Tiểu luận Ô nhiễm không khí từ quá trình đốt nhiên liệu và biện pháp xử lí

g nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải...), ... Loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống (dầu khí, than đá...): tính chất thân thiện với môi trường: chúng sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (một hiệu ứng vật lý khiến Trái Đất nóng lên) và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống. nguồn nhiên liệu tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh. Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống. Tuy nhiên hiện nay vấn đề sử dụng nhiên liệu sinh học vào đời sống còn nhiều hạn chế do chưa hạ được giá thành sản xuất xuống thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống. Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, nhiên liệu sinh học có khả năng là nhiên liệu thay thế. 2.3. THÀNH PHẦN NHIÊN LIỆU Đối với thành phần nhiên liệu thường được biểu diễn dưới các dạng: - Thành phần hữu cơ Ch + Hh + Oh + Nh = 100% - Thành phần cháy Cc + Hc + Oc + Nc + Sc = 100% - Thành phần khô Ck + Hk + Ok + Nk + Sk + Ak = 100% - Thành phần sử dụng Cd + Hd + Od + Nd + Sd + Ad + Wd = 100% Ví dụ: Cacbon (C) là thành phần cháy chủ yếu trong nhiên liệu. 1kg cacbon khi cháy tỏa ra khoảng 8.000 kCal. Nhiên liệu rắn chứa nhiều cacbon hơn nhiên liệu lỏng và khí, nhưng thành phần chất bốc (chất trợ cháy) ít hơn. Than, gỗ càng già thì hàm lượng cacbon càng cao, chất bốc trong nhiên liệu càng thấp càng khó cháy. Hydro (H) là thành phần cháy thứ hai của nhiên liệu. 1kg hydro khi cháy tỏa ra nhiệt lượng lớn gấp bốn lần 1kg than. Than càng non thì lượng hydro càng nhiều, nên càng dễ bắt lửa. Nhiên liệu lỏng và khí có nhiều hydro hơn nhiên liệu rắn. Lưu huỳnh (S) cũng là thành phần cháy song phần lưu huỳnh cháy được tỏa nhiệt ít, còn phần không cháy được sẽ tạo thành tro. Sản phẩm cháy của lưu huỳnh tạo thành khí SOx, gặp hơi nước có khả năng tạo thành axít gây ăn mòn các thiết bị. Khí SOx là dạng khí độc, lưu huỳnh là nguyên tố có hại trong nhiên liệu. Ôxy và nitơ là chất vô ích. Nó làm giảm thành phần cháy của nhiên liệu. Nhiên liệu càng non, ôxy càng nhiều. Độ tro (A) cũng là yếu tố tiêu cực cho nhiên liệu. Độ tro cao làm giảm thành phần chất cháy, gây khả năng đóng kết ở các trung tâm buồng đốt và đáy lò, tro dễ phủ lên bề mặt tiếp nhiệt của buồng lửa gây giảm hiệu quả đốt. Độ ẩm của nhiên liệu (W) thể hiện mức độ chứa nước trong nhiên liệu. Độ ẩm lớn, thành phần chất cháy giảm làm nhiệt trị sẽ giảm và khi đốt nhiên liệu, nhiệt bị hao phí một phần để làm bay hơi nước. Bảng 2.3.1. Thành phần nhiên liệu, % KL Các chất Gỗ Than bùn Than non (than nâu) Than bitum Than antraxit Dầu Khí Các bon 52,3 57 55 75,8 82,1 86 75 Hydro 6,3 5,5 4,4 5,0 2,3 10 24 Oxy 40,5 31 13 7,4 2,0 Nitơ 0,1 1,5 1,0 1,5 2,8 0.6 1 Lưu huỳnh < 0,1 0,2 1,7 1,6 0,6 3 vết Tro 0,8 4,8 24,9 8,7 12,2 0.4 - Bảng 2.3.2. Thành phần nhiên liệu theo mol Thành phần nhiên liệu Thành phần sử dụng các chất trong 100 kg nhiên liệu (kg) Khối lượng phân tử Số lượng mol C H O N S A W Tổng cộng Cd Hd Od Nd Sd Ad Wd 100,0 12 2 32 28 32 - 18 Cd : 12 Hd : 2 Od : 32 Nd : 28 Sd : 32 - Wd : 18 CHƯƠNG 3 : Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ DO QUÁ TRÌNH ĐỐT NHIÊN LIỆU. 3.1. QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH CÁC CHẤT GÂY Ô NHIỄM CHÍNH 3.1.1.Cacbon monoxit: Là chất khí không màu,không mùi,không vị,nhẹ hơn không khí,nhiệt độ sôi – 192 ºC, gây ô nhiễm với quy mô lớn chỉ trong các đô thị. Nguồn ô nhiễm nhân tạo (400 triệu tấn/năm) chủ yếu do đốt nguyên liệu (trong sản xuất công nghiệp và trong sinh hoạt),do một số quá trình sản xuất,do động cơ đốt trong của ôtô,đầu máy xe lửa.Xấp xỉ 2/3 lượng CO trong khí quyển do các nguồn nhân tạo sinh ra do động cơ đốt trong,chủ yếu do ôtô chạy xăng. Khi đốt nhiên liệu rắn và lỏng,xảy ra phản ứng cháy không hoàn tòan giữa cacbon và oxi tạo thành CO.Trong thành phần của nhiều loại khí đốt nhân tạo đều có CO : khí lò ga chứa 25 – 34% CO,khí từ đá phiến – khoảng 17% CO.Người ta tính với tình trạng kĩ thuật hiện nay,thường khi đốt 1 tấn nhiên liệu cho phát thải 20kg CO.Chỉ khi khí đốt tự nhiên (hay nhân tạo) thì quá trình cháy mới có thể thực hiện hoàn toàn và loại trừ được CO trong sản phẩm cháy. Công nghiệp luyện kim có nhiều quá trình phát thải khí CO như quá trình lò cao (lò gang) với khí lò cao chứa 28 – 32% CO,quá trình nấu chảy thỏi đúc,thép phôi trong luyện kim đen,quá trình sản xsuất nhôm trong luyện kim màu,quá trình luyện cốc để sản xuất kim loại đen và màu… Hàm lượng CO chiếm 4 – 5%,cá biệt 13,5% trong khí xả ôtô.Ôtô du lịch phát thải 1h 3m3 CO và ôtô tải – 6m3. CO được hình thành do việc đốt cháy không hết nhiên liệu hóa thạch như than, dầu và một số hợp chất hữu cơ khác. 2C + O2 2CO Ở nhiệt độ cao CO2 sinh ra cũng phản ứng với các chất chứa cacbon như trong quá trình luyện gang tạo thành CO: CO2 + C 2CO Ở nhiệt độ cao CO2 phân hủy cũng tạo thành C:CO2 CO + 1/2 O2 Quá trình oxy hóa CO trong khí quyển diễn ra chậm,và có thể coi như 0,1% CO trong 1h ánh sáng (ánh sáng đóng vai trò xúc tác cho phản ứng) : 2CO + O2 2 CO2. Sự có mặt của nhóm hidroxit (OH) thúc đẩy quá trình phản ứng : 2CO + 2OH CO2 + H2O 3.1.2.Các nitơ oxit (NOx): Trong số 7 NOx bao gồm NO,NO2,NO3,N2O,N2O3,N2O4 và N2O5,chỉ có N2O (dinitơ oxit),NO (nitơ monoxit) và NO2 (nitơ dioxit) là có thể đánh giá được lượng tạo thành của chúng trong khí quyển.NO và NO2 thường đi với nhau và chúng có thể đặc trưng và đại diện cho NOx. a.Dioxide nitơ (NO2) Là chất khí có màu nâu thẫm - hơi đỏ,vị cay và mùi kích thích,có thể nhận biết ở nồng độ 0,12ppm.NO2 phát thải do cháy nhiên liệu (ở nhiệt độ cao) và từ các nhà máy sản xuất HNO3.Nó còn được bổ sung trong khí quyển do oxi hóa NO nhờ O3 (theo phản ứng đã trình bày ở trên). NO2 oxi hóa thành N2O5 (anhidric của axit nitric – nitơ pentoxit ) nhờ O3 Vậy NOx có thể coi như tác nhân gây nên quá trình phân hủy ozon.Phản ứng sẽ kết thúc khi tạo thành HNO3 (và các sản phẩm quang hóa) : 2NO2 + H2O HNO3 + HNO2 2NO2 + H2O 2HNO3 + NO N2O5 + H2O 2HNO3 Đối với động cơ Diesel, người ta thấy có đến 30% NOx dưới dạng NO2. Dioxyde nitơ NO2 được hình thành từ monoxyde nitơ NO và các chất trung gian của sản vật cháy