Giáo trình Công nghệ xử lý khí thải - Trần Hồng Côn

132 trang huongle 3120

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Công nghệ xử lý khí thải - Trần Hồng Côn", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_cong_nghe_xu_ly_khi_thai_tran_hong_con.pdf

Nội dung text: Giáo trình Công nghệ xử lý khí thải - Trần Hồng Côn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN HỒNG CÔN ĐỒNG KIM LOAN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ KHÍ THẢI ¤ng khãi Th¸p ®Öm B¬m håi lu Qu¹t thæi khÝ Cöa th¶i trµn BÓ håi lu hµ néi 2006 1
MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC BẢNG 6 DANH MỤC CÁC HÌNH 7 CHƯƠNG 1. Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ CÁC GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU 10 1.1. Ô nhiễm không khí 10 1.2. Các dạng thải vào không khí 13 1.3. Các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm không khí 14 1.3.1. Các giải pháp mang tính vĩ mô 14 1.3.2. Các giải pháp mang tính cục bộ 15 1.3.2.1. Áp dụng công nghệ sản xuất sạch 15 1.3.2.2. Xử lý triệt để khí thải tại nguồn 16 1.3.2.3. Duy trì trạng thái tự nhiên của không khí 17 1.3.2.4. Sử dụng cây xanh 19 CHƯƠNG 2. TÍNH CHẤT VÀ ĐỘC TÍNH CỦA MỘT SỐ CHẤT THẢI VÀO KHÔNG KHÍ 20 2.1. Các khí thải độc hại 20 2.1.1. Halogen và các dẫn xuất 20 2.1.2. Các hợp chất dạng khí của lưu huỳnh 21 2.1.3. Các hợp chất dạng khí của nitơ 25 2.1.4. Khí cacbon monoxit và dioxit 31 2.1.5. Asin (AsH3), Phosphin (PH3) và Stibin (SbH3) 33 2.2. Các chất thải dạng hơi 35 2.2.1. Hơi của các hợp chất vô cơ 35 2.2.2. Hơi dung môi hữu cơ 37 2.3. Bụi 38 2.3.1. Khái niệm về bụi 38 2.3.2. Hành vi của các hạt bụi trong không khí 40 2.3.3. Bản chất và tác hại của bụi 43 CHƯƠNG 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỤI 44 3.1. Khái quát về xử lý bụi 44 2
3.2. Phương pháp xử lý bụi dựa vào lực trọng trường 46 3.2.1. Nguyên lý 46 3.2.2. Cấu tạo và hoạt động của buồng lắng đơn 46 3.2.3. Cấu tạo và hoạt động của buồng lắng nhiều tầng 47 3.3. Phương pháp xử lý bụi dựa vào lực ly tâm 48 3.3.1. Nguyên lý 48 3.3.2. Cấu tạo và hoạt động của một cyclone đơn 48 3.4. Phương phpas xử lý bụi bằng màng lọc 52 3.4.1. Nguyên lý 52 3.4.2. Cấu tạo và vận hành 52 3.5. Phương pháp xử lý bụi bằng dàn mưa 54 3.5.1. Nguyên lý 54 3.5.2. Cấu tạo và vận hành của thiết bị 54 3.6. Lọc bụi tĩnh điện 56 3.6.1. Nguyên lý 56 3.6.2. Cấu tạo và vận hành 56 3.7. Phương pháp sục khí qua chất lỏng 60 3.7.1. Nguyên lý 60 3.7.2. Cấu tạo và hoạt động của thiết bị 60 3.8. Phương pháp rửa khí ly tâm 62 3.8.1. Nguyên lý 62 3.8.2. Cấu tạo và hoạt động 62 3.9. Phương pháp rửa khí kiểu Venturry 63 3.9.1. Nguyên lý 63 3.9.2. Cấu tạo và vận hành 64 3.10. Rửa khí kiểu dòng xoáy 65 3.10.1. Nguyên lý 65 3.10.2. Cấu tạo và vận hành 65 3.11. Rửa khí kiểu đĩa quay 66 3.11.1. Nguyên lý 66 3.11.2. Cấu tạo và vận hành 66 3
CHƯƠNG IV. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ HƠI VÀ KHÍ ĐỘC 67 4.1. Phương pháp tiêu hủy 67 4.2. Phương pháp ngưng tụ 69 4.3. Phương pháp hấp phụ 71 4.3.1. Hiện tượng hấp phụ 71 4.3.2. Xử lý hơi và khí độc bằng phương pháp hấp phụ 72 4.3.2.1. Nguyên lý của phương pháp 72 4.3.2.2. Các chất hấp phụ thông dụng trong xử lý khí thải 72 4.3.3. Các kiểu tiến hành hấp phụ 75 4.3.4. Những ưu và nhược điểm của phương pháp hấp phụ 76 4.4. Xử lý khí thải bằng phương pháp hấp thụ 77 4.4.1. Nguyên lý 77 4.4.2. Các loại thiết bị hấp phụ 78 CHƯƠNG V. CÔNG NGHỆ XỬ LÝ MỘT SỐ KHÍ THẢI CÔNG NGHIỆP 82 5.1. Xử lý khí lưu huỳnh đioxit (SO2) 82 5.1.1. Xử lý khí SO2 theo đường ướt 82 5.1.2. Xử lý khí SO2 theo đường khô 83 5.2. Xử lý khí nitơ oxit (NOx) 85 5.2.1. Xử lý trung hòa NOx bằng đường ướt 85 5.2.2. Xử lý NOx bằng phương pháp khử ở nhiệt độ cao 86 5.2.3. Xử lý NOx bằng phương pháp xúc tác chọn lọc 87 5.3. Xử lý đồng thời SO2 và NOx 87 5.3.1. Công nghệ xử lý trong lò đốt 88 5.3.2. Công nghệ xử lý sau lò đốt 89 5.4. Xử lý nối tiếp NOx và SO2 91 5.5. Xử lý khí H2S 93 5.5.1. Công nghệ xử lý H2S theo đường khô 93 5.5.2. Công nghệ xử lý H2S theo đường ướt 94 5.6. Xử lý khí CO 96 5.7. Xử lý khí CO2 96 CHƯƠNG VI. MỘT SỐ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ KHÍ THẢI CÔNG 4
NGHIỆP ĐẶC TRƯNG 98 6.1. Thiết bị xử lý bụi bằng lọc túi 98 6.2. Thiết bị lọc túi xử lý khí thải (khí lò) chứa SO2 100 6.3. Hệ thống xử lý khí thải tổng hợp (SO2, NOx, HCl, HF) bằng phương pháp lọc túi khô 101 6.4. Hệ thống xử lý khí lò có trang bị tháp phản ứng 102 6.5. Hệ thống xử lý khí thải bằng tháp đệm ướt 105 6.6. Hệ thống xử lý khí lò chứa SO2 bằng huyền phù canxi cacbonat 108 6.7. Hệ thống xử lý khí lò chứa SO2 sử dụng magie hydroxxit 110 6.8. Conng nghệ xử lý trực tiếp SO2 và NOx trong lò đốt 112 6.9. Công nghệ xử lý khí thải chứa NOx sử dụng xúc tác chọn lọc 114 6.10. Sơ đồ xử lý bụi công nghiệp bằng công nghệ lắng tĩnh điện 118 6.11. Hệ thống xử lý khí lò kiểu Ventury điện động 121 6.12. Sơ đồ công nghệ xử lý đồng thời NOx và SO2 sử dụng chùm tia điện tử 123 6.13. Các hệ thống xử lý mùi 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO 131 5
BẢNG DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Các nguồn và các chất gây ô nhiễm không khí chủ yếu Bảng 1.2. Bảng phân loại bụi, hơi và khí theo giải kích thước Bảng 2.1. Ngưỡng và thời gian tác động của H2S lên người Bảng 2.2. Kích thước hạt của bụi, khói và các hệ phân tán phổ biến Bảng 2.3. Tỷ trọng của một số chất ở dạng khối và dạng bột rời Bảng 4.1. Các phương pháp xử lý bụi Bảng 4.2. Vùng kích thước phù hợp và hiệu quả xử lý của các phương pháp xử lý bụi Bảng 4.3. Năng suất lọc bụi của xyclon đơn và xyclon tổ hợp Bảng 7.1. Kết quả sử dụng hệ thống xử lý ở 6 trên 31 cơ sở Bảng 7.2. Một số lĩnh vực áp dụng hệ thống tháp đệm ướt Kyowa Bảng 7.3. So sánh công nghệ xử lý trực tiếp của Hitachi Zonsen kết hợp SCR với FGD Bảng 7.4. Hiệu quả xử lý vàtuổi thọ của thiết bị xử lý NOx loại nhỏ Bảng 7.5. Một vài thông số xử lý NOx bằng SCR của các cơ sở lớn Bảng 7.6. Các thông số quan trọng của hai phương pháp thiêu hủy 6
BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1. Chu trình của lưu huỳnh trong tự nhiên Hình 2.2. Sự phụ thuộc của hệ số K0 vào chuẩn số Raynon (Re) Hình 4.1. Hiệu quả xử lý bụi của các loại thiết bi Hình 4.2A. Buồng lắng đơn Hình 4.2B. Buồng lắng kép có vách cản tăng hiệu quả Hình 4.3A. Mặt cắt đứng và mặt cắt ngang của một xyclon đơn Hình 4.3B. Các kiểu hướng dòng trong xyclon Hình 4.3C. Sơ đồ hệ thống xyclon lọc bụi Hình 4.4A. Sơ đồ đường đi của khí và bụi qua màng lọc Hình 4.4B. Sơ đồ thiết bị lọc bụi bằng màng hình ống và hình túi Hình 4.4C. Mô hình một thiết bị lọc túi trong công nghiệp Hình 4.5A. Thiết bị dập bụi theo kiểu dàn mưa Hình 4.5B. Thiết bị dàn mưa có nhồi vật liệu đệm Hình 4.6A. Mô hình hoạt động của quá trình lọc bụi tĩnh điện Hình 4.6B. Sơ đồ nguyên lý của quá trình lọc bụi tĩnh điện Hình 4.6C. Sơ đồ thiết bị lọc tĩnh điện Hình 4.7A. Sơ đồ thiết bị lọc tĩnh điện ống Hình 4.7B. Sơ đồ thiết bị lọc tấm Hình 4.8. Sơ đồ thiết bị rửa khí kiểu sủi bọt Hình 4.9. Sơ đồ họat động của một xyclon ướt Hình 4.10A. Sơ đồ nguyên lý của một thiết bị kiểu venturi Hình 4.10B. Thiết bị rửa khí kiểu venturis Hình 4.11. Các cửu thắt của venturi nước Hình 4.12. Sơ đồ hoạt động của thiết bị dòng xoáy Hình 4.13. Mô hình thiết bị lọc bụi kiểu đĩa quay Hình 5.1. Sơ đồ thiết bị tiêu hủy bằng nhiệt Hình 5.2. Sơ đồ thiết bị xử lý bằng phương pháp nhiệt xúc tác Hình 5.3. Cấu tạo của cửa đốt nhiên liệu Hình 5.4. Sơ đồ Xử lý NOx sử dụng phản ứng có xúc tác Hình 5.5. Sơ đồ thiết bị ngưng tụ bề mặt 7
Hình 5.6. Sơ đồ thiết bị ngưng tụ kiểu tiếp xúc Hình 5.7. Sơ đồ tương tác giữa các phân tử trong khối vật chất Hình 5.8. Đường cong hấp phụ đảng nhiệt và đẳng áp Hình 5.9. Đường cong hấp phụ của hơi đốt qua cột hấp phụ Hình 5.10. Mô hình tháp hấp phụ hơi và khí độc Hình 5.11. Mô hình hấp phụ kiểu tầng quay Hình 5.12. Sơ đồ một hệ thống xử lý hấp phụ trong công nghiệp Hình 6.1. Sơ đồ CNXL khí thải chứa SO2 theo đường ướt (FGD) Hình 6.2. Sơ đồ CNXL SO2 theo đường khô sau lò đốt Hình 6.3. Sơ đồ CNXL SO theo đường khô trong lò đốt Hình 6.4. Sơ đồ CNXL NOx theo đường ướt Hình 6.5. Sơ đồ CNXL NOx ở nhiệt độ cao Hình 6.6. Sơ đồ CNXL NOx bằng xúc tác chọn lọc (SCR) Hình 6.7. ảnh hưởng của kích thước hạt và độ phân tán canxi cacbonat đến hiệu quả xử lý SO2 Hình 6.8. Sơ đồ CNXL đồng thời SO2 và NOx trong lò đốt Hình 6.9. Sơ đồ nguyên lý xử lý SO2 và NOx sử dụng chùm tia điện tử Hình 6.10. Sơ đồ CNXL đồng thời SO2 và NOX sử dụng chùm tia điện tử Hình 6.11. Sơ đồ hệ thống xử lý NOx bằng phương pháp xúc tác chọn lọc kết hợp xử lý SO2 Hình 6.12. Sơ đồ CNXL H2S theo đường khô Hình 6.13. Sơ đồ CNXL H2S theo đường khô Hình 6.14. Sơ đồ CNXL H2S bằng phương pháp sắt(III) theo đường ướt Hình 7.1. Thiết bị lọc túi xử lý bụi kimloại nặng của hãng NAVAC Hình 7.2. Hệ thống xử lý bụi, khí SO2 và các khí, hơi axit khác bằng con đường khô xử dụng thiết bị lọc túi hiệu suất cao Hình 7.3. Hệ thống xử khí lò bằng thiết bị lọc túi khô Hình 7.4. ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quă xử lý khí lò Hình 7.5. Hệ thống xử lý khí có trong thiết bị tháp phản ứng Hình 7.6. Sự phụ thuộc giữa hiệu suát xử lý khí HCl vào nhiệt độ và tỉ lệ mol của Ca(OH)2 và HCl Hình 7.7. Sơ đồ thiết bị xử lý khí theo đường ướt sử dụng tháp đệm 8
Hình 7.8. Sơ đồ mặt cắt của thiết bị tháp đệm Hình 7.9. Hệ thống xử lý khí thải chứa SO2 thu hồi thạch cao Hình 7.10. Sơ đồ hệ thống xử lý khí thải chứa SO2 sử dụng Mg(OH)2 Hình 7.11. Hệ thống xử lý trực tiếp SO2 và NOx trong khí thải có nhiệt độ cao sử dụng CaCO3 và ure Hình 7.12. Sơ đồ nguyên lý của quá trình xử lý NOx bằng xúc tác chọn lọc Hình 7.13. Sơ đồ đặc trưng của một tháp SCR Hình 7.14. Sơ đồ mặt cắt đứng của một tháp lọc tĩnh điện Hình 7.15. Sơ đồ mặt cắt ngang của một tháp lọc tĩnh điện Hình 7.16. Sơ đồ hệ thống tháp lọc tĩnh điện kiểu khô Hình 7.17. Sơ đồ hệ thống tháp lọc tĩnh điện kiểu ướt Hình 7.18. Sơ đồ hệ thống xử lý khí lò kiểu venturi điện động (EDV) Hình 7.19. Sơ đồ hệ thống xử lý khí lò dùng chùm tia điện tử Hình 7.20. Sơ đồ ba kiểu xử lý mùi bằng phương pháp thiêu hủy Hình 7.21. Hiệu suất phân hủy phụ thuộc vào nhiệt độ thiêu hủy của một số chất Hình 7.22. Sơ đồ thiết bị khử mùi kiểu hấp phụ và giải hấp liên tục 9
Ch¬ng I. ¤ nhiÔm kh«ng khÝ vµ c¸c gi¶I ph¸p gi¶m thiÓu « nhiÔm 1.1. ¤ nhiÔm kh«ng khÝ Thế nào là ô nhiễm không khí? Muốn trả lời được câu hỏi này thì cần phải thống nhất được khái niệm về bầu không khí sạch hay nói cách khác là thống nhất quy định về thành phần nền của môi trường không khí. Trong bầu khí quyển của trái đất thì tầng đối lưu là gần mặt đất nhất - tầng của gió bão. Tại tầng này, các chất ô nhiễm thường xuyên được rửa sạch bởi mưa và tuyết rơi. Trên tầng bình lưu thì khác. Do sự hấp thụ của lớp ôzôn, sự ổn định và sự tăng của nhiệt độ theo chiều cao; cho nên các chất ô nhiễm khi thâm nhập vào tầng này có chiều hướng tồn tại lâu dài hơn. Thực ra sự ô nhiễm không khí được hiểu chủ yếu như là sự thay đổi bất thường thành phần và nồng độ của các chất trong tầng không khí gần mặt đất - tầng đối lưu. Do vậy ta có thể chấp nhận một định nghĩa về ô nhiễm không khí như sau [1, 2]: “Ô nhiễm không khí có nghĩa là đã có mặt một hoặc nhiều chất gây ô nhiễm trong bầu không khí ngoài trời như bụi, khói, hơi, khí hay mùi với khối lượng, tính chất và thời gian đủ để gây hại đối với sự sống của người hay động, thực vật, hoặc tác hại tới của cải vật chất hoặc cản trở quá mức đối với sự tồn tại bình yên của sự sống và của cải vật chất trên trái đất”. Trong luật về kiểm soát ô nhiễm môi trường không khí của bang Arizôna (Mỹ) cũng đưa ra một định nghĩa tương tự [1]: “Ô nhiễm không khí có nghĩa là sự có mặt của một hay nhiều chất ô nhiễm hoặc sự phối hợp của chúng trong không khí ngoài trời với khối lượng và thời gian đủ để gây hại hoặc có chiều hướng gây hại đối với sự sống của người, động, thực vật hoặc của cải vật chất”. Nhưng đi kèm với định nghĩa này có liệt kê các chất ô nhiễm đó là khói, hơi, than giấy, bụi, mồ hóng, cáu gét, khói than, các khí, mù, mùi, tia phóng xạ, các hóa chất độc hại hoặc bất kỳ vật chất nào trong không khí ngoài trời. Đồng thời định nghĩa này còn quan tâm đến xu thế gây hại nữa. Như vậy trong thực tế có hai nguồn gây ra ô nhiễm không khí, đó là nguồn ô nhiễm tự nhiên và nguồn ô nhiễm nhân tạo ngắn liền với các hoạt động của con người [3, 4]. - Nguồn ô nhiễm tự nhiên: Các hoạt động tự nhiên có thể làm tăng hàm lượng bụi tại một thời điểm và ở một không gian nào đó như gió lốc, bão sa mạc mang theo bụi đất cát trên mặt đất tung vào bầu không khí. Núi lửa hoạt động có thể phun vào bầu khí quyển một lượng bụi và khí khổng lồ. Nhưng hiện tượng như trên xẩy ra không liên tục, trong một khoảng thời gian ngắn và phát tán ra một vùng rộng lớn làm giảm nhanh hàm lượng c hất gây ô nhiễm. 10
