Đặt vấn đề Hiện nay, ô nhiễm không khí là một trong những mối quan tâm lớn, và nó có tác động độc hại nghiêm trọng đến sức khỏe con người cũng như môi trường. Ôzôn tầng mặt đất (GLO), vật chất dạng hạt (PM), ôxít lưu huỳnh (SOx), cacbon monoxit (CO), ôxít nitơ (NOx) và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) được coi là sáu chất gây ô nhiễm không khí chính theo Thế giới Tổ chức Y tế (WHO). Các chất ô nhiễm không khí có thể gây ra một số bệnh nghiêm trọng như hen suyễn, kích ứng mắt, đau đầu, bệnh ngoài da, bệnh hô hấp và tim mạch, sự phát triển của thai nhi, phì đại tâm thất, ung thư phổi, biến chứng tâm lý và trẻ sơ sinh nhẹ cân. Do ô nhiễm không khí trong nhà gây ra bệnh tật ngày càng nhiều, chất lượng không khí trong nhà của các khu dân cư và nơi làm việc là một mối quan tâm hàng đầu.
Con người dành trên 80% thời gian trong nhà, bao gồm những nơi sống và làm việc như nhà ở, văn phòng, nhà xưởng,… [1,2]. Nhiều VOCs có mặt ở khắp nơi trong môi trường trong nhà do sự hiện diện của các nguồn phát thải điển hình trong nhà. VOCs trong nhà được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm việc sử dụng các sản phẩm gia dụng tiêu dùng, khí thải từ chất kết dính và vật liệu xây dựng và quá trình đốt cháy. VOCs dễ dàng được hấp thụ bởi da và màng nhầy, gây ra những hậu quả gây hại cho các cơ quan và hệ thống trao đổi chất của con người.
HCHO là đại diện một trong những VOCs đã được oxy hóa, được sử dụng rộng rãi trong vật liệu xây dựng, chế biến gỗ, đồ gỗ, dệt may và các ngành công nghiệp hóa chất. Ngoài ra, HCHO có tính ổn định cao do đó có thể bay hơi khỏi các vật liệu trong một khoảng thời gian dài [2]. Phát thải NOx đến từ quá trình đốt cháy trong các thiết bị cố định và di động, do đó chúng thường liên quan đến các nguồn giao thông, khoảng 80% NOx do ô tô thải ra là từ các ô tô chạy bằng động cơ diesel. Do đó, NOx có liên quan đến một số ảnh hưởng sức khỏe ngắn hạn và dài hạn, thậm chí cả khả năng gây ung thư.
Thông thường NOx được xem như hỗn hợp của NO và NO2. Trong đó, NO có thể chuyển hóa thành NO2 khi có mặt các tác nhân oxy hóa ở điều kiện thường. NO2 có nhiều nguồn gốc khác nhau, như từ khói 2 thuốc lá, từ các hoạt động đun nấu, sưởi ấm, từ các thiết bị không được bảo dưỡng tốt, hoặc từ bên ngoài xâm nhập vào. Hơn nữa, ozon tầng mặt đất (O3) được hình thành bởi các phản ứng quang hóa giữa ánh sáng mặt trời với NOx và VOCs, điều này một lần nữa có tác động xấu đến sức khỏe con người và khí hậu [3].
Xúc tác quang có các mức độ ứng dụng khác nhau, từ lọc nước và không khí, vệ sinh môi trường, xử lý môi trường, công nghiệp ô tô. Xúc tác quang gia tốc phản ứng quang bởi một vật liệu, chất xúc tác, mà nó không bị tiêu hao trong quá trình phản ứng. Chất bán dẫn là vật liệu được sử dụng làm chất xúc tác quang. Giữa các chất bán dẫn quang xúc tác, titanium dioxide (titania, TiO2), một vật liệu có nhiều trên Trái đất, là một trong những ứng cử viên hứa hẹn nhất, vì nó sở hữu: khả năng oxy hóa cao và khả năng chống ăn mòn quang trong môi trường nước, không độc hại, hiệu quả về chi phí.