theo phản ứng sau: NO + H2O NO2 + OH Trong điều kiện nhiệt độ cao, NO2 tạo thành có thể phân giải theo phản ứng: NO2 + O NO + O2 b.Protoxyde nitơ (N2O) Protoxyde nitơ N2O chủ yếu hình thành từ các chất trung gian NH và NCO khi chúng tác dụng với NO: NH + NO N2O + H NCO + NO N2O + CO N2O chủ yếu được hình thành ở vùng oxy hóa có nồng độ nguyên tử H cao, mà hydrogène là chất tạo ra sự phân hủy mạnh protoxyde nitơ theo phản ứng: N2O + H NH + CO N2O + H N2 + OH c.Nitơ monoxit (NO) Là chất khí không màu,được tạo thành với quy mô lớn do cháy nhiên liệu không hoàn toàn ở nhiệt độ cao.NO còn được sinh ra trong công nghiệp sản xuất HNO3 và các hóa chất,do động cơ ôtô. Sự hình thành NO phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ N2 + O2 2NO Phản ứng tạo NO có tốc độ thấp hơn nhiều so với phản ứng cháy. Nồng độ NO cũng phụ thuộc mạnh vào nồng độ oxy. Vì vậy trong điều kiện nhiệt độ cao và nồng độ O2 lớn thì nồng độ NO trong sản phẩm cháy cũng lớn NO oxi hóa thành NO2,gây ô nhiễm qua phản ứng quang hóa thứ cấp : NO + O3 NO + O2 NO2 oxi hóa thành N2O5 (anhidric của axit nitric – nitơ pentoxit ) nhờ O3 Vậy NOx có thể coi như tác nhân gây nên quá trình phân hủy ozon.Phản ứng sẽ kết thúc khi tạo thành HNO3 (và các sản phẩm quang hóa) : 2NO2 + H2O HNO3 + HNO2 2NO2 + H2O 2HNO3 + NO N2O5 + H2O 2HNO3 3.1.3. Lưu huỳnh oxit (SOx): SOx bao gồm 6 hợp chất khác nhau của lưu huỳnh,đó là : SO (lưu huỳnh monoxit),SO2 (lưu huỳnh dioxit),SO3 (lưu huỳnh tridoxit),SO4 (lưu huỳnh tetroxit),S2O3 (lưu huỳnh seskioxit) và S2O7 (lưu huỳnh heptoxic),trong đó SO2 và SO3 là quan trọng hơn và có thể đại diện cho SOx a.Lưu huỳnh dioxit (SO2) Còn gọi là anhidrit sunfurơ,hay đơn giản – khí sunfua.Là chất khí không màu,có mùi hắc và vị cay,khó cháy nổ. Là chất khí không màu,có mùi hắc và vị cay,khó cháy nổ. Khí SO2 phát thải còn do nung và luyện pirit sắt,quặng lưu huỳnh,do các quá trình trong các phân xưởng rèn,đúc,công nghiệp luyện kim,các quá trình hóa học sản xuất H2SO4 như phương tiện sát trùng,trong máy lạnh,lọc sản phẩm dầu lửa,sản phẩm cao su,phân bón,sản xuất khí lò cao,lò cốc…. Lưu huỳnh có trong nhiên liệu như than đá,dầu lửa (hàm lượng nhiều nhất của nó trong than,có khi đến 8%).Nếu hàm lượng S trong than 4% thì lượng SO2 trong khói chiếm 0,35%.Khí thải từ nồi hơi đốt than không xử lý chứa 500 – 5000ppm hàm lượng SO2.Khi nung quặng S khói thải có thể chứa 8% SO2. Các nhà máy điện đốt than sinh khoảng 60% tổng SOx trong khí quyển,dầu – 14%,và các quá trình công nghiệp xấp xỉ 22%. b.Lưu huỳnh trioxit (SO3) SO3 thường phát thải cùng với SO2,với khoảng 1 – 5% so với SO2 và kết hợp nhanh với hơi ẩm trong khí quyển tạo thành H2SO4 có điểm sương thấp. Cả SO2 và SO3 đều được rửa nhanh trong khí quyển nhờ mưa hoặc lắng như sol khí.