Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ

NỘI DUNG Khái niệm Bản chất quá trình hấp phụ Hấp phụ hóa học Xử lý hơi và khí thải NỘI DUNG Vật liệu hấp phụ Thiết bị hấp phụ Yêu cầu đề ra Ứng dụng Hoàn nguyên Các phương pháp hoàn nguyên vật liệu hấp phụ Một số phương pháp hoàn nguyên hay tái sinh cụ thể Khái niệm hấp phụ Hấp phụ là một hiện tượng (quá trình) gây ra sự tăng nồng độ của một chất trên bề mặt tiếp xúc giữa hai pha ( rắn-khí; rắn-lỏng; lỏng-khí) Hấp phụ là sự hút các phân tử khí, hơi bởi bề mặt chất hấp phụ. 2. Bản chất quá trình hấp phụ Khái niệm hấp phụ HẤP PHỤ VẬT LÝ . HẤP PHỤ HÓA HỌC Là lọai hấp phụ gây ra do tương tác yếu giữa các phân tử Lực tương tác là lực VanderWaals Dạng hấp phụ này còn gọi là hấp phụ phân tử hay hấp phụ VanderWaals. HẤP PHỤ VẬT LÝ. Là lọai hấp phụ gây ra do tương tác mạnh giữa các phân tử và tạo ra hợp chất bề mặt giữa bề mặt chất hấp phụ và các phần tử bị hấp phụ Được tạo ra do áp lực hóa học Nhiệt độ thấp, tộc độ hấp phụ hoá học chậm.Khi tăng nhiệt độ, tốc độ hấp phụ hoá học tăng nhưng lại làm giảm quá trình hấp phụ vật lý. HẤP PHỤ HÓA HỌC HẤP PHỤ HÓA HỌC Đối với chất bị hấp phụ là chất khí, quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Lượng khí bị hấp phụ là một hàm phụ thuộc vào hai biến T và P a = f(T,P) Nếu giữ nhiệt độ không đổi ta được đường đẳng nhiệt: a = f ’(P) Nếu giữ áp suất không đổi ta có đường đẳng áp: a = f ”(T) Xử lý hơi và khí thải bằng phương pháp hấp phụ Nguyên lý của phương pháp: Hơi và khí độc đi qua lớp chất hấp phụ bị giữ lại nhờ hiện tượng hấp phụ Chất hấp phụ là chất giữ chất khác trên bề mặt của nó Chất bị hấp phụ là chất bị giữ lại trên bề mặt của chất hấp phụ Thông thường, có hai cách để áp dụng phương pháp hấp phụ xử lý chất thải + Cách thứ nhất là sử dụng thiết bị hấp phụ định kỳ + Cách thứ hai là sử dụng thiết bị hấp phụ liên tục Vật liệu hấp phụ Vật liệu làm chất hấp phụ là các vật liệu xốp với bề mặt trong lớn, được tạo thành do tổng hợp nhân tạo hay tự nhiên. Cấu trúc bên trong của các chất hấp phụ công nghiệp được đặc trưng bởi kích thước và hình dạng khác nhau của khỏang trống và lỗ xốp Vật liệu hấp phụ cần đáp ứng các yêu cầu Có khả năng hấp phụ cao Phạm vi tác dụng rộng Có độ bền cơ học cần thiết Có khả năng hòan nguyên dễ dàng Rẻ tiền Một số vật liệu hấp phụ phổ biến Than hoạt tính là một chất hấp phụ rắn, xốp, không phân cực và có bề mặt riêng rất lớn. Than hoạt tính có cấu tạo xốp và nhiều lỗ hổng nhỏ không đồng đều và rất phức tạp. Có thể chia kích thước lỗ xốp thành ba loại: -Dạng vi mao quản -Dạng mao quản trung gian -Dạng mao quản lớn Than họat tính có thể tích lỗ xốp vào khỏang 