Đặt vấn đề Tại Việt Nam hiện nay, các khu, cụm công nghiệp ngày càng thu hút được nhiều vốn đầu tư từ các doanh nghiệp trong và ngoài nước. Điều này góp phần thúc đẩy không nhỏ đến sự phát triển của đất nước. Tuy nhiên, cùng với đó thì tình trạng môi trường xung quanh khu công nghiệp cũng như tại các khu công nghiệp ngày càng xấu đi với các vấn đề môi trường cơ bản thường gặp phải như: ô nhiễm nước, ô nhiễm chất thải rắn và ô nhiễm không khí. Trong đó có thể nói ô nhiễm không khí đang là vấn đề khó kiểm soát nhất.
Ô nhiễm không khí nói chung phát sinh chủ yếu từ các hoạt động vận chuyển hàng hóa bằng phương tiện giao thông và các hoạt động sản xuất công nghiệp. Thành phần gây ô nhiễm không khí trong khu công nghiệp chủ yếu là SOₓ, NOₓ, VOCs… Trong đó VOCs là khí khó xử lý và có thể gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và hệ sinh thái ngay khi ở nồng độ thấp. Theo các nghiên cứu thì VOCs có thể gây kích ứng mắt, mũi và cổ họng, có thể gây buồn nôn và làm hỏng hệ thần kinh trung ương cũng như các cơ quan khác trong cơ thể [1]. Có 6 phương pháp cơ bản có thể xử lý VOCs trong khí thải công nghiệp là: hấp thụ, hấp phụ, ngưng tụ, oxi hoá nhiệt, oxi hoá xúc tác và đốt trên ngọn lửa [2].
Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm khác nhau, tuỳ vào tính chất của chất ô nhiễm trong dòng khí mà có thể chọn phương pháp xử lý phù hợp. Tuy nhiên, trong 6 phương pháp đó thì phương pháp xử lý bằng xúc tác có thể nói là phương pháp tốt nhất do là có khả năng xử lý cao, ít tốn diện tích lắp đặt, có khả năng xử lý ở nồng độ thấp và vừa[2]. Ngoài ra, các nghiên cứu về xử lý khí VOCs phát sinh từ các khu, cụm công nghiệp hiện nay trên thế giới đa số tập trung vào phương pháp xử lý bằng xúc tác nhiệt. Tuy đã có nhiều loại xúc tác nhiệt được các nhà nghiên cứu trên thế giới tìm ra nhưng việc chế tạo và áp dụng các loại xúc tác đó với điều kiện ở Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế.
Các nghiên cứu tìm ra xúc tác nhiệt cho hiệu quả xử lý cao và độ đa dụng trong việc xử lý các khí VOCs tại Việt Nam vẫn còn rất ít. Chính vì những lý do kể trên, có thể nói việc tìm ra được xúc tác nhiệt tối ưu về mặt hiệu quả xử và độ đa dụng trong việc xử lý hỗn hợp khí VOCs tại điều kiện Việt Nam đang là vấn đề cần được giới khoa học quan tâm và đẩy mạnh nghiên cứu. Do đó, đề tài 2 “Nghiên cứu xử lý khí VOCs bằng phương pháp xúc tác nhiệt độ thấp” ngoài việc hướng tới những tiêu chí trên thì đề tài cũng hướng tới việc bổ sung vào cơ sở dữ liệu cũng như tạo tiền đề ứng dụng vật liệu xúc tác vào xử lý VOCs một cách rộng rãi với chi phí thấp. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên của của đề tài này nhằm khảo sát khả năng xử lý của các xúc tác oxit kim loại trên nền OMS2 và γ-Al₂O₃ đối với VOCs.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài này bao gồm dòng khí thải VOCs và các loại vật liệu xúc tác OMS2, CuO/OMS2, CuO–MnOx/OMS2, γ-Al₂O₃, CuO/γ-Al₂O₃, CuO– MnOx/ γ-Al₂O₃. Phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu giới hạn trong quy mô phòng nghí nghiệm, vì thế phạm vi nghiên cứu xoay quanh khí thải có chứa hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, khả năng xử lý của một số xúc tác oxit kim loại và một số điều kiện vận hành tại phòng thí nghiệm 710 lầu 7, Khoa Môi Trường và Tài Nguyên, tòa H2 – Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của đề tài này bao gồm: • Khả năng xử lý hợp chất hữu cơ dễ bay hơi tiêu biểu là xăng trắng đối với các loại xúc tác khác nhau: OMS2, CuO/OMS2, CuO–MnOx/OMS2, γ-Al₂O₃, CuO/γ-Al₂O₃, CuO–MnOx/ γ-Al₂O₃, • Xác định một số điều kiện phù hợp cho quá trình oxy hóa chất hữu cơ dễ bay hơi ở điều kiện phòng thí nghiệm.