CHƯƠng I tổng quan về nguồn gốc khí thảI, TÁc hại và CÁc biện pháp xử LÍ HỖn hợp khí H2s và mercaptan có chứa bụI

1. 
   TỔNG QUAN
   

Bụi là các phần tử chất rắn ở thể rời rạc (vụn) được tạo ra từ quá trình tự nhiện hay nhân tạo: nghiền, ngưng kết hay các phản ứng hoá học….Dưới tác dụng cùa dòng khí chúng ở trạng thái lơ lững .

Tùy vào kích thước của hạt bụi mà ta gọi:bụi thô, bụi, khói, khói mịn, sương.

1.1.2/Các hợp chất lưu huỳnh: khí H₂S và Mercaptan

a/ Khí H₂S

-Tính chất vật lí:không màu, mùi trứng thối, có tính tẩy màu, tan ít trong nước.

-Tính chất hoá học: mang tính acid do đó có tính ăn mòn mạnh.

b/ Khí Mercaptan R-SH

-Tính chất vật lí: không màu hay có màu hơi vàng và có mùi khó chịu.Ví dụ:CH₃-SH có mùi cải hành thối.

- Tính chất hoá học: các hợp chất Sulfua này tương ứng với các rượu hay Phenol trong đó nguyên tử Oxi được thay bằng nguyên tử S

R-OH => R-SH (O và S cùng nằm trong phân nhóm chính nhóm 6 ). Góc R có thể ở dạng bậc 1,2,3.

Ví dụ : Metyl Mercaptan (Methanethiol) CH₃-SH, Etyl Mercaptan (Ethanethiol) CH₃-CH₂-SH , Thio phenol C₆H₅-SH

Các Mercaptan có khối lượng phân tử thấp thì tan nhiều trong kiềm nhưng khi khối lượng phân tử tăng thì độ hoà tan giảm dần.

NaOH + R-SH -> NaRS + H₂O

Khi tiếp xúc lâu với kiềm các Mercaptan bị oxi hoá đến Disulfua và Polysulfua là những hợp chất khó tan trong kiềm.

H₂S và Mercaptan là một trong 3 chất (NH₃, H₂S, Mercaptan) dùng để đánh giá mức độ ô nhiễm mùi trong không khí.

H₂S và Mercaptan thường xuất hiện trong quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ, ví dụ: khi ao hồ, sông bị ô nhiễm chất hữu cơ sẽ sinh ra các hợp chất gây mùi; quá trình phun trào núi lửa.

b/ Nhân tạo

+ Công nghiệp:

• 
  Chế biến dầu mỏ (lọc dầu) thải ra các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh có mùi hôi: Mercaptan, SO_x, H₂SO₄, H₂S, NO_x.
  
• 
  Nhà máy tơ nhân tạo thải ra chủ yếu các hợp chất hữu cơ gây mùi như các hợp chất lưu huỳnh: CS₂, H₂S.
  
• 
  Công nghiệp dược: trong sản xuất thuốc kháng sinh sinh ra các chất như: H₂S, Mercaptan, NH₃, Metyl và Dimetyl sulfua.
  
• 
  Sản xuất thuốc trừ sâu: H₂S, Mercpatan, NH₃, Andehyt amin.
  
• 
  Hoá dầu hữu cơ: Mercaptan, NH₃, SO₂, THC, Aldehyde, acid hữu cơ và một số chất gây mùi.
  

+ Sinh hoạt của con người:

• 
  Xử lí nước thải sinh hoạt: H₂S, NH₃, Mercaptan, Amin hữu cơ.
  
• 
  Xử lí chất thải rắn sinh hoạt:H₂S, NH₃, CH₄, Mercaptan, VOCs, CO₂…..
  

Số liệu đo tại Gò Cát năm 2003 và TCVN5938-2005 (Chất lượng không khí - Nồng độ tối đa cho phép của một số chất độc hại trong không khí xung quanh)

• 
  Đối với con người: gây ảnh hưởng đến sức khoẻ: hệ hô hấp (gây viêm phổi, ung thư phổi), da và giảm tầm nhìn.
  
