CHƯƠNG 1. Lý do chọn đề tài Với sự phát triển mạnh mẽ của xã hội ngày nay, chất lượng cuộc sống của con người đang từng bước được nâng cao và cải thiện. Tuy nhiên bên cạnh những giá trị tích cực mà các ngành nông nghiệp, công nghiệp, dịch vụ, … mang lại cho nền kinh tế toàn cầu, vẫn còn đó những ảnh hưởng không hề nhỏ đến môi trường sống trên trái đất. Các chất thải công nghiệp, các hóa chất sử dụng trong nông nghiệp, … vẫn nghiễm nhiên xả ra môi trường mỗi ngày.
Hơn nữa, việc khai thác và sử dụng quá mức nguồn nhiên liệu hóa thạch đã sản sinh ra một lượng lớn chất thải độc hại gây ô nhiễm không khí, có thể kể đến như COx, NOx, SOx,… và đặc biệt là các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs). Một trong những nguồn năng lượng đang được quan tâm với triển vọng thay thế nhiên liệu xăng truyền thống là xăng sinh học, cũng là một trong những nguồn phát thải không chỉ BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene và xylene) mà còn có cả ethanol. Với những tác động tiêu cực đến môi trường và đi ngược lại với nhu cầu phát triển, nâng cao chất lượng cuộc sống của con người, việc xử lý các chất gây ô nhiễm không khí nói riêng và môi trường nói chung đã trở thành một trong những mối quan tâm hàng đầu của toàn nhân loại. Cryptomelane (OMS-2) là một trong những loại vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực về xử lý môi trường và năng lượng sạch.
Với những ưu điểm vốn có trên cơ sở oxide của manganese như nguồn nguyên liệu dễ tìm, phương pháp tổng hợp đơn giản và có hoạt tính xúc tác cho phản ứng oxy hóa, cryptomelane là loại vật liệu tiềm năng để ứng dụng xử lý VOCs. Tuy nhiên, các báo cáo về việc xử lý VOCs ở nhiệt độ thấp trên vật liệu họ cryptomelane vẫn còn hạn chế. Vì thế trong nghiên cứu này, vật liệu cryptomelane được biến tính bề mặt với các kim loại Ag, Ni và được khảo sát, đánh giá hoạt tính xúc tác oxy hóa hơi ethanol – một loại VOCs thông dụng ở nhiệt độ thấp. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu chính của đề tài luận văn là nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình pha tạp kim loại chuyển tiếp vào cryptomelane đến cấu trúc, tính chất bề mặt vật liệu, 1 thành phần nguyên tố và hoạt tính xúc tác của vật liệu nhằm tạo ra một hệ xúc tác trên cơ sở OMS-2 cho phép xử lý hiệu quả hơi ethanol và VOCs nói chung ở nhiệt độ thấp.
Đối tượng và phạm vi nghiêm cứu của đề tài Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hơi ethanol, một trong các VOCs thông dụng trong không khí, có mặt ở mọi nơi như trong nhà, bệnh viện, trạm tiếp nhiên liệu,…. Đề tài tập trung vào nghiên cứu vật liệu cryptomelane biến tính với các kim loại chuyển tiếp Ag và Ni, được tổng hợp theo phương pháp hồi lưu nhiệt. Đặc trưng vật liệu được khảo sát và đánh giá bằng các phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ Raman, ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM), quang phổ nguồn plasma cao tầng kết hợp khối phổ (ICP-MS), đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ N2, giải hấp phụ O2 theo chương trình nhiệt độ (O2-TPD) và quang phổ quang điện tử tia X (XPS). Hoạt tính xúc tác oxy hóa của vật liệu được đánh giá quá trình xử lý hơi ethanol ở nhiệt độ thấp.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 2. Tổng quan về VOCs 2. Khái niệm về VOCs Volatile organic compounds hay VOCs, tạm dịch là hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, là một thuật ngữ có nhiều định nghĩa khác nhau. Theo Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (United States Environmental Protection Agency – US EPA) trích dẫn từ Bộ pháp điển Các quy định của cơ quan hành chính Liên bang (Code of Federal Regulations – CFR), “VOCs là bất kỳ hợp chất nào của carbon có tham gia vào các phản ứng quang hóa trong khí quyển, ngoại trừ carbon monoxide, carbon dioxide, carbonic acid, các carbide hay carbonate kim loại, và ammonium carbonate” [1].
