 + H2O = 2NaHSO3 www.themegallery.com Company Logo Nhược điểm: Tiêu tốn nhiều xút ; Khí thải phải được làm nguội trước khi xử lý Nước thải đã không được xử lý khi thải bỏ, vì nếu cộng thêm phần xử lý nước thì giá thành hệ thống rất cao. Ngoài ra hệ thống này cần làm bằng vật liệu chịu được môi trường kiềm cao như INOX; COMPOSITE www.themegallery.com Company Logo Hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch sođa: Có thể thay dung dịch NaOH bằng dung dịch soda để hấp thụ khí SO2 . Phản ứng xảy ra như sau: Na2CO3 + SO2 => Na2SO3 +CO2 Na2SO3 + SO2 + H2O = >2NaHSO3 Natri bisunfit có thể lấy ra khỏi nước bằng cách cho phản ứng với oxit kẽm : NaHSO3 + ZnO => ZnSO3 + NaOH Sunfit kẽm không hoà tan nên lấy ra khỏi dung dịch trong các thùng lắng. www.themegallery.com Company Logo b. Xử lý NOx: Nguồn gốc: Quá trình đốt nhiên liệu. Thành phần của khí cốc. Tỏa ra trong công nghệ sản xuất axit nitric. Tẩy kim loại bằng axit trong phân xưởng mạ điện. www.themegallery.com Company Logo Khí thải có chứa NOX nồng độ thấp thường được xử lý bằng phương pháp dùng nước để rửa khí trong các thiết bị như tháp phun, tháp đệm, tháp bọt... Quá trình hấp thu NOx phụ thuộc:  Nồng độ ban đầu của NOx.  Kiểu thiết bị hấp thụ.  Loại vật liệu đệm và cường độ tưới. www.themegallery.com Company Logo c. Xử lý H2S: Pp cacbonat Trong pp này, H2S được hấp thu bởi dung dịch Na2CO3 hoặc K2CO3. Sau đó, dung dịch được phục hồi bằng đun nóng trong tháp chân không, làm nguội và quay lại hấp thụ H2S. Pp photphat Để hấp thụ H2S bằng pp photphat người ta sử dụng dung dịch chứa 40-50% photphat kali (K3PO4). Ưu điểm: chỉ hấp thụ H2S. www.themegallery.com Company Logo Pp Kiềm – Arsen Pp soda - sắt Pp hydroquinon-kiềm Pp hấp thụ bằng etanolamin www.themegallery.com Company Logo d. Xử lý các halogen và các hợp chất: Để hấp thụ các khí flo có thể sử dụng nước, dung dịch kiềm, dung dịch muối và các loại huyền phù (Na2CO3, NH4OH, NH4F, Ca(OH)2, NaCl, K2SO4...). Clo, HCl là chất thải đặc trưng của nhiều ngành sản xuất: điều chế clo và kiềm bằng phương pháp điện phân muối, sản xuất Mg kim loại bằng pp điện phân muối clorua magiê, sản xuất axit clohydric, các hợp chất hữu cơ và vô cơ có chứa clo. Để hấp thụ clo và các hợp chất chứa clo, người ta sử dụng nước, dung dịch kiềm và dung dịch các chất hữu cơ, huyền phù và các dung môi hữu cơ. www.themegallery.com Company Logo Phương pháp xử lý khí clo bằng sữa vôi: Sữa vôi là huyền phù Ca(OH)2 có dư vôi với hàm lượng vôi 100~110 g/lít. Khí thải sau khi được làm nguội đến 700C đi vào tháp phun hay tháp đệm, tại đây các khí clo, HCl và CO2 bị sữa vôi hấp thụ và làm nguội đến 30 - 40OC trước khi thải ra môi trường bên ngoài. Phương trình phản ứng như sau: 2Ca(OH)2 + 2Cl2 = Ca(OCl)2 + CaCl2 + 2H2O. Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O Ca(OH)2 + HCl = CaCl2 + 2H2O. www.themegallery.com Company Logo Ưu điểm của phưng pháp này là hiệu quả cao (80-90%), đơn giản, nguyên liệu sẵn có và rẻ tiền. Nhược điểm của phương pháp là sự hình thành canxi hypoclorit đòi hỏi phải xử lý trước khi thải ra hệ thống thoát nước và tiêu hao nhiều sữa vôi, nhất là khi trong khí thải có chứa CO2. www.themegallery.com Company Logo Thiết bị lọc khí rỗng tốc độ cao 1 - Đường ống dẫn chung; 2 - Quạt gió; 3 - Thiết bị lọc; 4 - Ống góp có các vòi phun; 5 - Đường vòng; 6 - Bộ ngăn nước; 7 - Ống thải; 8 - Bể tuần hòan; 9 - Bơm; 10 - Thóat dịch lọai bỏ; 11 - Phễu nạp dung dịch mới. Hình 1: Sơ đồ làm sạch khí thải trong thiết bị rỗng www.themegallery.com Company Logo Thiết bị rửa khí có lớp đệm 1 - Lưới đỡ; 2 - Lớp vật liệu; 3 - Thiết bị tưới; 4 - Lớp tách nước. Hình 3.1 – Thiết bị rửa khí đứng có lớp đệm www.themegallery.com Company Logo Thiết bị khử khí kiểu sủi bọt 1 - Thiết bị tách nước; 2 - Bộ tạo xoáy; 3 - Ống thóat dịch; 4 - Đơn nguyên trên; 5 - Đơn nguyên giữa; 6 - Bộ phận ổn định; 7 - Đơn nguyên dưới; 8 - Đĩa; 9 - Thiết bị tưới; 10 - Vòi phun chu kỳ Hình 4- Thiết bị lọc sủi bọt Năng suất của dòng khí có thể trong khoảng 3000 ÷ 90000m3/h. Hiệu suất làm sạch khí Chromic Anhydric và hỗn hợp khí Cyanua đạt trên dưới 85%.