Các hiện tượng phân hủy, thối rữa xác động thực vật xẩy ra thường xuyên trong ựt nhiên đưa vào bầu không khí các khí độc hại. Nhưng hiện tượng này đã kéo dài đều đặn theo thời gian phát triển của hành tinh chúng ta nên hàm lượng của các c hất độc hại thường nằm ở giới hạn nền. Nhưng nếu hiện tượng trên xẩy ra sau một thảm hoạ nào đó không thường xuyên và cục bộ thì nó sẽ thải vào không khí một lượng khí độc hại vượt quá giới hạn nền trong khoảng thời gian và không gian giới hạn trong và xung quanh khu vực xẩy ra thảm họa sẽ gây ra sự ô nhiễm không khí. Các hiện tượng sấm chớp, mây mưa, bức xạ trong hệ mặt trời và vũ trụ, thông qua các phản ứng phân hủy hoặc kết hợp các chất tồn tại trong không khí tạo ra các chất có hại làm mất cân bằng vốn có của bầu không khí cũng được coi là sự ô nhiễm. Nhìn chung ô nhiễm không khí do thiên nhiên tạo ra về khối lượng là rất lớn song thường phân bố trong một không gian rộng và khá đồng đều nên ít gây nguy hại. Mặt khác các sinh vật trên mặt đất, qua hàng ngàn vạn năm đã quen với những thay đổi nói trên và đã thích ứng được. -Nguồn ô nhiễm nhân tạo. Các nguồn ô nhiễm nhân tạo nguy hiểm ở chỗ rất dễ xẩy ra hiện tượng cục bộ với nồng độ cao gây tác hại đến con người, các sinh vật và của cải vật chất nằm trong vùng ô nhiễm. Các nguồn và các chất gây ô nhiễm không khí do nhân tạo được khái quát trên bảng 1.1. B¶ng 1.1. C¸c nguån vµ c¸c chÊt g©y « nhiÔm kh«ng khÝ chñ yÕu Chất ô nhiễm Nguồn ô nhiễm 1 2 -Các nhà máy nhiệt điện -Các ngành công nghiệp đốt nhiên liệu làm năng lượng. Oxit các bon (CO, -Giao thông vận tải. CO ) 2 -Các lò đốt rác và dân dụng -Phân hủy, lên men yếm khí -Các cơ sở khai thác và chế biến than đá, than gỗ -Đốt SP nông nghiệp sau thu hoạch và dân dụng. Bụi than, tro -Các nhà máy nhiệt điện. -Các cơ sở sản xuất gốm, sứ Bụi Berili -ChÕ hãa quÆng vµ luyÖn kim. Bụi uranium -Chế hóa quặng. -Các cơ sở luyện kim Hợp chất chứa -Các cơ sở sản xuất hóa chất các kim loại có -Các cơ sở sản xuất thuốc trừ dịch hại độc tính cao -Sử dụng các sản phẩm thuốc trừ dịch hại -Giao thông vận tải 11
1 2 -Thuốc trừ sâu Các hợp chất cơ -Các cơ sở sản xuất hóa chất clo -Các cơ sở sản xuất giấy và bột giấy -Khử trùng bằng clo và các hợp chất chứa clo hoạt động. -Các cơ sở sản xuất và sử dụng halogen và hóa chất chứa Halogen và các halogen hợp chất độc vô -Các cơ sở sản xuất phân lân từ apatit cơ chứa halogen -Các cơ sở luyện kim -Đốt nhiên liệu -Công nghiệp sơn và vật liệu phủ -Các cơ sở sản xuất linh kiện điện tử cần làm sạch bằng Hydrocacbon dung môi hữu cơ -In ấn, sơn, vẽ -Các cơ sở sản xuất hóa chất hữu cơ -Luyện cốc -Đốt nhiên liệu Nitơ oxit -Các nhà máy hóa chất -Các cơ sở sản xuất phân đạm, phân tổng hợp NPK -Các cơ sở sản xuất hóa chất -Các nhà máy nhiệt điện Lưu huỳnh oxit -Luyện kim -Các công đoạn đốt nhiên liệu khác Các hợp chất cơ -Các cơ sở sản xuất thuốc trừ dịch hại phot pho -Sử dụng thuốc trừ dịch hại -Công nghiệp sản xuất xi măng -Công nghiệp khai khoáng Bụi khoáng vô cơ -Giao thông vận tải -Xây dựng -Các vụ thử hạt nhân Bụi phóng xạ -Sự dò rỉ của các cơ sở năng lượng hạt nhân -Các cơ sở sản xuất hóa chất Hơi kiềm, hơi axit -Xử lý bề mặt kim loại -Các cơ sở sử dụng axit và kiềm trong sản xuất -Các cơ sở sản xuất acquy Bụi chì -Luyện kim màu -Giao thông vận tải -Các cơ sở mạ kim loại -Khai thác, trích chiết vàng, bạc và các kim loại quý hiếm HCN và CN- khác -Các công đoạn đốt nhiên liệu -Sản xuất hóa chất 12
1.2. CÁC DẠNG THẢI VÀO KHÔNG KHÍ Các chất thải vào không khí nằm dưới các dạng chủ yếu là bụi, khói, hơi, sol và khí. Người ta phân loại chúng một cách đơn giản nhất là dựa vào kích thước hạt của chúng (xem bảng 1.2.) [5] B¶ng 1.2. Ph©n lo¹i bôi, h¬i vµ khÝ ®éc theo d¶i kÝch thíc Dải kích Loại Nguồn gốc và đặc tính thước (µm) Phát sinh trong quá trình đập, phá, nổ, mài khoan các chất rắn như đất đá, quặng, than, kim loại Một số bụi có dạng sợi có nguồn gốc nhân tạo, thực vật Bụi 0,1 - 75 hoặc khoáng. Các bụi lớn, nhẹ khó lắng do lực trọng trường. Các bụi nhỏ có khuynh hướng bay lơ lửng trong không khí. Được tạo ra do ngưng tụ các phần tử chất rắn trong Khói I 0,001 - 1,0 quá trình đốt nhiên liệu, quá trình làm nóng chảy kim loại hoặc các phản ứng hoá học. Được tạo ra do ngưng tụ các phần tử chất rắn trong Khói II 0,1 - 1,0 quá trình đốt cháy nhiên liệu Là sản phẩm của quá trình tập hợp tự nhiên (ngưng Sương 0,01 - 10,0 tụ) các phần tử chất lỏng trong không khí. Là phần thể khí của các chất lỏng hoặc rắn trong 0,0005 - Hơi điều kiện bình thường. Sự tồn tại của chúng phụ 0,005 thuộc vào điều kiện cụ thể của môi trường. Là dạng vật chất mà trong điều kiện nhiệt độ và áp Khí < 0,0005 suất thông thường chúng không tồn tại dưới dạng các phân tử ở thể khí - Các chất ở dạng khí: Là những chất ở điều kiện thông thường tồn tại dưới dạng khí như: CO, CO2, NOx, SOx, Cl2 - Các chất dạng hơi: Là phần dạng khí của các chất mà ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường chúng ở dạng rắn hoặc lỏng. - Các chất dạng sol khí: Là tập hợp các phần tử chất lỏng hoặc chất rắn ở thể rời rạc tồn tại ở trạng thái lơ lửng cùng không khí với khoảng thời gian không hạn định. Kích thước nhỏ nhất của sol có thể chỉ bằng kích thước của 13
một phân tử lớn và các hạt sol lớn có thể dến vài µm. Hàm lượng của chúng trong không khí nằm ở khoảng từ 10 mg đến 10 gam trên một mét khối - Các chất dạng bụi: Là các phần tử chất rắn thể rời rạc được tạo ra do các hoạt động của tự nhiên hay con người có kích thước khác nhau (từ 1/100 đến hàng trăm micromet). Dưới tác dộng của các dòng khí hoặc không khí, trong những điều kiện nhất định chúng chuyển thành trạng thái lơ lửng trong pha khí. Các chất thải là khí, hơi, bụi hay sol có tác hại ít hay nhiều sẽ phụ thuộc vào bản thân tính chất của chúng. Nhưng nhìn chung các chất độc hại ở dạng khí thường là nguy hiểm nhất do tác động trực tiếp và liên tục vào phổi qua hô hấp. Có nhiều cách phân loại bụi, hơi và khí. Dưới góc độ thu gom và tách lọc, phân loại theo dải kích thước được coi là phù hợp và hữu dụng hơn cả. 1.3. CÁC BIỆN PHÁP GIẢM THIỂU Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ [6] Giữa thiên nhiên và con người trên hành tinh của chúng ta luôn có một mối quan hệ mật thiết. Những tác động ngược lại của thiên nhiên đối với quá trình gây ô nhiễm bầu không khí do những hoạt động sống của con người gây ra có quan hệ nhân quả với nhau. Việc sử dụng các khí làm hủy hoại tầng ô dôn; việc sử dụng quá mức các nguồn nhiên liệu hóa thạch đã làm tăng hàm lượng khí CO2 trong bầu khí quyển trái đất đã làm cho trái đất nóng lên do tác động của hiệu ứng nhà kính. Sự nóng lên của trái đất đã gây ra những hậu quả nghiêm trọng mang tính toàn cầu như mực nước biển dâng lên sẽ nhận chìm những vùng đất thấp, bão lốc, hạn hán, lụt lội, sự sa mạc hóa Chính vì thế mà Liên hợp quốc, nhiều tổ chức xã hội và chính phủ nhiều nước đã kêu gọi mọi người hãy cứu lấy trái đất. Những biện pháp giảm thiểu ô nhiễm bầu không khí là giải pháp hữu hiệu bảo vệ trái đất. Do tính chất đặc thù của môi trường không khí mà sự ô nhiễm ít mang tính cục bộ. Sự phát thải ở nơi này có thể gây ô nhiễm những nơi khác, tuỳ thuộc vào điều kiện thời tiết, khí hậu hay sự chuyển động nói chung của các tầng khí quyển. Vì vậy các giải pháp chống ô nhiễm không khí cần phải mang tính toàn cầu. Những biện pháp cụ thể có thể chia làm hai loại đó là các biện pháp mang tính vĩ mô và những biện pháp mang tính cục bộ. 1.3.1. CÁC BIỆN PHÁP MANG TÍNH VĨ MÔ Do nhận thức được những hiểm họa của sự ô nhiễm không khí nên hầu hết các nước trên thế giới đã cùng đi tới một thoả hiệp mang tính chiến lược toàn cầu về cắt giảm các khí thải gây tác động nhà kính và phá hoại tầng ô 14
zôn - Nghị định Kyoto. Đối với từng quốc gia, cần phải có những biện pháp hạn chế tác động của con người vào thiên nhiên như: + Kiểm soát và hạn chế lượng thải các chất gây hiệu ứng nhà kính, các chất hủy hoại tầng ôzôn và các chất khí độc hại khác. + Hạn chế cháy rừng. Những đợt cháy rừng xảy ra quanh năm trên thế giới đã gây ra những tác động đồng thời làm suy thoái chất lượng không khí. Cháy rừng gây ra những lớp khói bụi trên diện rộng; sinh ra một lượng khí CO2 khổng lồ và làm mất cân bằng sinh thái. Hậu quả của nó là những tác động dây chuyền ảnh hưởng xấu đến môi trường trái đất. Việc hạn chế cháy rừng ngoài những biện pháp phòng ngừa thiên nhiên, việc giáo dục cộng đồng cũng có tầm quan trọng không kém. + Hạn chế khai thác rừng, khai thác khoáng sản nhằm giảm thiểu ảnh hưởng đến sự cân bằng vốn có của khí quyển và bề mặt quả đất. + Chống hoang hóa, sa mạc hóa. Trồng cây xanh, trồng rừng là biện pháp lấy lại sự cân bằng đã bị mất đi do hậu quả của chiến tranh và khai thác quá mức của con người đối với các thảm thực vật - lá phổi của trái đất. + Trồng rừng cây đệm ven bờ biển chống sự xâm lấn của cát, hơi muối biển vào đất liền; trồng rừng đệm chống sa mạc hóa. 1.3.2. CÁC BIỆN PHÁP MANG TÍNH CỤC BỘ 1.3.2.1. ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SẠCH Giảm thiểu phát thải các chất gây ô nhiễm ngay tại nguồn là biện pháp hữu hiệu để tránh gây ô nhiễm không khí. Giải pháp đầu tiên là phát triển các quá trình sản xuất sạch - không thải hay nói cách khác là tối ưu hóa mọi điều kiện sản xuất và tận dụng triệt để các sản phẩm phụ là xu thế hiện nay và cho thiên niên kỷ mới này. Phát triển sản xuất không thải không những giảm được tối đa giá thành sản phẩm mà còn có một lợi ích rất lớn khác ngoài phạm vi của cơ sở sản xuất đó là bảo vệ môi trường và hệ sinh thái. Đây là lợi ích không thể chỉ tính bằng lợi nhuận và sản phẩm do nó mang lại mà nó mang tính chất xã hội và toàn cầu. Đứng trên quan điểm về công nghệ, sản xuất không thải có thể thực hiện bằng các giải pháp tận dụng và quay vòng triệt để nguyên liệu, nước và năng lượng trong phạm vi một nhà máy và liên kết nhiều nhà máy để tận dụng tất cả các sản phẩm phụ, thậm chí ngay cả chất thải của nhà máy này sử dụng làm nguyên liệu cho nhà máy kia. Ngoài những điều đã trình bày ở trên, một giải pháp quan trọng để phát triển sản xuất không thải là thay thế nguyên liệu đầu vào bằng “nguyên liệu sạch” và sử dụng “năng lượng sạch” như năng lượng nguyên tử, năng lượng tự nhiên như sức nước, sức gió và năng lượng mặt trời. 15
Việc vận hành và quản lý thiết bị máy móc cũng như quy trình công nghệ cũng là một biện pháp để khống chế ô nhiễm không khí. Nghiêm túc thực hiện chế độ vận hành, định mức chính xác nguyên vật liệu, chấp hành đúng quy trình công nghệ sẽ làm cho lượng chất thải giảm xuống và có điều kiện quản lý chặt chẽ nguồn thải và lượng chất thải. Hiệu quả của biện pháp quản lý và vận hành sản xuất phụ thuộc rất lớn vào nhận thức của các cấp lạnh đạo và các nhà quản lý; sau đó là kỷ luật lao động và tính tự giác của người lao động. Các chế tài phục vụ đắc lực cho công tác này hiện nay đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới và cả trong nước là các tiêu chuẩn của tổ chức tiêu chuẩn quốc tế viết tắt là ISO (International Standard Organization) áp dụng cho các quá trình sản xuất, vận hành công việc Cho đến nay, các ISO được coi như là những tiêu chuẩn cụ thể nhất nhằm giảm bớt tiêu hao nguyên, nhiên, vật liệu, nâng cao chất lượng sản phẩm lao động và giảm thiểu phát thải. 1.3.2.2. XỬ LÝ TRIỆT ĐỂ KHÍ THẢI TẠI NGUỒN Để tiến tới một nền công nghiệp sản xuất sạch còn cần một khoảng thời gian dài và một một nguồn tài ch ính khổng lồ để thay thế nền công nghiệp hiện tại. Hiện nay do có tính kế thừa và chậm đổi mới, đặc biệt là ở các nước đang hoặc kém phát triển, nên sản xuất công nghiệp còn lạc hậu và phát thải lượng lớn các chất gây ô nhiễm vào không khí. Đối với khu vực này việc giảm thiểu ô nhiễm không khí phụ thuộc chủ yếu vào trang thiết bị và công nghệ xử lý khí thải tại nguồn. Việc xử lý triệt để các nguồn khí thải tại nguồn sẽ có khả năng giảm thiểu tối đa ô nhiễm không khí. Xử lý khí thải tại nguồn cho đến nay, những năm đầu của thế kỷ 21, vẫn là giải pháp quan trọng, phù hợp và hữu hiệu nhất để hạn chế ô nhiễm không khí và cải thiện môi trường không khí. Hiện nay đối với mỗi quốc gia và nhiều vấn đề chung cho cả thế giới hầu hết đã có các tiêu chuẩn quy định cho mỗi loại khí thải với các quy mô và điều kiện khác nhau. Dựa trên các tiêu chuẩn đó, nếu làm tốt khâu quản lý, môi trường không khí sẽ được cải thiện đáng kể. Trước đây khi các nhà máy và các khu công nghiệp còn thưa thớt thì việc xây ống khói và tăng chiều cao của ống khói là một giải pháp hiệu quả giảm thiểu ô nhiễm cục bộ. Nhưng không gian của khí quyển cũng có giới hạn và quá trình làm sạch tự nhiên cũng chỉ có giới hạn của nó. Do đó việc sử dụng ống khói ngày nay không còn được khuyến cáo sử dụng như là một biện pháp giảm thiểu ô nhiễm không khí nữa mà ưu tiên là xử lý triệt để khí thải tại nguồn trước khi thải vào không khí. Xử lý khí thải bao gồm các phương pháp xử lý bụi, sol khí; xử lý khí và xử lý hơi thải độc hại. Với từng đối tượng có thể sử dụng các phương pháp 16
