Bài giảng môn học công nghệ môi trường

1
Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học nông nghiệp hà nội
***0O0***











Bài giảng môn học công nghệ môi trờng

Hà Nội, tháng 12 năm 2007

2
Chơng I
Cơ sở khoa học của công nghệ môi trờng

Yêu cầu về chơng học:
- Cung cấp cho sinh viên những khái niệm cơ bản về các quá trình vật lý, hoá học đợc ứng
dụng trong Công nghệ môi trờng. Đây đợc xem nh là cơ sở khoa học phục vụ cho môn
học Xử lý chất thải
- Sinh viên sau khi học chơng I phải nắm đợc bản chất của các quá trình cơ bản nh:
Chuyển khối và khả năng ứng dụng các quá trình này trong công nghệ môi trờng.
1. Pha và cân bằng pha
1.1 Khái niệm pha
- Một hệ thống mà phổ biến nhất ta thờng gặp là dung dịch. Trong hệ đó, có thể có một chất
hoặc nhiều chất tạo nên. Ngời ta hệ đó là hệ một (hai, ba ) hoặc nhiều cấu tử.
Ví dụ: dung dịch NaCl là hệ hai cấu tử trong đó có H
2
O và NaCl.
- Dung dịch nớc thải đô thị có: H

2
O, chất hữu cơ (nhiều chất), chất vô cơ (nhiều chất) và
đợc gọi là hệ đa cấu tử.
- Một hệ một hay nhiều cấu tử có thể tồn tại trong tự nhiên ở dạng đồng nhất (hoà tan đều
vào nhau), có thể hệ đó tồn tại phần lớn ở dạng lỏng và một phần khác ở dạng chất rắn, chất
hơi. Khi xem xét hệ đó ngời ta là hệ một pha, hai pha
Ví dụ: Dung dịch nớc đờng ở 10
0
C có tồn tại phần lỏng (đờng tan trong nớc);
phần kết tinh lắng đáy (đờng tinh thể ngậm nớc); một phần hơi trên bề mặt (H
2
O). Hệ đó
đợc gọi là hệ 3 pha: R - L - K.
1.2 Các pha trong hệ thống rắn lỏng khí
- Các pha trong một hệ phụ thuộc vào cấu tử (loại, tính chất riêng) có trong hệ thống. Nó còn
phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài hệ nh: nhiệt độ, áp suất, nồng độ riêng của cấu tử.
- Đặc trng riêng của cấu tử khác nhau, do đó một hệ một cấu tử có thể là hệ một pha, hệ 2
pha hoặc 3 pha.
Ví dụ 1: Nớc cất sạch - là một pha nếu hoàn toàn ở trạng thái lỏng (nh nhiệt độ
10
0
C, áp suất khí quyển và đậy kín bình). Đây chỉ là ví dụ vì thực tế rất khó tạo ra điều kiện
này.
Ví dụ 2: một viên gạch, một tấm kính đợc sản xuất đồng đều về thành phần của
nó- đó là một pha rắn.
Với ví dụ 2 trên đây, nếu quá trình tạo nguyên liệu không đều, nung không đềuviên
gạch sẽ có một phần chính là gạch; một phần nhỏ nào đó bị trộn nhiều CaO. Một phần thứ ba
có thành phần nh khối gạch chủ yếu nhng bị lửa nung quá cháy. Một hệ nh vậy gọi là hệ
nhiều pha (mặc dù đều là chất rắn - nhng lợng % cấu tử khác nhau, không đảm bảo về tính
đồng nhất về thành phần cấu tử trong toàn hệ).

3
Do đó: để phân biệt các pha, cần chú ý đến thể mà nó tồn tại đồng thời trong một
thể tồn tại đó, cần xem xét sự đồng nhất về các cấu tử.
Cần phân biệt giữa các khái niệm về thể và pha. Khái niệm về thể nói đến trạng
thái tồn tại của vật chất, chủ yếu là các thể rắn, lỏng và khí. Tuy nhiên, khi xét đến khái niệm
pha, chúng ta cần xem xét đến sự đồng nhất của các vật chất có trong pha.
Để xác định đợc số pha có trong hệ, chúng ta cần xem xét đến 2 yếu tố:
- Thể tồn tại. Nếu là hệ một cấu tử thì số pha có thể có là 3 pha (rắn, lỏng, khí). Lúc
này không cần xét đến tính đồng nhất của hệ (tất yếu hệ đạt tính đồng nhất).
- Sự đồng nhất cảu các pha. Đối với hệ đa cấu tử, ngoài việc xem xét đến thể tồn tại
của cấu tử, chúng ta cần xét đến tính đồng nhất của các cấu tử.
1.3 Cân bằng pha.
Xét một hệ 2 pha, ký hiệu là
1
và
2
tiếp xúc nhau.
- Trạng thái đầu, pha
1
có cấu tử M mà pha
2
không có. Lúc này nồng độ cấu tử M trong
pha
1
là C
M1
còn trong pha
2
thì C

M2
=0
- Trong quá trình tiếp xúc, cấu tử M sẽ dịch chuyển từ pha
1
sang pha
2
(theo nguyên lý 2
của nhiệt động học cho một quá trình tự diễn). Vì quá trình truyền chất là thuận nghịch nên
khi trong pha
2
có cấu tử M thì lập tức có quá trình di chuyển ngợc trở lại với tốc độ nhỏ
hơn nhiều.
- Nh vậy, nồng độ C
M
trong pha
1
dần dần giảm xuống, nồng độ cấu tử M ở pha
2
dần dần
tăng lên từ nồng độ C
M2
=0.
- Quá trình di chuyển vật chất đó thực hiện cho đến khi đạt đợc cân bằng động nghĩa là vận
tốc thuận và vận tốc nghịch bằng nhau. Đến một thời điểm nào đó, cấu tử M không chuyển từ
pha
1
sang pha
2
nữa, lúc đó nồng độ cấu tử M trong pha
2

là X
cb
. Còn cấu tử M ở pha
1

giảm dần từ C
M1
xuống lại là Y
cb
.
Trạng thái mà hệ đ thiết lập trên dây đợc gọi là trạng thái cân bằng pha.
Cần nhớ rằng:
+ Tuỳ theo hệ, tuỳ theo các pha có trong hệ mà các giá trị X
cb
và Y
cb
có thể bằng nhau
và có thể không bằng nhau. Tại trạng thái cân bằng pha, giá trị X
cb
là nồng độ lớn nhất mà
pha
2
có khả năng lu giữ đợc (chứa đợc) tại điều kiện bên ngoài đó.
+ Nếu thay đổi điều kiện bên ngoài này, giá trị X
cb
thay đổi theo.
+ Trạng thái cân bằng pha là trạng thái động, chịu ảnh hởng bên ngoài do đó, một hệ
đang đợc xem xét có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cân bằng.
Giữa nồng độ ban đầu C
M

của cấu tử ở pha
1
và nồng độ cân bằng của cấu tử M đó
trong pha
2
(ký hiệu là X
cb
) có liên hệ :
X
cb
=f(C
M
)
Tổng quát
: Xét nồng độ cả hai pha cân bằng với C
M1
: nồng độ tại
1
và C
M2
là nồng độ tại
pha
2
thì:
X
cb
= f (C
M1
)

4
Y
cb
= f (C
M2
)
Nh vậy: Nếu C
M2
> X
cb
thì vật chất đi từ
2
sang
1

Nếu C
M1
> Y
cb
thì vật chất đi từ
1
sang
2

1.4 Quy tắc pha
Sự tồn tại của một pha hay sự cân bằng pha trong hệ thống chỉ có thể thực hiện đợc
ở những điều kiện xác định (điều kiện bên trong và điều kiện bên ngoài), nếu ta thay đổi
những điều kiện xác định đó thì cân bằng sẽ bị phá hủy, nghĩa là sẽ thay đổi số pha trong hệ.
Nh mục (1.3) đã biết: khi thay đổi điều kiện, cân bằng pha sẽ thay đổi. Điều này có nghĩa là
thành phần pha, hoặc số lợng các pha sẽ thay đổi.

