Xử lý khí thải bằng phương pháp hấp phụ

Tháp hấp phụ

I.Nguyên lý của phương pháp

Hơi và khí độc khi đi qua lớp chất hấp phụ bị giữ lại nhờ hiện tượng hấp phụ. Nếu ta chọn được các chất hấp phụ chọn lọc thì có thể loại bỏ được các chất độc hại mà không ảnh hưởng đến thành phần các khí không có hại khác.

Một thiết bị hấp phụ về cơ bản có hình dạng như trên hình 4.5. Thông thường, có hai cách để áp dụng phương pháp hấp phụ xử lý chất thải trong công nghiệp.

*Cách thứ nhất là sử dụng thiết bị hấp phụ định kỳ, tức là trên một tháp hấp phụ, người ta nhồi chất hấp phụ vào và cho chất bị hấp phụ đi qua đó. Sau một thời gian nhất định chất hấp phụ đã ” no” (đã bão hoà chất bị hấp phụ) thì quá trình hấp phụ được dừng lại để tháo bỏ chất hấp phụ đã “no” và đưa lượng chất hấp phụ mới vào. Trong thực tế, người ta thường dùng biện pháp tái sinh lại chất hấp phụ để sử dụng lại và thu chất bị hấp phụ. Việc tái sinh thường được thực hiện với sự có mặt của hơi nước hoặc khí nóng.

*Cách thứ hai là sử dụng thiết bị hấp phụ liên tục, trong đó chất hấp phụ được chuyển động ngược dòng với chất bị hấp phụ.

II. Các kiểu tiến hành hấp phụ

Trong thực tế tiến hành hấp phụ, người ta có thể tiến hành theo hai phương pháp:

phương pháp hấp phụ tĩnh và phương pháp hấp phụ động.

*Hấp phụ tĩnh

Khả năng hấp phụ của một chất hay dung lượng hấp phụ của một chất phụ thuộc vào tính chất, trạng thái hoá học của bề mặt, cấu trúc lỗ xốp của chất hấp phụ cũng như phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của quá trình hấp phụ. Tuỳ thuộc vào đặc trưng tương tác của chất bị hấp phụ với bề mặt chất hấp phụ ta có hấp phụ vật lý hoặc hấp phụ hoá học.

Trong trường hợp chung, ta có phương trình cho lượng chất bị hấp phụ như sau:

Đối với một chất hấp phụ thông thường có bề mặt phẳng, sự ngưng tụ một chất chỉ xảy ra khi h > 1.

Tuy nhiên, trong các chất hấp phụ xốp (đường kính lỗ xốp khoảng 10-15 Ao) thì xuất hiện sự ngưng tụ mao quản. Ở trong các vùng mao quản của chất hấp phụ có thể xảy ra quá trình hấp phụ nghĩa là các chất khí hoặc hơi bị giữ lại (“được ngưng tụ”) mặc dù áp suất hơi riêng phần nhỏ hơn áp suất hơi bão hoà (khi đó tỷ lệ P/Ps nhỏ hơn 1). Hiện tượng này xảy ra là do tại đây tồn tại một trường lực hấp dẫn đặc biệt có thể ngưng tụ chất bị hấp phụ ngay cả khi nồng độ (áp suất riêng phần) của chúng rất bé, tạo điều kiện thu giữ rất tốt các chất, nhất là các chất hữu cơ, tạo nên cột chất lỏng trong các lỗ xốp của chất hấp phụ.

*Hấp phụ động

Thực tế của quá trình làm sạch khí thải bằng phương pháp hấp phụ là một quá trình động. Quá trình hấp phụ thông thường được tiến hành trong các buồng hấp phụ có chứa các chất có khả năng hấp phụ. Khí thải chứa các chất cần hấp phụ được dẫn qua lớp chất hấp phụ. Các chất cần hấp phụ sẽ được giữ lại còn khí sạch sẽ được thải ra ngoài.

