Giới thiệu
Ô nhiễm phân tử đang là vấn đề quan tâm trong các lĩnh vực IAQ cũng như trong các quy trình sản xuất công nghiệp. Xử lý mùi là phương pháp dễ nhận biết nhất đầu tiên trong yêu cầu xử lý ô nhiễm phân tử.. Hệ thống xử lý nước, các nhà máy công nghiệp ở gần khu vực dân cư là một vấn đề đáng quan tâm và liên quan đến quy định quản lý môi trường nếu những nhà máy này không quan tâm biện pháp “xử lý mùi”. Một trạm xử lý và hệ thống thu gom nước thải, những chất hóa học hoặc enzyme có thể được dùng để hạn chế mùi cho nước thải. Những cải tiến về máy móc ngày nay cho các thiết bị sử dụng cũng làm giảm bớt được mùi. Khi các biện pháp xử lý pha lỏng không triệt để thì một hệ thống xử lý pha khí cần thiết để ứng dụng.
Bài viết này sẽ thảo luận về các chất gây mùi và hướng dẫn đánh giá sơ bộ để xác định phương hướng xử lý. Mùi sinh ra nhiều nhất mà chúng ta dễ thấy là các trạm, bể xử lý nước thải ở các nhà máy. Vì thế các thiết bị xử lý được đưa ra nhằm ứng dụng cho mục đích xử lý này. Bài viết cũng đưa ra phương pháp xử lý mùi mà đặc biệt quan tâm đến ứng dụng của Carbon hoạt tính, mà đang được sử dụng rộng rãi, ứng dụng dễ dàng và mang tính kinh tế.
Nguyên Nhân Sinh ra Mùi
Những chất đóng vai trò sinh ra mùi phát tán trong khí quyển thông thường là những chất vô cơ hoặc hợp chất hữu cơ ở thể khí. hình thành từ sự hoạt động vi sinh trên các chất thải. Những ghi nhận được biết mùi xấu thoát ra từ các bể xử lý nước thải gồm: Mercaptan, skatole, indole, axit vô cơ, aldehyde, ketone và những hợp chất hữu cơ chứa nguyên tố Nitơ hoặc phân tử Sulfur. Những chất này bắt nguồn từ sự phân hủy kỵ khí từ các hợp chất có khối lượng phân tử cao đặc biệt là protein.
Trong các hợp chất vô cơ thì ammonia và hydrogen sulfide được xem là nguyên nhân chính gây ra mùi (mùi cống rãnh ở từng hộ gia đình).
Cấp độ mùi thông thường trong không khí được đưa ra ở bảng sau:
Bảng 1: Cấp độ mùi một số chất gây ra trong môi trường xung quanh
Các phương pháp xử lý mùi
Xử lý mùi ở thể hơi có thể đưa ra ba lựa chọn sau:
- Hấp thụ khí bằng chất lỏng, oxy hóa hóa học.
- Xử lý khí bằng oxy hóa nhiệt, đốt cháy.
- Hấp phụ khí bằng vật liệu rắn.
Hấp thụ khí bằng chất lỏng là quá trình chuyển cấu tử khí từ pha khí vào trong pha lỏng thông qua quá trình hòa tan chất khí trong chất lỏng khi chúng tiếp xúc với nhau.
Hấp thụ chi ra làm hai dạng chính: hấp thụ vật lý không tương tác hóa học là quá trình thuận nghịch và hấp thụ hoá học- giữa chúng có phản ứng hóa học sinh ra chất khác (absorption).
Các chất hấp thụ phổ biến thường dùng gồm: Nước (H2O), dung dịch bazơ: KOH, NaOH, Na2CO3, K2CO3, Ca(OH)2, CaCO3,… MonoEtanolAminA HOCH2CH2NH2), Dietanolamina (R2NH), triethanolamine (R3N)
.jpg)
Xử lý mùi bằng quá trình thiêu đốt hoặc còn gọi là đốt cháy sau (after-burning) có thể dùng ngọn lửa đốt cháy trực tiếp hoặc sử dụng thêm xúc tác. Phương pháp này thường được ứng dụng trong trường hợp lượng khí thải lớn mà nồng độ chất ô nhiễm rất nhỏ, đặc biệt là những những hợp chất hữu cơ có mùi rất khó chịu.