• 
  Đối với tự nhiên:
  

• 
  Có khả năng ăn mòn vật liệu khi kết hợp với những chất khí có tính ăn mòn.
  
• 
  Bụi không có khả năng gây hại cho thực vật trừ khi bụi có tính ăn mòn cao, lắng đọng quá nhiều trên lá cây làm giảm khả năng quang hợp cho cây. Ví dụ: bụi xi măng lắp đầy các lỗ khí khổng, bao quanh các hạt diệp lục làm giảm khả năng quang hợp, tăng khả năng nhiễm bệnh, giảm sức sống, giảm khả năng thụ phấn.
  
• 
  Gây ô nhiễm nguồn nước.
  

• 
  Đối với con người: đây là những khí gây ô nhiễm mùi: H₂S ở nồng độ thấp gây kích thích lên mắt và đường hô hấp
  

+ 20 -150 ppm: chảy nước mắt, viêm toàn bộ đường hô hấp

+150 ppm gây tê liệt khứu giác

Khi hít thở một lượng lớn H₂S, Mercaptan gây thiếu hụt Oxi trong hồng cầu làm ngạt thở, nhiễm độc emzim, làm hư mô thần kinh. Thường xuyên tiếp xúc dưới mức gây độc cấp tính sẽ gây độc mãn tính với triệu chứng: suy nhược, rối loạn thần kinh và hệ tiêu hoá, mất ngủ, khó tập trung, viêm phế quản.

Có 3 phương pháp xử lí bụi chủ yếu :

- Phương pháp khô

- Phương pháp ướt

- Lọc tĩnh điện
1/ Phương pháp xử lí bụi khô: áp dụng cho bụi có tính kết dính. Các thiết bị dạng này làm việc theo nguyên tắc lắng quán tính và lắng trọng lực.

Có các dạng thiết bị chính: Buồng lắng bụi

Thiết bị lắng quán tính

Cyclone

Thiết bị thu hồi bụi động

a/Buồng lắng bụi

Nguyên lí: dựa vào tác dụng của lọc trọng trường. Bụi được lắng trong không gian hình hộp có B > L có vận tốc theo phương ngang (u) nhỏ , vận tốc theo phương đứng (v). Thiết bị hoạt động hiệu quả trong trường hợp T_v < T_u => thoả điều kiện này bụi sẽ bị giữ lại trong thiết bị không bị lôi kéo ra ngoài.

Cải tiến thiết bị buồng lắng bụi là người ta chia buồng lắng ra làm nhiều tầng nhằm giảm kích thước thiết bị, hiệu suất cao nhưng khó vệ sinh thường ta dùng nước phun với áp lực cao. Nhìn chung buồng lắng bụi chỉ xử lí có hiệu quả khi đường kính hạt bụi d_p> 50 µm và lưu lượng nhỏ. Khi hạt bụi có kích thước càng nhỏ thì kích thước buồng lắng càng lớn do thời gian lưu lớn.

b/Thiết bị lọc bụi kiểu quán tính

Nguyên lí: Dựa vào sự đổi hướng chuyển động của dòng khí được lặp đi lặp lại nhiều lần bằng nhiều loại vật cản có hình dạng khác nhau do bụi có quán tính lớn sẽ hướng chuyển ban đầu, đập vào vật cản hay các thành thiết bị mất động năng và rơi xuống.

c/ Cylone: là loại thiết bị lọc bụi phổ biến nhất.

Nguyên lí: Lợi dụng lực li tâm do chuyển động xoáy trong thân cyclone làm bụi đập vào thân thiết bị mất động năng rơi xuống phễu thu bụi.

