Đề tài SO2 và những ảnh hưởng tới môi trường không khí

MỞ ĐẦU Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường không khí không chỉ còn là vấn đề riêng lẻ của một quốc gia hay một khu vực mà nó đã trở thành vấn đề toàn cầu. Trực trạng phát triển kinh tế - xã hội của các quốc gia trên thế giới trong thời gian qua đã có những tác động lớn đến môi trường, đã làm cho môi trường sống của con người bị thay đổi và ngày càng trở nên tồi tệ hơn. Những năm gần đây nhân loại đã phải quan tâm nhiều đến vấn đề ô nhiễm môi trường không khí đó là: sự biến đổi của khí hậu – nóng lên toàn cầu, sự suy giảm tầng ôzôn và mưa axit.Ở Việt Nam ô nhiễm môi trường không khí đang là một vấn đề bức xúc đối với môi trường đô thị, công nghiệp và các làng nghề. Ô nhiễm môi trường không khí có tác động xấu đối với sức khỏe con người, ảnh hưởng đến các hệ sinh thái và biến đổi khí hậu (hiệu ứng nhà kính, mưa axit, suy giảm tầng ôzôn…) Trong số những chất gây ô nhiếm không khí gây nên nhưng hậu quả nghiêm trọng đó có một phần tác động không nhỏ của khí SO2 . Xuất phát từ những vấn đề trên chúng em chọn đề tài “ SO2 và những ảnh hưởng tới môi trường không khí ” làm đề tài của nhóm chúng em. I. Tổng quan về khí thải SO2 1. Giới thiệu chung về khí SO2 Lưu huỳnh đioxit , còn gọi là lưu huỳnh (IV) oxit, khí sunfurơ, anhiđrit sunfurơ 1. Cấu tạo phân tử * CTPT: SO2 * CTCT: 1.1.Tính chất vật lý- Lưu huỳnh điôxit là một khí vô cơ không màu, nặng hơn không khí. Nó có khả năng làm vẩn đục nước vôi trong, làm mất màu dung dịch Brôm và làm mất màu cánh hoa hồng (2 tính chất sau được ứng dụng để nhận biết SO2 và phân biệt nó với CO2). - Là chất khí không màu, mùi sốc, Độc khi hít nhiều gây khó thở,viêm đường hô hấp do khả năng tạo thành axit. - SO2 nặng hơn không khí, tan nhiều trong nước. 1.2. Tính chất hóa học a. Là một oxit axit SO2 + H2O --> H2SO3b. Lưu huỳnh đioxit là chất khử và là chất oxi hoá SO2 + Br2 + 2H2O --> 2HBr + H2SO4 (Phản ứng làm mất màu nước Brom). SO2 + 2KMnO4 + 2H2O --> K2SO4 + 2MnSO4 + 2 H2SO4 (Pư mất màu thuốc tím ). Tính oxi hoá: tác dụng với chất khử mạnh như: H2S, Mg,… SO2 + 2H2S -> 3S + 2H2O SO2 + 2Mg --> S + 2MgO 2. Ô nhiễm SO2 - Lưu huỳnh dioxit là một trong các chất chủ yếu gây ô nhiễm môi trường. Nó được sinh ra do sự đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch (than dầu khí đốt), thoát vào bầu khí quyển và là một trong những nguyên nhân chính gây mưa axit. Mưa axit tàn phá nhiều rừng cây, công trình kiến trúc bằng đá và kim loại, biến đất đai trồng trọt thành những vùng hoang mạc. Không khí chứa SO2 gây hại cho sức khỏe con người (gây viêm phổi, mắt,da ). - Sunfua dioxit (SO2) là chất ô nhiễm phổ biến nhất trong sản xuất công nghiệp cũng như trong các hoạt động của con người. Nguồn phát thải chủ yếu là từ các trung tâm nhiệt điện, từ các lò nung, lò hơi khí đốt nhiên liệu than, dầu và khí đốt có chứa S hay các hợp chất có chứa S. Ngoài ra, một số công đoạn trong công nghiệp hóa chất, luyện kim cũng thải vào khí quyển một lượng SO2 đáng kể. Trên thế giới hàng năm tiêu thụ đến 2 tỷ tấn than đá các loại và gần 1 tỷ tấn dầu mỏ. Khi thành phần lưu huỳnh trong nhiên liệu trung bình chiếm 1% thì lượng SO2 thải vào khí quyển là 60 triệu tấn / năm. Đó là chưa kể lượng SO2 thải ra từ các ngành công nghiệp khác. - Vấn đề ô nhiễm khí quyển bởi khí SO2 từ lâu đã trở thành mối hiểm hoại của nhiều quốc gia nhất là các nước phát triển trên thế giới. Chính những lý do nêu trên, công nghệ xử lý sunfua dioxit trong khí thải công nghiệp đã được nghiên cứu rất sớm và phát triển mạnh mẽ. - Ngoài tác dụng làm sạch khí quyển bảo vệ môi trường, xử lý SO2 còn có ý nghĩa kinh tế to lớn của nó bởi vì SO2 thu hồi được từ khí thải là nguồn cung cấp nguyên liệu cho các nhà máy sản xuất axit sunfuaric (H2SO4) và lưu huỳnh nguyên chất. Với tầm quan trọng nêu trên, vấn đề xử lý SO2 đang được quan tâm và lựa chọn phương pháp để thực hiện. II. Các nguồn phát thải SO2 1. Các hoạt động tự nhiên - Núi lửa