Các quá trình thường thích hợp cho ứng dụng thiêu đốt được đánh giá như:
Các chất ô nhiễm mùi nặng đều cháy được hoặc thay đổi hóa học thành chất có mùi ít hơn.
- Các dòng khí có hạt (particle) mà có thể nhìn thấy được ví dụ như khói từ lò rang cafe, là sản xuất thịt hun khói, lò nung nem nướng…
- Một số khí hữu cơ, hơi khí thải trực tiếp sẽ phản ứng với sương mù gây hại cho môi trường. quá trình thiêu đốt sẽ phân hủy các chất này hiệu quả.
- Một số công nghệ như khai thác, lọc dầu thải ra các khí có thể cháy được và các hợp chất hữu cơ rất độc hại. Thiêu đốt là phương pháp hiệu quả và an toàn khi dùng ngọn lửa trực tiếp thiêu đốt ngay trên ống khói hoặc trong buồng đốt riêng biệt.
Hấp phụ khí bằng vật liệu rắn là ứng dụng dựa vào lực lôi cuốn (ái lực) các phân tử khí, hơi (adsorbate) bởi bề mặt chất rắn (adsorbent). Ứng dụng phương pháp hấp phụ để làm sạch khí có hàm lượng tạp chất khí và hơi nhỏ. Trong công nghiệp thường tiến hành quá trình hấp phụ để làm sạch và sấy khô không khí, tách các hỗn hợp khí hay hơi thành từng cấu tử, tiến hành quá trình xúc tác dị thể trên bề mặt phân chia pha.
Các dạng chất rắn thường được ứng dụng xử lý ô nhiễm không khí gồm carbon hoạt tính, zeolite , polymer tổng hợp và các loại khác như là silica gel, nhôm hoạt tính ứng dụng cho các dòng khí mang tính khử cao.
Bảng 2: Đặc tính vật lý một số chất hấp phụ
Phương Pháp Hấp Phụ Bằng Vật Liệu Rắn- Carbon Hoạt Tính
Carbon hoạt tính đã được sử dụng sớm từ những năm 1950. Phương pháp này cho hiệu suất rất cao đối với các khí hữu cơ và một vài dạng khí vô cơ.Gần đây Carbon hoạt tính cũng đang được mở rộng và cải tiết phát triển đặc tính carbon cũng như các hệ thống lọc hấp thụ mới.
Hệ thống hấp thụ ứng dụng cho việc xử lý mùi và nồng độ ô nhiễm thấp (<10ppm) thì tương đối đơn giản. Trong trường hợp này vật liệu carbon sẽ được bỏ đi khi đã bão hòa gọi là hệ thống lọc không hoàn nguyên.
Trong trường hợp hơi hòa tan với nồng độ cao (từ 10 đến 10.000 ppm) phải sử dụng hệ thống hấp thụ hoàn nguyên. Bởi vì hệ thống sử dụng lượng lớn carbon hoạt tính. Hệ thống hoàn nguyên bao gồm các dạng như: hệ thống bệ cố định (fixed- bed), bệ xoay (rotary-bed) và dạng sôi (fluidized-bed). Tùy vào từng trường hợp mà chúng có ưu điểm và nhược điểm khác nhau.
Vật Liệu Hấp Phụ “Activated Carbone”
Đặt tính vật lý của vật liệu carbon sẽ tác động đến công suất hấp thụ, tốc độ hấp thụ và cả á
p suất rớt khi dòng khí đi qua lớp vật liệu. Đặc tính vật lý của carbon so với một số chất hấp thụ khác được đưa ra trong bảng 2 ở trên.
