Nghiên cứu về Xử lý Khí thải chứa VOCs thơm (Benzen và Toluene) sử dụng Xúc tác Cu (Co)-MnOx

• Tác giả: Trần Thị Thu Hiền
• Người hướng dẫn: Lê Minh Thắng
• Trường học: Hanoi University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Environmental Engineering
• Đề tài: Nghiên cứu Xử lý Khí thải chứa VOCs thơm (Benzen và Toluene) bằng xúc tác Cu(Co)-MnOx
• Loại tài liệu: Doctoral Dissertation
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hanoi

• STATUTORY DECLARATION
• ACKNOWLEDGEMENT
• TABLE OF CONTENTS
• LIST OF ABBREVIATIONS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• 1. VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS (VOCs)
• 1.1. Sources of VOCs
• 1.2. Effects of VOCs on the environment and human health
• 2. AROMATIC VOCs (BENZENE, TOLUENE) EMISSION IN VIETNAM
• 2.1. Emission from traffic
• 2.2. Emission from industry
• 2.3. Emission from waste tyre pyrolysis process
• 3. VOCs CONTROL METHODS AND ENGINEERING
• 3.1. Control by prevention
• 3.2. Control by concentration and recovery
• 3.3. Control by oxidation (treatment)
• 4. OVERVIEW OF CATALYTIC OXIDATION OF VOCs
• 4.1. Catalyst for VOCs oxidation
• 4.2. Overview of composition of catalyst for the VOCs oxidation process
• 4.3. Kinetics and mechanism of catalytic oxidation of VOCs
• 5. OVERVIEW OF THE SYNTHESIS OF THE CATALYST
• 5.1. Sol-gel method
• 6. THE SUMMARY OF LITERATURE REVIEW
• 7. THE SYNTHESIS OF THE CATALYST
• 7.1. Chemical and substrates substances
• 7.2. Synthesis of NiCoOx catalyst
• 7.3. The synthesis of CuMnOx catalyst
• 7.4. The sol-gel synthesis of CoMnOx catalyst
• 7.5. The impregnation synthesis of CuMnOx12/cordierite catalysts
• 7.6. The impregnation synthesis of CuMnOx12/AC catalysts
• 7.7. N2 Adsorption/ Desorption isotherm method (BET)
• 7.8. X-ray diffraction (XRD) method
• 7.9. Scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM/EDX)
• 7.10. Hydrogen temperature – programmed reduction (TPR-H2)
• 7.11. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR)
• 7.12. Electron paramagnetic resonance (EPR)
• 8. EVALUATION OF THE OXIDATION OF VOCs OVER THE CATALYSTS
• 9. EVALUATION OF THE VOCs ADSORPTION, DESORPTION - OXIDATION OVER THE CATALYSTS
• 10. EVALUATION OF THE COMBINATION OF THE VOCs OXIDATION – ADSORPTION PROCESS OVER THE MANGANESE–BASED CATALYST ON PILOT SCALE
• 11. RESULTS AND DISCUSSION
• 11.1. CATALYST CHARACTERIZATION AND SELECTION OF CATALYSTS FOR VOCs (TOLUENE) OXIDATION
• 11.1.1. Manganese oxide catalyst
• 11.1.2. Select the non–noble metal catalyst for the complete oxidation of VOCs
• 11.2. DEVELOPMENT OF MIXED MANGANESE AND COPPER OXIDE CATALYST
• 11.2.1. Influence of different inlet concentrations on catalytic activity of CuMnOx catalyst
• 11.2.2. Influence of different preparation methods on the catalytic activity of the CuMnOx catalyst
• 11.2.3. Influence of different Cu/Mn molar ratios on catalytic activity of CuMnOx catalyst
• 11.2.4. Influence of sulfur compounds on catalytic activity of CuMnOx12 catalyst in the direct oxidation of VOCs
• 11.2.5. Investigation of catalytic activity of CuMnOX12/cordierite catalyst in the direct VOCs oxidation process
• 11.2.6. Investigating CuMnOx12/AC adsorbent for VOCs adsorption-desorption and oxidation
• 11.3. THE DEVELOPMENT OF MIXED MANGANESE AND COBALT OXIDE CATALYST
• 11.3.1. Influence of different molar Co/Mn ratios on catalytic activity of CoMnOx catalyst
• 11.3.2. Investigation of catalytic activity of CoMnOx 91/cordierite catalyst in the direct VOCs oxidation process
• 11.4. APPLICATION OF CoMnx91/CORDIERITE FOR OXIDATION AND CuMnOx12/AC ADSORBENT FOR THE ADSORPTION, DESORPTION – OXIDATION FOR REMOVING AROMATIC VOCs (BENZENE, TOLUENE) IN THE EXHAUSTED GAS MIXTURE FROM WASTE TYRE PYROLYSIS PROCESS
• 11.4.1. The exhausted gas treatment system in the pilot system
• 11.4.2. Gas monitoring results from the exhausted gas treatment system in the waste tyre pyrolysis process
• 12. GENERAL CONCLUSIONS AND OUTLOOK
• PUBLICATIONS OF THE DISSERTATION

