LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp. Xe cộ tăng nhanh, vấn đề xử lý khí thải ngày càng cần thiết và cấp bách của mọi quốc gia trên thế giới dang quan tâm. Với nhiều tác động xấu làm biến đổi khí hậu như: mưa axit, hiệu ứng nhà kính, nguy cơ phá hủy tầng ozon,. mà các chất bảo vệ chủ yếu là CO, SOx, NOx, HC.
Theo thống kê của tổ chức bảo vệ sức khỏe thế giới, mỗi năm các hoạt động thải ra bầu khí quyển 250 triệu tấn bụi, 200 tấn CO, 150 triệu tấn dioxit lưu huỳnh,. Hiện nay, ở nước ta ngày càng hình thành nhiều khu công nghiệp, bên cạnh đó các phương tiện giao thông tăng lên đến mức báo động, khí thải từ những khu công nghiệp cũng như từ các phương tiện giao thông đã làm cho môi trường ngày càng nghiêm trọng hơn. Hồ Chí Minh có khoảng 700 nhà máy, 30.000 cơ sở sản xuất tiểu thủ công nghiệp và hàng trăm cơ sở đầu tư nước ngoài. Đa số các cơ sở đều chưa có hệ thống xử lý khí thải hoàn chỉnh.
Theo thống kê chưa đầy đủ thì lượng khí ô nhiễm thải ra hàng năm là khoảng 1017 tấn bụi, 10580 tấn SO2, 390 tấn SO3, 194600 tấn CO2, 260 tấn CO, 7554 tấn NO2, 137 tấn hydrocacbon và 78 tấn andehit Trong đó số lượng các nhà máy thuộc công nghiệp luyện kim ở khu vực không nhiều nhưng phân bố trên một địa bàn khá rộng và đang có xu hướng phát triển. Các nhà máy loại này gây ảnh hưởng xấu đến môi trường không khí. Đối với các nhà máy luyện thép thì nguồn gây ô nhiễm không khí chủ yếu là khói thải từ lò hồ quang, lượng khí thải này được ước tính với lưu lượng là 50.000 m3/h cho lò hồ quang, khí thải chứa chủ yếu là bụi với hệ số ô nhiễm là 20-30 kg/tấn sản phẩm, CO với hệ số ô nhiễm là 7-10 kg/ tấn sản phẩm. Như vậy với toàn bộ các nhà máy thép của công ty thép miền Nam hiện nay sẽ thải vào môi trường hàng năm một lượng chất ô nhiễm là: 2.
Khói thải từ các lò đúc nấu kim loại dạng thủ công; khói thải từ nguồn này có chứa các chất ô nhiễm như SO2, CO, NO2, bụi, CxHy. Đứng trước tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng thì vấn đề làm sạch khí thải từ các nhà máy là một phần quan trọng trong việc xử lý môi trường. Hiện nay, việc khử độc khí thải bằng xúc tác là hiệu quả nhất nhưng điều khiến cho các nhà khoa học quan tâm là phải tìm được các chất thích hợp, rẻ tiền, và có thời gian sử dụng lâu dài. Trong đó, phương pháp oxy hóa hoàn toàn dùng xúc tác là phương pháp xữ lý khí hiệu quả nhất mà những phương pháp khác không thực hiện được.
Tuy nhiên phương pháp này chỉ hiệu quả khi nồng độ khí thải loãng hay trên ngưỡng cho phép chút ít. Trên thế giới và Việt Nam đang nghiên cứu rất nhiều về vấn đề xữ lý khí thải nhắm cải tạo môi trường, nhiều nghiên cứu đã tập trung điều chế ra các loại chất mang xúc tác có diện tích tiếp xúc lớn như: các vật liệu mao quản trung bình hoặc diện tích hình học lớn như khối monolith, Cordierite Ceramic Foam,. dùng để mang các chất xúc tác, nhắm hạ nhiệt độ giúp cho các quá trình oxi hóa các chất khí làm ô nhiễm môi trường như: CO, NOx,. có thể xảy ra một cách dễ dàng ngay cả khi ở nhiệt độ thấp.