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1. Ý nghĩa khoa học Đưa ra được loại xúc tác hiệu quả để xử lý VOCs phù hợp với nhu cầu sử dụng ở Việt Nam. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của đề tài mang lại một số ý nghĩa thực tiễn như sau: • Đưa ra được loại xúc tác trong 6 xúc tác kể trên có hiệu quả xử lý cao để xử lý hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, • Kết quả nghiên cứu đề tài làm cơ sở ứng dụng cho các công trình xử lý khí thải có chứa hợp chất hữu cơ dễ bay hơi. Tính mới của đề tài Tính mới của đề tài này là tìm ra phương pháp phù hợp nhất để chế tạo xúc tác nhiệt độ thấp cũng như khảo sát được hiệu quả xử lý của xúc tác đó ở điều kiện ở Việt Nam.
Ngoài ra, kết quả của đề tài này còn góp phần bảo vệ môi trường và tạo tiền đề cho phương pháp xử lý khí thải có ứng dụng xúc tác được mở rộng ở Việt Nam. 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN Tổng quan về VOCs VOCs là hợp chất hữu cơ có gốc Carbon dễ bay hơi trong môi trường không khí từ thể rắn hoặc thể lỏng. VOCs được tìm thấy trong nhiều sản phẩm được dùng để xây dựng nhà cửa và trong công nghiệp. Nguồn gốc phát sinh VOCs được chia làm 2 loại là tự nhiên và nhân tạo: • Nguồn gốc tự nhiên: VOCs phát sinh chủ yếu từ thực vật, ước tính hàng năm thực vật có thể phát sinh ra 1150 Tg.
Điển hình là Isoprene, một thành phần Hydrocarbon dễ bay hơi được thực vật thải ra với số lượng lớn. Ngoài còn có Tecpen, là nhóm Hydrocarbon không no thường có công thức là (C₅H₈)ₙ (n ≥ 2), có chứa nhiều trong tinh dầu thông, sả, quế, cam, chanh, … • Nguồn gốc nhân tạo: theo các thống kê cho thấy phần lớn VOCs được thải ra do các hoạt động sản xuất công nghiệp và các quá trình đốt cháy hơi dung môi hữu cơ không hoàn toàn. Ngoài ra còn có các nguồn phát thải từ vật liệu xây dựng như sơn, keo dán, ván tường và gạch tường. Hầu hết VOCs đều là các chất độc hại hoặc là chất có mùi khó chịu, và có thể gây ra các phản ứng quang hóa đối với các chất ô nhiễm có sẵn trong không khí (ví dụ: O 3, NOx, SOx, …) tạo ra các các hợp chất không mong muốn trong không khí.
Với tính chất khuếch tán nhanh ở dạng khí trong cùng một điều kiện khí hậu, khi có sự xuất hiện tình trạng ô nhiễm không khí tại một khu vực nhỏ trong một vùng thì không khí trong vùng đó sẽ nhanh chóng bị ô nhiễm theo. Trong môi trường làm việc, tùy theo hàm lượng VOCs mà con người hít phải có thể gây kích ứng mắt, mũi và cổ họng, có thể gây khó thở và buồn nôn, có thể làm hỏng hệ thần kinh trung ương cũng như các cơ quan khác, ngoài ra một số VOCs có thể gây ung thư. Khi ở trong môi trường không khí xung quanh thì khi hít phải các VOCs độc hại cũng có thể gây ra các ảnh hưởng sức khỏe tương tự. Vì thế cách tốt nhất để kiểm soát VOCs là loại bỏ trước khi các VOCs có thể đi vào môi trường không khí xung quanh.