I. Tổng Quan Nghiên cứu Xử Lý VOCs Thơm Bằng Xúc Tác Cu Co MnOx

Bài viết này tập trung vào nghiên cứu xử lý khí thải chứa VOCs thơm (chủ yếu là Benzen và Toluene) bằng cách sử dụng xúc tác Cu(Co)-MnOx. VOCs thơm là một vấn đề nhức nhối do tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Các nguồn phát thải chính bao gồm khí thải công nghiệp, giao thông vận tải và các quy trình công nghiệp khác. Nghiên cứu này khám phá tiềm năng của xúc tác Cu(Co)-MnOx trong việc oxy hóa và loại bỏ hiệu quả các hợp chất này. Xúc tác này hứa hẹn mang lại giải pháp công nghệ xanh hiệu quả về chi phí và thân thiện với môi trường cho xử lý khí thải.

1.1. VOCs Thơm Nguồn Gốc Tác Động và Phương Pháp Kiểm Soát

VOCs thơm, bao gồm Benzen và Toluene, là những chất gây ô nhiễm không khí nguy hiểm. Chúng có nguồn gốc từ nhiều hoạt động, bao gồm khí thải công nghiệp, đốt nhiên liệu và bay hơi dung môi. Tiếp xúc với VOCs thơm có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, từ kích ứng đường hô hấp đến ung thư. Kiểm soát VOCs thơm là rất quan trọng để bảo vệ môi trường và sức khỏe con người, đòi hỏi các công nghệ xử lý khí thải tiên tiến. Các phương pháp kiểm soát bao gồm oxy hóa xúc tác, hấp phụ và đốt.

1.2. Xúc Tác Cu Co MnOx Vật Liệu Hứa Hẹn Cho Oxy Hóa VOCs

Xúc tác Cu(Co)-MnOx là một loại vật liệu xúc tác hỗn hợp oxit kim loại đầy hứa hẹn cho oxy hóa xúc tác VOCs thơm. Sự kết hợp của đồng (Cu), coban (Co) và mangan oxit (MnOx) mang lại hoạt tính xúc tác cao và độ ổn định tốt. Ảnh hưởng của Co, Ảnh hưởng của Cu, và Ảnh hưởng của MnOx đến cơ chế phản ứng đều được nghiên cứu kỹ lưỡng. Xúc tác này có thể được điều chế bằng nhiều phương pháp điều chế xúc tác khác nhau, ảnh hưởng đến tính chất xúc tác cuối cùng.

II. Thách Thức Xử Lý Khí Thải VOCs Tìm Giải Pháp Hiệu Quả

Việc xử lý khí thải chứa VOCs thơm đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật và kinh tế. VOCs thơm thường có nồng độ thấp trong khí thải, đòi hỏi các công nghệ xử lý hiệu quả cao. Các phương pháp truyền thống như đốt có thể tốn kém và tạo ra các chất ô nhiễm thứ cấp. Tìm kiếm các giải pháp xử lý khí thải hiệu quả về chi phí, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường là rất quan trọng. Việc phát triển các xúc tác hoạt động ở nhiệt độ thấp và có khả năng chống chịu các chất độc hại trong khí thải công nghiệp là một ưu tiên.

2.1. Giới Hạn Của Các Phương Pháp Xử Lý VOCs Truyền Thống

Các phương pháp xử lý khí thải VOCs thơm truyền thống, như đốt và hấp phụ, có những hạn chế nhất định. Đốt yêu cầu nhiệt độ cao, tiêu thụ nhiều năng lượng và có thể tạo ra NOx. Hấp phụ có thể hiệu quả nhưng đòi hỏi quá trình tái sinh chất hấp phụ tốn kém. Do đó, cần phải phát triển các công nghệ xử lý khí thải thay thế, hiệu quả hơn, có chi phí hợp lý hơn và tác động môi trường thấp hơn.