Thông thường có thể hiểu vật liệu có diện tích bề mặt lớn hơn thì có công suất hấp thụ cao hơn. Nhưng diện tích bề mặt phải có giá trị về những kích thước lỗ rỗng (pore size) hút bám hiệu quả. Các lỗ rỗng trong carbon hoạt tính được phân thành micropore, macropore và transition pore. Micropore có đường kính từ 10 đến 100 Angstrom hoặc nhỏ hơn, đường kính lỗ rỗng lớn hơn 1.000 Å và lỗ rỗng từ 100 Å đến 1.000 Å là transitional.
Quá trình hấp phụ giữa thể khí và chất rắn:
Theo định luật về khí thì phân tử sẽ di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp. Các phân tử khí sẽ đi vào và phân phối theo các lỗ rỗng của vật liệu gọi là quá trình khuếch tán- diffusion. Tốc độ khuếch tán tăng khi nhiệt độ tăng. Quá trình khuếch tán sẽ diễn ra nhanh chóng đối với hạt carbon nhỏ hơn vì bề mặt ngoài lớn dễ dàng tiếp xúc. Khi phân tử khí đã vào các lỗ rỗng chúng sẽ di chuyển hỗn loạn (Brownian).
Các phân tử chắc chắn sẽ va chạm vào bề mặt bên trong của vật liệu. Phân tử sẽ bị giữ lại bởi một lực yếu gọi là hấp phụ vật lý, lực hấp phụ là lực Van der Waals là hiện tượng tương tác thuận nghịch của các lực hút giữa các phân tử của chất rắn và của chất bị hấp phụ. Quá trình hấp phụ là quá trình thuận nghịch hoàn toàn. Carbon cơ bản hoạt động theo tính hấp phụ vật lý (Camfil gọi loại này là Broad Spectrum) chúng hấp phụ được một dải rất rộng các hơi và khí (xem bảng phụ lục cuối bài).
.png)
Một số phần tử quá nhẹ hoặc dễ bay hơi để bị giữ lại bề mặt bên trong vật liệu. Với những khí này bề mặt vật liệu có thể được xử lý hóa học trong quy trình sản xuất để làm tăng hiệu suất bám giữ. Những xử lý hóa học này sẽ phản ứng và tương tác mạnh với các phân tử ô nhiễm hình thành lực hấp phụ hóa học. (Camfil sản xuất loại này với tên impregnated carbon, impregnated aluminas, impregnated zeolites và vật liệu trao đổi ion.).
Vật liệu trao đổi ion là những cấu trúc polymer xốp làm từ sự lưu hóa styrene divinylbenzene.
Các Hệ Số Ảnh Hưởng Đến Đặc Tính Của Hệ Thống Xử Lý
Chọn nguyên vật liệu: Kích cỡ lỗ rỗng (pore) trong vật liệu phụ thuộc vào nguyên vật liệu và phương pháp sản xuất. Các vật liệu ưu thế nhiều micropore phù hợp cho hấp thụ những phân tử kích thước nhỏ, vật liệu có lỗ rỗng mesoporous phù hợp với hấp phụ phân tử lớn hơn. Những lỗ rỗng macropore ít có giá trị trong việc bắt giữ phân tử nhưng nó đóng vai trò trong quá trình khuếch tán diffusion
Nguyên vật liệu còn liên quan đến diện tích bề mặt tiếp xúc với khí do đó liên quan đến thời gian tiếp xúc và độ cản của dòng khí khi đi qua lớp vật liệu. Nguyên vật liệu là thông số để xác định diện tích mặt cắt của thiết bị chứa vật liệu cũng như xác định độ sâu của lớp vật liệu theo yêu cầu.
Nhiệt độ: đặc tính vật liệu carbon cơ bản rất nhạy cảm với nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng thì các phân tử khí di chuyển nhanh hơn, các phần tử đã bị ngừng lại dễ bị bứt ra khỏi thành bề mặt vật liệu, phần tử đã ngưng tụ sẽ chuyển theo hướng pha khí. Thông thường đối với những carbon cơ bản theo tính hấp thụ vật lý (Broad Spectrum) hệ thống nên giới hạn nhiệt độ vận hành ở 40oC.