Nếu chất hấp phụ có hoạt độ cân bằng là a, chiều dầy của lớp hấp phụ là L, diện tích thiết diện ngang của thiết bị hấp phụ là S, khí thải có nồng độ chất cần hấp phụ là

Co và tốc độ dòng trong thiết bị hấp phụ là w thì lượng chất được hấp phụ sẽ được tính theo biểu thức:

M = a. S. L

hay mt = w. S. Co.τ (a ≈ C)

trong đó: τ là thời gian dòng khí tiếp xúc với lớp chất hấp phụ để có lượng chất được hấp phụ là mt tại thời điểm t.

Điều đó có nghĩa là ứng với một loại chất hấp phụ (thiết bị hấp phụ tương ứng) nào đó có chiều dày lớp chất hấp phụ L, nồng độ dòng khí đưa vào thiết bị Co với tốc độ w thì sau thời gian T bắt đầu xuất hiện sự lọt chất bẩn ra khỏi thiết bị hấp phụ. Điều đó cũng có nghĩa là việc sử dụng chất hấp phụ cần được tái sinh định kỳ.

Đường biểu diễn quá trình hấp phụ trong tháp sẽ có dạng như trong hình 4.6.

Phương pháp hấp phụ động có hiệu suất cao hơn và phù hợp hơn đối với thực tiễn sản xuất nên thường được sử dụng trong xử lý khí thải công nghiệp. Một số loại thiết bị hấp phụ được mô tả trong hình 4.7.

III. Các chất hấp phụ sử dụng trong công nghệ xử lý khí thải

Như vậy, tùy thuộc vào bản chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ; tuỳ thuộc vào năng lượng tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ mà ta có thể lựa chọn được chất hấp phụ có dung lượng lớn và khả năng hấp phụ chọn lọc đối với một chất bẩn nào đó. Mặt khác chất hấp phụ cần phải là những hệ có bề mặt riêng rất phát triển để tạo ra một tương tác lớn với chất bị hấp phụ. Điều đó cho phép trong từng trường hợp cụ thể có thể chọn lựa được chất hấp phụ có độ chọn lọc cao, đảm bảo lọc sạch khí với sự tiêu tốn ít.

Trong công nghệ xử lý môi trường, để làm sạch các hơi và khí thải người ta thường sử dụng các chất hấp phụ xốp như than hoạt tính, sihcagen, zeolit có hoạt độ cao và khá dễ dàng tái sinh.

1. Than hoạt tính

Than hoạt tính là một chất hấp phụ rắn, xốp, không phân cực và có bề mặt riêng rất lớn. Về bản chất nguyên tố, nó thuộc nhóm graphit – một dạng thù hình của cacbon-gồm các tinh thể nhỏ có cấu trúc bất trật tự; nhưng khác vôi graphit là trong tinh thể của than hoạt tính các vòng sáu nguyên tử cacbon sắp xếp kém trật tự hơn. Vì vậy than hoạt tính có cấu tạo xốp hơn và tạo nên nhiều lỗ hổng nhỏ không đồng đều và rất phức tạp.

Cấu trúc lỗ xốp phức tạp và bề mặt riêng khác nhau làm cho các loại than hoạt tính này trở nên có khả năng hấp phụ khác nhau. Việc tạo ra các loại than khác nhau phụ thuộc chủ yếu vào cách chế tạo.

Nhìn chung, các lỗ xốp trong than hoạt tính có bán kính hiệu dụng từ vài chục đến hàng chục nghìn anstron. Về mặt cấu tạo, nó có cấu tạo kiểu tổ ong gồm một hệ lỗ xốp mao quản thông nhau và thông với môi trường bên ngoài với cấu trúc không gian ba chiều. Có thể chia kích thước lỗ xốp thành ba loại sau:

*          Dạng vi mao quản, bán kính hiệu dụng cỡ 10 Ao, có bề mặt riêng lớn nhất (350 1000 m2/gam và chiếm phần chủ yếu trong than hoạt tính.

