MỞ ĐẦU Các hoạt động của giao thông vận tải, công nghiệp, làng nghề v. phát thải vào không khí nhiều hợp chất có độc tính cao và các vi khuẩn có hại cho sức khỏe con người. Vì vậy, xử lý ô nhiễm không khí là vấn đề cấp bách cần được quan tâm nghiên cứu giải quyết. Để xử lý tác nhân ô nhiễm trong không khí, người ta thường sử dụng nhiều phương pháp như màng lọc, hấp phụ bằng than hoạt tính, khử trùng nhiệt động, ion hóa, ozon hóa, xúc tác quang hóa, chiếu xạ tia cực tím v.
Trong đó, phương pháp xúc tác quang hóa với chất xúc tác là titan dioxit (TiO2) có nhiều ưu điểm nổi trội như xử lý hoàn toàn các chất độc thành cacbon dioxit, nước, và các muối, không sinh ra các chất phụ, thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thường, vật liệu dễ kiếm và rẻ tiền. Tuy nhiên, TiO2 có nhược điểm là độ rộng vùng cấm lớn (Eg 3,2eV), phản ứng chỉ xảy ra khi bức xạ nằm trong vùng tử ngoại, tốc độ tái kết hợp của cặp điện tử - lỗ trống cao dẫn đến hiệu suất lượng tử quang hóa kém và hiệu quả xúc tác quang hóa thấp. Vì vậy, người ta thường pha tạp (doping) các kim loại hoặc phi kim vào cấu trúc mạng tinh thể của TiO2 để thu được chất xúc tác hoạt động trong vùng ánh sáng khả kiến. Trong số các nguyên tố pha tạp, nitơ được sử dụng nhiều hơn cả, do cách pha tạp nitơ thường đơn giản nhưng mang lại hiệu quả cao.
TiO2 có khả năng oxi hóa - khử mạnh nhưng tính hấp phụ kém, trong khi đó hydroxyl apatit (HA) là chất hấp phụ rất tốt nhưng tính oxi hóa - khử yếu. Việc kết hợp hai vật liệu HA với TiO2 để tạo ra vật liệu hỗn hợp (composit HA/TiO2) vừa có khả năng quang xúc tác cao vừa có tính chất hấp phụ tốt đã được nghiên cứu. Bên cạnh đó, HA được phủ lên trên bề mặt TiO2 sẽ tạo ra một khoảng không gian giúp cho TiO2 vẫn thực hiện phản ứng xúc tác quang mà không phá hủy các vật liệu khác. Đặc biệt, composit HA/TiO2 được phân tán dưới dạng huyền phù trong dung môi nước nên khi sử dụng càng mang tính thân thiện với môi trường.
Tuy nhiên, do TiO2 có cấu trúc dạng hạt đặc, không có vi xốp nên việc ổn định dung dịch huyền phù không bị sa lắng theo thời gian là vấn đề rất khó khăn cần nghiên cứu. TiO2 phủ trên sợi oxit nhôm kim loại (TiO2/Al2O3) và HA phủ trên hạt nano titan dioxit (HA/TiO2) là các vật liệu rất có triển vọng để xử lý một số chất ô nhiễm như VOCs, CxHy, NOx, CO, vi khuẩn trong môi trường không khí. Hai vật liệu trên 2 nếu được pha tạp nitơ sẽ xử lý hiệu quả tác nhân ô nhiễm không khí trong vùng ánh sáng nhìn thấy, từ đó làm tăng tính ứng dụng của vật liệu trong thực tế. Nano N- TiO2 dạng thanh có diện tích bề mặt riêng lớn hơn dạng hạt, do đó vật liệu nanocomposit HA/N-TiO2 được tổng hợp từ N-TiO2 dạng thanh cho hiệu quả xử lý cao hơn và dễ dàng ổn định trạng thái huyền phù hơn so với vật liệu tổng hợp từ N- TiO2 dạng hạt.
