LÀM SẠCH KHÔNG KHÍ, GIẢM NOx BẰNG HYDRO PEROXIDE (H2O2)

Để làm sạch không khí, kiểm soát được NOx , cần phương pháp xử lí khí thải phức tạp hơn. John M. Kasper  cùng cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng của H2O2 ( Hydrogen peroxide ) trong xử lí không khí năm 2012. Kĩ thuật kiểm soát NOx  này được xem là khả thi về mặt kinh tế. Là một giải pháp thay thế SCR vì chi phí đầu tư thấp.

Contents

Tại sao cần làm sạch ôxit nitơ NOx trong không khí?

Oxit nito (NOx) và oxit lưu huỳnh (SOx) là 2 tiêu chí không khí đối với các chất ô nhiễm. NOx và SOx được thải ra với số lượng lớn từ các nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch. Phát thải SOx hiện đang được giảm đáng kể ở nhiều nơi bằng cách làm ướt khí thải hoặc khói lò. Còn đối với NOx trong khí thải lại không thể giảm. 

Theo luật không khí sạch (sửa đổi năm 1990), hai chất gây ô nhiễm không khí được quy định là lưu huỳnh dioxide (SO2) và nito oxide (NOx). Cho đến thời điểm hiện tại vẫn chưa tìm được cách để loại bỏ được hoàn toàn NOx. Vì NO có độ hòa tan thấp. NO là thành phần chính của NOx trong khí thải của quá trình cháy. Khả năng hòa tan của các khí NOx có thể tăng lên rất nhiều nếu được oxy hóa đến NO2, HNO2 và HNO3. .Phản ánh bởi các hằng số của Henry được trình bày trong bảng sau:

Các phương pháp làm sạch không khí hiện tại:

  • Chủ yếu người ta kiểm soát quá trình đốt cháy để hạn chế sự hình thành NOx .
  • Các kĩ thuật khử hóa học là một phương pháp giúp giảm nồng độ NOx thành N2. 
  • Ngoài ra đầu đốt NOx thấp cũng tương đối rẻ nhưng chỉ có thể giảm phát thải NOx khoảng tầm 50%. 
  • Phương pháp chọn lọc khử xúc tác (SCR) cũng được sử dụng để giảm nồng độ NOx với hiệu quả cao nhưng giá thành lại khá đắt. 
  • Việc loại bỏ NOx trong máy chà ướt có thể được cải thiện bởi quá trình oxy hóa pha khí của NO thành NO2, HNO2 và HNO3. 

*Quá trình oxy hóa này được thực hiện bằng cách bơm hydrogen peroxide lỏng vào khí thải; H2O2 bay hơi và phân ly thành các gốc hydroxyl. Các gốc OH hoạt động sau đó sẽ oxy hóa NO và NO2. 

Quá trình oxy hóa không khí bằng hydrogen peroxide

Quá trình oxy hóa NOx bằng cách sử dụng hydrogen peroxide đã được chứng minh bằng thực nghiệm. Phản ứng mô phỏng quá trình:

Khi xem xét các phản ứng (1) đến (5), rõ ràng là ozon chỉ oxy hóa NO thành NO2. Trong khi các gốc OH oxy hóa NO thành HNO2 và HNO3 cũng như NO2. Cả HNO2 và HNO3 tan nhiều hơn NO hoặc thậm chí là NO2. Các hứa hẹn loại bỏ NOx trong máy làm sạch không khí bằng H2O2 được mở ra. 

Các nhà nghiên cứu khác đã nghiên cứu lợi ích của quá trình oxy hóa pha lỏng đối với sự hấp thụ NOx qua đó làm sạch không khí dễ dàng hơn. Quy trình đề xuất liên quan đến peroxit hoặc các hợp chất oxy hóa khác trong dung dịch axit. Sau đó HNO3 được loại bỏ bằng dung dịch kiềm.

