Hấp phụ các chất ô nhiễm dạng khí
Đọc bài viết này để tìm hiểu về sự hấp phụ của các chất ô nhiễm dạng khí với phương pháp thiết kế hấp phụ cố định trên giường.
Giới thiệu về sự hấp phụ của các chất ô nhiễm khí:
Khi một chất lỏng chứa một số chất phân tán được tiếp xúc với một số hạt rắn được xử lý / chuẩn bị đặc biệt, các phân tử của các chất phân tán có thể được giữ lại trên bề mặt của các hạt rắn. Hiện tượng này được gọi là hấp phụ.
Vật liệu rắn được gọi là chất hấp phụ và chất được giữ lại trên chất hấp phụ được gọi là chất hấp phụ. Hấp phụ không chỉ là một phương pháp hiệu quả để loại bỏ các chất ô nhiễm từ các dòng khí, mà còn để loại bỏ các chất ô nhiễm từ nước. Hiện tượng hấp phụ đã được nghiên cứu thực nghiệm và nhiều lý thuyết đã được đề xuất để giải thích các quan sát. Nhưng một lý thuyết, có thể giải thích hầu hết các quan sát, vẫn chưa được phát triển.
Người ta cho rằng sự tương tác giữa các phân tử chất hấp phụ và các vị trí hoạt động trên bề mặt chất hấp phụ gây ra sự lưu giữ chất hấp phụ trên chất hấp phụ. Lực tương tác, mang lại sự hấp phụ, đã được lý thuyết hóa thành vật lý hoặc hóa học trong tự nhiên. Khi một chất hấp phụ được giữ do lực hấp dẫn vật lý, quá trình này được gọi là sự hấp phụ vật lý.
Lượng nhiệt phát triển trong quá trình này gần giống như nhiệt ngưng tụ tiềm ẩn của chất hấp phụ. Lực hấp dẫn, mang lại sự hấp phụ vật lý về bản chất là yếu, do đó các phân tử bị hấp phụ có thể được loại bỏ (giải hấp) khỏi các hạt rắn bằng cách tăng nhiệt độ hệ thống hoặc bằng cách giảm áp suất một phần của chất hấp phụ (bằng cách di tản hoặc bằng cách truyền khí trơ) hoặc do tác dụng kết hợp của cả hai. Quá trình giải hấp là một quá trình nhiệt nội.
Trong một số trường hợp, chất hấp phụ được giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ do liên kết hóa học giữa hai chất. Điều đó không có nghĩa là một hợp chất hóa học mới được hình thành, nhưng lực bám dính khá mạnh. Quá trình như vậy được gọi là quá trình hóa học. Nó được đặc trưng bởi sự phát triển của một lượng nhiệt tương đối lớn, có độ lớn tương tự như của một phản ứng hóa học tỏa nhiệt. Hấp thụ hóa học gần như là một quá trình không thể đảo ngược. Trong quá trình loại bỏ một chất hóa học, các phân tử hấp phụ thường trải qua những thay đổi hóa học.
Do cả quá trình hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý xảy ra trên bề mặt chất hấp phụ, nên một chất hấp phụ tốt phải có diện tích bề mặt riêng lớn (diện tích bề mặt trên một đơn vị khối lượng). Diện tích bề mặt cụ thể tăng khi giảm kích thước hạt và tăng độ xốp của các hạt hấp phụ. Để trở thành một chất hấp phụ tốt, các hạt rắn không chỉ có diện tích riêng cao mà còn sở hữu lực tương tác / vị trí hoạt động thích hợp đối với chất hấp phụ cụ thể.
Khối lượng chất hấp phụ được giữ lại trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ sẽ liên quan đến nồng độ chất hấp phụ trong chất lỏng ở trạng thái cân bằng ở nhiệt độ nhất định. Dựa trên phân tích của Langmuir về hiện tượng, mối quan hệ cân bằng có thể được biểu thị bằng
X * i = mY i 1 / n, Trò chơi điện tử (4.54)
Trong đó X * i = khối lượng chất hấp phụ tôi giữ lại trên mỗi đơn vị khối lượng chất hấp phụ và Y i = khối lượng chất hấp phụ i có trong một đơn vị khối lượng của chất lỏng (khí mang) ở trạng thái cân bằng.
m và n là các hằng số cụ thể cho một hệ thống hấp phụ - hấp phụ cụ thể. Chúng phụ thuộc vào nhiệt độ.