Đó là lý do tại sao lượng SO2 trong khí quyển sạch nhỏ hơn nhiều so với lượng phát thải hằng năm do các nguồn nhân tạo. Các phản ứng hóa học tạo thành SO2,SO3,H2SO4 và muối của H2SO4 : Đốt S oxi hóa H2O + O2 SO2 SO3↓ H2SO4 Oxi hóa H2S MO + H2SO4 MSO4 + H2 Hoặc 2NH3 +H2SO4 (NH4)2SO4 (trong đó : M = Mg,Fe,Zn,Mn,MSO4 – muối kim loại : (NH4)2SO4 – amonisunfat) Phần lớn quá trình oxi hóa nhanh SO2 tạo thành sương mù quyện khói quang hóa sau đó.Quá trình oxi hóa SO2 thành SO3 phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời : hv SO2 SO2(SO2 phân tử được kích thích) Kích thích quang hóa Oxi hóa SO2 + O2 SO4 SO4 + O2 SO3 + O3 SO3 +H2O H2SO4 (ước lượng phản ứng oxi hóa SO2 là 2%,nhưng thời gian có mặt của SO2 trong khí quyển đến 5 ngày). 3.1.4. Cacbondioxit (CO2): CO2 được hình thành từ những con đường chính như sau: Trong quá trình phân hủy động thực vật chết, chuyển tiếp qua khí CH4 Phản ứng cháy của gỗ và các nhiên liệu hóa thạch khác Là sản phẩm phụ của quá trình lên men đường, bia, rượu và các hợp chất alcohol khác Là sản phẩm phụ của các chế biến hóa học như sản xuất Na3PO4, quá trình khí hóa than, sản xuất CaO,... Hình thành trong tự nhiên thông qua phản ứng của nước ngầm với CaCO3, và CaMg(CO3)2. Một số phản ứng tạo thành CO2 trong quá trình đốt nhiên liệu : CO + O2 CO2 C + O2 CO2 3.2. TẢI LƯỢNG Ô NHIỄM TRONG QUÁ TRÌNH ĐỐT 3.2.1. Tải lượng ô nhiễm trong quá trình đốt nhiên liệu của các phương tiện vận chuyển: Hệ số phát thải trong khí thải đốt dầu diesel được trình bày trong bảng 3.2.1a) Bảng 3.2.1: Hệ số ô nhiễm của các phương tiện vận chuyển sử dụng dầu diesel Chất ô nhiễm Bụi SO2 NO2 CO VOC (g/xe.km) Chạy không tải 611x10-3 582x10-3 1620x10-3 913x10-3 511x10-3 Chạy có tải 1190x10-3 786x10-3 2960x10-3 1780x10-3 1270x10-3 Nguồn: GE MOTORS AND INDUSTRIAL SYSTEMS [GEMIS V.4.1] Tải lượng bụi và khí thải từ phương tiện vận chuyển tương ứng với quảng đường vận chuyển 500 m và tần suất vận chuyển trung bình khoảng 15 - 20 lượt/ngày được xác định nhờ phương pháp đánh giá nhanh như sau: Bảng 3.2.2. Tải lượng bụi và khí thải từ phương tiện vận chuyển Chất ô nhiễm Bụi SO2 NO2 CO VOC (kg/ngày) Chạy không tải 0,005¸0,006 0,004¸0,006 0,012¸0,016 0,007¸0,009 0,004¸0,005 Chạy có tải 0,009¸0,012 0,006¸0,008 0,022¸0,030 0,013¸0,013 0,010¸0,013 Nguồn: Khoa Công nghệ Môi trường ĐH Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2008 Nhận xét: Tải lượng bụi và các chất ô nhiễm không khí phát sinh do các phương tiện vận chuyển tương đối thấp, cụ thể: - Tải lượng bụi : 0,005 - 0,012 kg/ngày; - Tải lượng SO2 : 0,004 - 0,008 kg/ngày; - Tải lượng NO2 : 0,012 - 0,030 kg/ngày; - Tải lượng CO : 0,007 - 0,013 kg/ngày; - Tải lượng VOC : 0,004 - 0,013 kg/ngày. Hệ số ô nhiễm các chất ô nhiễm trong khí thải đốt dầu DO (WHO - 1993) Chất ô nhiễm Hệ số ô nhiễm (kg chất ô nhiễm/tấn dầu) Bụi 0,28 NO2 20 x S NOx 2,84 SO3 0,28 x S CO 0,71 VOC 0,035 S: Hàm lượng lưu huỳnh trong dầu DO = 1% 3.2.2. Tải lượng các chất ô nhiễm trong quá trình đốt công nghiệp Bảng 3.2.4.Tải lượng các chất ô nhiễm trong quá trình đốt công nghiệp; (kg/tấn nhiên liệu) Ngành CN bụi (C) SO2 NOx CO THC SO3 Khí thiên nhiên Nồi hơi nấu 0,061 20S 11,3f 0,82 0,036 Nồi hơi CN 0,061 20S 2,87 0,72 0,118 đốt phục vụ sinh hoạt 0,061 20S 2,05 0,41 0,160 Turbin khí 0,287 0,224/Nm3 20S 15,6/Nm3 8,91 6,62/Nm3 2,36 1,84/Nm3 0,863 0,673/Nm3 Khí hoá lỏng (LPG) liquefired petroleum gas Nồi hơi CN 0,06 0,07 2,9 0,71 0,12 đốt phục