0,24-0,48 cm3/g. Đặc tính: Bề mặt kỵ nước hấp phụ các chất hữu cơ trong nước và không khí. Ứng dụng: Tách các chất ô nhiễm có gốc hữu cơ. Ưu điểm: Giá rẻ nhất dùng trong xử lý ô nhiễm môi trường. Nhược điểm: Khó tái sinh nếu bị đóng cặn, có thể bắt cháy khi tái sinh. Zeolit Zeolit là các hợp chất alumosihcat có cấu trúc tinh thể Sản xuất dưới dạng bột hoặc dạng viên xốp từ cao lanh tự nhiên sẵn có ở Việt Nam Tính chất của zeolit phụ thuộc vào tỷ lệ Si và Al và mức độ tạo tinh thể của sản phẩm cuối cùng Các zeolit thể hiện tính nhạy cảm rất rõ đối với nhiệt độ Zeolit Sử dụng zeolit để làm chất hấp phụ hay được áp dụng trong kỹ nghệ Nó có khả năng hấp phụ hơi các hợp chất phân cực và các chất có nối đôi trong phân cực. Ưu: Giữ được hoạt tính cao ở nhiệt độ tương đối 150 – 250oC Nhược: do thể tích lỗ xốp nhỏ nên lượng chất hấp phụ ít hơn so với các chất hấp phụ khác Silicagen Silicagel là gel của anhydrit axit silisic có cấu trúc lỗ xốp rất phát triển Silicagel dễ dàng hấp phụ các chất phân cực cũng như các chất có thể tạo với nhóm hydroxyl các liên kết kiểu cầu hydro. Nếu tiến hành giải hấp bằng khí nóng ẩm hay bằng hơi nước với thời gian kéo dài sẽ làm giảm hoạt tính hấp phụ của chúng Silicagen Độ rỗng cao khoảng 800m2/gam, cho phép nó hút nước mạnh Ứng Dụng: Silicagen có lỗ xốp mịn dùng hấp phụ các hơi và khí dễ ngưng tụ. Silicagen có lỗ xốp trung bình và thô dùng để hút hơi các hợp chất hữu cơ Silicagen ƯD : Do có ái lực mạnh với hơi nước nên Silicagen được ứng dụng để sấy khô các môi trường khác Ưu: năng suất cao hơn Zeolit Silicagen không cháy có nhiệt độ tái sinh thấp 110-200 oC và đủ đọ bền cơ học. Khuyết:Tuy nhiên nó bị phá hủy bởi các giọt ẩm. Keo Nhôm Keo nhôm được điều chế bằng cách nung các hydroxit nhôm khác nhau Diện tích bề mặt của keo nhôm là 170-220 m2/g Tổng thể tích lỗ xốp là 0,6-1 cm3/g Ưu: Khác với Silicagen, keo Al bền dưới tác dụng của các giọt ẩm. Chúng được ứng dụng để thu hồi các hợp chất hữu cơ phân cực và sấy khí Thiết bị hấp phụ Trong thiết bị hấp phụ, vật liệu hấp phụ được đổ thành lớp đệm có độ dày nhất định, cho dòng khí cần xử lý đi qua. Thông số quan trọng của lớp đệm bằng vật liệu hấp phụ là sức cản khí động của nó phải nằm trong phạm vi thích hợp để tổn thất áp suất của dòng khí đi qua thiết bị không quá lớn, đồng thời phỉa đảm bảo thời gian tiếp xúc cần thiết giữa dòng khí và vật liệu hấp phụ. Thiết bị hấp phụ Thông thường vận tốc khí trên toàn tiết diện ngang của thiết bị nằm trong khoảng 0,1- 0,5 m/s và thời gian lưu của dòng khí trong lớp vật liệu hấp phụ khoảng 1 – 6 s. Yêu cầu khi đề ra thiết kế hay chọn thiết bị hấp phụ Đảm bảo thời gian chu