phun ra những nham thạch nóng và nhiều khói bụi giàu sunfua. - Các quá trình phân hủy, thối rữa xác động thực vật tự nhiên cũng phát thải nhiều chất khí, các phản ứng hóa học giữa những khí tự nhiên hình thành các khí sunfua, nitrit…. gây nên ô nhiễm không khí. 2. Hoạt động sản xuất công nghiệp Hoạt động sản xuất công nghiệp với nhiều loại hình khác nhau được đánh giá là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường không khí đáng kể tại Việt Nam. Các tác nhân gây ô nhiễm chủ yếu phát sinh từ quá trình khai thác và cung ứng nguyên vật liệu đầu vào, khí thải từ các công đoạn sản xuất như đốt nhiên liệu hóa thạch, khí thải lò hơi, hóa chất bay hơi… Nguồn ô nhiễm không khí từ hoạt động công nghiệp thường có nồng độ các chất độc hại cao, tập trung trong một vùng. Tùy thuộc vào loại hình sản xuất, quy trình công nghệ, quy mô sản xuất và nhiên liệu sử dụng mà các hoạt động công nghiệp khác nhau sẽ phát sinh khí thải với thành phần và nồng độ khác nhau. Nhóm ngành sản xuất Nhóm ngành sản xuất Các ngành có lò hơi, lò sấy, máy phát điện đốt nhiên liệu nhằm cung cấp hơi, điện, nhiệt Bụi, SO2, CO, CO2, NO2, VOCs, muội khói Nhóm ngành nhiệt điện Bụi, CO, CO2, H2S, SO2, và NOx Nhóm ngành sản xuất xi măng Bụi, NO2, CO2, F Nhóm ngành sản xuất gang thép Bụi, gỉ sắt chứa các oxit kim loại (FeO, MnO, Al2O3, SiO2 , CaO, MgO); khí thải chứa CO2 , SOx. Nhóm ngành may mặc: từ công đoạn cắt may, giặt tẩy, sấy Bụi, Cl, SO2, Pingment, formandehit, HC, NaOH, NaClO Nhóm ngành sản xuất cơ khí, luyện kim Bụi, hơi kim loại nặng, CN-, HCl, SiO2, CO, CO2 Nhóm ngành sản xuất các sản phẩm từ kim loại Bụi kim loại đặc thù, hơi hóa chất, hơi dung môi hữu cơ, SO2, NO2 Nhóm ngành sản xuất hóa chất Bụi H2S, NH3, hơi dung môi hữu cơ, hóa chất đặc thù, bụi, SO2 , CO, NO2 Nhóm ngành khai thác dầu thô, khí CO, SO2, NOx, hơi HC Nhóm ngành khai thai sản xuất than và khoáng sản Bụi, SO2, NOx, CO, CO2 Bảng 1. Nhóm ngành sản xuất và khí thải phát sinh điển hình Các chất độc hại từ khí thải công nghiệp được phân loại thành các nhóm bụi, nhóm chất vô cơ và nhóm các chất hữu cơ với các chất ô nhiễm phổ biến gồm NO2 , SO2, VOC, TSP, các hóa chất và các kim loại. Trong đó lượng phát thải SO2, NO2 và TSP chiếm phần lớn trong tải lượng các chất ô nhiễm, còn lại là các chất ô nhiễm không khí khác. Bảng 2. Ước tính tải lượng một số thông số ô nhiễm không khí từ hoạt động công nghiệp trên cả nước năm 2009 (Nguồn: Ngân hàng Thế giới, 2010) Chất ô nhiễm Tải lượng (tấn/năm) Tỷ lệ % NO2 655.899 18,52 SO2 1.117.757 31,56 VOC 267.706 7,56 TSP 673.842 19,02 Các hóa chất 143.569 4,05 Các kim loại 960 0,03 Trong các nhóm ngành công nghiệp ở Việt Nam, các hoạt động: khai thác và chế biến than, sản xuất thép, sản xuất vật liệu xây dựng và nhiệt điện đang được đánh giá là những nguồn gây ô nhiễm môi trường không khí đáng kể hiện nay. 2.1. Ngành khai thác và chế biến than Khai thác và chế biến than là một trong những ngành công nghiệp góp phần giữ vững an ninh năng lượng và tăng trưởng kinh tế của Việt Nam. Theo thống kê, hiện có khoảng 28 doanh nghiệp khai thác, chế biến than nằm trong Tập đoàn công nghiệp Than và Khoáng sản Việt Nam. Song do công nghệ khai thác còn lạc hậu, các biện pháp giảm thiểu bụi, khí thải còn hạn chế nên các tác động đến môi trường không khí vẫn là vấn đề cần được chú ý trong ngành sản xuất này. Tác nhân gây ô nhiễm môi trường không khí phát sinh từ hoạt động của ngành khai thác và chế biến than chủ yếu là bụi (TSP, PM10) và một số chất ô nhiễm khác như SO2 , CO, NO2 , CH4 ... Mặc dù trong quá trình khai thác, chế biến và vận chuyển, các doanh nghiệp đã thực hiện một số biện pháp giảm thiểu tác động như trang bị hệ thống xử lý bụi (75%), che phủ xe vận chuyển, cải tiến dây chuyền sản xuất nhưng kết quả quan trắc cho thấy 100% các cơ sở khai thác và chế biến than có nồng độ bụi vượt ngưỡng quy chuẩn cho phép (QCVN 06:2009/BTNMT). 