Cấu tạo đơn giản dễ vận hành, công xuất lớn và giới hạn hoạt động rộng

d/ Lọc bụi

Nguyên lí: dùng môi trường xốp để giữa lại các hạt bụi khi dỏng khí thổi qua màng lọc

Đặt tính của thiết bị : hiệu quả lọc, sức cản khí động, thời gian chu kì hoạt động trước khi thay mới hay hoàn nguyên. Hiệu xuất: lọc vải < lọc sợi < lọc hạt.

Hiệu xuất xử lí theo kích thước hạt phụ thuộc vào cấu tạo màng vật liệu (màng càng nhỏ thì hiệu xuất càng tăng). Theo thời gian lọc thì trở lực qua thiết bị tăng dần do đó định kì phải rũ bụi hay thay mới vật liệu lọc. Đặt biệt thiết bị lọc sợi ta khó thu hồi bụi.
2/Phương pháp xử lí bụi ướt

Thu hồi bụi có d_p =0,1-100 µm, hiệu xuất 85-99%.

Nguyên lí: dựa vào tiếp xúc dòng khí chứa bụi với chất lỏng. Chất lỏng tưới lên bề mặt thiết bị, dòng khí tiếp xúc màng này và các hạt bụi bị hút bởi màng nước làm bụi tách ra khỏi khí. Hay dòng khí được sụt vào nước tạo thành các bọt khí làm hạt bụi dính ướt loại ra khỏi khí.

Có các dạng thiết bị:

+Rửa khí trần

+Rửa khí đệm

+Rửa khí với lớp đệm chuyển động

+Sủi bọt

+Rửa khí va đập quán tính

+Rửa khí li tâm

+Rửa khí với vận tốc cao

Phân loại theo nguyên lí hoạt động:

-Buồng phun, buồng rửa khí rỗng

-Thiết bị lọc có lớp đệm bằng vật liệu rỗng và được tưới ướt

-Thiết bị lọc với lớp vật liệu đệm di động

-Thiệt bị lọc theo nguyên lí va đập quán tính

-Thiết bị lọc theo nguyên lí li tâm

-Thiết bị lọc Venturi

Ưu và nhược điểm của phương pháp xử lí bụi ướt:

*Ưu điểm: + Hiệu quả xử lí bụi cao hơn

+ Có thể ứng dụng để thu hồi bụi có kích thước đến 0,1 µm

+ Có thể sử dụng khi nhiệt độ cao và độ ẩm cao

+ Nguy hiểm cháy nổ rất thấp

+ Cùng với bụi có thể xử lí hơi và khí

*Nhược điểm: +Bụi thu được ở dạng cặn do đó phải xử lí nước thải, làm tăng giá thành xử lí

+Các giọt lỏng có khả năng bị cuốn theo khí và cùng với bụi lắng trong ông dẫn và ống hút

+Trong trường hợp khí có tính ăn mòn cần phải bảo vệ thiết bị và đường ống bằng vật liệu chống ăn mòn.
3/ Phương pháp lọc tĩnh điện

Thiết bị này phổ biến ở các nước công nghiệp phát triển, đặc biệt trong các ngành công nghiệp: năng lượng, luyện kim, công nghiệp hoá chất…

Nguyên lí: Các phân tử khí được ion hoá rồi truyền điện tích âm cho các hạt bụi khi va đập. Hạt bụi hút về cực dương, đọng lại trên bề mặt trong của ống hình trụ, mất điện tích và rơi xuống phễu thu bụi.

Hiệu quả: phụ thuộc vào đường kính hạt bụi, cường độ điện trường, thời gian hạt bụi nằm trong vùng tác động điện trường.

