ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, ô nhiễm môi trường đặc biệt là ô nhiễm không khí được xem là một trong những vấn đề nóng bỏng, cấp bách của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Các chất hữu cơ dễ bay hơi (Volatile organic compounds - VOCs) được biết đến như chất gây ô nhiễm không khí ngoài trời. Các hợp chất hydrocarbon VOCs là khí nhà kính gây nên sự biến đổi khí hậu. Mặt khác, các VOCs thơm như benzene, toluene và xylene có thể gây ung thư và bệnh bạch cầu khi tiếp xúc lâu dài.
Các hợp chất VOCs được phát thải ra từ quá trình đốt chất nhiên liệu như xăng dầu, gỗ, than đá, hoặc khí thiên nhiên. Nhiều hợp chất hữu cơ dễ bay hơi là chất gây ô nhiễm không khí nguy hiểm. Các khí nhà kính, bao gồm BTX, sinh ra từ hoạt động của con người gây tác động rất lớn cho việc biến đổi khí hậu từ giữa thế kỷ 20 [1]. Trên thế giới, lượng khí thải nhà kính từ hoạt động của con người tăng 35% từ năm 1990 đến năm 2010.
Theo nghị định thư Goteborg, các thành viên liên minh Châu Âu yêu cầu giảm mức phát thải năm 2020 cần giảm một nửa so với mức phát thải năm 2000. Vì thế, nghiên cứu những phương pháp và những xúc tác để giảm sự phát thải VOCs là một trong những phương pháp cấp bách hiện nay [2]. Trong tất cả các phương pháp xử lý VOCs như đốt, hấp thụ, xúc tác quang và xúc tác plasma… quá trình oxy hóa bằng xúc tác được xem là một trong những phương pháp xử lý triệt để VOCs [3-5]. Quá trình oxy hóa VOCs bằng xúc tác đã được chứng minh đạt hiệu quả cao nhưng chi phí xử lý cao.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo chất xúc tác mới từ chất thải công nghiệp đạt hiệu quả cao và chi phí thấp vẫn là một thách thức. Bên cạnh đó, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, hoạt động của các ngành công nghiệp thường phát sinh ra một lượng chất thải rất lớn mà việc xử lý chúng là vấn đề cấp bách hiện nay. Một trong những trường hợp điển hình là bùn đỏ- bã thải của ngành công nghiệp sản xuất nhôm từ bauxite theo quy trình Bayer. Lượng bùn đỏ thải ra từ ngành công nghiệp này rất lớn và chủ yếu được chứa trong các hố thải.
Bùn đỏ có đặc trưng độ kiềm cao (pH = 10 – 12,5), kích thước hạt mịn, số lượng lớn, vì vậy nếu không xử lý chúng sẽ trở thành nguồn tiềm năng gây nguy hại cho môi 7 trường đất, nước và cả không khí. Chính vì thế, việc xử lý bùn đỏ trở nên cấp thiết, đặc biệt khi dự án Bauxite Tân Rai – Lâm Đồng đi vào hoạt động, hàng năm sẽ thải ra một lượng lớn bùn đỏ. Việc xử lý bùn đỏ phức tạp và đòi hỏi chi phí cao. Vì vậy các nghiên cứu kết hợp xử lý bùn đỏ kết hợp với tận dụng chúng như là một sản phẩm ứng dụng được trong công nghiệp đang được nghiên cứu và là định hướng ưu tiên của nước ta.
Ngoài ra, hiện nay trong quy trình sản xuất lương thực, cụ thể là cây lúa, ngày càng có nhu cầu nâng cao giá trị của sản phẩm. Để điều này được thực hiện tốt, thì tất cả các vậtt chất thu được từ quy trình trồng – thu hoạch cây lúa cần được tận dụng ở mức tối ưu. Trong đó, trấu đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, nhằm mục tiêu cung cấp như là chất đốt. Tuy nhiên, tro trấu lại là một vấn đề cần quan tâm để tận dụng tối đa giá trị sử dụng của nó.
