Nguyên lý hoạt động và cơ chế hoạt hóa của than hoạt tính
Các bộ hấp thụ than hoạt tính là giải pháp hiệu quả để giảm thiểu nhiều loại chất gây ô nhiễm. Nhờ khả năng loại bỏ các chất gây ô nhiễm không khí, các thiết bị này lý tưởng để xử lý mùi hôi. Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) và một số Hợp chất vô cơ dễ bay hơi. Nhưng điều gì làm cho công nghệ này hiệu quả như vậy? Nó có hiệu quả với tất cả các loại hợp chất không? Chúng ta hãy cùng nhau tìm hiểu bằng cách nghiên cứu hoạt động của công nghệ này và nguyên lý hấp thụ than hoạt tính!
Bộ lọc than hoạt tính: nguyên lý hoạt động
Trong bộ lọc than hoạt tính, các phân tử gây ô nhiễm được loại bỏ thông qua nguyên lý hấp phụ: một hiện tượng hóa học-vật lý bao gồm sự tích tụ của một hoặc nhiều chất lỏng trên bề mặt của chất ngưng tụ. Với công nghệ này, các chất trong không khí trong nước thải thực tế bị giữ lại bên trong bề mặt chất hấp phụ rắn (than hoạt tính), do đó làm giảm đáng kể các phân tử gây ô nhiễm có trong dòng chảy cần xử lý.
Các lực vật lý tạo nên hiện tượng này được gọi là lực Van-der-Waals. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, chúng không đủ để đảm bảo liên kết giữa các chất gây ô nhiễm và than hoạt tính vì một số phân tử quá dễ bay hơi để có thể bị giữ lại trong các khoang. Vì lý do này, liên kết hóa học là cần thiết.
Trong phần tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết về khái niệm này bằng cách xem xét các cơ chế hoạt hóa của than hoạt tính.
Than hoạt tính: bản chất và cơ chế hoạt hóa
Than hoạt tính là vật liệu vô định hình có nguồn gốc từ các nguyên liệu thô giàu carbon như gỗ, than bùn và dừa. Các vật liệu này được đặc trưng bởi cấu trúc xốp và diện tích bề mặt riêng cao, cho phép một số phân tử gây ô nhiễm bị giữ lại bên trong các lỗ rỗng. Có hai phương pháp chính được sử dụng để làm cho carbon phù hợp để hấp phụ các chất ô nhiễm:
- hoạt hóa vật lý: diễn ra ở nhiệt độ từ 400 đến 600 °C trong môi trường không có oxy. Quá trình này loại bỏ mọi tạp chất và cho phép tạo ra “các vị trí hoạt động” trong đó các chất ô nhiễm bị giữ lại;
- hoạt hóa hóa học: dựa trên tác dụng khử nước của các hợp chất như axit photphoric và kali hydroxit. Xử lý bề mặt cho phép tạo ra “các vị trí hoạt hóa hóa học” trong đó các phân tử quá dễ bay hơi không thể liên kết với các vị trí hoạt động cũng bị giữ lại. Các loại cacbon này được định nghĩa là “đã tẩm”.
Các cơ chế hoạt hóa này làm cho than hoạt tính cực kỳ linh hoạt và hiệu quả trong việc loại bỏ nhiều loại chất. Do đặc tính hóa học-vật lý của chúng, các chất ô nhiễm hữu cơ có nhóm hoạt hóa cụ thể như -S- và -N- và các chất ô nhiễm vô cơ tương ứng của chúng đòi hỏi phải có than hoạt tính tẩm. Nhìn chung, các điều sau đây áp dụng:
| Chất gây ô nhiễm | Than hoạt tính |
|---|---|
| Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi | Không tẩm |
| H2S và mercaptan | Đã ngâm tẩm |
| NH3 và amin | Đã ngâm tẩm |
| Thủy ngân | Đã ngâm tẩm |
Khi thiết kế một bộ hấp phụ than hoạt tính, do đó, điều cần thiết là phải biết các đặc điểm của các phân tử cần loại bỏ, để có thể chọn được loại than phù hợp nhất và thiết bị tối thiểu cần lắp đặt nhằm giảm thiểu các rủi ro vốn có của công nghệ.
