Tổng quan nghiên cứu

Nitrogen dioxide (NO2) và formaldehyde (HCHO) là hai chất ô nhiễm phổ biến trong không khí trong nhà, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Theo báo cáo của ngành, nồng độ NO2 trong không khí trong nhà dao động trong khoảng 10 - 81 µg/m³, trong khi giới hạn cho phép của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) là 40 µg/m³. Formaldehyde, thuộc nhóm hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs), có tính độc mạnh, có thể gây kích ứng da, hô hấp và thậm chí ung thư. Nồng độ HCHO trong không khí trong nhà phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tuổi công trình, vật liệu xây dựng và điều kiện môi trường, dao động từ vài ppm đến hàng chục ppm theo ước tính.

Nghiên cứu nhằm mục tiêu phát triển và khảo sát hiệu quả xử lý đồng thời NO2 và HCHO trong không khí trong nhà bằng phương pháp quang xúc tác sử dụng vật liệu Titania nanotubes (TNTs) và các biến tính kim loại. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm và quy mô pilot tại Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian từ tháng 9/2019 đến tháng 6/2020. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện chất lượng không khí trong nhà, góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực của ô nhiễm không khí đến sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Quang xúc tác TiO2 và Titania nanotubes (TNTs): TiO2 là vật liệu xúc tác quang phổ biến với khả năng kích thích bởi ánh sáng tử ngoại, tạo ra các electron và lỗ trống quang sinh giúp oxy hóa các chất ô nhiễm. TNTs là dạng nano 1 chiều của TiO2, có diện tích bề mặt lớn, giảm tái hợp electron-lỗ trống, nâng cao hiệu quả xúc tác.

  • Mô hình quang xúc tác dòng liên tục: Thiết kế mô hình thí nghiệm dòng khí liên tục cho phép kiểm soát các thông số vận hành như nồng độ đầu vào, lưu lượng khí, diện tích xúc tác, thời gian lưu giữ, giúp đánh giá hiệu quả xử lý trong điều kiện thực tế.

  • Biến tính xúc tác bằng kim loại: Việc pha tạp các ion kim loại như vanadi (V), molypden (Mo), kẽm (Zn), đồng (Cu), sắt (Fe) lên TNTs nhằm mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng, tăng khả năng phân tách electron-lỗ trống, cải thiện hiệu suất xử lý đồng thời NO2 và HCHO.

Các khái niệm chính bao gồm: quang xúc tác, hiệu suất xử lý ô nhiễm, biến tính xúc tác, vật liệu nano, và các phản ứng oxy hóa khử trong quá trình xử lý.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm xử lý NO2 và HCHO trong phòng thí nghiệm và thiết bị pilot, sử dụng các thiết bị đo nồng độ khí chuẩn như máy đo FM 200 (độ chính xác ±5%), phương pháp chuẩn NIOSH và TCVN 6137:2009.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng các kỹ thuật phân tích vật liệu như XRD (phân tích cấu trúc tinh thể), BET (đo diện tích bề mặt), TEM (quan sát hình thái nano), XPS (phân tích thành phần bề mặt). Hiệu suất xử lý được tính toán dựa trên nồng độ đầu vào và đầu ra của NO2 và HCHO theo công thức chuẩn.

  • Timeline nghiên cứu:

    • Tháng 9/2019 - 12/2019: Tổng hợp và biến tính vật liệu TNTs, khảo sát điều kiện tổng hợp (pH, nhiệt độ nung).
    • Tháng 1/2020 - 4/2020: Thí nghiệm xử lý HCHO và NO2 trong mô hình phòng thí nghiệm.
    • Tháng 5/2020 - 6/2020: Thí nghiệm quy mô pilot, đánh giá hiệu quả xử lý đồng thời NO2 và HCHO.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi thí nghiệm được lặp lại ít nhất 3 lần để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy. Các mẫu khí được điều chỉnh nồng độ và lưu lượng phù hợp với điều kiện thực tế trong nhà.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất xử lý HCHO bằng TNTs nguyên chất:

    • Ở điều kiện tối ưu gồm 0.11 g xúc tác, diện tích tiếp xúc 150 cm², nồng độ HCHO đầu vào 7-25 mg/m³, thời gian lưu giữ 29 giây, hiệu suất xử lý đạt tới 99%.
    • TNTs tổng hợp tại pH 1.6 và nung ở 400°C cho hiệu quả xử lý HCHO tốt nhất, với diện tích bề mặt riêng khoảng 400 m²/g.

  2. Ảnh hưởng của biến tính kim loại lên TNTs:

    • Vanadi biến tính TNT (V/TNT) với tỷ lệ mol V/Ti = 1% đạt hiệu suất xử lý NO2 cao nhất là 83%.
    • Hiệu suất xử lý NO2 tăng lên đến 92.94% khi tỷ lệ mol HCHO/NO2 đầu vào là 1, cho thấy sự tương tác tích cực giữa hai chất ô nhiễm trong quá trình xử lý.
    • Biến tính bằng đồng (Cu), sắt (Fe), molypden (Mo), kẽm (Zn) cũng được khảo sát nhưng không hiệu quả bằng vanadi trong xử lý đồng thời NO2 và HCHO.

  3. Thí nghiệm quy mô pilot:

    • Thiết bị oxy hóa quang xúc tác trong buồng kín với nồng độ HCHO khoảng 4.63 ppm, vận tốc khí 1 m/s, sử dụng V/TNT cho hiệu suất xử lý cao, phù hợp ứng dụng thực tế.
    • Hiệu suất xử lý đồng thời NO2 và HCHO không giảm đáng kể so với xử lý riêng lẻ, chứng tỏ khả năng ứng dụng rộng rãi.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý cao của TNTs nguyên chất và biến tính được giải thích bởi cấu trúc ống nano giúp tăng diện tích bề mặt xúc tác, giảm tái hợp electron-lỗ trống, đồng thời biến tính kim loại mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và tăng khả năng chuyển electron. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về TiO2 và các vật liệu biến tính trong xử lý VOCs và NOx.

Biến tính vanadi đặc biệt hiệu quả do khả năng tạo ra các trung tâm oxy hóa mạnh, hỗ trợ quá trình oxy hóa NO2 và HCHO đồng thời. Sự tương tác giữa HCHO và NO2 trong quá trình quang xúc tác làm tăng hiệu suất xử lý, điều này có thể được minh họa qua biểu đồ hiệu suất xử lý theo tỷ lệ mol HCHO/NO2.

Thí nghiệm quy mô pilot chứng minh tính khả thi của công nghệ trong điều kiện thực tế, mở ra hướng ứng dụng trong các hệ thống lọc không khí trong nhà, văn phòng, trường học.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng vật liệu V/TNT trong hệ thống lọc không khí trong nhà: Triển khai thiết bị quang xúc tác sử dụng V/TNT với tỷ lệ mol V/Ti = 1% để xử lý đồng thời NO2 và HCHO, nhằm giảm nồng độ ô nhiễm xuống dưới giới hạn an toàn trong vòng 6-12 tháng.

  2. Tối ưu điều kiện vận hành: Kiểm soát lưu lượng khí, diện tích xúc tác và cường độ ánh sáng UV để duy trì hiệu suất xử lý trên 80%, đồng thời giảm tiêu thụ năng lượng.

  3. Phát triển thiết bị quy mô pilot và thương mại: Nâng cấp thiết bị oxy hóa quang xúc tác buồng kín, tích hợp cảm biến đo nồng độ khí để tự động điều chỉnh hoạt động, dự kiến hoàn thiện trong 1-2 năm.

  4. Nghiên cứu mở rộng biến tính xúc tác: Khảo sát thêm các kim loại khác và pha tạp đa kim loại nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và khả năng chịu mài mòn của xúc tác trong môi trường thực tế.