Ưu và nhược điểm của thiết bị lọc điện:

*Ưu điểm: +Hiệu xuất thu hồi bụi cao khoảng 99%

+Chí phí năng lượng thấp 0,3 -18 MJ/1000 m³ khí thải

+Thu được hạt bụi có kích thước < 0,1 µm, nồng độ bụi từ vài gam đến 50 g/cm³

+Nhiệt độ khí thải có thể đạt đến 800^oC

+Làm việc ở áp suất cao hay áp xuất chân không

+Có thể điều khiển tự động hoá

*Nhược điểm: +Độ nhạy cao nên dù có sự thay đổi nhỏ giữa giá trị thực và giá trị tính toán các thông số cũng làm cho hiệu quả xử lí giảm

+Sự cố cơ học dù nhỏ cũng ảnh hưởng đến hiệu quả thiết bị

+Không dùng xử lí các chất thải dễ cháy nổ

Một số phương pháp xử lí: -Phương pháp hấp thụ

-Phương pháp hấp phụ

-Phương pháp oxi hoá nhiệt có xúc hay không có xúc tác

-Phương pháp ngưng tụ (chủ yếu áp dụng cho thu hồi các dung môi hữu cơ có giá trị)

-Phương xử lí khí bằng biện pháp sinh học

-Pha loãng ( thường áp dụng cho gia đoạn cuối của quá trình xử lí khí)

1/ Phương pháp hấp thụ: là quá trình lôi cuốn có chọn lọc một cấu tử nào đó của hỗn hợp khí từ khí thải vào chất lòng (chất hấp thụ)

Có 2 loại: hấp thụ vật lí và hấp thụ hoá học

Các loại thiết bị hấp thụ thường gặp: -Tháp rỗng hay buồng phun, tháp phun

-Tháp hấp thụ có vật liệu đệm

-Tháp mâm (thiết bị hấp phụ kiểu sủi bọt)

Cấu tạo thiết sau cho bề mặt tiếp xúc giữa chất hấp thụ và chất bị hấp phụ càng lớn càng tốt giữa 2 pha: khí - lỏng

Tuy nhiên phân loại thiết bị hấp phụ theo cách tổ chức bề mặt tiếp xúc pha thì thiết có những loại: +Thiết bị hấp phụ bề mặt hay thiết bị chảy tràn

+Thiết bị đệm

+Thiết bị sủi bọt

+Thiết bị phun

a/Thiết bị chảy tràn

Thiết bị có bề mặt tiếp pha không lớn. Xác định bởi diện tích ngang của thiết bị. Chất hấp thụ chuyển động dạng màng theo đáy phẳng và khí đi ngược dòng.

Trở lực thuỷ động thấp do đó áp dụng cho các cơ sở sản xuất nhỏ dùng để hấp thụ các khí dễ hoà tan.Cường độ hoạt động không quyết định bởi vận tốc truyền khối mà quyết định bởi vận tốc giải nhiệt sinh ra do quá trình hấp thụ. Có 2 dạng: tấm và ống.

b/Thiết bị đệm

Thiết bị có dạng hình trụ bên trong chứa vật liệu đệm (vật liệu rỗng) với chiều cao vật liệu đệm vào khoảng 2/3 chiều cao thiết bị. Khí ô nhiễm cho từ dưới lên và chất hấp thụ cho vào thiết bị qua cơ cấu tưới (thường chuyển động ngược với dòng khí).

Ưu điểm: Diện tích bề mặt riêng lớn, kết cấu đơn giản, có thể làm việc trong môi trường ăn mòn do thiết bị này được áp dụng rộng rãi.

c/Thiết bị sủi bọt

Bề mặt tiếp xúc pha hình thành nhờ phân tán chất hấp thụ dưới dạng tia hay dạng bọt. Đối với thiết bị này không áp dụng được nguyên lí ngược dòng vì chất lòng được khuấy trộn mảnh liệt bởi khí sủi bọt do đó chỉ tiếp xúc pha một bậc (chỉ áp dụng cho hấp thụ không thuận nghịch). Chế độ vận hành: tạo bọt, tạo tia, ngập lụt.

d/Thiết bị phun

Bề mặt tiếp xúc pha hình thành nhờ sự phân tán chất lỏng trong chất khí. Hiệu quả làm việc xác định kích thước của giọt lỏng (đường kính giọt lỏng tối ưu 0,5-1 mm). Vì nếu giọt lỏng quá mịn sẽ bị khí lôi cuốn ra ngoài. Thiết bị hoạt động theo nguyên tắc thuận dòng làm động lực quá trình giảm. Thời gian tiếp xúc pha rất ngắn nên áp dụng đối với khí dễ hoà tan. Ngoài ra nhược điểm: tiêu hao điện năng lớn để tạo thành giọt lỏng và giá thành đầu tư thiết bị phun sương đắt.