riêng rẽ hoặc sử dụng tổ hợp các phương pháp nhằm đạt hiệu quả xử lý cao hơn. Các phương pháp và các thiết bị xử lý khí thải sẽ được trình bày một cách chi tiết ở các phần sau. 1.3.2.3. DUY TRÌ TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN CỦA KHÔNG KHÍ Sự giảm thiểu ô nhiễm không khí là làm trong sạch hơn bầu không khí ngoài trời. Nhưng sự ô nhiễm không khí trong không gian lao động như bên trong các nhà xưởng, hầm lò, phòng làm việc hay không gian của một xí nghiệp, nhà máy sẽ gây tác hại trực tiếp tới người tham gia lao động. Đây cũng là một vấn đề cần được giải quyết. Một biện pháp hữu hiệu để duy trì trạng thái tự nhiên của bầu không khí cục bộ là thông gió. Nhiệm vụ của thông gió là đảm bảo trạng thái không khí cho con người sống và hoạt động phù hợp với tiêu chuẩn vệ sinh quy định trong các không gian khép kín. Tùy theo tính chất của nguồn gây ô nhiễm mà lựa chọn các phương pháp thông gió phù hợp. a. Thông gió chung Mục đích của thông gió chung là đưa không khí từ ngoài vào với lưu lượng cần thiết nhằm pha loãng cường độ ô nhiễm bởi không khí nóng, bụi, hơi hoặc khí độc trong toàn bộ không gian nhà xưởng, sau đó thải ra ngoài. Nhược điểm của biện pháp này là tạo ra mức độ không đồng đều của điều kiện vệ sinh tại những điểm khác nhau trong không gian nhà xưởng; đồng thời dễ đưa các tác nhân độc hại từ vùng này sang vùng khác. Vì vậy, một trong những yêu cầu cần thiết khi áp dụng biện pháp này là phải ổn định được các nguồn phát thải độc hại. Hiện tồn tại một số sơ đồ hệ thống trao đổi không khí trong phòng như sau: + Thổi trên hút dưới. + Thổi dưới hút trên. + Thổi trên hút trên. + Thổi dưới hút dưới. Tùy từng trường hợp mà áp dụng sơ đồ này hay sơ đồ khác, nhưng phải tuân thủ theo nguyên tắc là dòng không khí phải đi theo trình tự: Không khí sạch → Vùng thở → Vùng phát sinh khí độc → Miệng hút → Thải b. Thông gió cục bộ Mục đích của thông gió cục bộ là hút khí, hơi hay các tác nhân gây độc hại khác ngay tại nguồn phát sinh. Đây là biện pháp hiệu quả nhất trong việc đảm bảo trong sạch không khí cho vùng làm việc. 17
Việc thiết kế hợp lý các các bộ phân thu chất gây ô nhiễm phải thoả mãn các yêu cầu sau: + Không cản trở thao tác công nghệ. + Không cho không khí chứa chất ô nhiễm đi qua vùng thở. + Vận tốc thu khí đủ lớn để có thể hút triệt để các chất độc hại ra khỏi vùng thở của người lao động. c. Thông gió chống nóng Trong quá trình hoạt động, con người luôn có sự trao đổi về nhiệt với môi trường. Mức độ trao đổi nhiệt tiêu chuẩn đối với người trong điều kiện nghỉ ngơi là 100 kcal/giờ. Về mùa hè, thời tiết nóng nên chỉ có con đường duy nhất để cân bằng nhiệt là thoát mồ hôi. Để thu được hiệu quả làm mát bằng bốc hơi mồ hôi thì phải có các điều kiện sau: + Độ ẩm của không khí thấp. + Có gío với vận tốc phù hợp. Tại nước ta, độ ẩm trung bình tương đối cao. Do vậy để tăng hiệu quả bốc hơi mồ hôi phải dùng gió có tốc độ đủ lớn; ví dụ: + Đối với hệ điều hoà không khí: v = 0,25 - 0,38 m/giây. + Đối với lao động: v = 5,00 - 10,00 m/giây. Tùy theo mức độ yêu cầu khác nhau về vệ sinh và công nghiệp mà áp dụng các giải pháp thông gió chống nóng khác nhau. Có thể chia làm hai loại: + Giải pháp thông gió tự nhiên. + Giải pháp thông gió cưỡng bức. Thông gió tự nhiên là lợi dụng các yếu tố của tự nhiên như vận tốc gió trời, chênh lệch tỷ trọng của không khí để tạo ra các dòng khí vào, ra một cách hợp lý. Tại nước ta, thông gió tự nhiên chủ yếu là dùng gió trời. Do vậy việc mở các cửa đón gió, thoát gió với tỷ lệ đủ lớn là việc làm rất quan trọng. Theo các nghiên cứu gần đây cho thấy tỷ lệ mở cửa phải từ 40 đến 60% diện tích tường mới đảm bảo thông gió tự nhiên theo phương nằm ngang có hiệu quả. Một vấn đề nữa cũng quan trọng là việc hạn chế bức xạ nhiệt mặt trời truyền qua mái nhà. Về mùa hè, lượng nhiệt truyền qua mái có thể lên tới 110 - 120 kcal/m2. Những biện pháp có thể áp dụng là phun nước lên mái nhà, tạo tầng cách nhiệt với mái nhà. Thông gió cưỡng bức được sử dụng khi thông gió tự nhiên không còn khả năng đáp ứng được vấn đề cân bằng nhiệt. Thông gió cưỡng bức nhằm tạo ra vận tốc gió thổi thích hợp, kết hợp với các thông số như nhiệt độ, độ ẩm để đưa vi khí hậu về trạng thái tự nhiên dễ chịu. 18
Trong công nghiệp, ngoài yếu tố vận tốc gió thổi còn có thể hạ nhiệt độ không khí để làm tăng hiệu quả làm mát. Một trong những biện pháp đơn giản có thể áp dụng là làm mát bằng bốc hơi nước đoạn nhiệt. Nguyên lý chung của biện pháp này là cho dòng không khí đi qua buồng phun nước hoặc lớp màng ướt. Nhiệt của không khí làm nước bay hơi và tự nó hạ nhiệt độ xuống nhưng độ ẩm tương đối tăng lên. Biện pháp này được áp dụng cho những vùng có khí hậu nóng, khô như miền trung và miền nam nước ta. Trong các giải pháp thông gió cưỡng bức thì điều hòa nhiệt độ không khí là hình thức cao nhất của kỹ thuật thông gió nhằm đáp ứng chủ động các thông số vi khí hậu trong nhà mà không phụ thuộc vào khí hậu ngoài trời. 1.3.2.4. SỬ DỤNG CÂY XANH Cây xanh có tác dụng rất lớn trong việc hạn chế ô nhiễm không khí như chắn giữ bụi, lọc sạch không khí, giảm tiếng ồn và che chắn tiếng ồn, giảm nhiệt độ không khí và điều hòa thành phần của không khí. Một số loại cây xanh rất nhạy cảm với ô nhiễm không khí, cho nên có thể dùng cây xanh làm vật chỉ thị để phát hiện ô nhiễm. Vì thế nên trồng nhiều cây xanh trong khuôn viên và xung quanh các nhà máy, dọc các đường giao thô ng nội bộ, trong khu đệm giữa các khu công nghiệp, các khu thương mại. Tỷ lệ diện tích cây xanh trên diện tích khu công nghiệp cần đạt từ 15 đến 20%. 19
CHƯƠNG II. TÍNH CHẤT VÀ ĐỘC TÍNH CỦA MỘT SỐ CHẤT THẢI VÀO KHÔNG KHÍ 2.1. CÁC KHÍ THẢI ĐỘC HẠI 2.1.1. HALOGEN VÀ CÁC DẪN XUẤT [6, 7, 8] 1. Sự phát sinh. Các halogen được hình thành chủ yếu trong các quá trình điện phân các muối halogenua (như sản xuất xút-clo, điện phân sản xuất kim loại kiềm, kiềm thổ) hoặc dưới tác dụng của các chất oxi hóa mạnh hơn trong những điều kiện cụ thể (trừ flo chỉ có thể giải phóng ra bằng điện phân). Ngoài ra chúng còn có thể sinh ra khi phân hủy một số hợp chất halogenua ở nhiệt độ cao. Thí dụ: - 2X - 2e = X2 (X là halogen) - + 4Cl + MnO2 + 4H = MnCl2 + 2H2O + Cl2 _ - 2Br + Cl2 = 2Cl + Br2 - 2+ 4I + 2Cu = 2CuI + I2 Ngoài ra một lượng không nhỏ các halogen cũng như các dẫn xuất của chúng phát thải vào không khí từ các nguồn sử dụng halogen nguyê n tố làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất như công nghiệp sản xuất plastic (PVC, PTFE ), clo hóa cao su, sản xuất thuốc trừ dịch hại, sát trùng, thuốc sát trùng và công nghiệp hóa chất nói chung. 2. Tính chất đặc trưng. Halogen nguyên tố là những chất rất hoạt động và có tính oxi hóa rất mạnh. Tính chất này thể hiện giảm dần từ flo – clo – brom – iot. Flo có thể thực hiện phản ứng thế đẩy các nguyên tố như oxi, clo ra khỏi hợp chất của nó: SiO2 + 4F2 = SiF4 + O2 Các halogen tan trong nước, tự oxi hóa khử tạo thành hai axit tương ứng là hypocloric và clohydric. Cl2 + H2O = HOCl + HCl -3 o Trong dung dịch 5.10 M Cl2 ở 0 C có tới 89% lượng clo chuyển thành các axit. Bản thân gốc OCl- cũng là chất oxi hóa mạnh, nó có thể phá huỷ các chất màu hữu cơ do đó nó thường được sử dụng như là tác nhân tẩy trắng cho giấy, vải sợi và đồ mây tre HClO trong nước bị phân hủy từ từ thành HCl và oxy theo phương trình: 20
HClO = HCl + 1/2O2 Phản ứng này xẩy ra nhanh hơn dưới tác động của ánh sáng, nhất là dưới ánh sáng mặt trời và khi có mặt của chất xúc tác. Do có tính oxi hóa mạnh cho nên các halogen rất dễ phản ứng ngay với các chất hữu cơ (nhất là trong điều kiện ẩm) bên ngoài da và bên trong cơ thể động thực vật và con người, gây tổn thương rất nhanh và để lại hậu quả nghiêm trọng. Đối với các chất vô cơ có tính khử ngay cả các chất khử yếu, các halogen cũng rất dễ phản ứng để tạo thành các halogenua tương ứng khá bền vững và hầu như không độc hại (trừ một số hợp chất của flo). Halogen tác dụng với kiềm tạo thành các muối halogenua và hypohalit. Cl2 + Fe = FeCl2 Cl2 + 2FeCl2 = 2FeCl3 Cl2 + 2NaOH = NaCl + NaOCl Cl2 + Ca(OH)2 = CaOCl2 + H2O CaOCl2 = CaCl2 + 1/2O2 Các halogen nguyên tố thải vào không khí đều dưới dạng các phân tử khí. Chúng là những chất oxi hóa rất mạnh cho nên khi tiếp xúc với một hàm lượng nhỏ trong không khí đã có thể bị tác động đáng kể. Chúng làm tổn thương da, hủy hoại các niêm mạc mắt, mũi, miệng và đặc biệt nghiêm trọng là gây ổnt thương sâu đối với phổi. Tuỳ thuộc vào thời gian và nồng độ halogen trong môi trường tiếp xúc mà những tổn thương có thể ở mức độ tử vong, viêm phù phổi, hoại tử các niêm mạc hoặc có thể hồi phục sau khi cách ly với môi trường nhiễm độc. Các halogen bản thân nó đã là những chất độc hại đối với cơ thể sống; các dẫn xuất của chúng, đặc biệt là các halogen hữu cơ cũng rất nguy hiểm. Thí dụ như các cơ clo (trong thuốc trừ sâu, diệt nấm, làm rụng lá cây, chất độc hóa học ) là những chất độc tác động lên cơ thể động thực vật theo những cơ chế rất đa dạng. Các khí hydrohalogenua (HF, HCl, HBr, HI) trong môi ờng trư khan tương đối là kém hoạt động. Nhưng khi có mặt của nước hay hơi nước thì chúng là những axit mạnh; tác động lên động thực vật theo cơ ch ế phản ứng của các axit. Ngoài ra một số hợp chất ở thể khí của halogen và halogen với các nguyên tố khác cũng là những chất rất độc hại; thí dụ như ClF 3, fosgen, halogenua silan (SiHxXy) 2.1.2. CÁC HỢP CHẤT DẠNG KHÍ CỦA LƯU HUỲNH Lưu huỳnh hợp chất tồn tại ở những dạng khác nhau tuỳ thuộc vào các mức hóa trị của nó. Thí dụ nếu xếp theo hóa trị từ âm đến dương ta có dẫy: 21
H2S - SCN - S - SO2 - SO3 - H2SO4 - H2S2O8 khí khí rắn khí khí lỏng lỏng Trong thực tế thường gặp nhất là H2S và SO2 còn các khí khác rất hiếm khi thấy xuất hiện trong cuộc sống hàng ngày. Khí H2S [6, 9] 1. Sự phát sinh. H2S được sinh ra chủ yếu từ những quá trình phân hủy vi sinh yếm khí như ở các cơ sở xử lý chất thải: Vi sinh vật Chất hữu cơ chứa lưu huỳnh CH4 + CO2 + H2S + Hay từ các cơ sở dệt nhuộm sử dụng các muối sunphua làm phụ gia trợ nhuộm hoặc định màu Na2S + 2H2O ⇔ H2S + 2NaOH + 2+ FeS + 2H = H2S + Fe 2.Tính chất đặc trưng H2S là khí kém ềnb khi phát tán vào trong khí quyển. Người ta đã nghiên cứu và đưa ra giản đồ về sự biển đổi và thời gian tồn tại của nó trong tự nhiên như trên hình 2.1. O H2S + O2 O3 Vài giờ hν SO2 + O O2 Nhiều giờ hoặc vài ngày SO3 + H2O Vài giây H2SO4 + Me Phân hủy VS yếm khí trong đất, đầm lầy, các dòng thủy triều MeSO4 Hình 2.1. Chu trình của lưu huỳnh trong tự nhiên 22
H2S trong dung dịch nước thể hiện như một axit yếu, tác dụng được với các kiềm mạnh, đồng thời nó cũng rất dễ tác dụng với nhiều ion kim loại tạo thành các kết tủa sunphua khó tan. H2S + NaOH ⇔ Na2S + H2O H2S + Ca(OH)2 = CaS↓ + 2H2O 2+ + H2S + Pb = PbS↓ + 2H Là một chất có tính khử yếu cho nên H 2S cũng dễ bị oxi hóa để trở thành lưu huỳnh nguyên tố hay các gốc sunphát tuỳ theo chất oxi hóa sử dụng là yếu hay mạnh. 3+ 2+ + H2S + 2Fe = S + 2Fe + 2H - + 2- 3H2S + 8MnO4 + 2H = 3SO4 + 8MnO2 + 4H2O H2S + 4Cl2 + 10NaOH = Na2SO4 + 8NaCl + 5H2O Hydrosunphua vừa là khí kích thích vừa là khí gây ngạt. Nếu tác động trực tiếp lên các niêm mạc mũi và mắt nó sẽ gây viêm nổi sần kết mạc. Khi hít vào phổi, H 2S sẽ tác động lên toàn bộ đường hô hấp, những cấu trúc sâu hơn sẽ bị phá hủy sâu sắc và hậu quả có thể để lại là bệnh phù phổi. Nếu tiếp 3 xúc với hàm lượng lớn hơn 1000 ppm (1500 mg/m ), khí H2S sẽ hấp thụ vào phổi rất nhanh, có biểu hiện thở gấp, sau đó là truỵ hô hấp và thường là dẫn tới tử vong. Nhiễm độc mãn tính đối với H2S nếu thường xuyên tiếp xúc với hàm lượng khoảng 50 – 100 ppm. Ngưỡng tác động của khí H 2S có thể tham khảo trên bảng 2.1. Bảng 2.1. Ngưỡng và thời gian tác động của H2S lên người. Ngưỡng tác động Nồng độ (ppm) Thời gian tiếp xúc Phát hiện 0,0005 – 1,3 Vài giây đến 1 phút Chẩy nước mắt 10,5 – 21,0 6 – 7 giờ Viêm kết mạc 50 – 100 Hơn 1 giờ Mất cảm giác mùi 150 – 200 2 đến 15 phút Gây ngạt 500 – 700 Ít hơn 1 giờ Chết Trên 900 Ít hơn 30 phút Khí lưu huỳnh dioxit [6, 10] 1. Sự phát sinh. Khí SO2 chiếm tỷ trọng chủ yếu trong các khí độc hại chứa lưu huỳnh thải vào không khí. Phần lớn SO2 sinh ra do quá trình đốt các nhiên liệu hóa thạch có chứa lưu huỳnh như than đá, dầu mỏ. Những nhiên liệu loại này được sử dụng với khối lượng rất lớn cho các nhà máy nhiệt điện, luyện kim, 23