  5. Đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ thuật viên và người dùng về vận hành, bảo trì thiết bị quang xúc tác, đồng thời tuyên truyền về tác hại của NO2 và HCHO trong không khí trong nhà.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Môi trường và Hóa học: Nghiên cứu về vật liệu xúc tác quang, công nghệ xử lý ô nhiễm không khí, phát triển vật liệu nano.

  2. Chuyên gia và kỹ sư trong lĩnh vực xử lý không khí: Áp dụng công nghệ quang xúc tác trong thiết kế hệ thống lọc không khí trong nhà, văn phòng, nhà máy.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và y tế công cộng: Đánh giá và xây dựng chính sách kiểm soát ô nhiễm không khí trong nhà, hướng dẫn sử dụng công nghệ xử lý khí độc hại.

  4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị lọc không khí: Phát triển sản phẩm mới dựa trên vật liệu biến tính TNTs, nâng cao hiệu quả và tính cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Quang xúc tác là gì và tại sao chọn Titania nanotubes?
Quang xúc tác là quá trình sử dụng ánh sáng kích thích vật liệu xúc tác để phân hủy các chất ô nhiễm. Titania nanotubes có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc 1D giúp giảm tái hợp electron-lỗ trống, tăng hiệu quả xử lý so với TiO2 dạng bột thông thường.

2. Tại sao cần xử lý đồng thời NO2 và HCHO?
Cả NO2 và HCHO đều là chất ô nhiễm nguy hiểm trong không khí trong nhà, có thể tương tác và ảnh hưởng lẫn nhau trong quá trình xử lý. Xử lý đồng thời giúp tiết kiệm chi phí, tăng hiệu quả và đảm bảo an toàn sức khỏe.

3. Biến tính xúc tác bằng kim loại có tác dụng gì?
Biến tính giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng, tăng khả năng phân tách electron-lỗ trống, tạo các trung tâm oxy hóa mạnh hơn, từ đó nâng cao hiệu suất xử lý các chất ô nhiễm.

4. Hiệu suất xử lý trong thực tế có giống phòng thí nghiệm không?
Hiệu suất trong phòng thí nghiệm thường cao hơn do điều kiện kiểm soát tốt. Tuy nhiên, thí nghiệm quy mô pilot cho thấy hiệu suất vẫn duy trì trên 80% trong điều kiện thực tế, phù hợp ứng dụng thực tiễn.

5. Làm thế nào để duy trì hiệu suất của xúc tác trong thời gian dài?
Cần bảo trì định kỳ, làm sạch bề mặt xúc tác, tránh tích tụ bụi bẩn và các chất gây ức chế. Ngoài ra, lựa chọn vật liệu biến tính bền vững giúp kéo dài tuổi thọ xúc tác.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phát triển thành công vật liệu Titania nanotubes biến tính vanadi (V/TNT) với hiệu suất xử lý đồng thời NO2 và HCHO đạt trên 80%.
  • Điều kiện tổng hợp vật liệu tối ưu là pH 1.6 và nhiệt độ nung 400°C, tạo cấu trúc ống nano với diện tích bề mặt lớn (~400 m²/g).
  • Thiết bị oxy hóa quang xúc tác quy mô pilot chứng minh khả năng ứng dụng thực tế trong xử lý ô nhiễm không khí trong nhà.
  • Các yếu tố vận hành như lưu lượng khí, diện tích xúc tác, cường độ ánh sáng và tỷ lệ mol HCHO/NO2 ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất xử lý.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng biến tính xúc tác và phát triển thiết bị thương mại nhằm ứng dụng rộng rãi trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế hệ thống lọc không khí trong nhà, phối hợp với các đơn vị sản xuất để phát triển sản phẩm thương mại, đồng thời tổ chức đào tạo và chuyển giao công nghệ.