Quy tắc pha là một nguyên tắc cho phép xác định: Muốn thay đổi bao nhiêu yếu tố
mà cân bằng pha không bị thay đổi.
Giả sử:
+ Gọi C là số bậc tự do mà khi thay đổi độc lập thì cân bằng pha không đổi.
+ k số cấu tử có trong hệ.
+ số pha có trong hệ.
+ n số yếu tố bên ngoài ảnh hởng đến hệ.
Quy tắc pha là: C = k + n (1)
Nh vậy, nếu yếu tố bên ngoài thay đổi nh nhiệt độ, áp suất (n = 2) thì
C = k + 2
Giá trị bậc tự do C có thể là không (C = 0) và lớn hơn một (C 1).
Xét các trờng hợp thông thờng nhất:
a) Hệ một cấu tử: Ví dụ nớc hoàn toàn sạch, có thể tồn tại ba pha (R - L - K), số cấu
tử có trong hệ k=1, vậy thì:
C = k + 2 = 1 3 + 2 = 0
Kết quả C = 0 cho thấy không có độ tự do (C = 0) cho cân bằng pha. Nếu thay đổi
nhiệt độ hoặc áp suất hoặc cả hai thì cân bằng sẽ thay đổi. Nếu thay đổi một bậc tự do (C = 1
- nhiệt độ hoặc áp suất) thì có thể tính đợc số pha là:
C = k + 2 = 1 = 1 + 2 => = 2 tức là hệ sẽ chuyển sang hệ hai pha
(hoặc R - L, hoặc L - K, hoặc R - K tùy theo điều kiện).

P H



5
T
Đờng cong tơng hỗ.
Trong trờng hợp không có giản đồ pha (một số hệ mới, cha nghiên cứu hoặc không
tra cứu đợc) có thể sử dụng công thức sau đây để xác định sự dịch chuyển chất (cấu tử)

trong các pha:
r = T
dP
dT
V (2)
Trong đó:
r: là nhiệt chuyển pha (nhiệt bốc hơi, hóa lỏng, thăng hoa) J/K.mol
T: Nhiệt độ chuyển pha (nhiệt độ Kjelvin -
0
K)
P: áp suất (N/m
2
)
V: Sự thay đổi thể tích mol khi chuyển pha - m
3
/K.mol
Ghi chú:
+ Với hệ là pha lỏng, pha hơi có thể viết:

dP
dT
=
r
(V
h
V
L
)
T
Lúc này: r - Chính là nhiệt hóa hơi (J/K.mol)

V
h
- Thể tích của 1 mol hơi (m
3
/K.mol)
V
L
- Thể tích của 1 mol lỏng (m
3
/K.mol)
+ Khi áp suất không quá lớn, V
h
lại >> V
L
thì có thể bỏ qua V
L
nên:

dP
dT
=
r
V
h
. T
(3)
Ta đã biết: V
h
=
RT

P
do đó:
dP
T
=
rdT
RT
2
(4)
Trong biểu thức (4) R là hằng số khí lý tởng và bằng 8310 J/K.mol.độ
+ Khi nhiệt độ ở khoảng không lớn lắm, có thể coi T = const và
lnP = r / RT +c (5)
Trong công thức (5) giá trị c là hằng số tích phân.
b) Hệ hai cấu tử: Hệ hai cấu tử hai pha thì:
C = 2 2 +2 = 2
Nh vậy, hệ có độ tự do bằng 2. Nghĩa là: Trong kiểu hệ thống này, có thể đồng thời
thay đổi cả nhiệt độ, cả áp suất cũng không làm thay đổi số lợng pha.
Trong thực tế nghiên cứu, thực nghiệm, công nghệ, sản xuất: với các hệ kiểu nêu trên,
thờng ngời ta coi một yếu tố (nhiệt độ hoặc áp suất) là không đổi, do đó yếu tố còn lại sẽ

6
phụ thuộc vào thành phần pha ví dụ: p = const thì nhiệt độ sẽ ảnh hởng đến thành phần pha
của hệ.
1.5 Định luật cân bằng pha
a) Định luật Hăngri (Hanre):
Với một dung dịch lý tởng, áp suất riêng phần (p
i
) của khí trên bề mặt chất lỏng tỷ lệ với
nồng độ phần mol riêng (x
i

) của nó trong chất lỏng đó (trong dung dịch đó).
p
i
= .x
i
trong đó là hệ số hăngri (thứ nguyên của áp suất).
Nếu nồng độ cân bằng của cấu tử là y
cb
thì:
p
i
= y
cb
. p, trong đó p là áp suất của toàn bộ hệ
Hoặc: y
cb
= m.x
i
, trong đó m là hằng số cân bằng (và m = /p)
(Kết quả này là do 2 biểu thức p
i
nêu trên =>
xi
= y
cb
.p =>
icb
x
p
y .

= )
Điều kiện áp dụng:
Định luật chỉ đúng cho dung dịch lý tởng (không lực tơng tác giữa các vật chất tan)
=> do đó gần đúng cho dung dịch loãng. Chất khí.



+ Đờng thẳng: đúng là khí hoặc dung
dịch vô cùng loãng.
+ Đờng cong: là đờng không phải
dung dịch lý tởng.




b) Định luật Raun:
Tại một nhiệt độ, áp suất riêng phần của cấu tử i trên dung dịch bằng áp suất hơi bo
hoà của cấu tử nhân với nồng độ phần mol của cấu tử đó.
+ Với hệ một cấu tử:
P
i
= P
bh
x x
i

P
i
= áp suất riêng của cấu tử i trong dung dịch.

P
bh
= áp suất hơi bão hoà của cấu tử i.
X
i
= Nồng độ của cấu tử i (tính theo mol).
+ Phát triển định luật với hệ 2 cấu tử ta có: P = P
1
+ P
2
.

Hay tổng quát là: ( 6 )
Nồng độ riêng
Nồn
g
độ
y
= mx
y = f(x)
P =
P
bh1
. X
1
+
P
bh2
(1- X
1

)

7
2. Khuyếch tán
Khi có hai pha tiếp xúc nhau (cả ở trạng thái tĩnh, trạng thái động), trên lớp tiếp xúc
sẽ xuất hiện lớp màng giữa 2 pha đó.
Quá trình di chuyển vật chất trong và qua lớp màng đó đợc gọi là khuếch tán. Quá
trình khuếch tán đợc thực hiện nhờ chuyển động Brown, tơng hỗ phân tử
Phần vật chất ở pha 1, pha 2 xa lớp màng đợc gọi là nhân pha. Nhân pha luôn có
quá trình xáo trộn vật chất, do đó sự khuếch tán xảy ra mạnh mẽ hơn sự khuếch tán ở lớp
màng.
2.1 Khuyếch tán phân tử (Molecular diffusion)
Chúng ta đã biết rằng trong một hệ nếu nồng độ chất tan là đồng nhất tại mọi điểm thì
quá trình biến đổi sẽ không xảy ra. Tuy nhiên, nếu nồng độ của các chất ta mà không đồng
nhất trong hệ thì sẽ xảy ra quá trình khuyếch tán phân tử, vật chất sẽ di chuyển từ nơi có
nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp. Tốc độ di chuyển và hớng di chuyển của chất tan phụ
thuộc vào mức độ chênh lệch nồng độ này.
Là sự khuếch tán xảy ra trong lớp màng hoặc trong cả quá trình xảy ra ở nhân với
điều kiện hai pha đứng yên. Năng lợng gây ra khuếch tán phân tử là gradien nồng độ theo
một hớng x nào đó - nghĩa là sự biến đổi nồng độ trên một đơn vị đờng đi (theo hớng x
cho trớc). Khuyếch tán, là sự dịch chuyển vật chất ở mức độ phân tử để đi đến trạng thái cân
bằng của chất trong pha đó.
Khuyếch tán phân tử liên quan đến việc chuyển động của các phân tử riêng rẽ qua
dòng vật chất nhờ năng lợng nhiệt của chúng. Xem xét ví dụ sau:
Một chiếc hộp đợc chia làm 2 phần, I và II (hình) và ngăn cách với nhau bởi vách
ngăn P. Phần I đợc đổ đầy 100kg nớc (H
2
0) và phần II đợc đổ 100kg ethanol (C
2
H