Trong vài năm qua, việc nghiên cứu, sản xuất và ứng dụng các vật liệu gốm có nhiều lỗ xốp đã phát triển một cách đáng kể. Điều này chủ yếu là do các đặc tính của loại vật liệu này như là có diện tích bề mặt lớn, tỷ trọng thấp, nhiệt riêng thấp và có tính chịu nhiệt cao. Những đặc tính này rất cần thiết trong các ứng dụng công nghiệp như làm chất mang xúc tác, vật liệu lọc đối với kim loại nóng chảy, khí nóng, trao đổi ion, vỏ chịu lửa của lò nung, hệ thống cách nhiệt, trao đổi nhiệt và các vật liệu cấy ghép xốp trong y sinh. Nội dung chính của đề tài này chúng tôi xin trình bày quá trình điều chế Ceramic Foam trên cơ sở cordierite và ứng dụng Cordierite Ceramic Foam làm chất mang xúc tác xử lý khí thải CO.
8 Cordierite là loại vật liệu thuộc hệ 3 cấu tử MgO – Al2O3 – SiO2. Thành phần hóa học của cordierite là 2MgO. Cordierite là loại vật liệu phổ biến, có độ bền nhiệt và bền cơ cao. Các nghiên cứu tổng hợp cordierite chủ yếu đi từ nguồn nguyên liệu tự nhiên như Kaoline, bột Talc, Aluminium oxit tự nhiên.
Đồng thời, cordierite là loại vật liệu phổ biến nhất được sử dụng làm chất nền cho xúc tác xử lý khí thải của các quá trình đốt cháy nhiên liệu. Vì vậy, trong nghiên cứu này, chúng tôi đã ứng dụng các hệ xúc tác xử lý khí thải đã được nghiên cứu trong các đề tài trước mang trên hệ chất mang mới là ceramic foam (bọt gốm), nhằm tận dụng các lợi thế về độ xốp, độ bền cơ nhiệt, độ thông thoáng khí của vật liệu này. Và sử dụng oxit kim loại phức hợp dạng spinel CuCr2O4 được mang lên xương gốm cordierite và ứng dụng hệ xúc tác xử lý khí thải CO. CƠ SỞ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU.
Ô nhiễm không khí. Không khí bị ô nhiễm, có nghĩa là bên cạnh các thành phần chính của không khí tồn tại những chất với nồng độ đủ gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người, gây ảnh hưởng xấu tới sự sinh trưởng và phát triển của động thực vật, phá hủy vật liệu, làm giảm cảnh quan môi trường. Có nhiều các cách phân loại nguồn ô nhiễm không khí khác nhau: dựa vào tính chất hoạt động (quá trình sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, tiểu thủ công nghiệp,.; ô nhiễm do giao thông vận tải; ô nhiễm do sinh hoạt; ô nhiễm do các quá trình tự nhiên), dựa vào bố trí hình học (nguồn điểm, nguồn đường, nguồn vùng), dựa vào nguồn phát sinh (nguồn tự nhiên và nguồn nhân tạo) [ 9 ] 1. Các thành phần gây ô nhiễm từ khí thải.
Các hợp chất ô nhiễm chính trong khí thải có thể chia làm hai nhóm: khí và hạt rắn. Người ta phân biệt các chất ô nhiễm sơ cấp được thải ra từ các nguồn xác định (CO, HC,…) với các chất ô nhiễm thứ cấp (O3, …) được sản sinh ra từ các phản ứng giữa các chất ô nhiễm sơ cấp với nhau dưới tác động của điều kiện môi trường như bức xạ mặt trời. Nhìn chung chất gây ô nhiễm môi trường thải ra từ động cơ gồm các chất sau: Carbone dioxyde (CO2), sản phẩm của quá trình oxi hóa hoàn toàn nhiên liệu. Carbone monoxyde (CO), đến từ quá trình oxi hóa không hoàn toàn nhiên liệu.
Oxyt Nitơ bao gồm NO, NO2. Các hạt rắn, sản phẩm của các quá trình hình thành phức tạp. Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (COV-composes organiques volatils), là các hợp chất hóa học hữu cơ có áp suất hơi đủ cao để dưới các điều kiện 10 bình thường có thể bay hơi một lượng đáng kể vào không khí. Về thành phần COV là sự kết hợp giữa các hydrocarbure (như alkan, alken, aromatic…) và các hợp chất chứa oxi (aldehyde, xetone, …).