Trong định hướng chung đó, nhóm nghiên cứu nhận thấy là nếu tận dụng nguồn silica thu được từ tro trấu để kết hợp với lượng nhôm dư trong bùn đỏ để tạo ra một phần cấu trúc zeolite cho vật liệu thu được, nâng cao các tính chất hóa lý để chế tạo xúc tác dựa trên hệ chất mang này cho phản ứng oxy hóa xử lý BTX ở nhiệt độ thấp là một hướng nghiên cứu hoàn toàn mới và có giá trị thực tế rất cao. Ngoài ra, một điểm thuận lợi mới nữa là hầu hết các nghiên cứu trước đây xử lý tận dụng bùn đỏ đều phải trải qua giai đoạn rửa trung hòa kiềm dư, điều này đòi hỏi một lượng lớn axit làm tính kinh tế của quy trình kém, từ đó khó có khả năng triển khai thực tế. Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành hoạt hóa, tổng hợp vật liệu trong hiện trạng kiềm dư của bùn đỏ. Và điều này sẽ dẫn đến khả năng ứng dụng của sản phẩm khả quan hơn khi đưa vào quy mô công nghiệp.
Mặt khác, vật liệu sau quy trình xử lý có thể ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu xây dựng không nung. CHẤT HỮU CƠ DỄ BAY HƠI (VOCs) VOC là hợp chất hữu cơ, bay hơi rất nhanh. Khi đã lẫn vào không khí, nhiều loại VOC có khả năng liên kết lại với nhau hoặc nối kết với các phần tử khác trong không khí tạo ra các hợp chất mới. Tuy nhiên, cụm từ VOCs thường dùng để nói đến hỗn hợp các chất hữu cơ độc hại phát tán trong không khí xuất phát từ các sản phẩm hoạt động của con người sinh ra.
8 Chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) là một trong những chất chính gây ô nhiễm không khí có tác động xấu đến môi trường và sức khỏe. Chúng còn là những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, gây giảm tầng ozone và tạo ra màng sương gây nên sự nóng lên toàn cầu[6]. Chúng được thải ra từ các nhà máy sản xuất hoặc từ các phương tiện giao thông[2]. Trong số các hợp chất VOCs, các hợp chất mạch vòng được xem là những chất gây ô nhiễm khó phân hủy nhất, chúng được thải ra từ các nhà máy hóa dầu, sản xuất thuốc trừ sâu, sản xuất sơn và mực in,… và cả quá trình đốt cháy nhiên liệu của các động cơ máy phát điện, ô tô và xe máy.
Theo báo cáo của của Hiệp hội các bệnh về phổi ở Mỹ (American Lung Association), VOCs có thể gây khó chịu mắt và da, các vấn đề liên quan đến phổi và đường hô hấp, gây nhức đầu, chóng mặt, các cơ bị yếu đi hoặc gan và thận bị hư tổn. Ở Việt Nam, các cơ quan chức năng đã đánh giá được mức độ nguy hiểm của VOCs đối với sức khỏe con người nhưng vẫn chưa có biện pháp làm giảm. Bởi vì nước ta chưa có sự quản lý chặt chẽ các nguồn phát thải cũng như về vấn đề nhập khẩu nên nguồn hàng tiêu dùng rất phức tạp. Vì vậy, sự phát thải các chất gây ô nhiễm như VOCs cũng trở nên khó kiểm soát.
Hiện nay, các nhà khoa học đang đẩy mạnh nghiên cứu cách xử lý loại khí nguy hiểm này. XỬ LÝ VOCs BẰNG PHƯƠNG PHÁP XÚC TÁC Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại phát triển nhanh như hiện nay kéo theo vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm không khí bởi các hợp chất VOCs ngày càng trở nên trầm trọng, đặc biệt là các thành phố lớn như TP. Hồ Chí Minh, Hà Nội và Biên Hòa. Do vậy, việc nghiên cứu đưa ra giải pháp giảm thiểu VOCs đang được quan tâm.