6
0). Các
chất này có tỷ trọng khác nhau. Nhẹ nhàng loại bỏ màng P, lúc này quá trình khuyếch tán sẽ
xảy ra. Phân bố vật chất sau thời gian khuyếch tán nh sau:

8

Hình 1: Phân bố vật chất sau khuyếch tán
Ví dụ: Tốc độ bay hơi của nớc tại nhiệt độ 25
0
C vào môi trờng chân không vào
khoảng 3,3 kg/s trên mỗi một m
2
bề mặt nớc.
Vận tốc khuếch tán (dG/F.dt): Đợc tính bằng lợng vật chất đi qua một đơn vị bề
mặt trong một đơn vị thời gian. Định luật Fick cho biết:

( 7 )
ở đây: F: Bề mặt vuông góc với lớp khuếch tán
D: Hệ số tỷ lệ = là hệ số khuếch tán. Hệ số khuyếch tán này phụ thuộc vào nhiệt độ,
áp suất, nồng độ, môi trờng và trạng thái của các vật chất khác.
Dấu âm(-) cho thấy C giảm dần theo hớng đó.
t : Thời gian.
c: nồng độ chất khuếch tán.
Giải phơng trình (7), ta đợc lợng vật chất khuếch tán:
t
dx
dc
FDG =

Nếu thứ nguyên của G là kg, của F là m
2
, của c là kg/m
3
, của x là m, của t là giờ và của x là
m thì thứ nguyên của D là:
h
m
h
m
kg
m
mkg
D
2
3
2

.
==

dx
dc
D
dt
F
dG
=
.

9
Hệ số khuếch tán (D): Là lợng vật chất đi qua một đơn vị bề mặt trong một đơn vị
thời gian làm giảm đi một đơn vị nồng độ trên một đơn vị chiều dài (ý nghĩa này suy ra từ
phơng trình Fick) đã nêu trên.
Hệ số khuếch tán (D) phụ thuộc bản chất cấu tử, môi trờng khuếch tán, nhiệt độ, áp
suất. Có thể xác định hệ số khuếch tán theo một kiểu tính toán riêng hoặc sử dụng handbooks.
2.2 Khuyếch tán đối lu
Khác với khuếch tán phân tử, ở đây nghiên cứu sự khuếch tán vật chất trong môi
trờng động. Sự chuyển động của các pha sẽ là phức tạp hơn khuếch tán ở trạng thái tĩnh.
Quá trình khuếch tán ở đây bao gồm:
- Khuếch tán phân tử
- Khuếch tán vật chất nhờ chuyển động dòng
Xét một thể tích nguyên tố (thể tích một đơn vị nhỏ): dV có các cạnh dx, dy, dz, và đa vào
hệ toạ độ x,y,z.
Theo khuếch tán phân tử (phần 2.1): Lợng vật chất đi qua các bề mặt của thể tích
nguyên tố, sẽ đợc biểu diễn qua bề mặt dx, dy và dz. Chúng ta sẽ xét lợng vật chất di
chuyển qua mỗi bề mặt này.
Đối với bề mặt dydz (vật chất di chuyển theo hớng trục x):

dydzd
x
c
D
x
G


=
( 9 )
Cùng thời gian đó vật chất đi qua mặt đối diện là: ( 10 )

dxdydzd
x
c
x
Ddydzd
x
c
D
x
dG
x
G
dxx
G

=+=
+

Lợng vật chất còn lại trong thể tích nguyên tố (theo hớng di
chuyển x) là:

dxdydzd
x
c
D
dxx
G
x
G
x
dG
2
2


=
+
=
( 11)
Tơng tự nh trên, chúng ta cũng tính đợc lợng vật chất còn lại theo trục y và trục z
là:

dxdydzd

y
c
DdG
y
2
2


=
( 11b)


dxdydzd
z
c
DdG
z
2
2


=
( 11c )
Toàn bộ thể tích nguyên tố là:
x

y
z

10

.
2
2
2
2
2
2

dxdydzd
z
c
y
c
x
c
D
z
dG
y
dG
x
dGdG

+


+


=++=
(12 ) .
Hay: CDd
G
2

=
(chia hai vế cho lợng dxdydzdt) (13 )
(Cần chú ý: dx, dy, dz không phải là vi phân của x,y,z mà là giá trị vi phân của các cạnh.)
Lợng vật chất khuếch tán do tác động của dòng chuyển động:
Giả sử dòng vật chất có nồng độ C dòng vật chất có tốc độ di chuyển W. Sau khoảng thời
gian

d , lợng vật chất đi vào thể tích nguyên tố là:
+ Qua bề mặt dydz (theo trục x):

cdydzd
x
WGx
=
( 14 )
+ Lợng vật chất qua bề mặt đối diện là:

dxdydzd
x
cW
cdydzdWdGGG
x
xxxdxx


+=+=
+
)(
(15)
+ Lợng ở lại trong thể tích nguyên tố (theo hớng trục x) là:
(
)

dxdydzd
x
c
x
W
x
G
dxx
G
x
dG

=
+
= ( 16 )
Tính toán tơng tự với các mặt dxdz (trục y) và dxdy (trục z), ta có:
(
)

dxdydzd
Wyc
y
G
dyy
GdG
y
y


=
+
= (17)
(
)

dxdydzd
cW
z
G
dzz
GdG
z

z
z


=
+
= (18)
Sau khi tính vi phân của các phơng trình 16, 17 và 18 ta có:
dxdydzdt
W
cdxdydzdt
c
WdG
x
x
x
xx



+


=

dxdydzdt
W
cdxdydzdt
c
WdG

y
y
y
yy



+


=

dxdydzdt
W
cdxdydzdt
c
WdGz
z
z
z
z



+


=

+ Cuối cùng lợng vật chất (tính theo dòng chuyển động) trong toàn bộ thể tích nguyên tố

dV=(dGx+dGy+dGz ) là:
dxdydzdtWWWdxdydzdt
W
W
W
cdG
z
c
z
y
c
y
x
c
x
z
z
y
y
x
x

+


+


+










+


+


=

Theo phơng trình dòng liên tục và ổn định ta có đẳng thức:

11

0=










+


+


z
z
y
y
x
x
W
W
W

Nên lợng vật chất còn lại trong thể tích nguyên tố dV do chuyển động dòng gây ra là:
dxdydzdtWWWdG
z

c
z
y
c
y
x
c
x











+


+


= (19) hay :
dxdydzdtWdG
z
c
y

c
x
c











+


+


= và ký hiệu :WgradC là gradian của nồng độ C.
Lợng vật chất tính theo quá trình khuếch tán phân tử và quá trình dòng chảy bằng nhau, do
đó:

+


+


=










+


+


222
222
.
zyx

zyx
ccc
D
ccc
W
(20)
Ngời ta thờng biểu diễn phơng trình này ở dạng hàm vectơ:
*
CDWgradC
2
= , cho quá trình ổn định, hoặc
* CDWgradC
c
2
=+