Các hợp chất hữu cơ đa vòng (hydrocarbures aromatiques polycycliques – HAP), như benzoapyrene. Oxit lưu huỳnh gồm có SO2 và SO3 hình thành từ lưu huỳnh có sẵn trong nhiên liệu. Các kim loại, có trong dầu và nhiên liệu. Những chất ô nhiễm này thải ra môi trường sẽ dẫn đến rất nhiều ảnh hưởng tai hại cho sức khỏe và môi trường.
Một vài chất trong đó sẽ góp phần hình thành sương mù trong đô thị (brouillards urbains), mưa acide từ SO2 và NOx. Trong đó NOx và VOCs là nguyên nhân gây ra các phản ứng khác nhau dẫn đến sự hình thành ozone ở tầng đối lưu của khí quyển. Các hydrocarbon chưa cháy gây ra bệnh ung thư, còn các hạt rắn, đặc biệt là các hạt rắn nhỏ, rất nguy hiểm cho sức khỏe, vì nó có thể đi vào trong phổi, gây ra các bệnh về hô hấp. Kết quả nghiên cứu mới nhất tại các đô thị lớn của nước ta, nồng độ bụi đã vượt quá tiêu chuẩn cho phép 1,5÷3 lần, nồng độ SO2 gấp 2÷3 lần.
Tác nhân gây ô nhiễm chủ yếu do khí thải xe cơ giới trong đó lượng khí thải từ ống xả của các phương tiện giao thông chiếm tới trên 90% về chì, 25% khí NO2 và khoảng 98% khí CO. Khí thải do môtô, xe máy kết hợp với các chất ô nhiễm thứ cấp gây nguy hại đến sức khỏe của người dân gây nên các bệnh như: ngạt thở, viêm phù phổi, lao phổi, ung thư phổi, bệnh tim mạch và bệnh thần kinh. Báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia (2005) cho thấy 70÷90% ô nhiễm không khí đô thị là các hoạt động giao thông vận tải, chỉ 10÷30% là do công nghiệp và sinh hoạt. Trong khí thải từ xe cơ giới thì khí thải xe mô tô, xe máy chiếm phần chủ yếu.
Tình hình ô nhiễm không khí. Theo số liệu thống kê của Bộ Tài nguyên & Môi trường, khí thải từ các loại xe cơ giới là nguồn gây ô nhiễm không khí lớn và nguy hại nhất. Hầu hết tất cả các chất khí độc thải ra môi trường như: Chì, oxyt Lưu huỳnh, các loại bụi lơ lửng, bụi hạt.đều do quá trình đốt cháy nhiên liệu của các phương tiện giao thông. Thời gian gần đây, ở một số địa phương, đặc biệt là Hà Nội và TP.HCM đã bắt đầu xuất hiện nhiều đám mây mù, sương do nồng độ chất khí thải quá lớn tích tụ.
Tình hình ô nhiễm không khí càng trở nên khó kiểm soát hơn khi số lượng xe cơ giới đang tăng nhanh với tốc độ chóng mặt. Tính đến cuối năm 2004, số lượng ôtô qua các trung tâm đăng kiểm trên toàn quốc đã lên tới hơn 523 nghìn chiếc, còn số xe máy đang lưu hành đã vượt quá con số 13 triệu. Thống kê năm 2006 của Tổ chức Y tế thế giới cho biết, đã có khoảng 777.000 người (châu Á là 531.000 người) chết do ô nhiễm không khí. Phát thải xe gắn máy là một trong những nguyên gây nên tình trạng này.
Một thực trạng đáng buồn nữa, trong suốt thời gian qua việc kiểm tra nồng độ khí thải đối với xe ô tô và mô tô đang lưu hành gần như còn bỏ ngỏ. Hầu hết xe cơ giới hiện nay đều là các phương tiện giao thông cá nhân và phân bố rộng khắp các vùng miền, nên việc triển khai công tác kiểm tra và siết chặt giới hạn khí thải gặp rất nhiều khó khăn và tốn kém.