Đặt vấn đề Ngày nay, càng ngày càng có nhiều căn bệnh được cho là do ô nhiễm không khí trong nhà và chất lượng không khí trong nhà của các khu dân cư và nơi làm việc trở thành mối quan tâm hàng đầu. Con người dành hơn 80% thời gian để sống và làm việc trong các không gian kín như trong nhà, văn phòng và nhà xưởng,. Các chất gây ô nhiễm không khí trong nhà điển hình là bụi, NOx, CO và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs). Trong số đó, VOCs là một loại chất gây ô nhiễm trong nhà nổi bật và tiêu biểu.
Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA) đã ước tính được mức VOCs trong không khí trong nhà thường cao hơn 5 - 10 lần so với mức VOCs trong không khí bên ngoài. Trong các chất hữu cơ dễ bay hơi thường tồn tại trong không khí trong nhà, có một chất hữu cơ dễ bay hơi nguy hiểm đang được Đạo luật kiểm soát các chất độc hại (TSCA) hướng đến để kiểm soát và giảm thiểu là formaldehyde. Formaldehyde đặc biệt quan trọng bởi vì sự hiện diện phổ biến và gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Hơn nữa, việc xác định nồng độ của formaldehyde trong không khí là một thách thức do tính phân cực và khả năng phản ứng cao hơn so với các VOCs khác [1].
VOCs tồn tại khắp nơi trong môi trường không khí trong nhà do sự hiện diện của các nguồn phát thải điển hình trong nhà như các sản phẩm gia dụng tiêu dùng, chất kết dính và vật liệu xây dựng, và từ quá trình đốt. VOCs dễ dàng được hấp thụ bởi da và màng nhầy niêm mạc, gây ảnh hưởng cho các cơ quan và hệ thống trao đổi chất của con người. Formaldehyde là đại diện một trong những VOC đã được oxy hóa. Hơn 65% formaldehyde toàn cầu được sử dụng để tổng hợp các loại nhựa như urê-formaldehyde (UF), phenol-formaldehyde (PF) và melamine-formaldehyde (MF), 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, formaldehyde có tính ổn định cao và do đó có thể từ từ bay hơi khỏi các vật liệu trong một khoảng thời gian dài. Do đó, việc xử lý VOCs nói chung và formaldehyde trong không khí trong nhà nói riêng đang là mối quan tâm rộng rãi cho các công trình nghiên cứu khoa học [1]. 17 Kiểm soát nguồn phát thải, thông gió và làm sạch không khí là ba phương pháp quan trọng để cải thiện chất lượng không khí trong nhà. Trong số đó, phương pháp làm sạch không khí bằng các quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) đã thu hút ngày càng nhiều sự chú ý vì ít tạo ra chất ô nhiễm thứ cấp.
Quang xúc tác, như là một công nghệ đầy hứa hẹn được phát triển từ năm 1972, được định nghĩa là quá trình phân hủy các chất ô nhiễm trên bề mặt của chất xúc tác quang khi tiếp xúc với nguồn chiếu xạ đủ năng lượng và là một nhóm quan trọng của AOPs. Ưu điểm của công nghệ quang xúc tác là có thể được vận hành ở nhiệt độ phòng và có khả năng phân hủy nhiều chất hữu cơ dưới sự chiếu xạ ánh sáng. Trong hai thập kỷ qua, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện cho quá trình oxy hóa quang xúc tác VOCs và formaldehyde để giải quyết các vấn đề ô nhiễm không khí trong nhà. TiO2 là chất xúc tác quang chiếm ưu thế vì khả năng oxy hóa quang xúc tác vượt trội, khả năng chống ăn mòn cao và không gây độc hại.