2.2. Ngành sản xuất thép Nguồn gây ô nhiễm không khí của hoạt động sản xuất thép chủ yếu phát sinh từ các khu vực sản xuất như nhà xưởng, lò than, khu vực tạo hình, khu vực tập kết sản phẩm với các khí thải chủ yếu: bụi, gỉ sắt chứa các oxit kim loại (FeO, MnO, Al2O3 , SiO2 , CaO, MgO); khí thải chứa CO2, SO2. Theo dự báo nhu cầu sử dụng các sản phẩm thép đến năm 2025, cả nước sẽ tiêu thụ khoảng 37 triệu tấn, kèm theo đó là một lượng lớn các khí thải phát sinh. Bảng 3. Ước tính các chất phát thải vào môi trường theo sản lượng quy hoạch phát triển ngành thép đến 2025 Đơn vị: tấn/năm Các chất phát thải 2010 2015 2020 2025 SO2 3.913 7.825 14.018 21.356 NO2 816 1.696 3.012 4.584 CO 498 1.091 1.916 2.912 Bụi tổng hợp 573 1.393 2.396 3.632 (Nguồn: Viện Nghiên cứu Chiến lược, Chính sách Công nghiệp, Bộ Công thương, 2009) 2.3. Ngành sản xuất vật liệu xây dựng Ngành công nghiệp sản xuất xi măng là ngành công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá. Tuy nhiên ngành công nghiệp này lại được coi là một trong những ngành có tác động nhiều và đặc trưng tới môi trường không khí. Bảng 4. Ước tính tải lượng các chất phát thải vào môi trường từ sản xuất xi măng Các chất phát thải 2011 2015 2020 Bụi 0,65 1,075 1,34 SO2 0,086 0,14 0,18 Đơn vị: triệu tấn/năm (Nguồn: Viện Vật liệu xây dựng, Bộ Xây dựng, 2013) Các ngành sản xuất vật liệu xây dựng khác cũng gây ảnh hưởng đến chất lượng không khí tại các khu vực xung quanh trong quá trình hoạt động. Việc khai thác và chế biến đá gây ô nhiễm bụi từ quá trình nổ mìn, đập nghiền và bốc xúc đá. Ngoài bụi, quá trình khai thác còn phát sinh ra các khí: CO, NOx , SO2 , H2S,… do nổ mìn và sử dụng dầu diezen. Hoạt động sản xuất gốm sứ, gạch nung, gạch ốp lát, do sử dụng than làm nhiên liệu nên khí thải chủ yếu là bụi và SO2. Bảng 5. Ước tính tải lượng các chất phát thải vào môi trường từ sản xuất vật liệu xây dựng Đơn vị: triệu tấn/năm Các chất phát thải 2011 2015 2020 Bụi 2,82 3,43 4,1 SO2 0,73 0,87 1,03 CO2 280,7 342,8 446,5 (Nguồn: Viện Vật liệu xây dựng, Bộ Xây dựng, 2013) 2.4. Ngành nhiệt điện - Các nhà máy nhiệt điện tập trung chủ yếu tại khu vực phía Bắc (Quảng Ninh, Ninh Bình, Hải Dương,…) và khu vực phía Nam (Bà Rịa – Vũng Tàu, Cần Thơ, Tp. Hồ Chí Minh) và hầu hết các nhà máy nhiệt điện đốt than cũ chủ yếu sử dụng nhiệt điện ngưng hơi, lò hơi tuần hoàn tự nhiên, công suất thấp, không đáp ứng yêu cầu về môi trường. - Mỗi loại hình sản xuất của ngành nhiệt điện sẽ phát sinh các loại khí thải khác nhau. Lượng phát thải các chất gây ô nhiễm cũng phụ thuộc vào loại nguyên liệu và công nghệ sử dụng. Trong đó, nhiệt điện than phát thải một lượng lớn khí SO2 , NOx và CO2. Bảng 6. Ước tính tải lượng các chất ô nhiễm trong khí thải từ các nhà máy nhiệt điện trên toàn quốc năm 2009 Đơn vị: tấn/năm (CO2 : nghìn tấn/năm) Loại nguồn điện Bụi SO2 NOx CO2 Nhiệt điện than 1.008 31.494 32.342 16.501 Nhiệt điện dầu 6.902 56 3.429 25.077 (Nguồn: Viện Nghiên cứu Chiến lược, Chính sách công nghiệp, Bộ Công thương, 2010) 2.5 Khí thải từ các lò hơi Bảng 7. Các chất ô nhiễm trong khói thải lò hơi Lò hơi đốt bằng củi Khói + tro bụi + CO + CO2 Lò hơi đốt bằng than đá Khói + tro bụi + CO + CO2 + SO2 + SO3 + NOx Lò hơi đốt bằng dầu F.O Khói + tro bụi + CO + CO2 + SO2 + SO3 + NOx Bảng 8. Nồng độ các chất trong khí thải lò hơi đốt dầu F.o Chất gây ô nhiễm Nồng độ (mg/m3) SO2 và SO3 5217 - 7000 CO 50 Tro bụi 280 Hơi dầu 0,4 NOx 428 (Trích Sổ tay hướng dẫn xử lý ô nhiễm môi trường trong sản xuất tiểu thủ công nghiệp – Xử lý khói lò hơi – Sở Khoa học, Công nghệ và môi trường Tp.HCM ) III. Tác hại của SO2 - Khí SO2 là một chất khí ô nhiễm khá điển hình. SO2 có khả năng hòa tan trong nước cao hơn các khí gây ô nhiễm khác nên dễ phản ứng với cơ quan hô hấp của con người và động vật. - Độc tính chung của SO2 thể hiện ở rối loạn chuyển hóa protein và đường, thiếu vitamin B và C, ức chế enzyme oxydaza. - Khi hàm lượng thấp, SO2 làm sưng niêm mạc. Khi liều lượng cao ( > 0,5 mg/m3) SO2 gây tức thở, ho, viêm loét đường hô hấp. Nếu hít phải SO2 nồng độ cao