, cho quá trình kém ổn định.
Lợng
t
c


là thông số biểu hiện sự biến đổi nồng độ chất ô nhiễm theo thời gian. Đây là một
thực tế trong quá trình sản xuất hay trong công nghệ môi trờng khi các hoạt động xả thải
diễn ra không theo quy luật và đây là thông số dập tắt dao động về nồng độ chất ô nhiễm do
thải đột biến.
2.3 Động lực học của quá trình khuyếch tán
- Quá trình khuếch tán xảy ra (sự di chuyển vật chất) là nhờ nồng độ khác nhau giữa

trạng thái cân bằng (nồng độ cân bằng) và trạng thái công tác (nồng độ công tác).
- Độ chênh lệch năng lợng (hiệu số nồng độ) giữa trạng thái công tác và trạng thái
cân bằng chính là: động lực của quá trình khuếch tán (và còn gọi là động lực của quá
trình truyền chất . Động lực này có thể tính theo nồng độ ở pha y hay pha x (y hoặc x).
Nếu tính theo nồng độ trong pha y (y) thì:
y = y* - y hay y = y - y* tức: y = | y* - y|
Theo nồng độ chất trong pha x ( x) thì:
x = x* -x hay x = x - x*
Trong đó, ký hiệu có dấu (*) là nồng độ ở trạng thái cân bằng, không có dấu là ở
trạng thái công tác.

12
Ghi chú:
+ Giá trị động lực trong suốt quá trình truyền chất sẽ thay đổi liên tục, do đó phải lấy
giá trị động lực trung bình của suốt quá trình.
+ Vất chất sẽ đi vào pha nào có nồng độ công tác thấp hơn nồng độ cân bằng.
+ Việc xác định, tính toán định lợng động lực truyền chất (hoặc động lực khuếch
tán) không đợc nghiên cứu ở đây.
3. Truyền chất (chuyển khối xuyên pha)
ở phần trớc chúng ta chỉ nghiên cứu quá trình chyển khối xảy ra trong một pha. Tuy
nhiên, trong nhiều trờng hợp, qúa trình chuyển khối lại xảy ra giữa các pha (chuyển khối
xuyên pha). Chúng ta biết rằng tốc độ chuyển khối trong một pha thì phụ thuộc nhiều vào
mức độ chênh lệch nồng độ trong chính pha đó, tơng tự nh thế, mức độ chênh lệch nồng
độ giữa các pha (chuyển khối xuyên pha) cũng quyết định tốc độ chuyển khối. Ngay khi
trạng thái cân bằng đợc thiết lập thì độ chênh lệch nồng độ, và do vậy tốc độ chuyển khối sẽ
bằng không. Vì lý do đó, để mô tả đợc các trạng tháI khác nhau đó, chúng ta cần nghiên
cứu cả hai quá trình cân bằng và quá trình chuyển khối.
3.1 Trạng thái cân bằng
Trớc hết, chúng ta xem xét quá trình hấp thụ khí NH
3

trong hỗn hợp khí bởi một
dung dịch (nớc). Giả thiết rằng khối lợng nớc là không đối trong quá trình chuyển khối
và toàn bộ quá trình này diễn ra trong một hệ thống ổn định về giá trị nhiệt độ và áp suất. Vì
NH
3
đợc hấp thụ vào nớc rất tốt (quá trình hoà tan gần nh hoàn toàn). Các phân tử NH
3
sẽ
di chuyển từ pha khí vào pha lỏng xuyên qua lớp màng phân chia pha. Một lợng phân tử
NH
3
cũng khuếch tán quay trở lại pha khí với tốc độ phụ thuộc vào nồng độ của chúng trong
pha lỏng. Quá trình này làm tăng tốc độ khuyếch tán ngợc NH
3
quay trở lại pha khí. Quá
trình này diễn ra cho đến khi vận tốc khuyếch tán đi vào bằng vận tốc đi ra. Đồng thời, trong
quá trình này, thông qua cơ chế của quá trình khuyếch tán, nồng độ chất tan trong toàn bộ
mỗi pha sẽ trở thành đồng nhất (bằng nhau tại mỗi vị trí trong pha). Lúc này, hệ thiết lập nên
trạng thái cần bằng động. Mặc dù các phân tử NH
3
vẫ di chuyển qua lại giữa hai pha, nhng
lợng chuyển khối thực vẫn bằng không và nồng độ NH
3
trong mỗi pha sẽ không thay đổi.
Lúc này, nếu chúng ta thêm vào hệ một lợng NH
3
nữa thì cân bằng mới sẽ đợc thiết
lập với nồng độ cân bằng và nồng độ trong mỗi pha cao hơn so với trạng thái trớc.

13

Hình: Phân bố cân bằng của chất tan NH3 giữa hai pha khí lỏng ở điều kiện nhiệt độ nhất
định
Đờng cong trên không thể hiện tất cả các nồng độ cân bằng trong hệ. Ví dụ, một phần nớc
sẽ bay hơi vào pha khí hoặc một số phần tử trong pha khí cũng khuyếch tán vào pha lỏng.
Lu ý:
1) ở một điều kiện nhất định của nhiệt độ và áp suất sẽ có một trạng thái cân bằng có
thể đợc biểu diễn dới dạng đờng cong.
2) Đối với một hệ ở trạng thái cân bằng, lợng chuyển khối thực tế giữa các pha là bằng
0.
3) Đối với một hệ cha đạt đợc trạng thái cân bằng thì sự khuyếch tán của các chất
trong hệ sẽ diến ra nhằm mục đích đa hệ về đến trạng thái cân bằng.
3.2 Phân loại các quá trình truyền chất
Trong công nghiệp hoá học hoặc nhiều quá trình sản xuất dựa trên sự tiếp xúc trực
tiếp giữa các pha và sự di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác. Tuỳ theo đặc trng của
sự di chuyển vật chất và tính chất của hai pha, có thể phân loại thành các quá trình truyền
chất sau đây:
- Hấp thụ: là quá trình hút khí hoặc hơi bằng chất lỏng, trong đó vật chất di chuyển từ pha
khí sang pha lỏng. Ví dụ nh quá trình hấp thụ khí SO
2
bằng dung dịch kiềm.
- Chng: Là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt trong đó vật chất di
chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngợc lại.
- Hấp phụ: là quá trình hút khí hoặc hơi bằng các chất rắn, xốp, trong đó vật chất di chuyển
từ pha khí (hoặc hơi) vào pha rắn.
- Trích ly: Là quá trình tách chất hoà tan trong chất lỏng hay chất rắn bằng một chất lỏng
khác.
- Kết tinh: Là quá trình tách chất rắn trong dung dịch, trong đó vật chất di chuyển từ pha lỏng
sang pha rắn.

- Sấy khô: Là quá trình tách nớc ra khỏi vật ẩm, trong đó vật chất (hơi nớc) đi từ pha rắn
hay pha lỏng vào pha khí.
- Hoà tan: Trong quá trình này, vật chất di chuyển từ pha rắn sang pha lỏng.

14
3.3 Phơng trình cấp chất
Quá trình chuyển vật chất từ pha y sang pha x là quá trình vật chất di chuyển
trong hai pha đó do một tác động của yếu tố bên trong hoặc nhờ một tác động bên ngoài.
Trong quá trình vất chất truyền đi, tốc độ của nó phụ thuộc vào cả động lực và cả trở
lực.
+ Động lực của truyền chất chính là độ chênh lệch về năng lợng (mà ở hệ lỏng hoặc
hệ lỏng - hơi) thờng là yếu tố chênh lệch về nồng độ, nó có thể xảy ra do tính chất của hệ
cũng có thể do cỡng bức từ bên ngoài (bơm, nén v.v ).
+ Trở lực của quá trình truyền chất thờng do khuếch tán ngợc lại, do ma sát của
dòng với dòng hoặc với thiết bị
Giả sử xét y và x thì:
Quá trình truyền chất từ pha y vào pha x, nồng độ y và x ở giữa dòng coi nh không
đổi, còn ở tại lớp màng y nồng độ giảm từ y tới y
bg
(nồng độ biên giới) và trong lớp màng
x nồng độ giảm từ x
bg
(nồng độ biên giới) về x. Khi truyền chất, trở lực trong 2 màng đợc
ký hiệu là R
y
và R
x
.