cho các động cơ chạy bằng xăng, dầu và nhiều lĩnh vực khác sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Bên cạnh đó nó còn ở các nguồn khí thải của những quá trình đốt lưu huỳnh cũng như các loại khoáng sun phua, phân hủy khoáng sun phát ở nhiệt độ cao và công nghiệp lọc hóa dầu. Tổng lượng SO2 thải vào không khí hàng năm ước tính vào khoảng 140 triệu tấn; trong đó khoảng 70% do đốt than, 16% do đốt nhiên liệu từ dầu mỏ và phần còn lại là do công nghiệp lọc hóa dầu, luyện kim và các hoạt động khác. S + O2 = SO2 2CuS + 2O2 = 2CuO + SO2 2H2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O 4CaSO4 + 2C = 4CaO + 2CO2 + 4SO2 2.Tính chất đặc trưng Lưu huỳnh dioxit như đã nói ở trên, là anhydrit của axit sunphurơ do đó nó tan trong nước tạo thành dung dich axit mạnh, phản ứng mãnh liệt với các bazơ, kể cả những bazơ yếu tạo thành các muôí tương ứng. SO2 + H2O = H2SO3 H2SO3 + 2NaOH = Na2SO3 + 2H2O H2SO3 + Ca(OH)2 = CaSO3↓ + 2H2O Bản thân SO2 và gốc sunphit là những chất có tính khử tương đối mạnh. Nhưng SO2 trong không khí khô rất khó oxi hóa thành SO 3 mà muốn oxi hóa nó phải sử dụng xúc tác thích hợp và trong những điều kiện nhất định. 2- Ngược lại gốc SO3 hay các muối sunphit lại rất dễ dàng bị oxi hóa bằng ngay oxi không khí trong điều kiện thường và quá trình oxi hóa xẩy ra nhanh hơn khi tăng nhiệt độ cho phản ứng. 3+ 2- 2+ + SO2 + 2Fe + 2H2O = SO4 + 2Fe + 4H SO2 + H2O + CaCO3 + 1/2O2 = CaSO4 + CO2 + H2O MgSO3 + 1/2O2 = MgSO4 Khí SO2 được coi là khí thải nguy hiểm vì tính độc hại cũng như sự phát thải lượng lớn và thường xuyên của nó. SO 2 có tác động lên đường hô hấp bắt đầu từ nồng độ 2,1 mg/m3 (0,75 ppm). Tiếp xúc với thời gian ngắn (24 giờ) ở nồng độ 0,5 mg/m3 có thể gây ra chứng phù phổi ở những người già và các bệnh nhân. Tiếp xúc lâu dài ở nồng độ 0,1 mg/m3 có thể gây ra các triệu chứng và các bệnh vể đường hô hấp. Vì vậy ngưỡng an toàn cho tiếp xúc ngắn hạn (24 giờ) được hướng dẫn là từ 0,1 đến 0,15 mg/m3 và cho tiếp xúc dài hạn là từ 0,04 đến 0,06 mg/m3. 24
Khí lưu huỳnh trioxit [6, 10] 1. Sự phát sinh. Khí SO3 thường chỉ thấy trong không khí tại các xưởng nạp điện cho ắc quy chì hay sản xuất axit sunphuric. 2.Tính chất đặc trưng Khí SO3 khi hợp nước sẽ tạo ra axit sunphuric nhưng thường ở dạng mù rất khó lắng đọng; vì vậy nó vẫn có thể tồn tại trong khí quyển hoặc trong các vùng vi khí hậu mà nó hình thành. Muốn hấp thụ SO 3 để sản xuất axit người ta phải hấp thụ nó bằng axit sunphuric đặc khoảng 98%. SO3 phản ứng rất mạnh với các bazơ, muối cacbonat tạo thành các muối sunphát tương ứng. Ngưỡng bắt đầu gây tác động phản ứng của đường hô hấp của SO3 ẩm là 0,35 mg/m3 và có thể gây ra các triệu c hứng cũng như các bệnh về đường 3 hô hấp là 0,25 mg/m . Ngưỡng chỉ dẫn an toàn đối với SO 3 ẩm là 0,04 đến 0,06 mg/m3 cho tiếp xúc dài hạn và 0,10 đến 0,15 mg/m 3 cho tiếp xúc ngắn hạn. 2.1.3. CÁC HỢP CHẤT KHÍ CỦA NITƠ [6] Nitơ cũng là nguyên tố đa hoá trị, nó tồn tại tương đối bền dưới dạng các hóa trị khác nhau. Ta có thể thể hiện tính chất đó của nitơ theo dẫy dưới: HN3 − (CN)2 − NH3 − N2 − N2O − NO − NO2 − NO3 Azidohydric dicyan amoniac nitơ dinitơoxit nitơoxit nitơdioxit nitơtrioxit Trong tất cả các hợp chất kể trên của nitơ thì chỉ có azidohydric ở thể lỏng còn lại đều ở thể khí. Các khí này đều là các khí quan trọng trong công nghiệp hóa chất, công nghiệp quốc phòng và một số lĩnh vực khác. Amoniac [11] 1. Sự phát sinh Amoniác là một hóa chất công nghiệp quan trọng được sản xuất vào hàng nhiều nhất hàng năm. Thí dụ ở Mỹ, khối lượng amoniac sản xuất hàng năm so với các hóa chất khác đứng thứ tư chỉ sau axit sunphuric, vôi và ox y (khoảng 25.106 tấn vào năm 1990). Thông thường khoảng 80% sản lượng amoniác dùng cho việc sản xuất phân bón, 10% cho sản xuất sợi nhân tạo và chất dẻo, 5% cho sản xuất chất nổ, 1,5% cho thức ăn gia súc, 0,6% cho công nghiệp giấy và bột giấy, 0,5% cho công nghiệp cao su và phần còn lại dùng cho các lĩnh vực khác. Riêng ở Mỹ, những hoạt động công nghiệp phát thải amoniác vào không khí chủ yếu từ các lĩnh vực như: sản xuất amoniac và phân bón, công 25
nghiệp tinh lọc dầu, luyện cốc, sản xuất soda và những sự rơi vãi, dò rỉ khác của người và các cơ sở sử dụng amoniac, hàng năm lên tới khoảng 0,3 - 0,4.106 tấn. Ngoài ra một lượng lớn amoniác phát thải vào không khí qua các quá trình đốt cháy như đốt rác thải, đốt các nhiên liệu hóa thạch và quá trình dị hóa của người và động vật cũng như các quá trình thối rữa, phân hủy yếm khí. 2. Tính chất đặc trưng Amoniac là chất khí có mùi hắc, khi tan trong nước tạo thành dung dịch kiềm yếu. Amoniác tan trong nước khá tốt; song độ tan của nó phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ dung dịch. Ở OoC hàm lượng của amoniac có thể lên tới 50% trong nước, ỏ 20 oC giảm xuống còn khoảng 35% và ở 100oC thì độ tan của amoniác hầu như bằng không. NH3 + H2O ⇔ (NH)4OH NH3 phản ứng mạnh với các axit tạo thành các muối tương ứng, nó cũng có thể phản ứng với các oxit axit ẩm giống như với các axit. NH3 + HNO3 = NH4NO3 2NH3 + H2O + SO3 = (NH4)2SO4 Trong điều kiện phản ứng phù hợp và có mặt chất xúc tác oxy không khí có thể oxi hóa amoniác thành các nitơ oxit; ngược lại, sự có mặt của nitơ oxit cùng với amoniác trong điều kiện thích hợp (có hoặc không có mặt của chất xúc tác) chúng sẽ phản ứng vơí nhau tạo thành nitơ và nước. 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O 4NH3 + 6NO = 5N2 + 6H2O 2NH3 + NO + NO2 = 4N2 + 3H2O Amoniác thâm nhập vào cơ thể người qua đường hô hấp, ăn uống và thẩm thấu qua da. Amoniac đi qua các lớp mô rất nhanh kể cả lớp biểu bì ngoài da và rất linh động trong các niêm mạc và các dịch trong cơ thể. Tác động của amoniác trước hết là gây kích thích mạnh và phá hủy các niêm mạc mũi và mắt và để lại hậu quả. Khi hàm lượng amoni trong máu tăng lên đến một mức nào đó người ta nhận thấy hàm lượng của nó trong não sẽ đột ngột tăng lên; lúc đó nó sẽ tác động lên hệ thần kinh. Người ta đã ghi nhận được rằng khi hàm lượng amoni trong não khoảng 50 mg/kg, xuất hiện hiện tượng co cứng các cơ và sau đó la đi vào hôn mê. Đối với hệ tuần hoàn, khi hàm lượng amoni tăng lên tới khoảng 100 mg/kg cơ thể thì thường để lại hậu quả nghiêm trọng. Các con vật thí nghiệm bị chết vì hội chứng nhiễm độc gây xơ vữa tâm thất do amoniác tác động trực tiếp lên tim. Thông thường với hàm lượng nhỏ trong không khí và tiếp xúc không thường xuyên thì amoniác hầu như vôn hại. 26
Ngưỡng nồng độ nhận biết mùi của amoniác sau nhiều thử nghiệm cho thấy vào khoảng 32 đến 37 mg/m3. Song cũng có các kết quả đưa ra ngưỡng thấy mùi của amoniác nhỏ hơn nhiều (0,5; 0,7 và 2,7 mg/m3). Khi tiếp xúc với nồng độ amoniác cao trong không khí thường có biểu hiện như sau: Gây kích thích cuống họng ngay lập tức (280 mg/m3), gây ho (1200 mg/m3), đe doạ sự sống (1700 mg/m3), gây chết người (>3500 mg/m3). Azit và azidohydric 1. Sự phát sinh - Các hợp chất của N3 được hình thành khi cho amit của kim loại kiềm + (NaNH2) tác dụng với N2O hoặc Ag tác dụng với dung dịch amoniac đặc. 2. Tính chất đặc trưng Azidohydric (azoimit) là chất lỏng không màu có mùi hắc khó chịu, sôi o ở nhiệt độ 35,7 C. Hơi HN3 độc, phá hủy niêm mạc mắt, mũi, làm dính kết mạc và là hợp chất không bền, rất dễ gây nổ do phân hủy mãnh liệt, đặc biệt khi tiếp xúc với các vật thể có nhiệt độ cao. 2HN3 > 3N2 + H2 + 141,8 kcal Trong dung dịch, axit azidohydric khá bền và là một axit yếu (yếu hơn -5 cả axit acetic, ka = 1,2.10 ). Các azit của kim loại chuyển tiếp hay cá c kim loại nặng như azit chì hay bạc cũng dễ gây nổ khi nung nóng hoặc va đập mạnh; vì vậy mà chúng được sử dụng trong công nghệ làm hạt nổ cho đạn. Azit của kim loại kiềm như NaN3 thì tương đối bền, chỉ phân hủy và gây nổ khi nung nóng mạnh. Dixyan và xyanohydric [6, 12] 1. Sự phát sinh Độc tố của khí này gây ra bởi ion cyanua (CN-). Các hợp chất của xyanua có một số tính chất rất đặc biệt nên mặc dầu chúng rất độc song vẫn được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực như mạ điện, một số quá trình xử lý nhiệt, tôi thép, trong công nghiệp hóa chất (như tổng hợp ultramarin ) và trong sản xuất một vài chất để hun hay xông khói. Hiện nay đặc biệt trong lĩnh vực khai thác và chế biến vàng cũng như một số kim loại quý trên thế giới đã và đang sử dụng một lượng lớn muối xyanua của kim loại kiềm như NaCN hay KCN. Dixyan được sinh ra khi đốt một số chất hữu cơ như bọt xốp polyurethan, tóc, da, sừng. Trước tiên hình thành gốc –CN sau đó kết hợp lại thành (CN)2. Trong sản xuất cũng như trong các phòng thí nghiệm, nếu để ion 27
Cu2+ tác dụng với dung dịch CN- hay CuCN tác dụng với Fe 3+ sẽ giải phóng ra dixyan. 2+ - 2Cu + 4CN = 2CuCN + (CN)2 3+ - 2+ CuCN + Fe + Cl = CuCl + Fe + 1/2(CN)2 Trong thực tế cuộc sống chúng ta thường thấy hiện tượng HCN được o sinh ra khi có mặt đồng thời NH 3 và CO ở nhiệt độ 500 – 700 C (như trong điều kiện đốt gạch truyền thống). NH3 + CO = HCN + H2O Trong thiên nhiên, tiền chất của HCN còn tồn tại trong hạt hạnh nhân đắng, lá và các bộ phận của cây trúc anh đào và bì của củ sắn cây (củ mỳ) dưới dạng hợp chất có tên là amygdaline. Một trong những cơ chế tạo ra HCN từ các vật liệu nói trên được chấp nhận là men emulsine có trong đó khi phân hủy amygdaline sẽ sinh ra HCN, glucoza và benzaldehyd. HCN cũng tồn tại trong khí than (0,1 đến 0,3%) và khí tự nhiên. Trong các phòng thí nghiệm hay trong các cơ sở sản xuất hóa chất có sử dụng xyanua (đặc biệt là xyanua của kim loại kiềm và kiềm thổ), nếu để tiếp xúc với không khí ẩm, chúng sẽ giải phóng ra HCN do tác dụng của nước -10 và CO2; vì HCN là axit rất yếu (ka = 4,6.10 ). NaCN + H2O ⇔ NaOH + HCN 2NaCN + H2O + CO2 ⇔ Na2CO3 + 2HCN 2. Tính chất đặc trưng Xyanua (nhân ngôn) là chất kịch độc, từ xa xưa nó đã được xếp vào hàng đầu bảng của các chất độc “Nhất nhân ngôn (CN-) nhì thạch tín (asen)”. Hơi HCN gây ngộ độc nhanh và mạnh hơn là các muối xyanua tan. Chỉ cần khoảng 50 mg xyanua xâm nhập vào cơ thể có thể gây chết người trong vòng vài giây. Xyanua trong phức hay trong các muối ít tan ít độc hơn muối tan của nó. Cơ chế gây độc của xyanua là ức chế cytochrome oxidaza, cản trở quá trình oxi hóa của các mô. Xyanua cũng tác động lên hệ thông điều khiển của hệ thần kinh. Các triệu chứng của ngộ độc xyanua xuất hiện rất nhanh sau khi cơ thể tiếp nhận. Nếu cơ thể tiếp nhận một lượng lớn xyanua, những triệu chứng bị ngộ độc thể hiện như đau đầu, chóng mặt, hôn mê và dẫn tới tử vong ngay lập tức. Nếu tiếp nhận một lượng nhỏ xyanua, cơ thể có thể tiêu hủy và không gây tử vong. Nhưng thường xuyên tiếp xúc với xyanua ở hàm lượng nhỏ chưa đủ gây tử vong thì những hậu quả để lại thường là thiếu máu, suy nhược thần kinh, chẩy máu dạ dầy và phù phổi. Dixyan tan tốt trong cồn, ete và nước. Khi tan trong nước nó dễ bị phân hủy thành các sản phẩm khác nhau, thí dụ như axit oxalic: 28
NC – CN + 4H2O = HOOC – COOH + 2NH3 Trong những điều kiện nhất định, dixyan polyme hóa tạo thành paraxyan có màu nâu đen và không tan trong nước cũng như trong cồn. Ion xyanua có ái lực tạo phức rất lớn nhất là đối với các cation kim loại chuyển tiếp. Các phức này có độ bền cao nên đã giảm tối đa độc tính của xyanua. Thí dụ như phức xyanua sắt: 2+ - 4- Fe + 6CN = [Fe(CN)6] 3+ 4- 4Fe + 3[Fe(CN)6] = Fe4[Fe(CN)6]3↓ (màu xanh Berlin) Các muối tan của xyanua rất dễ tác dụng với các axit tạo thành xyanhydric dễ bay hơi. Ngược lại các kết tủa xyanua như AgCN, CuCN tan ít trong axit, thậm chí cả axit mạnh. Xyanua thể hiện như là một chất khử. Nó dễ dàng bị oxi hóa bởi các chất oxi hóa như hydroperoxit, permanganat hay persunphat tạo thành xyanat là sản phẩn hầu như không độc. Trong mọi trường hợp H2O2 được coi là chất chống chỉ định đối với xyanua. HCN + H2O2 = HCNO + H2O Hơi xyanhydric tác dụng tốt với kiềm mạnh như NaOH hoặc KOH cho các muối xyanua tương ứng. HCN + NaOH = NaCN + H2O Các nitơ oxit (NOx) [13] 1. Sự phát sinh N2O, NO, NO2 và N2O4 được sinh ra trong quá trình oxi hóa xúc tác amoniac để sản xuất axit nitric. Trong quá trình này sản phẩm chính là NO; bên cạnh đó một lượng nhỏ khí N2O không hữu ích cũng được tạo thành. 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O 2NO + O2 = 2NO2 4NH3 + 4O2 = 2N2O + 6H2O N2O còn được hình thành từ việc nung phân hủy hoặc nổ phân hủy các vật liệu có chứa muối NH4NO3. Trong thực tế, sự ô nhiễm không khí của các oxit nitơ chủ yếu do NO và NO2 gây ra. Tỷ lệ mol của hai loại khí này trong không khí là khoảng 3 : 7 song tất nhiên phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ môi trường. Các nitơ oxit còn được sinh ra khi để axit nitric đặc tiếp xúc với không khí, đặc biệt là khi có sự tham gia của ánh sáng mặt trời; khi đốt các vật liệu hữu cơ có chứa nitơ, khi nổ mìn khai thác mỏ. Khi tiến hành hàn xì hay tạo hồ quang điện trong môi 29