Hấp phụ là hiện tượng tăng nồng độ chất bị hấp phụ lên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ) dựa trên ái lực một số chất rắn đối với một số chất có trong khí.

Có 2 quá trình hấp phụ: vật lí và hoá học

-Hấp phụ vật lí: dựa vào lực liên kết giữa các phân tử (lực Vader Waal), quá trình hấp phụ toả nhiệt. Lượng nhiệt toả ra phụ thuộc vào cường độ lực liên kết phân tử.

*Ưu điểm: +Quá trình hấp phụ là quá trình thuận nghịch có ý nghĩa quan trọng trong việc thu hồi các hợp chất có giá trị hay hoàn nguyên chất hấp đã bảo hoà.

+ Lượng chất hấp phụ tăng thì diện tích tiếp xúc tăng

+Tốc độ hấp phụ tăng khi nhiệt độ giảm, áp suất riêng phần tăng

-Hấp phụ hoá học: là kết quả của phản ứng hoá học giữa chất bị hấp phụ và vật liệu hấp phụ, lực liên kết giữa các phân tử mạnh hơn nhiều so với hấp phụ vật lí. Đặc tính của loại thiết bị này là tính không thuận nghịch, khi cần giải thoát khí đã bị hấp thụ thì bản chất hoá học của khí đã bị thay đổi.

Nguyên tắc chọn lựa chất hấp phụ:

+Chất khí ô nhiễm không cháy được hoặc khó đốt cháy

+Khí cần khử có giá trị và cần thu hồi

+Chất khí ô nhiễm có nồng độ thấp trong khí thải mà các quá trình khác không thể áp dụng được

Yêu cầu thiết kế (chọn thiết bị hấp phụ):

• 
  Đảm bảo thời gian và chu kì làm việc thích hợp
  
• 
  Có xử lí sơ bộ để loại bỏ các chất không thể hấp phụ được
  
• 
  Xử lí nồng độ ban đầu để bảo vệ lớp vật liệu hấp phụ không bị quá tải
  
• 
  Phân phối dòng khí vào vật liệu đệm một cách đều đặng
  
• 
  Đảm bảo khả năng thay thế mới hoặc hoàn nguyên vật liệu hấp phụ sau khi đạt trạng thái bảo hoà
  

-Theo tính chất làm việc: thiết bị hấp phụ liên tục và gián đoạn

-Theo trạng thái lớp hấp phụ có các loại: chuyển động, đứng yên, tầng sôi (quá trình vận hành khó khăn, bụi sinh ra do mài mòn)

3/Phương pháp oxi hoá nhiệt có xúc và không có xúc tác

Phương pháp này áp dụng khi lưu lượng khí lớn, nồng độ chất ô nhiễm dễ cháy lại rất bé, đặc biệt phương pháp này xử lí mùi triệt để. Phương pháp này thích hợp trong một số trường hợp sau đây:

-Phần lớn chất ô nhiễm có mùi khó chịu đều cháy được hoặc thay đổi về mặt hoá học để biến đổi thành chất ít có mùi hơn khi phản ứng oxi hoá nhiệt xảy ra ở nhiệt độ thích hợp

-Các loại sol khí hữu cơ có khói nhìn thấy được ví dụ như khói từ lò rang cà phê, lò sản xuất thịt hun khói, lò nung men sứ…

-Một số các hơi, khí hữu cơ khi thải trực tiếp vào khí quyển sẽ có phản ứng với sương mù và gây tác hại cho môi trường. Quá trình thiêu đốt có tác dụng phân huỷ hiệu quả các loại chất này.