Do đó: Theo định luật Fick.
+ Tốc độ khuếch tán chất phân bố qua màng y là:

y
bg
R
yy
dFd
dG

=


+ Qua màng x là:

x
bg
R
xx
dFd
dG

=


Khoảng cách
y
y
bg
x

bg
x
Nồng độ

15
Gọi nghịch đảo của trở lực (1/R) là hệ số cấp chất trong các pha và ký hiệu là . Nh
vậy: 1/ R
x
=
x
và 1/ R
y
=
y
Ta có:
dG =
y
dF. d (y -y
bg
) (20)
và dG =
x
dF. d (x
bg
x) (21)
y
bg
và x
bg
là nồng độ biên tức nồng độ tại giới

hạn tiếp xúc
Công thức (20) và (21) đợc gọi là phơng trình cấp chất qua màng y , x.
3.4 Thứ nguyên và ý nghĩa vật lý của hệ số cấp chất
Trong kỹ thuật, việc truyền chất thờng xảy ra với lợng lớn.
Nếu lợng vật chất G tính bằng (Kg), bề mặt tiếp xúc F tính bằng (m
2
); thời gian d
tính bằng giờ (h) và sử dụng ký hiệu:
y - y
bg
= y.
x
bg
- x = x
Thì hệ số cấp chất có thứ nguyên là:
[
Y
] =







Y
hm
Kg

2

( 22 ) và
[]







=
X
X
hm
Kg

2

(23)
Do phơng pháp biểu diễn nồng độ khác nhau nên cha có thứ nguyên nồng độ. Giả
sử nồng độ tính theo Kg/m
3
thì thứ nguyên của (22) và (23) có dạng:
[]






=

=
h
m
mKghm
Kg
Y
32
/

(22)
[]






=
h
m
X

(23)
Hệ số cấp chất là lợng vật chất chuyển qua một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời

gian khi hiệu số nồng độ là một đơn vị.
3.5 Phơng trình truyền chất
Khi hai pha
y và x tiếp xúc nhau, sự phân bố vật chất trong 2 pha phải theo một tỉ
lệ xác định (giả sử tỉ số là m) thì:
Y = mx : m gọi là hệ số phân bố nồng độ giữa 2 pha. Có thể viết khác là:
x
bg
=
m
y
bg
và
m
y
x
*
= .
Hai biểu thức này tính cho nồng độ bất kỳ, và cho nồng độ biên (x
bg
, y
bg
) của pha x
và y.
Thay giá trị x
bg
và x vào phơng trình (21) ta có:

16
()

m
yydFddG
bgx
1
*
=

(24) Hay:
()
*
yydFd
mdG
bg
X
=


(25)
Từ phơng trình (20) ta có:
(
)
bg
Y
yydFd
dG
=


(26)
Cộng (25) và (26) ta thu đợc :

dG
()
*
1
yydFd
m
XY
=








+ì


(27)
Đến đây, gọi
y
XY
k
m
=
+

1
1

là hệ số truyền chất của quá trình và y-y
*
= y là động lực của
quá trình, thì ta có:

ydFdkydG

=

.
(28)
Với toàn bộ bề mặt tiếp xúc F thì (28) sẽ có dạng:

tbY
yFkG

=

. (29)
Tơng tự vậy ta có: G = k
x
.F.

. x
tb
(30)
Trong các biểu thức đó k
y
= hệ số truyền chất khi tính theo nồng độ ở pha y.
K

x
= hệ số truyền chất khi tính theo nồng độ ở pha x.
y
tb
= Động lực trung bình tính theo y.
x
tb
= Động lực trung bình tính theo x.
Các phơng trình (29) và (30) là các phơng trình truyền chất.
ý nghĩa của phơng trình truyền chất:
+ Có thể tính đợc lợng vật chất (G) truyền qua lớp tiếp xúc khi biết đợc diện tích
bề mặt tiếp xúc (F) trong khoảng thời gian

. Các giá trị k
X
(k
Y
) và x
tb
(y
tb
), là hệ số
truyền chất, và động lực của quá trình truyền chất theo các pha có thể tính toán hoặc xác định
bằng thực nghiệm.
+ Với một hệ thờng xuyên nghiên cứu tại một cơ sở (ví dụ: Hệ nớc thải trong nhà
máy giấy, nhà máy xử lý nớc sông làm nớc cấp sinh hoạt) khi biết trớc các đặc điểm k
X

(k
Y

) và x
tb
(y
tb
), có thể tính đợc giá trị F cần thiết theo yêu cầu của giá trị và ngợc lại.




17
Chơng II
Nguyên lý và công nghệ xử lý khí thải

Yêu cầu về chơng học:
- Chơng học này đi sâu và bản chất của các quá trình công nghệ đợc ứng dụng chung
trong Công nghệ môi trờng.
- Mục tiêu của chơng học này cung cấp cho sinh viên công nghệ về xử lý khí thải. Chơng
học này chỉ dừng lại ở mức độ nắm bắt công nghệ xử lý nói chung mà không đi sâu vào các
quá trình thiết bị xử lý hoặc một quá trình xử lý riêng biệt nào.
- Sau khi học xong chơng này, yêu cầu sinh viên nắm vững bản chất công nghệ các quá
trình xử lý môi trờng không khí nói chung. Hớng giải quyết về một vấn đề môi trờng cụ
thể sẽ diễn ra trong thực tế, cung cấp kỹ năng lựa chọn phơng pháp xử lý thích hợp.
I. Chất thải khí
1 Khái niệm về chất thải khí
Chất thải khí là các chất trong khí quyển sinh ra từ hoạt động của con ngời hoặc các
quá trình tự nhiên có nồng độ đủ lớn và thời gian đủ lâu ảnh hởng đến sự thoải mái, dễ
chịu, sức khoẻ hoặc lợi ích của con ngời và môi trờng. Cần lu ý rằng: ngay trong bản
thân môi trờng không khí có thể đã tồn tại sẵn có các chất khí này do các nguyên nhân tự
nhiên hay nhân tạo nhng cha đạt nồng độ đủ lớn để gây ra ảnh hởng tiêu cực đến môi
trờng và con ngời, lúc này môi trờng đợc xem là cha bị ô nhiễm.

Các chất ô nhiễm không khí chủ yếu là oxit cacbon, oxit lu huỳnh, oxit nitơ,
hydrocacbon và bụi công nghiệp.
2 Các chất thải dạng khí ảnh hởng đến chất lợng không khí và khí quyển
Không khí bao gồm khoảng 78% thể tích là khí N
2
, 21% thể tích là khí O
2
, 1- 4% thể
tích là hơi nớc, 0,03% thể tích là khí CO
2
, phần còn lại là các khí trơ nh Xe, He, H
2

* Theo tính đặc trng về thành phần hoá học, ngời ta phân loại các chất thải dạng
khí nh sau:
- Các chất khí có khả năng tạo axit: nh SO
2
, NOx
- Các chất tích tụ không có tính suy giảm: Bụi (TSP, PMx) hoặc các hợp chất hoá học trong
bụi.
- Các chất độc tính cao: Hợp chất hữu cơ trong bụi, hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs).
- Các tiền chất dẫn đến khói quang hoá: NOx, VOCs, O
3

- Chất thải khí làm biến đổi khí hậu: CO
2
, các hợp chất hữu cơ (methane, non-methane,
VOCs).
* Theo tính đặc trng về loại chất ô nhiễm, các chất ô nhiễm không khí có thể đợc
phân thành các nhóm chất cơ bản sau:

- Lu huỳnh oxit (SO
x
): Các oxit lu huỳnh bao gồm SO
2
và SO
3
trong quá trình cháy, trong
đó phần lớn (đến 90%) là SO
2
, phần SO
3
sinh ra rất ít (khoảng gần 10%). Trong môi trờng
có quá trình ôxy hoá SO
2
thành SO
3
nhng với điều kiện nhiệt độ cao. Khí SO
2
là khí không
màu có mùi hắc khó chịu và rất độc, đặc biệt là đối với các cơ quan hô hấp.