Các tính 5 chất hóa học và vật lí của xăng trắng được thể hiện trong Bảng 2. Xăng trắng khi bay hơi sẽ thành VOCs và nó cũng có các tác hại tương tự như các tác hại của VOCs nói chung đối với sức khỏe con người.1 Các tính chất vật lí và hoá học của xăng trắng [3] Thành phần cấu tạo Hỗn hợp các Hydrocarbon C7 đến C12 Khối lượng phân tử trung bình 150 g/mol Trạng thái ở nhiệt độ phòng Chất lỏng không màu Trọng lượng riêng 0,75 – 0,85 (nước = 1) Tỷ trọng hơi 4,5 – 5 (không khí = 1) Tính dễ cháy Dễ cháy Áp suất hơi trung bình ở 25 °C 1,5 mmHg Giới hạn nổ trên trung bình 8% Giới hạn nổ dưới trung bình 0,6% Độ tan trong nước Không hòa tan Phản ứng với chất oxy hóa mạnh, gây nguy Phản ứng hiểm cháy và nổ với 1 số loại nhựa, cao su, chất phủ … Ngưỡng phát hiện mùi > 100 ppm Các phương pháp xử lý VOCs trong công nghiệp Có 6 phương pháp xử lý các chất ô nhiễm trong dòng khí thải công nghiệp bao gồm: hấp thụ, hấp phụ, ngưng tụ, phương pháp nhiệt, oxi hoá xúc tác và thiêu đốt trên ngọn lửa [2].2 cho thấy ưu nhược điểm của từng phương pháp xử lý. Các phương pháp xử lý cơ bản là sử dụng nguyên tắc loại bỏ các phân tử ô nhiễm ra khỏi dòng khí, các phân tử ô nhiễm sẽ được giữ lại hoặc được loại bỏ tuỳ vào phương pháp áp dụng. 6 Hấp thụ và hấp phụ là các phương pháp ứng dụng quá trình truyền khối để thu lại chất ô nhiễm tồn tại trong dòng khí.
Các chất ô nhiễm sẽ được chuyển từ pha khí sang pha lỏng hoặc rắn tuỳ vào tính chất của chất ô nhiễm và mục đích sử dụng sau này của chất ô nhiễm đó. Nếu khí ô nhiễm có chứa các gốc sulfur, nitro và clo thì phương pháp hấp thụ là phương pháp nên sử dụng để xử lý khí ô nhiễm đó. Ngưng tụ, tương tự như hấp thụ, là quá trình thay đổi pha của các phân tử ô nhiễm từ pha khí thành pha lỏng. Trong quá trình ngưng tụ, sự thay đổi pha của các phân tử từ pha khí sang pha lỏng có thể đạt được bằng cách: tăng áp suất khi cố định nhiệt độ hoặc thay đổi nhiệt độ trong khi cố định áp suất của dòng khí thải.
Tuy nhiên phương pháp ngưng tụ này cần phải có chất làm mát phù hợp và nồng độ ô nhiễm phải đủ cao để hiệu quả trong việc thu hồi phân tử ô nhiễm đạt giá trị cao nhất. Đối với các chất ô nhiễm có nồng độ từ thấp đến trung bình, chất ô nhiễm không cần phải thu lại thì các phương pháp còn lại là các phương pháp phù hợp nhất để xử lý chất ô nhiễm. Nguyên tắc cơ bản của phương pháp nhiệt, oxi hoá xúc tác và thiêu đốt trên ngọn lửa là chuyển các chất ô nhiễm trong dòng khí thành CO2 và nước. Phương pháp thiêu đốt trên ngọn lửa và phương pháp nhiệt cần một lượng nhiệt lớn cần cho quá trình chuyển hoá.