-Một số loại công nghệ như công nghệ khai thác và lọc dầu thải ra rất nhiều khí cháy được kể cả những chất hữu cơ độc hại. Phương pháp xử lí hiệu quả và an toàn nhất trong trường hợp này là thiêu đốt bằng ngọn lửa trực tiếp, thiêu đốt ngay trên ống khói hay bằng những buồng đốt riêng biệt.

*Ưu và nhược điểm của thiết bị:

+Xử lí khí triệt để 95% ,có một số thiết bị đặc biệt có thể xử lí lên tới 99%

+Giá thành đầu tư thiết bị cao

+Kiểm soát nhiệt độ không tốt tạo chất ô nhiễm độc hại như: Dioxin, Furan

+Cần phải lưu ý đến giới hạn cháy nổ

+Chỉ xử lí khi nồng độ chất ô nhiễm nhỏ

Ứng dụng: khi trong thành phần khí thải có những chất có khả năng phân huỷ sinh học

*Ưu điểm: +Thiết bị đơn giản và vận hành đơn giản

+Không sinh ra chất ô nhiễm

+Quá trình xảy ra ở nhiệt thường và an toàn

+Vốn dầu tư ban đầu và chi phí vận hành thấp hơn các phương pháp khác

+Lượng năng lượng cần thiết thấp

*Nhược điểm: +Chỉ hiệu quá đối với chất ô nhiễm đặc trưng

+Gây ăn mòn đường ống và thiết bị

+Nhạy với nhiệt độ, nồng độ và hơi nước

+Khó kiểm soát hơi nước khi tạp chất ô nhiễm cao

+Không thể điều chỉnh quá trình chủ động (trực tiếp) mà nó phụ thuộc vào giá thể vi sinh do đó ảnh hưởng quá trình xử lí do đó phương pháp này thường sử dụng kết hợp với một số phương khác

Trên thực tế các phương pháp áp dụng để xử lí hỗn hợp khi này:

• 
  Hấp thụ
  
• 
  Hấp phụ
  
• 
  Phát tán
  

Đối với hỗn hợp khí H₂S và R-SH ta có thể dùng các dung dịch hấp thụ sau:

+ Na₂CO₃, (NH₄)₂CO₃, K₂PO₄, NaOH (sửa vôi), NH₃

+ Narti thioasenat Na₄As₂S₆O

Các chất có khả năng hấp phụ H₂S và R-SH là:

+Than hoạt tính khi hấp phụ lượng lưu huỳnh chứa trong than khoảng 200 – 520 kg/m³

+ Hydroxit sắt

+ Zeolit, oxit kẽm, oxit đồng

c/ Phương pháp ôxi hoá nhiệt: đối với phương pháp này ta phải kiểm soát quá trình oxi nhiệt chặt chẽ vì dễ sinh ra chất ô nhiễm thứ cấp nguy hiểm.

d/ Phương pháp sinh học: các chất H₂S và R-SH có thể sử dụng làm cơ chất cho vi sinh. Đây là phương pháp tiềm năng trong tương lai.

Hầu hết nguồn gốc sinh ra các khí ô nhiễm này xuất phát từ các nhà máy sản xuất công nghiệp do đó ta yêu cầu hệ thống xử lí đầu ra của hệ thống đạt tiêu chuẩn TCVN5839-2005 (Chất lượng không khí – Tiêu chuẩn khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ)

+Lưu lượng khí thải: Q = 1200 m³/h

+Nồng độ bụi: 130 mg/m³

+Kích thước hạt bụi d_p > 5 µm (85-95%)

+ Áp suất làm việcc P = 760 mmHg

+Độ ẩm φ = 0.55

+Nồng độ hỗn hợp khí đầu vào C = 18,2.10^-6 kg/m³ =18,2 mg/m³.