18
- Các ôxit của nitơ (NO
x
): NO
x
tức thời (sinh ra do phản ứng giữa oxy và nitơ trong không
khí dới xúc tác của các hydrocarbon, do đó khi nhiệt độ cháy tăng cao thì NO
x
tức thời sinh

ra sẽ giảm xuống), NO
x
do nhiệt (NO
x
sinh ra do phản ứng của oxy và nitơ trong không khí
trong điều kiện nhiệt độ cao, từ khoảng nhiệt độ trên 200 độ thì quá trình hình thành NO
x
do
nhiệt tăng cao), và NO
x
do nhiên liệu.
- Cacbon ôxit (CO) và hydrocarbon (HC): Đây là các sản phẩm cháy không hoàn toàn (do
các điều kiện cháy không đảm bảo, thiếu ôxy hoặc do tiếp xúc kém giữa không khí và nhiên
liệu).
3 Vận chuyển khí
Vận chuyển khí là quá trình các chất khí đi từ vị trí A sang vị trí B nào đó do một tác
động bên ngoài. Năng lợng tác động có thể là cơ học, chênh lệch áp suấtQuá trình vận
chuyển là quá trình định hớng theo một chiều nào đó (có thể theo mục đích hoặc không).
Thông thờng vận chuyển khí diễn ra trong công nghệ đợc tiến hành ở một hệ thống đờng
ống, hoặc trong ống của thiết bị (ví dụ nh các quá trình thông gió, thu gom khí).Vận
chuyển khí nhờ thiết bị cô lập (bình khí, bom khí) đôi khi cũng đợc xem xét.
Những loại khí chính thờng đợc chia làm hai nguồn gốc:
Thứ nhất : Các khí có nguồn gốc tự nhiên - khí phát ra từ hoạt động núi lửa, do cháy
rừng, do bay lên từ đại dơng, do bão cát, do thực vật phát tán, VSV thải ra, do bức xạ, do
nguồn gốc từ vũ trụ.
Thứ hai : Các khí ô nhiễm do hoạt động sản xuất nh: đốt nhiên liệu hoá thạch
(than đá, xăng, dầu FO ), công nghiệp xi măng và vật liệu xây dựng, công nghiệp gang thép
và luyện kim, công nghiệp hoá chất, nhuộm, hoá dầu, từ nguồn khác nh Nông nghiệp, chăn
nuôi, ruộng lúa nớc
Khái niệm vận chuyển khí, phải đánh giá đợc cả về hớng đi cả về khối lợng

của khí đợc vận chuyển. Ngoài ra, trong vận chuyển khí cũng cần phải xác định đợc nguồn
gốc về động lựccủa quá trình vận chuyển đó (nguồn gốc động lực là tự nhiên hay nhân tạo,
có hay không có chủ đích). Động lực này có thể do gió, do lực nén.
Quá trình vận chuyển khí có thể có bản chất là quá trình khuếch tán, có thể do quá
trình hấp phụ, hoặc hấp thụ.
Phơng trình vận chuyển khí thực chất chính là phơng trình khuếch tán chất đã
nghiên cứu trên phần đầu. Phơng trình có dạng :

CDWgradC
c
2
=+




Phơng trình này đợc sử dụng trong việc tính toán lợng vật chất vận chuyển
trong hệ thống, cũng dùng để tính lợng vật chất trong công nghệ môi trờng khi dự báo
lợng chất chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn hoặc từ trạng thái khí sang trạng thái
rắnĐó là nội dung cơ bản của quá trình chuyển khối.

19
4 Phát tán khí
Dới tác dụng của gió tự nhiên khi 1 nguồn thải phát ra từ 1 nguồn điểm cao sẽ bị
cuốn theo chiều của gió thổi, chất ô nhiễm sẽ dần dần bị rộng ra nh hình loa và gọi là vệt
khói.
Bụi nặng: rơi chân nguồn.
Bụi khí, nhẹ: phát tán, vệt hình loa dần dần loãng ra và xấp xỉ nồng độ môi trờng
xung quanh. Nếu góc mở của vết khói không thay đổi thì diện tích vết khói sẽ tăng theo bình
phơng khoảng cách và nồng độ ô nhiễm sẽ giảm đi theo bình phơng khoảng cách. Thực tế,

tại sát mặt đất tới 1 khoảng cách x nào đó thì nồng độ ô nhiễm sẽ tăng dần và đạt tới cực đại.
II Công nghệ xử lý chất thải khí
1. Phân loại nguồn ô nhiễm khí liên quan đến công nghệ xử lý
Các chất ô nhiễm trong không khí có thể đợc chia thành 02 loại bao gồm: Các chất ô
nhiễm dạng Aerosol (bụi, sơng, khói) và các chất ô nhiễm dạng phân tử (SO
2
, NO
x
) do đó
việc phân loại công nghệ xử lý nhìn chung cũng có thể chia làm 02 hớng chính bao gồm hai
phần chủ yếu là xử lý các aerosol và xử lý phân tử ô nhiễm.
Để xử lý các Aerosol (bụi, khói, sơng) ngời ta sử dụng phơng pháp khô, ớt và
tĩnh điện. Trong thiết bị khô, bụi đợc lắng bởi trọng lực, lực quán tính và lực ly tâm hoặc
đợc lọc qua vách ngăn xốp. Trong thiết bị ớt có sự tiếp xúc giữa khí bụi và nớc, nhờ đó
bụi đợc lắng trên các giọt lỏng, trên bề mặt bọt khí hay trên các màng chất lỏng. Trong lọc
bụi tĩnh điện các aerosol đợc tích điện và lắng trên điện cực.
Để xử lý khí và hơi chất độc hại, ngời ta ứng dụng các phơng pháp: hấp thụ (vật lý
và hoá học), hấp phụ, xúc tác, nhiệt độ và ngng tụ.
Công nghệ xử lý khí ô nhiễm có thể đợc xem nh là một quá trình sản xuất trong đó
nguyên liệu đầu vào là các khí ô nhiễm và sản phẩm của quá trình là không khí sạch và chất
ô nhiễm đợc thu ở dạng thành phẩm có thể ứng dụng trực tiếp làm nguyên liệu cho một quá
trình công nghệ khác hoặc đợc chuyển sang dạng không độc.
Hiệu quả của quá trình xử lý hay thiết bị xử lý đợc đánh giá trên hai phơng diện:
* Hiệu quả xử lý đạt điều kiện thải theo các tiêu chuẩn môi trờng đợc áp dụng. Về phơng
diện này ngời ta không quan tâm đến tải lợng ô nhiễm mà quá trình (hoặc thiết bị) xử lý
đạt đợc mà chỉ quan tâm đến việc khí sau khi xử lý có đạt đợc điều kiện thải hay không.
* Hiệu quả đánh giá dựa trên tải lợng chất ô nhiễm xử lý đợc. Hiệu quả này đợc đánh giá
bằng hiệu suất xử lý của quá trình (hay thiết bị), là lợng chất thải xử lý đợc so với tổng
lợng chất thải ở đầu vào, đơn vị tính là %. Việc đánh giá hiệu quả này không xác định đợc
khí sau khi xử lý có đủ điều kiện thải hay không.

Hiệu suất xử lý:
vv
rrvv
vv
b
CV
CVCV
Cv
m
.

.

