CHƯƠNG 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, mục tiêu chung của đất nước là công nghiệp hoá, hiện đại hoá, việc đẩy mạnh phát triển kinh tế công nghiệp ngày càng quan trọng. Công nghiệp không ngừng phát triển sẽ thúc đẩy nền kinh tế tăng trưởng và phát triển xã hội. Tuy nhiên, bên cạnh những tác động tích cực, phát triển công nghiệp đã và đang gây tác động lớn đến môi trường.
Do vậy, phát triển kinh tế song song với giải quyết các vấn đề về môi trường đang là mục tiêu lớn nhất đồng thời cũng là thách thức khó khăn mà nước ta đang đối mặt. Trong các ngành công nghiệp, đáng kể nhất phải kể đến là các xí nghiệp, nhà máy sản xuất sử dụng lò hơi làm thiết bị chính cho quá trình sản xuất của họ. Hơi nước từ lò hơi trong các nhà máy công nghiệp như nhà máy hoá chất, rượu, bia, nước giải khát, dệt, chế biến thực phẩm… được sử dụng cho các quá trình công nghệ như đun nấu, chưng cất các dung dịch, cô đặc và sấy sản phẩm. Nhiên liệu đốt trong lò hơi có thể là nhiên liệu rắn như than, gỗ, bã mía, có thể là nhiên liệu lỏng như dầu FO, dầu diezen (DO) hoặc nhiên liệu khí [1].
Trong đó, lò hơi đốt củi thường được sử dụng nhiều hơn do củi có chi phí rẻ hơn so với các loại nhiên liệu khác. Thành phần của khói thải bao gồm các sản phẩm cháy của củi, chủ yếu là các khí CO2, CO, N2, H2O kèm theo một ít các chất bốc trong củi không kịp cháy hết, oxy dư và tro bụi bay theo dòng khí. Một trong những chất ô nhiễm không khí phổ biến và đặc trưng, không thể không nhắc đến đó là khí CO. Khí CO được tạo thành chủ yếu do quá trình đốt cháy không hoàn toàn những chất có chứa cacbon.
Do CO là khí không mùi, không màu, không kích thích nhiều nên sự hiện diện của khí CO trong không khí rất khó phát hiện. Khi nạn nhân nhiễm độc khí CO việc chuẩn đoán bệnh cũng rất khó khăn. Tiếp xúc với khí CO lâu dài hay ở nồng độ cao, cơ thể con người sẽ bị ngộ độc, tổn thương não, tim, cơ và có thể dẫn đến tử vong khi nồng độ CO trong môi trường trên 650 ppm [2]. Nhận thấy vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng, một số cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ có áp dụng các phương pháp xử lý khí độc hại đơn giản như phương pháp hấp thụ, hấp phụ, oxy hóa, khử, ngưng tụ, thu hồi, phương pháp xử lý 1 sinh học nhưng nhìn chung các thiết bị và hệ thống xử lý khí ở các ngành công nghiệp này còn ở mức thấp do trình độ thiết kế, chế tạo, trình độ vận hành của công nhân.
Chỉ có một số rất ít các cơ sở sản xuất mới xây dựng hiện đại có các hệ thống xử lý kèm theo dây chuyền công nghệ, số còn lại hiện nay mới chỉ xây dựng phương án hoặc sử dụng các hệ thống thông gió trong nhà xưởng, trồng nhiều cây xanh nên không thể hoàn toàn chủ động trong việc khống chế nồng độ của khí độc này [1]. Bản thân CO là một khí trơ nên không thể xử lý bằng phương pháp truyền thống, một trong các phương pháp xử lý khí có hiệu quả đối với khí CO là phương pháp oxy hóa xúc tác đang rất được quan tâm hiện nay. Để hạn chế phát thải khí CO vào môi trường từ những nguồn thải cố định và di động, thông thường khí CO được chuyển hóa thành khí CO2 bằng phương pháp oxy hóa xúc tác [3]. Hệ xúc tác được nghiên cứu nhiều nhất là xúc tác kim loại quý, kim loại chuyển tiếp như vàng (Au), bạc (Ag), Platin (Pt), Pallidi (Pd), Rutheni (Ru), hay oxit CuO, NiO, Cr2O3, ZnO mang trên các chất mang như -Al2O3, MnO2, Perovskite, OMS-2 hay các zeolite… [4].
Qua các nghiên cứu cho thấy, hệ xúc tác kim loại quý cho hiệu quả xử lý CO cao hơn so với xúc tác oxit kim loại chuyển tiếp. Tuy nhiên, giá thành xúc tác kim loại quý cao, tính khả dụng giới hạn và sự nhạy cảm với nhiệt độ cao của chúng từ lâu đã thúc đẩy việc tìm kiếm các xúc tác thay thế. Các oxit kim loại chuyển tiếp là sự thay thế khả thi nhất cho các kim loại quý. Chúng cũng có hoạt tính xúc tác cao đối với sự oxi hóa CO, mặc dù tại các nhiệt độ thấp hoạt tính này kém hơn so với các kim loại quý.
Tuy nhiên tại nhiệt độ cao hơn, sự khác biệt này không còn nữa. Nhìn chung, các nghiên cứu đã giải quyết được vấn đề giảm nhiệt độ đốt cháy CO. Trong đó, có một nghiên cứu có giá trị và tiêu biểu nhất có thể nói đến là nghiên cứu của X-S Liu và cộng sự về hệ xúc tác nano CuO trên chất mang OMS- 2 (một dạng khoáng chất tổng hợp có cấu trúc rây phân tử bát diện). Kết quả thực nghiệm cho thấy, xúc tác CuO/OMS-2 có thể oxy hóa hoàn toàn CO ở nhiệt độ thấp.
