Nguyên lý của phương pháp là dựa trên sự tương tác giữa chất cần hấp thụ (khí hoặc hơi) với chất hấp thụ là chất lỏng hoặc các chất khác là chất rắn hoặc chất hòa tan trong chất lỏng. Dựa vào bản chất của sự tương tác nói trên mà người ta chia thành sự hấp thụ vật lý hay sự hấp thụ hóa học. - Hấp thụ vật lý: Là quá trình dựa trên sự tương tác vật lý thuần túy; nghĩa là chỉ bao gồm sự khuếch tán, hòa tan các chất cần hấp thụ vào trong lòng chất lỏng và sự phân bố của chúng giữa các phân tử chất lỏng. Độ hòa tan của một chất cần hấp thụ trong lòng chất lỏng luôn luôn là một hàm của nhiều biến số. Nếu gọi D là độ tan thì ta có thể biểu diễn nó như sau: D = f (x1, x2... xj, T, S, P, kD,...) Trong đó: xi là nồng độ của các chất khí hoặc hơi trong chất lỏng. T là nhiệt độ làm việc, S là diện tích tiếp xúc giữa hai pha, P là áp suất riêng phần của hơi hoặc khí trong pha khí, kD là hệ số khuếch tán của chất được hấp thụ trong pha lỏng. Thực tế quá trình hấp thụ tăng khi diện tích tiếp xúc hai pha tăng, và nhiệt độ làm việc giảm; riêng hiệu suất xử lý thì còn phụ thuộc mạnh vào áp suất riêng phần của khí hoặc hơi và nồng độ của chúng trong pha lỏng. Để tăng hiệu quả xử lý, người ta thường dùng các kiểu thiết bị làm tăng diện tích tiếp xúc tối đa, truyền nhiệt tốt và hạn chế sự tăng của chất hoà tan trong pha lỏng. Các kiểu thiết bị thông dụng như: tháp hấp thụ có tầng đệm, tháp hấp thụ sủi bọt, tháp phun... -Hấp thụ hóa học. Hấp thụ hóa học là quá trình hấp thụ luôn đi kèm với một hay nhiều phản ứng hóa học. Sau quá trình khuếch tán là quá trình xẩy ra các phản ứng hóa học. Như vậy sự hấp thụ hóa học không những phụ thuộc vào tốc độ khuếch tan của chất khí vào trong cháat lỏng mà còn phụ thuộc vào tốc độ chuển hoá các chất - tốc độ phản ứng của các chất. Trong hấp thụ hóa học, chất được hấp thụ có thể phản ứng ngay với các phần tử của chính chât hấp thụ. Thí dụ như: amoniac hay khí sunphurơ hấp thụ vào nước:NH3 + H2O -----> NH4OH SO2 + H2O -----> H2SO3

78

Chất cần hấp thụ phản ứng với các thành phần hoạt động trong chất hấp thụ ( thông thường là dung dịch của các chất hoạt động). Thí dụ như hấp thụ CO2, SO2 trong dung dịch NaOH. CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O Na2CO3 + H2O +CO2 = 2NaHCO3 Với SO2 cũng có phản ứng tương tự. Trong trường hợp chung ta có thể biểu diễn một cách tổng quát như sau: aA + bB + cC -----> mM + nN + ... Khi đạt tới cân bằng, hằng số cân bằng phản ứng có dạng [M]m.[N]n....

Kcb = [A]a.[B]b.[C]c... Kcb càng lớn bao nhiêu thì quá trình hấp thụ xảy ra càng thuận lợi bấy nhiêu. Giá trị [A] là nồng độ tự do của chất A trong dung dịch chưa tham gia vào phản ứng

(1) Thiết bị hấp thụ kiểu màng chất lỏng. Màng chất lỏng trong thiết bị hình tháp được tạo thành khi cho chất lỏng chẩy thành màng theo các ống, tấm tĩnh hay đĩa quay bố trí hợp lý trong tháp. Chất lỏng theo màng có thể chuyển động từ trên xuông dưới và khí đi từ dưới lên trên; rất ít khi sử dụng chế độ chuyển động cùng chiều từ dưới lên trên (chế độ làm việc này chỉ sử dụng khi tốc độ của dòng khí thải cao - trên 15 - 20 m/s). Với thiết bị màng ống và màng tấm, người ta thường áp dụng cho khí thải có tốc độ trung bình từ 4 đến 5 m/s. Thiết bị hấp thụ kiểu màng chất lỏng có ưu điểm là tạo được diện tích tiếp xúc pha khá lớn và có khả năng tách, thoát nhiệt tốt đồng thời với quá trình hấp thụ. Ngày nay người ta ít còn dùng các thiết bị hấp thụ kiểu màng ống và màng tấm. Duy còn phổ biến hơn cả tà trong trường hợp hấp thụ một số khí hoà tan tốt, có nồng độ cao từ hỗn hợp khí đậm đặc đồng thời có sự toả nhiệt mạnh như HCl, NH3.