Đối với n 1, quá trình hấp phụ được coi là thuận lợi và với n> 1 thì không thuận lợi. Đối với một hệ thống chất hấp phụ hấp thụ cụ thể, các giá trị số của m và n phụ thuộc vào quá trình sản xuất chất hấp phụ. Những người được đánh giá thực nghiệm.
Một khi chất hấp phụ đã đạt được trạng thái cân bằng đối với chất hấp phụ, nó sẽ không thể hấp thụ chất hấp phụ thêm nữa. Chất hấp phụ phải được loại bỏ hoặc tái sinh để tái sử dụng. Để tái sinh chất hấp phụ và hoặc thu hồi chất hấp phụ, nói chung, chất hấp phụ đã qua sử dụng được làm nóng trong khi dòng khí trơ được truyền qua nó.
Trong trường hợp của quá trình hấp phụ vật lý, hơi nước hoặc không khí ở nhiệt độ vừa phải (100 ° C trở lên) thường được sử dụng. Các chất được giải hấp có thể được thu thập (nếu có giá trị) hoặc được xử lý thêm trước khi thải bỏ. Tuy nhiên, để tái sinh chất hấp phụ từ không khí quá trình hóa học ở nhiệt độ cao được truyền qua chất hấp phụ đã qua sử dụng, theo đó chất bị hấp phụ bị oxy hóa và loại bỏ.
Các chất hấp phụ được sử dụng thương mại là than hoạt tính, silica, silica gel, sàng phân tử (alumina silicat), alumina và một số oxit kim loại khác. Chất hấp phụ được sử dụng phổ biến nhất là than hoạt tính dạng hạt (GAC).
Các bộ phận hấp thụ thường được sử dụng là loại giường cố định, được vận hành theo chu kỳ. Một bộ phận hấp thụ giường cố định bao gồm một vỏ chứa một giường chứa các hạt hấp thụ dạng hạt. Khi một dòng chất lỏng mang chất ô nhiễm h (hấp phụ) chảy qua giường, chất ô nhiễm bị hấp phụ.
Dần dần các hạt hấp phụ trở nên bão hòa. Khi chất ô nhiễm trong dòng được xử lý đạt đến mức được xác định trước theo quy định trong các tiêu chuẩn kiểm soát ô nhiễm, quá trình hấp phụ sẽ bị ngưng và giường được tái sinh. Sau khi tái sinh của giường, nó được đưa vào dòng một lần nữa.
Một hệ thống hấp phụ có thể có một số cấu hình. Đơn giản nhất sẽ là một hệ thống hai giường, trong đó khi một chiếc giường được tái tạo thì một cái khác sẽ trực tuyến. Một sự sắp xếp tốt hơn sẽ là một hệ thống ba giường trong đó hai giường được vận hành nối tiếp trong khi giường thứ ba sẽ được tái sinh. Trong một thiết lập như vậy, giường thứ hai hoạt động như giường đánh bóng. Khi tốc độ dòng thể tích của dòng chất lỏng được xử lý là khá lớn, thì một số đơn vị có thể được vận hành song song.
Khác với giường cố định, giường tầng sôi và máy hút bụi di chuyển cũng được sử dụng. Chúng được vận hành mà không có bất kỳ gián đoạn để tái sinh. Từ những chiếc giường này, các hạt hấp phụ được chi tiêu một phần được loại bỏ, tái sinh bên ngoài giường và trở lại liên tục. Trong các đơn vị như vậy, các hạt hấp phụ trải qua sự tiêu hao do mài mòn giữa các hạt, cũng như do mài mòn tường.
Dòng chảy của các hạt rắn trong các chất hấp phụ này có thể không được trơn tru. Tuy nhiên, việc giữ chất hấp phụ sẽ ít hơn nhiều so với hệ thống giường cố định có cùng công suất. Vì việc tái sinh được thực hiện bên ngoài bộ phận hấp phụ, nó có thể được thực hiện trong các điều kiện quyết liệt, nếu cần thiết.