Một hiện tượng điển hình thực tế là sự hình thành các “điểm nóng”: các điểm nóng trong lớp, do các điều kiện cụ thể chủ yếu liên quan đến các loại chất ô nhiễm có mặt (xeton, nhưng cũng có cả aldehyde và rượu), các tàn lửa được hình thành có thể khiến toàn bộ môi trường lọc bắt lửa.
Biết được các đặc điểm này và cách xử lý chúng là một yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn đối tác môi trường.
Bão hòa và tái sinh than hoạt tính
Sự tích tụ các chất ô nhiễm trên bề mặt than hoạt tính dẫn đến sự bão hòa của chúng, do đó làm giảm khả năng hấp phụ của chúng. Tùy thuộc vào bản chất và loại phân tử được xử lý, than hoạt tính thực sự có thể hấp phụ một số lượng chất ô nhiễm nhất định trước khi chúng trở nên bão hòa. Nhưng làm thế nào chúng ta có thể hiểu khi nào cần thay thế hoặc tái tạo than?
Vì mục đích này, các hệ thống trực tiếp hoặc gián tiếp được sử dụng để đo hiệu quả của than. Các hệ thống trực tiếp đo nồng độ VOC trong quá trình phát thải và chúng chỉ ra chính xác thời điểm cần thay thế than. Tuy nhiên, khoản đầu tư kinh tế cho các hệ thống này là đáng kể, do đó hạn chế việc áp dụng chúng cho các nhà máy hấp phụ có tái sinh bên trong. Mặt khác, các hệ thống gián tiếp đo trọng lượng ban đầu của than hoạt tính và các biến thể theo thời gian bằng cách sử dụng các cảm biến lực nằm ở đáy của bộ hấp phụ. Khi các chất ô nhiễm được hấp phụ, than hoạt tính sẽ tăng trọng lượng cho đến khi đạt đến giá trị cho thấy sự bão hòa. Con số này được đội ngũ chuyên gia của chúng tôi thiết lập tại thời điểm lắp đặt hệ thống, bằng cách tính đến các đặc điểm của các chất ô nhiễm được xử lý. Tuy nhiên, khi có sự kết hợp của các hợp chất hữu cơ, điều quan trọng là phải tinh chỉnh thông số này thông qua một loạt các phân tích lặp lại để tối ưu hóa việc bảo trì.
Sau khi xác minh độ bão hòa của than hoạt tính, cần phải thay thế chúng bằng than nguyên chất mới sản xuất hoặc bằng than tái sinh. Sự khác biệt chính giữa chúng, ngoài sự khác biệt về mặt kinh tế, liên quan đến khả năng hấp phụ còn lại: khả năng hấp phụ còn lại là tổng thể trong trường hợp trước, trong khi khả năng hấp phụ còn lại bị giảm do quá trình tái sinh.
Trong các nhà máy hấp phụ tái sinh bên trong, quá trình tái sinh có thể diễn ra bằng hơi nước hoặc các khí trơ khác và có thể dẫn đến mất một số carbon đã xử lý, lượng carbon này vẫn phải được phục hồi.
Bộ lọc than hoạt tính: ưu điểm và nhược điểm
Sau khi tìm hiểu hoạt động của chất hấp phụ và cơ chế hoạt hóa và tái sinh của than hoạt tính, giờ là lúc xác định ưu điểm và nhược điểm của công nghệ này.