vụ sinh hoạt 0,06 0,07 2,05 0,42 0,17 Dầu DO Nồi hơi CN 0,28 20S 2,84 0,71 0,35 0,28S Máy phát điện 0,71 20S 9,62 2,19 0,79 Dầu FO Nôi hơi nấu P 20S 8,5 0,64 0,127 0,25S Nồi hơi CN P 20S 7,0 0,64 0,163 0,25S Nhiên liệu khác Than nâu 5A 19,5S 9,0 0,3 0,055 Củi (nồi hơi) 3,6 0,075 0,34 13 0,85 Rác (nồi hơi) 8 - 3 42 21,5 Ghi chú: f = 0,3505 - 0,005235 L + 0,0001173 L2 ( L là tải lượng trung bình của nôi hơi thông thoáng 87%). P = 0,4 + 1,32S. A là hàm lượng phần trên của tro trong nhiên liệu. Bảng 3.2.5 : hệ số ô nhiễm đốt vôi lò gạch(kg/tấn sản phẩm): nhiên liệu bụi SOx CO THC NOx Than 0,64A 4,8S 1,28 0,37 0,56 Dầu DO 0,13A 3,6S < 10-3 0,024 3,18 Củi 1,96 0,20 7,81 9,13 1,30 Vôi đá 8,03 0,24 9,64 11,24 1,62 Trấu 5,55 0,00 32,49 6,50 0,65 Ghi chú: A và S là hàm lượng tro và lưu huỳnh trong nhiên liệu. 3.3. CÁC BIỆN PHÁP GIẢM Ô NHIỄM 3.3.1. Nguyên tắc của các quá trình xử lý khí độc hại: Các biện pháp kỹ thuật nhằm hạn chế sự hình thành và phát thải các chất ô nhiễm thể khí tại các nguồn thải có thể được phân chia thành hai cấp sau đây: Cải tiến các quá trình cơ bản để tạo ra công nghệ : “sạch hơn” Xử lý làm sạch khí thải trước khi thải vào bầu khí quyển. Sự lựa chọn các giải pháp kỹ thuật cho các vấn đề nêu trên phụ thuộc vào đặc điểm của chất ô nhiễm, quá trình phát sinh chất ô nhiễm và mức độ xử lý. Khi xem xét quá trình đốt cháy nguyên liệu, ta có thể phân biệt 3 loại ô nhiễm. Sản phẩm của quá trình cháy không hoàn toàn như các hydrocarbon, oxyt carbon, các bụi dầu chưa cháy hết. Các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy như SO2, NOx do thành phần lưu huỳnh và nitơ chứa trong nhiên liệu gây ra. Oxyt nitơ từ phản ứng nhiệt độ cao của Nitơ và oxy. Cải tiến các quá trình công nghệ đóng vai trò chủ yếu trong việc loại trừ phát thải chất ô nhiễm thuộc loại 1 và 3, nhưng bằng cách thực hiện các quá trình cháy hiệu quả cao hơn và thay đổi mối quan hệ giữa thời gian - nhiệt độ của hỗn hợp cháy. Thay thế nhiên liệu ít sạch bằng nhiên liệu sạch hơn là biện pháp chiến lược số một khi cần giải quyết các chất ô nhiễm loại 2. Xử lý làm sạch khí thải về nguyên tắc là giải pháp cơ bản bắt buộc với các chất ô nhiễm thuộc cả 3 loại nêu trên. Xử lý khí thải có thể thực hiện bằng ba phương pháp sau : Hấp thụ các khí độc hại bằng chất lõng Hấp phụ các chất ô nhiễm trên bề mặt vật liệu rắn. Biến đổi hoá học các chất ô nhiễm bằng quá trình thiêu đốt. 3.3.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp hấp thụ: Hấp thụ khí bằng chất lỏng là quá trình hoà tan chất khí trong chất lỏng khi chúng tiếp xúc nhau. Hấp thụ dựa trên cơ sở của qúa trình truyền khối nghĩa là phân chia pha, phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thụ trong pha khí, phương pháp hấp thụ chia làm hai loại : hấp thụ vật lý và hấp thụ hoá học. Cơ cấu của quá trình này được chia ra thành ba bước : Khuếch tán các phân tử chất ô nhiễm thể khí trong khối khí thải đến bề mặt của chất hấp thụ. Thâm nhập và hoà tan chất khí vào bề mặt của chất hấp thụ. Khuếch tán chất khí đã hoà tan trên bề mặt ngăn cách vào sâu trong lòng khối chất lõng hấp thụ. Khi chuyển