kỳ làm việc thích hợp Có xử lý sơ bộ đối với khí thải Xử lý làm giảm bớt nồng độ ban đầu Phân phối dòng khí đi qua lớp vật liệu hấp phụ 1 cách đều đặn Đảm bảo khả năng thay thế mới hay hòan nguyên vật liệu phụ Ứng dụng Xử lí khí đihyđro sunfua + Xử lí khí đihyđro sunfua bằng natri cacbonat,amoni cacbonat,kali photphat: Với natri cacbonat H2S + Na2CO3 = NaHS + NaHCO3 2NaHS + H2S + 4NaVO3 + 1/2O2 = Na2V4O9 + 4NaOH + 3S Na2V4O9 + 2NaOH + 1/2O2 + 2ADA = 4NaVO3 + 2ADA Ứng dụng Thay thế natri cacbonat dùng kali photphat K3PO4 + H2S = K2HPO4 + KHS Với amoni cacbonat: (NH4)2CO3 + H2S = (NH4)2S + H2O + CO2 Xử lí khí đihyđro sunfua bằng xút (NaOH) H2S + 2NaOH = Na2S + 2H2O Na2S + H2S = 2NaHS Na2S + H2O = NaHS + NaOH Nếu NaOH còn dư: CO2 + NaOH = NaHCO3 NaHCO3 + NaOH = Na2CO3 + H2O Ngoài phản ứng khử H2S còn quá trình oxi hoá Na2CO3 Na2S + H2O = NaHS + NaOH 2NaHS + 2O2 = Na2S2O3 + H2O Dung dịch xút đã xử dụng cũng như chất bùn nhão thu được khi dùng sữa vôi thay thế bằng cách dùng vôi clorua để oxi hoá các liên kết sunfit.Lượng vôi clorua dùng vào mục đích này là 6.3 kg qui về cho 1 kg lưu huỳnh với nồng độ clo trong vôi là 35% Xử lí khí đihyđro sunfua bằng amoniac: Là quá trình khá đơn giản và được áp dụng rộng rãi 2NH3 + H2S =(NH4)2S Đây là quá trình tuần hoàn 100% dung dịch hấp thụ Xử lí khí đihyđro sunfua bằng dung dịch natri thioasenat Na4As2S5O2 H2S + Na4As2S5O2 = Na4As2S6O + H2O 2Na4As2S6O + O2 = 2 Na4As2S5O2 + 2S Nếu nồng độ ban đầu của H2S cao hoặc thời gian tiếp xúc giưa H2S và dung dịch hấp thụ kéo dài thì: Na4As2S6O + H2S = Na4As2S7 + H2O 2Na4As2S7 + O2 = 2Na4As2S6O + 2S Hiệu quả khử H2S là 80-95% Xử lí khí đihyđro sunfua bằng chất hấp phụ oxit sắt Fe2O3: Đây là phương pháp cổ điển nhất. Fe2O3 + 3H2S =Fe2S3 + 3H2O 2Fe2S3 + 3O2 = 2Fe2O3 + 6S Có thể sử dụng quặng bùn có chứa Fe(OH)3 3H2S + 2Fe(OH)3 = Fe2S3 + 6H2O + 62.5kJ/mol 2Fe2S3 + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3 + 6S + 606 kJ/mol Có thể dùng oxit kẽm làm chất hấp phụ để khử khí H2S ZnO + H2S = ZnS + H2O Trong công nghiệp oxit kẽm dưới dạng viên có đường kính 7-8mm Khối lượng đơn vị đổ đống 1000kg/m3 , Độ rỗng chiếm 40-50% thể tích , Diện tích bề mặt lỗ rỗng 60-80m2/g Xử lí khí đihyđro sunfua bằng than hoạt tính: Nhờ hiện tượng oxi hoá khí H2S trên bề mặt của than H2S + 1/2O2 = H2O + S + 222kJ/mol 2(NH4)2S + 6S = 2(NH4)2S4 Hoặc (NH4)2S + (n-1)S = (NH4)2Sn (NH4)2Sn = (NH4)2S + (n-1)S Độ tinh khiết của S có thể đạt 99.9% Kích thước hạt than cỡ 1-2mm Sau khi xử lý nồng độ bụi khoảng 2-3mg/m3 Xử lý khí SO2 bằng các chất hấp phụ thể rắn Hấp phụ khí SO2 bằng than hoạt tính: Khói thải đi vào tháp hấp phụ bị giữ lại