có thể gây tử vong. - Khí SO2 là khí độc hại không chỉ đối với sức khỏe con người, động thực vật mà còn tác động lên các vật liệu xây dựng, các công trình kiến trúc,làm thiệt hại mùa màng, nhiễm độc cây trồng. SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua các cơ quan hô hấp hoặc các cơ quan tiêu hóa sau khi được hòa tan trong nước bột. Và cuối cùng chúng có thể xâm nhập vào hệ tuần hoàn. Khi tiếp xúc với bụi, SO2 có thể tạo ra các hạt axit nhỏ, các hạt này có thể xâm nhập vào các các tuyến huyết mạch nếu kích thước của chúng nhỏ hơn 2 – 3 µm. SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua da và gây ra các chuyển đổi hóa học, kết quả của nó là hàm lượng kiềm trong máu giảm, ammoniac bị thoát qua đường tiểu và có ảnh hưởng đến tuyến nước bột. Hầu hết dân cư sống quanh khu vực nhà máy các khu công nghiệp có nồng độ SO2 đều mắc bệnh đường hô hấp. - Khí SO2 trong khí quyển khi gặp các chất oxy hóa dưới tác động của nhiệt độ, ánh sáng chúng chuyển thành SO3. Khi gặp nước SO3 + H2O = H2SO4 là nguyên nhân gây nên mưa axit gây thiệt hại lớn, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển của thực vật. Khi tiếp xúc với môi trường có chứa hàm lượng SO2 từ 1 – 2 ppm trong vài giờ có thể gây thương tổn lá cây. Đối với các loại thực vật nhạy cảm như nấm, địa y, hàm lượng 0,15 – 0,3 ppm có thể gây độc tính cấp. - Sự có mặt của SO2 trong không khí ẩm còn là tác nhân gây ăn mòn kim loại, bê tông và các công trình kiến trúc. SO2 làm hư hỏng, làm thay đổi tính năng vật lý, làm thay đổi màu sắc vật liệu xây dựng như đá vôi đá hoa cương, đá cẩm thạch, phá hoại các tác phẩm điêu khắc, tượng đài. Sắt, thép và các kim loại khác ở trong môi trường khí ẩm, nóng và bị nhiễm SO2 thì bị han gỉ rất nhanh. SO2 cũng làm hư hỏng và giảm tuổi thọ các sản phẩm vải, nylon, tơ nhân tạo, đồ bằng da và giấy… * Sau đây là phạm vi nồng độ gây độc và các triệu chứng biểu hiện khi nhiễm khí SO2: Bảng 9.Nồng động và tác động Nồng độ SO2 trong khí SO2 Tác hại gây độc 0,0008 – 0,013 Có thể ngửi thấy mùi 0,020 – 0,030 Có kích thích đối với cổ họng. 0,05 Kích thích mạnh đối với cổ họng gây ho. 0,130 – 0,260 Chịu đựng được khoảng 0,5 đến giờ. 1,000 – 1,200 Trong thời gian ngắn có thể gây nhiễm độc nặng. 1. Đối với sức khỏe con người - SO2 là chất có tính kích thích, ở nồng độ nhất định có thể gây co giật ở cơ trơn của khí quản. Ở nồng độ lớn hơn sẽ gây tăng tiết dịch niêm mạc đường khí quản. Khi tiếp xúc với mắt, chúng có thể tạo thành axit. - SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua các cơ quan hô hấp hoặc các cơ quan tiêu hóa sau khi được hòa tan trong nước bọt. Cuối cùng, chúng có thể xâm nhập vào hệ tuần hoàn. - Khi tiếp xúc với bụi, SO2 có thể tạo ra các hạt axit nhỏ có khả năng xâm nhập vào các huyết mạch nếu kích thước của chúng nhỏ hơn 2-3 μm. - SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể qua da và gây ra các chuyển đổi hóa học. Kết quả là hàm lượng kiềm trong máu giảm, ammoniac bị thoát qua đường tiểu và có ảnh hưởng đến tuyến nước bọt. - Trong máu, SO2 tham gia nhiều phản ứng hóa học, gây rối loạn chuyển hóa đường và protein, gây thiếu vitamin B và C, ức chế enzyme oxydaza, tạo ra methemoglobine để chuyển Fe2+ (hòa tan) thành Fe3+ (kết tủa) gây tắc nghẽn mạch máu cũng như làm giảm khả năng vận chuyển oxy của hồng cầu, gây co hẹp dây thanh quản, khó thở. Bảng 10. Liều lượng gây độc đối với sức khỏe con người mg SO2/m3 Tác hại 20 - 30 Giới hạn gây độc tính 50 Kích thích đường hô hấp, ho 130 - 260 Liều nguy hiểm sau khi hít thở (30 - 60 phút) 1000 - 1300 Liều gây chết nhanh (30 - 60 phút) 2. Đối với môi trường - SO2 bị oxy hóa ngoài không khí và phản ứng với nước mưa tạo thành axit sulfuric hay các muối sulfate gây hiện tượng mưa axit, ảnh hưởng xấu đến môi trường. * Quá trình hình thành mưa axit của SO2 - Phản ứng hoá hợp giữa lưu huỳnh điôxít và các hợp chất gốc hiđrôxyl: SO2 + OH· → HOSO2· - Phản ứng giữa hợp chất gốc HOSO2· và O2 sẽ cho ra hợp chất gốc