Với những lý do trên, luận án “Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng cấu trúc và tính chất của vật liệu nanocomposit trên cơ sở TiO2, ứng dụng xử lý một số tác nhân ô nhiễm trong không khí” được đặt ra. Đề tài có ý nghĩa thực tiễn, góp phần giảm thiểu ô nhiễm không khí do hóa chất và vi khuẩn gây ra. Mục tiêu của luận án là chế tạo hai loại vật liệu: Nano TiO2 pha tạp nitơ phủ trên sợi nhôm oxit kim loại (N-TiO2/Al2O3) ứng dụng làm màng lọc cho máy lọc khí và nanocomposit hydroxyl apatit phủ trên TiO2 pha tạp nitơ (HA/N-TiO2) phủ trên tường để xử lý toluen, vi khuẩn và vi nấm ô nhiễm trong không khí. Để đạt được mục tiêu trên, luận án tập trung 3 nội dung nghiên cứu chính sau: - Nghiên cứu tổng hợp được hai vật liệu xúc tác quang TiO2 có cấu trúc nano pha tạp nitơ (N-TiO2/Al2O3 và HA/N-TiO2).
- Đánh giá đặc trưng cấu trúc, tính chất và thành phần của các vật liệu N- TiO2/Al2O3 và HA/N-TiO2 bằng các phương pháp XRD, SEM, ICP-MS, EDX, IR, BET. - Khảo sát đánh giá hoạt tính xúc tác của vật liệu qua xử lý khí toluen, các vi khuẩn B. cepacia và vi nấm Candida albicans.1 Một số tác nhân ô nhiễm trong không khí và phương pháp xử lý 1.1 Hiện trạng ô nhiễm môi trường không khí Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nhiều ngành kinh tế - xã hội, các phương tiện giao thông vận tải, máy móc xây dựng và sản xuất ngày càng hoạt động cao. Chính các hoạt động này làm thay đổi lớn thành phần chất lượng không khí, làm cho không khí có sự tỏa mùi, làm giảm tầm nhìn xa, gây biến đổi khí hậu, gây bệnh cho con người và sinh vật.
Môi trường không khí môi trường xung quanh và không khí trong nhà trở nên bị ô nhiễm trầm trọng.1 Ô nhiễm không khí môi trường xung quanh Tác nhân gây ô nhiễm môi trường không khí chủ yếu gồm: Các hợp chất oxit như CO, CO2, SO2, NOx; các hợp chất khí hydrohalogenua HF, HCl, HBr, các chất hữu cơ dễ bay hơi như CxHy, VOCs, các chất lơ lửng như sương mù, bụi, các khí quang hóa như aldehyt, O3, PAN; các vi sinh vật như vi khuẩn, vi rút, vi nấm, mốc và các bào tử (sau đây gọi chung là vi khuẩn). Ngoài ra còn có các tác nhân khác như tiếng ồn, nhiệt, phóng xạ. Hoạt động giao thông vận tải: Theo báo cáo môi trường quốc gia năm 2013, quá trình đốt nhiên liệu động cơ của hoạt động giao thông vận tải không ngừng sinh ra các khí CO, NOx, SO2, hơi xăng dầu (CxHy, VOCs); bụi kích thước nhỏ (PM2,5 - PM10) hoặc bụi do đất cát cuốn bay lên từ mặt đường (TSP). Tốc độ tăng trưởng hàng năm các loại xe ô tô đạt 12%, trong đó xe ô tô con có tốc độ tăng cao nhất là 17%/năm, xe tải tăng khoảng 13%, xe máy tăng khoảng 15%, kèm theo việc sử dụng nhiên liệu tăng, chất lượng phương tiện kém làm gia tăng đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm trong không khí.
Nguồn khí thải giao thông đóng góp tới gần 85% lượng khí CO, 95% lượng VOCs trong không khí môi trường xung quanh [1]. Hoạt động sản xuất công nghiệp: Các chất độc hại từ khí thải công nghiệp gồm các nhóm bụi, nhóm chất vô cơ và nhóm các chất hữu cơ với các chất ô nhiễm phổ biến là NO2, SO2, VOC, TSP, các hóa chất và các kim loại. Hoạt động chăn nuôi: Hàng năm hoạt động chăn nuôi thải ra khoảng 75-85 triệu tấn chất thải, theo đó khí CO2 thải ra chiếm 9%, khí CH4 chiếm 37%, khí NOx chiếm 65%. Các khí khác như H2S và NH3 có nồng độ trong chất thải chăn nuôi cao hơn khoảng 30-40 lần mức cho phép.