*Dạng mao quản trung gian có bán kính hiệu dụng trong khoảng 100 đến 250 Ao, bề mặt riêng không lớn lắm, khoảng 100 m2/gam.

*Dạng mao quản lớn có bán kính hiệu dụng khoảng 1.000 đến 10.000 Ao; dạng này có bề mặt riêng rất nhỏ, không quá 2 m2/gam.

Than hoạt tính có tác dụng hấp phụ tốt đối với các chất không phân cực ở dạng khí và dạng lỏng. Từ lâu than hoạt tính đã được sử dụng để làm mặt nạ phòng độc, làm sạch mùi và khử màu các sản phẩm dầu mỡ. Ngày nay trên thế giới than hoạt tính được coi như là một chất hấp phụ chủ yếu trong công nghệ xử lý làm sạch môi trường bao gồm các lĩnh vực:

–           Làm sạch nước để uống, xử lý nước sinh hoạt hoặc xử lý nước thải của các công trình có độ nhiễm bẩn thấp. Trong những trường hợp này, than hoạt tính sẽ giữ lại các hợp chất hữu cơ hoà tan, nhất là các chất gây mùi, gây màu và cả vết những kim loại nặng. Than hoạt tính đặc biệt có hiệu quả xử lý cao đối với nước bị nhiễm nhẹ các chất diệt trừ dịch hại.

–           Xử lý nước thải công nghiệp. Người ta sử dụng than hoạt tính trong những trường hợp hấp phụ các chất kém hoặc không bị vi sinh vật phân hủy, các chất gây độc hại đối với các vi sinh vật. Trong trường hợp này xử lý chọn lọc bảng than hoạt tính đóng vai trò như là quá trình tiền xử lý cho các bước xử lý sinh học tiếp theo.

–           Xử lý “cấp ba” nước thải công nghiệp và đô thị.

Khi than đã hấp phụ “no” (bão hòa), nó không còn khả năng hấp phụ tiếp tục nữa. Đối với than hoạt tính, trong trường hợp này không phải bỏ đi mà có thể tái sinh và sử dụng lại được. Đại đa số các chất hấp phụ trên than hoạt tính đều có thể giải hấp bằng nhiệt. Khi ở trong môi trường có nhiệt độ cao, các chất hữu cơ cũng như các phân tử axit dễ bay hơi đã tách khỏi bề mặt của than. Đối với mỗi một chất sẽ có một nhiệt độ xử lý phù hợp. Với các hợp chất của kim loại thì thông thường phải giải hấp bằng axit sau đó rửa bằng nước và sấy để tái sinh.

2. Silicagel

Silicagel là gel của anhydrit axit silisic có cấu trúc lỗ xốp rất phát triển. Mạng lưới của gel bao gồm các nguyên tử Si nằm giữa khối tứ diện nối với nhau thông qua các nguyên tử O phân bố tại các đỉnh. Bề mặt của gel thay vì các nguyên tử oxy là các nhóm hydroxyl (OH); điều đó quyết định tính chất hấp phụ của silicagel.

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. Đối với các chất không phân cực, sự hấp phụ trên silicagel chủ yếu do tác dụng của lực mao dẫn trong các lỗ xốp nhỏ.

Cũng như các chất hấp phụ có thể tái sinh khác, chế độ tái sinh silicagel có một ý nghĩa rất quan trọng. Đối với silicagel, trạng thái hóa học của bề mặt gel quyết định tính hấp phụ mạnh các chất phân cực. Trạng thái này chỉ được bảo toàn ở nhiệt độ dưới 200oC, nếu giải hấp được tiến hành bằng khí khô. Nếu tái sinh silicagel ở nhiệt độ cao hơn sẽ dẫn đến sự thay đổi bất thuận nghịch của cấu trúc và bề mặt làm mất khả năng hoạt động của silicagel. Do cấu tạo của silicagel, đặc biệt là sự có mặt của nhóm OH, 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 mà nguyên nhân chủ yếu là do bị giảm bề mặt riêng. Vì vậy việc giải hấp đối với silicagel cần phải lưu ý hơn so với việc giải hấp than hoạt tính.