Đối với vật liệu chuyên sâu hoặc theo tính hấp thụ hóa học (chemisorbed media) khi nhiệt độ tăng thì hiệu suất hấp thụ tăng. Khi đó hiệu suất khuếch tán và phản ứng giữa phân tử ô nhiễm và chất hấp thụ sẽ tăng nhanh. (Carbon chuyên sâu có thể được ứng dụng đến nhiệt độ trên 100 oC cho các nhà máy năng lượng nguyên tử, xử lý mùi nước thải chất thải với nhiệt độ từ 40 – 50 oC, trong hệ thống xử lý mùi rác thải gia đình nhiệt độ 80_90 oC.).
Khí cần xử lý: dòng khí cần xử lý nếu có nồng độ các hạt bụi sẽ làm mất hiệu suất hấp thụ nhanh chóng. Vì vậy trước khi xử lý mùi pha khí cần trang bị một hệ thống lọc thô nhằm ngăn chặn các hạt bụi thô (particle).
Hiệu suất và tuổi thọ của vật liệu lọc phụ thuộc vào nồng độ khí đầu vào hệ thống xử lý. Khi nồng độ khí vào cực thấp thì khả năng hấp thụ trên bề mặt vật liệu hết sức yếu và ngược lại. Sơ đồ thể hiện hiệu suất hấp thụ biểu diễn giữa khối lượng khí ô nhiễm và vật liệu hấp thụ được gọi là sơ đồ đẳng nhiệt- isothermal (xem sơ đồ bên dưới ).
Ngoài ra còn rất nhiều hệ số ảnh hưởng đến hiệu suất hấp thụ như: áp suất, độ ẩm tương đối dòng khí, vận tốc dòng khí, thời gian tiếp xúc,…
Các Hệ Thống Hấp Thụ Carbon Hoạt Tính
Hệ Thống Hấp Thụ Không Hoàn Nguyên
Hệ thống không hoàn nguyên được sản xuất với rất nhiều cấu hình khác nhau. Thông thường chúng bao gồm những lớp vật liệu hấp thụ mỏng trong dải từ 10mm đến 100mm. Do đó dòng khí đi qua lớp mỏng này sẽ rớt áp rất thấp khoảng dưới 60Pa phụ thuộc vào đồ dày của lớp, vật tốc gió và kích cỡ của từng loại. Thông thường vật tốc được thiết kế vào khoảng 0.1 đến 0.3 m/s. thời gian sử dụng trong dải từ 6 tháng (mùi nặng) đến 1 năm. Hệ thống không hoàn nguyên được sử dụng để lọc lọc không khí với lưu lượng nhỏ như văn phòng, điều hòa và các khí thải có sinh mùi như phòng thí nghiệm, phòng trữ thuốc,…
Các lớp hấp thụ thường có dạng tấm, hình trụ tròn hoặc vấp nếp được và được gọi là tấm lọc, lõi lọc và hộp lọc. Các hạt nhỏ nhiễm carbon được bố trí trong lớp xốp vật liệu thường là lưới kim loại hoặc giấy lọc.
Hệ thống không hoàn nguyên cũng được thiết kế với lớp vật liệu rất dày. Một bộ khử mùi như hình bên dưới có hình dạng là một hình trụ, bên trong được xếp đầy vật liệu lọc, khối lượng carbon lên đến một vài trăm kg. Thiết bị này thường xử lý với lương lượng nhỏ nhưng nồng độ ô nhiễm cao (3m3/phút) từ các ống thu gom của bàn thí nghiệm,các tank trữ chất hóa học hoặc các lò phản ứng hóa học
Hệ Thống hấp thụ hoàn nguyên
Hệ thống hoàn nguyên có thể có dạng lớp vật liệu cố định (fixed-bed), di động (moving-bed) và lớp vật liệu sôi (fluidized-bed). Tên của từng loại hệ thống dựa theo phương cách tiếp xúc giữa dòng khí vật liệu. để chọn một hệ thống phù hợp cần dựa vào chất ô nhiễm cần loại bỏ và phương pháp hoàn nguyên vật liệu.