Phương pháp thiết kế hấp phụ giường cố định:
Khi một dòng chất lỏng chứa chất hấp phụ đi vào bộ phận hấp phụ cố định, phần lớn quá trình hấp phụ diễn ra ở đầu cấp liệu để bắt đầu. Dần dần các hạt hấp phụ có mặt gần đầu thức ăn trở nên bão hòa với chất hấp phụ và vùng hấp phụ hiệu quả sẽ dịch chuyển về phía đầu ra. Đó là phần hấp phụ nơi xảy ra phần lớn sự hấp phụ được gọi là vùng hấp phụ hiệu quả. Hình 4.12 cho thấy độ bão hòa lũy tiến của giường hấp phụ trong bộ phận hấp phụ trong quá trình này. Nó cũng cho thấy vùng hấp phụ hiệu quả (Z Q ) cuối cùng cũng đạt đến điểm cuối.
Hình 4.13 cho thấy nồng độ chất hấp phụ (Y) trong luồng được xử lý tăng khi quá trình hoạt động diễn ra và cuối cùng tại thời điểm = B nồng độ trở thành Y B. Nếu chất hấp phụ là một chất gây ô nhiễm, thì Y B sẽ đại diện cho nồng độ phát thải tối đa cho phép theo quan điểm ô nhiễm môi trường. Thời gian ϴ B được gọi là thời gian nghỉ.
Việc tiếp tục quá trình hấp phụ vượt quá ϴ B sẽ dẫn đến sự gia tăng hơn nữa nồng độ chất ô nhiễm ngoài Y B trong dòng nước thải được xử lý. Tại = B, hoạt động sẽ bị ngừng và giường sẽ được tái sinh.
Khi thiết kế một thiết bị hấp phụ cố định để loại bỏ chất gây ô nhiễm do khí gây ra, người ta phải ước tính diện tích mặt cắt ngang và chiều cao đóng gói của nó để có một 'thời gian chờ' được chọn trước.
Các thông tin sau đây sẽ được yêu cầu cho mục đích thiết kế:
1. Tốc độ dòng chảy của dòng ảnh hưởng, G;
2. Nồng độ chất ô nhiễm trong ảnh hưởng,
3. Nồng độ chất ô nhiễm tối đa cho phép trong nước thải được xử lý, Y B ;
4. Đã chọn trước 'vượt qua thời gian' B và
5. Đặc điểm của chất hấp phụ được chọn.
Diện tích mặt cắt ngang của cột hấp phụ có thể được ước tính bằng biểu thức sau:
Thông thường đối với các đơn vị thương mại, vận tốc khí bề mặt được sử dụng là trong phạm vi từ 6 đến 24 m / phút. Nếu được vận hành ở tốc độ cao hơn, áp suất giảm trên giường sẽ cao hơn và do đó chi phí vận hành (năng lượng) sẽ cao hơn. Để ước tính đường kính đầu vào và đầu ra của cột, tốc độ khí được chọn trong phạm vi 600 bù900 m / phút. Để ước tính chiều cao giường đóng gói, L 0, người ta giả sử a ϴ B. Dựa trên điều này và các đặc tính của chất hấp phụ được chọn, chiều cao giường đóng gói L O có thể được tính bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận quy tắc ngón tay cái hoặc phương pháp phân tích.
Để tìm chiều cao giường đóng gói bằng cách sử dụng quy tắc ngón tay cái, thông tin cần có là: (i) 'khả năng hấp phụ' (X c ) của chất hấp phụ được chọn và (ii) mật độ khối (p b ) của chất hấp phụ. Khả năng hấp phụ X c được định nghĩa là khối lượng chất hấp phụ mà một đơn vị khối lượng chất hấp phụ có thể hấp phụ trong khi xử lý dòng khí có ảnh hưởng có nồng độ chất ô nhiễm Y O và do đó làm giảm nồng độ chất ô nhiễm xuống giá trị giới hạn cho phép của nó trong khí được xử lý. .
X c và p b có thể được lấy từ nhà sản xuất / nhà cung cấp chất hấp phụ hoặc ước tính bằng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm. Dữ liệu dựa trên phòng thí nghiệm sẽ đáng tin cậy hơn cho mục đích thiết kế. Khi các dữ liệu này có sẵn, tổng khối lượng chất hấp phụ cần thiết có thể được tính bằng phương trình. (4, 55).
Chiều cao giường tương ứng (L 0 ) có thể thu được bằng cách sử dụng phương trình. (4.56)
Chiều cao giường L 0 có thể được tính theo phương pháp phân tích sử dụng phương trình. (4, 57)
Trong đó ϴ = mức độ bão hòa của tổng lượng chất hấp phụ tại thời điểm d B, được biểu thị dưới dạng phân số,
và X s = nồng độ chất ô nhiễm trên chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng với nồng độ pha khí Y 0 được biểu thị bằng tỷ lệ trọng lượng.
