Xử lý khí thải bằng than hoạt tính

Xử lý khí thải bằng than hoạt tính là phương pháp phổ biến và đem lại nhiều hiệu quả cũng như tối ưu chi phí đầu tư.

1. Than hoạt tính là gì

1.1. Khái niệm than hoạt tính

Than hoạt tính được chế tạo từ các nguyên liệu giàu Cacbon như than bùn, than đá, các thực vật(gỗ, mùn cưa, bã mía, gáo dừa…), xương động vật.

Quá trình sản xuất than hoạt tính gồm hai giai đoạn: Than hóa và hoạt hóa.

Than hóa nhờ quá trình nhiệt phân, nhằm giải phóng cacbon khỏi các liên kết với các nguyên tử khác và liên kết bền trước đây giữa chúng, loại các nguyên tố khác đồng thời nâng cao hàm lượng cacbon.

Quá trình nhiệt phân các vật liệu thực vật kết thúc ở 400 – 450 ̊C trong điều kiện không có chất oxy hóa. Đối với một số loại than, nguyên liệu thô còn được tẩm hóa chất trươc khi than hóa.

Trong giai đoạn thứ hai, than được oxy hóa chọn lọc ở 800 -1000 ̊C trong môi trường hơi nước hoạc khí CO₂. Trong quá trình đó xảy ra các phản ứng.
✅Khi dùng CO₂: C + CO₂ → 2CO
✅Khi dùng hơi nước: C + H₂O → CO + H₂

Các phản ứng trên (đốt cháy một phần than) đã tạo nên độ xốp với bề mặt chứa các nhóm chức hoạt động và rất lớn, từ 600 – 1700 m²/g.

1.2. Thông số kỹ thuật than hoạt tính

Cấu trúc xốp và độ hoạt động phụ thuộc vào loại nguyên liệu và chế độ hoạt hóa. Do đó than hoạt tính có nhiều loại với phạm vi sử dụng rất khác nhau.
✅Nhìn chung, loại giàu mao quản nhỏ dùng tốt cho hấp phụ khí, kém hiệu quả khi dùng hấp phụ các chất hữu cơ.  Than hoạt tính dùng hấp phụ trong dung dịch cần giàu mao quản mức trung bình.
✅Than hoạt tính thường được dùng ở hai dạng: dạng bột thường dùng khi năng suất nhỏ; dạng viên thuận lợi cho việc hoàn nguyên than và dùng lại nên hay sử dụng cho hệ thống có công suất lớn.
✅Than hoạt tính có khối lượng riêng đặc 1,75 – 2,1 g/cm³, khối lượng riêng xốp khoảng 0,1 – 1 g/cm³, còn khối lượng riêng đống khoản 0,2 – 0,6 g/cm³.
✅Nhược điểm lớn nhất của than hoạt tính là dễ cháy, quá trình hấp phụ thường tỏa nhiệt nên cần lưu ý khi tính toán.

2. Ứng dụng của than hoạt tính

Than hoạt tính là một trong những vật liệu hấp phụ xử lý khí thải phổ biến và đem lại hiệu quả cao trong công nghiệp(các vật liệu hấp phụ khác như: Silicagen, chất dẻo xốp, Zeolit, Nhôm oxyt hoạt tính).

Do giá thành than hoạt tính tương đối thấp, thân thiện môi trường và phổ biến nên than hoạt tính thường được dùng để:
✅Xử lý khí thải môi chất hữu cơ dễ bay hơi VOC_s.
✅Các loại khói hàn, khí thải động cơ, khí thải chất vô cơ.
✅Các loại mùi khi chế biến thực phẩm.
✅Các loại khí thải khi đốt chất vô cơ, hữu cơ.
✅Ứng dụng xử lý khí thải cụ thể theo lĩnh vực sản xuất như: Sơn kim loại, khói hàn kim loại, khói bếp, khói lò đốt, sản xuất linh kiện điện tử, dệt nhuộm, sản xuất nhựa, bao bì, mạ, hóa chất…

Tùy theo lĩnh vực sản xuất, Navis sẽ tiến hành khảo sát và lên phương án phù hợp nhất, kết hợp nhiều phương pháp xử lý khí thải khác để xử lý triệt để, đảm bảo tiêu chuẩn khí thải theo các tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế.

3. Xử lý khí thải bằng than hoạt tính

3.1. Định nghĩa về hấp phụ

Quá trình xử lý khí thải bằng than hoạt tính được gọi là hấp phụ (khác với hấp thụ).

Hấp phụ là quá trình hút các chất trên bề mặt các vật liệu xốp nhờ các lực bề mặt. Các vật liệu xốp được gọi là chất hấp phụ, chất bị hút gọi là chất bị hấp phụ.

Đối với khí, hấp phụ có tác dụng tương đương như hấp thụ. Tuy nhiên, hấp thụ là quá trình hút và hòa tan vào chất lỏng, còn hấp phụ thì chỉ hút trên bề mặt.

Hấp phụ là quá trình ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm và nhiều lĩnh vực chế biến khác.

Hấp phụ xảy ra do lực hút tồn tại ở trên và gần sát bề mặt trong các mao quản. Mạnh nhất là các lực hóa trị, gây lên hấp phụ hóa học, tạo ra các hợp chất khá bền trên bề mặt, khó nhả hoặc chuyển phân tử thành nguyên tử gọi là hấp phụ hóa học.

Lực hấp phụ do lực hút phân tử Van der Waals tác dụng trong khoảng không gian gần sát bề mặt gọi là hấp phụ vật lý.

Một hiện tượng thường xảy ra trong hấp phụ từ pha khí là ngưng tụ thành chất lỏng trong các mao quản nhỏ. Nó xảy ra dưới tác dụng của lực mao quản.

3.2. Quá trình xử lý khí thải bằng than hoạt tính

Quá trình chuyển chất trong hấp phụ được xem như gồm ba giai đoạn:

– Giai đoạn thứ nhất là khuếch tán từ môi trường lỏng đến bề mặt hạt chất hấp phụ.

– Giai đoạn này phụ thuộc tính chất vật lý và thủy động lực học chất lỏng.

– Giai đoạn thứ hai là khuếch tán theo các mao quản đến bề mặt và giai đoạn cuối cùng là tương tác hấp phụ. Hai giai đoạn sau phụ thuộc vào các tính chất và cấu trúc hấp phụ.

Yêu cầu đối với các chất hấp phụ

– Có bề mặt riêng lớn.

– Có các mao quản đủ lớn để các phân tử hấp phụ đến được bề mặt, nhưng cũng cần đủ nhỏ để loại các phân tử xâm nhập, có tính chọn lọc.

– Có thể hoàn nguyên dễ dàng.

– Bền năng lực hấp phụ nghĩa là kéo dài thời gian làm việc

– Đủ bền cơ để chịu được rung động và va đập.

Than hoạt tính là vật liệu đáp ứng tốt các yêu cầu xử lý khí thải trong công nghiệp.

3.3. Lý thuyết tính toán hấp phụ than hoạt tính

Lý thuyết tính toán bằng phương pháp hấp phụ than hoạt tính có tương đối nhiều, tùy vào điều kiện thực tế mà ta áp dụng phù hợp và tối ưu:
✅Thuyết hập phụ Langmuir (1916)
✅Thuyết hấp phụ BET
✅Thuyết thế năng của Polanvi (1914)
✅Phương trình hấp phụ Freundrich

Chi tiết quá trình tính toán sẽ được Navis trình bày trong thuyết minh tính toán cho từng dự án cụ thể của khách hàng.