Tuy nhiên, một trong những hạn chế của TiO2 là mức độ tái kết hợp tương đối cao, tiêu tán năng lượng dưới dạng ánh sáng hoặc nhiệt, do đó ảnh hưởng đến hoạt động quang xúc tác. Ghép nối TiO2 với các chất bán dẫn khác, kim loại, kim loại quý đã được đề xuất để cải thiện sự phân tách điện tích, do đó làm tăng hiệu suất lượng tử của quá trình quang xúc tác [3]. Quá trình oxy hóa quang xúc tác (PCO) sử dụng chất bán dẫn titanium dioxide (TiO2) đã được công nhận là một trong những kỹ thuật hiệu quả và kinh tế để phân hủy hoàn toàn các chất ô nhiễm có hại thành các sản phẩm không độc hại. Các quy trình quang xúc tác mới đang được phát triển hoàn toàn là một quy trình an toàn hơn và sạch hơn, mang tính hiệu quả và thân thiện với môi trường.
Nói chung, các quá trình quang xúc tác có thể được sử dụng không chỉ trong vùng tia cực tím mà còn trong vùng ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng khả kiến [1]. Các điều kiện thực tế trên cho thấy, đề tài “Nghiên cứu xử lý HCHO và NO2 bằng công nghệ quang xúc tác với vật liệu đa chức năng” là cần thiết và có tính thiết thực cao nhằm giải quyết ô nhiễm không khí trong nhà trong điều kiện Việt Nam.2 Mục tiêu nghiên cứu Đề tài nghiên cứu nhằm xử lý HCHO và NO2 bằng quá trình quang xúc tác với vật liệu đa chức năng.3 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu bao gồm những nội dung sau: ‐ Nội dung 1: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến khả năng xử lý HCHO và NO2. ‐ Nội dung 2: Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý HCHO và NO2. ‐ Nội dung 3: Khảo sát hiệu quả xử lý HCHO và NO2 của TNTs được biến tính đồng thời với các kim loại khác nhau.
‐ Nội dung 4: Tìm hiểu các sản phẩm tạo ra sau xử lý và dự đoán cơ chế của quá trình. ‐ Nội dung 5: Khảo sát độ bền vật liệu.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Các đối tượng của nghiên cứu bao gồm: ‐ Chất ô nhiễm: HCHO và NO2. ‐ Vật liệu xúc tác đa chức năng nền TNTs.2 Phạm vi nghiên cứu - Thí nhiệm xử lý HCHO và NO2 trong không khí trong nhà bằng vật liệu nền TNTs được biến tính với kim loại trong quy mô phòng thí nghiệm. - Địa điểm nghiên cứu: Phòng thí nghiệm môi trường trường Đại học Bách Khoa TP.
Hồ Chí Minh.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học Đề tài cung cấp dữ liệu về chế tạo và biến tính TNTs cũng như hiệu quả xử lý của các xúc tác trong trường hợp dòng ô nhiễm có cả HCHO và NO2. Đề tài cung cấp dữ liệu về khả năng xử lý VOCs và NOx trong không khí trong nhà bằng công nghệ quang xúc tác trên vật liệu nền TNTs ở nhiệt độ thường.2 Ý nghĩa thực tiễn Việc nghiên cứu xử lý VOCs và NOx trong không khí trong nhà có ý nghĩa to lớn với môi trường và sức khỏe con người. Trong các phương pháp xử lý, công nghệ quang xúc tác mang hiệu quả cao và có tiềm năng ứng dụng trong điều kiện Việt Nam.6 Tính mới của đề tài Xử lý đồng thời VOCs và NOx trong không khí trong nhà bằng vật liệu nền TiO2 biến tính với các kim loại khác nhau và khảo sát một số ảnh hưởng để tìm ra điều kiện cho phạm vi xử lý VOCs và NOx. 5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu về VOCs và HCHO 2.1 Nguồn gốc VOCs trong nhà VOCs được định nghĩa là các hợp chất hữu cơ có điểm sôi trong khoảng 50 – 260ºC ở áp suất khí quyển.