X x có thể được ước tính bằng cách sử dụng phương trình. (4.54) hoặc sử dụng dữ liệu cân bằng thu được bằng thực nghiệm.
Cần lưu ý ở đây rằng tại thời điểm ϴ B từ khi bắt đầu quá trình, phần chính của giường (ngoại trừ vùng hấp phụ Z, gần cuối lối ra của cột) sẽ bị bão hòa. Vùng Z a sẽ bão hòa một phần. Do đó có thể được biểu thị là
Bây giờ rõ ràng để tìm L 0, người ta phải ước tính f và Z a lúc đầu.
Phương trình cân bằng vật chất pha khí của chất hấp phụ trên chiều cao tầng nguyên tố dZ trong vùng hấp phụ Z Q trong khoảng thời gian dϴ có thể được viết là
Trong đó ɛ = khoảng trống và a = diện tích bề mặt trên một đơn vị khối lượng đóng gói.
Thuật ngữ cuối cùng ở phía bên phải của biểu thức. (4.60), nhỏ so với các điều khoản khác, có thể bị bỏ qua và phương trình có thể được viết lại thành
Các hình thức tích hợp của phương trình. (4.61) có thể được viết là
và Y * = nồng độ chất ô nhiễm pha khí cân bằng tương ứng với nồng độ chất ô nhiễm hấp phụ X trên bề mặt chất hấp phụ.
có thể được đánh giá bằng số hoặc bằng đồ họa khi có sự trợ giúp của một âm mưu tương tự như Hình 4.14. Tuy nhiên, một vấn đề phát sinh tương ứng với Y = Y O, y * = Y 0 và do đó N OG sẽ là vô hạn. Để khắc phục khó khăn này, N OG được tính gần đúng như
Trong đó Ye được gán một giá trị số nhỏ hơn K 0 một chút
Để ước tính H OG, cần biết các giá trị số của K y và a. Trong trường hợp không có thông tin như vậy, người ta có thể ước tính H oc với sự trợ giúp của Hình 4.15 mà thông tin cần có là ɛ và d p .
Trong đó ɛ = phần trống giường,
và d p = đường kính hạt hấp phụ trung bình
Sau khi đánh giá Z a sử dụng phương trình. (4.62), f sẽ được tính bằng số bằng phương trình. (4.59). Cuối cùng và L O được đánh giá bằng phương trình. (4.58) và phương trình. (4, 57) tương ứng.
Ví dụ 4.4:
Một thiết bị hấp phụ cố định sẽ được thiết kế để hấp phụ acetone từ không khí có nồng độ ban đầu, Y 0 = 0, 024 kg acetone / kg không khí ở 30 ° C sử dụng than hoạt tính dạng hạt (GAC). Tốc độ dòng khí thể tích là 12000 m 3 / giờ. Nồng độ acetone cho phép (Y B ) trong khí được xử lý có thể được lấy là 0, 001 kg acetone / kg không khí và mật độ khối GAC (p b ) là 400 kg / m 3 . Các dữ liệu cân bằng được liệt kê dưới đây.
Dung dịch:
Trong trường hợp không có bất kỳ thông tin cụ thể nào khác liên quan đến vấn đề thiết kế này, những điều sau đây được giả định:
Sử dụng các giá trị giả định của ϴ B, vận tốc bề ngoài và H QG và thông tin được chỉ định trong bài toán, chiều cao hấp phụ đóng gói L 0 được ước tính với sự trợ giúp của phương pháp quy tắc ngón tay cái sử dụng các phương trình / quan hệ sau:
Cuối cùng chấp nhận chiều cao đóng gói hấp thụ L 0 như được tính bằng phương trình. (4.56), B được tính toán lại theo phương pháp phân tích.
Vẽ đồ thị của dữ liệu cân bằng được cung cấp và bản vẽ của một dây chuyền vận hành phù hợp dẫn đến một con số tương tự như hình 4.14. Từ hình đó, giá trị của X s được tìm thấy là 0, 177. Để ước tính N OG và f bằng tích hợp số, các giá trị bắt buộc của Y, X và Y * được đọc từ hình và các giá trị được tính của