từ pha khí vào pha lỏng, năng lượng phân tử của cấu tử phân tán giảm. Vì vậy quá trình hấp thu sẽ kèm theo sự tỏa nhiệt và làm tăng nhiệt độ của hệ thống. Ngoài ra tổng thể tích của hệ thống trong quá trình hấp thụ sẽ giảm do thể tích của pha khí bị giảm. Do đó theo nguyên lý của Le Chartelier, độ hoà tan của chất khí trong chất lõng sẽ tăng nếu tăng áp suất và giảm nhiệt độ của quá trình. Qúa trình hấp thụ trong điều kiện đẳng nhiệt và hấp thụ đẳng áp. Trường hợp đẳng áp cơ cấu thiết bị được đơn giản hoá nhưng điều kiện cân bằng không tốt. Ngoài ra, hấp thụ đẳng nhiệt có thể xảy ra với nồng độ chất khí ban đầu nhỏ hay lưu lượng chất lõng lớn. Khi đó, sự thay đổi nhiệt độ của chất lõng là không đáng kể. Trong quá trình hấp thụ, chất ô nhiễm hoà tan thường được tách khỏi dòng khí thải có lưu luợng lớn tức là nồng độ phần mol rất nhỏ. Nếu nồng độ phần mol của chất ô nhiễm hoà tan trong chất lõng hấp thụ cũng thấp, áp suất riêng phần cân bằng của chất ô nhiễm hoà tan được biểu diễn bằng Định luật Henry : pà = H.x (1) Trong đó: Pà - áp suất riêng phần của chất hoà tan trong pha khí cân pha lõng. x - nồng độ phần mol của chất hoà tan trong chất lõng. H - hệ số Henry Áp suất riêng phần p được định nghĩa bằng tích số của phần mol pha khí y và áp suất tổng cộng P: p = y.P (2) Dùng giá trị : pà =yà.P (=H.x) (3) Suy ra yà = (H/P).x = m.x Trong đó: yà - Nồng độ phần mol của chất hoà tan trong pha khí cân bằng pha lõng. m = H/P - Hệ số thứ nguyên có giá trị không đổi cho một hệ lõng khí. Mặt khác theo định luật Raoult ta có : pà = P0. x (4) Trong đó : pà - Áp suất riêng phần của chất hoà tan trong hỗn hợp khí cân bằng với pha lõng P0 – Áp suất hơi bão hoà của cấu tử nguyên chất. x - nồng độ mol của chất hoà tan trong chất lõng, kmolA/kmolB Thay pà trong phương trình (4) vào phương trình (2) ta được : yà = (P0/P).x Phương trình cân bằng của quá trình hấp thụ có thể được biểu diễn như sau: yà = H/P = m.x = (P0/P).x Phương trình này chỉ đúng cho dung dịch loãng và các thành phần không phản ứng với nhau. Đây là phương trình đường thẳng với hệ số góc là m. Trong trường hợp các chất khí ô nhiễm phảnứng hay phân ly trong dung dich hấp thụ, đường cân là đường cong và được thiết lập dựa trên các thông số thực nghiệm. 3.3.3. Cơ sở lý thuyết của phương pháp hấp phụ: Hấp phụ : Hấp phụ là quá trình phân ly chất khí dựa trên ái lực của một số chất rắn đối với một số loại khí, trong quá trình đó các chất khí ô nhiễm trong khí thải bị giữ lại trên bề mặt của vật liệu rắn. Vật liệu rắn sử dụng trong quá trình này được gọi là chất hấp phụ, còn chất khí bị giữ lại trong chất hấp phụ gọi là chất bị hấp phụ. Vật liệu dùng để hấp phụ là các vật liệu xốp với bề mặt bên trong lớn, được tạo thành do tổng hợp nhân tạo hoặc do tự nhiên. (Ô nhiễm không khí và xử lí khí thải Tập 3 – GS.TS Trần Ngọc Chấn). Qúa trình hấp phụ được áp dụng rất phù hợp trong những trường hợp sau : Chất khí ô nhiễm không cháy được hoặc khó đốt cháy. Chất khí cần khử có giá trị và cần thu hồi. Chất khí ô nhiễm có nồng độ thấp thấp trong khí thải mà các quá trình khử khí khác không áp dụng