2.2. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Chất Độc Đến Hoạt Tính Xúc Tác

Khí thải công nghiệp thường chứa các chất độc hại có thể làm giảm hoạt tính xúc tác và độ ổn định của xúc tác. Các chất này có thể bao gồm lưu huỳnh oxit (SOx), halogen và các hợp chất hữu cơ khác. Nghiên cứu ảnh hưởng của Co, ảnh hưởng của Cu, ảnh hưởng của MnOx khi có mặt các chất độc hại này là rất quan trọng để phát triển các xúc tác mạnh mẽ hơn cho xử lý khí thải thực tế. Sự hiện diện của các hợp chất lưu huỳnh trong khí thải có thể làm giảm hiệu quả xúc tác đáng kể.

III. Phương Pháp Oxy Hóa Xúc Tác Cu Co MnOx Giải Pháp Tối Ưu

Nghiên cứu này tập trung vào oxy hóa xúc tác VOCs thơm bằng xúc tác Cu(Co)-MnOx. Oxy hóa xúc tác là một công nghệ xử lý khí thải hứa hẹn, có khả năng chuyển đổi VOCs thành CO2 và H2O ở nhiệt độ tương đối thấp. Xúc tác Cu(Co)-MnOx đã cho thấy hoạt tính xúc tác cao đối với phản ứng oxy hóa hoàn toàn Benzen và Toluene. Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xúc tác bao gồm tính chất xúc tác, nhiệt độ phản ứng, áp suất phản ứng và nồng độ VOCs.

3.1. Cơ Chế Phản Ứng Oxy Hóa VOCs Trên Xúc Tác Cu Co MnOx

Hiểu rõ cơ chế phản ứng oxy hóa VOCs thơm trên bề mặt xúc tác Cu(Co)-MnOx là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất xúc tác. Động học phản ứng và các bước phản ứng trung gian cần được nghiên cứu kỹ lưỡng. Vai trò của đồng (Cu), coban (Co) và mangan oxit (MnOx) trong cơ chế phản ứng cần được làm sáng tỏ. Các mô hình cơ chế phản ứng như Langmuir-Hinshelwood và Eley-Rideal có thể được sử dụng để mô tả quá trình oxy hóa.

3.2. Tối Ưu Hóa Phương Pháp Điều Chế Xúc Tác Để Nâng Cao Hoạt Tính

Phương pháp điều chế xúc tác có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất xúc tác của xúc tác Cu(Co)-MnOx. Các phương pháp như sol-gel, đồng kết tủa và tẩm có thể được sử dụng. Tối ưu hóa các thông số điều chế, chẳng hạn như tỷ lệ kim loại, nhiệt độ nung và thời gian nung, có thể cải thiện hoạt tính xúc tác, độ ổn định và diện tích bề mặt. Việc sử dụng nano xúc tác và chất mang phù hợp cũng có thể nâng cao hiệu suất.

IV. Ảnh Hưởng Thông Số Vận Hành Đến Hiệu Quả Xử Lý VOCs Thơm

Hiệu quả xử lý khí thải VOCs thơm bằng xúc tác Cu(Co)-MnOx phụ thuộc vào các thông số vận hành như nhiệt độ phản ứng, áp suất phản ứng, nồng độ VOCs, và lưu lượng khí. Nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của các thông số này đến hiệu quả xúc tác. Xác định các điều kiện vận hành tối ưu là rất quan trọng để đạt được hiệu suất xử lý cao nhất. Độ ổn định xúc tác trong thời gian dài cũng cần được đánh giá.

4.1. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Và Áp Suất Phản Ứng

Nhiệt độ phản ứng và áp suất phản ứng là những thông số quan trọng ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác. Nghiên cứu cần xác định nhiệt độ phản ứng tối ưu cho phản ứng oxy hóa Benzen và Toluene. Áp suất phản ứng cũng có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và hiệu quả xúc tác. Cần tìm ra sự cân bằng giữa nhiệt độ và áp suất để tối đa hóa hiệu suất và giảm thiểu chi phí năng lượng.