TiO2 cố định trên các chất nền khác nhau có thể làm giảm chất ô nhiễm trong không khí trong nhà trong dưới sự chiếu xạ của tia UV. Tuy nhiên, TiO2 chỉ có thể được kích hoạt bằng tia cực tím (UV) vì năng lượng vùng cấm lớn (3,2 eV) và ánh sáng UV chỉ chiếm 5% năng lượng mặt trời [1]. Do đó, đề tài “ Nghiên cứu xử lý VOCs bằng trong không khí trong nhà công nghệ quang xúc tác” là cần thiết và có tính thiết thực cao nhằm giải quyết bài toán ô nhiễm không khí trong nhà trong điều kiện Việt Nam. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1.
Mục tiêu nghiên cứu Đề tài nghiên cứu nhằm mục tiêu nâng cao hiệu quả xử lý VOCs trong không khí trong nhà bằng vật liệu nền TNTs 1. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu bao gồm: - Nội dung 1: Khảo sát hiệu quả xử lý formaldehyde của TNTs được biến tính với các kim loại khác nhau. - Nội dung 2: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung. - Nội dung 3: Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng kim loại.
18 - Nội dung 4: Khảo sát sự ổn định của mô hình thí nghiệm. - Nội dung 5: Khảo sát ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng. - Nội dung 6: Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu xúc tác. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: - VOCs phổ biến trong ô nhiễm không khí trong nhà: Formaldehyde.
- Vật liệu quang xúc tác: Vật liệu nền TNTs được biến tính với kim loại. Phạm vi nghiên cứu - Thí nghiệm xử lý formaldehyde trong không khí trong nhà bằng vật liệu TNTs và vật liệu nền TNTs được biến tính với kim loại trong quy mô phòng thí nghiệm. - Địa điểm nghiên cứu: Phòng thí nghiệm Xử lý khí – Khoa Môi trường và Tài nguyên - Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM - Thời gian nghiên cứu: từ 15/01/2018 đến 25/06/2019 1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học Đề tài cung cấp dữ liệu về khả năng xử lý VOCs trong không khí trong nhà bằng công nghệ quang xúc tác nền TNTs trong điều kiện nhiệt độ thường và một số điều kiện vận hành tốt nhất của hệ thống.
Ý nghĩa thực tiễn Việc nghiên cứu xử lý VOCs trong không khí trong nhà có ý nghĩa to lớn với môi trường và sức khoẻ con người. Trong các phương pháp xử lý VOCs, công nghệ quang xúc tác mang tính hiệu quả cao và có tiềm năng ứng dụng lớn trong điều kiện Việt Nam. Kết quả đề tài sẽ là cơ sở để triển khai thương mại hóa ứng dụng công nghệ quang xúc tác xử lý ô nhiễm không khí trong nhà trong quy mô hộ gia đình, văn phòng,… góp phần bảo vệ sức khoẻ, tạo môi trường sinh hoạt trong lành. Giới thiệu về VOCs Phong cách sống của con người đã thay đổi đáng kể trong hơn 40 năm qua, đặc biệt ở các nước công nghiệp hóa.
Việc đô thị hóa, sự phát triển của khoa học - công nghệ làm cho con người dành nhiều thời gian hơn để sống và làm việc trong các không gian như trường học, văn phòng, phương tiện công cộng, các trung tâm mua sắm. Thêm vào đó, Tổ chức Y tế thế giới WHO gần đây đã báo cáo ô nhiễm không khí đã làm khoảng 7 triệu người chết năm 2012, trong đó khoảng 4,3 triệu người chết có liên quan đến ô nhiễm không khí trong nhà [9]. Nguồn gốc VOCs trong không khí 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 một lượng lớn các chất ô nhiễm trọng lượng phân tử thấp (như halogen, terpen, aldehyde, ketone, este,.1 liệt kê các VOCs điển hình thường tồn tại trong không khí trong nhà và các nguồn gốc gây phát sinh VOCs [1].