trường không khí có chứa sẵn oxi và nitơ thì trong những điều kiện nhiệt độ cao như vậy, các nitơ oxit cũng được hình thành. Ngoài ngành công nghiệp sản xuất axit nitric ra, các lĩnh vực sản xuất hóa chất, phân bón, gia công kim loại, xử lý bề mặt kim loại cũng sản sinh ra một lượng lớn khí nitơ oxit. Trong các phòng thí nghiệm, khi sử dụng axit nitric, đặc biệt là axit nitric đặc để phân hủy mẫu hay nitro hóa, rất cần chú ý tới sự giải phóng các nitơ oxit. Trong những trường hợp như thế tuy tính về lượng thì nhỏ song chúng thường xẩy ra trong một không gian hẹp cho nên tính chất nguy hiểm của nó cần được quan tâm một cách thích đáng. 2. Tính chất đặc trưng N2O là khí có tính khử; song trong điều kiện bình thường, nó không bị oxi không khí oxi hóa. Khi đốt cháy với oxi phản ứng sinh ra một nhiệt lượng rất lớn. Nhưng khi có mặt ngọn lửa thì N2O cũng có phản ứng cháy với hydro. N2O + H2 = N2 + H2O + 77,5 kcal. Hỗn hợp N2O với amoniác đem đốt cũng sẽ gây nổ rất mạnh. 3N2O + 2NH3 = 4N2 + 3H2O + 210 kcal Khí N2O là chất khí không màu, có mùi dễ chịu, có vị hơi ngọt và tan khá tốt trong nước và đặc biệt là trong cồn. Nếu hít phải lượng nhỏ, N2O tạo ra trạng thái vui vẻ (khí cười). Nhưng nếu hít phải một lượng lớn, nạn nhân có thể bị hôn mê và bị ngạt. NO là chất khí rất hoạt động; nó bị oxi kh ông khí oxi hóa ấtr nhanh thành NO2; khi tiếp xúc với clo tạo thành nitrosylclorua. NO tan rất ít trong nước và có ái lực tạo phức rất mạnh với các cation của kim loại chuyển tiếp. 2NO + O2 = 2NO2 K3[Fe(CN)6] + NO = KCN + K2[Fe(CN)5NO] NO hỗn hợp với NO2 tác dụng với amoniac hoặc ngay cả với urê, nhất là trong điều kiện có xúc tác, sẽ sinh ra nitơ và nước. NO + NO2 + 2NH3 = 2N2 + 3H2O NO2 tan trong nước tạo thành axit nitric, một axit mạnh có tính oxi hóa. 3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO NO2 ẩm tác dụng với các bazơ hay muối cácbonat mãnh liệt như axit nitric. Đồng thời nó cũng tác dụng mạnh với các chất hữu cơ và có thể phân hủy chúng. Chính vì thế mà NO2 tác động rất mạnh lên da, các niêm mạc mắt, mũi và phổi; gây kích thích mạnh và rất dễ để lại di chứng như phù phổi 2NO2 + 2NaOH = NaNO3 + NaNO2 + H2O 3NO2 + CaCO3 = Ca(NO3)2 + CO2 + NO 30
Khí nitơ oxit rất nguy hiểm vì ranh giới giữa nồng độ gây kích thích nhẹ và nồng độ gây hậu quả nguy hiểm là rất hẹp. Người ta có thể hít phải một lượng gây chết tiềm tàng trong vòng từ 2 đến 24 tiếng đồng hồ mà không có bất cứ một tác động biểu hiện rõ rệt nào. Tiếp xúc với nồng độ 100 đến 500 ppm nitơ oxit trong không khí có ểth gây co thắt đột n gột phế quản và chết do trụy hô hấp. Nếu hít thở thường xuyên với nồng độ thấp chưa đủ gây chết thì các triệu chứng xẩy ra lần lượt có thể như sau: kích thích nhẹ, mất nhận biết, thấy ngứa cổ, ho và xuất hiện các cơn co thắt lồng ngực. Hiện tượng phù phổi tiến triển, nạn nhân thấy khó thở và ho ra đờm lẫn máu. Tiếp theo, một vài trường hợp có thể bị thiếu máu, xanh xao, tuần hoàn ngừng trệ và sau đó có thể là tử vong. 2.1.4. KHÍ CACBON MONOXIT VÀ DIOXIT Cacbon monoxit (CO) [14,] 1. Sự phát sinh Khí CO được sinh ra từ các quá trình đốt cháy không hoàn toàn các hợp chất có chứa cacbon. Những nguồn đáng kể nhất là khí thải của các động cơ chạy bằng các nhiên liệu hóa thạch; khí thải của các nhà máy nhiệt điện, luyện kim, khí hóa than và khí sinh ra sau các vụ nổ chủ ý cũng như các vụ nổ hầm lò do metan và bụi than gây ra trong lòng đất. Bên cạnh đó còn phải kể đến khí sinh ra do đun nấu, sưởi và các hoạt động khác nữa. Tổng cộng lượng CO sinh ra từ các nguồn này ước khoảng từ 350 đến 600 triệu tấn mỗi năm. Ngoài ra nguồn CO tự nhiên hiện tại không xác định được. 2. Tính chất đặc trưng CO là chất khí không màu, không mùi, không vị và nhẹ hơn không khí chút ít. CO có thể tiếp tục cháy trong không khí tạo thành CO 2. Hỗn hợp tới hạn của CO trong không khí có thể gây nổ, đặc biệt là ở nhiệt độ cao hoặc có mặt của tia lởa. C + 1/2O2 = CO + 26,64 kcal CO + 1/2O2 = CO2 + 67,75 kcal CO tác dụng với hơi nước tạo thành CO 2 và H2. Trong điều kiện thường, cân bằng không có lợi cho việc hình thành sản phẩm; song khi có mặt của chất xúc tác thì phản ứng xẩy ra hoàn toàn. CO không phải là anhydric của bất kể axit nào song khi tan với dung dịch kiềm mạnh, nóng chúng sẽ kết hợp với nhau và tạo thành muối focmiát. XT CO + H2O > CO2 + H2 CO + NaOH = Na(CO2H) (natri focmiát) 31
CO kết hợp được với nhiều kim loại tạo thành các cacbonyl; trược hết như là sắt, coban và niken. Đặc biệt người ta tránh cho clo tiếp xúc với CO, nhất là có ánh sáng hoặc chất xúc tác, vì chúng kết hợp với nhau tạo thành fosgen (COCl2) rất độc 4CO + Ni = Ni(CO)4 hν/XT CO + Cl2 COCl2 Tác động đáng kể nhất của CO đối với sức khoẻ con người là khả năng tạo phức rất lớn của CO đối vơí sắt trong tế bào hồng cầu. Ái lực của CO với sắt trong phân tử hemoglobin gấp khoảng 240 lần so với oxy. Khi hít thở trong bầu không khí ô nhiễm bởi CO, CO sẽ thẩm thấu rất nhanh qua đường phổi và chiếm các vị trí phối trí của oxy trong hemoglobin để tạo thành cacboxyhemoglobin làm suy giảm nhanh chóng khả năng cấp oxy của máu cho các ết bào trong cơ thể. Nồng độ cacboxyhemoglobin trong máu hoàn toàn phụ thuộc vào hàm lượng CO trong không khí thở, thời gian tiếp xúc và nhịp thở của nạn nhân Ngoài ra CO còn có thể liên kết với myoglobin, cytochrom và một số enzym nữa trong cơ thể. Nồng độ CO trong không khí nền là 0,01 đến 0,9 mg/m3. Tiếp xúc với nồng độ lớn hơn sẽ làm tăng nông độ cacboxyhemoglobin trong máu (BCH). Khi BCH lớn hơn 2,5% bắt đầu gây tác động lên chức năng tuần hoàn. 5% BCH không an toàn cho ứcs khoẻ, 10% BC H cơ thể bị đe dọa và khi tới 60 đến 80% BCH sẽ dẫn tới tử vong. Mặc dầu nạn nhân chết do thiếu oxi trong máu nhưng tử thi không bị tím tái mà lại có màu đỏ tía. Cacbon dioxit (CO2) [15] 1. Sự phát sinh CO2 sinh ra thông qua sự đốt cháy các nguyên, nhi ên liệu có chứa các bon trong các ngành công nghiệp, dân dụng, kể cả sự đốt và cháy rừng. Bên cạnh đó một lượng lớn CO2 còn được sinh ra trong các mỏ than, các bể lên men, các nhà máy sản xuất rượi, bia, nước ngọt có ga, các nơi ủ phân, ủ thức ăn cho cây trồng, vật nuôi. CO2 có mặt ở khắp nơi và trong không khí nền, nó chiếm khoảng 0,3%. Hiện nay theo số liệu của các nhà khoa học, hàm lượng CO2 trong khí quyển của trái đất ngày một tăng. Điều này đã làm tăng hiệu ứng nhà kính của trái đất và hậu quả là làm tăng nhiệt độ trung bình của trái đất; hậu quả của nó là khôn lường theo sự cảnh báo của các nhà khoa học. 2. Tính chất đặc trưng CO2 là khí không màu, không cháy, có vị hơi chua và nặng hơn nhiều so với không khí . Chính vì vậy mà CO2 thường tập trung lại dầy đặc hơn ở những chỗ thấp hay ở phần đáy của không gian nơi nó được sinh ra. 32
CO2 tan tương đối tốt trong nước, nhất là ở nhiệt độ thấp. CO2 là anhydrit của axit cacbonic. CO2 dễ dàng phản ứng với dung dịch kiềm mạnh như NaOH hay Ca(OH)2 tạo thành các cácbonat tương ứng. -7 -11 CO2 + H2O ⇔ H2CO3 ; (k1 = 4,01.10 ; k2 = 5,2.10 ) CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3 + H2O CO2 khi làm lạnh ở áp suất khí quyển sẽ đông cứng lại và khi nhiệt độ xung quanh tăng lên nó thăng hoa (ở nhiệt độ –78,48 OC) mà không qua trạng thái lỏng. CO2 rắn (đá khô) có thể gây ra những vết bỏng rất khó lành. CO2 hầu như không có tác động gì lên đường tiêu hóa song nó có tác động sinh lý mạnh mẽ khi thâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp; nó làm tăng nhịp thở thông qua tác động của nó lên trung tâm hô hấp trong tủy sống. Khi hàm lượng của CO 2 trong không khí thở vượt quá giá trị 3% sẽ gây khó thở và điều này càng trở nên rõ rệt khi hàm lượng của nó vượt quá 5%. Với hàm lượng 10% sẽ làm cho nạn nhân bất tỉnh chỉ trong vòng một phút. 2.1.5. ASIN (AsH3), PHOTPHIN (PH3) VÀ STIBIN (SbH3) [16, 17] 1. Sự phát sinh Một lượng lớn acsin, photphin, stibin và cả boran nữa được sản xuất để dùng trong ngành điện tử. Các chất khí nói trên thường được tinh chế đến siêu tinh khiết nhằm thăng hoa và phân hủy để tạo ra những lớp phim nguyên tố mỏng trong các vi mạch. Khi tinh chế và ngay cả khi vận chuyển, sự dò rỉ gây ra ô nhiễm những loại khí độc này. Một trong những nguồn phát sinh nữa là các quá trình và phản ứng xẩy ra với các sản phẩm và xỉ thải sau luyên kim của các kim loại hoạt động như nhôm, thiếc, kẽm Trong quặng của các kim loại nói trên luôn luôn có lẫn các nguyên ốt arsen, photpho hay antimon ở dưới dạng các sunphua đồng hình hay khoáng tạp. Trong quá trình luyện kim, các nguyên tố này tạo thành các hợp chất khác nhau theo xỉ ra ngoài cùng với các khí oxit lưu huỳnh và nitơ hấp phụ tùy theo các công nghệ được sử dụng. Lẫn trong xỉ tất nhiên còn cả phần nhỏ kim loại phân tán. Khi gặp ẩm hay nước, các axit được tạo thành từ phần khí hấp phụ. Axit sẽ hòa tan các hạt kim loại tạo thành muối tương ứng và giải phóng ra hydrô. Hydrô mới sinh sẽ tiến hành khử các hợp chất của arsen, photpho và antimon trong ỉx tạo ra arsin, photphin và stibin thoát ra khỏi lớp xỉ. Hiện tượng này thường xẩy ra trong nhà máy, tại các bãi đổ xỉ và gây ra những mối nguy hiểm chết người đối với công nhân và những người sống lân cận. Đối với photphin, nó còn được hình thành khi làm nguội sắt thép bằng nước hoặc hơi nước, trong sản xuất acetylen (canxi photphua như là tạp chất trong cacbua canxi), thuốc diệt chuột (kẽm photphua), chất bảo quản hạt ngũ 33
cốc (nhôm photphua). Các photphua kim loại hoạt động khi gặp nước sẽ sinh ra photphin; ngược lại photphua của kim loại nặng thì hầu như không tác dụng với nước và đôi khi ngay cả với dung dịch axit loãng. Sự phân hủy yếm khí của các hợp chất photpho hữu cơ cũng sinh ra photphin (ma trơi). Stibin còn được phát hiện với những hàm lượng khá lớn khi chế hóa các hợp kim của nó với các kim loại hoạt động bằng axit. 2. Tính chất đặc trưng Asin là chất khí không màu, nặng hơn không khí khoảng 2,7 lần và có mùi hạnh nhân đắng hay mùi tỏi. Asin là chất khử mạnh; dễ dàng đốt cháy trong không khí tạo ra asen(III) oxit và nước, nó cũng bị phân hủy ở nhiệt độ cao khi không có mặt của oxi để tạo ra asen và hydro nguyên tố. 2AsH3 + 3O2 = As2O3 + 3H2O + 44,2 kcal + + 2+ 10AsH3 + 16KMnO4 + 18H = 5Mn3(AsO4)2 + 24H2O + 16K + Mn Asen (thạch tín) đã là chất kịch độc song asin còn độc hơn nhiều do nó thẩm nhập nhanh hơn vào các cơ quan trong cơ ể th so với asen thông qua đường hô hấp. Asin là tác nhân hủy hoại máu mãnh liệt. Các biểu hiện và triệu chứng của ngộ độc asin đều là hậu quả tác động lên máu của nó. Trong trường hợp nhiễm độc nhẹ, khoảng một ngày sau khi tiếp xúc sẽ có những triệu chứng như buồn nôn, đau đầu, run rẩy và đau nhói ở vùng thượng vị. Bệnh vàng da xất hiện ở ngày thứ hai hoặc ngày thứ ba. Hiện tượng vàng da thường đi kèm với hiện tượng đau và nhũn gan. Đôi khi người ta nhận thấy thận bị hủy hoại. Phần lớn các trường hợp tử vong sau khi bị trúng độc asin là do trụy tim mạch. Những người may mắn sống sót có thể bình phục song một vài trường hợp, bệnh thần kinh ngoại vi phát triển. Khi tiếp nhận một lượng lớn asin (ngộ độc cấp tính asin) thì tử vong là điều không thể tránh khỏi. Photphin là một khí độc không màu, có mùi như mùi cá ươn, ít tan trong nước. Bên cạnh PH 3 (monophotphin) còn ồnt tại một dạng nữa là diphotphin (P2H4). Diphotphin thường là sản phẩm đi kèm với photphin và là chất lỏng dễ bay hơi, tự bốc cháy trong không khí và cũng dễ phân hủy thành photphin và P2H. P2H (photphohydro rắn) là chất bột màu vàng và bền trong không khí, không tan trong nước cũng như các dung môi khác. Monophotphin tinh khiết trong không khí không tự bốc cháy nếu nhiệt độ không vượt quá 150OC và nó chỉ tự bốc cháy khi có lẫn diphotphin. Khi cháy sẽ tạo thành axit photphoric. PH3 + 2O2 = H3PO4 Khi nồng độ photphin trong không khí khoảng 0,2 ppm ta có thể phát hiện thấy mùi của nó (cũng có tài liệu cho thấy ngưỡng phát hiện mùi của photphin còn thấp hơn nữa). Khi tiếp xúc với nồng độ 20 ppm trong không khí nạn nhân có thể tử vong ngay lập tức. Trường hợp nhiễm độc photphin thường đi kèm các triệu chứng như đau bụng, nôn mửa, mất cân bằng, co giật, 34