Hiệu quả của xúc tác này cho hoạt tính cao đối với phản ứng oxy hóa CO thành CO2 có thể là do tương tác mạnh của oxit đồng và oxit mangan trong chất mang OMS-2 theo cơ chế Mars-Van- Krevelen [5]. Nghiên cứu này đã cho thấy hệ xúc tác oxit kim loại chuyển tiếp có thể được thay thế xúc tác oxit kim loại quý trong quá trình xử lý 2 CO trong khí thải. Tuy nhiên, khối lượng CuO sử dụng cao vì vậy nhóm nghiên cứu muốn cải thiện giảm khối lượng CuO trong quá trình xử lý và nhóm nghiên cứu cũng muốn tìm hiểu, khảo sát các loại xúc tác khác trên nền chất mang OMS-2. Chính vì các nguyên nhân nêu trên, việc tiến hành xử lý khí CO trong dòng khí thải là một trong những nhiệm vụ cấp bách đối với kỹ sư, doanh nghiệp và xã hội.
Trên cơ sở đó, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu xử lý khí thải có chứa CO bằng phương pháp xúc tác ở nhiệt độ thấp”. Nghiên cứu này có thể được xem là một tiền đề để ứng dụng vật liệu xúc tác vào xử lý khí thải chứa CO một cách rộng rãi hơn. Mục tiêu nghiên cứu Đề tài được thực hiện nhằm tìm ra loại xúc tác tốt nhất và điều kiện phản ứng tốt nhất để xử lý CO. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.
Đối tượng nghiên cứu Dòng khí thải có chứa khí CO, các loại vật liệu xúc tác CuO/Al2O3, CoOx/Al2O3, Cr2O3/Al2O3, CuO/OMS-2, CuO-MnOx/OMS-2 và CuO-MnOx/ Zeolite. Phạm vi nghiên cứu Đây là một nghiên cứu có quy mô phòng thí nghiệm, do vậy phạm vi nghiên cứu xoay quanh khí thải có chứa khí CO, hiệu quả chuyển hóa khí CO của một số loại vật liệu xúc tác và ở một số điều kiện vận hành tại phòng thí nghiệm Môi trường thuộc trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh. Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu Nội dung 2: Xây dựng mô hình xử lý với quy mô phòng thí nghiệm Nội dung 3: - Chế tạo và thử nghiệm các vật liệu xúc tác CuO/Al2O3, CoOx/Al2O3, Cr2O3/Al2O3, CuO/ OMS-2, CuO-MnOx/ OMS-2 và CuO-MnOx/ Zeolite. - Khảo sát các đặc tính của vật liệu xúc tác như: xác định nhóm chức năng trong cấu trúc vật liệu bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại (FTIR), xác định cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), xác định 3 thành phần nguyên tố hóa học của vật liệu bằng phương pháp tán xạ năng lượng tia X (EDS), xác định khối lượng của vật liệu được đo theo thời gian khi thay đổi nhiệt độ bằng phương pháp phân tích trọng lượng nhiệt (TGA), xác định kích thước, hình dạng của vật liệu bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM), xác định diện tích bề mặt riêng của vật liệu bằng phương pháp hấp phụ (BET).
Nội dung 4: Xác định các điều kiện phù hợp cho quá trình oxy hóa CO ở điều kiện phòng thí nghiệm: - Khảo sát các mẫu vật liệu xúc tác đến hiệu quả xử lý khí CO - Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nung khác nhau của vật liệu xúc tác đến hiệu quả xử lý khí CO - Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu quả xử lý khí CO - Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ CO đầu vào đến hiệu quả xử lý khí CO - Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí đến hiệu quả xử lý CO - Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng xúc tác đến hiệu quả xử lý CO - Khảo sát ảnh hưởng của cả lưu lượng đầu vào và nồng độ đầu vào với lượng khí không thay đổi - Đánh giá độ bền của vật liệu xúc tác 1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1. Ý nghĩa khoa học Đề tài cung cấp các dữ liệu về khả năng xử lý khí thải chứa CO bằng phương pháp xúc tác. Kết quả của đề tài sẽ đóng góp và tạo nền tảng cho các nghiên cứu ứng dụng ở giai đoạn tiếp theo, đưa ra được phương pháp xử lý CO phù hợp với điều kiện kinh tế và chi phí ở Việt Nam.
Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của đề tài mang lại một số ý nghĩa thực tiễn như sau: - Chế tạo được nguyên liệu xúc tác với hiệu quả xử lý cao dùng cho quá trình xử lý khí thải CO từ quá trình đốt. - Kết quả nghiên cứu đề tài có thể làm cơ sở ứng dụng cho các công trình xử lý khí thải có chứa CO từ lò đốt biomass. Tính mới của đề tài Nghiên cứu áp dụng phương pháp xúc tác sử dụng oxit kim loại chuyển tiếp chưa được nghiên cứu nhiều tại Việt Nam. Chính vì vậy, nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác sử dụng oxit kim loại chuyển tiếp, thay cho xúc tác kim loại quý xử lý khí thải CO từ lò đốt tạo ra một hướng đi mới cần được thực hiện.
Kết quả nghiên cứu giúp các doanh nghiệp có giải pháp hiệu quả xử lý CO sinh ra từ nhà máy, giảm được các chi phí xử lý và nâng cao hiệu quả xử lý CO, góp phần bảo vệ môi trường. Khí thải lò hơi đốt sinh khối 2. Thành phần và nguồn gốc chất ô nhiễm Quá trình đốt nhiên liệu làm phát sinh những chất khí độc hại ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe con người và sinh vật như khí SO2, NOx, CO và một số hydrocacbon. Khi đốt củi, thành phần các chất trong khí thải thay đổi tuỳ theo loại củi, tuy vậy lượng khí thải sinh ra là tương đối ổn định.