HO2. và SO3 : HOSO2· + O2 → HO2· + SO3 - Lưu huỳnh triôxít SO3 sẽ phản ứng với nước và tạo ra H2SO4. Đây chính là thành phần chủ yếu của mưa axít. SO3(k) + H2O(l) → H2SO4(l) * Các tác hại của mưa axit - Nước hồ bị axit hóa: mưa axit rơi trên mặt đất sẽ rửa trôi các chất dinh dưỡng trên mặt đất và mang các kim loại độc hại xuống ao hồ, gây ô nhiễm nguồn nước trong hồ, phá hỏng các loại thức ăn, uy hiếp sự sinh tồn của các loài cá và các sinh vật khác trong nước. - Rừng bị hủy diệt và sản lượng nông nghiệp bị giảm: mưa axit làm tổn thương lá cây, gây trở ngại quá trình quang hợp, làm cho lá cây bị vàng và rơi rụng, làm giảm độ màu mỡ của đất và cản trở sự sinh trưởng của cây cối. - Làm tổn hại sức khỏe con người: các hạt sulfate, nitrate tạo thành trong khí quyển làm hạn chế tầm nhìn. Hơn nữa, do hiện tượng tích tụ sinh học, khi con người ăn các loại cá có chứa độc tố, các độc tố này sẽ tích tụ trong cơ thể và gây nguy hiểm đối với sức khỏe con người. - Gây ăn mòn vật liệu và phá hủy các công trình kiến trúc. Bảng các giá trị PH pH<6,0 Các sinh vật bậc thấp của chuỗi thức ăn bị chết (phù du…), đây là nguồn thức ăn quan trọng của cá. pH<5,5 Cá không thể sinh sản được. Cá con khó sống sót. Cá lớn bị dị dạng do thiếu dinh dưỡng. Cá bị chết do ngạt pH<5,0 Quần thể cá bị chết. pH<4,0 Xuất hiện các sinh vật mới khác với các sinh vật ban đầu. IV. Phương pháp xử lý SO2 1. Phương pháp hấp thụ - Khái niệm: Hấp thụ là một quá trình cơ bản của kỹ thuật hóa học mà trong lĩnh vực kiểm soát ô nhiễm không khí, quá trình này cũng thường xuyên được ứng dụng để xử lý các hơi khí độc hại. Hấp thụ là một quá trình truyền khối mà ở đó các phân tử chất khí chuyển dịch và hòa tan vào pha lỏng. Sự hòa tan có thể diễn ra đồng thời với một phản ứng hóa học giữa các hợp phần giữa pha khí và pha lỏng hoặc không có phản ứng hóa học. Chuyển khối thực chất là một quá trình khuếch tán mà ở đó chất khí ô nhiễm dịch chuyển từ trạng thái có nồng độ cao hơn đến trạng thái có nồng độ thấp hơn. Việc khử chất khí ô nhiễm diễn ra theo ba giai đoạn: - Khuếch tán chất ô nhiễm đến bề mặt chất lỏng. - Truyền ngang qua bề mặt tiếp xúc pha khí / lỏng ( hòa tan ). - Khuếch tán chất khí hòa tan từ bề mặt tiếp xúc pha vào trong pha lỏng. Sự chênh lệch nồng độ ở bề mặt tiếp xúc pha thuận lợi cho động lực của quá trình và quá trình hấp thụ khí diễn ra mạnh mẽ trong điều kiện diện tích bề mặt tiếp xúc lớn, độ hỗn loạn cao và hệ số khuếch tán cao. Bởi vì một số hợp phần của hỗn hợp khí có khả năng hòa tan mới có thể hòa tan được trong chất lỏng, cho nên quá trình hấp thụ chỉ có hiệu quả cao khi lựa chọn dung dịch chất hấp thụ có tính hòa tan cao hoặc những dung chất phản ứng không thuận nghịch với chất khí cần hấp thụ. * Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ: - Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi các điều kiện khác không đổi mà nhiệt độ tháp tăng thì hệ số Henry sẽ tăng. Kết quả là ảnh hưởng đường cân bằng dịch chuyển về phía trục tung. Nếu đường làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ giảm. Thậm chí có khi tháp không làm việc được vì nhiệt độ tăng quá so với yêu cầu kỹ thuật. Nhưng nhiệt độ tăng cũng có lợi là làm cho độ nhớt cả hai pha khí và lỏng tăng. - Ảnh của áp suất: Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất trong tháp thì hệ số cân bằng sẽ tăng và cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục hoành. Khi đường làm việc AB không đổi dẫn đến động lực trung bình tăng qua trình truyền khối sẽ tốt hơn. Tuy nhiên, việc tăng áp suất thường kèm theo sự tăng nhiệt độ. Mặt khác, sự tăng áp suất cũng gây khó khăn trong việc chế tạo và vận hành của tháp hấp thụ - Ảnh hưởng của các yếu tố khác: Tính chất của dung môi, loại thiết bị, cấu tạo thiết bị, độ chính xác của dụng cụ đo, chế độ vận hành tháp…đều có ảnh hưởng đến hiệu suất hấp thụ. Để hấp thụ khí SO2 có thể sử dụng nước, dung dịch hoặc huyền phù của muối kim loại kiềm hoặc kiềm pha. * Hấp thụ bằng nước Hấp