Nghiên cứu xử lý các hợp chất hữu cơ bay hơi trong không khí bằng công nghệ plasma nguội

ISO 9001:2015

VIMCERTS 025

TRẠM QUAN TRẮC VÀ PHÂN TÍCH MÔI TRƯỜNG LAO ĐỘNG

NATIONAL WORKING ENVIRONMENT MONITORING STATION

VILAS 441

Trang chủ»Dịch vụ »Sản phẩm dịch vụ»Nghiên cứu xử lý các hợp chất hữu cơ bay hơi trong không khí bằng công nghệ plasma nguội

Nghiên cứu xử lý các hợp chất hữu cơ bay hơi trong không khí bằng công nghệ plasma nguội

Kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra rằng plasma nguội (NTP – Non-thermal Plasma) được tạo ra theo nguyên lý phóng điện rào cản điện môi (DBD – Dielectric Barrier Discharge) có thể xử lý được các hợp chất hữu cơ bay hơi thường gặp trong không khí MTLĐ tại phân xưởng in bao gồm: toluen, xylen, MEK và methanol. Hiệu suất xử lý phụ thuộc vào loại hợp chất hữu cơ bay hơi, nồng độ đầu vào, vận tốc, điện áp, và dao động trong khoảng từ 12,01% đến 76,5%. Kết quả ứng dụng hệ thống plasma nguội tại phân xưởng in tờ rời, công ty CP in Công đoàn cho thấy hiệu quả đạt 59,7% đối với xylen, 34,8% đối với toluen, 15,7% đối với methanol và 23,2% đối với tổng hợp chất hữu cơ bay hơi.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngành in sử dụng nhiều loại nguyên liệu chứa các hợp chất hữu cơ bay hơi (hay dung môi hữu cơ – DMHC) như mực in, dung dịch làm ẩm, dung dịch rửa tấm bản, ru lô, máy móc…Trong quá trình sản xuất, DMHC phát sinh và phát tán vào không khí MTLĐ. Nồng độ DMHC đo được trong các phân xưởng in thường thấp hơn tiêu chuẩn cho phép hiện hành. Các kết quả nghiên cứu gần đây trên thế giới cho thấy việc phơi nhiễm thường xuyên với DMHC nồng độ thấp hơn tiêu chuẩn cho phép, người lao động vẫn có thể mắc bệnh nghề nghiệp (BNN) do tính chất tích tụ của chúng trong cơ thể. Vì vậy, kiểm soát nồng độ DMHC trong không khí MTLĐ phải theo hướng càng thấp càng tốt.

Trong thời gian gần đây, công nghệ plasma nguội (nonthermal plasma) đã và đang được quan tâm nghiên cứu để xử lý DMHC trong môi trường không khí và khí thải công nghiệp [2], [3], [4], [5], [6], [7]. Công nghệ plasma nguội dựa trên cơ sở quá trình phóng điện trong không khí tạo ra các ion âm có hoạt tính hoá học cao. Các dạng ô xy hoạt tính như O₂^-_,O₂^2-, OH_. (plasma nguội) được hình thành trong quá trình ion hoá không khí là tác nhân của quá trình ô xy hoá DMHC tạo thành H₂O và CO₂.

Trong nghiên cứu này, thiết bị tạo ion được thiết kế, chế tạo dựa trên nguyên lý phóng điện rào cản điện môi (DBD – Dielectric Barrier Discharge). Trong phóng điện rào cản điện môi, giữa 2 điện cực bố trí 1 hoặc 2 lớp điện môi [2], [4], [5]. Chất điện môi được sử dụng bao gồm: thuỷ tinh, thạch anh, gốm và sứ. Rào cản điện môi có 2 chức năng chính là: i) giới hạn số lượng điện tích được vận chuyển (dòng điện) bởi một điểm phóng điện và ii) phân bố đều các điểm phóng điện vi mô trên diện tích bề mặt của điện cực. Ưu điểm của phóng diện DBD bao gồm: i) khả năng tự điều chỉnh quá trình phóng điện, hạn chế sự hình thành ô zôn; ii) dễ dàng chuyển đổi từ quy mô thí nghiệm sang quy mô thực.

Nghiên cứu được thực hiện với sự phối hợp, hỗ trợ của Đại học Kyung Hee và công ty Bekzon, Hàn Quốc.