Một phương pháp tạo ra các gốc OH là nhiệt phân hủy  hydrogen peroxide. Hydrogen peroxide được bơm vào một dòng khí nóng có thể bị phân hủy theo một hoặc nhiều cơ chế phản ứng sau đây:

Trong hai phản ứng đầu, phản ứng (7) ít xảy ra hơn bởi vì năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết HOO-H là lớn hơn nhiều so với năng lượng cần thiết để phá vỡ HO-OH. Sự phân hủy dị thể (phản ứng 8) được cho là chiếm ưu thế ở nhiệt độ dưới 400 ° C. Phản ứng (8) nên được giảm thiểu để tối đa hóa sự hình thành gốc OH. Sự tấn công hydroxyl của hydrogen peroxide có thể tạo ra các gốc HO2, nhưng chỉ quan trọng ở nồng độ hydrogen peroxide cao (9).

Thiết kế thí nghiệm & tính toán kết quả

Thí nghiệm

Thiết bị thí nghiệm được sử dụng ở đây là của hệ thống được sửa đổi và sử dụng bởi Cooper và Clausen, những người đã nghiên cứu tăng cường quá trình oxy hóa hơi hữu cơ bằng cách sử dụng hydrogen peroxide và ozone. Hệ thống thử nghiệm bao gồm bốn hệ thống phụ:

(1) nguồn cung cấp khí và hydro peroxit hệ thống con;

 (2) lò phản ứng ống thạch anh và lò ống;

(3) máy lọc;

 (4) bộ phân tích khí

Giản đồ của hệ thống thí nghiệm được thể hiện trong Hình 

Khí thử có 5% (theo thể tích) NO trong nitơ. Nó đã được pha loãng với không khí để đạt được nồng độ đầu vào mong muốn trước khi vào lò phản ứng. 

Lò phản ứng là một ống thạch anh có khả năng hoạt động ở 800 oC, được làm nóng bên ngoài bằng lò ống Lindberg với ba vùng gia nhiệt được kiểm soát độc lập. Thạch anh ống dài 2,5 m với đường kính trong 5,9 mm. Bề mặt bên trong của một phần ba đầu tiên của ống được xử lý hàng ngày bằng cách lau bằng boric bão hòa dung dịch axit. Hai cặp nhiệt điện được sử dụng để giám sát nhiệt độ khí. Để tránh ngưng tụ trong ống xả. một băng gia nhiệt đã được sử dụng để bảo dưỡng ống xả

Dung dịch hydrogen peroxide đã được bơm vào đầu vào của lò phản ứng qua ống teflon dài 30 cm, 1,6 mm, ống OD (xem Hình 2)

Hóa chất & phương pháp đo

Dung dịch hydrogen peroxide được chuẩn bị từ dung dịch gốc có khoảng 30% (theo trọng lượng) hydrogen peroxide. Hydro nồng độ peroxit được xác định chính xác bằng phương pháp chuẩn độ với thuốc tím. 

Máy lọc phòng thí nghiệm được sử dụng để loại bỏ và tách HNO2 và HNO3 từ dòng khí thoát ra. Chất hấp phụ là NaOH với pH ban đầu là 9. 

NO và NO2 còn lại trong khí thoát ra qua máy lọc được đo bằng máy phân tích khí phát quang hóa học 

Các ion nitrat và nitrit trong dung dịch hấp phụ được phân tích so màu. 

Kết quả và thảo luận

Loạt thử nghiệm đầu tiên xác định phạm vi nhiệt độ hoạt động để chuyển đổi NO. Hydrogen peroxide được thêm ở nồng độ đầu vào 1200 ppm. Sự chuyển đổi oxit nitric thay đổi với lò phản ứng nhiệt độ, như thể hiện trong Hình 3, tiết lộ mức tối ưu nhiệt độ khoảng 500 ° C.
Sau khi xác định nhiệt độ tối ưu, tất cả các thử nghiệm tiếp theo được chạy tại lò phản ứng thời gian lưu trú 0,7 giây, nhiệt độ lò phản ứng 500 ° C và nồng độ NOx đầu vào là 500 ppm.

Các thử nghiệm sau đó cho thấy quá trình chuyển đổi NO diễn ra nhanh chóng, trong khoảng 0,3 giây. Nồng độ hydro peroxit pha khí ban đầu (được bơm vào) thay đổi lên đến khoảng 1250ppm và một mẫu trắng được chạy bằng cách bơm nước khử ion. Như đã đề cập, máy lọc đã được sử dụng để loại bỏ các loại nitơ từ dòng khí thải của lò phản ứng. Lò phản ứng đã được khởi động và được phép đến trạng thái ổn định. Các khí đã chuyển sang hệ thống lọc trong khoảng thời gian 15 phút mỗi lần để thu thập dữ liệu.