79

(2) Thiết bị màng đĩa quay có cấu tạo giống như thiết bị đĩa quay trong xử lý bụi và sol. Chất lỏng để hấp thụ được phân bố đều trên các tầng đĩa, chuyển động từ trên xuống và được quay tròn liên tục trong suốt quá trình xử lý. Thực nghiệm cho thấy tốc độ chuyển khối tăng khi tăng số vòng quay của đĩa. Trong thiết bị màng quay, sức cản thủy lực nhỏ và có thể làm việc với mức tiêu hao chất hấp thụ thấp. Trong công nghiệp, thiết bị này vẫn được sử dụng thí dụ như để hấp thụ HCl hay SO2 bằng Na2S trong sản xuất natrithiosunphat (Na2S2O3). Thiết bị có 11 đĩa với đường kính 800 mm, tốc độ quay là 150 vòng/phút làm việc được với năng suất là 1.700 m3/h. (3) Tháp hấp thụ đệm được dùng phổ biến nhất. Trong tháp, người ta thường nhồi các vật thể lồng cồng như ốc sành sứ, lò so kim loại, vụn than cốc...để làm tăng diện tích tiếp xúc hai pha. Khi vận hành, khí thải được đi từ dưới lên trên còn chất lỏng thì đi từ trên xuống dưới. Lưu lượng của hai pha luôn được tính toán trước để thiết bị đạt hiệu quả cao nhất. Khi chất lỏng chẩy trên bề mặt các vật thể làm đệm, về cơ bản chúng có đặc trưng của màng chất lỏng. Tuy nhiên về bản chất của quá trình vận hành, giữa thiết bị hấp thụ màng và thiết bị hấp thụ đệm có sự khac nhau. Ơ thiết bị hấp thụ màng thì màng chất lỏng chuyển động liên tục theo chiều cao của tháp hấp thụ; còn trong thiết bị hấp thụ đệm thì khi màng chất lỏng chuyển động từ đơn nguyên của vật đệm này sang đơn nguyên khác thì màng cư bị phá vỡ và màng mới ddược hình thành. Quá trình này được lặp đi lặp lại trong suốt chiều dài của tháp. Thực tế trong tháp hấp thụ đệm, các màng chất lỏng khi chuyển từ đơn nguyên đệm này sang đơn nguyên đệm khác thường bị phá vỡ bởi sự chuyển động ngược chiều của dòng khí. Do vậy mà tháp đệm phần nào còn mang tính chất như một tháp hấp thụ sủi bọt. Sự chuyển động thuận dòng trong tháp đệm đôi khi cũng được sử dụng. Đó là những trường hợp khi tốc độ khí thải khá lớn (khoảng 10m/s), không hoặc khó thưc hiện được đối với kiểu ngược dòng. Sự bố trí thuận dòng sẽ làm tăng quá trình trao đổi chất, giảm trở lực thủy động và giảm kích thước của thiết bị. Trong trường hợp sự hấp thụ đi kèm với các phản ứng thủy phân hoặc tạo kết tủa thì người ta thường dùng loại tháp hấp thụ đệm nổi. Các lớp đệm nổi (những mảnh bọt xốp polyme hay các quả cầu rỗng làm bằng chất dẻo) được "treo” lơ lửng bởi dòng khí trong tháp và bởi các tấm lưới đỡ. Giữa các lớp đệm là những khoảng trống để đảm bảo cho các kết tủa không làm tắc nghẽn sự lưu thông của dòng khí qua các lớp đệm. Tất nhiên ở đây chất hấp thụ lỏng cũng được chuyển động từ trên đi xuống.

Các nghiên cứu thủy động học và chuyển khối trong các thiết bị hấp thụ đệm nổi cho thấy, tháp hấp thụ kiểu này có thể làm việc với tốc độ dòng khí lớn mà không bị tắc nghẽn. Nhược điểm của tháp hấp thụ đệm nổi là khó