2. NGHIÊN CỨU TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM

2.1. Hệ thống thí nghiệm

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế và xây dựng hệ thống thí nghiệm đánh giá quá trình xử lý DMHC bằng plasma nguội theo sơ đồ được biểu diễn ở Hình 1. Lưu lượng không khí của hệ thống thí nghiệm là 140 - 320m³/h. Kích thước buồng ion hoá (tạo plasma nguội): 156x240x220mm, trong đó có thiết bị phóng điện DBD với 3 bóng phóng điện DBD kích thước Ø380x250mm. Kích thước của buồng phản ứng là 800x800x1200mm.

Đối tượng xử lý là các DMHC: toluen, xylen, MEK và methanol.

11 xu ly VOCs bang plasma Hinh 1

Hoạt động của hệ thống thí nghiệm như sau: Không khí được lấy từ phòng điều hòa với thông số nhiệt độ 24-27^oC và độ ẩm 70-60% đưa vào hệ thống thí nghiệm. Trước tiên, không khí đi qua bộ đo lưu lượng dạng diaphragma (2) để xác định lưu lượng, rồi đi qua ống tiếp nhận dung môi hữu cơ (3). Dung môi hữu cơ được cấp vào ống tiếp nhận bằng bơm định lượng Pump NE-1600 của Hãng New Era Pump System, Mỹ (4). Không khí và dung môi hữu cơ được trộn đều với nhau khi đi qua bộ hoà trộn (5) để đạt được sự phân bố đều DMHC trong dòng khí. Sau đó, không khí chứa dung môi hữu cơ đi qua buồng ion hoá (8), nhờ hoạt động của thiết bị phóng điện DBD (7), không khí bị ion hoá tạo thành các ion âm. Trong buồng phản ứng (10), các dạng ô xy hoạt tính tiếp xúc và phản ứng ô xy hoá với các phân tử DMHC tạo thành H₂O và CO₂. Quạt trục mini được bố trí trong buồng phản ứng nhằm mục đích khuấy trộn, tăng khả năng va chạm giữa các dạng ô xy hoạt tính với các phân tử DMHC. Không khí sau khi đi ra khỏi buồng phản ứng được đưa ra ngoài phòng thí nghiệm. Lưu lượng không khí của hệ thống được điều chỉnh theo yêu cầu thí nghiệm bằng cách điều chỉnh tần số dòng điện ở đầu ra của máy biến tần, thay đổi số vòng quay của động cơ (14).

Mẫu không khí trước và sau buồng phản ứng được lấy trực tiếp bằng bơm lấy mẫu (16), rồi bơm vào máy GC/FID 2010 plus, Shimatzu (17) để phân tích, xác định nồng độ dung môi hữu cơ. Số liệu thí nghiệm được lưu giữ, xử lý trong máy tính cá nhân (18).

Nồng độ ion được xác định bằng máy đo ion Highly Accurate Air Counter (Bi Polar type) COM-3800, Nhật Bản (9).

Nồng độ ô zôn được xác định bằng thiết bị đo ô zôn Gas Pro Portable Multigas Detector, CHLB Đức (12)

Trang bị máy biến tần (14) để điều chỉnh tần số dòng điện trước khi vào động cơ của quạt li tâm (13) cho phép điều chỉnh mềm tốc độ quay của động cơ, nhờ đó điều chỉnh mềm lưu lượng không khí của hệ thống thí nghiệm mà không cần phải dùng van bướm.

Bộ đo lưu lượng Diaphragm và vi áp kế nghiêng (2) được sử dụng để đo và theo dõi lưu lượng đi qua hệ thống thí nghiệm.

Nồng độ DMHC ở đầu vào được xác lập và duy trì ổn định theo các bước sau: i) từ lưu lượng tương ứng với mỗi chế độ thí nghiệm, xác định lượng DMHC cần phải bơm vào để đảm bảo nồng độ theo yêu cầu thí nghiệm; ii) đặt bơm theo lượng DMHC yêu cầu; iii) bật bơm lấy mẫu khí tại điểm A, rồi đưa vào GC/FID để phân tích, xác định nồng độ. Nếu chênh lệch nồng độ đo được so với nồng độ thí nghiệm ≤±5%, quá trình tạo mẫu đạt yêu cầu. Nếu vượt quá 5% thì điều chỉnh bơm định lượng, rồi lặp lại bước (iii) để xác định lại nồng độ DMHC cho đến khi đạt yêu cầu thì dừng.

Nội dung nghiên cứu bao gồm: i) xác định mật độ và năng suất tạo ion của thiết bị; ii) xác định hiệu suất xử lý DMHC và các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất xử lý. Các loại DMHC được nghiên cứu bao gồm: toluen, xylen, MEK và methanol. Nghiên cứu thí nghiệm được thực hiện với nhiệt độ và độ ẩm duy trì ổn định ở các giá trị t=24-27^oC, φ=70-60%. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất xử lý bao gồm điện áp phóng điện, nồng độ DMHC ở đầu vào và vận tốc không khí đi qua buồng phản ứng như trong Bảng 1.