4 Hoạt động của các làng nghề: ngành sản xuất có thải lượng ô nhiễm lớn nhất là tái chế kim loại, quá trình tái chế và gia công kim loại sinh ra các khí độc như hơi axit, kiềm, oxit kim loại như PbO, ZnO, Al2O3. Các làng nghề chế biến lương thực, chăn nuôi và giết mổ phát sinh ô nhiễm mùi hôi tanh do quá trình phân huỷ các chất hữu cơ trong nước thải và các chất hữu cơ trong chế phẩm thừa tạo ra các khí như SO2, NO2, H2S, NH3. Các làng nghề ươm tơ, dệt vải và thuộc da, thủ công mỹ nghệ thường bị ô nhiễm bởi các khí SO2, NO2 phát sinh từ quá trình xử lý chống mốc.2 Ô nhiễm không khí trong nhà Không khí trong nhà thường có mức độ ô nhiễm cao hơn so với không khí ngoài trời. Trong khu công nghiệp: Hàng trăm hợp chất VOCs được tìm thấy trong nhà do lượng khí thải công nghiệp đóng góp vào trong nhà.
Phần lớn trong số các hợp chất này là hydrocacbon thơm, alken, rượu, aldehyd, xeton, este, glycol, glycolether, cycloalkan và terpen; các amin như nicotine, pyridin, 2-pi-Coline, 3-ethenylpyridin và myosmin cũng phổ biến, đặc biệt là ở khói thuốc lá. Ngoài ra còn có các axit carboxylic có trọng lượng phân tử thấp, siloxan, alken, cycloalken và freon. Trong khu dân cư, công sở và trường học: Nguyên nhân ô nhiễm chủ yếu là do không khí trong phòng kém lưu thông, môi trường không khí tái sử dụng nhiều lần bị thiếu ôxi tạo điều kiện thuận lợi để các loại vi khuẩn yếm khí phát triển. Ngoài ra còn có các khí độc như CO, ozon, formaldehyd, benzen, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi sinh ra từ keo sơn tường, máy photocopy, máy vi tính, gỗ chế biến với thuốc sát trùng, thảm nhà v.
Đặc biệt, các loại vi khuẩn, nấm mốc và mùi hôi sinh ra do sự phân hủy rác sinh hoạt. Tại các thành phố lớn, mật độ người rất cao, khối lượng rác sinh hoạt rất lớn và luôn luôn phân hủy trên đường vận chuyển, gây ra ô nhiễm không khí. Trong bệnh viện: Các nước phát triển có 5-10% bệnh nhân nhập viện mắc ít nhất một loại nhiễm khuẩn bệnh viện. Tỷ lệ này tăng gấp 2-20 lần ở những nước đang phát triển.
Các loại nhiễm trùng thường gặp là nhiễm khuẩn đường hô hấp (42%), nhiễm khuẩn vết mổ (18%) và nhiễm khuẩn đường niệu (16%). Ở những bệnh nhân phải phẫu thuật, nguy cơ nhiễm khuẩn cao gấp 2,4 lần so với người được điều trị nội khoa. Ở Việt Nam, theo số liệu thống kê của Bộ Y tế, trong những năm gần đây, các bệnh về đường hô hấp như viêm phổi, viêm họng và amidan cấp, viêm 5 phế quản có tỷ lệ mắc cao nhất trên toàn quốc và một trong các nguyên nhân là ô nhiễm không khí. Ô nhiễm không khí đã gây nên tác hại nghiêm trọng đối với sức khỏe con người.
Theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), ước tính gần 1 tỷ người đang hít thở không khí trong nhà với mức ô nhiễm gấp 100 lần cho phép. Tại các nước đang phát triển ở châu Á, khoảng 2/3 trường hợp tử vong và giảm tuổi thọ vì hít thở không khí ô nhiễm [3]. Với hiện trạng ô nhiễm như trên, ô nhiễm không khí đã trở thành vấn đề nóng bỏng. Nhu cầu xã hội cần có một môi trường không khí trong lành giống như môi trường tự nhiên ngày càng trở nên cấp thiết.2 Toluen và một số vi sinh vật gây ô nhiễm không khí 1.1 Toluen Toluen là chất lỏng không màu, dễ bay hơi, dễ bắt cháy.
Công thức hoá học là C7H8. Phân tử lượng 92,14 g/mol. Tỉ trọng ở 20°C là 0,87 g/cm3. Nhiệt độ nóng chảy -95°C.
Khả năng hòa tan trong nước 0,52 g/l ở 20°C; tan hoàn toàn trong etanol, aceton, hexan, diclometan.