80

thoát nhiệt trong quá trình hấp thụ. Muốn tách nhiệt, người ta thường phải sử dụng làm lạnh tuần hoàn. Trong công nghiệp sản xuất axit phosphoric từ quặng người ta đã sử dụng kiểu tháp hấp thụ đệm nổi để hấp thụ khí SiF4 hay SiCl4 vào nước; vì chúng tạo thành axit silicic không tan trong nước. Hay dùng huyền phù vôi để hấp thụ các khí như CO2, SO2... (4) Tháp hấp thụ sủi bọt (giống như tháp sủi bọt trong xử lý bụi) thường được sử dụng trong trường hợp tải lượng cao, áp suất khí thải lớn và quá trình hấp thụ có sự toả nhiệt, cần được làm lạnh. Các kiểu tháp hấp thụ sủi bọt chính gồm (1) sủi bọt qua lưới (hay vật xốp), (2) sủi bọt qua các đĩa chụp xen kẽ và (3) trộn cơ học khí và chất lỏng. Hấp thụ kiểu sủi bọt có nhược điểm lớn nhất là luôn có lớp bọt chiếm thể tích khá lớn trong thiết bị. Việc chuyển động của chất lỏng gặp phải trở lực lớn. Các nhà thiết kế đã có nhiều công trình làm giảm bớt những nhược điểm trên để có thể sử dụng kiêủ hấp thụ này trong công nghiệp vì nó có hệ số chuyển khối rất cao. Chiều cao lớp chất lỏng tăng sẽ làm tăng khả năng hấp thụ song đồng thời cũng tăng trở lực của thiết bị. Thông thường người ta không tăng lớp chất lỏng quá 50 mm. (5) Tháp hấp thụ kiểu đĩa chụp tạo ra sự chuyển động đối dòng của khí và chất lỏng qua từng bậc một. Chất lỏng đi từ phía trên đĩa xuống đáy, rơi vào đáy của đĩa phiá dưới rồi tiếp tục chảy xuống phía trên của đĩa tiếp theo. Còn khí thì len lỏi cũng theo con đường ấy nhưng ngược chiều với chất lỏng. Sự minh hoạ đơn giản có thể tham khảo trên các hình trong phần phụ lục. (6) Tháp phun là loại thiết bị hấp thụ đơn giản. Trong tháp phun, chất lỏng được phun thành bụi (sương) từ phía trên xuống, khí thường đi từ dưới lên nhằm làm tăng diện tích tiếp xúc và để nồng độ thực tế chất cần hấp thụ trong pha khí giảm dần theo chiều từ dưới đi lên và nồng độ chất bị hấp thụ trong pha lỏng được tăng dần theo chiều từ trên đi xuống. Quá trình này rất có lợi cho việc tăng hiệu quả xử lý. Tháp hấp thụ phun có thể chia ra làm ba kiểu khác nhau: (1) thiết bị hấp thụ phun kiểu thùng rỗng, (2) thiết bị hấp thụ phun thuận dòng tốc độ cao và (3) thiết bị hấp thụ phun sương kiểu cơ khí.

Đối với kiểu thùng rỗng, vòi phun sương thường được đặt ở phía trên phun xuống. Trong trường hợp tháp hấp thụ có chiều cao lớn, người ta thường đặt các vòi phun chia ra ở các tầng khác nhau. Nhược điểm của thiết bị thùng rỗng là khí thường phân bố không đều trong toàn bộ tháp dẫn đến làm giảm hiệu suất xử lý. Tuy nhiên để khí phân bố đều người ta đã tạo ra các bộ phận phân phối khí như phân phối khí qua miệng thắt, phân phối khí thông qua màng phân phối xốp hay phân phối khí theo dòng xoáy kiểu cyclon...

81

Thiết bị hấp thụ thùng rỗng có ưu điểm là đơn giản, đầu tư thấp, lực cản thủy động nhỏ và có thể sử dụng đối với khí thải có độ nhiễm bẩn cao; chất lỏng dùng để hấp thụ có thể quay vòng cho tới khi hấp thụ no mới thải cho nên tiết kiệm được chất hấp thụ. Nhược điểm chủ yếu của loại thiết bị kiểu này là hiệu quả xử lý không cao do hệ số chuyển khối thấp và tốc độ dòng khí không được quá lớn (nhỏ hơn 1 m/s) để tránh hiện tượng chất lỏng bị cuốn theo khí ra ngoài. Thiết bị phun thuận dòng tốc độ cao. Thiết bị kiểu này phù hợp với dòng khí thải có vận tốc lớn (khoảng từ 20 - 30 m/s); khi vận hành chất lỏng bị cuốn theo cùng dòng khí, sau đó được tách ra bởi một thiết bị kèm theo. Thiết bị phun thuận dòng tốc độ cao có dạng như kiểu thiết bị Venturi (giống như trong xử lý bụi). Khí thải với tốc độ cao đi qua ống thắt, cuốn theo chất lỏng từ cửa chờ dưới dạng bụi sương và cùng đi vào vùng khuếch tán rồi tới bộ phânj tách chất lỏng. Trong vùng khuếch tan, động năng của dòng khí chuyển thành áp lực với mức hao hụt là cực tiểu. Thiết bị Venturi được sử dụng khá phổ biến trong xử lý khí thải. (7) Thiết bị phun sương kiểu cơ khí ít được sử dụng, nó chỉ phù hợp trong những trường hợp đặc biệt