thu bằng nước là phương pháp đơn giản được áp dụng sớm nhất để loại bỏ khí SO2 trong khí thải, nhất là trong khói từ các loại lò công nghiệp. Quá trình xảy ra theo phản ứng: SO2 + H2O « H+ + HSO3- Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng nước gồm 2 giai đoạn: - Hấp thụ SO2 bằng cách phun nước vào dòng khí thải hoặc cho khí thải đi qua lớp vật liệu đệm ( vật liệu rỗng ) cod tưới nước – scrubơ. - Giải thoát khí SO2 ra khỏi chất hấp thụ để thu hồi SO2 (nếu cần) và nước sạch. Mức độ hòa tan của khí SO2 trong nước giảm khi nhiệt độ nước tăng cao, do đó nhiệt độ nước cất vào hệ thống hấp thụ khí SO2 phải đủ thấp. Còn để giải thoát khí SO2 khỏi nước thì nhiệt độ của nước phải cao. Cụ thể là 1000C thì SO2 bốc ra một cách hoàn toàn và trong khí thoát ra có lẫn cả hơi nước. Bằng phương pháp ngưng tụ người ta có thể thu được khí SO2 với độ đậm đặc » 100% để dùng vào mục đích sản xuất axit sunfuric. Lượng nước thực tế phải lớn hơn một ít so với lượng nước lý thuyết vì nước sau khi ra khỏi thiết bị hấp thụ không thể đạt tới mức bão hòa khí SO2 . Để giải hấp thụ cần phải đun nóng một lượng nước rất lớn tức phải có một nguồn cấp nhiệt công suất lớn. Ngoài ra, để sử dụng lại nước cho quá trình hấp thụ phải làm nguội nước xuống gần 100C – tức phải cần đến nguồn cấp lạnh. Đây là vấn đề không đơn giản và khá tốn kém. - Từ những vấn đề trên phương pháp hấp thụ khí SO2 bằng nước chỉ áp dụng được khi: + Nồng độ ban đầu của khí SO2 trong khí thải tương đối cao. + Có sẵn nguồn cấp nhiệt (hơi nước) với giá rẻ. + Có sẵn nguồn nước lạnh. Có thể xả được nước có chứa ít nhiều axit ra sông ngòi. Sơ đồ hệ thống xử lý SO2 bằng nước: Hình 1: Sơ đồ xử lý khí SO2 bằng nước 1- tháp hấp thu; 2 - tháp giải thoát khí SO2 ; 3 - thiết bị ngưng tụ 4,5 - thiết bị trao đổi nhiệt; 6 - bơm 2. Hấp thụ SO2 bằng sữa vôi - Xử lý SO2 bằng sữa vôi là phương pháp được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp vì hiệu quả xử lý rất cao, nguyên liệu rẻ tiền và có sẵn ở mọi nơi. Khí SO2 được thu hoài trong tháp rữa bằng sữa vôi, sữa vôi có tác dụng với SO2 theo phản ứng: SO2 + Ca(OH)2 = CaSO3 + H2O - Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư ban đầu không lớn, có thể chế tạo thiết bị bằng vật liệu thông thường, không cần vật liệu chống axit và không chiếm nhiều diện tích xây dựng. Sơ đồ công nghệ Hình 2: Sơ đồ xử lý SO2 bằng sữa vôi 3. Xử lý khí SO2 bằng amoniac: - Ammoniac và khí SO2 trong dung dịch nước có phản ứng với nhau và tạo ra muối trung gian amoni sunfit lại tác dụng tiếp với SO2 và H2O để tạo ra muối amoni bisunfit theo phản ứng sau: SO2 + 2NH3 = (NH4)2SO3 (NH4)2SO3 + SO2 + H2O = 2NH4HSO3 - Lượng bisunfit tích tụ dần trong dung dịch có thể hoàn nguyên bằng cách nung nóng trong chân không, kết quả thu được amoni sunfit và SO2. Amoni sunfit này có thể sử dụng tiếp để khử SO2: 2NH4HSO3 ® (NH4)2SO3 + SO2# + H2O - Ngoài ra, trong dung dịch có thể xảy ra sự phân hủy sunfit và bisunfit amoni thành sunfat amoni và lưu huỳnh đơn chất theo phản ứng sau đây: 2NH4HSO3 + (NH4)2SO3 = 2(NH4)2SO4 + S + H2O - Lưu huỳnh đơn nguyên chất hình thành theo phản ứng trên đến lượt mình lại tác dụng với amoni sunfit và tạo thiosunfat : (NH4)2SO3 + S = (NH4)2S2O3 - Sau đó thiosunfat lại kết hợp với amoni bisunfit và tạo ra lưu huỳnh đơn chất nhiều hơn gấp 2 lần (NH4)2S2O3 + 2NH4HSO3 = 2(NH4)2SO4 + 2S + H2O - Lưu huỳnh đơn chất lại tác dụng với sunfit. Cứ như vậy tốc độ phản ứng phân hủy dung dịch làm việc tăng dần và dung dịch làm việc sẽ hoàn toàn biến thành amoni sunfat và lưu huỳnh đơn chất. · Sơ đồ công nghệ: Hình 3: Sơ đồ xử lý SO2 bằng ammoniac. 