4.2. Đánh Giá Ảnh Hưởng Của Nồng Độ VOCs Đến Hoạt Tính Xúc Tác

Nồng độ VOCs trong khí thải có thể ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác. Xúc tác có thể bị ức chế ở nồng độ VOCs cao. Nghiên cứu cần đánh giá ảnh hưởng của nồng độ VOCs đến hiệu quả xúc tác và xác định giới hạn nồng độ có thể xử lý hiệu quả. Khả năng hấp phụ VOCs của chất mang xúc tác cũng đóng vai trò quan trọng.

V. Ứng Dụng Thực Tế Xúc Tác Cu Co MnOx Xử Lý Khí Thải Công Nghiệp

Nghiên cứu này khám phá ứng dụng xúc tác Cu(Co)-MnOx trong xử lý khí thải công nghiệp chứa VOCs thơm. Khí thải công nghiệp từ các ngành như hóa chất, sơn và in có thể chứa nồng độ cao Benzen và Toluene. Xúc tác Cu(Co)-MnOx có thể được triển khai trong các hệ thống xử lý khí thải quy mô lớn để giảm ô nhiễm không khí và bảo vệ môi trường. Quy trình xử lý khí thải cần được thiết kế để tối ưu hóa hiệu quả và giảm chi phí xử lý.

5.1. Nghiên Cứu Trên Quy Mô Pilot Xử Lý Khí Thải Từ Pyrolysis Lốp

Ứng dụng cụ thể của xúc tác Cu(Co)-MnOx được nghiên cứu trong xử lý khí thải từ quá trình nhiệt phân lốp phế thải. Quá trình này tạo ra khí thải chứa nhiều VOCs thơm độc hại. Hệ thống xử lý quy mô pilot sử dụng xúc tác Cu(Co)-MnOx được đánh giá về hiệu quả loại bỏ VOCs và giảm thiểu tác động môi trường. Kết quả cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn của xúc tác này trong lĩnh vực công nghệ xanh.

5.2. Đánh Giá Chi Phí và Hiệu Quả Xử Lý Tính Khả Thi Thực Tế

Đánh giá chi phí xử lý và hiệu quả của việc sử dụng xúc tác Cu(Co)-MnOx là rất quan trọng để xác định tính khả thi thực tế. So sánh chi phí với các công nghệ xử lý khí thải khác và đánh giá lợi ích về bảo vệ môi trường và sức khỏe con người. Phân tích vòng đời sản phẩm (Life Cycle Analysis) có thể cung cấp cái nhìn toàn diện về tác động môi trường và kinh tế của xúc tác Cu(Co)-MnOx.

VI. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Xúc Tác Xanh Bền Vững

Nghiên cứu này kết luận rằng xúc tác Cu(Co)-MnOx là một vật liệu đầy hứa hẹn cho xử lý khí thải chứa VOCs thơm. Tuy nhiên, cần có thêm nghiên cứu để tối ưu hóa tính chất xúc tác, độ ổn định và khả năng chống chịu các chất độc hại. Phát triển các xúc tác xanh bền vững, có chi phí hợp lý và hiệu quả cao là mục tiêu quan trọng. Các hướng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào cải tiến phương pháp điều chế xúc tác, sử dụng nano xúc tác và exploring các chất mang xúc tác mới.

6.1. Nghiên Cứu Phát Triển Xúc Tác Nano và Vật Liệu Hỗ Trợ Mới

Sử dụng nano xúc tác và các chất mang xúc tác mới có thể cải thiện đáng kể hoạt tính xúc tác và độ ổn định. Các vật liệu nano có diện tích bề mặt lớn và cấu trúc độc đáo, cho phép tăng cường khả năng hấp phụ VOCs và phân hủy VOCs. Các chất mang xúc tác mới có thể cải thiện sự phân tán của kim loại và tăng khả năng chống chịu các chất độc hại.

6.2. Hướng Tới Xúc Tác Bền Vững Giảm Thiểu Tác Động Môi Trường

Phát triển các xúc tác bền vững, sử dụng các vật liệu thân thiện với môi trường và quy trình điều chế tiết kiệm năng lượng là rất quan trọng. Nghiên cứu cần tập trung vào giảm thiểu tác động môi trường của xúc tác trong suốt vòng đời của nó, từ khai thác nguyên liệu đến xử lý chất thải. Hướng tới công nghệ xanh và các giải pháp xử lý khí thải bền vững là mục tiêu lâu dài.