VOCs được tạo thành từ lượng lớn chất ô nhiễm trọng lượng phân tử thấp (như halogen, aldehyde, este,…).1 liệt kê các VOCs điển hình trong không khí trong nhà và nguồn gốc phát sinh [2].1 Các VOCs điển hình tồn tại trong không khí trong nhà và nguồn gốc phát sinh [2] VOCs Nguồn gốc phát thải Thuốc trừ sâu, vật liệu sàn, vật liệu gỗ, vật liệu che phủ và Formaldehyde sơn Toluene Thuốc trừ sâu, vật liệu sàn, vật liệu gỗ, sơn, xăng dầu Acetaldehyde Vật liệu gỗ, vật liệu sàn Paradichlorobenzene Vật liệu trần, vật liệu gỗ, thuốc trừ sâu Ethylbenzen Nội thất làm từ gỗ , sơn, chất kết dính, xăng dầu Methylene chloride Vật liệu sàn, vật liệu che phủ và sơn Chloroethylene Vật liệu sàn, vật liệu che phủ và sơn Carbon tetrachloride Vật liệu che phủ và sơn, chất tẩy rửa Chloroform Thuốc trừ sâu, keo dán Naphthalene Vật liệu cách nhiệt, sơn tường 6 VOCs khác (este, ketone) Nhựa dẻo, nhựa cứng, dung môi, hương liệu Vật liệu xây dựng và trang trí là nguồn phát thải trực tiếp của nhiều VOCs. Ngoài ra, các chất phụ gia trong sơn dung môi, chất bảo quản gỗ và ván ép có thể phát thải lượng VOCs khác nhau ở nhiệt độ phòng. Sàn có thể phát ra các hợp chất thơm dễ bay hơi như toluene, benzene và xylen. Acetaldehyde, được sử dụng làm chất bảo quản và gia vị thực phẩm cho các sản phẩm cá, có thể được giải phóng từ anilin, mỹ phẩm và các sản phẩm nhựa.
Báo, tạp chí và những bản in mà con người thường xuyên tiếp xúc là nguồn gốc aromatics C8. Hơn nữa, nước khử trùng bằng clo, chất tẩy rửa công nghiệp và chất khử mùi là nguồn gốc chính của chlorinated hydrocarbons. Khói thuốc lá là một nguồn quan trọng đối với VOCs trong nhà, trong đó tổng số 78 loại hóa chất có trọng lượng phân tử thấp, bao gồm các chất thơm, hydrocacbon thơm đa vòng (PAHs), cacbonyl và quinon trong khói thuốc lá. Sự trao đổi chất của con người cũng là một nguồn VOCs trong nhà.
Có thể phát hiện thấy axeton, axetanđehit, metanol và các anđehit khác trong không khí hô hấp [2].2 Nồng độ VOCs Hầu hết các chất ô nhiễm không khí trong khoảng nồng độ điển hình 1–1000 µg/m3. Thông thường, nồng độ VOCs trong nhà phụ thuộc vào một số yếu tố như tuổi thọ xây dựng, cải tạo, trang trí, thông gió, mùa, vị trí gần các tuyến đường giao thông [4].2 cho thấy nồng độ một số VOCs trong nhà [5].2 Nồng độ một số VOCs trong không khí trong nhà tại các không gian khác nhau (µg/m3) [5] Địa o- Benzen Toluene Ethylbenzen Styrene Naphthalene điểm Xylene Căn hộ 13,9 38,4 2,3 1,9 0,8 0,8 Văn 5,9 22,0 2,4 1,8 0,6 1,7 phòng 7 Nhà 22,7 57,0 6,2 6,0 1,4 0,9 hàng Cửa 10,5 56,7 3,4 3,5 1,1 0,7 hàng Thư 8,8 21,2 3,5 3,3 0,5 0,6 viện Xe lửa 24,3 64,9 5,6 5,0 1,4 1,0 Xe buýt 20,2 69,3 8,0 8,6 0,7 0,9 2.3 Giới thiệu về HCHO Formaldehyde (công thức phân tử H2-C = O; số CAS 50-00-0) là một chất khí không màu, dễ cháy và phản ứng mạnh ở nhiệt độ phòng. Formaldehyde được tìm thấy phổ biến trong môi trường, được hình thành chủ yếu bằng nhiều nguồn tự nhiên và các hoạt động nhân tạo. Trong môi trường, nó được thải ra ngoài qua quá trình đốt sinh khối (cháy rừng và bụi rậm) hoặc phân hủy và thông qua núi lửa.