Ugrás a tartalomhoz

Környezettechnika

dr. Barótfi István

Mezőgazda Kiadó

2.4. A légszennyező anyagok leválasztása

2.4. A légszennyező anyagok leválasztása

Az egyes technológiák során keletkező szilárd, gáz és cseppfolyós halmazállapotú szennyezők légkörbe való kijutását különböző módszerekkel lehet csökkenteni vagy megakadályozni. Az eljárásokat a szilárd és gázhalmazállapotú szennyezők esetén a 2.25. táblázat foglalja össze.

2-25. táblázat - Szennyező anyagok leválasztási eljárásai levegőből

Szilárd szennyezők

Száraz leválasztás

Nedves leválasztás

tömegerőn alapuló leválasztás

leválasztó mozgó alkatrész nélkül

szűrőhatáson alapuló leválasztás

leválasztó mozgó alkatrésszel

elektrosztatikus leválasztás

nedves elektrosztatikus leválasztás

Gáz halmazállapotú szennyezők

Szennyező anyag leválasztása

Szennyező anyag átalakítása

Abszorpció

termikus égetés

adszorpció

katalitikus égetés

kondenzáció

katalitikus redukció

véggázok biológiai tisztítása


2.4.1. Szilárd anyagok leválasztása

A levegőt szennyező szilárd részecskéket általában poroknak nevezünk. A porok méretük, alakjuk, kémiai összetételük és fizikai tulajdonságaik alapján igen sokfélék lehetnek. A por fogalmának meghatározására is sokféle definíció létezik.

Az egyik lehetséges definíció szerint a por olyan szilárd halmazállapotú részecskékből és gázból /levegőből/ álló heterogén diszperz rendszer, amelyben a részecskék mérete széles határok között változik.

Porleválasztás szempontjából a por meghatározására a következő definíció terjedt el: a por apró, tetszőleges alakú és sűrűségű szilárd részecskékből álló diszpergált anyag, amely elsősorban gázfázisú diszperziós közeggel egy kétfázisú diszperz rendszert alkot. Porszemcsének azok a részecskék tekinthetők, amelyek 101 325 Pa nyomáson és 20 °C hőmérsékleten egy rövid felgyorsulási szakasz után közel állandó, 300 cm/s-nál nem nagyobb sebességgel ülepednek, és legnagyobb vetületi méretük 2000 µm-nél kisebb.

A porok eredetük szerint természetes forrásokból (talaj mállása, erdőtüzek, vulkánkitörések stb.) származhatnak illetve emberi tevékenység eredményeként kerülhetnek a légtérbe. Az atmoszférába található részecskék mérete 0,005–500 µm tartományba esik. Az e tartományba eső porrészecskéket a 2.2. ábra mutatja be, a különböző méretű szemcsék gyakoriságát pedig a 2.3. ábra szemlélteti.

2-2. ábra - Az atmoszférában található különböző eredetű részecskék mérete

Az atmoszférában található különböző eredetű részecskék mérete


2-3. ábra - Az atmoszférában található különböző méretű részecskék gyakorisága

Az atmoszférában található különböző méretű részecskék gyakorisága


A 2 µm-nél nagyobb átmérőjű részecskék a durva frakciót alkotják. Ezek általában mechanikai folyamatok eredményeként keletkeznek, származhatnak antropogén és természetes forrásból is.

A mesterséges, antropogén forrásból származó porok döntően nyers-és félkész anyagok kezeléséből erednek. Őrléskor, aprításkor jelentős mennyiségű por keletkezik. Ugyancsak antropogén eredetűek a kopásokból és megmunkálásokból eredő porok is. Ezek legtöbbször igen finom szemcsézetűek. A csiszoláskor keletkező porok egészségkárosító hatása közismert.

A 2 µm-nél kisebb részecskék a finom részecskék. Ebben a tartományban a nukleációs és akkumulációs zónát különíthetjük el. A nukleációs tartományban a részecskék, amelyek mérete 0,005–0,1 µm között változik, gőzök kondenzációjával vagy gázok szilárd részecskéket eredményező kémiai reakciójával keletkeznek, ezért kondenzációs aeroszóloknak is nevezik őket. A 0,1 µm-nél kisebb részecskék a levegőből nem ülepednek ki. Ennek magyarázatára ad felvilágosítást a 2.4. ábra. A 0,1 µm átmérőnél kisebb méretű részecskék, amelyek mérete már gyakorlatilag összemérhető a gázmolekulák szabad úthosszával, a levegőben állandó mozgásban vannak. E diffúziós mozgás alapja az, hogy a gázmolekulák termikus mozgásuk során állandóan ütköznek a kisméretű szilárd részecskékkel. Az ütküzés következtében a kisméretű részecskék ide-oda irányuló rendezetlen, azaz diffúziós mozgást végeznek.

2-4. ábra - A diffúziós és az ülepedési sebesség változása a szemcseméret függvényében

A diffúziós és az ülepedési sebesség változása a szemcseméret függvényében


Mint a 2.4. ábrából is látható, a 0,1 µm alatti szemcsék diffúziós mozgásának sebessége nagyobb, mint az ülepedési sebesség, ezért a levegőből nem ülepíthetők ki. Az akkumulációs zónába azok a részecskék tartoznak, amelyek a nukleációs tartományba eső részecskék összetapadása, agglomerizácója alapján keletkeztek.

A szilárd részecskék alakja a legkülönbözőbb lehet. Az osztályozás során általában három alakfajtát különböztetünk meg:

  • izometrikus részecskék: a részecskék mérete mindhárom egymásra merőleges térbeli irányban megközelítően azonos,

  • lapos, lamináris részecskék: két méret lényegesen nagyobb a harmadiknál, lemezek, lamellák, pikkelyek stb.,

  • szálas, fibrilláris részecskék: ezek egy irányban erősen megnyúltak, szálak, pálcikák, tűk stb.

A porleválasztási technikában a por mozgását leíró összefüggésekben az egyszerűbb kezelhetőség érdekében gömbátmérőt alkalmaznak, jóllehet tökéletesen gömbalakú részecskék a legritkább esetben fordulnak elő. A nehézségek áthidalására vezették be a különböző egyenértékű gömbátmérő fogalmát és az alaki tényezőket. A leggyakrabban használt ekvivalens átmérő:

  • szitálás szerinti ekvivalens átmérő, dsz: ahol

    d sz = d 1 d 2 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacaWGKbWaaSbaaSqaaiaadohacaWG6baabeaakiabg2da9maakaaabaGaamizamaaBaaaleaacaaIXaaabeaakiabgwSixlaadsgadaWgaaWcbaGaaGOmaaqabaaabeaaaaa@4049@

    az adott nyílású szitán áteső, d2 az adott nyílású szitán fennmaradó részecske átmérője,

  • térfogat szerinti egyenértékű átmérő, dv: a részecskével megegyező sűrűségű azon gömb átmérője, amelynek a részecskével azonos térfogata van,

  • terület szerinti egyenértékű átmérő, dA: a részecskével megegyező sűrűségű azon gömb átmérője, amelynek keresztmetszeti területe megegyezik a vizsgált részecske áramlási irányára merőleges vetületének területével,

  • ülepedés szerinti ekvivalens átmérő, de: a részecskével megegyező sűrűségű azon gömb átmérője, amelynek ülepedési sebessége megegyezik a vizsgált szemcse ülepedési sebességével. A porleválasztási gyakorlatban szinte kizárólagosan ezt az átmérőt használják a szilárd szemcsék méretének jellemzésére,

  • formafaktor, alaki tényező:

    Φ= f F MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaaiiGacqWFMoGrcqGH9aqpdaWcaaqaaiaadAgaaeaacaWGgbaaaaaa@3A74@

    , ahol f a vizsgált szemcse valóságos felülete, F a részecskével azonos térfogatú gömb felülete. Gömb esetén φ = 1, nem gömb alaknál Φ //>// 1. Néha használják a szférikus faktort vagy szféricitást, ψ-t , amely az alaki tényező reciproka:

    Ψ= F f MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaaiiGacqWFOoqwcqGH9aqpdaWcaaqaaiaadAeaaeaacaWGMbaaaaaa@3A89@

A) Nehézségi erő elvén működő porleválasztó (porkamra)

A porkamrák a legegyszerűbb porleválasztó berendezések. A nagyméretű készülékbe belépve a tisztítandó gáz vg sebessége erősen lecsökken, miközben a magával szállított por nagyobb szemcséi kiülepednek. A leválasztók általában vízszintes elrendezésű, belül üres, hasáb alakú testek, a kellő sebességcsökkentés érdekében nagy térfogattal rendelkeznek. Az egyszerű porkamrák az 50–100 µm átmérőjű szemcsék leválasztására alkalmasak, az ennél kisebb átmérőre a készülék leválasztási hatásfoka rohamosan csökken. A kis portalanítási fokuk miatt csak durva-vagy előleválasztóknak alkalmazzák őket.

A leválasztó kamrában lévő részecskékre a nehézségi erő hat, amelynek hatására a szemcse vü sebességgel ülepszik.

Az ülepedési sebesség az alábbi összefüggéssel számolható:

v ü = d 2 ( ρ s ρ g )g 18η MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacaWG2bWaaSbaaSqaaiaadYpaaeqaaOGaeyypa0ZaaSaaaeaacaWGKbWaaWbaaSqabeaacaaIYaaaaOWaaeWaaeaacqaHbpGCdaWgaaWcbaGaam4CaaqabaGccqGHsislcqaHbpGCdaWgaaWcbaGaam4zaaqabaaakiaawIcacaGLPaaacaWGNbaabaGaaGymaiaaiIdacqaH3oaAaaaaaa@4827@

ahol:

vü – ülepedési sebesség, m/s,

d – a szemcs átmérője, m,

ρs,g – a szemcse, illetve a vivőgáz sűrűsége, kg/m3,

g – a nehézségi gyorsulás, m/s2,

η – a dinamikus viszkozitás kg m–1s–1.

A porkamrákat úgy méretezik, hogy azokban a gázsebesség ne legyen olyan nagy, hogy az egyszer már kiülepedett port ismételten magával ragadja. Ezért a sebesség maximálisan 3 m/s lehet, de a gyakorlatban ennél lényegesen kisebb, 1 m/s körüli sebességet alkalmaznak.

A porkamrában leülepedő szemcsék mérete a az ülepedési magas-ság/kamrahossz viszonytól függ. Minél kisebb a hányados értéke, annál jobb a frakcióportalanítási hatásfok. A hányados csökkentését szolgálja a porkamrában az áramlás irányával párhuzamos (2.5. ábra) betétlapok elhelyezése.

2-5. ábra - Porkamra ferde betétlapokkal

Porkamra ferde betétlapokkal


A betétlapokkal ellátott porkamrák a 30–60 µm-es szemcsék leválasztására is alkalmasak. A porkamrák előnye az egyszerű szerkezet, a kis beruházási és karbantartási költség, az áramlással szembeni csekély ellenállás, továbbá az, hogy a hőmérséklettel és a korrózióval kapcsolatban csak a szerkezeti anyagok szabnak határt.

Ha a leválasztótérben nemcsak a hordozógáz sebességét csökkentjük, hanem különböző betétekkel irányváltoztatásra is kényszerítjük a gázt, a porkamrák hatásosságát fokozni tudjuk. Irányváltozás hatására a szemcsék nagyobb tehetetlenségük miatt igyekeznek megtartani eredeti irányukat, a terelőlapoknak ütközve kiválnak a gázáramból (2.6. ábra).

2-6. ábra - Irányváltásos porleválasztó készülékek

Irányváltásos porleválasztó készülékek


B) Centrifugális erőhatására végbemenő porleválasztás

A ciklont, mint porleválasztót (2.7. ábra) 1886-ban az Egyesült Államokban és Németországban szabadalmaztatták. Eleinte durva porok leválasztására alkalmazták, de hamarosan kiderült, hogy a porleválasztás hatásfokát a gázsebesség növelésével és a geometriai formák változtatásával fokozni lehet.

2-7. ábra - Porleválasztás ciklonban

Porleválasztás ciklonban


A ciklonba a szennyezett gázt nagy sebességgel tangenciálisan vezetik be. A készülékben spirál alakú, lefelé áramló örvények keletkeznek, miközben a porrészecskékre a nehézségi erőn kívül sugár irányú centrifugális erő is hat. A részecskék a ciklon falán sebességüket vesztik, és a nehézségi erő hatására a ciklon alsó, kúpos részébe, majd innen a porgyűjtő kamrába hullanak.

A ciklonok következő tipusait különböztethetjük meg:

  • Egyszerű ciklonok. Olyan nagyra méretezik őket, hogy az adott mennyiségű szenyezett gáz tisztítására egyetlen készülék elegendő legyen.

  • Multiciklonok. Annyi kisméretű ciklont alkalmaznak párhuzamosan kapcsolva, hogy a teljes gázmennyiség tisztítható legyen.

  • Örvénycsövek. Az átmérőjük egészen kicsi. Itt a perdületes áramlást perdítő elemekkel, irányelterelő lapokkal hozzák létre. A kívánt gázmennyiség tisztítására több örvénycsövet alkalmaznak, amelyeket csoportokban, battérákban helyeznek el.

A részecske kiválási-vagy másnéven vándorlási sebessége ciklonban a következő összefüggéssel számolható:

v c = 1 18 d 2 v t 2 l ( ρ s ρ g ) η MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacaWG2bWaaSbaaSqaaiaadogaaeqaaOGaeyypa0ZaaSaaaeaacaaIXaaabaGaaGymaiaaiIdaaaGaamizamaaCaaaleqabaGaaGOmaaaakmaalaaabaGaamODamaaDaaaleaacaWG0baabaGaaGOmaaaaaOqaaiaadYgaaaWaaSaaaeaadaqadaqaaiabeg8aYnaaBaaaleaacaWGZbaabeaakiabgkHiTiabeg8aYnaaBaaaleaacaWGNbaabeaaaOGaayjkaiaawMcaaaqaaiabeE7aObaaaaa@4B55@

ahol:

vc – ülepedési sebesség, m/s,

d – a szemcs átmérője, m,

ρs,g – a szemcse illetve a vivőgáz sűrűsége, kg/m3,

η – a dinamikus viszkozitás, m–1s–1.

l – a részecske forgástengelytől való távolsága, m,

vt – érintő irányú sebesség, m/s.

Látható, hogy a ciklon leválasztási hatásfoka a szemcseméreten kívül jelentős mértékben az l-méretű sugáron fellépő kerületi sebességtől függ. A ciklon nyomásvesztesége, azaz a leválasztásra befektetett energia, a ciklon formájától valamint a gáz-és porterheléstől függ. Az összes nyomásveszteség a következő összefüggéssel számolható:

ΔP=ζ ρ g 2 v i 2 Pa MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaaiiGacqWFuoarcaWGqbGaeyypa0JaeqOTdONaeyyXIC9aaSaaaeaacqaHbpGCdaWgaaWcbaGaam4zaaqabaaakeaacaaIYaaaaiabgwSixlaadAhadaqhaaWcbaGaamyAaaqaaiaaikdaaaGccaaMc8UaaGPaVlaaykW7caaMc8UaaGPaVlaabcfacaqGHbaaaa@4FB8@

ahol:

ζ – ellenállási tényező,

ρg – a gáz sűrűsége, kg/m3,

vi – gázsebesség a belépésnél, m/s.

A ciklon nyomásvesztesége három részből tevődik össze. Az első tag a leválasztótérbe való belépésnél az áramlási ellenállás, a második magában a leválasztó térben létrejövő nyomásveszteség, míg a harmadik a kilépésnél, a merülőcsőben keletkező áramlási ellenállás.

A ciklon nyomásvesztesége és a leválasztási hatásfoka közötti összefüggések gazdaságossági szempontból is fontosak. A kerületi sebesség növelésével nő a ciklon leválasztási hatásfoka, de nő az ellenállása is.

Annak megítélésére, hogy milyen mértékben fokozható a kerületi sebesség illetve a nyomásveszteség növelésével a leválasztási teljesítmény a gazdaságosság határain belül, Barth egy veszteségszámot (ω) vezetett be:

ω= ΔP ρ g v t 2 /2g MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacqaHjpWDcqGH9aqpdaWcaaqaaGGaciab=r5aejaadcfaaeaacqaHbpGCdaWgaaWcbaGaam4zaaqabaGccaWG2bWaa0baaSqaaiaadshaaeaacaaIYaaaaOGaai4laiaaikdacaWGNbaaaaaa@4370@

ahol:

vt – a belső kerületi sebesség, m/s.

A veszteségszám a ciklon aerodinamikai jóságának mértéke abból a szempontból, hogy lehetőleg minél nagyobb összleválasztási hatásfokot minél kisebb nyomásveszteséggel lehessen elérni.

A ciklonok különösebb gondozást nem igényelnek, üzemeltetési költségük jelentéktelen. Széles hőmérséklettartományban alkalmazhatók. Az egyszerű ciklonok jó hatásfokkal az 50 µm-es szemcséket választják le. A multiciklonok 10 µm-es, az örvénycsövek pedig 5–10 µm-es szemcsék leválasztására is alkalmasak. A fejlesztések során az egyszerű ciklonhoz viszonyítva a multiciklonok leválasztó képessége annyira megjavult, hogy sok esetben versenyképes volt az elektrosztatikus leválasztókkal is. Ekkor azonban előtérbe kerültek a hátrányos tulajdonságok, a gázárammal szembeni nagy ellenállás, és a nagy sebességű porrészecskék igen erőteljes koptató hatása.

C) Szűréssel történő porleválasztás

A szűréssel történő poreltávolítás az elmúlt időszakban az egyik legfőbb porleválasztó folyamattá vált. Míg a mechanikus és elektrosztatikus leválasztók szűrőparaméterei felső határukhoz közelednek, a szövetszűrők széles lehetőséget nyújtanak a további fejlődéshez. Az utóbbi időben újtipusú szűrőanyagok jelentek meg, amelyek hatékonysága lényegesen felülmúlja a hagyományos szövetszűrőkét.

A szűrési folyamat lejátszatásakor a portartalmú gázt porózus szűrőrétegen vezetjük keresztül, ekkor a porszemcsék valamilyen szűrőhatás eredményeképpen visszamaradnak. A szűrőréteget szövetek, rostos és szemcsés anyagok képezhetik. A szűrőközeg kialakítási formája szerint tömlős, táskás, szemcseágyas, rostágyas valamint gyertyaszűrőkről beszélhetünk.

Tömlős kialakításnál a szűrőszövetből különféle hosszúságú és átmérőjű, tömlő alakú szűrőt készítenek. A tömlőt gyakran úgy merevítik ki, hogy a belsejébe támasztógyűrűket varrnak mégpedig elsősorban a szennyezett levegőnek kívülről a szűrőtömlőbe való áramlása esetén. A tömlő hosszának és átmérőjének aránya többnyire 15–25 között mozog.

Táskás kialakításkor a szövetet lapos, téglalap vagy ék alakúra képezik ki. Ezekben az esetekben gyakorlatilag mindig használnak támasztó merevítőket, ami lehetővé teszi, hogy a gáz kívülről a táskába, innen pedig a tiszta oldalra jusson.

A szemcseágyas szűrők szűrőrétegét sértetlen felületű, 1–10 mm közötti átmérőjű kvarchomok ömlesztett halmazából alakítják ki.

A rostágyas szűrők szűrőrétege gyapjúból, növényi rostokból, műszálakból, üvegszálból, azbesztből vagy ezek közül egy-két fajtának a keverékéből áll.

A gyertyaszűrők pórusos kerámiából, zsugorfémekből, pórusos műanyag elemekből kialakított szűrőtestek.

Szövetrétegű szűrőknél /tömlős, táskás/ a szűrőanyagok szövetek vagy filcek lehetnek. Anyaguk készülhet gyapotból, gyapjúból, lenből, kenderből valamint mesterséges műszálakból (poliamid, poliészter, PVC stb.). Ugyancsak alkalmazható az ásvány-gya-pot, a fémszál illetve üvegszál. A természetes szálak 100, a műanyagok 250 °C-ig használhatók, míg az üvegszálakat 350 °C-ig alkalmazzák. Az alumínium-szilikát szálak 800, az alumínium-bórszilikát szálak pedig közel 1000 °C-ig alkalmazhatók.

A szűrőanyagok tulajdonságai közvetlenül hatnak a szűrés hatékonyságára és gazdaságosságára. A szűrőszövetek legfontosabb tulajdonságai a leválasztóképesség, a kopásállóság és az üzemi nyomásveszteség.

A szűrőszövetekben végbemenő porleválasztás a leválasztási folyamatban résztvevő valamennyi tényező tulajdonságától függ.

A visszatartott szemcse szűrésre vonatkozó legfontosabb tulajdonságai közé a következők tartoznak: szemcsenagyság, sűrűség, alak, elektromos töltés, felületi tulajdonságok. A szűrt közeg figyelembe veendő tulajdonságai: viszkozitás, sűrűség, hőmérséklet, nedvességtartalom, szűrési sebesség. A szűrőszövet legfontosabb tulajdonságai: porozitás, vastagság, rostok mérete és fajtája, felületi tulajdonságok, elektromos töltés.

Egy porrészecske leválasztásakor a következő szűrési részfolyamatok játszódhatnak le:

Szűrőhatás

A szűrőszövetes leválasztás igen fontos jellemzője. Ennek hatására minden olyan porszemcse visszatartódik, amelynek mérete nagyobb, mint a szövedékben jelenlévő pórus. (2.8. ábra) Mivel a szövetpórus szerkezete inhomogén és a leválasztás során állandóan változik, továbbá a szöveten porréteg alakul ki, a szűrőhatás folyamata rendkívül bonyolult.

2-8. ábra - Szűrőhatás

Szűrőhatás


Tehetetlenségi ütközés vagy impakt hatás

Ez a mechanizmus (2.9. ábra) a porszemcsék kinetikai energiájára vezethető vissza. Valamely test körüláramlásakor a porszemcsék tehetetlenségük következtében az áramlási vonalakat elhagyják, és ha valamilyen akadállyal (pl. szűrőszállal) érintkezésbe kerülnek, a hatásos tapadási erők következtében leválasztódnak.

2-9. ábra - Tehetetlenségi ütközés

Tehetetlenségi ütközés


Záróhatás vagy közvetlen befogás

Ha valamely szemcse kisebb tömege folytán követi az áramlási vonalakat, és egy szál körüláramlásakor a szállal érintkezik, akkor azon a tapadó erők következtében megkötődik (2.10. ábra).

2-10. ábra - Záróhatás vagy közvetlen befogás

Záróhatás vagy közvetlen befogás


Diffúziós hatás

Az 1 µm-nél kisebb méretű porszemcsék viselkedését legnagyobb mértékben a Brown-féle mozgás határozza meg. Ezek a szemcsék rendezetlen, zegzugos mozgással vándorolnak az áramlás irányában. A porszemcsék önmozgásuk során az áramlási akadállyal érintkeznek és ott leválasztódnak (2.11. ábra).

2-11. ábra - Diffúziós hatás

Diffúziós hatás


Elektrosztatikus hatás

A szűrőszövettel végbemenő leválasztás során a porszemcsék vagy a szövetszálak, illetve mindkettő elektrosztatikailag töltött lehet. Ebből olyan elektromos erők adódnak, amelyek az érintkezésbe kerülő anyagok mozgás-és tapadásviselkedését egyaránt módosítják, és a por leválasztásához vezetnek (2.12. ábra).

2-12. ábra - Elektrosztatikus hatás

Elektrosztatikus hatás


A felsorolt mechanizmusokon kívül a szűrés folyamatát befolyásolja még az elemi részecskék gravitációs erő hatására bekövetkező ülepedése, a részecskék koagulációja valamint a gázáram nyomása és hőmérséklete.

Gyártástechnológiai mód szerint készíthetnek nagyon sima szöveteket valamint kártolt, vagyis finom rövidszálas réteggel bevont szöveteket. A nagyon sima szövetekkel a nyomásveszteség gyorsabban nő, mint a kártolt szövetekkel, amelyekre porral való tömítés esetén a nyomásveszteség lassúbb növekedése a jellemző. A kártolt szövetek hátránya a gyenge regenerálódó képesség, a szövet felületéről nehezebben távolítható el a visszatartott por.

Gyakran a nagy pórustérfogatú szűrőtömlőkre előréteget visznek fel olyan szemcseméretű porból, amely megakadályozza hogy a leválasztandó finom porszemcsék a szűrőanyagot eltömjék.

Az ipari porszűrőként alkalmazott szűrőanyagok kiválasztásánál elsődleges szempont a szűrőanyag porral szembeni viselkedése (pl. portárolás, a por eltávolíthatósága stb.), mechanikai szilárdsága, és csak ez után következik a porleválasztási hatásfoka.

Az utóbbi néhány évben megnőtt a me-rev szűrőelemek alkalmazásának gyakorisága. A gyártók szerint a merevített szűrőelemek sokkal hatékonyabban tisztíthatók, mint a hajlékony textíliák, mert a tisztítási energia teljes egészében a részecskék eltávolítására fordítódik és nem vész el a zsák mozgása illetve mozgatása miatt.

A porleválasztási folyamat során a szövet felületén állandóan növekvő porréteg alakul ki, amely mind nagyobb mértékben átveszi a szűrőközeg szerepét. A réteg vastagságának növekedésével a nyomásveszteség is nő, ezért a port adott időközökben el kell távolítani a szövedékről, hogy azon energetikailag elfogadható ráfordítással haladjon át a szükséges gázmennyiség. A szűrő nyomásvesztesége a szűrési idő alatt a 2.13. ábrán bemutatottak szerint változik.

2-13. ábra - A szűrő nyomásvesztesége

A szűrő nyomásvesztesége


1. tiszta szűrőszövet ellenállása; 2. visszamaradó ellenállás; 3. szűrőszövet + porréteg ellenállása; 4. két szűrőtisztítás közötti időtartam

A porréteg eltávolítása a szűrőelemek kopogtatásával, vibráltatásával, lengetésével vagy sűrített levegővel történő ellenáramú öblítéssel valósítható meg. A legjobb hatásfokú tisztítást a vibráltatás és az ellenáramú öblítés kombinációja eredményezi. A folyamatosan üzemelő szűrő ellenállása a tisztítási periódus végén magasabb marad, mint a teljesen új, tiszta szűrőszöveté. A szűrő felületén ugyanis mindig marad egy porréteg, amely tisztításkor nem távolítható el. Ez a porréteg, bár növeli a szűrőszövet ellenállását, optimális esetben a szűrési hatásfokot javítja. Az egyes tisztítási eljárásokat a 2.14. ábra mutatja be.

2-14. ábra - Szűrőszövet tisztítási eljárások

Szűrőszövet tisztítási eljárások


1. lengetés; 2. rázás + ellenáramú levegő befúvatás; 3. rázás géppel; 4. ellenáramú pulzáló levegőbefúvatás; 5. ellenáramú levegőbefúvatás; 6. időprogram szerinti gépi rázás; 7. pulzáló levegősugár befúvás; 8. préslevegő befúvás mozgó gyűrűn keresztül

Irodalmi adatok szerint a szűrők nyomásveszteségének meghatározására több összefüggés található. Az összefüggések közös vonása, hogy a szűrő ellenállása – amely a ki-és belépő csonkon mért nyomások különbségével egyenlő – a következő tényezők függvénye:

Δp = f (Uo, L, Ds ,a, η, Rh)

ahol:

Δp – a szűrő nyomásvesztesége, Pa,

Uo – a zavartalan áramlás sebessége, m/s,

L – a szűrőréteg vastagsága, m,

Ds – az elemi szál átmérője, m,

a– töltési sűrűség,

η– a hordozógáz dinamikai viszkozitása, Ns/m2,

Rh – a hidraulikai sugár, m.

Az időegység alatt tisztítandó gáz térfogatának (Q m3/h) és a szűrőközeg felületének (Af m2) hányadosa a szűrő felületi terhelése (Uf) amelynek mértékegysége általában m3/m2h azaz m/h.

Uf=Q/Af

A felületi terhelés nagysága függ a leválasztásra kerülő por minőségétől, a szűrőszövettől valamint az üzem közbeni poreltávolítás módjától.

Mivel a szűrőszál leválasztó képessége nem ismert, a szűrőanyag vastagsága és porozitása is a rárakódott por következtében állandóan változik, a szűrőszövetek leválasztási hatásfokának becslésére tapasztalati összefüggéseket alakítottak ki, amelyek közül az egyik gyakran használt összefüggés a következő:

ε=1 e k w n MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacHOWxf9irVeeu0dXdh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFf0=OqFfea0dXdd9qqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabiGaciaacaqabeaabaqaamaaaOqaaiabew7aLjabg2da9iaaigdacqGHsislcaWGLbWaaWbaaSqabeaacqGHsislcaWGRbGaam4DamaaCaaameqabaGaamOBaaaaaaaaaa@3AF2@

ahol:

W – porterhelés, az egységnyi felületre eső portömeg,

k, n – a gáz, a por és a szűrőszövet tulajdonságaitól függő értékek, csak kísérletileg határozhatók meg.

A szűrőszövetek a 0,5 µm átmérőjű szemcséket 99%-nál jobb hatásfokkal választják le. Az összportalanítási hatásfok gyakran eléri a 99,9%-ot is. A szűrési folyamat nyomásvesztesége általában 600–1500 Pa. A szűrőszövet terhelhetősége 50–150 m3 tisztítandó gáz/m2 szűrőfelület x óra. A leválasztóból távozó gáz porkoncentrációja általában 20–30 mg/m3, de 3–5 mg/m3 kilépő porkoncentráció is elérhető.

Nagyobb hőmérsékletű (300–700 °C) gázok portalanítására alkalmazzák a szemcsés rétegű szűrőket, amelyek nyugvó-és bolygatott ágyas kivitelezésűek lehetnek. A nyugvóágyas szűrőnél a leválasztott port ellenáramú levegő bevezetésével távolítják el a homokrétegről.

A rostágyas szűrők finom porok kiszűrésére alkalmasak, műtők, gyógyszergyárak, számítógéptermek stb. pormentes levegővel való ellátására, klímaberendezésként használják őket. Ellenállásuk 0,1–0,2 kPa, összleválasztási hatásfokuk 99–99,99%. A rostágyas szűrőknek tisztítás nélküli, felújítható és öntisztító fajtáit különböztetjük meg.

A gyertyaszűrők 0,1–3 µm átmérőjű szemcsék leválasztására alkalmasak. Az üzemeltetési hőmérséklet a választott anyagtól függően 900 °C-ig terjedhet. Nyomásvesztesége 6 kPa körüli. A gyertyaszűrőkről belülről kifelé fújt tiszta levegővel, esetleg rázással távolítják el a leválasztott port.

D) Elektrosztatikus porleválasztás

Az elektrosztatikus porleválasztó lényege (2.15.ábra), hogy a gázban lebegő, elektromos töltésű porrészecskék az ellentétes pólusú felület felé haladnak és ott leválasztódnak. A porleválasztás e lehetőségére már 1824. évben Hohlfeld lipcsei matematikus rámutatott. 80 évnek kellett azonban eltelnie a nagyfeszéltségű egyenirányító létrehozásáig.

2-15. ábra - Az elektrosztatikus porleválasztó elvi vázlata

Az elektrosztatikus porleválasztó elvi vázlata


Az elektrosztatikus porleválasztót – ugyanúgy, mint a ciklonokat is – ipari célokra először 1906-ban az Egyesült Államokban és Németországban alkalmazták. Azóta az iparban igen elterjedt, újabban klímaberendezésként is alkalmazzák.

Az elektrosztatikus porleválasztó igen kis szemcseméretű, szilárd és cseppfolyós halmazállapotú részecskék leválasztására alkalmas, mivel az alkalmazott fizikai elv nem állít korlátokat a leválasztandó részecskék finomsága iránt.

A gyakorlatban alkalmazott berendezések ellenállása kicsi, 10–60 Pa. Széles hő-mérséklet-intervallumban működtethetők, gyakorlatilag 450 °C-ig. Forgó alkatrészt nem tartalmaznak, karbantartásuk olcsó, üzemeltetési költségük kicsi, 0,1–1 kWh/1000 Nm3 tisztítandó gáz. Beruházási költségük viszont nagy és helyigényük is jelentős. A berendezéssel elérhető leválasztási hatásfok 98–99,9%. Előnye még a készüléknek, hogy a 0,1 µm-es szemcsék leválasztására is alkalmas.

Az elektrosztatikus porleválasztás alapeleme a leválasztó térbe épített két elektróda. Ha két fegyverzetre, egy sugárzó-és egy leválasztó elektródra, nagyfeszültségű egyenáramot kapcsolunk, a fegyverzetek között heterogén elektromos mező alakul ki. Ha a leválasztó elektród körszimmetrikus, a sugárzó elektród pedig a középpontban helyet foglaló vékony szálelektród, a két elektród között egy kitüntetett x helyen az elektromos tér potenciálja:

E x = V xln R r MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacaWGfbWaaSbaaSqaaiaadIhaaeqaaOGaeyypa0ZaaSaaaeaacaWGwbaabaGaamiEaiabgwSixlGacYgacaGGUbWaaSaaaeaacaWGsbaabaGaamOCaaaaaaaaaa@411F@

ahol:

V – a két elektródra kapcsolt feszültség, V,

x – a vizsgált pont távolsága a geometriai középponttól, m,

R – a leválasztó elektród sugara, m,

r – a sugárzó elektród sugara, m.

Ha x-szel közelítünk a sugárzó elektród felé, annak közvetlen közelében a térerő az előbbi egyenletnek és a 2.16. ábrán bemutatottnak megfelelően a végtelenhez tart. A kozmikus sugárzás és a napsugárzás hatására a levegőben mindig találhatók ionizált gázrészecskék. Az elektrosztatikus leválasztó két elektródjára megfelelően nagy feszültséget kapcsolva a sugárzó elektród körüli nagy térerőben az úgynevezett koronatérben az ott lévő ionizált részecskék olyan mértékben felgyorsulnak, hogy további gázmolekulák ionizációjára lesznek képesek. A koronatéren kívül a térerő már nem elegendő a töltött gázrészecskék olyan mértékű felgyorsításához, hogy ott ionizáció játszódjon le. A töltéssel rendelkező gázionok porrészecskékkel ütközve átadják nekik saját töltésüket (2.17. ábra).

2-16. ábra - A térerő változása a két elektród között

A térerő változása a két elektród között


2-17. ábra - A részecskék feltöltődésének elvi vázlata

A részecskék feltöltődésének elvi vázlata


A 0,5 µm-nél nagyobb szemcsék ütközéssel, a 0,2 µm-nél kisebbek iondiffúzióval veszik fel töltésüket, a két méret közötti szemcséknél pedig mindkét mechanizmus szerepet játszik.

A koronatérbe kerülő porrészecskék pozitív vagy negatív töltést vehetnek fel. A sugárzó elektróddal azonos töltésű porrészecskék a leválasztó elektród felé mozognak, az ellentétes töltésűek pedig a sugárzó elektródon válnak le. A koronatéren kívüli részben ionok nem keletkeznek, a porrészecskék itt olyan töltést vesznek fel, amely megegyezik a sugárzó elektród töltésével. Ezek a részecskék kapott töltésüknek megfelelően a leválasztó elektród felé vándorolnak, és ott vesztik el töltésüket. Az elektrosztatikus leválasztóban gyakorlatilag ez a hatás a domináló.

A porleválasztásra használt elektrosztatikus leválasztóknál a sugárzó elektród a negatív töltésű, míg a klímafiltereknél a mérgező ózonképződés elkerülése érdekében a sugárzó elektród töltése pozitív. Pozitív koronatérben az ózonképződés ugyanis sokkal kisebb mértékű, mint a negatív koronatérben. Néhány sugárzó elektród kiképzést mu-tat be a 2.18. ábra.

2-18. ábra - Sugárzó elektród kiképzések

Sugárzó elektród kiképzések


A sugárzó elektródokat erősen rögzítik, hogy kiküszöböljék a az elektromos mező és a gázáram hatására bekövetkező rezgéseket. Kis ellenállású poroknál sima élekkel rendelkező elektródot használnak, nagy ellenállású poroknál pedig többnyire tüskés elektródot alkalmaznak.

Korábban csöves elrendezésű, függőleges átáramlású leválasztókat alkalmaztak, ahol a leválasztó elektród kör alakú volt vagy a jobb térkihasználás érdekében méhsejtrendszert alkotott. Jelenleg döntően horizontális áramlású, különböző profil kiképzésű lap-leválasztó elektródokkal felszerelt elektrosztatikus berendezéseket használnak. A különböző leválasztó elektród-formákat a 2.19. ábra mutatja be.

2-19. ábra - A leválasztó elektródok alakja

A leválasztó elektródok alakja


A leválasztó elektródokat olyan profilúra alakítják ki, illetve úgy kapcsolják egymáshoz, hogy a leválasztó elektródoknál áramlási holt-tér alakuljon ki. Ebben a holt-térben ugyanis a töltést szerzett porrészecskék akadálytalanul a leválasztó elektródhoz juthatnak, és ott töltésüket elvesztve a porgyűjtő tartályba hullhatnak a nélkül, hogy a gázáramba ismételten visszakeverednének, amely lényeges leválasztási hatásfokromlást okozna.

A sugárzó és leválasztó elektródok területén napjainkban a Mc Gill-cég, valamint a Lurgi-cég végzett jelentős fejlesztéseket. A Mc Gill által kifejlesztett és szabadalmaztatott sugárzó elektród nem huzal vagy csőszerű idomvas, hanem a leválasztó elektródhoz hasonlóan lapelektród, amelynek a gázáramlásra merőleges szélein acéltüskék találhatók a nagy térerő létrehozására.

A gyártó cég szerint az ilyen sugárzó elektróddal kialakított elektrosztatikus leválasztó előnye a hagyományos leválasztókkal szemben:

  • alacsony energiaszükséglet, 40%-os energiamegtakarítás,

  • a hagyományos leválasztóknál alkalmazott 50–80 ezer volt helyett 15–30 ezer volt alkalmazása, amely drasztikusan csökkenti az izolációs problémákat,

  • jóval kompaktabb berendezés épithető.

Az elektrosztatikus leválasztóknál nagy átütési feszültségre törekszenek. Ennek feltétele az áramsűrűség egyenletes eloszlása. Az új Lurgi-ZT leválasztó elektród olyan kialakítású, amellyel egyenletes áramsűrűség biztosítható, mivel az elektród bármely pontja és a sugárzó elektród közötti távolság kb. ugyanakkora. Az ilyen ideális leválasztó elektród félkörívekből áll. Ezt azonban nem lehet gazdaságosan megvalósítani (rossz helykihasználás), ezért az optimális Lurgi-ZT elektród a 2.20. ábrán bemutatottnak megfelelő alakú. A leválasztó elektródokról a töltésüket elvesztett porrészecskéket rázással, vibráltatással, kopogtatással vagy vizes mosással távolíthatjuk el.

2-20. ábra - A Lurgi-ZT elektród kiképzése

A Lurgi-ZT elektród kiképzése


Az eletrosztatikus porleválasztóban a részecske leválasztása három részfolyamatból tevődik össze. Ezek:

  • a porrészecske vándorlása az elektromos tér hatására,

  • a részecske kiválása a leválasztó elektródon, töltésvesztés,

  • a részecske eltávolítása az elektródról.

A porleválasztás hatásfoka, az elektromos tulajdonságok valamint a leválasztóra jellemző méretek között az ún. Deutsch-féle összefüggés teremt kapcsolatot, amelynek általános alakja:

ε ö =100100exp( v r L a v g ) MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacqaH1oqzdaWgaaWcbaGaamO9aaqabaGccqGH9aqpcaaIXaGaaGimaiaaicdacqGHsislcaaIXaGaaGimaiaaicdaciGGLbGaaiiEaiaacchadaqadaqaaiabgkHiTmaalaaabaGaamODamaaBaaaleaacaWGYbaabeaakiabgwSixlaadYeaaeaacaWGHbGaeyyXICTaamODamaaBaaaleaacaWGNbaabeaaaaaakiaawIcacaGLPaaaaaa@4FC2@

ahol:

εö – az összleválasztási hatásfok,

vr – a részecske vándorlási sebessége, m/s,

L – a leválasztó elektród hossza, m,

vg – a gáz lineáris sebessége a leválasztó készülékben, m/s,

a – a sugárzó és a leválasztó elektród közötti távolság, m.

A gyakorlatban a 104–1011 ohm cm fajlagos ellenállású porok választhatók le jó hatásfokkal. A fajlagos ellenállás a hőmérséklettel kezdetben növekszik, majd csökken. Ugyancsak csökkenti a fajlagos ellenállást a vivőgáz relatív nedvességtartalmának növelése.

A leválasztási hatásfok növelhető az elektródokra kapcsolt egyenfeszültség növelésével. A leválasztókat mindig az áthúzási feszültség alatt, de annak közelében üzemeltetik. A vivőgáz relatív nedvességtartalmának növelése ugyancsak a leválasztási hatásfok növekedését eredményezi a hordozógáz fajlagos ellenállásának csökkentésén keresztül.

Kén-trioxid, kénsav vagy ammónia vivőgázba juttatása ugyancsak növeli a porleválasztás hatásfokát. A kén-trioxid a fajlagos ellenállást csökkenti. Az ammóniát nagy kéntartalmú, szenek füstgázában lévő pernye fajlagos ellenállásának növelésére használják.

A kondícionáló gázokat olyan koncentrációban alkalmazzák, hogy a por teljes mértékben adszorbeálja azokat, a portól már megtisztított véggázban ne jelenjenek meg, mint gázszennyezők. A gázokat ezért 15–30 ppm körüli koncentrációban juttatják a tisztítandó gázba.

Az USA-ban újabban az erőművi füstgázok tisztításához az elektrosztatikus leválasztót a forró oldalra építik, kihasználva a hőmérséklet emelkedés fajlagos ellenállást csökkentő hatását, amely jobb leválasztási hatásfokot eredményez.

Az elektrosztatikus porleválasztót jó leválasztási hatásfoka, megbízható működése és olcsó üzemeltetési költsége alapján igen széles körben alkalmazzák. A széntüzelésű erőművek pernyeleválasztásra kizárólag elektrosztatikus leválasztót használnak. Valamennyi hulladékégetőnél gáztisztításra elektrosztatikus leválasztót is alkalmaznak.

Cementgyártásnál, timföld előállításakor, vas-és acélgyártásnál, színesfém-és papíriparban az elektrofiltert előszeretettel használják porleválasztásra.

A nedves elektrosztatikus porleválasztó felépítése és működése hasonló az előzőekben tárgyalt száraz elaktrosztatikus portalanítókéval. A nedves készüléknél az elektródákról a leválasztott és a gyűjtőtartályba le nem hullott részecskéket vizes mosással távolítják el. Ekkor egyrészt a gáz relatív nedvességtartalma megnövekszik, és ez kedvezően hat a leválasztásra, másrészt mosással sokkal jobb elektród-tisztítás érhető el mint rázással vagy kopogtatással, így ennek eredményeként is leválasztási hatásfok javulás biztosítható. Hátránya, hogy a leválasztott anyagot nem száraz állapotban nyerjük vissza.

E) Nedves porleválasztás

A nedves gáztisztítás a legrégibb módszere a portalanításnak és az egyéb gázalakú szennyezők eltávolításának. A száraz – különösen a szűrő tipusú – porleválasztók fejlődése háttérbe szorította ugyan a nedves leválasztókat, de azokon a területeken, ahol előnyük egyértelműen megmutatkozik, a nedves készülékek szilárdan tartják pozíciójukat.

A nedves porleválasztás legnagyobb előnye, hogy megfelelően megválasztott mosófolyadékkal a szilárd és gázalakú szennyező komponensek eltávolítása, azaz a porleválasztás és az abszorpciós eljárás, egy lépésben megvalósítható. Tűz– és robbanásveszélyes poroknál, illetve amikor a hordozó gáz tűz-és robbanásveszélyes, kizárólagosan a nedves porleválasztás alkalmazható. A nedves leválasztó berendezés beruházási költsége és helyigénye kisebb, mint az ugyanolyan leválasztási hatásfokkal rendelkező száraz porleválasztóé.

A nedves leválasztó berendezés hátránya, hogy a levegő szennyező komponensei a gáztisztítás során a folyadék fázisba kerülnek. A folyadék további tisztításáról tehát gondoskodni kell. Hátránya továbbá hogy a nedves gáztisztító készülékek üzemeltetési költsége magasabb, mint az ugyanazon hatásfokú száraz porleválasztóé, valamint az, hogy télen a szabadba telepített készülék lefagyhat.

A nedves porleválasztás elmélete ma még nem teljesen kidolgozott arra nézve, hogy a leválasztási hatásfok előre, nagy biztonsággal számolható legyen. A nedves portalanítók leválasztási hatásfokának becslésére az irodalom a következő összefüggést javasolja:

ε ö =1 e N T MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaebbnrfifHhDYfgasaacHOWxf9irVeeu0dXdh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFf0=OqFfea0dXdd9qqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabiGaciaacaqabeaabaqaamaaaOqaaiabew7aLnaaBaaaleaacaWG2daabeaakiabg2da9iaaigdacqGHsislcaWGLbWaaWbaaSqabeaacqGHsislcaWGobWaaSbaaWqaaiaadsfaaeqaaaaaaaa@3B6F@

ahol:

NT = αKTβ

α és β – a leválasztó porra jellemző állandók,

KT – a leválasztó energia szükséglete.

A nedves porleválasztásnál a következő részfolyamatok játszódnak le:

  • a porrészecske és a folyadékcsepp vagy folyadékfilm találkozása,

  • a porrészecske behatolása a folyadékfilmbe vagy folyadékcseppbe, illetve megkötődése azok felületén,

  • a részecske távozása a mosófolyadékkal a leválasztó térből.

A szemcse és a folyadékcsepp vagy folyadékfilm találkozása, vagyis az átadási folyamat erősen függ a folyadék és a gáz közötti érintkezési felület nagyságától valamint a két fázis közötti relatív sebességkülönbségtől. A nedves porleválasztó készüléktipusok nagy számát mindenek előtt a fázishatár képzés, illetve a relatív sebesség létrehozási körülményeinek sokféle lehetősége okozza.

A szemcse és a folyadék-felület találkozására a következő mechanizmusok jöhetnek számításba:

  • az 1 µm-nél nagyobb szemcsékre a tehetetlenségi ütközés a jellemző,

  • az 1 µm-nél kisebb szemcséknél fontos szerepet játszik a Brown-féle mozgás, amely a 0,1 µm alatti átmérőjű szemcsék esetében döntővé válik,

  • a kis átmérőjű szemcsék leválasztásában szerepet játszik a termoforézis és a diffúzióforézis is,

  • önmagában nem leválasztási mechanizmus, de a gőz kondenzációjakor a szemcsék kondenzációs magként szerepelnek, amelynek hatására a szemcse tömeg– és méretnövekedése következik be, amely a tehetetlenségi ütközés valószínűségét erőteljesen megnöveli.

Korábban úgy vélték, hogy csak a jól nedvesedő porok választhatók le jó hatásfokkal, a rosszul nedvesedő porok leválasztási hatásfoka igen kis érték lesz. Ez igaz is volt az úgynevezett „kis sebességű”, buborékoltató berendezésekben. A nagy sebességű, intenzív folyadék-gáz érintkeztetést megvalósító mosóberendezésekben azonban mindkét porféleség jó hatásfokkal leválasztható.

Az ezirányú kutatások bebizonyították, hogy a jól nedvesedő porok a folyadékcseppel vagy folyadékfilmmel való találkozás után behatolnak a csepp vagy film belsejébe, és a mosófolyadékkal távoznak. A rosszul nedvesedő porok a folyadékfilmmel vagy folyadékcseppel történő találkozás után nem hatolnak be a folyadékfilm vagy csepp belsejébe, hanem azok felületén feltapadnak, ott kötve maradnak, és úgy távoznak el a mosófolyadékkal.

A porleválasztás könnyű vagy nehéz voltát a leválasztandó szemcse mérete és sűrűsége határozza meg. A szemcse e két fontos tulajdonságát Calvert az aerodinamikai átmérővel jellemezte. A Calvert-féle aerodinamikai átmérő – dpa – annak a szemcsének az átmérője, amelynek ülepedési sebessége megegyezik a jelzett szemcse ülepedési sebességével, sűrűsége pedig 1 g/cm3.

A gyakorlatban alkalmazott nedves porleválasztók főbb tipusait a 2.21. ábra mutatja be. Az ábrán az egyes leválasztó tipusok alapvető működési paraméterei is leolvashatók.

2-21. ábra - Nedves porleválasztó berendezések

Nedves porleválasztó berendezések


A határszemcseméret jelenti azt a legkisebb szemcseméretet µm-ben kifejezve, amelyet az adott leválasztó készülék 50%-os leválasztási hatásfokkal leválaszt.

A víz /levegő (folyadék/gáz) arány – dm3 folyadék/m3 tisztítandó gáz – arra ad felvilágosítást, hogy a folyamat végén milyen mennyiségű folyadékot kell majd további kezelésnek alávetni. Számunkra az a kedvező, ha minél jobb leválasztási hatásfokot minél kisebb folyadékfelhasználással érhetünk el.

A 2.21. ábra adatainak utolsó sora az 5 µm-es szemcseméretű porok leválasztási hatásfokát foglalja össze az egyes porleválasztó típusoknál. Porleválasztásra a következő fő csoportokba sorolható nedves berendezéseket alkalmazzuk:

Porlasztásos készülékek

A legegyszerűbb leválasztó, a tisztítandó és hűtendő gázt a torony alján tangenciálisan vagy radiálisan vezetik be a készülékbe. A toronyban a gáz ellenáramban halad a torony felső részén beporlasztott vízcseppekkel. A gáz áramlási sebessége a toronyban 1–3 m/s. Előleválasztásra alkalmas.

Töltetes tornyok

A locsolt töltetrétegben a gáz sokszoros sebesség és irányváltoztatásra kényszerül. A mosófolyadékkal érintkezve az abszorpción és a gáz hűtésén kívül a szilárd és folyékony légszennyezők leválasztódása is végbemegy. Portalanításra a gyakori eltömődés miatt csak igen ritkán alkalmazzák. A gáz áramlási sebessége a készülékben 1–2 m/s.

Dinamikus vagy örvény mosók

A poros gázt nagy sebességgel folyadék-felszínnek ütköztetik, miközben egy előleválasztódás játszódik le. Kedvező hidrodinamikai körülmények között a folyadékrétegben csatorna alakul ki, amelyben igen intenzív a keveredés. Ebben az örvénytérben nedvesedik és válik le a porszemcsék döntő hányada. A gázsebesség az örvényzónában 1–2 m/s.

Rotációs mosók

A rotációs mosókban a folyadékcseppek létrehozásához és a mosófolyadéknak a gáz-por diszperz rendszerrel való intenzív keveredéséhez forgó szerelvényeket alkalmaznak. A gázsebesség a leválasztóban széles határok között ingadozhat.

Tányérostornyok

A poros gáz és a folyadék érintkeztetése különböző perforációkkal ellátott tányérokon valósul meg. A tányéron dinamikus, állandóan megújuló habréteg alakul ki nagy érintkezési fázisfelülettel és igen jó keveredéssel. Ebben az intenzív habrétegben történik meg a por kiválása a gázból. A gáz lineáris sebessége a berendezésben 0,5–3,5 m/s.

Venturi-mosó

A Venturi-mosó tulajdonképpen egy konfúzorból, torokból és egy diffúzorból áll. A mosófolyadékot a torokban vagy a torok előtt vezetik be a poros gázáramba.

A gázsebesség a torokban 50–150 m/s-ot is elérhet. Itt a bevezetett mosófolyadékból a gáz és a folyadék közötti nagy sebesség-különbség révén sűrű, ködszerű folyadékfátyol jön létre, amelyben igen intenzív a keveredés. Ebben a részben történik meg a szilárd szemcsék leválasztása. A diffúzorban a sebességcsökkenés eredményeként a köd nagyobb cseppekké áll össze, amelyeket a Venturi-cső után egy ciklonban választanak le a hozzájuk kapcsolódó szilárd részecskékkel együtt.

A 2.22. és 2.23. ábrák a különböző helyeken képződő szilárd részecskék mérettar

2-22. ábra - Az egyes leválasztó berendezések felhasználási területe

Az egyes leválasztó berendezések felhasználási területe


2-23. ábra - A porleválasztó berendezések összes költsége az üzemidő függvényében

A porleválasztó berendezések összes költsége az üzemidő függvényében


tományát, a szemcsék méretének meghatározási módjait, az egyes porleválasztó berendezések alkalmazási területeit valamint az összes költségek alakulását mutatják be. A porleválasztókra vonatkozó legfontosabb adatokat a 2.26. táblázatban foglaltuk össze.

2-26. táblázat - A porleválasztók fontosabb adatai

Leválasztó

Leválasztásnál ható erő

Működési terület

Beruházási költség

Üzemeltetési költség

εö

ε0-5

%

Ülepítők

nehézségi

d ≥ 100 µm

közepes

kicsi

67

Ciklonok

centrifugális

d ≥ 5 µm

kicsi

középnagy

81

63

Nedves mosók

tehetetlenségi, diffúzió, elektromos

d ≥ 0,1 µm 5 µm-ig

középnagy

nagy

98

96

Szűrők

rácshatás, diffúzió, tehetetlenségi, elektromos

d ≥ 0,1 µm 1 µm-ig

nagy

nagy

99,9

99,9

Elektrofilterek

elektromos

d ≥ 0,1 µm 1 µm-ig

nagyon nagy

kicsi

99

92


2.4.2. Gázhalmazállapotú szennyezőanyagok leválasztása

A) Abszorpció

A gázhalmazállapotú szennyező anyagok eltávolításának egyik módja az abszorpció. Abszorpción gázok és gőzök folyadékban történő elnyeletését értjük. Megkülönböztetünk fizikai és kémiai abszorpciót.

Fizikai abszorpciókor az elnyeletett komponens nem lép kémiai reakcióba az abszorbenssel, míg kemoszorpciónál az elnyelt komponens az abszorbenssel kémiai vegyületet képez. A fizikai abszorpció és a reverzibilis reakcióval kísért kemoszorpció megfordítható.

Az abszorpcióval ellentétes folyamat a deszorpció. Az abszorpció és deszorpció összekapcsolása lehetővé teszi az abszorbens többszöri felhasználását és az abszorbeáltatott komponens kinyerését tiszta anyag formájában.

A megfelelő oldószer alkalmazása alapvető feltétele a jó hatásfokú folyamatnak. Az abszorbciós oldószernek nagymennyiségű anyagot kell szelektíven oldania. Jó regenerálhatósággal kell rendelkeznie, s lehetőleg olcsónak kell lennie.

A szennyező komponens gázban lévő koncentrációja (parciális nyomása) és a folyadékban elnyelt mennyisége között a Henry-törvény teremt kapcsolatot. Az oldott gáz pa parciális nyomása arányos a komponens folyadék fázisbeli xa moltörtjével (koncentrációjával), arányossági tényező a Henry-állandó, E.

pa = E xa

Ha a rendszer össznyomása P, az eltávolítani kívánt komponens gázfázisbeli moltörtje (koncentrációja) pedig ya, akkor az abszorbeálandó gáz pa parciális nyomása Dalton törvénye alapján a következő:

pa = P ya

pa értékét az előző egyenletbe helyettesítve:

ya = m xa

ahol:

m = E/P a megoszlási vagy fázisegyensúlyi tényező.

Az egyenlet azt fejezi ki, hogy az elnyeletendő komponens gázelegybeli koncentrációja és a vele egyensúlyban lévő folyadékkoncentrációja között lineáris kapcsolat van. Az m értéke a rendszer hőmérsékletétől és nyomásától függ.

Ha a folyadékkal többkomponensű gázelegy van egyensúlyban, a Henry-törvény minden komponensre külön-külön érvényes.

Az abszorpció során a véggázból eltávolítandó gáz alakú szennyeződéseket folyadék fázisba visszük át. A művelet során a következő részfolyamatok mennek végbe:

  • az abszorbeálandó komponens diffúziója a gáz fő tömegéből a folyadék-gáz ha-tár-rétegig,

  • a gázrészecskék átmenete a folyadék-gáz határrétegen,

  • az abszorbeált gázmolekula diffúziója a folyadék belsejébe.

Az anyagátmenet matematikai leírására többféle modellt állítottak fel amelyek az egy fázison belüli valamint a fázishatáron keresztül történő anyagtranszport leírására bizonyos egyszerűsítéseket tartalmaznak.

A részletes levezetéseket mellőzve az anyagátbocsátás számítására a következő egyenleteket nyerjük: A gázoldali koncentrációkkal kifejezve

M= KyF Dyköz

A folyadékoldali koncentrációkkal kifejezve pedig

M= KxF Dxköz

ahol:

M – az egységnyi idő alatt egyik fázisból a másik fázisba átvitt tömeg,

F – az érintkezési fázisfelület,

Ky,Kx – anyagátbocsátási tényező, amely megmutatja, hogy milyen mennyiségű anyag megy át egyik fázisból a másikba egységnyi idő alatt egységnyi érintkezési fázisfelületen akkor, ha a hajtóerő egységnyi,

Δyköz, Δxköz – a készülék hosszmenti átlagos hajtóereje.

Ha az abszorpciót kémiai reakció kíséri, az csökkenti az oldott gáz egyensúlyi nyomását, segíti a folyamat lefolyását, megnöveli az abszorpciós kapacitást és hatásfokot.

Az abszorpciós folyamat elemzéséből levezethető, hogy a környezetvédelmi technikában alkalmazott abszorbereknek a következő műszaki követelményeket kell kielégíteniük:

  • a koncentráció csökkenés nagy legyen a gáz és folyadék között,

  • az érintkezési fázisfelület a lehető legnagyobb legyen,

  • az abszorpciós folyamat számára kedvezőek legyenek a hőmérséklet és nyomásviszonyok,

  • lehetőleg kis viszkozitású abszorpciós folyadékokat kell alkalmazni.

Az abszorpció megvalósítására mindazon készülékek alkalmasak, amelyek a nedves porleválasztásnál már említést nyertek. Mindkét folyamatnál valamilyen komponens átadása játszódik le a két fázis határfelületén, amely nagy érintkezési fázisfelületet igényel. Míg porleválasztáskor az eltömődés veszélye miatt a töltelékes abszorbereket csak kevésbé alkalmazzák, addig abszorpciós folyamatokra ezek a berendezések igen széles körben elterjedtek.

Abszorpció lejátszatására az ún. buboréksapkás tornyokat is előszeretettel alkalmazzák, amelyeket ugyancsak az eltömődésük miatt porleválasztásra nem használnak.

Ugyancsak nem alkalmazzák porleválasztásra az ún. filmabszorbereket. Itt a folyadék és gázfázis érintkezési felülete a lecsurgó folyadékfilm. A filmabszorbereknél a megvalósítás módjától függően megkülönböztethetünk csőköteges esőfilmes, lemezes esőfilmes és kúszófilmes (emelkedőfilmes) abszorbert. Egy abszorpciós berendezés kapcsolásának vonalas vázlatos rajza látható a 2.24. ábrán.

2-24. ábra - Az abszorpciós folyamat vázlatos rajza

Az abszorpciós folyamat vázlatos rajza


1. a szennyezett gáz belépése; 2. abszorpciós berendezés; 3. tisztított gáz kilépése; 4. hűtő; 5. hőcserélő; 6. deszorbeáltató kolonna; 7. deszorbeált gáz (szennyező komponens); 8. az elnyelt anyagtól mentesített abszorpciós közeg

Az abszorpciót igen gyakran alkalmazzák az ipari technológiákban. Az eljárás alapvető részét képezi a technikai levegőtisztaság-védelemnek is, az atmoszférát szennyező gázalakú komponensek megkötésének (füstgázok kén-di-oxid mentesítése, mütrágya-gyártás véggázainak tisztítása, hulladékégetők véggázainak mosása stb.).

B) Adszorpció

Már régóta ismert, hogy egyes szilárd anyagok, így az aktív szén, szilikagél és az újabban elterjedt különféle zeolitok felhasználhatók gáztisztítási célokra. Gondoljunk csak a gázálarcban lévő aktív szénre, a vízgőz nyomokat eltávolító molekulaszitákra, a szerves oldószergőzöket a légtérből kiszűrő szilárd adszorbensekre.

Ugyancsak adszorpció az elvi alapja a nyomáslengetéses adszorpciós-deszorpciós gázszétválasztásnak is, amellyel a levegő is jó hatékonysággal szétválasztható. A heterogén katalitikus reakciókban is a folyamat sarkallatos pontja az adszorpció.

Két különböző fázis határfelülete anizotróp a határfelületre merőleges irányban. A határrétegben az egyik fázis részéről a molekuláris kölcsönhatások mindig mások, mint a másik oldalról. Ez a különbség adódhat a két fázis különböző anyagi összetételéből, vagy azonos összetétel esetén a két fázisbeli koncentráció különbözőségéből. Ha az érintkező fázisok egyikének részecskéi kellő mozgékonyságúak, akkor a határfelület inhomogenitása oda vezet, hogy a mozgékony részecskék egyensúlyi koncentrációja más lesz a határrétegben, mint a fázis belsejében. Ezt a határfelületen bekövetkező koncentráció-változást nevezzük adszorpciónak. Ha a határfelület merev, vagyis az egyik fázis szilárd, akkor szilárd testeken bekövetkező adszorpcióról beszélünk.

Adszorpciókor a nagyfelületű szilárd anyag gáz-vagy folyadékelegyből egy vagy több komponenst megköt. A szilárd anyag neve adszorbens, a megkötött anyagot pedig adszorbeáltatott komponensnek, adszorptívumnak vagy adszorbeátumnak nevezzük.

Az abszorpcióhoz hasonlóan az adszorpció is fizikai és kémiai lehet. A fizikai adszorpció az adszorbens és az adszorbeálandó anyag között fellépő van der Waals-féle erők hatására jön létre, de a két anyag között kémiai kötés nem alakul ki. Kémiai adszorpció lejátszódásakor a két anyag között kémiai kötés jön létre. Az adszorpciókor felszabaduló adszorpciós hő az adszorpciós energia mértéke. Nagysága felvilágosítást ad arra, hogy fizikai adszorpció vagy kemoszorpció játszódott-e le.

Gőzök adszorbeáltatásakor az adszorpciós folyamatot kondenzáció kísérheti, amikor az adszorbeált gőzök kondenzálásakor az adszorbens pólusai folyadékkal telítődnek (kapillár-kondenzáció).

Az adszorpciós folyamat általában szelektív és megfordítható. A deszorpciós művelet végrehajtásakor nyerjük vissza az adszorbens által elnyelt komponenst, az eredetinél nagyságrendekkel nagyobb töménységben. Az adszorpciót általában a szennyező komponens kis koncentrációjakor alkalmazzák, amikor a komponenst teljes egészében ki kell nyerni. Ha az elnyeletendő komponens koncentrációja a kiindulási elegyben nagy, az abszorpció alkalmazása célszerűbb.

Tapasztalati tény, hogy az egységnyi tömegű adszorbens által megkötött adszorbeátum mennyisége, amelyet az adszorbens aktivitásának is neveznek, csak a nyomástól és a hőmérséklettől függ.

q = f (p, T)

Az állapotegyenlet felvétele úgy történik, hogy a három mennyiség közül egy-egy mérési sorozatban egyet-egyet állandó értéken tartanak. Állandó hőmérsékleten nyerik az adszorpciós izotermákat, állandó nyomáson az izobárokat, míg azonos megkötött mennyiséghez tartozó p,T pontpárok az izosztérákat adják. Az adszorpciót létrehozó erők csak egy molekula átmérőnyire hatnak a felületen, ezért a felület telítődésekor az adszorpciós réteg általában monomolekuláris.

Az adszorpciós művelet kivitelezésére leggyakrabban használt megoldás, hogy a szilárd és a fluid fázis érintkeztetése céljából az adszorbenst oszlopba töltik. Ha az oszlopon keresztül adszorpció céljából fluidumot vezetünk, akkor a fluidum áramlási irányában a tölteten koncentráció-gradiens alakul ki, amit profilnak vagy frontnak is neveznek. Az oszlop azon rétege, ahol a profil keletkezik az adszorpciós zóna vagy munkaréteg. Folyamatos fluidum betápláláskor az oszlop egy adott rétege teljesen telítődik, az adszorpció számára inertté válik. A fokozatos kimerülést a zóna áramlási irányba történő előrehaladása kíséri. A toronyból kilépő gáz koncentrációjának időbeli változása S alakú görbével, az ún. áttörési görbével jellemezhető.

Az anyagátbocsátás számítása az adszorpciónál az abszorpciós folyamathoz hasonlóan történik. Figyelembe kell azonban venni, hogy ekkor a fázisérintkezési felület gyakorlatilag nem határozható meg. Az anyagátadási egyenletet az anyagátbocsátási zóna V0 = S ·l0 – térfogatával írják fel,

M = Kyv Vo Δyköz τz

ahol:

l0 – az áttörési idő alatt megtett hossz,

S – a réteg keresztmetszete,

M – az egységnyi idő alatt egyik fázisból a másik fázisba átvitt tömeg,

V0 – az anyagátbocsátási zóna térfogata,

Kyv – térfogati anyagátbocsátási tényező,

Δyköz – az anyagátbocsátási folyamat közepes hajtóereje,

τz – az adszorpciós front áthaladási ideje az anyagátbocsátási zónán keresztül.

Az adszorpciós folyamatban az adszorbens szerkezeti felépítése a legjelentősebb tényező. Ez szabja meg fajlagos felületét, a porusok méretét, azok eloszlását valamint azokat a tulajdonságokat, amelyek az optimális kapacitást lehetővé teszik. Egy adott feladatra a megfelelő adszorbenst a következő szempontok szerint választhatjuk ki:

  • kis gázkoncentráció esetén is megfelelő aktivitású legyen,

  • könnyű legyen a deszorpció,

  • az adszorbens aktivitását, mechanikai szilárdságát a többszöri adszorpciós-de-szorpciós ciklus ne befolyásolja,

  • a folyamatban résztvevő gázokkal szemben vegyileg ellenálló legyen,

  • nagy legyen a szelektivitása.

A leggyakrabban alkalmazott adszorbensek fajlagos felületét, mikro-és makropórustérfogatát a 2.27. táblázat tartalmazza.

2-27. táblázat - Adszorbensek fajlagos felületét, mikro- és makropórustérfogata

Aktív szén

Aktív Al2O3

Szilikagél

Molekulaszita

Fajlagos felület m2/g

500–1500

300–350

250–850

500–1000

Mikropórustérfogat cm3/g

0,6–0,8

0,4

0,3–0,45

0,25–0,3

Makropórustérfogat cm3/g

0,5–0,8

0,1

0,05–0,1

0,35–0,4


(makropórus: – átmérője nagyobb, mint 2×10–4 mm, mikropórus: – átmérője 2x–10–6…..6×10–6 mm)

A szakaszos vagy nyugvóágyas illetve a folyamatos mozgóágyas adszorberek első munkaüteme a töltés vagy adszorpció, amelyet a lehető legkisebb hőmérsékleten kell végrehajtani, mert az adszorpciós kapacitás a hőmérséklet emelkedésével csökken.

A második munkaütemet, a deszorpciót, hőmérséklet növeléssel, nyomás csökkentéssel, öblítőgázas lehajtással vagy kiszorításos módszerrel végzik. A négy módszer közül a gyakorlatban leggyakrabban a hőmérsékletváltásos és a nyo-más-váltásos deszorpciót alkalmazzák. Az aktív szén deszorpcióját többnyire telített vízgőzzel hajtják végre. Szükség esetén az aktív szén deszorpciója elvégezhető forró inert gázzal is.

Ha vízgőzzel vagy hőmérséklet változtatással végezték a deszorpciós folyamatot, az adszorbenst ismét olyan állapotba kell hozni, hogy képes legyen az adszorpcióra, vagyis szárítani kell és le kell hűteni. Különleges esetekben szükség lehet az adszorbens aktivitásának visszaállítására azaz a reaktivációra is. Ezen műveletek összefoglaló neve regenerálás.

Az adszorpció szakaszos és folyamatos lehet. A szakaszos adszorberek két vagy több egységből álló rendszerek, így az adszorpció és a deszorpció váltakozva történik. Jóllehet az adszorpció szakaszos, maga az egység folyamatos üzemű.

A folyamatos működésű készülékek, – amelyek mozgó-vagy fluidágyas adszorberek lehetnek –, igen nagy mennyiségű gáz tisztítására alkalmasak.

Az aktív szénen történő adszorpciót alkalmazzák bűzelhárításra is. Ekkor az aktív szén regenerálásakor a deszorbeáltatott gőzöket közvetlen vagy katalitikus égetéssel ártalmatlanítják. Ugyancsak aktívszenes adszorpciót alkalmaznak üzemanyagtöltő állomásokon a tankból a töltéskor kiáramló szennyezett levegő tisztítására.

A 2.25.–2.26. ábrák állóágyas, illetve mozgóágyas adszorbert mutatnak be. Leginkább az állóágyas terjedt el, mert kevéssé hajlamos üzemzavarra valamint az adszorber töltetek hosszú élettartamúak. A tisztítandó gáz központi vezetéken keresztül alulról lép az adszorbens rétegre, majd a tisztított gáz felül távozik. Az adszorbens regenerációját vízgőzzel végzik, szárítása pedig meleg levegővel történik.

2-25. ábra - Álló ágyas adszorber

Álló ágyas adszorber


2-26. ábra - Mozgóágyas addszorber

Mozgóágyas addszorber


A mozgóágyas adszorberekben az adszorbens felülről lefelé lassan halad, és adszorbeálja a vele ellenáramban haladó gáz szennyeződéseit. A szennyezett gázt kb. a reaktor felénél juttatják be, a tisztított levegő a reaktor tetején távozik. A készülék alsó részében következik be az adszorbátum felmelegítése, Itt az adszorbeált komponensek deszorbeálódnak, majd a deszorbeált komponenseket elvezetik.

C) Kondenzáció

A kondenzációt a gőz, illetve a gőzt tartalmazó gáz hőmérsékletének csökkentésével illetve nyomásának növelésével érhetik el. A levegőtisztaság-védelemben elsősorban a hőmérséklet csökkenés hatására megvalósuló kondenzációt alkalmazzák.

A hőmérsékletcsökkenés kondenzátorban valósítható meg, amely direkt (közvetlen) és indirekt (közvetett) lehet. A direkt kondenzátorban a hűtő és cseppfolyósítandó anyagok közvetlen érintkezésben vannak, az indirekt kondenzátorban pedig a gőzök és a kondenzátum nem érintkezik a hűtközeggel.

Az alkalmazott direkt kondenzátorok a permetező toronyhoz hasonló permetező kondenzátorok, a folyadéksugár kondenzátorok, amelyek a Venturi-mosónak felelnek meg, a keverő-vagy barometrikus kondenzátorok.

Indirekt kondenzátorként leggyakrabban használt a csőköteges és a léghűtéses kondenzátor.

Az indirekt kondenzátorban a gőzök eredeti koncentrációban kondenzálódnak, tehát a kondenzátum azonnal, közvetlenül felhasználható. A direkt, közvetlen kondenzátorokban az anyagok keveredése miatt a leválasztandó komponenst nagy hígításban nyerjük vissza, amelyből pl. azeotróp desztillációval nyerhetjük ki. Ez a szétválasztási művelet azonban jelentősen megnöveli a költségeket.

Általános szempontként kimondható, hogy a kondenzációs műveletek nagy kiindulási szennyező koncentrációnál, az abszorpció közepes, míg az adszorpció kis szennyező koncentrációnál alkalmazható.

Különböző koncentrációban gőz-és gázszennyezőket tartalmazó gázok előtisztítására illetve tisztítására a 2.27. ábrán feltüntetett módszerek javasolhatók, amelyek az adott körülmények között a leggazdaságosabbnak mondhatók.

2-27. ábra - Javasolt tisztítási műveletek a szennyezőanyag koncentrációk függvényében

Javasolt tisztítási műveletek a szennyezőanyag koncentrációk függvényében


1. adszorpció regenerálás nélkül; 2. biológiai gáztisztítás; 3. abszorpció; 4. termikus véggáztisztítás; 5. adszorpció regenerálással; 6. kondenzáció

D) Termikus véggáztisztítás

A termikus égetést olyan szerves anyagok, elsősorban szénhidrogének vagy bűzös vegyületek ártalmatlanítására használják, amelyeket nem érdemes visszanyerni, de ártalmasak lehetnek az egészségre, tűzveszélyesek lehetnek, vagy kellemetlen szagforrások komponenseiként szerepelhetnek. Az égetési eljárások az utóbbi 10–15 évben megbízhatósági és gazdaságossági szempontból jelentősen fejlődtek. Az üzemeltetési költségek a modern berendezéseknél hővisszanyeréssel csökkenthetőek.

A legtöbb légszennyezés esetében az éghető szennyező anyag koncentrációja a véggázban az alsó éghetőségi határ alatt van. Ebben az esetben kiegészítő fűtőanyag elégetésével kell az elégetendő gázokat a teljes elégéshez szükséges kellő idejű nagy hőmérsékletre felhevíteni.

Égéshőjük szerint az égetésre vitt véggázokat a következő csoportokra oszthatjuk:

  • Csak nagyobb égéshőjű gáz vagy olaj lángjában elégethető véggázok, amelyek fűtőértéke önmaguk, valamint az égéshez szükséges levegő gyulladási hőmérsékletre történő felmelegítéséhez nem elegendő.

  • Az égést fenntartó „szegény” véggázok, amelyek viszonylag hideg lánggal égve a tökéletes elégéshez szükséges hőmérsékletet nem tudják fenntartani, támasztóláng alkalmazását igénylik.

  • Az égést fenntartó „dús” véggázok, amelyek fűtőértéke többlethőmennyiség termelését is lehetővé teszi. A többlethőmennyiség hasznosításáról gondoskodni kell. Biztonsági okokból célszerű támasztóláng alkalmazása.

  • Önfenntartó égésű, robbanóelegyet alkotó véggázok, amelyek elégetését körültekintően, biztonsági berendezésben kell végezni.

A tisztán szénből és hidrogénből álló vegyületek tökéletes égetésekor szén-dioxid és vízgőz keletkezik:

C m H n +( m+ n 4 ) O 2 mC O 2 + n 2 H 2 O MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacaWGdbWaaSbaaSqaaiaad2gaaeqaaOGaamisamaaBaaaleaacaWGUbaabeaakiabgUcaRmaabmaabaGaamyBaiabgUcaRmaalaaabaGaamOBaaqaaiaaisdaaaaacaGLOaGaayzkaaGaam4tamaaBaaaleaacaaIYaaabeaakiabgkziUkaad2gacaWGdbGaam4tamaaBaaaleaacaaIYaaabeaakiabgUcaRmaalaaabaGaamOBaaqaaiaaikdaaaGaamisamaaBaaaleaacaaIYaaabeaakiaad+eaaaa@4C75@

Oxigénhiányos égetéskor szén-monoxid képződik:

C m H n +( m 2 + n 4 ) O 2 mCO+ n 2 H 2 O MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacaWGdbWaaSbaaSqaaiaad2gaaeqaaOGaamisamaaBaaaleaacaWGUbaabeaakiabgUcaRmaabmaabaWaaSaaaeaacaWGTbaabaGaaGOmaaaacqGHRaWkdaWcaaqaaiaad6gaaeaacaaI0aaaaaGaayjkaiaawMcaaiaad+eadaWgaaWcbaGaaGOmaaqabaGccqGHsgIRcaWGTbGaam4qaiaad+eacqGHRaWkdaWcaaqaaiaad6gaaeaacaaIYaaaaiaadIeadaWgaaWcbaGaaGOmaaqabaGccaWGpbaaaa@4C4F@

A szénhidrogének elégetésekor oxigénfelesleg esetén is kezdetben szén-monoxid keletkezik, majd csak az ezt követő oxidáció után alakul át a szén-monoxid szén-dio-xiddá. A szén-monoxid szén-dioxiddá történő oxidációja a lassúbb folyamat, ezért az égetőkamrában e második lépés lejátszódásához megfelelő tartózkodási időt és optimális keveredést kell biztosítani.

A káros anyagok levegővel történő elégetése legalább sztöchiometrikusnak megfelelő oxigén mennyiséget igényel. Az oxigén egy része származhat az oxigéntartalmú szénhidrogének égetésekor a kémiai kötésben lévő oxigénből is.

Az égetéskor azonban a nem teljesen tökéletes keveredés miatt a tökéletes oxidáció lejátszódása érdekében az elégetendő véggázban 2–3% levegőfelesleg szükséges. A szigorúan sztöchiometrikus oxigénszükséglet a gyakorlatban nem vezet tökéletes elégetéshez. A levegőfelesleg (l) – amely a valóságban alkalmazott és a sztöchiometrikusan számított levegőmennyiség hányadosát jelenti – általában 1,1–1,4 közötti érték. Túlzottan nagy levegőfelesleg az égetőtér hőmérsékletének nemkívánatos csökkenéséhez vezet.

Az égetési hőmérsékletet az égetőkamra kilépő oldalán az elégetendő anyag mennyiségének automatikus szabályozásával illetve pótégetővel állandó értéken kell tartani.

Klórozott vegyületeket tartalmazó véggáz közvetlen égetésekor CO2,H2O, HCl és Cl2 keletkezik. A klór jelenléte korrózívabb tulajdonsága miatt kevésbé kívánatos, mint a sósavé, ezért a klórképződést a minimumra kell csökkenteni. HCl képződése az égetéskor keletkező klórból és vízgőzből a következő egyensúlyi reakció szerint megy végbe:

Cl2 + H2O ⇔ 2 HCl + 1/2 O2

A reakció endoterm. Az egyensúlyi összetételt a hőmérsékleten kívül az oxigén-és a vízfelesleg befolyásolja. A hőmérséklet növelése a nagyobb HCl-képződés irányában tolja el az egyensúlyi összetételt. Kis oxigén felesleg a koromképződést segíti elő, nagy oxigénfeleslegnél pedig a klórképződés irányába tolódik el az egyensúly. A vízfelesleg alkalmazása a klórképződést visszaszorítja. Lényeges tehát, hogy klórozott vegyületek égetésekor a keletkezetten felüli mennyiségben legyen a tűztérben vízgőz. A vízgőz a tűztér hőmérsékletének beállításához is szükséges.

A vízgőz a lángban a koromszemcsékkel reakcióba lép a

C + H2O ⇔ H2 + CO

egyensúlyi reakciónak megfelelően, tehát a vízgőzfelesleg a koromképződést is visszaszorítja. Egy hőhasznosítást alkalmazó égető elvi kapcsolási rajzát mutatja be a 2.28. ábra.

2-28. ábra - Termikus égető vonalas rajza

Termikus égető vonalas rajza


Az égetőtérben az elégetendő szennyező anyagok minőségétől függően 800–1200 °C között kell tartani a tűztér hőmérsékletét. A hőmérséklet felső határát a halogénvegyületek termikus égetése követeli meg. Ha csak szén-monoxid van a véggázban, annak tökéletes elégése már 700–800 °C-on is végbemegy. 800 °C feletti tűztér hőmérsékleten azonban már számolni kell termikus nitrogén-oxidok keletkezésével is, amelyek mennyisége a hőmérséklet emelkedésével növekszik. A gázok az égetőtérben általában 0,3–0,5 s-ig tartózkodnak, halogének égetésekor ez az idő 0,8–1 s. A legtöbb esetben az eltávolítás hatásossága 90% feletti.

Ha nagy mennyiségű gáz vagy gőz alakú emisszió képződik, és ennek ismételt sűrítése és visszavezetése a termelő folyamatba nem gazdaságos, valamint a véggázok hőtartalma a stabil elégetéshez elegendő, a szennyező komponensek elégetésére fáklyát használnak. A „lefáklyázáshoz” magasba nyúló-vagy talaj menti fáklyákat alkalmaznak. A fáklyákat a véggáz szennyezőinek biztonságos elégetése céljából biztonsági berendezéssel, így állandó gyújtóberendezéssel vagy őrlánggal kell ellátni, és robbanó gázkeverék képződését valamint a visszagyulladást meg kell akadályozni.

A visszagyulladás megakadályozható lángfogó, pl. vízzár alkalmazásával, vagy olyan módon, hogy a tűztérbe a véggázt a visszagyulladási sebességnél nagyobb sebességgel vezetjük.

A robbanó gázkeverék keletkezése elkerülhető, ha az éghető anyag koncentrációját az alsó robbanási határ alá hígítjuk. Nő a véggáz mennyisége, a véggázkezelés költsége nő.

Másik megoldás, ha a véggázhoz annyi energiahordozót adunk, hogy az éghető anyag koncentrációja a felső robbanási határ fölé kerül. Nő az energia felhasználás.

Éghető szennyezéseket tartalmazó véggáz tisztítására a termikus égetés mellett a katalitikus oxidációs eljárások is alkalmazhatók. A katalitikus eljárás is lényegében termikus bontás, amely katalizátor jelenlétében kisebb hőmérsékleten valósítható meg, mint a termikus égetés. A katalitikus oxidáció különösen előnyös a termikus égetéssel szemben kis koncentrációjú szennyezések ártalmatlanítására. Sok véggáz tartalmazza kis koncentrációban a környezetre veszélyes éghető komponenseket, amelyek gyakran nem is ismertek teljesen, ezért szorpciós eljárások nem alkalmazhatók. Ekkor a katalitikus oxidáció az a módszer, amely jelentős mennyiségű hő hozzáadása nélkül valósítja meg a szennyező komponensek szén-dioxiddá és vízzé történő átalakítását.

Általában elmondható, hogy a 1600 kJ/Nm3-nél nagyobb fűtőértékű gázokat közvetlen égetés útján ártalmatlanítják.

A 160–1600 kJ/Nm3 közé eső fűtőértékű gázok katalitikus égetéssel ártalmatlaníthatók. Ezen gázok katalitikus égetése a katalizátor működési hőmérsékletre való előmelegítésük után külön hőenergia közlése nélkül lejátszódik.

A 160 kJ/Nm3-nél kisebb fűtőértékű véggázok katalitikus égetése az előmelegítésen kívül külön hőközlést igényel.

A katalizátor alkalmazásának köszönhetően az égetési reakció megindulásához szükséges aktiválási energia szintje csökken. Megfelelő katalizátor alkalmazásával a légszennyezők ártalmatlanításának 800–1200 °C-os égetési hőmérséklete 200–400 °C-ra csökkenthető. A katalitikus eljárás kisebb üzemi hőmérséklete miatt az üzemeltetési költség mintegy 40–50%-kal kisebb, mint a termikus égetésnél. A termikus égetés azonban érzéketlen a szennyezések minőségére (pl. katalizátor mérgekre) és a szennyező anyag koncentrációjának ingadozására.

A katalizátoros oxidáció katalizátorai szilárd fázisúak, ezért a lejátszódó reakciót heterogén katalitikus oxidációnak vagy heterogén katalízisnek nevezzük. A katalitikus reakciókor lejátszódó részfolyamatok a következők:

  • a reakcióban részt vevő komponensek diffúziója a katalizátor felületére és pórusaiba,

  • a reagensek aktivált adszorpciója a katalizátor aktív centrumain,

  • a terméket eredményező felületi reakció,

  • a reakciótermék deszorpciója a katalizátor felületéről és pórusaiból,

  • a reakciótermék diffúziója a gázok fő tömegébe.

Nagyon gyors kémiai reakciónál, kedvezőtlen áramlási viszonyok esetén a reagáló komponensek, illetve a termékek határfelületi diffúziója a bruttó átalakulás szempontjából a sebesség meghatározó. Viszonylag nagy hőmérséklet alkalmazásakor ez különösen számottevővé válik, mivel a reakció sebessége nagy mértékben megnő anélkül, hogy a tömegátadás jelentősen javulna.

A katalizátor pórusaiban végbemenő tömegátadás abban az esetben válik sebesség meghatározóvá, ha a viszonylag nagyméretű katalizátor részecskék korlátozott pórusméretű nagy aktív belső felülettel rendelkeznek.

A hőmérséklet-változásra az aktivált adszorpció és a kémiai reakciók nagyon érzékenyek. Ezeken belül az egyedi reakciólépések sebessége is nagyon eltérő lehet.

Katalitikus folyamatoknál kis hőmérsékleten a kémiai reakció a sebesség meghatározó, közepes hőmérsékleten mind a reakciósebesség, mind a diffúzió szerepet játszik. Nagyobb hőmérsékleten egyértelműen a határrétegen keresztül történő diffúzió sebessége határozza meg a bruttó sebességet.

A katalizátortechnika továbbfejlesztésében a legnagyobb eredmény, hogy a katalizátorok mérgezés iránti fogékonyságát jelentős mértékben csökkentették. Egy jó katalizátorral szembeni legfontosabb követelmények a következők:

  • Nagy aktivitás, amely a katalizátor egységnyi térfogatára vonatkoztatva a legkedvezőbb termékmennyiséggel jellemezhető. Ezt a katalizátor jó porozitása és nagy fajlagos felülete biztosítja.

  • Mivel a katalizátor költsége a beruházási költségek lényeges részét képezi, a nagy aktivitást a lehető legnagyobb térsebesség mellett kell elérni.

  • Nagy térsebesség alkalmazásakor is viszonylag kicsi nyomásveszteség legyen a katalizátor rétegen. Ezt méhsejtfelépítésű katalizátorok alkalmazása biztosítja.

  • Nagy szelektivitás, a káros szennyező anyagok átalakítását végezze a kívánt termékké.

  • Nagy legyen az élettartama, katalizátormérgek távollétében legalább 4 évig megtartsa jó működőképességét.

  • Termikus stabilitása nagy legyen. A termikus stabilitás egy tartós üzemi hőmérséklet maximális értékével valamint egy rövid idejű, károsodást még nem eredményező csúcshőmérséklettel jellemezhető. A túlságosan nagy hőmérséklet aktivitás csökkenéséhez vezet, amelynek oka a katalizátorfelület strukturális változása pl. átkristályosodás.

  • A kémiai ellenállóképesség annál nagyobb, minél jobban ellenáll a katalizátor a korrozív gázkomponenseknek (halogénak, kondenzálódó savak) és a mérgazést okozó anyagok (halogén vegyületek, Hg, Pb, As és Zn gőzei) hatásainak, amelyek a katalizátor aktivitásának elvesztését is eredményezhetik. A katalizátor hordozóként alkalmazott alumínium-szilikát különösen jó kémiai ellenállóképességgel rendelkezik.

  • A katalizátor mechanikai stabilitására az áramló gáz és a katalizátor felületén esetlegesen felhalmozódó finom por vagy más szilárd reakciótermék lehet befolyással.

  • A katalizátor gyulladási-és üzemelési hőmérséklete megfelelően kicsi legyen, hogy az autoterm üzemmód már kis károsanyag koncentrációnál biztosítható legyen.

A katalizátor regenerálására, illetve reaktiválására alkalmas módszert a károsodás okának és mértékének figyelembe vételével kell kiválasztani.

  • Ha az aktív réteg kémiailag átalakult, a hordozót meg kell tisztítani, új aktív réteget kell rá felvinni.

  • A hőmérséklet emelkedés hatására bekövetkező strukturális változás, pl. átkristályosodás esetében a katalizátor aktiválására nincs lehetőség.

  • Ha a katalizátor felületén elégethető anyagok rakódnak le, a katalizátort leégetéssel vagy lemosással lehet aktiválni. A leégetésnél ügyelni kell az égetési hőmérséklet alakulására (átkristályosodás, módosulat változás).

  • Ásványi por lerakódásakor a katalizátort levegővel le kell fúvatni.

Regeneráláskor figyelembe kell venni, hogy a nemesfém katalizátorok regenerálási költsége az előállítás költségének mintegy 30–50%-a. A nemesfémet nem tartalmazó katalizátorok ára viszonylag kicsi, ezért ezeket többnyire nem regenerálják, hanem újra cserélik ki.

A katalitikus égető berendezés általában

  • előmelegítőből vagy más hővisszanyerő egységből,

  • katalizátortérből,

  • a szállítást végző ventillátorból,

  • mérő és szabályozó műszerekből áll.

Egy kétfokozatú katalitikus égető berendezés elvi vázlatát a 2.29. ábra mutatja be.

2-29. ábra - Kétfokozatú katalitikus égető berendezés

Kétfokozatú katalitikus égető berendezés


Katalitikus égetést főleg a gyógyszeriparban, textiliparban, lakk-és festékgyártásnál, műanyag feldolgozásnál, bitumen fúvatásnál stb. alkalmaznak.

Katalitikus redukcióra példaként a nitrogén-oxidok redukcióját vizsgáljuk meg.

A katalitikus redukáló eljárás lényege, hogy a nitrogén-oxidokat valamilyen redukáló gázzal katalizátor jelenlétében elemi nitrogénné alakítják. Az eljárásra kifejlesztett több mint 600 féle katalizátor közül leggyakrabban a platinát és ötvözeteit alkalmazzák. Gyakori még a réz, a króm, a nikkel, a vas a titán és a cink oxidjaiból készült katalizátor alkalmazása is. A redukálószertől függően az előmelegítés hőmérséklete 150–450 °C. Metánnal történő redukáláskor, ha a véggáz oxigént is tartalmaz, a lejátszódó reakciók sorrendje a következő:

CH4 + 4NO2 = 4NO + CO2 + 2H2O

A reakció egyszerűen megvalósítható, a metánt sztöchiometrikus arányban alkalmazva a barna színű NO2-t tartalmazó gáz színtelenné válik. Metánfelesleget alkalmazva előbb a metán és az oxigén reakciója játszódik le:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

és csak ez után következik a nitrogén-monoxid redukciója:

CH4 + 4NO = CO2 + 2H2O + 2N2

A véggáz összes nitrogén-oxid tartalmának redukciójához a metánt az oxigén-tarta-lom miatt feleslegben kell alkalmazni.

Metánnal végzett redukáláskor a véggáz 400 °C-ra előmelegítve lép a reaktorba. Ha redukálószerként hidrogént alkalmazunk, elegendő a katalizátorra lépő gázt 150 °C-ra előmelegíteni. A reakciók oxigén jelenlétében a következő sorrendben mennek végbe:

4H2 + 2NO2 =N2 + 4H2O 2H2 +O2 = 2H2O 2H2 + 2NO = N2 + 2H2O

A véggáz nitrogén-oxid tartalmának ammóniával végzett katalitikus redukciójakor a katalizátorra lépő véggázt 250–300 °C-ra melegítik elő. A véggáz oxigéntartalmától függetlenül katalitikus redukáláskor a következő reakciók játszódnak le:

4NH3 + 6NO = 5N2 + 6H2O 8NH3 + 6NO2 = 7N2 + 12H2O

E) Biológiai véggáztisztítás

A biológiai gáztisztításban a gázszennyezések lebontására mikroorganizmusokat alkalmaznak. Mivel a mikroorganizmusok élettevékenységéhez a víz nélkülözhetetlen, azok a biológiailag lebontható szennyezések eliminálhatók ezen a módon, amelyek vízben oldódnak.

A módszer előnye, hogy a lebontás kis hőmérsékleten játszódik le. A lebontást végző mikroorganizmusok csak szűk pH-tartományban életképesek, ezért a megfelelő pH-tartásáról gondoskodni kell. Bizonyos szennyezésekre (pl. nehéz fémek) a baktériumok érzékenyek, ezek jelenlétében dezaktiválódnak vagy elpusztulnak.

A biológiai tisztítás vizes szuszpenzióban lévő vagy szilárd anyagon rögzített mikroorganizmusokkal történik. Rögzített mikroorganizmusokat a bioszűrők vagy biofilterek valamint a bioreaktorok (csepegtetőtest), szuszpenzióban lévő mikroorganizmusokat pedig a biomosók alkalmaznak.

Ipari méretekben a lebontásra használt mikroorganizmusok legtöbbször szennyvíztisztító üzemből, ritkábban a talajból származnak. Gyakran használnak véggáztisztítási célokra specifikus baktériumtörzseket is. A baktériumtörzset az adott összetételű gázhoz hozzá kell szoktatni, az adaptációs idő általában 2–4 hét. A specifikus baktérium törzsek előnye az, hogy az adaptációs idő lerövidül.

Néhány hetes üzemeltetés után beoltás nélkül is kialakul a a biofiltereken illetve a csepegtető-testeken a biológiai populáció.

A biológiai lebontás oxidációs folyamat, levegőt igényel. A szennyezések átalakítását végző mikroorganizmusok egyrészt saját testtömegük felépítésére másrészt energiaforrásként használják fel a szerves szennyezéseket, miközben átalakítják azokat, ideális esetben szén-dioxiddá és vízzé:

C2H5CHO + 4O2 =3CO2 + 3H2O

propilaldehid

A biológiai eljárások elsősorban nagy gázmennyiségek biológiailag lebontható, kis koncentrációban jelen lévő szennyezéseinek eltávolítására alkalmasak. Használatuk olcsó, üzembiztos, társadalmilag a legjobban elfogadott. Melléktermékeinek ártalmatlanítása viszonylag kis többletköltséget igényel.

Lebonthatóság szempontjából a szerves anyagokat könnyen, nehezebben, illetve nem bontható csoportra oszthatjuk. A természetben előforduló szerves anyagok többsége a mikroorganizmusok számára lebontható és felhasználható.

A szerves szennyezések biológiai lebontása háromféleképpen mehet végbe:

  • a szerves vegyület a lebontás során közti termékeken keresztül stabil szervetlen vegyületekké CO2,H2O, N2 stb. alakul át,

  • a lebomlás közbülső termék szintjén megreked,

  • azok az anyagok, amelyek a mikroorganizmusok számára sem szén-, sem energiaforrásként nem jöhetnek szóba, megfelelő szubsztrátumok jelenlétében kometabolizmus útján alakíthatók át.

Michaelis és Menten alkották meg a biokémiai enzimreakciók általános mechanizmusát:

E + SE + P

ahol:

E – az enzim,

S – a szubsztrát,

P – a produktum vagy termék.

A reakció sebessége függ az enzim és a szubsztrát koncentrációjától. Az előző bruttó reakció a következő részreakciók szerint megy végbe:

E + SES

ESE + P

A biológiai lebontás oxidációs folyamat, tehát nélkülözhetetlen a megfelelő oxigén koncentráció biztosítása a biokémiai reakciók lejátszódásához. Abban az esetben, amikor ez nem biztosítható, vagyis az oxigén biofilm felülethez történő diffúziója jelent akadályt, diffúziós gátlásról beszélünk. Ekkor nemkívánatos szerves vegyületek keletkeznek a tökéletes oxidációt jelentő széndioxid és víz helyett. A diffúziós gátlás elkerülését az oxigén nagyobb parciális nyomásával vagy intenzívebb levegőztetéssel biztosíthatjuk.

A bioszűrőket eredetileg a szennyvíztisztítók bűzeinek megszüntetésére fejlesztették ki. A levegőtisztaság-védelemmel kapcsolatos szigorodó előírások megnövelték a keresletet az olcsó bioszűrők iránt mindazon más ipari tevékenységeknél is, ahol biológiailag lebontható szerves szennyezők keletkeznek. A bioszűrő vázlatos felépítését a 2.30. ábra mutatja be. Szűrőanyagként komposztot, rőzsét, szénát, tőzeget, fakérget, fanyesedéket, gyökérnyesedéket, szőlőmagot, kukoricacsutkát stb. alkalmazhatnak.

2-30. ábra - A biológiai szűrő felépítése

A biológiai szűrő felépítése


A heteroatomokat tartalmazó szennyezők lebontásakor keletkező kloridok, nitrátok, szulfátok pH-csökkenést eredményeznek. Mivel a mikroorganizmusok működése pH = 4 alatt leáll, semlegesítő anyagok, pl. mész adagolása válhat szükségessé.

A járművek kipufogógázaival távozó szennyezések (nitrogén-oxidok, szén-mono-xid, kén-dioxid, szénhidrogének) tisztítására különböző szűrőanyaggal ellátott bioszűrőket alkalmaztak. A szennyezett levegőt a hamburgi Elba-alagútból szívták el és a bioszűrőkre vezették. A kísérletek eredményeként azt tapasztalták, hogy a nitro-gén-oxidok és szén-monoxid 90%-nál jobb hatásfokkal eliminálódott. A szénhidrogének lebontási hatásfoka 52–67% között mozgott.

A biomosók a hagyományos abszorpciós eljárások és a szennyvíztisztítás összekapcsolása révén fejlődtek ki. Két lényeges eleme az elnyelető (abszorber) és az eleveniszapos tartály, ahol az egyikben a szennyező anyag abszorpciója, a másikban az abszorbeált komponensek biológiai lebontása történik meg. Az abszorpciós toronyban az érintkezési fázisfelület, ezen keresztül az anyagátadás javítására valamilyen laza töltetet helyeznek el. A mosófolyadékban 1–15 g/dm3 koncentrációban mikroorganizmusok találhatók. A szennyezett gáz károsanyag-tartalma ebben a mosófolyadékban nyelődik el, amelynek lebontása az eleveniszapos tartályban megy végbe. Az iszaptartályból a szennyezőt már nem tartalmazó oldatot visszavezetik az abszorberbe.

A szennyező anyag tökéletes lebontásához szükséges oxigén koncentráció legalább 1,5 mg/dm3, amit rendszerint levegőbefúvatással biztosítanak.

A biomosókhoz sorolható a biokatalitikus véggáztisztítás olyan módszere, amikor a biofilm hordozójaként a bioreaktoroknál szokásos tölteléktestek helyett az oldatban szuszpendált aktív szenet használnak. Az aktív szén hatása azon alapszik, hogy a lebontható szennyezések és az oxigén adszorpciója, az adszorbeált szerves anyag lebontása és az oxidációval keletkező termék deszorpciója között az aktív szén felületén dinamikus egyensúly alakul ki, miközben az oxidációra felhasznált oxigén az oldaton átvezetett levegőből pótlódik. Az aktív szén ekkor oxigén átvivőként szerepel. Az oxidációt katalizáló enzim tárolásával és aktiválásával a biológiai lebontás gyorsabb lesz. Már régebb óta ismert, hogy az immobilizált mikroorganizmusok illetve enzimek nagyobb átalakítási teljesítményre képesek, mint a szabad szuszpenzióban találhatók.

A bioreaktorok vagy csepegtetőtestes bioszűrők alkalmazásakor természetes vagy mesterséges anyagú tölteteken rögzülnek a mikroorganizmusok, és ezeken a tölteteken keresztül felülről lefelé áramlik a víz. A szerves szennyezést tartalmazó gázt a vizes fázissal általában ellenáramban vezetik a készülékbe, ahol a szenynyezések a vizes fázisba majd a biofilm felületére kerülnek és ott biológiailag oxidálódnak. A biomosóval ellentétben – ahol külön egységekben történik az abszorpció és a biológiai lebontás – a bioreaktorban az abszorpciós és lebontási folyamat egy helyen játszódik le, a vízzel locsolt, mikroorganizmusokat rögzítő töltet felületén.

Bioreaktor alkalmazásakor problémát jelenthet a reaktor eltömődése, amely akkor következik be, ha a mikroorganizmusok túlszaporodnak, vagyis nem áll fen a növekedés és a lebomlás egyensúlya. Ekkor fokozatosan eltömődik a rendszer, jelentősen megnő a nyomásveszteség, az egész rendszer eldugulhat.

A membrántechnika és a bioreaktor kombinálásából született a membrán bioreaktor, amelynek működési elve látható a 2.31. ábrán.

2-31. ábra - A membrán bioreaktor működési elve

A membrán bioreaktor működési elve


A membrán biofilmmel bevont oldalán a tápsókat tartalmazó víz, a másik oldalán pedig a tisztítandó gáz áramlik. A tisztítandó véggáz biztosítja a mikroorganizmusok szervesanyag-és oxigén szükségletét. A biomembrán a vízben rosszul oldódó szerves szennyezők lebontására alkalmas. Itt a vízben rosszul oldódó szerves szennyezők és az oxigén nem a vizes fázisból kerülnek a lebontást végző biofilmhez, hanem a membrán pórusain keresztül. A pórusok csak az oxigén, illetve az adott szerves szenynyezők számára áteresztők.

A legújabb kutatások szerint a füstgázok kén-dioxid tartalmának eltávolítására is felhasználják a mikroorganizmusokat. Ekkor a kén-dioxidot három lépésben hasznosítható elemi kénné alakítják. A kén-dioxidot lúgos abszorberben nyeletik el, majd a keletkező nátrium-hidrogén-szulfitot anaerob bioreaktorban elektrondonor jelenlétében redukálják. A kapott nátrium-hidrogén-szulfid aerob reaktorban kénné és nátri-um-hidroxiddá alakul. A lejátszódó folyamatok:

NaOH + SO2 = NaHSO3

NaHSO3 + 3H2 = NaHS + H2O

NaHS + 1/2 O2 =S + NaOH