1- scrubơ; 2,4- thiết bị làm nguội; 3- tháp hấp thu nhiều tầng; 5- tháp hoàn nguyên; 6- tháp bốc hơi; 7- thùng kết tinh 8- máy vắt khô ly tâm; 9- nồi chưng áp. 4. Xử lý bằng magie oxit (MgO): Phương pháp này dựa trên các phản ứng sau: MgO + SO2 = MgSO3 Magie sunfit lại tác dụng tiếp với SO2 để cho bisunfit : MgSO3 + SO2 +H2O = Mg(HSO3)2 Một phần magie sunfit tác dụng với oxy trong khói thải để tạo thành sunfat: 2MgSO3 + O2 = 2MgSO4 Magie sunfat không có hoạt tính đối với SO2 do đó phản ứng oxy hóa sunfit là không mong muốn. Tuy nhiên khi nồng độ MgSO4 trong dung dịch làm việc đạt 120 ¸ 160 g/l thì quá trình oxy hóa sunfit trong nước sẽ ngưng lại không tiếp tục xảy ra nữa. Magie bisunfit có thể bị trung hòa bằng cách bổ sung thêm MgO mới: Mg(HSO3)2 + MgO = 2MgSO3 + H2O Độ hòa tan của magie sunfit trong nước rất hạn chế, do đó MgSO3 sẽ kết tủa thành tinh thể hexahydrat MgSO3.6H2O và ở nhiệt độ 50oC hexahydrat biến thành trihydrat MgSO3.3H2O. Các tinh thể được tách ra khỏi dung dịch huyền phù, sấy khô và xử lý nhiệt ở nhiệt độ 800 ¸ 900oC để thu hồi MgO và SO2. Magie oxit được quay trở lại chu trình làm việc, còn SO2 đậm đặc có thể đưa sang công đoạn chế biến axit sunfuaric hoặc lưu huỳnh đơn chất. 5. Xử lý SO2 bằng kẽm oxit ZnO: Ưu điểm chung của phương pháp này là quá trình phân ly kẽm sunfit ZnSO3 thành SO2 và ZnO xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với quá trình phân ly bằng nhiệt đối với MgSO3. Áp suất bão hòa của SO2 trên MgSO3 bằng 1atm ở nhiệt độ 650oC, trong lúc đối với ZnSO3 áp suất hơi bão hòa như trên có ở nhiệt độ chỉ bằng 260oC. Điều đó cho phép tiến hành phân ly ZnSO3 trong lò múp và thu hồi SO2 với nồng độ » 100% trong lúc MgSO3 được phân ly trong dòng sản phẩm cháy của nhiên liệu nung và chỉ đạt nồng độ không vượt quá 15 ¸ 20%. 6. Xử lý SO2 bằng các chất hấp thụ hữu cơ: - Quá trình xử lý khí SO2 trong khí thải bằng các chất hữu cơ được áp dụng nhiều trong công nghiệp luyện kim màu. Chất hấp thu SO2 được sử dụng phổ biến là các amin thơm như aniline C6H5NH2, toluidin CH3C6H4NH2, xylidin (CH3)2C6H3NH2 và dimetyl-anilin C6H5N(CH3)2. Thực tế cho thấy dung dịch xylidin trong nước có nhiều ưu điểm khi sử dụng để khử SO2 trong khói thải với nồng độ thấp, còn khi nồng độ SO2 trong khói thải tương đối cao (trên 2%) thì dimetyl- aniline có ưu thế hơn. - Quá trình sunfidin: Khí thải sơ bộ được làm nguội và lọc sạch bụi trong thiết bị lọc bằng điện, sau đó cho qua các tháp hấp thu đặt nối tiếp nhau. Các tháp hấp thu được tưới hỗn hợp xylidin- nước theo sơ đồ chuyển động ngược chiều của dòng khí và dung dịch hấp thụ. Trong quá trình hấp thụ SO2 bằng xylidin có tỏa ra một lượng nhiệt đáng kể, do đó cần làm nguội dung dịch bằng các thiết bị trao đổi nhiệt. Khí sạch đi ra khỏi tháp hấp thụ có chứa hơi xylidin cần cho qua scrubơ để thu hồi hơi xylidin bằng axit sunfuric loãng. - Quá trình khử SO2 bằng dimetylanilin – quá trình ASARCO Khí thải sau khi được lọc sạch bụi và các giọt sương axit sunfuric bằng bộ lọc điện và sucrubơ được đưa vào tháp hấp thụ trong đó xảy ra ba quá trình sau: + Hấp thu khí SO2 bằng dimetyl – aniline khan. + Khử SO2 còn lại trong khí bằng dung dịch natri cacbonat loãng để thu sunfit và bisunfit natri dùng cho các giai đoạn tiếp theo. + Hấp thu hơi dimetyl – aniline bằng axit sunfuric loãng và thu được sunfat dimetyl– aniline. * Lựa chọn thiết bị: Để hấp thụ khí SO2, các thiết bị hấp thu phải đáp ứng yêu cầu sau: · Hiệu quả hấp thụ cao. · Lưu lượng dòng khí phải lớn. · Trở lực thấp. · Cấu tạo đơn giản, dễ vận hành. · Ít kim loại. · It bám cặn. Thiết bị hấp thụ có chức năng tạo ra bề mặt tiếp xúc giữa pha khí và pha lỏng càng lớn càng tốt. Sau đây là một số loại tháp thông dụng: - Tháp đệm: + Chất lỏng thường được cho vào từ đỉnh tháp và được làm cho nhỏ giọt đều lớp vật liệu đệm có diện tích bề mặt rộng lớn. Dòng chảy lỏng – khí trong tháp đệm thường là dòng chảy ngược chiều. Tốc độ tối đa của các dòng chất lỏng và chất khí trong các tháp này được xác định bởi các yếu tố giới hạn như sự ngập lụt và sự lôi cuốn theo. + Đặc điểm của tháp đệm là: Xảy ra hiện tượng ngập lụt khi lượng chất lỏng biến đổi, đường kính tháp nhỏ, chất lỏng dâng lên thấp, tổn thất áp suất thấp, khối lượng khô của lớp đệm nặng hơn mâm và giá thành thấp. Các tháp đệm được ưa chuộng đối với những hệ thống lắp đặt nhỏ, bảo