Như đã đề cập ở trên, để giảm thiểu sự phát thải VOCs ra môi trường có nhiều phương pháp được áp dụng như hấp phụ, hấp thụ, xúc tác oxy hóa và đốt cháy. Trong số các phương pháp xử lý VOCs như hấp thụ, hấp phụ, đốt cháy và oxy hóa sâu bằng xúc tác, phương pháp oxy hóa sâu bằng xúc tác được xem là một phương pháp hiệu quả có khả năng xử lý triệt để các chất ô nhiễm nhờ hoạt tính cao và độ chọn lọc cao của các xúc tác cũng như chi phí cho quá trình xử lý [7, 8]. Thêm vào đó bằng phương pháp xúc tác có khả năng xử lý hiệu quả các nguồn khí ô nhiễm với nồng độ chất ô 9 nhiễm dưới 1%tt. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất của phương pháp này thực hiện ở nhiệt độ cao và tiêu tốn khá nhiều năng lượng dẫn đến chi phí vận hành hệ thống xử lý vẫn còn cao.
Để giảm năng lượng tiêu hao, sử dụng xúc tác để oxy hóa hoàn toàn chất hữu cơ ô nhiễm là biện pháp hữu hiệu đang được các nhà khoa học quan tâm trong những năm gần đây. Việc nghiên cứu các hệ xúc tác oxy hóa sâu vẫn tiến hành không ngừng nhằm tìm kiếm hệ xúc tác có hoạt tính cao với chi phí chế tạo thấp. Xúc tác cho quá trình oxy hóa VOCs thường là xúc tác kim loại quý [2]như Pt, Au, Pd và Ag. Chúng thường được mang trên các oxide kim loại như Al2O3, TiO2, SiO2, MnOX, CeO2,… và hỗn hợp của chúng nhằm làm tăng độ phân tán và độ hấp thụ các chất phản ứng, đồng thời làm giảm hàm lượng kim loại quý để giảm giá thành sản phẩm.
Ordo và các cộng sự đã điều chế xúc tác Pt/-Al2O3 để oxy hóa benzene, toluene và n-hexane, kết quả chỉ ra rằng nhiệt độ dưới 200 oC oxy hóa hoàn toàn các chất này [9]. Tuy độ chuyển hóa cao nhưng giá thành cao và xúc tác dễ bị đầu độc bởi hơi nước và lưu huỳnh làm hạn chế khả ứng dụng của chúng. Do vậy việc nghiên cứu các hệ xúc tác oxy hóa trên cơ sở các oxide kim loại rất được quan tâm[10-12]. Mặt dù hoạt tính các xúc tác của oxide kim loại (điển hình CuO, FeO, NiO, and MnO2) không cao bằng các xúc tác kim loại quý nhưng chúng có đặc điểm nổi bật là bền nhiệt và bền với các tạp chất.
Hoạt tính của chúng có thể cải thiện bằng cách biến tính bằng một lượng nhỏ kim loại quý, hoặc kết hợp với một oxide kim loại khác, hoặc sử dụng chất mang có vai trò phân tán tốt pha hoạt động [13, 14]. Đồng oxide được coi là chất xúc tác oxy hóa thay thế cho xúc tác kim loại quý trong việc xử lý các khí ô nhiễm VOCs và carbon monoxide [15-21]. Theo tác giả[20], xúc tác đồng oxide có hoạt tính cao hơn xúc tác trên cơ sở Co, Mn và Fe oxide cho cả phản ứng oxy hóa CO và toluene. Theo nhận định [22]Trong phản ứng oxy hóa CO, xúc tác đồng oxide ở trạng thái Cu2+ có hoạt tính thấp hơn so với trạng thái Cu+.
Xu hướng nghiên cứu ngày nay tìm kiếm các xúc tác khó bị đầu độc, hoạt tính cao và giá thành thấp, sử dụng nguồn nguyên liệu sẵn có rẻ tiền hoặc tận dụng nguyên liệu có nguồn gốc từ các chất thải công nghiệp.