==

(%)
2 Các kỹ thuật, công nghệ bảo vệ môi trờng không khí
Có 3 phơng pháp bảo vệ môi trờng khí quyển cần đợc thực hiện đồng thời là:

20
i) Giảm thiểu chất thải nhờ hoàn thiện công nghệ, máy móc thiết bị và tận dụng chất thải:
Hoàn thiện các quá trình công nghệ, đảm bảo độ kín tuyệt đối cho các thiết bị, ứng dụng
phơng pháp vận chuyển vật liệu trong ống dẫn khí bằng khí nén. Phơng hớng hiệu quả
nhất để giảm chất thải là thiết lập các quá trình công nghệ không hoặc ít chất thải.
Chất ô nhiễm sinh ra chủ yếu trong các dây chuyền công nghệ sản xuất, do kỹ thuật,
do ngng tụ, bay hơi, khuyếch tán, do gia công nguyên liệu (đập nghiền sàng), do vận
chuyển nguyên liệu sản phẩm và do sự cố (nh mất điện ).
Ví dụ: Trong quá trình sản xuất H
2
SO

4
từ SO
2

- Trong kỹ thuật cũ: tiếp xúc đơn: SO
2
+ O
2
-> SO
3

Hiệu suất đạt 96% => còn 4% SO
2
.
- Kỹ thuật mới: tiếp xúc kép:
Bậc I: SO
2
+ O
2
=> SO
3
; hiệu suất là 90%
SO
3
+ H
2
O => H
2
SO
4

Bậc II: SO
2
+ O
2
=> SO
3
hiệu suất là 90%
SO
3
+ H
2
O => H
2
SO
4

Hiệu suất tổng là 99% => chỉ còn 1% SO
2

ii) Xử lý khí thải: Cho đến nay, phơng hớng cơ bản để giải quyết chất thải ô nhiễm vẫn là
nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ, thiết bị làm sạch khí. Kết quả của việc xử lý là phải
thu đuợc khí đạt tiêu chuẩn chất lợng môi trờng và các chất độc hại phải đợc xử lý triệt để.
Chất ô nhiễm đã tách khỏi dòng khí di chuyển thành dạng khác (lỏng hay rắn) dễ kiểm soát
hơn, tránh lan truyền trong môi trờng.
iii) Phát tán khí thải vào môi trờng thông qua hệ thống các ống khói cao: Chất ô nhiễm sau
khi đã đợc giảm lợng phát thải đạt đến mức độ cho phép thải thì cần đợc phát tán tốt để
đảm bảo chất lợng không khí ở sát mặt đất không bị ô nhiễm. Trong phơng pháp này,
lợng chất phát thải không giảm mà chỉ là đợc pha loãng trong không khí nhằm tránh gây
tác hại cho con ngời và môi trờng xung quanh. Động lực của quá trình là do chuyển động

của dòng chất thải với dòng không khí trong khí quyển, do sự chênh lệch nhiệt độ và sự
chênh lệch nồng độ chất ô nhiễm trong dòng thải với không khí xung quanh.
Câu hỏi
: Theo bạn, việc phát tán khí thải sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn môi trờng vào
khí quyển có phải là giải pháp tối u hay không, vì sao?
- Một trong các chức năng của môi trờng là nơi chứa đựng chất thải (hay còn gọi là
khả năng nền của môi trờng), nó có khả năng xử lý các chất ô nhiễm ở một nồng độ nhất
định.
- Việc xử lý các chất ô nhiễm đến mức độ bằng không (không còn chất ô nhiễm) chắc
chắn không phải là phơng án khả thi cả về mặt công nghệ và mặt kinh tế, ngay cả khi yếu tố
công nghệ cho phép thì chi phí cho việc xử lý sẽ là rất lớn.
- Vì những lý do trên mà giải pháp phát tán chất ô nhiễm vào môi trờng đợc chấp
nhận cho đến ngày nay, vấn đề ở đây là nồng độ thải phải nằm trong khả năng nền (hay khả
năng xử lý, chịu tải) của môi trờng.
III. Công nghệ xử lý các Aerosol
Để xử lý các aerosol (bụi, khói, sơng) ngời ta sử dụng phơng pháp khô, ớt và tĩnh
điện. Trong thiết bị khô, bụi đợc lắng bởi trọng lực, lực quán tính và lực ly tâm hoặc đợc

21
lọc qua vách ngăn xốp. Trong thiết bị ớt có sự tiếp xúc giữa khí bụi và nớc, nhờ đó bụi
đợc lắng trên các giọt lỏng, trên bề mặt bọt khí hay trên các màng chất lỏng. Trong lọc bụi
tĩnh điện các aerosol đợc tích điện và lắng trên điện cực.
Nguyên tắc chung: Tách ra khỏi dòng khí bằng phơng pháp cơ học (lực trọng trờng, quán
tính, ly tâm), tích điện hoặc hoà tan. Thiết bị tách bụi cơ học khỏi dòng khí -> đánh giá thiết
bị tách bụi bằng hiệu suất tách bụi:
=

lợng bụi tách/tổng lợng bụi
vào.
vv

rrvv
vv
b
CV
CVCV
Cv
m
.

.

==


Trong đó: V là lu lợng khí; C là nồng độ bụi;
Nếu Vv = Vr ->
v
r
v
rv
C
C
C
CC
=

= 1


Nếu có nhiều thiết bị nối tiếp nhau với các hiệu suất tách bụi lần lợt là

n



1
thì
hiệu suất tổng:
()()
(
)
nt






= 1 1.11
21

Các thông số cần biết khi lựa chọn thiết bị xử lý bụi: Việc lựa chọn phơng pháp và thiết bị
xử lý phụ thuộc vào nhiều thông số khác nhau để bảo đảm hiệu quả cũng nh tính an toàn
trong quá trình xử lý, các thông số bao gồm:
- Lợng khí cần xử lý (m
3
).
- Tính chất của hỗn hợp khí (độ ăn mòn, thành phần hỗn hợp, độ ẩm, nhiệt độ, khả
năng cháy nổ).
- Hàm lợng bụi trong khí.
- Tính chất của bụi (thành phần hỗn hợp của bụi, phân bố hạt, kích thớc, tính dẫn điện,

khả năng cháy nổ).
- Phơng thức làm việc của nguồn sinh khí (liên tục hoặc gián đoạn).
- Yêu cầu về sản phẩm sau xử lý (mức độ sạch, kích thớc hạt xử lý đợc)
1. Công nghệ xử lý bụi bằng buồng lắng (Phơng pháp khô)
Nhiệm vụ của thiết bị phòng lắng là tách sơ bộ bụi thô trớc khi vào thiết bị tách bụi cao
cấp.
a) Nguyên tắc
Khi dòng bụi chuyển động ngang có sự biến đổi đột ngột về tiết diện thì vận tốc dòng
khí sẽ giảm đột ngột. Các hạt bụi trong dòng bụi dới tác dụng của trọng lực lắng xuống và
tách khỏi dòng khí.

22


Hình: Các loại buồng lắng bụi
a Buồng lắng đơn giản b Buồng lắng vách ngăn c Buồng lắng tầng
1 Thân 2 Bồn chứa 3 Vách ngăn 4 Các tầng

Bụi chuyển động theo hai dòng: Chuyển động theo dòng khí và chuyển động do trọng
lực.