dưỡng ăn mòn, các chất lỏng tạo bọt cao, tỉ lệ lỏng /khí (L/G) cao và yêu cầu độ giảm áp thấp. + Ưu điểm: Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa khí và dung dịch lớn, khả năng hòa trộn giữa hai pha nhiều và thời gian lưu lớn. - Tháp mâm: + Tháp mâm có cấu tạo là một thân tháp hình trụ thẳng đứng trong đó có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau. Hai mâm thông dụng nhất là mâm chóp sủi bọt và mâm lưới sang. + Chất lỏng đi vào tháp ở đỉnh hoặc tại một mâm thích hợp nào đó và chảy xuống nhờ trọng lực qua mỗi mâm bằng ống chảy chuyền. Pha khí đi từ dưới lên qua mỗi mâm nhờ các khe hở do cấu tạo của mâm tạo nên. Trong các mâm, sự tiếp xúc giữa pha lỏng và pha khí diễn ra ở các mâm (chính xác hơn là diễn ra liên tục như trong một. + Đặc điểm của tháp mâm là: Không gây ngập lụt khi biến động lượng chất lỏng, đường kính tháp lớn, chất lỏng dâng lên cao, tổn thất áp suất lớn, khối lượng khô của mâm ít hơn lớp đệm và giá thành cao. - Tháp phun: + Tháp phun là tháp có cơ cấu phun chất lỏng bằng cơ học hay bằng áp suất, trong đó chất lỏng được phun thành những giọt nhỏ trong thể tích rỗng của thiết bị và cho dòng khí đi qua. + Các tháp phun thường được áp dụng trong những trường hợp đòi hỏi độ giảm áp pha khí là nhỏ nhất và có sự hiện diện của các bụi lơ lửng trong dòng khí thải. + Tháp hấp thu phải thoải mãn các yêu cầu sau: Hiệu quả và có khả năng cho khí đi qua, trở lực thấp (<3000 pa), kết cấu đơn giản và vận hành thuận tiện, khối lượng nhỏ, không bị tắc nghẽn bởi cặn sinh ra trong quá trình hấp thu. Khi đồng thời hấp thụ nhiều khí, vận tốc hấp thụ mỗi khí bị giảm xuống. Khí hấp thụ hóa học trong tháp xuất hiện đối lưu bề mặt, nghĩa là trên bề mặt phân chia pha xuất hiện dòng đối lưu cưỡng bức thúc đẩy quá trình truyền khối. Như vậy chọn thiết bị là tháp mâm xuyên lổ và dung dịch hấp thu SO2 là Ca(OH)2 vì các lý do sau: · Hiệu quả hấp thụ tốt. · Dễ chế tạo. · Dễ vận hành. · Giá thành chế tạo không cao. · Xử lý được với các khoảng dao động nồng độ rộng. · Xử lý được với loại khí thải có nồng độ cao. · Xử lý được với nhiều loại khí thải hoặc hỗn hợp khí thải. V. Đánh giá khí SO2 tại Việt Nam - Nhìn chung, nồng độ SO2 xung quanh các khu công nghiệp còn thấp. Khi so sánh với QCVN 05:2013 trung bình 24 giờ và trung bình năm thì tại hầu hết các điểm đo, nồng độ SO2 đều nằm dưới ngưỡng cho phép. - Gần các khu vực nhà máy nhiệt điện, nhà máy lọc dầu, lò đốt công nghiệp có công suất lớn, nồng độ SO2 tăng cao rõ rệt so với các khu vực khác. Năm 2010, nhiều vị trí xung quanh nhà máy lọc dầu Dung Quất, nồng độ SO2 đo được vượt quy chuẩn cho phép, thậm chí vượt trên 100% (Trung tâm Kỹ thuật quan trắc môi trường, Ban quản lý Khu kinh tế Dung Quất, 2010) - Nồng độ khí SO2 đo được xung quanh các khu công nghiệp miền Bắc cao hơn hẳn so với các khu vực xung quanh các khu công nghiệp ở các tỉnh phía Nam. VI. Đề xuất giải pháp : - Kiểm soát chặt chẽ các ngành công nghiệp sử dụng nhiều năng lượng và gây ô nhiễm môi trường. - Các cơ sở sản xuất lạc hậu, gây ô nhiễm môi trường phải đổi mới. - Cơ sở sản xuất công nghiệp cũng cần kiểm soát chặt chẽ việc phát thải bụi, các khí thải độc hại vào môi trường không khí xung quanh. - Áp dụng các giải pháp, công nghệ sản xuất sạch hơn, sử dụng nhiên liệu hiệu quả hơn hay thay thế nguồn nhiên liệu ít gây ô nhiễm, sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng. - Các khu công nghiệp nên đầu tư lắp đặt các hệ thống giám sát và xử lý khí thải. - Đẩy mạnh các hoạt động nghiên cứu và ứng dụng khoa học công nghệ. Nghiên cứu và có những đề xuất phù hợp đối với việc ứng dụng sản xuất sạch hơn, các công nghệ xử lý khí thải tiên tiến, phù hợp với điều kiện. - Mở rộng các hình thức tuyên truyền, phổ biến thông tin cho cộng đồng về chất lượng môi trường không khí xung quanh đối với sức khoẻ của cộng đồng cũng như ảnh hưởng của nó tới chất lượng sống nhằm thu hút sự ủng hộ tham gia của cộng đồng trong các hoạt động bảo vệ môi trường.