được. Trình hấp phụ được phân chia thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học: Hấp phụ vật lý : các phân tử khí bị hút vào bề mặt của chất hấp phụ nhờ có lực liên kết giữa các phân tử. Hấp phụ là quá trình toả nhiệt. Ưu điểm của hấp phụ vật lý là quá trình thuận nghịch, tốc độ hấp phụ diễn ra rất nhanh. Hấp phụ hoá học : là kết qủa của các phản ứng hóa học giữa chất bị hấp phụ và vật liệu hấp phụ. Lượng nhiệt toả ra lớn, Chi phí ít năng lượng cho phản ứng là cơ sở để giải thích hiệu quả của chất xúc tác bằng bề mặt chất rắn trong việc thúc đẩy nhanh một số quá trình hoá học tong công nghiệp hoá chất. Một điểm quan trọng trong hấp phụ hoá học là tính chất không thuận nghhịch. Vật liêu hấp phụ thường là các vật liệu dạng hạt từ 6-10mm xuống đến cỡ 200 có độ rỗng được hình thành do những mạch mao quản li ti nằm bên trong khối vật liệu. Các vật liệu hấp phụ trong công nghiệp cơ bản là : than hoạt tính, silicagen, keo nhôm, zeolit, ionit. Yêu cầu đề ra khi thiết kế hoặc chọn thiết bị hấp phụ là : Đảm bảo thời gian chu kỳ làm việc thích hợp. Có xử lý sơ bộ đối với khí thải để loại các chất không thể hấp phụ được. Xử lý làm giảm bớt nồng độ ban đầu của chất cần khử trong khí thải để bảo vệ lớp vật liệu hấp phụ khỏi bị quá tải. Phân phối dòng khí đi qua lớp vật liệu hấp phụ một cách đều đặn. Đảm bảo khả năng thay thế mới hoặc hoàn nguyên vật liệu hấp phụ sau khi đạt trạng thái bão hoà. 3.3.4. Các phương pháp xử lý SO2: Hấp thụ khí SO2 bằng nước và thu hồi khí SO2 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 khói của các loại lò công nghiệp. Sơ đồ hệ thống xử lý khí SO2 bằng nước gồm 2 giai đoạn: Hấp thụ khí SO2 bằng cách phun nước vào dòng khí thải hoặc cho khí thải di qua lớp vật liệu đệm (vật liệu rỗng) có tưới nước – scrubơ. Giải thoát khí SO2 ra khỏi chất hấp thụ để thu hồi SO2 (nếu cần) và nước sạch. Phương pháp hấp thụ khí SO2 bằng nước chỉ áp dụng được khi: Nồng độ ban đầu của khí SO2 trong khí thải tương đối cao; Có sẵn nguồn cấp nhiệt (hơi nước) và cấp lạnh với giá rẻ; Xử lý khí SO2 bằng đá vôi (CaCO3) hoặc vôi nung: Xử lý khí SO2 bằng vôi là phương pháp được áp dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì hiệu quả xử lý cao, nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có ở mọi nơi. CaCO3 + SO2 = CaSO3 + CO2 (3.1) CaO + SO2 = CaSO3 (3.2) 2CaSO3 + O2 = 2CaSO4 (3.3) Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là: công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư ban đầu không lớn, có thể chế tạo thiết bị bằng vật liệu thông thường, không cần đến vật liệu chống axit và không chiếm nhiều diện tích xây dựng. Nhược điểm: đóng cáu cặn trong hệ thống. Xử lý khí SO2 bằng amoniac: Amoniac và khí SO2 trong dung dịch nước có phản ứng với nhau và tạo ra muối trung gian amoni sunfit, sau đó muối amoni sunfit lại tác dụng tiếp với SO2 và H2O để tạo ra muối amoni bisunfit theo phản ứng sau: SO2 + 2NH3 = (NH4)2SO3 (3.4) (NH4)2SO3 + SO3 + H2O = 2NH4HSO3 (3.5) Lượng bisunfit tích tụ dần dần có thể hoàn nguyên bằng cách nung nóng trong chân không 2NH4HSO3 nung nóng (NH4)2SO3 + SO2­ + H2O (3.6) Ưu điểm của phương pháp này là có thể áp dụng để khử khói thải có chứa nhiều bụi và ở nhiệt độ cao. Hệ thống có thể làm việc với lưu lượng khói thải rất lớn. Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là lượng phế thải nhiều, gây khó chịu cho người vận hành do mùi. Xử lý khí SO2 bằng magie oxit (MgO): Phương pháp này dựa trên các phản ứng MgO + SO2 = MgSO3 (3.7) MgSO3 + SO2 + H2O = Mg(HSO3)2 (3.8) Một phần Magie Sunfit tác dụng oxy trong khói thải để tạo thành sunfat 2MgSO3 + O2 = 2MgSO4 (3.9) Magie bisunfit có thể bị trung hòa bằng cách bổ sung thêm MgO mới Mg(HSO3)2 + MgO = 2MgSO3 + H2O (3.10) Ưu điểm của phương pháp này là hiệu quả xử lý cao có thể đạt 95-99%, áp dụng được cho trường hợp khói thải có nhiệt độ cao, chứa nhiều bụi mà không cần phải làm nguội và lọc bụi trước khi đi vào hệ thống xử lý SO2. Nhược điểm: gây ra cáu cặn cho hệ thống bỡi các tinh thể không tan. Xử lý khí SO2 bằng dung dịch sôđa (Na2CO3): Phương pháp này có ưu điểm là không đóng cáu cặn trên đường ống. Có thể hấp thụ ở bất kỳ nồng độ nào và chúng có khả năng hấp thụ rất lớn. Phương trình xảy ra như sau: Na2CO3 + SO2 = Na2SO3 + CO2 (3.11) Na2SO3 + SO2 + H2O = NaHSO3 (3.12) Xử lý khí SO2 bằng kẽm oxit ZnO: Là phương pháp dùng phản ứng giữa SO2 với kẽm oxit để thu các muối sunfit và bisunfit, sau đó dùng nhiệt để phân ly thành SO2 và ZnO. Ưu điểm chính cuả phương pháp này là quá trình phân ly kẽm sunfit ZnSO3 thành SO2 và ZnO xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể. Nhược điểm của phương pháp này là đòi hỏi phải lọc sạch tro bụi trong khí thải trước khi đưa vào hệ thống xử lý, tiêu hao nhiều nhiên liệu kẽm oxit và hệ thống xử lý khá phức tạp. Xử lý khí SO2 bằng các chất hấp thụ hữu cơ: Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp luyện kim màu. Chất hấp thụ khí SO2 được sử dụng phổ biến là các amin thơm như anilin C6H5NH2, toluidin CH3C6H4NH2, xylidin (CH3)2C6H3NH2 và dimetyl-anilin C6H5N(CH3)2 . Ưu điểm: hiệu quả cao. Nhược điểm: phải làm nguội khí thải và lọc sạch trước khi vào hệ thống, vận hành phức tạp, kinh phí đầu tư lớn. Xử lý khí SO2 bằng các chất hấp phụ thể rắn: Hấp phụ khí SO2 bằng than hoạt tính, nhôm oxit kiềm hóa, mangan oxit (MnO), .. Ưu diểm của các phương pháp này là không cần hạ thấp nhiệt độ khói thải, thiết bị đơn giản, kinh phí đầu tư thấp. Nhược điểm: chi phí vận hành lớn do việc hoàn nguyên vật liệu. 3.3.5. Các phương pháp xử lý NOx: Hấp thụ khí NOx bằng nước: Các loại khí thải có chứa oxít nitơ với nồng độ thấp thường được xử lý bằng các phương pháp dùng nước để rửa khí trong các thiết bị như scrubơ, thiết bị sục khí sủi bọt, ống venturi,... Nitơ đioxit và đinitơ tetraoxit ( NO2 và N2O4) kết hợp với nước tạo thành axit nitrơ. Tiếp theo, axit nitrơ có thể bị oxy hóa thành đioxit nitơ mà đến lược mình nó sẽ kết hợp với nhiều nước hơn. Các phản ứng sảy ra như sau: 2NO2 (hoặc N2O4) + H2O = HNO3 + HNO2 (3.13) 2HNO2 = NO + NO2 (hoặc ½ N2O4 + H2O ) (3.14) NO + ½ O2 = NO2 (3.15) 2NO2 = N2O4 (3.16) Phản ứng (3.13) xảy ra trên lớp màng ngăn cách giữa pha khí và pha lỏng. Quá trình oxy hóa của oxit nit