Hình 4 cho thấy sự giảm nồng độ NO đầu ra khi nồng độ ban đầu của hydrogen peroxide tăng lên. Tại 1222 ppm hydrogen peroxide, tỷ lệ chuyển đổi 97% NO là. Tại thời điểm này, tỷ lệ hydrogen peroxide so với NO là 1222/472  = 2,6.

Tại 726 ppm hydrogen peroxide, 75% NO chuyển hóa. Lúc này, tỷ lệ số mol hydrogen peroxide / NO là 1.6. 

Một số thử nghiệm sơ bộ tại Đại học Trung tâm Florida đã chỉ ra rằng HNO2 và HNO3 cũng có thể được loại bỏ bằng cách cho các khí đi qua Ca(OH)2 dạng bột hoặc MgO được hỗ trợ bằng tấm vải. 

Tính khả thi của phương pháp

Tính khả thi về kinh tế của phương pháp đề xuất này đối với kiểm soát NOx không được nghiên cứu chi tiết nhưng mặt khác vẫn được thực hiện. Giả sử như trường hợp một nhà máy điện cơ sở sử dụng 500 MW với một ống khói ướt hiện có với hệ thống khử lưu huỳnh bằng khí. Thì hiện phải loại bỏ 80 đến 90% lượng khí thải NOx của nó, tương đương khoảng 7200 tấn mỗi năm. 

Như được hiển thị trong Bảng 3, một hệ thống SCR sẽ có giá khoảng 75 đô la triệu để cài đặt và sẽ phải chịu khoảng 1,1 triệu đô la cho mỗi năm trong chi phí amoniac và chất xúc tác.

Kết luận

Thực nghiệm chứng minh rằng NO có thể bị oxi hóa thành NO2, HNO2 và HNO3 ở pha khí bởi các gốc OH. OH được tạo ra bởi sự phân hủy nhiệt của hydrogen peroxide. Quy trình làm sạch không khí này có thể được áp dụng trực tiếp để xử lí khí thải để loại bỏ NOX. Quá trình này có thể có ứng dụng rộng rãi cho nhiều quá trình đốt cháy khác nguồn. 

Tỷ lệ chuyển đổi NO cao đã được chứng minh trong phòng thí nghiệm. 97% NO đã được chuyển đổi ở tỷ lệ số mol peroxide/ NO là 2,6; 75% NO được chuyển đổi ở tỷ lệ mol peroxide / NO là 1,6. Có khả năng là các ứng dụng thương mại sẽ sử dụng hydrogen peroxide / NO thấp hơn. 

Nhiệt độ tối ưu là từ 400 ° C và 650 ° C.

Xử lý bề mặt lò phản ứng hàng ngày bằng dung dịch axit boric giúp tăng đáng kể sự chuyển hóa NO trong lò phản ứng. Phương pháp xử lý này được cho là ngăn chặn sự phá hủy các gốc hydrogen peroxide và OH trên bề mặt của lò phản ứng.

 

Tham khảo

Nghiện cứu “Control of Nitrogen Oxide Emissions by Hydrogen Peroxide-Enhanced Gas-Phase Oxidation Of Nitric Oxide” của: John M. Kasper , Christian A. Clausen III & C. David Cooper

Volume 46, Journal of the Air & Waste Management Association 

Quý công ty có nhu cầu tìm hiểu thêm về H2O2 và khả năng làm sạch không khí quy mô dân dụng, thực tiễn sản xuất, tham khảo thêm:

Sản phẩm ReSPR (CaSPR) Mỹ – Thiết bị tổng hợp H2O2 từ Oxy và Nước giúp giảm khí NOx, SOx, làm sạch không khí trong nhà. 

Vui lòng tham khảo các bài viết cùng chuyên mục hoặc liên vệ với đội ngũ vinatek

Hotline:  0985 554 054 – Email: info@vinatek-group.vn – Website: https://vinatek-group.vn/

Bài báo nghiên cứu tham khảo