hôn mê và có thể dẫn tới tử vong trong vòng 24 giờ. Trường hợp nhiễm nhẹ có thể qua khỏi hoàn toàn sau những hiện tượng ho và bị kích thích trong đươngf hô hấp. Nhiễm độc mãn tính photphin xẩy ra khi thường xuyên tiếp xúc với nồng độ rất thấp và triệu chứng nổi bật là các triệu chứng về thàn kinh. Stibin được biết như là một chất khí không màu, có mùi khó chịu và có độc tính cao. Ngộ độc stibin rất giống ngộ độc asin. Nhưng trong chừng mực nào đó tác động của nó có đôi phần nhẹ hơn. Song trong việc xử lý các trường hợp nhiễm độc stibin vẫn cần rất quyết liệt, thậm chí phải truyền máu hay chạy thận nhân tạo mới hy vọng tránh được tử vong. 2.2. CÁC CHẤT THẢI DẠNG HƠI [8, 18] Các chất dạng hơi thải vào không khí đều có chung một đặc tính là có khả năng ngưng tụ lại trong những điều kiện áp suất và nhiệt độ phù hợp. Do những tính chất đặc thù của chất thải dạng này, chúng ta chia chúng thành hai nhóm chính là nhóm chất thải dạng hơi của các hợp chất vô cơ và chất thải dạng hơi của các hợp chất hữu cơ để thuận tiện cho việc nghiên cứu và xử lý. 2.2.1. HƠI CỦA CÁC HỢP CHẤT VÔ CƠ Các chất thải công nghiệp nguy hại thuộc nhóm này được quan tâm nhất là hơi axit, hơi kiềm, hơi thủy ngân và hơi một số oxit thăng hoa như As2O3, PbO. Sở dĩ hơi của các chất nói trên được đặt lên hàng đầu trước hết do sự xuất hiện thường xuyên của chúng trong những hoạt động hàng ngày của chúng ta với khối lượng lớn; mặt khác là do độc tính cũng như các tác động nguy hiểm tiềm tàng của chúng. 1. Sự phất sinh Hơi axit và hơi kiềm thường xuất hiện tại các cơ sở gia công, xử lý kim loại, bề mặt kim loại; các cơ sở sản xuất hóa chất, vật liệu có sử dụng axit và kiềm đặc biệt ở điều kiện nhiệt độ cao. Tất nhiên phải kể đến các nhà máy sản xuất chính các axit hoặc kiềm nói trên. Hơi thủy ngân thường được phát hiện tại các nhà máy sản xuất xút - clo sử dụng điện cực thủy ngân, tại các cơ sở khai thác, gia công, mạ các kim loại quý như vàng, bạc, bạch kim Đặc biệt trong các tai nạn hay rủi ro trong sản xuất, vận chuyển hay chế hóa thủy ngân kim loại. Trong những trường hợp này hàm lượng cục bộ thủy ngân rất cao nhưng may mắn là thường chỉ trong không gian có giới hạn mặt khác hơi thủy ngân nặng nên phát tán kém. Hơi các oxit thăng hoa xuất hiện thường xuyên với một hàm lượng đáng kể là tại các khu vực có các cơ sở luyện kim, đặc biệt là luyện kim màu, đốt pyrit, acsenopyrit và kể cả các nơi sản xuất phân lân nung chẩy. Một 35
lượng lớn nữa cũng được phát hiện tại các cơ sở sản xuất thuốc trừ dịch hại nguồn gốc vô cơ như thuốc diệt mối, diệt chuột, trừ cỏ 2. Tính chất đặc trưng Các chất ở dạng hơi có một đặc tính chung là chúng đều có thể được ngưng tụ lại dưới dạng chất gốc của nó trong những điều kiện nhiệt độ và áp suất phù hợp. Nhưng thực chất nếu ở dạng sương sau ngưng tụ mà không được thu gom và xử lý kịp thời thì vẫn không thể tránh được những tác động nguy hại của chúng. Hơi axit trong điều kiện khan tác dụng rất kém với kiềm cũng như với các muối cacbonát. Nhưng trong điều kiện ẩm hay sục vào dung dịch thì phản ứng lại xẩy ra bình thường. Đối với hơi kiềm thì các phản ứng trung hòa cũng diễn ra trong các điều kiện tương tự. Hơi axit và hơi kiềm thường gây kích thích rất mạnh lên da. Các triệu chứng cảm nhận trên da là ngứa ngáy khó chịu; đặc biệt hơi HF khi thấm qua da sẽ gây ra cảm giác nhức buốt kéo dài. Ơ những người tiếp xúc thường xuyên với hơi axit và kiềm thường xuất hiện các nốt mẩn đỏ trên da. Mật độ của chúng phụ thuộc vào cơ địa của từng người và vào nồng độ hơi tiếp xúc. Tiếp xúc lâu dài có thể gây ra viêm da. Kể cả hơi kiềm và axit đều tác động lên các niêm mạc mắt, mũi và phía trên của đường hô hấp. Các triệu chứng thường là chẩy nước mắt, ngứa, rát trong mũi và họng, ho. Trường hợp nặng có thể gây nên hiện tượng đục mắt do kết mạc bị tổn thương và phù phổi. Hơi thủy ngân rất dễ ngưng tụ; song ngay hơi bão hòa của thủy ngân trong điều kiện bình thường đã có thể gây nguy hiểm đến sức khoẻ và cả tính mạng của con người. Chính vì vậy mà thủy ngân không bao giờ được phép để hở mặt tiếp xúc với không khí. Hơi thủy ngân rất dễ hấp thụ vào lưu huỳnh tạo thành thủy ngân sunphua rất bền và hầu như không độc. Nó cũng dễ bị hấp thụ vào dung dịch sắt(III) clorua tạo thành kết tủa calomen (Hg2Cl2) bền vững. Hg + S = HgS 2Hg + 2FeCl3 = 2FeCl2 + Hg2Cl2 Hơi thủy ngân rất độc (độc hơn gấp nhiều lần các dạng khác của thuey ngân) và nó ạil dễ dàng thâm nhập vào cơ thể bằng đường hô hấp và thẩm thấu qua da rất nhanh. Thủy ngân có khả năng tích luỹ sinh học rất cao. Có tới 80% lượng thủy ngân trong khí hít vào đươc giữ lại trên đường hô hấp. Hậu quả của ngộ độc thủy ngân thường là da xanh xao vàng vọt, thiếu máu, run rẩy, hôn mê và tử vong do suy nhược. Hơi thăng hoa của acsen, chì oxit hay các kim loại khác cũng rất dễ ngưng tụ. Các oxit axit hay lưỡng tính chúng có thể hấp thụ tốt trong dung dịch kiềm mạnh và nóng. 36
As2O3 + 6NaOH = 2Na3AsO3 + 3H2O Hơi acsen tác động lên người và động vật cũng giống như acsin. Các dạng hơi của chì cũng như các kim loại nặng khác thâm nhập vào trong cơ thể chủ yếu cũng qua đường hô hấp và đi vào máu. Các cơ chế tác động của nó cũng như những triệu chứng nhiễm độc được trình bày trong phần về kim loại nặng. 2.2.2. HƠI DUNG MÔI HỮU CƠ [19, 20, 21, 22] Các chất hữu cơ cho tới nay người ta tính được vào khoảng 10 triệu chất khác nhau. Nhưng sử dụng nhiều trong cuộc sống của chúng ta chỉ vào khoảng vài nghìn. Ngoài lĩnh vực thuốc trừ dịch hại và chất dẻo (plastic) ra thì dung môi hữu cơ chiếm một tỷ trọng đáng kể (không kể xăng dầu vừa dùng làm dung môi vừa sử dụng chính làm nhiên liệu). Nhìn chung áp suất hơi bão hoà của các chất hữu cơ thường khá lớn; vì vậy việc nghiên cứu tác động dạng hơi của các chất hữu cơ là rất quan trọng. Trong khuôn khổ của giáo trình này chúng ta chỉ xem xét một số dung môi hữu cơ độc hại quan trọng, thường gặp. 1. Sự phát sinh Hơi dung môi thường có mặt trong các cơ sở sản xuất, gia công cao su, sản xuất dầy dép, sơn, vẽ Tại các kho tàng, các cơ sở sản xuất, tinh chế dung môi do dò rỉ, thao tác; các cơ sở chế biến dầu mỏ cũng không tránh khỏi những lượng hơi dung môi thoát ra. Trong những khoảng không gian hẹp khi sử dụng dung môi hay các loại keo, sơn người ta cũng thường phải tiếp xúc với một hàm lượng hơi khá cao. 2. Tính chất đặc trưng Một trong những đặc tính quan trọng nhưng lại là cực kỳ nguy hiểm của các dung môi hữu cơ đó là dễ cháy. Mặc dầu các nhà công nghệ đã cố gặng tìm các dung môi khó bắt cháy để sử dụng trong công nghiệp nhưng luôn luôn vẫn là vấn đề khó khăn do những đòi hỏi khắt khe của các công nghệ. Các dung môi với độ phân cực khác nhau kh i thâm nhập vào trong cơ thể sẽ tập trung vào những bộ phận khác nhau. Các dung môi không hoặc ít phân cực sẽ tập trung vào các cơ quan chứa nhiều mỡ, kể cả hệ thần kinh và ngược lại các dung môi phân cực sẽ tập trung vào những nơi chứa nhiều nước và như thế có nghĩa là chúng có khả năng phân bố rộng hơn trong cơ thể. Một lượng lớn dung môi sau khi hấp thụ vào trong cơ thể sẽ bốc ra ngoài nguyên dạng như ban đầu nhưng trong khoảng từ 15 đến 60% tùy thuộc loại dung môi và cơ địa từng người, chúng tham gia vào các quá trình biến đổi sinh học. 37
Ngộ độc cấp tính cũng có thể xẩy ra khi nạn nhân tiếp xúc với nồng độ hơi cao. Các triệu chứng thường thấy là chóng mặt, choáng váng, đau đầu và nôn mửa. Ví dụ với nồng độ toluen khoảng 1000 ppm có thể gây chóng mặt, mất thăng bằng và đau đầu dữ dội. Với nồng độ lớn hơn nữa có thể gây hôn mê. Nếu nạn nhân không được kịp thời cách ly khỏi môi trường ô nhiễm thì có thể tử vong. Các dung môi hữu cơ cũng có thể gây ra ngộ độc mãn tính. Benzen là một trường hợp được theo dõi tương đối hệ thống. Về nguyên tắc, benzen tác động lên tủy xương nếu thường xuyên tiếp xúc với hàm lượng benzen trong môi trường vượt quá nồng độ cho phép. Bước đầu những triệu chứng thường không rõ ràng. Tiếp theo thường thấy mệt mỏi, rối loạn tiêu hóa, ch óng mặt; sau đó xuất hiện hiện tượng chẩy máu mũi và phát ban trên da. Bệnh thiếu máu thường tìm thấy ở những người nhiễm độc benzen mãn. Giai doạn đầu tủy xương vẫn phát triển sau thì không phát triển nữa và bắt đầu sự phá hủy đến các tế bào. Người ta cho rằng benzen ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp DNA. Các chromosom lạ phát triển nhiều ở những người thường xuyên tiếp xúc với hơi benzen và ở các động vật thí nghiệm. Nhiễm độc benzen thường kèm theo ựs phát triển của bệnh máu trắng cấp. Quá trình tiếp diễn này thường xẩy ra vài năm sau khi tiếp xúc lần cuối. Các dung môi hữu cơ ít nhiều đều có tác động độc hại lên cơ thể người; do đó để tránh các tác động xấu, rất cần thiết có các biện pháp phòng ngừa và xử lý thích đáng đối với môi trường làm việc có sử dụng các dung môi. 2.3. BỤI [23, 24, 25] 2.3.1. KHÁI NIỆM VỀ BỤI Nói đến khái niệm bụi, ta luôn luôn phải hiểu đó là sự kết hợp không thể tách rời nhau của hai pha là pha khí (thường là không khí) và pha rắn tồn tại ở dạng hạt thể rời rạc và phân bố ngẫu nhiên. Các hạt chất rắn phân tán trong pha khí mới được gọi là bụi; còn nếu cũng những hạt chất rắn ấy được gom lại, không chuyển động nữa thì thường đi với khái niệm là bột, tro hay bồ hóng. Như định nghĩa về bụi ở phần trên ta quan tâm đến dạng tồn tại và kích thước hạt của bụi; để hình dung về dải kích thước của bụi, ta có thể tham khảo bảng 2.2. so sánh giữa chúng với dải sóng điện từ, vi khuẩn và kích thước của tóc người dưới đây. Kích thước của hạt bụi (d) được biểu diễn qua đường kính của hạt hình cầu, kích thước lỗ rây mà hạt bụi lọt qua hoặc kích thước lớn nhất của hình chiếu của hạt. Người ta cũng sử dụng khái niệm đường kính tương đương (dtđ) cho loại hạt bụi có hình dáng bất kỳ. dtđ được hiểu là đường kính của một hạt hình cầu có thể tích bằng thể tích của hạt bụi đang xét. 38
Nếu lấy tiêu chuẩn về kích thước của hạt bụi để phân loại thì ta có thể chia bụi ra thành các loại như sau: 1. Bụi thô (cát bụi - grit): là các hạt bụi chất rắn có kích thước lớn hơn 75 µm 2. Bụi (dust): là các hạt bụi chất rắn coa kích thước từ 5 - 75 µm. 3. Khói (smoke): là các ạth vật chất có thể là rắn hoặc lỏng thường được tạo ra (hoặc ngưng tụ) trong quá trình đốt nhiên liệu có kích thước hạt tư 1 - 5 µm. 4. Khói mịn (fume): là những hạt cũng có nguồn gốc như khói nhưng rất mịn; kích thước hạt của khói mịn được quy ước là nhỏ hơn 1 µm. Bảng 2.2. Kích thước hạt của bụi, khói và hệ phân tán phổ biến KÝch thíc / bíc sãng ¸nh s¸ng [µm] 0,0001 0,001 0,01 0,1 1,0 10 100 1000 10000 i i i i i i ii i i i i i i ii i i i i i i ii i i i i i i ii i i i i i i ii i i i i i i ii i i i i i i ii i i i i i i ii i i i i i i ®Þnh ThÓ r¾n Khãi mÞn Khãi Bôi (dust) nghÜa ThÓ láng S¬ng (mist) Bôi níc kü thuËt Khãi nhùa th«ng Khãi dÇu ®èt Tro bay H¹t / hÖ Khãi thuèc l¸ Bôi than ph©n t¸n CO2 Bôi vµ khãi luyÖn kim tiªu Khãi NH4Cl Bôi xi m¨ng biÓu H2O C¸t Muéi than Bôi khÝ quyÓn Bôi h« hÊp- §éng Vi khuÈn Vi trïng Tãc vËt Sãng Tia X Tia cùc tÝm Hång ngo¹i gÇn Sãng cùc ng½n ®iÖn tõ Nh×n thÊy Hång ngo¹i xa Về tính chất cơ lý, có sự khác biệt rất lớn giữa các hạt bụi có kích thước lớn và các hạt bụi có kích thước cực nhỏ. Các hạt bụi có kích thước lớn như bụi thô chẳng hạn thì chúng có khả năng lắng đọng nhanh nhờ trọng lượng của chúng và gia tốc trọng trường. Do đó chúng thường bị loại khỏi môi trường khí một cách dễ dàng. Ngược lại, các hạt bụi cực nhỏ thì tuân theo một cách chặt chẽ sự chuyển động của môi trường khí xung quanh; do đó chúng tồn tại khá lâu. Khối lượng đơn vị (tỷ trọng) của một chất ở dạng nguyên khối và ở dạng bột với kích thước hạt khác nhau rất khác nhau. Nghiên cứu dạng bột có thể trở thành bụi của một số chất, các tác giả đã nhận thấy rõ điều này như ở trên bảng 2.3. 39
Bụi có tác hại lớn nhất đến sức khoẻ con người là loại bụi dễ thâm nhập và cơ thể qua đường hô hấp người ta thường gọi chung là bụi hô hấp. Loại này thường có kích thước nhỏ hơn 10 µm. Bảng 2.3. Tỷ trọng của một số chất ở dạng khối và dạng bột rời. Tû träng D¹ng bét ChÊt d¹ng §êng Tû träng §êng Tû träng khèi kÝnh h¹t (g/cm3) kÝnh h¹t (g/cm3) (g/cm3) (µm) (µm) Cadimi oxit 6,5 2,42 2,70 5,96 0,51 B¹c 10,5 1,79 4,22 4,30 0,94 Vµng 19,3 2,35 8,00 5,54 1,24 Thñy ng©n 13,6 2,05 10,80 3,08 1,70 HgCl2 5,4 4,53 4,32 3,63 1,27 Manhª oxit 3,6 3,26 3,48 7,29 0,35 2.3.2. HÀNH VI CỦA CÁC HẠT BỤI Như ta đã nói ở trên, bụi là những hạt chất rắn hoặc sol khí tồn tại và chuyển động trong pha khí (chủ yếu ở đây sẽ noí đến là trong không khí). Bụi được dòng khí dung nạp và mang đi. Các hạt bụi có khối lượng (kích thước) lớn trên đường mang đi của dòng khí sẽ có xu hướng lắng xuống mặt đất. Ngược lại các hạt bụi có khối lượng rất nhỏ, đặc biệt là các hạt sol khí thì có thể tồn tại ở trạng thái lơ lửng trong một thời gian không hạn định. Hạt bụi chuyển động trong không khí, trước tiên ta xét tới lực cản của dòng khí. Trường hợp đơn giản nhất ta cho rằng dòng khí là đồng nhất, liên tục và vô hạn; hạt bụi là hình cầu chuyển động với vận tốc (v) không đổi thì lực cản (F) của dòng khí lên hạt bụi sẽ được tính theo biểu thức sau: 1 F = K A dv 2 (2.1) 0 2 Trong đó: 1/2.ρv2 là động năng của dòng khí chuyển động với vận tốc v, A là diện tích tiết diện trực đối của hạt với hướng chuyển động, K0 là hệ số tỷ lệ hay hệ số sức cản, ρ là tỷ trọng của dòng khí. Đồi với hạt hình cầu có đường kính là r thì A = πd2/4 và do đó ta có: 1 F = K π.d 2v 2 (2.2) 8 0 40