Bảng 1. Các yếu tố ảnh hưởng được nghiên cứu

Điện áp phóng điện, kV	2,64	3,28	3,84
Nồng độ dung môi hữu cơ, ppm	20	50	80
Vận tốc không khí, m/s	0,06	0,10	0,14

Số chế độ thí nghiệm đối với mỗi loại DMHC: 27. Tổng số chế độ thí nghiệm đối với 4 loại dung môi là: 108.

Hiệu suất xử lý được xác định bằng công thức sau đây:

11 xu ly VOCs bang plasma CT 1

2.2. Kết quả nghiên cứu

a. Mật độ và năng suất ion

üMật độ ion âm cao nhất là gần 207.600ion/cm³, thấp nhất là khoảng 27.500ion/cm³, trong khi đó, mật độ ion dương cao nhất đạt khoảng 505.700ion/cm³ và thấp nhất là 102.200ion/cm³.

üNăng suất tạo ion của thiết bị tạo dao động trong khoảng từ 8,4x10¹²ion/h đến 35,4x10¹²ion/h đối với ion âm và từ 22,5x10¹²ion/h đến 100,9x10¹²ion/h đối với ion dương (xem Hình 2). Năng suất tạo ion trên 1cm² diện tích bề mặt phóng điện dao động từ 3,6–5,2 triệu ion/cm²/s đối với ion âm và 9,7-43,4 triệu ion/cm²/s đối với ion dương.

11 xu ly VOCs bang plasma Hinh 2

üỞ cùng một vận tốc không khí, khi tăng điện áp phóng điện thì mật độ ion và năng suất tạo ion tăng lên. Trong khi đó, ở cùng một điện áp phóng điện, khi tăng vận tốc thì mật độ ion giảm đi, còn năng suất tạo ion có xu hướng tăng. Điều này có thể được giải thích như sau: tăng vận tốc tức là tăng lưu lượng không khí, dẫn đến số lượng các phân tử khí bị ion hoá tăng, tức là năng suất tạo ion tăng;

üMật độ ion âm và ion dương cao nhất đạt được ở điện áp 3,84kV và vận tốc không khí đi qua buồng ion hoá bằng 0,9m/s, tương ứng là 207.600ion/cm³ và 505.700ion/cm³.

b. Hiệu suất xử lý DMHC

üTất cả các DMHC đều có thể xử lý được bằng công nghệ ion hoá, hiệu suất xử lý theo thứ tự từ cao xuống thấp như sau: xylen, toluen, MEK và methanol. Điều này hoàn toàn phù hợp vì năng lượng ion hoá của tất cả các DMHC đều thấp hơn năng lượng ion hoá của ô xy và tăng dần theo thứ tự từ xylen đến toluen, MEK và methanol. Ở nồng độ 20ppm, vận tốc 0,06m/s, điện áp 3,84kV, hiệu suất xử lý đối với xylen, toluen, MEK, methanol lần lượt là: 76,25%; 39,45%; 19,85%; 17,5% (xem Hình 3).

üTrong khoảng thí nghiệm, thì hiệu suất xử lý DMHC đạt cao nhất là 39,47% và 76,25% ở nồng độ 20ppm, vận tốc 0,06m/s (đối với toluen, xylen), là 28,5% và 32,0% ở nồng độ 5ppm, vận tốc 0,06m/s (đối với MEK và methanol), trong khi đó hiệu suất xử lý thấp nhất là 12,5% và 29,3% ở nồng độ 80ppm, vận tốc 0,14m/s (đối với toluen, xylen), là 12,01% và 12,1% ở nồng độ 20ppm, vận tốc 0,14m/s (đối với MEK, methanol);

üĐối với tất cả các DMHC được nghiên cứu, quan sát thấy những xu hướng chung sau đây: i) ở cùng một điện áp và vận tốc không khí đi qua bộ phản ứng thì hiệu suất xử lý DMHC giảm dần theo chiều tăng của nồng độ đầu vào; ii) ở cùng một điện áp và nồng độ đầu vào thì hiệu suất xử lý DMHC giảm dần theo chiều tăng của vận tốc không khí đi qua bộ phản ứng; iii) ở cùng một nồng độ đầu vào và vận tốc thì hiệu suất xử lý DMHC tăng theo chiều tăng của điện áp phóng điện.

c. Nồng độ ôzôn

Ion hoá không khí bằng phóng điện DBD luôn đi kèm với sự xuất hiện của ô zone do quá trình ôxy hoá O₂. Kết quả nghiên cứu thí nghiệm cho thấy nồng độ ô zôn trung bình sau buồng phản ứng thấp nhất là 0,08ppm (ở điện áp 2,64kV, vận tốc 0,06m/s) và cao nhất là trên 0,16ppm (ở điện áp 3,84kV, vận tốc 0,14m/s). Ở cùng một vận tốc, khi tăng điện áp thì mật độ ion tăng lên, đồng thời, nồng độ ô zôn cũng tăng theo. Điều này cần phải được xem xét và có biện pháp kiểm soát để tránh sự ảnh hưởng của ô zôn tới sức khoẻ người lao động khi áp dụng.

3. ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM TẠI CƠ SỞ SẢN XUẤT

Đề tài đã triển khai ứng dụng công nghệ plasma nguội tại phân xưởng in offset, Công ty CP In Công đoàn Việt Nam.

Kết quả ứng dụng cho thấy hiệu suất xử lý trung bình đạt cao nhất là 59,7% đối với xylen, tiếp đến là 34,8% đối với toluen và thấp nhất là 15,7% đối với methanol. Không xác định hiệu suất đối với MEK vì không phát hiện được nồng độ của MEK trước và sau khi chạy hệ thống. Tính chung cho 3 loại DMHC xác định được thì hiệu suất xử lý tổng DMHC đạt 23,2%. Nồng độ ô zôn trong không khí MTLĐ ở mức không phát hiện được.

4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ

Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho thấy năng suất tạo ion trên 1cm² diện tích điện cực trung bình của thiết bị phóng điện DBD dao động trong khoảng từ 3,6–5,2 triệu ion/cm²/s đối với ion âm và từ 9,7-43,4 triệu ion/cm²/s đối với ion dương.

Plasma nguội có thể xử lý được tất cả các loại DMHC trong xưởng in gồm: xylen, toluen, MEK và methanol. Hiệu suất xử lý cao nhất đối với xylen, tiếp đến là toluen, MEK và cuối cùng là methanol, điều này hoàn toàn phù hợp năng lượng ion hoá của các DMHC. Ở nồng độ 20ppm, vận tốc 0,06m/s, điện áp 3,84kV, hiệu suất xử lý đối với xylen, toluen, MEK, methanol lần lượt là: 76,25%; 39,45%; 19,85%; 17,5%;

Kết quả ứng dụng tại công ty CP in Công đoàn Việt Nam cho thấy hiệu suất trung bình đạt cao nhất là 59,7% đối với xylen, 34,8% đối với toluen, 15,7% đối với methanol và tính chung 23,2% đối với tổng DMHC.

Đây là hướng nghiên cứu có triển vọng. Cần tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hiệu quả xử lý và mở rộng phạm vi ứng dụng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Nguyễn Thắng Lợi và cộng sự (2017), "Nghiên cứu và áp dụng công nghệ ion hoá để xử lý dung môi hữu cơ trong không khí môi trường lao động tại các xưởng in", Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài CTTĐ-2016/01/TLĐ do Viện khoa học an toàn và vệ sinh lao động thực hiện trong giai đoạn 2016-2017;

[2]. Chang C-L and Lin T-S (2004), "Decomposition of toluene and acetone in packed dielectric barrier discharge reactor", Plasma chemistry and plasma processing, Vol 25, No 3, pp 227-243;

[3]. Chang J-S (2001), "Recent development of plasma pollution control technology: a critical review", Science and technology of advanced materials, No 2, pp 571-576;

[4]. Kuyng Hee University (2015), Sona db.ppt

[5]. Mohanty S., Das A.K., Das S.P., (2015), "DBD non-thermal Plasma for decomposition of Volatile Organic Compounds", J. Chemical Science Review and Letters, N 4 (2015), pp 889-911;

[6]. Urashima K and Chang J-S (2000), "Removals of volatile organic compounds from air streams and industrial flue gases by no-thermal plasma technology", IEEE Transaction on Dielectric and Electric Insulation, Vol.7, No5, pp 602-614;

[7]. Wu CC, Lee GWM (2004), "Oxidation of volatile organic compounds by negative ions", Atmospheric Environment , No 38, pp 6287 – 6295.

TS. Nguyễn Thắng Lợi*, Ngô Quốc Khánh, Trần Huy Toàn, Nguyễn Việt Thắng

Viện Khoa học An toàn và Vệ sinh lao động