Quá trình khử lưu huỳnh (SOx) và các hạt bụi mịn trong khí thải công nghiệp, đặc biệt là từ các nhà máy nhiệt điện than, là một vấn đề môi trường cấp thiết. Trong đó, SO3 là một tác nhân gây ô nhiễm nguy hiểm hơn SO2 do khả năng tạo thành các hạt aerosol sulfate thứ cấp. CaO, một thành phần chính trong tro bay, có khả năng hấp phụ SO3, đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm. Nghiên cứu này tập trung vào việc khám phá ảnh hưởng của điện trường lên quá trình hấp phụ SO3 trên bề mặt CaO bằng phương pháp tính toán lý thuyết hàm mật độ (DFT).
Điện trường tác động lên sự hấp phụ SO3 trên CaO. Alt: Mô hình ô mạng cơ sở của CaO và mặt cắt bên của hệ CaO(100) với điện trường, thể hiện sự tương tác giữa SO3 và bề mặt CaO dưới ảnh hưởng của điện trường.
Phương pháp tính toán
Các tính toán DFT được thực hiện bằng gói Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP). Bề mặt CaO(100) được mô hình hóa bằng một phiến mỏng tuần hoàn (slab model) với ba lớp nguyên tử và một khoảng chân không 15 Å. Các tính toán được thực hiện với lưới k-points (3 × 3 × 1) và năng lượng cắt 520 eV. Điện trường ngoài được áp dụng bằng cách thêm một moment lưỡng cực vuông góc với phiến mỏng.
Kết quả và thảo luận
Ảnh hưởng của điện trường lên sự hấp phụ SO3
Kết quả cho thấy năng lượng hấp phụ của SO3 trên bề mặt CaO chịu ảnh hưởng đáng kể bởi điện trường.
- Điện trường nhỏ: Khi cường độ điện trường yếu, năng lượng hấp phụ giảm nhẹ, bất kể hướng của điện trường.
- Điện trường dương: Khi cường độ điện trường dương tăng lên, năng lượng hấp phụ cũng tăng theo, cho thấy điện trường dương tăng cường khả năng hấp phụ SO3 trên CaO.
- Điện trường âm: Ngược lại, khi cường độ điện trường âm tăng lên, năng lượng hấp phụ giảm xuống, cho thấy điện trường âm làm giảm khả năng hấp phụ SO3.
Năng lượng hấp phụ SO3 trên bề mặt CaO(100) thay đổi theo điện trường. Alt: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi năng lượng hấp phụ của SO3 trên bề mặt CaO(100) khi có điện trường tác động, so sánh giữa điện trường dương và điện trường âm.
Ảnh hưởng của CO2 và SO2
Khi có sự hiện diện của CO2 hoặc SO2 trên bề mặt CaO, năng lượng hấp phụ của SO3 giảm xuống. Điện trường vẫn có ảnh hưởng tương tự như trường hợp bề mặt sạch, nhưng mức độ ảnh hưởng có sự thay đổi.
Ảnh hưởng của H2O
Sự hấp phụ H2O trên bề mặt CaO dẫn đến sự phân ly thành OH và H. Ảnh hưởng của điện trường lên sự hấp phụ SO3 trong trường hợp này phức tạp hơn và phụ thuộc vào việc H, OH, hay cả hai cùng hấp phụ trên bề mặt.
Ảnh hưởng của CO2 đến năng lượng hấp phụ SO3 trên CaO(100) theo điện trường. Alt: Đồ thị so sánh năng lượng hấp phụ của SO3 trên bề mặt CaO(100) khi có CO2 hấp phụ trước đó tại hai vị trí khác nhau, dưới tác động của điện trường.
Phân tích điện tích
Phân tích điện tích Bader và biểu đồ mật độ điện tích (CDD) cho thấy sự hình thành liên kết mạnh giữa S của SO3 và O trên bề mặt CaO. Điện trường dương làm tăng sự tích tụ điện tích xung quanh ion O trên bề mặt, trong khi điện trường âm có tác dụng ngược lại.
Mật độ trạng thái cục bộ (LDOS) của S, OSO3 và OCaO trên bề mặt CaO(100). Alt: Đồ thị thể hiện mật độ trạng thái cục bộ (LDOS) của các orbital s và p của S, OSO3 và OCaO khi SO3 hấp phụ trên bề mặt CaO(100) dưới tác động của điện trường.
Kết luận
Nghiên cứu này đã làm sáng tỏ ảnh hưởng của điện trường lên quá trình hấp phụ SO3 trên bề mặt CaO. Kết quả cho thấy điện trường có thể được sử dụng để điều chỉnh khả năng hấp phụ SO3 của CaO, mở ra những hướng đi mới trong việc kiểm soát khí thải SO3. Điện trường dương có thể tăng cường khả năng hấp phụ, trong khi điện trường âm làm giảm khả năng này. Sự hiện diện của các chất khác như CO2, SO2 và H2O cũng ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và tương tác với điện trường. Các kết quả này cung cấp thông tin quan trọng cho việc thiết kế các hệ thống xử lý khí thải hiệu quả hơn.
Sự biến thiên của điện tích trao đổi với điện trường. Alt: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của điện tích trao đổi giữa SO3 và bề mặt CaO theo cường độ điện trường, cho thấy mối tương quan giữa điện trường và khả năng trao đổi điện tích.