trong lớp than hoạt tính của các tầng hấp phụ Sau khi được hoàn nguyên cùng với một lượng than mới bổ xung được chuyển lên phiễu chứa để cấp vào tháp hấp phụ qua bộ phận khống chế liều lượng Sau khi được hoàn nguyên than hoạt tính được sang lọc lại để loại bỏ phần than quá vụn Ưu: +Hệ thống đơn giản và vạn năng +Hệ thống làm việc ở nhiệt độ cao Nhược: +Tiêu hao nhiều vật liệu phụ +sản phẩm thu hồi(SO2) có nồng độ thấp Xử lý khí SO2 bằng than hoạt tính có tưới nước Cần lắp đặt ít nhất hai bình hấp phụ hoạt động luân phiên nhau,một cái teo chu trình hấp phụ,một cái theo chu trình hoàn nguyên Lưu lượng khói thải 1000-1500 m3/h Nồng độ ban đầu của SO2 là 0.1-0.15% Hiệu quả khử SO2 đạt 98-99% Xử lý khí SO2 bằng nhôm oxits kiềm hoá Xử lý SO2 dựa trên tính chất hấp phụ của hỗn hợp nhôm oxit và natri oxit Lượng chất hấp phụ lưu thong trong hệ thống:48-50 kg cho 1000m3 khí thải Nồng độ ban đầu của SO2 là 0.3% Vận tốc chuyển động của khí trong tháp hấp phụ : 2-2.5m/s Xử lý khí SO2 bằng mangan oxit (MnO) Có 2 phương pháp tiêu biểu +Quá trình mangan(Mỹ) Chất hấp phụ: mangan oxit(Mn2O3) dạng hạt được làm khô ở nhiệt độ 300-400 độC Đòi hỏi tiêu hao năng lượng lớn Quá trinh DAR mangan (Nhật Bản) Chất hấp phụ: oxit mangan hoạt tính Vận tốc khí trong tháp hấp thụ khoảng 13m/s Lượng chất hấp phụ cần cấp cho 1m3 khí thải 150-200g Hiệu suất : 98% Xử lý khí SO2 bằng bằng vôi và đolomit trộn vào than nghiền Là sự kết hợp giữa quá trình cháy với quá trình khử khí SO2 thành một quá trình thống nhất trong bùn đốt của lò Than nghiền với cỡ hạt có kích thước trên 6mm được trộn cùng với vôi bột kích thước 1.6-6mm Vận tốc không khí thổi vào : 0.6-4.6m/s Nhiệt độ không khí xuyên qua lớp than cháy :760-1040 độC Hiệu quả cao nhất của quá trình: 90% Hoàn nguyên vật liệu hấp phụ Khi đã xuất hiện điểm dừng, lúc này cần phải ngừng chu kỳ hấp phụ và chuyển sang chu kỳ hoàn nguyên để giải thoát chất ô nhiễm đã bị hấp phụ trên bề mặt vật liệu. Cần thiết phải hoàn nguyên chất hấp phụ để thu hồi cấu tử hấp phụ và phục hồi khả năng hấp phụ của chất hấp phụ. Chi phí hoàn nguyên chiếm từ 40 – 70% tổng chi phí của quá trình làm sạch khí. Các phương pháp hoàn nguyên vật liệu hấp phụ: Hoàn nguyên bằng nhiệt Phổ biến nhất của phương pháp này là dung không khí nóng hoặc hơi nước. Hoàn nguyên bằng áp suấp Ở nhiệt độ không đổi nếu áp suất giảm thì khả năng hấp phụ giảm và chất khí đã bị hấp phụ sẽ được thoát khỏi bề mặt của vật liệu. Hoàn nguyên bằng khí trơ: Dùng khí trơ không chứa chất khí đã bị hấp phụ thổi qua lớp vật liệu hấp phụ Áp suất riêng của chất bị hấp phụ trong pha khí sẽ thấp hoặc bằng không Phương pháp nhiệt bằng hơi