Hệ thống hấp thụ fixed-bed được sử dụng để hấp thụ nhiều hơi hữu cơ khác nhau và hoàn nguyên bằng hơi ở áp suất thấp. hệ thống được ứng dụng tốt khi mà hơi hữu cơ được hóa lỏng này không hòa lẫn với nước, chúng sẽ được tách ra dựa vào sự khác nhau của khối lượng riêng giữa nước và những lỏng hữu cơ này.
Hệ thống fixed-bed sẽ gồm 2 bed hoặc nhiều bed bố trí song song với nhau. Khi một bed làm việc thì các bed còn lại thực hiện quá trình hoàn nguyên cũng như chuẩn bị cho chu kỳ lọc kế tới. Một sơ đồ fixed-bed như bên dưới.
Dựa vào áp suất rớt để thiết kế thì một hệ thống fixed-bed thường có lớp vật liệu dày từ 300mm đến 1.2 mét và đường kính lớn nhất là 1.2 mét. Vận tốc dòng khí tối ưu khi đi qua lớp vật liệu lọc thường nằm trong dải 0.1 đến 0.5m/s. Áp suất rớt qua hệ thống từ 750Pa đến 3.750Pa tùy vào vận tốc, độ dày vật liệu và kích cỡ hạt carbon.
.png)
Hệ thống moving-bed có thể sử dụng lớp carbon hiệu quả hơn hệ thống fixed-bed bởi vì dòng khí ô nhiễm chỉ đi qua phần lớp carbon chưa bão hòa, dòng khí đi qua lớp vật liệu ngắn hơn nên áp suất rớt thấp hơn nhiều.
Hệ thống lớp carbon xoay “ rotary carbon-fiber absorber” sử dụng sợi carbon bố trí trong các vách ngăn. Vật liệu lọc được treo trên một roto quay với vận tốc 1- 9 vòng/giờ. Hoàn nguyên bằng khí nóng xuyên qua vách ngăn khi quay tới vị trí.
Quá trình hấp thụ và nhả hấp (adsorption and desorption) diễn ra đồng thời trên những phần khác nhau của rotor. Hơi thoát ra trong quá trình nhả hấp sẽ có nồng độ cao hơn từ 5 đến 15 lần dòng khí đi vào xử lý, vì vậy chúng có thể được hấp thụ ngưng tụ trước khi được đốt.
Một dạng khác của bed di chuyển có dạng bánh quay (wheel zeolite adsorber). Bánh quay này được bố trí theo hướng thẳng đứng và quay với vận tốc khoảng 5 vòng/giờ. Ba phần tư của bánh quy làm việc trong khi một phần tư còn lại thực hiện quá trình nhả hấp với khí nóng đi qua. VOC trong dòng khí nhả hấp có nồng độ cao hơn 10 đến 15 lần nồng độ khí xử lý và lưu lượng chỉ khoảng 1/10 dòng xử lý. Hiệu suất toàn phần của thiết bị trong khoảng 90% đến 98%.
Hệ thống hấp thụ tầng sôi được chia ra làm hai buồng: một cho hấp thụ và một cho quá trình nhả hấp. dòng khí ô nhiễm đi vào buồng hấp thụ từ bên dưới xuyên qua các lớp vật liệu tạo nên dạng sôi giả tạo cho các lớp vật liệu này. Vì thế khí và vật liệu được tiếp xúc tốt, khi đó được lọc sẽ thoát ra ngoài ở phía trên. Vật liệu lọc sẽ di chuyển từ trên xuống, khi xuống tới đáy buồng chúng được vận chuyển khí động tới buồng nhả hấp. Buồng nhả hấp sử dụng khí nóng tại buồng đốt của hơi tháo ra trong buồng nhả hấp. Vật liệu lọc có thể sử dụng là polymeric hoặc carbon hoạt tính mà có đặt tính chịu mài mòn tốt (thường ứng dụng loại hạt beaded hơn là loại granular). Hiện nay loại hạt carbon này được sản xuất phù hợp cho ứng dụng này.
Liên hệ hỗ trợ tư vấn kỹ thuật và báo giá: Mr. Huy:0988.408.134 or mail: thtech.huy@gmail.com.