Các VOCs điển hình thường tồn tại trong không khí trong nhà và các nguồn gốc gây phát sinh VOCs VOCs Nguồn gây phát thải Thuốc trừ sâu, vật liệu sàn, vật liệu cách nhiệt, vật liệu gỗ, Formaldehyde máy móc, vật liệu dùng để che phủ và sơn Thuốc trừ sâu, vật liệu sàn, vật liệu cách nhiệt, gỗ vật liệu, Toluene sơn, chất kết dính, xăng dầu, nguồn đốt Acetaldehyde Vật liệu gỗ, vật liệu sàn Paradichlorobenzene Vật liệu trần nhà, vật liệu gỗ, thuốc trừ sâu Ethylbenzene Nội thất làm từ gỗ, sơn, chất kết dính, xăng dầu, nguồn đốt Methylene chloride Vật liệu sàn, đồ nội thất, vật liệu dùng để che phủ và sơn Chloroethylene Vật liệu sàn, vật liệu dùng để che phủ và sơn Carbon tetrachloride Vật liệu dùng để che phủ và sơn, chất tẩy rửa công nghiệp Chloroform Thuốc trừ sâu, keo dán 13 Naphthalene Vật liệu cách nhiệt, vật liệu hỗn hợp, sơn tường Các VOCs khác (Ví Nhựa dẻo, nhựa cứng, chất hóa dẻo, dung môi, hương liệu, dụ: esters và nước hoa, sơn, chất khử trùng, chất kết dính ketones) Nồng độ của các VOCs phổ biến trong môi trường không khí trong nhà có mối liên quan chặt chẽ đến các nguồn phát thải trong nhà và hiệu quả của sự thông gió. Trong một số trường hợp, nồng độ VOCs trong không khí trong nhà cực kỳ cao do tỷ lệ trao đổi không khí thấp và thông gió kém. Vật liệu xây dựng và trang trí là nguồn phát thải trực tiếp các VOCs phổ biến trong nhà. Ngoài ra, các chất phụ gia trong dung môi sơn, chất bảo quản gỗ và gỗ dán có thể phát thải lượng VOCs khác nhau ở nhiệt độ phòng.
Sàn nhà có thể phát thải ra các hợp chất thơm dễ bay hơi như toluene, benzen và xylene. Acetaldehyde, được sử dụng làm chất bảo quản và gia vị thực phẩm cho các sản phẩm cá, cũng có thể được phát thải từ anilin, mỹ phẩm và các sản phẩm nhựa. Báo chí, tạp chí và các bản in là nguồn gốc của aromatics C8. Hơn nữa, quần áo được giặt khô, nước khử trùng bằng clo, chất tẩy rửa công nghiệp và chất khử mùi trong phòng là nguồn tạo ra chlorinated hydrocarbons chính.
Khói thuốc lá là một nguồn quan trọng cho các VOCs trong nhà, trong đó tổng số 78 loại hóa chất có trọng lượng phân tử thấp đã được định lượng, bao gồm cả chất thơm, hydrocarbon thơm đa vòng (PAHs), carbonyl và quinon trong khói thuốc lá. Trao đổi chất của con người cũng là một nguồn VOCs trong nhà. Acetone, acetaldehyd, metanol và các aldehyde khác có thể được phát hiện trong hơi thở [1]. Ngoài việc phát thải trực tiếp các chất ô nhiễm chính từ các nguồn trong nhà, sự hình thành các chất ô nhiễm thứ cấp từ các phản ứng pha khí trong nhà là một nguồn thứ cấp đáng kể.
Trong số các chất gây ô nhiễm trong nhà, Gallego và cộng sự [31] đã xác định được 130 VOCs khác nhau trong nhà ở, alkan là nhóm lớn nhất (32%), sau đó là hydrocarbon thơm (17%) và este và alkenes (7%). Tỷ lệ giữa nồng độ ô nhiễm trong nhà và ngoài trời đối với một số hợp chất hữu cơ thông thường trong một số môi trường được thể hiện trong Bảng 2.