Ưu điểm của chất hấp thụ than hoạt tính
Hiệu quả của bộ lọc than hoạt tính phụ thuộc vào một số yếu tố như sau:
- diện tích bề mặt hấp phụ: diện tích bề mặt càng lớn thì khả năng hấp phụ chất ô nhiễm càng lớn. Tuy nhiên, điều quan trọng là không nên phóng đại, đặc biệt là nếu thành phần hóa học và loại chất ô nhiễm cần xử lý chưa được đánh giá;
- nhiều kích thước lỗ rỗng: các lỗ rỗng trong than hoạt tính có nhiều kích thước khác nhau. Đặc điểm này cho phép chúng hấp thụ các phân tử có kích thước khác nhau, từ nhỏ nhất đến lớn nhất;
- khả năng hấp phụ: chất hấp phụ than hoạt tính có thể hấp phụ các loại chất ô nhiễm khác nhau ( mùi, VOC và một số VIC);
- tính linh hoạt: nhờ khả năng hấp phụ cao, chúng có thể được sử dụng trong nhiều bối cảnh công nghiệp khác nhau;
- kiểm soát độ bão hòa: như chúng ta đã thấy, bộ lọc than hoạt tính có thể được trang bị hệ thống đặc biệt để kiểm tra mức độ bão hòa của than.
Nhược điểm của việc sử dụng bộ lọc than hoạt tính
Bộ lọc than hoạt tính là giải pháp hữu ích trong việc loại bỏ nhiều chất gây ô nhiễm không khí, nhưng chúng có một số hạn chế:
- nhiệt độ: nguyên lý hoạt động đằng sau công nghệ này là hấp phụ vật lý thông qua lực Van der Waals. Khi nhiệt độ tăng, sự khuấy động phân tử và giãn nở nhiệt làm giảm hiệu quả của các lực này, do đó làm giảm khả năng hấp phụ. Trong trường hợp nhiệt độ cao, do đó phải cân nhắc đến than hoạt tính tẩm hoặc than có cấu trúc đặc biệt;
- độ ẩm tương đối: hơi nước là một trong những vấn đề phổ biến nhất đối với hiệu suất của bộ lọc. Điều này là do khi có hơi nước, các lỗ chân lông sẽ bão hòa, khiến việc hấp phụ các loại hóa chất khác trở nên không thể;
- loại chất ô nhiễm: đặc điểm hóa học-vật lý của chất ô nhiễm ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả và hiệu suất hoạt động của hệ thống. Vì lý do này, điều cần thiết là phải biết và xem xét kích thước, độ phân cực và trọng lượng riêng của các phân tử cần loại bỏ;
- nồng độ chất gây ô nhiễm: thông số này rất cơ bản để đánh giá tính bền vững của khoản đầu tư, đặc biệt đối với các bộ lọc không tẩm;
- vật liệu: việc lựa chọn vật liệu hấp phụ phải được thực hiện có tính đến đặc điểm của chất gây ô nhiễm và hệ thống sản xuất. Nhìn chung, môi trường lọc có lỗ lọc trung bình là một giải pháp thỏa hiệp tốt, đảm bảo diện tích bề mặt bên trong tốt và giảm nguy cơ bão hòa hơi nước thường xảy ra với các lỗ lọc rất nhỏ;
- chất thấm: đối với bộ lọc có carbon thấm, khả năng hấp phụ liên quan đến tổng diện tích bề mặt của chất thấm tiếp xúc với chất lỏng. Mặt khác, loại chất thấm quyết định tính chọn lọc của nó.
Lời kết
Kết thúc bài viết này, chúng tôi có thể khẳng định rằng lọc than hoạt tính là giải pháp hợp lệ để xử lý các chất ô nhiễm không khí . Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả tối đa, điều cần thiết là phải biết đặc điểm của các phân tử cần xử lý. Vì lý do này, các hệ thống xử lý phải được thiết kế và sản xuất bởi các chuyên gia có khả năng lựa chọn than hoạt tính phù hợp nhất theo từng chất ô nhiễm cụ thể. Hãy liên hệ với RAN để có hệ thống tiếp theo: chúng tôi sẽ sản xuất hệ thống xử lý chất ô nhiễm không khí theo yêu cầu của bạn!