nước được áp dụng rộng rãi nhất Phương pháp này có những ưu điểm : Đơn giản, ít tốn kém, hiệu quả cao. Ở nhiệt độ cao (1000C) hơi có thể giải thoát được hầu hết các chất khí ô nhiễm đã bị hấp phụ trong pha rắn, không làm hỏng vật liệu hấp phụ cũng như chất khí được giải thoát. Hơi nước ngưng tụ lại và nhả nhiệt ngưng tụ trong lớp vật liệu hấp phụ càng thúc đẩy quá trình giải hấp phụ Có thể thu hồi được chất bị hấp phụ trong hơi bằng cách cho hơi ngưng tụ. Hơi nước có entanpy cao hơn nhiều so với không khí nóng. Do đó nhiệt độ của vật liệu hấp phụ được nâng cao một cách nhanh chóng. Một số phương pháp hoàn nguyên hay tái sinh cụ thể Nhiệt độ tái sinh than hoạt tính, silicagel, keo nhôm vào khoảng 1000 – 2000C, còn đối với zeolit từ 1000 – 4000C. Than hoạt tính Đối với than hoạt tính dạng hạt người ta tái sinh trong lò đốt để oxy hóa các chất hữu cơ bám trên bề mặt của chúng, trong quá trình tái sinh 5% - 10% hạt than bị phá hủy và phải thay thế bằng các hạt mới. Than hoạt tính muốn tái tạo để sử dụng lại đúng chức năng của nó, phải qua quá trình nung ở 700 - 800°C, sau đó tiếp tục khử tạp chất với hơi nước, hoặc bằng phương pháp xử lý hóa học. Các nhà khoa học đã tìm được dải nhiệt độ thích hợp và quy trình công nghệ bảo đảm an toàn môi trường, đồng thời cho hiệu suất tái sinh vật liệu hấp phụ cao, đáp ứng yêu cầu thực tế và tiêu chuẩn đặt ra, đảm bảo an toàn trong sản xuất, tạo hiệu quả về kinh tế và bảo vệ môi trường. Silicagel Cho silicagel vào lò vi-ba trong 7 phút ở chế độ medium , silicagel sẽ chuyển màu (đục->trong/ hồng->xanh), để nguội xài lại như cũ. Cứ 2 tuần lại làm như thế 1 lần, hoặc cứ thấy silicagel chuyển màu thì lập lại trình tự này, đồng hồ độ ẩm là không quan trọng vì cứ nhìn vào sự chuyển màu của hạt silicagel là đủ, chu kì lập lại việc sấy silicagel nhanh hay chậm tuỳ thuộc vào độ kín của joint . Tái sinh lại các hạt oxit nhôm Sau mỗi chu trình làm việc, lớp oxit nhôm được khôi phục hoạt tính bằng việc cho tiếp xúc với một lượng nhất định dung dịch nhôm sulfat nồng độ 2% (dung dịch tái sinh).Quá trình tiếp xúc này làm giải phóng lượng ion đã hấp phụ trong lớp oxit nhôm hoạt tính trong chu trình làm việc, khôi phục lại hoạt tính của lớp oxit nhôm. Những ưu và nhược điểm của phương pháp xử lý bằng hấp phụ Ưu điểm: có khả năng làm sạch cao,chất hấp phụ sau khi sử dụng đều có khả năng tái sinh; làm hạ giá thành xử lý. Nhược điểm : Không thể sử dụng đối với nguồn thải có tải trọng ô nhiễm cao. Quá trình xử lý thường phải thực hiện theo phương pháp gián đoạn. Sử dụng phương pháp hấp phụ cần phải cân nhắc và phân tích, điều tra tỉ mỉ và thật cụ thể rồi mới tiến hành. Hết