Hình 2: Hớng chuyển động của hạt bụi trong buồng lắng
Để tính toán thiết kế cũng nh tính toán hiệu suất của buồng lắng bụi, chúng ta chấp
nhận một số giả thiết nh sau:
- Buồng lắng có cấu tạo hình hộp, nằm ngang với chiều dài L, chiều cao H và chiều
rộng b, lu lợng khí vào là V.
- Vận tốc khí mang bụi trên toàn bộ tiết diện ngang của buồng lắng là nh nhau.
- Hạt bụi chuyển động ngang theo dòng khí có vận tốc bằng vận tốc dòng khí.
- Hạt bụi rơi dới tác dụng của trọng lực theo phơng thẳng đứng khi chạm đáy thì

đợc xem là bị giữ lại trong buồng lắng.
Thời gian lu của hạt bụi tính bằng công thức: Thời gian lu lớn nhất = H/v
l

Muốn lắng đợc hạt bụi trong phòng thì thời gian lu lớn nhất này phải nhỏ hơn thời
gian khí đi trong phòng.
Thời gian lu (T) =
vl
H
<
vk
L
v
l
=
L
vkH
.


23
Trong đó:
- L là chiều dài phòng lắng.
- v(k) là tốc độ dòng khí đi trong thiết bị.
- v(l) là tốc độ lắng của bụi.
- H là chiều cao của phòng lắng.
Quan tâm đến bụi lắng tuân theo định luật Stock:
()
à

18

2
dg
v
kb
l

=

kb


, : là khối lợng riêng của bụi và khí (kg/m
3
).
à
: là độ nhớt của hỗn hợp khí.
d: là đờng kính hạt bụi.
g: gia tốc trọng trờng.
do:
b

k
v
l
=
à

18

2
dg
b

Từ các công thức trên ta có thể tính đờng kính hạt bụi trong phòng lắng:
()
Lg
Hv
d
kb
k

18

à

=
(3)
Gọi b là chiều rộng phòng lắng: Ta có: v
k
= V/H.b trong đó V là lu lợng khí (m
3
/s)

Thay vào công thức v(l) ở trên ta có
()
kb
gbL
V

d

à

=

18

Trong đó có: L.b=S là tiết diện ngang của phòng lắng
()
kb
gS
V
d

à

=

18
*

Chú ý:

- Những hạt có đờng kính lớn hơn (hoặc bằng) d
*
sẽ lắng trong phòng lắng với điều
kiện bụi vào tại độ cao H của phòng.
- Với bụi vào tại độ cao (h) nhỏ hơn H của phòng sẽ lắng với d nhỏ hơn d
*

()
H
h
gS
V
d
kb
.

18

à

=
(7)

Nhận xét:
- Từ (7), ta thấy nếu tiết diện ngang S tăng thì d
*
giảm có nghĩa là nếu S đáy của buồng
lắng càng lớn thì bụi tách đợc càng nhỏ (tách đợc loại bụi nhỏ hơn).
- Từ (3), nếu h giảm và L tăng thì d tách đợc càng nhỏ (muốn tách nhiều bụi có kích
thớc nhỏ thì giảm h và tăng L). Muốn giảm h ta đặt liên tiếp nhiều sàn nằm ngang
có cơ cấu quay để tách bụi nhng không thể để h quá nhỏ (vì còn ảnh hởng đến lu
lợng khí thải cần xử lý V; đờng kính bụi cần tách; chiều cao buồng lắng và vận tốc
khí).
- Nếu V tăng (vận tốc khí v
k
cũng tăng) thì d

*
tăng -> hiệu suất tách bụi sẽ giảm, nên
thờng lấy v
k
< 3m/s (max).

24
2. Phơng trình quỹ đạo của hạt bụi
- Thành phần vận tốc ngang của bụi (theo trục x):


.
bH
V
x
bH
V
v
d
dx
k
===
(5): Toạ độ của hạt bụi theo phơng x
sau khoảng thời gian t
- Thành phần vận tốc rơi thẳng đứng (theo trục y, tuân theo định luật stock):

àà
.
.18

.18

2
0
2
dgPb
yy
dgPb
v
d
dy
gh
=== (6): toạ độ của hạt bụi
theo phơng y sau khoảng thời gian t
(trong đó y
0
là độ cao ban đầu của hạt bụi đi vào buồng lắng)
Kết hợp hai phơng trình (5) và (6) ta có phơng trình quỹ đạo của hạt bụi trong buồng lắng:
x
V
bHdgPb
yy .
.
.
.18

2
0
à
= (7)

Nhận xét:
- Quỹ đạo của hạt bụi là đờng thẳng xuống dốc.
- ứng với kích thớc của buồng lắng cho trớc (H.b = const) thì độ dốc quỹ đạo của hạt càng
lớn (hạt rơi nhanh) khi đờng kính hạt d và khối lợng đơn vị Pb càng lớn và lu lợng khí
cần lọc V và độ nhớt của môi trờng à càng bé.


Hình 3: Quỹ đạo chuyển động của hạt bụi trong buồng lắng

Rõ ràng là với hạt bụi có đờng kính d này nếu khi đi vào buồng lắng tại vị trí ban
đầu của nó ở độ cao bằng hoặc thấp hơn h thì mới có thể bị giữ lại trong buồng lắng. Còn các
hạt cùng cỡ nằm ở độ cao lớn hơn độ cao h sẽ thoát đợc ra ngoài (đờng quỹ đạo vợt xa
hơn điểm N) mỗi đờng kính hạt bụi sẽ tơng ứng với một độ cao nhất định.
Từ phơng trình quỹ đạo:

25
x
V
bHdgPb
yy .
.
.
.18

2
0
à
=
để cho hạt bụi bị lắng (hạt bụi chạm đáy buồng lắng), nghĩa là y = 0 và quãng đờng di
chuyển ngang x = L (chiều dài buồng lắng), ta sẽ có chiều cao h là:

2
0
.

.
.
.
18
1
d
V
bHLgPb
yh
à
== (8)
Từ công thức (8) chúng ta có thể tính đợc: với một buồng lắng bụi cho trớc, để một
hạt bụi có đờng kính d có thể lắng đợc trong buồng lắng thì độ cao vào của nó phải nhỏ
hơn hoặc bằng h (y
0
).
Cũng từ (8), khi cho h = H (độ cao vào tối đa của hạt bụi) và d = d
min
, thì:
2
min

18
.
dgPb
V

bL
à
= (9)
đây là công thức giúp chúng ta giải đợc bài toán ngợc trong thiết kế, tính toán kích thớc
của buồng lắng bụi để đáp ứng các điều kiện lọc bụi cho trớc {cấp hạt bụi lọc đợc và các
điều kiện thải cho trớc nh V (m
3
/h), Pb (kg/m
3
), à (Pa.s)}
Vd (bài toán ngợc): Cần xác định kích thớc buồng lắng bụi để lọc toàn bộ cỡ hạt có d
50àm có trong khói thải của lò nung. Cho biết:
- V = 5000 m
3
/h
- t
khói
= 200
0
C
- P
b
= 1000 kg/m
3
.
Giải:
Hệ số nhớt động lực của khói thải ở 200
0
C (với sPa
C

.10.17,17
6
0
0

=
à
)
5,1
0
)
273
273
(
387
387
.
00
t
t
CCt
+
+
=
àà
sPa
C
.10.72,25
6
200

0

=
à

Thay các trị số đã biết, ta có:
2
26
6
2,26
)10.50.(981.1000.3600
5000.10.72,25.18
. mbL ==



Nếu chọn L = 10m thì b = 2,6m ~ 3m.
Giá trị độ cao H của buồng lắng có thể lựa chọn bất kỳ (có thể chứng minh điều này).
Tuy nhiên cần nhận độ cao H sao cho vận tốc của dòng khí v
k
trong buồng lắng tơng đối
thấp để quá trình lằng không bị phá vỡ bởi vận tốc dòng khí.
Thông thờng vận tốc dòng khí tối đa là 3m/s, tuy nhiên đợc áp dụng phổ biến nhất
là vận tốc dòng khí v
k
ở khoảng 0,3m/s.
b) u điểm.
- Cấu tạo đơn giản, đầu t thấp
- Có thể xây bằng vật liệu rẻ tiền (gạch, xi măng), thép
- Giá thành bảo quản và sửa chữa thấp