3. Zeolit

Zeolit là các hợp chất alumosihcat có cấu trúc tinh thể. So với silicagel, trong mạng lưới tinh thể của zeolit một phần lớn ion Si4+ được thay thế bằng các ion Al3+ dẫn đến sự thiếu hụt về điện tích dương. Vì vậy zeolit có thể tiếp nhận các cation nhất định của các kim loại khác. Mặt khác sự thiếu hụt này đã phá vỡ cấu trúc đều đặn của tinh thể đơn chất, gây ra những khoảng không gian trống và các lực điện trường khác nhau trong zeolit.

Tính chất của zeolit phụ thuộc vào tỷ lệ Si và Al và mức độ tạo tinh thể của sản phẩm cuối cùng; đồng thời nó còn chịu ảnh hưởng của các cation kim loại khác được nhận thêm vào trong quá trình hình thành sản phẩm.

Vì vậy người ta có thể tạo ra những kiểu zeolit khác nhau bằng cách điều chế chúng với các tỷ lệ khác nhau của Si và Al. Đặc biệt để tăng hoạt tính hấp phụ và xúc tác, zeolit tự nhiên hoặc zeolit sau khi tổng hợp được thường được biến tính bằng các cation kim loại có hoạt tính xúc tác, hấp phụ. Trong công nghiệp phổ biến nhất là các zeolit A và zeolit X. Các zeolit này có tính hấp phụ khá tốt và tương đối chọn lọc.

Các zeolit thể hiện tính nhạy cảm rất rõ đối với nhiệt độ. Thí dụ như zeolit chứa Ca chỉ bị mất tính hấp phụ khi nhiệt độ lên tới 800oC, chứa Na bị mất hoạt độ ở nhiệt độ 700oC còn zeolit chứa Li thì ở 640oC.

Sử dụng zeolit để làm chất hấp phụ hay được áp dụng trong kỹ nghệ. Ví dụ như các hợp chất mercaptan hầu như được loại bỏ hoàn toàn khi sử dụng zeolit NaX ở nhiệt độ thường (dung lượng hấp phụ etylmercaptan ở 25oC là 0,19 kg/kg) hoặc như người ta có thể sử dụng zeolit A để xử lý nước biển.

4. Các chất hấp phụ khác

Trong tự nhiên có nhiều loại khoáng chất có khả năng hấp phụ như sét, bentomt, diatomit… Các loại khoáng chất này thường được làm tăng khả năng hấp phụ của chúng lên nhiều sau khi xử lý bằng các biện pháp phù hợp. Tính ưu việt nhất của các chất hấp phụ tự nhiên là chúng có giá thành rất thấp so với các chất hấp phụ nhân tạo.

Các muối vô cơ và các oxit kim loại cũng có thể được dùng làm chất hấp phụ khi ta đưa nó lên trên một chất mang nào đó, chẳng hạn như silicagen, oxit nhôm… Để làm điều đó, người ta trộn đều dung dịch 20-25% của muối yêu cầu với chất mang rồi sấy khô.

IV. Những ưu và nhược điểm của phương pháp xử lý bằng hấp phụ

Phương pháp hấp phụ có khả năng làm sạch cao. Chất hấp phụ sau khi sử dụng đều có khả năng tái sinh; điều này đã làm hạ giá thành xử lý và đây cũng là ưu điểm lớn nhất của phương pháp.

Nhược điểm của phương pháp là 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.

Chính vì những ưu, nhược điểm trên cho nên khi có ý định 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.

Author: Vũ Xuân Vi

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *