Nghiên cứu vấn đề khử các khí NOx trong điều kiện dư nhiều khí O2

Bài viết giới thiệu tổng quan về vấn đề ô nhiễm không khí do giao thông đã đến cập đến nguyên nhân các loại động cơ đốt trong được phát triển theo hướng hoạt động trong điều kiện dư nhiều oxy.  Việc nhiên liệu được đốt trong điều kiện dư oxy sẽ làm tăng hiệu suất cháy nhiên liệu giúp cho động cơ ít hao nhiên liệu hơn.

Bên cạnh đó, chúng ta có thể giảm sự phát thải CO, HC và một lợi ích quan trọng nữa là giảm sự phát thải CO₂– một thành phần quan trọng gây hiệu ứng nhà kính dẫn đến những biến đổi khí hậu khó lường cho trái đất. Tuy nhiên, vấn đề khó khăn đặt ra là phải chuyển hóa các oxit nitơ (NOx) về N₂ trong điều kiện dư O₂. Các bài viết tiếp theo sẽ giới thiệu một số phương pháp có thể xem là khả thi nhất hiện nay để giải quyết bài toán hóc búa này.

Động cơ hoạt động trong điều kiện cháy dư oxy sẽ giúp cho việc tăng hiệu suất đốt nhiên liệu
Các phương pháp xử lý NOx trong điều kiện dư oxy Một số phương pháp với những khả năng xử lý NOx và phạm vi ứng dụng khác nhau sẽ được giới thiệu đến đọc giả mà cụ thể là :

Phương pháp khử chọn lọc NOx về N₂ có sử dụng xúc tác SCR (selective Catalytic Reduction) Phương pháp bẫy-khử NOx (NOx-trap reduction) Phương pháp phân hủy nhiệt trực tiếp NOx (direct decomposition NOx) Trong phạm vi của bài viết này, tôi sẽ tập trung giới thiệu phần I của phương pháp khử chọn lọc NOx có xúc tác SCR-NOx 1. Phương pháp khử chọn lọc NOx về N₂ có sử dụng xúc tác SCR (selective Catalytic Reduction)

Phương pháp này liên quan đến việc tiêm thêm các chất khử vào dòng khí thải trong phạm vi hiện diện của một hệ xúc tác. Vai trò của chất khử tiêm vào và của hệ xúc tác là để khử một cách chọn lọc NOx thành N₂ [1].

Hiệu quả của việc khử NOx bằng phương pháp SCR phụ thuộc đồng thời vào hoạt tính của hệ xúc tác và bản chất của chất khử được sử dụng. Những chất khử thường được sử dụng là các hydrocarbon, NH₃ hoặc urê (urea). Trong các chất khử này thì NH₃ cho thấy khả năng cho độ chọn lọc của sự khử NOx về N₂ rất cao và đồng thời cũng cho hiệu suất chuyển hóa rất cao. Chúng ta cũng có thể thấy khi dùng NH₃ làm chất khử NOx thì sản phẩm của quá trình không thể là NH₃, do đó độ chọn lọc của sự khử NOx ở đây chỉ là giữa N₂O và N₂ [2].

Cần phải chú ý trong quá trình khử NOx là NO₂ luôn là tác nhân hoạt động, NO₂ sẽ phản ứng trực tiếp với NH₃, trong khi NO sẽ bị oxi hóa một phần thành NO₂ và tốc độ của quá trình đạt cao nhất khi tỉ lệ NO : NO₂ : NH₃ trong hỗn hợp là 1 : 1 : 2.

Trong những kết quả nghiên cứu mới nhất của N. Lê Phúc và đồng nghiệp [3,4,5] cũng cho thấy NH₃ có tốc độ khử NOx rất nhanh. Và trong quá trình hoạt động, việc tạo NH₃ in-situ (tạo ra trong quá trình phản ứng) và NH₃ được tạo ra ngay trên bề mặt xúc tác sẽ cho chúng ta một hiệu suất chuyển hóa NOx rất cao và gần như sản phẩm khử chỉ là N₂.

Tuy nhiên, việc sử dụng trực tiếp NH₃ làm tác nhân khử NOx trong điều kiệ thực tế gần như là không thể do việc lưu trữ NH₃ là rất khó khăn. Đó là lí do người ta phải tạo ra NH₃ một cách gián tiếp từ phản ứng thủy phân và phân hủy urê, và quá trình tạo NH₃ trung gian này cũng làm giảm hoạt tính chuyển hóa NOx [6].
(NH₂)₂CO + H₂O ➔ CO₂ + 2H₂O

Tuy nhiên, urê không thể được sử dụng dưới dạng tinh chất được do ở trạng thái thông thường thì urê là một chất ở dạng bột và không thể đưa vào hỗn hợp khí thải với một lượng xác định được. Và đó là lí do người ta phải sử dụng urê dưới dạng dung dịch, và một loại dung dịch urê rất nổi tiếng đã được thương mại hóa có tên gọi là AdBlue (dung dịch 32,5% urê).

Ở đây cần nhấn mạnh rằng đối với phương pháp SCR trên cơ sở phản ứng giữa NH₃ và NOx thì ta có thể dùng bất kỳ tiền chất nào miễn là nó có thể tạo thành NH₃ trong quá trình phản ứng. Ví dụ ngoài urê, ta cũng hoàn toàn có thể dùng ammonium carbamate, hay thậm chí sử dụng các hệ xúc tác có khả năng khử rất mạnh NOx về NH₃, chính NH₃ này lại là tác nhân để khử tiếp lượng NOx còn lại về N₂ [3, 4, 5]
Lắp đặt hệ thống SCR trong xử lý NOx từ động cơ hoạt động trong điều kiện dư oxy (lean-burn và diesel)

Hệ thống SCR-AdBlue nổi bật với các thành phần sau

• Bình chứa dung dịch AdBlue
• Thiết bị điện tử để kiểm soát lượng AdBlue tiêm vào. Đây là một thông số cực kỳ quan trọng vì nếu tiêm thiếu AdBlue sẽ dẫn đến thiếu chất khử NH₃ cho việc khử NOx. Ngược lại, nếu tiêm quá dư AdBlue sẽ dẫn đến việc dư NH₃ và dẫn đến việc ô nhiễm NH₃ do NH₃ cũng là một tác nhân độc (xem thêm các bài viết của Lê Tiến Khoa về vấn đề ô nhiễm NH₃ : [Ô nhiễm NH3]
• Đầu tiêm Adblue : việc tiêm AdBlue phải đạt được sự tiếp xúc tối đa với bề mặt xúc tác cũng như NOx, việc tiêm một lượng đúng và đủ không tốt vẫn có thể dẫn đến hiện tượng NH₃ slip (NH₃ tiêm vào và đi ra, không tiếp xúc với các nguồn NOx)
• Hệ xúc tác SCR
• Một đầu dò NOx ở đầu ra của xúc tác để biết được hàm lượng NOx trước khi thải ra ngoài

Thực tế mong muốn có thể tiêm một hàm lượng đúng của Adblue để khử NOx là gần như không thể, do đó hiện nay các nhà khoa học đã phát triển theo hướng tiêm dư AdBlue để chắc chắn có dư NH₃ cho việc khử NOx, sau đó, người ta gắn thêm một hệ xúc tác chỉ để oxy hóa một cách chọn lọc NH₃ dư này thành N_2.