Từ đó ta có thể rút ra biểu thức tính cho hệ số sức cản K0 như sau: 8F K = (2.3) 0 π.ρ.d 2v 2 Thực nghiệm cho thấy hệ số sức cản phụ thuộc vào chuẩn số Raynon (Re). v.d v.d.ρ Re = = (2.4) η µ Trong đó: η là độ nhớt động của dòng khí: η = µ/ρ, µ và ρ là độ nhớt động lực và tỷ trọng của dòng khí. 4 Ko 10 103 102 1 10 1 10-1 10-3 10-2 10-1 1 101 102 103 104 105 106 Re Hình 2.2. Sự phụ thuộc của hệ số Ko vào chuẩn số Raynon (Re) Khi chuyển động với vận tốc nhỏ, Re 1, dòng chuyển động sau hạt hình cầu bắt đầu xuất hiện sự rối dòng cho đến khi Re tăng lên đến khoảng 400. Vùng này được gọi là vùng chuyển tiếp. Sự phụ thuộc của hệ số sức cản Ko vào chuẩn Re được thể hiện bằng biểu thức Kljachko: 41
24 4 K = + (2.7) 0 Re Re1/ 3 (Trong khoảng 3 2.105 lớp chuyển động biên của dòng khí phía trước hạt hình cầu trở nên không ổn định; những dòng xoắn phân cách hình thành cả ở phía trước chuyển ra phía sau vật cản làm cho hệ số sức cản trực đổi giảm xuống đột ngột (đến 0,1). Vận tốc rơi giới hạn của hạt bụi hình cầu đạt được khi lực cản của không khí cân bằng với lực trọng trường của nó. 1 F = G = K .A ρ.v (2.8) o 2 2G Từ đó ta có vth = (2.9) K o .A.ρ Và trong vùng Stokes ta có: 1 G = πδ 3 (ρ − ρ)g (2.10) 6 b Trong đó ρb là tỷ trọng của hạt bụi và g là gia tốc trọng trường. Từ đó suy ra: (ρ − ρ)gδ 2 v = b (2.11) gh 18µ Do tỷ trọng của không khí thường nhỏ hơn rất nhiều so với tỷ trọng của vật chất làm nên hạt bụi cho nên ta có thể bỏ qua và vận tốc giới hạn của hạt bụi trong không khí có thể biểu hiện bằng biểu thức (2.12): ρ .g.δ 2 v = b (2.12) gh 18µ Biểu thức (2.11) và (2.12) tính “vận tốc treo lơ lửng” của hạt bụi theo định luật Stokes và chỉ áp dụng cho hạt bụi hình cầu có đường kính δ nhỏ hơn 70 µm; vì đối với hạt bụi có kích thước lớn hơn, công thức Stokes cho sai số tương đối lớn so với thực tế. 42
2.3.3. BẢN CHẤT VÀ TÁC HẠI CỦA BỤI Bụi và về phương diện nào đó ta có thể xem xét đồng thời cả sol khí. Ngoài một số tính chất cơ lý như đã được trình bày ở phần trên thì về mặt hóa học, nó mang đầy đủ các tính chất của các chất hóa học tạo nên nó. Tác động của bụi lên sức khoẻ con người chính vì thế mà cũng phức tạp hơn. Có hai kiểu tác động chính của bụi là tác động theo kiểu cơ học và theo kiểu hóa học. Dựa trên cơ sở này ta có thể chia bụi ra làm hai loại; loại bụi trơ và loại bụi tan (bụi có thể tan được trong môi trường nước hoặc mỡ). Bụi trơ tác động lên cơ thể con người theo kiểu cơ học. Thí dụ như bụi bông thủy tinh hay amiăng loại tinh thể hình kim. Đứng về phương diện hóa học thì cả hai đều là các vật chất đặc trưng rất trơ về hóa học (silicat và aluminosilicat) nhưng chúng được coi là loại bụi nguy hiểm có thể dẫn đến ung thư nếu bị nhiễm. Bằng ch ứng là khi theo dõi các nạn nhân nhiễm bụi bông thủy tinh hay amiăng dạng hình kim người ta thấy những hạt bụi là những mảnh gẫy nhỏ nhọn và sắc. Khi chúng thâm nhập vào tới các phế nang, khi phổi hô hấp, chúng sẽ liên tục gây ra các vết thương. Các vết th ương không được lành này sẽ là mầm mống cho các tâm gây ra ung thư. Ngoài các loại bụi nói trên, bụi than cũng được nói đến nhiều vì nó gây ra bệnh bụi phổi cho những người tiếp xúc nhiều như công nhân khai thác than, thợ lò Mặc dầu những bụi trơ không có tác động về mặt hóa học nhưng hai hiện tượng gây tổn thương phế nang và bệnh bụi phổi cũng đã đủ làm chúng ta quan tâm. Bụi tan có thể thâm nhập vào cơ thể con người chủ yếu theo hai con đường là hô hấp và tiếp xúc qua da. Khi vào trong cơ thể, từng loại bụi sẽ gây ra các tác động theo độc tính của nó. Bên cạnh hai loại bụi kể đến ở trên, còn tồn tại loại bụi mang tính chất cộng hợp; thí dụ như bụi xi măng. Bụi xi măng gồm phần trơ là các silicat và phần tan là các chất kiềm. 43
CHƯƠNG III. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỤI [23,26,27,29] 3.1. KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ BỤI Như đã nói đến ở phần trên, bụi là những hạt chất rắn có kích thước cũng như tỷ trọng khác nhau phân tán trong không khí. Để xử lý lọc sạch bụi trước khi thải khí ra môi trường người ta đã nghiên cứu và sử dụng nhiều cách khác nhau. Mỗi cách (phương pháp) phù hợp với các loại bụi và kích thước bụi khác nhau và có những ưu nhược điểm riêng. Chính vì vậy mà tùy thuộc vào đối tượng bụi, người ta chọn phương pháp xử lý phù hợp. Các phương pháp xử lý bụi có thể chia thành các nhóm như trên bảng 3.1. Bảng 3.1. Các phương pháp xử lý bụi Lọc Xử lý bằng Xử lý bằng Xử lý dựa vào Xử lý dựa vào chất lỏng tĩnh điện lực ly tâm trọng lực -Buồng lọc -Dàn mưa Lọc tĩnh -Thiết bị sử dụng Buồng lắng bụi gốm -Sục khí điện lực quán tính. -Lọc có vật -Đĩa quay -Thiết bị sử dụng liệu đệm lực ly tâm -Lọc tầng kiểu (cyclon). -Lọc túi Venturi (màng) -Thiết bị quay Trên cơ sở phân loại các phương pháp xử lý, ta có thể chia các thiết bị xử lý bụi làm 4 dạng chính như sau: 1. Thiết bị lọc cơ khí 2. Thiết bị lọc màng 3. Thiết bị lọc ướt 4. Thiết bị lọc tĩnh điện Hai loại đầu (1 và 2) dùng để xử lý bụi. Thiết bị lọc ướt (3) có thể dùng để xử lý bụi hoặc hơi và khí độc. Thiết bị lọc tĩnh điện (4) chỉ dùng để xử lý bụi hoặc sol khí. Đặc trưng và hiệu quả xử lý bụi của các kiểu thiết bị được khái quát trên hình 3.1. và bảng 3.2 Bảng 4.2. và hình 4.1. cho thấy rằng các thiết bị xử lý bằng lực quán tính và các cyclon rất tiện để tách các hạt bụi tương đối lớn. Loại cyclon tổ hợp có hiệu suất lớn nhất. Dùng các thiết bị lọc điện, thiết bị lọc túi và các thiết bị lọc ướt có thể đạt được hiệu quả lọc khá cao. Thiết bị lọc bụi loại ướt chỉ dùng khi chất khí cần xử lý chịu được nhiệt độ thấp và ẩm. Trong trường hợp này các thiết bị lọc bụi loại ướt có nhiều ưu 44
điểm hơn so với thiết bị lọc tĩnh điện ở chỗ thiết bị giản đơn và rẻ tiền. Ứng dụng thiết bị lọc bụi loại ướt trong nhà máy có nhiều khó khăn vì ở đây quá trình tinh lọc có liên quan tới việc thu gom và thải một lượng lớn nước có tính chất hóa lý cần phải xử lý trước khi thải. Thiết bị lọc điện là một loại thiết bị lọc sạch bụi có hiệu suất cao; trong đó muốn lọc các loại khí thải khô ta dùng loại thiết bị lọc điện tấm, còn để lọc sạch bụi và hơi mù khó hấp thụ, cũng như để lọc sạch được tốt hơn, ta dùng loại thiết bị lọc điện ống và khi cần lọc sạch một thể tích khí lớn thì dùng thiết bị lọc điện là hiệu quả nhất. 100 % Läc tói 99,9 99 Läc tÜnh ®iÖn 95 80 50 20 5 Xyclon Venturi 1 Dßng xo¸y 0,1 Dµn ma 0,01 0,01 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20 50 100 KÝch thíc h¹t bôi, (µm) Hình 3.1. Hiệu quả xử lý bụi của các thiết bị Bảng 3.2. Vùng kích thước phù hợp và hiệu quả xử lý của các phương pháp. Stt Thiết bị xử lý Kích thước hạt phù hợp Hiệu quả xử lý 1 Buồng lắng bụi 2000 - 100 µm 40 - 70 % 2 Cyclon đơn 100 - 5 45 - 85 3 Cyclon tổ hợp 100 - 5 65 - 95 4 Lọc có vật đệm 100 - 10 Tới 99 % 5 Tháp lọc ướt 100 - 0,1 85 - 99 6 Lọc túi (màng lọc) 10 - 2 85 - 99,5 7 Lọc tĩnh điện 10 - 0,005 85 - 99 45
Cụ thể hóa bảng 3.2. ta có thể tham khảo minh hoạ trên hình 3.1. Ngoài ra, người ta còn dùng các thiết bị lọc kiểu sủi bọt để lọc sạch khí khỏi bụi, khói và mù (tới 90%). Như vậy muốn chọn được thiết bị để tách bụi và lọc sạch khí có hiệu quả, phải xuất phát từ các yêu cầu chính: 1. Thành phần hạt bụi và kích thứơc hạt của nó 2. Trạng thái và thành phần của khí 3. Độ tinh lọc khí cần thiết 3.2. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỤI DỰA VÀO LỰC TRỌNG TRƯỜNG 3.2.1. NGUYÊN TẮC Sự lắng bụi bằng buồng lắng là tạo ra điều kiện để trọng lực tác dụng lên hạt bụi thắng lực đẩy ngang của dòng khí. Trên cơ sở đó người ta tạo ra sự giảm đột ngột lực đẩy của dòng khí bằng cách tăng đột ngột mặt cắt của dòng khí chuyển động. Trong thời điểm ấy, các hạt bụi sẽ lắng xuống. Để sự lắng có hiệu quả hơn, người ta còn đưa vào buông lắng các tấm chắn lửng. Các hạt bụi chuyển động theo quán tính sẽ đập vào vật chắn và rơi nhanh xuông đáy. 3.2.2. CẤU TẠO CỦA BUỒNG LẮNG ĐƠN Một buồng lắng đơn được cấu tạo như hình 3.2A và buồng lắng kép trong công nghiệp có mô hình như trên hinh 3.2B. KhÝ ®·Khi xö ®· xölý lý KhÝKhi cha vµ xö lý bôi h a Hình 3.2A. Hình 3.2B. Buồng lắng đơn Buồng lắng kép có vách cản tăng hiệu quả 46
Bề mặt cắt ngang của buồng lắng được tính theo công thức: V S = a.h = (m2) w Trong đó: a là chiều rộng của buồng lắng h là chiều cao của buồng lắng V là lưu lượng khí qua buồng lắng w là vận tốc dòng khí qua buồng lắng. Như vậy, khi thiết diện của buồng lắng càng tăng thì vận tốc dòng khí càng giảm; bụi có thể lắng tốt hơn. Bề mặt lắng cần thiết (F) tính theo công thức: V F = (m2) w1 ở đây w1 là vận tốc lắng bụi, V là lưu lượng dòng khí và bụi. Thời gian lắng của hạt bụi được tính theo công thức: h t = (s) w1 Thể tích làm việc của buông lắng (VLV): 3 VLV = V.t (m ) Chiều dài cần thiết của buồng lắng (l): S V l = = LV a a.h 3.2.3. CẤU TẠO VÀ HOẬT ĐỘNG CỦA BUỒNG LẮNG NHIỀU TẦNG Buồng lắng nhiều tầng là một dẫy các buồng lắng đơn lẻ nối tiếp nhau. Từng tầng đơn lẻ hoạt động giống như buồng lắng đơn. Như vậy chiều dầy tổng cộng: H = n.h Trong đó n là số tầng. Hiệu suất xử lý tổng cộng sẽ là: P = ΣPi Trong đó Pi là hiệu suất xử lý riêng phần của từng buồng lắng đơn. 47
3.3. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỤI DỰA VÀO LỰC LY TÂM 3.3.1. NGUYÊN LÝ Khi dòng khí và bụi chuyển động theo một quỹ đạo tròn (dòng xoáy) thì các hạt bụi có khối lượng lớn hơn các phân tử khí sẽ chịu tác dụng của lực ly tâm văng ra phía xa trục hơn, phần gần trục xoáy lượng bụi sẽ rất nhỏ. Nếu ta giới hạn dòng xoáy trong một vỏ hình trụ thì bụi sẽ va vào thành vỏ và rơi xuống đáy. Khi ta đặt ở tâm dòng xoáy một ống dẫn khí ra, ta sẽ thu được khí không có bụi hoặc lượng bụi đã giảm đi khá nhiều. 3.3.2. CẤU TẠO CỦA MỘT XYCLON ĐƠN Sơ đồ một xyclon đơn và hệ thống xyclon lọc bụi được mô tả như trên hình 3.3A, 3.3B và 3.3C. Dc h b L1 L3 D KÝch thíc tæng qu¸t cña mét xyclon th«ng thêng L2 -§êng kÝnh èng vá: D D -§êng kÝnh èng ra: D =1/2 D c c -§êng kÝnh èng ®¸y: Dd=1/4 D -ChiÒu cao èng vá: L1 = 2 D -ChiÒu cao phÇn nãn: L2= 2 D D -ChiÒu cao söa vµo: h = 1/2 D -ChiÒu réng cöa vµo: b = 1/4 D Dd -ChiÒu cao èng ra: L3= 1/3 D Hình 3.3A. Mặt cắt đứng và mặt cắt ngang của một xyclon đơn. + Tốc độ lắng của hạt bụi trong xyclon được tính theo công thức: 2 2 d .(P1.P2 ).U w0 = 9.P2.v2.D Trong đó: d là đường kính hạt bụi (m). P1 là khối lượng riêng của hạt, P2 là khối lượng riêng của khí mang, 48
ν2 là hệ số độ nhớt động học của khí, u là tốc độ vòng của dòng khí trong xyclon (m2/s), D là đường kính phần hình trụ của xyclon. KhÝ bÈn vµo KhÝ s¹ch ra C¸nh híng giã KhÝ bÈn vµo Bôi ra Bôi ra KiÓu dßng tiÕp tuyÕn KiÓu dßng ®ång trôc Hình 3.3B. Các kiểu dòng trong xyclon + Đường kính phần hình trụ của xyclon được tính theo công thức: D = 2.(R1 + δ1 + ∆R) (m) Trong đó: R1 là bán kính ống dẫn khí ra (ống trong hình trụ), ∆R là khoảng cách tính theo đường kính giữa ống ra và thân xyclon, 4V R1 = (m) π.wt Trong đó: V là lưu lượng khí qua hay năng suất của xyclon, wr là vận tốc dòng khí đi ra khỏi xyclon, (trong công nghiệp thì w1 thường lấy từ 4 đến 8 m/s). + Kích thước của ống vào: Ống vào thường là hình chữ nhật có chiều cao h và chiều rông b. Thông thường tỷ lệ h/b bằng k và bằng từ 2 đến 4. Trong đó: 49
V b = k.wv Wv là vận tốc dòng khí trong ống xyclon (thường bằng 18 - 20 m/s) KhÝ ®· xö lý KhÝ ®· xö lý KhÝ ®· ®· xö xölý lý Ốngèng tho¸t thoát KhÝKhÝ chavµ bôi xö lý KhÝKhÝ vµ cha bôi xö lý CánhC¸c c¸nh hư ớnghíng gió CửaThu thu bôi bụi Van Hình 3.3C. Sơ đồ hệ thống xyclon lọc bụi + Thể tích làm việc của xyclon: 3 VLV = V.t (m ) Trong đó t là thời gian lưu của dòng khí trong xyclon. 4,06.102 R = 2 t 2 2 log (s) d .w .ρk .ϕb ∆R + R1 Trong đó w là tốc độ góc của dòng khí trong xyclon, w w = Rtb Rtb ρk là tỷ trọng của khí và ϕb là góc vào của dòng khí. R 2 là bán kính vỏ phần hình trụ, Rtb là bán kính trung bình của phần hình trụ của xyclon. + Chiều cao của phần hình trụ Ht: V V = h = LV H k. 2 2 (R2 − R1 ).wtb π.[R2 − (R1 + δ 1 ) ] 50
+ Chiều cao phần hình nón: H n = (R2 − Ro ).tgα o Trong đó Ro là bán kính lỗ thoát bụi ( thường là 0,2 đến 0,5 m), o α o là góc nghiêng giữa bán kính và đường sinh (thường là 50 - 60 ) Trong thực tế người ta thường lắp thành tổ hợp nhiều xyclon đơn lại để tăng cường hiệu quả xử lý khí thải. Năng suất lọc của xyclon (m3/h) có thể tham khảo ở bảng 4.3. Bảng 4.3. Năng suất lọc bụi của xyclon đơn và xyclon tổ hợp. Lo¹i N¨ng suÊt lµm viÖc theo ®êng kÝnh cña xyclon xyclon [mm] 400 500 600 700 800 §¬n 1450-1690 2270-2640 3260-3810 4400-5180 5800-6760 KÐp - 4540-5290 6520-7620 8800-10400 11600- 13500 Ba - - - 13200- 17400- 15500 20300 Bèn 5800-6760 9080-10600 13000- 17600- 23200- 15200 20700 27000 + Hiệu suất làm sạch bụi của xyclon: G G − G η = .100 = d c .100 Gd Gd Hiệu suất làm sạch riêng phần: Grp Gd rp − Gc rp ηrp = .100 = .100 Gd rp Gd rp . 1 2 n . ηrp .φ1 ηrp .φ2 η = Σηrp = + + i=1 100 100 Trong đó: Φi là thành phần của các loại (kích thước) bụi. G, Gđ, G c là khối lượng bụi được xử lý, khối lượng bụi ban đầu, khối lượng bụi còn sau khi xử lý GRP là khối lượng bụi riêng phần. 51
3.4. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỤI BẰNG MÀNG LỌC, TÚI LỌC 3.4.1. NGUYÊN LÝ Dòng khí và bụi được chặn lại bởi màng hoặc túi lọc; túi (màng) này có các khe (lỗ) nhỏ cho các phân tử khí đi qua dễ dàng nhưng giữ lại các hạt bụi. Các hạt bụi bị giữ lại trên màng là do có kích thước lớn hơ n lỗ (khe) của màng hoặc dính lại trên bề mặt của vật liệu do va đập, do tiếp xúc trực tiếp và do lực tĩnh điện. Chính vì vậy mà màng lọc giữ lại được cả những hạt bụi có kích thước nhỏ hơn lỗ (khe) trống của màng lọc (hình 3.4.A). Khi lớp bụi đủ dày ngăn cản lượng khí đi qua thì người ta tiến hành rung hoặc thổi ngược để thu hồi bụi và làm sạch màng. Sơ đồ một thiết bị lọc túi được mô tả trên hình 3.4.B. 3.4.2. CẤU TẠO VÀ VẬN HÀNH Thiết bị lọc là những tấm vải (nỉ) hình ống hay hình tấm được đặt trên những giá đỡ cứng bằng nhựa hoặc kim loại có các lỗ thoáng (đan từ sợi hoặc chế tạo từ tấm liền có đục lỗ). §êngTrêng ®i hî cñap 3 §¬ng ®i cña khÝ bôi §êng ®i cña khÝ §¬ng ®i cña bôi TrêngKhuÕch hîp t¸n 1 TiÕtTiÕt diÖndiÖn s sîiîi Trêng H¹thîp bôi2 Hình 3.4A. Sơ dồ đường đi của khí và bụi qua màng lọc Trường hợp 1: Hạt bụi bị giữ lại do tiếp xúc, Trường hợp 2: Do va đập, Trường hợp 3: Do lực tĩnh điện Túi lọc bằng vải, nỉ có dạng ống một đầu hở để khí đi vào còn đầu kia khâu kín. Để túi được bền hơn người ta thường đặt trong một khung cứng bằng lưới kim loại hoặc nhựa. Năng suất lọc của thiết bị phụ thuộc vào bề mặt lọc, loại bụi và bản chất, tính năng của vật liệu làm túi (màng). 52
+ Diện tích lọc được tính theo công thức V S = .3600 v.η - Đối với túi lọc: S ≈ π.D.l + π.D2/ 4 - Đối với màng lọc: S = a.b Trong đó: V là lưu lượng khí (Năng suất lọc) qua túi (màng),[m3/s]. v là cường độ lọc của một m 2 bề mặt [m3/m2.h]. Thông thường v được chọn từ 15 đến 200 m3/ m2.h. η là hiệu suất làm việc của bề mặt lọc. Thông thường được lấy khoảng 85 %. D là đường kính ống lọc. l là chiều dài ống lọc; a là chiều rộng của túi; b là chiều dài của túi. KhÝ s¹ch KhÝKhÝ s¹ch KhÝKhÝ s¹ch chøa cã bôi èngTói KhÝ KhÝchøa bôi cã bôi TóiMµng Bôi Bôi ThiÕt bÞ läc tói BôiBôi ThiÕt bÞ läc mµng Hình 3.4B. Sơ đồ thiết bị lọc bụi bằng màng hình túi và hình tấm . 53
+ Lực cản của túi (màng) được tính theo công thức: ∆P = A.V n [N/m2]. Trong đó A là hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào nguyên liệu làm túi (màng), có kể đến độ bào mòn và cặn bẩn. A thường giao động từ 0,25 đến 25,00. n là hệ số thực nghiệm thông thường bằng 1,25 đến 1,30. BéBé phËn phËn chuyÓnchuyÓn ®éng ®éng c¬ khÝ c¬ khÝ TóiTói läc èng h×nh èng KhÝ ®·KhÝ xö®· xölý lÝ KhÝ ®· xö lÝ KhÝ ®·KhÝ xö ®· xölý lÝ KhÝ ®· xö lý KhÝ chaKhÝ cha xö xölý lÝ KhÝKhÝ cha cha xöxö lÝ lý Hình 3. 4C. Mô hình một thiết bị lọc túi trong công nghiệp 3.5. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BỤI BẰNG DÀN MƯA 3.5.1 NGUYÊN LÝ Dòng khí có chứa bụi đi qua màn chất lỏng (thường là nước). Các hạt bụi gặp nước sẽ bị thấm ướt và bị dìm xuống hoặc cuốn bám theo, còn dòng khí sạch sẽ được đi qua. Nước thường được đi từ trên xuống, còn dòng khí đi từ dưới lên. 3.5.2. CẤU TẠO VÀ VẬN HÀNH CỦA THIẾT BỊ. Dàn mưa là thiết bị đơn giản nhất để dập bụi nhưng lại có hiệu quả cao. Lượng nước phun vào có thể quay vòng trở lại sau khi lắng bùn bụi. Thiết bị này thường dùng trong các nhà máy xi măng hay các xí nghiệp nghiền quặng. Sơ đồ một thiết bị dập bụi bằng dàn mưa được mô tả trên hình 3.5. 54
KhÝ sau xö lý KhÝ ®· xö lý Bé chÆn sol ThiÕt bÞ th¶i níc HÖ thèng phunNíc níc ®a vµo KhÝ cha xö lý KhÝ cha xö lý Níc nhiÔm bÈn ra HuyÒn phï bôi Hình 3.5A. Thiết bị dập bụi theo kiểu dàn mưa KhÝKhis ®·sau xö xö lý lý Níc cÊp NícCöa phun phun ra níc VËtVËt liÖu liÖu nÐn ®Öm KhÝKhÝ cha cha xö lý xö lý HuyÒnChÊt láng phï vµ chÊtbôi « nhiÔm Hình 3.5B. Thiết bị dàn mưa có nhồi vật liệu đện 55
3.6. LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN 3.6.1. NGUYÊN LÝ Trong một điện trường đều, có sự phóng điện của các điện tử từ cực âm sang cực dương. Trên đường đi, nó có thể va phải các phân tử khí và ion hóa chúng hoặc có thể gặp phải các hạt bụi làm cho chúng tích điện âm và chúng sẽ chuyển động về phía cực dương. Tại đây chúng được trung hòa về điện trở lại. Mô hình hoạt động của nguyên lý dập bụi tĩnh điện được mô phỏng trên hình 3.6A và 3.6B. Người ta sẽ thu được bụi từ các tấm điện cực dương; khí đi ra là khí sạch bụi. 3.6.2. CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG Cấu tạo của một thiết bị lọc bụi tĩnh điện được mô ta như trên hình 3.6C. Thông thường trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện kiểu điện cự c tấm (hình 3.7A), người ta làm nhiều tầng điện cực âm và dương liên tiếp nhau. Trong thiết bị lọc hình ống (hình 3.7B), điện cực dương là một ống rỗng; điện cực âm thường là một dây dẫn trần, khi hoạt động xung quanh dây dẫn thường có quầng sáng do điện tử ion hoá các phân tử khí khi nó chuyển động qua điện cực dương. Đối với kiểu điện cực tấm ta có các thông số: + Khoảng cách giữa hai điện cực khác dấu là L thường từ 10; 15 - 20 cm. Khoảng cách này phụ thuộc vào điện thế, độ cách điện của môi trường và cường độ dòng điện khi sử dụng. Anot Giã ®iÖn Vïng ho¹t ®éng M- M M- M M- Catot e+ Vïng thô ®éng Giã ®iÖn Hình 3.6A. Mô hình hoạt động của quá trình lọc bụi tĩnh điện 56
Lùc ®Èy cña e Lùc ®Èydßng cña dßngkhÝ khÝ e KhÝKhÝ vµ + Bôi bôi vµo e KhÝKhÝ + Bôira ra LùcLùc tæng tæng hîp Lùc ®iÖn trêng hîp Lùcvµ träng träng lùc trêng Hình 3.6B. Sơ đồ nguyên lý của quá trình lọc bụi tĩnh điện + Số điện cực dương (điện cực lắng) có hình tấm hoặc lưới được tính theo công thức: b Z = +1 d 2L Trong đó: b là chiều rộng của buồng lọc L là khoảng cách giữa hai điện cực + Số điện cực âm là: b Z = = (Z −1) c 2.l a + Thể tích làm việc của thiết bị: V1 = V.t (m), Trong đó V là năng suất làm việc của thiết bị, t là thời gian lắng của bụi. + Tốc độ của dòng khí: h w = t Trong đó h là chiều cao làm việc của thiết bị, Đối với kiểu thiết bị lọc điện hình ống: + Thể tích ống: π.D 2 V = 1. 0 4 57
Trong đó l là chiều dài ống, D là đường kính ống. Cat«t KhÝ s¹ch ra KhÝ s¹ch ra ( ) Catot KhÝ cã bôi (+) An«t KhÝ cã bôi Bôi (+) Anot Bôi S¬ ®å läc tÜnh ®iÖn tÊm S¬ ®å mét èng läc tÜnh ®iÖn Hình 3.6C. Sơ đồ thiết bị lọc tĩnh điện + Số ống được tính theo biểu thức n = Vl /V0 Trong đó Vl là thể tích làm việc. + Tính điện thế và cường độ dòng tại các điện cực: U = E.l Trong đó E là gradien điện thế ( kV/ cm) và sẽ được chọn như sau: - Đối với khí lạnh: E từ 4,3 đến 4,5 kV/cm. - Đối với khí nóng: E từ 3,8 đến 4,0 kV/cm. I = i.l Trong đó i là mật độ dòng theo chiều dài (A/m) l là chiều dài hoạt động của điện cực âm. 58
KhÝ vµKhÝ bôicã bôi KhÝ s¹ch KhÝ s¹ch §êng§êng kÝnh kÝnh èng : 100 - 300 ( mm ) ChiÒu dµi èng : 2 - 3 ( m ) BôiBôi Hình 3.7A. Sơ đồ thiết bị lọc tĩnh điện ống KhÝ vµ bôi KhÝ s¹ch KhÝ cã bôi KhÝ s¹ch BôiBôi BôiBôi BôiBôi Hình 4.7B. Sơ đồ thiết bị lọc tĩnh điện tấm 59
Sự phụ thuộc của mật độ dòng vào khoảng cách giữa các diện cực có thể tham khảo ở bảng sau: Khoảng cách giữa các điện cực L ([cm]) < 10 < 15 < 20 Mật độ dòng ( i [A/m]) 0,3 - 0,4 0,5 0,6 - 0,7 Sơ đồ nhóm điện cực trong buồng lọc điện minh hoạ trên hình 7. Công suất tiêu tốn cho toàn bộ hệ lọc tính theo biểu thức: U.I.k.cosϕ P = 1,41.η Trong đó: U và I là điện áp và dòng cần cho quá trình lọc, k là hệ số chỉnh lưu dòng, η là hệ số hữu ích ( = 0,8 và cos = 0,7 - 0,75) P1 là công suất tiêu tốn cho các hoạt động phụ như rung bụi 1/1,41 là hệ số biên độ điện áp hiệu dụng. 3.7. PHƯƠNG PHÁP SỤC KHÍ QUA CHẤT LỎNG (NƯỚC) – PHƯƠNG PHÁP SỦI BỌT Đây là một trong các kiểu làm sạch khí thải khỏi bụi bằng phương pháp ướt có hiệu quả cao (với buị có đường kính lớn hơn 5 um, hiệu suất làm sạch khí đạt tới 99 %). 3.7.1. NGUYÊN LÝ Khí chứa bụi đi qua màng đục lỗ rồi qua lớp chất lỏng dưới dạng các bọt khí. Bụi trong các bọt khí bị thấm ướt và bị kéo vào pha nước tạo thành các huyền phù rồi được thải ra ngoài. Khí sau khi được làm sạch sẽ thải ra môi trường. Thiết bị làm sạch khí kiểu này phù hợp với nồng độ bụi khoảng 200 đến 300 mg/m3; công suất có thể lên tới 50.000 m3/h. 3.7.2. CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG Cấu tạo đơn giản của một thiết bị rửa khí kiểu sủi bọt được mô tả trên hình 3.8. 60
Khí được đi từ dưới lên thông qua một màng phân phối, lội qua nước, qua mang (lưới) rửa rồi ra ngoài. Nước được cấp liên tục vào cửa nước và lấy ra ở đáy cùng với huyền phù bụi. KhÝKhÝ ®· đ ãxö x lÝử lý ChÊt lángChấ (níc)t lỏng (nước) Ch§aất chÊtlỏng láng vµo TTÊmấm ch¾nchắn KhÝKhÝ vµ « nhiÔmbôi KhÝ cha vµ bôi xö lÝ HuyChÊtền láng phù th¶i bụi ra Hình 3.8. Sơ đồ thiết bị rửa khí kiểu sủi bọt + Diện tích màng ( lưới ) được tính theo biêủ thức: S = V / w Trong đó V là lưu lượng khí qua thiết bị, w là vận tốc khí. Vận tốc khí thường từ 0,7 đến 3,5 m/s. Nếu w quá nhỏ sẽ không tạo được bọt sủi lên; Khi w lớn quá sẽ phá vỡ lớp bọt (thành phun). Vận tốc w qua bề mặt tự do của màng (lưới) tương đối ổn định ở khoảng 2m/s. + Đường kính lỗ lưới khoảng từ 2 đến 8 mm. + Chiều cao của lớp bọt trên lưới ( màng) tính theo biểu thức: H = k1.w.(H o + k2 ) + 2H o Trong đó w là vận tốc khí đi qua lưới. k1 và k2 là hệ số thực nghiệm ( k1 = 0,35 và k2 = 0,075 - khi diện tích tự do của lỗ lưới nhỏ hơn 18% và k1 = 0,65; k2 = 0,015 - khi diện tích của lỗ lưới lớn hơn 18% và nhỏ hơn 30%). H0 là chiều cao của lớp chất lỏng ban đầu. + Hiệu suất làm sạch tính theo công thức: 61
G − G P = o .100 Go Trong đó: G0 là hàm lượng bụi ban đầu, G là hàm lượng bụi còn lại trong dòng khí sau khi đi qua thiết bị. Trong thực tế, tháp lọc thường được làm nhiều tầng để lọc bụi được sạch hơn. 3.8. PHƯƠNG PHÁP RỬA KHÍ LY TÂM 3.8.1. NGUYÊN LÝ Thực tế đây là thiết bị kết hợp lực ly tâm của cyclon với sự dập bụi của nước. Nước được phun đập vào thành hoặc từ trên xuống theo thành hình trụ của thiết bị, đồng thời khí được thổi theo dòng xoáy từ dưới đi lên. Bụi văng ra phía thành bị nước cuốn theo đi xuống cửa thoát dưới đáy. 3.8.2. CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG. Cấu tạo của thiết bị được mô tả như trên hình 3.9. Khí sạch ra KhÝ th¶i vµo Níc + bïn ra Níc vµo Hình 3.9. Sơ đồ hoạt động của một xyclon ướt 62
3.9. PHƯƠNG PHÁP RỬA KHÍ KIỂU VENTURI 3.9.1. NGUYÊN LÝ Dòng khí được dẫn qua một ống thắt, tại đây tốc độ dòng khí tăng lên cao (50 - 150 m/s). Khi vượt qua đầu cấp chất lỏng để ngỏ sẽ kéo theo dòng sol. Những hạt chất lỏng nhỏ bé đó sẽ làm ướt bụi cuốn theo và ngưng lại thành dạng bùn đi ra theo cưả dưới và dòng khí ra sẽ là khí sạch. Khí sau xử lý ra 5 Tách giọt Chất lỏng 4 Khí chưa xử lý vào 3 1 2 Dịch sau xử lý 6 Hình 3.10A. Sơ đồ nguyên lý của một thiết bị kiểu Venturi KhíKhÝ đ ãs¹ch xử lý KhÝKhÝ vµ bÈn bôi KhÝKhÝ vµovµ bôi Tia nướcTia CửaNíc nước vµo Cổ họngCæ høng Buång æn ®Þnh Cửa thoátNíc hơi vµ vàh¬i nướcra HuyÒn phï bôi Hình 3.10B. Thiết bị rửa khí kiểu venture 63
3.9.2. CẤU TẠO VÀ VẬN HÀNH Thiết bị rửa khí kiểu Venturi được mô tả trên hình 3.10A và 3.10B. Khí được dẫn vào theo cửa vào 1 qua cổ thắt 2, tại đây có đặt cửa cấp nước. Sau khi dẫn qua cửa 3 khí đi vào buồng lọc sol 4; tại đây có trang bị hệ thống tách sol là những tấm lưới đặt xiên so với thành buồng. Sol nước lẫn bụi ướt tích tụ lại ở phần đáy và được thải ra ngoài theo cửa 6. Khí sau khi tách sol và bụi được thoát ra ngoài theo cửa 5. Ngược lại với kiểu Venturi khí, người ta còn dùng dòng nước thay vì dòng khí thiết bị rửa khí kiểu này gọi là Venturi nước (hình 3.11). Dòng chất lỏng có vận tốc lớn đi qua cửa thắt sẽ tạo một áp suất âm ở khoảng không gian giữa dòng nước và thành cửa thắt (như kiểu bơm chân không dùng sức nước); khí thải sẽ bị cuốn vào qua cửa thắt, tiếp xúc với dòng phun của chất lỏng và quá trình tách bụi xảy ra giống như nguyên lý trong thiết bị Venturi khí. Nước (chất lỏng) sau khi tách phần lớn huyền phù bụi ở các ngăn bể tại phàn đáy của thiết bị được sử dụng tuần hoàn trở lại. Khí đi ra là khí sạch. Đối với thiết bị kiểu này, vận tốc của chất lỏng thường vào khoảng từ 20 đến 30 m/s; tốc độ dòng khí vào từ 10 đến 20 m/s. Thiết bị rửa khí này có thể lắp liên tiếp nhau qua nhiều bậc tuỳ theo yêu cầu độ sạch của khí ra. KhÝ cã bôi KhÝ cã bôi ChÊt láng röa KhÝ cã bôi ChÊt láng röa Th¸p röa Radialstrom Th¸p röa Ringspait Hình 3.11. Các cửa thắt của Venturi nước. 64