EPA cũng nêu rõ định nghĩa trên trong CFR không bao gồm một số chất được xác định là có phản ứng quang hóa không đáng kể, ví dụ như methane. Nghị viện châu Âu (European Parliament – EP) và Hội đồng liên minh châu Âu (Council of The European Union – CEU) đưa ra khái niệm về VOCs thông qua 2 chỉ thị 2010/75/EU năm 2010, rằng “VOCs là bất kỳ hợp chất hữu cơ nào kể cả phân đoạn creosote, có áp suất hơi từ 0,01 kPa trở lên ở 293,15 K, hoặc có độ bay hơi tương ứng ở các điều kiện sử dụng cụ thể” [2]. Ngoài ra để chi tiết hơn trong việc phân loại VOCs, trong một chỉ thị khác trước đó đã được EP – CEU ban hành vào năm 2001 và được cập nhật bổ sung vào năm 2018, cụ thể là chỉ thị 2001/81/EC, khái niệm non-methane volatile organic compounds hay NMVOCs cũng đã được đề cập đến.“NMVOCs là tất cả các hợp chất hữu cơ phát sinh từ các hoạt động của con người trừ methane, có khả năng tạo ra các tác nhân oxy hóa quang hóa khi phản ứng với các oxide của nitrogen trong điều kiện có ánh sáng mặt trời” [3]. Nguồn phát thải VOCs Có rất nhiều nguồn phát thải VOCs vào khí quyển, từ các nguồn tự nhiên bao gồm nước biển, đất, trầm tích, cây cối, quá trình phân hủy các chất hữu cơ của vi sinh vật [6], cho đến các hoạt động công nghiệp như sản xuất hóa chất, vật tư xây dựng, sử dụng nhiên liệu đốt, sản xuất nông nghiệp, giao thông và các hoạt động sinh hoạt hằng ngày của con người.
Ở Việt Nam, theo báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia năm 2016 chuyên đề Môi trường đô thị của Bộ Tài nguyên và Môi trường, ô nhiễm môi trường không khí khu vực đô thị chủ yếu đến từ các hoạt động giao thông vận tải, trạm tiếp nhiên liệu, hoạt động xây dựng, xí nghiệp nội đô, xử lý rác thải, hoạt động sinh hoạt của dân cư và các nguồn ô nhiễm từ ngoại thành. Các phương tiện giao thông cơ giới sử dụng xăng dầu đóng góp lượng phát thải gây ô nhiễm môi trường không khí đô thị nhiều nhất, đặc biệt xe máy vẫn là nguồn chính gây phát thải VOCs [7]. Các nguồn phát thải VOCs trong nhà cũng gây ảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng cuộc sống và sức khỏe của con người nói riêng, cũng như hệ sinh thái toàn cầu nói chung. Có thể chia các nguồn phát thải VOCs trong nhà thành các loại như sau: nguồn liên quan đến các sinh hoạt của con người, từ hoạt động xây dựng và từ môi trường bên ngoài.
Các sản phẩm gia dụng, tiêu dùng hằng ngày trong đời sống của con người như chất tẩy rửa, chất sát khuẩn, chất bảo quản, thuốc lá, chất diệt côn trùng, các dụng cụ văn phòng đều có khả năng phát thải nhiều loại VOCs. Tác hại của VOCs Với sự phát triển mạnh mẽ của nền văn minh nhân loại, ô nhiễm môi trường đi kèm với biến đổi khí hậu luôn là những vấn đề cấp bách và cần được đặt sự quan tâm lên hàng đầu. Việc gia tăng lượng VOCs phát thải vào khí quyển đã và đang có những ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng sống trên trái đất. Ảnh hưởng đến môi trường Sương mù quang hóa (photochemical smog) là một hỗn hợp các chất ô nhiễm sơ cấp và thứ cấp trong không khí, hình thành dưới bức xạ ánh sáng mặt trời.
Quá trình hình thành sương mù quang hóa bắt nguồn từ lượng lớn khí NO và VOCs được thải ra từ các phương tiện giao thông, các hoạt động sinh hoạt của con người. Dưới ảnh hưởng của bức xạ UV từ mặt trời, NO sau khi chuyển thành NO2 sẽ phản ứng với VOCs, tạo thành một hỗn hợp khí gồm ozone tầng đối lưu, nitric acid, peroxyacetyl nitrate (PAN), các aldehyde và một số chất ô nhiễm thứ cấp khác. Với những thành phần như vậy, sương mù quang hóa là một hỗn hợp oxy hóa quang hóa rất mạnh, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của con người và các loài sinh vật khác. Quá trình này tỉ lệ thuận với sự gia tăng mật độ phương tiện giao thông vào các khung giờ cao điểm và nhiệt độ môi trường [8].
Quá trình hình thành sương mù quang hóa [8]. Tuy không trực tiếp gây ra hiệu ứng nhà kính, song các VOCs phát thải ra môi trường lại có tác động gián tiếp đến hiện tượng nóng lên toàn cầu thông qua các phản ứng quang hóa trong khí quyển. Ozone tầng đối lưu – sản phẩm của quá trình phản ứng giữa VOCs và các NOx khi có ánh sáng mặt trời như đã đề cập ở trên, chính là một trong những loại khí gây ra hiện tượng nhà kính. Một số công trình nghiên cứu trước đây của các nhóm tác giả J.
Hayhoe [10] đã cảnh báo về việc nồng độ methane và ozone tầng đối lưu bị tác động bởi VOCs có thể ảnh hưởng đến hệ thống khí hậu của thế giới ngày nay. 5 Ảnh hưởng đến sức khỏe con người Môi trường không khí xung quanh con người luôn có sự hiện diện của VOCs, bất kể trong nhà hay ngoài trời. Tiếp xúc trong thời gian ngắn hay dài hạn với không khí nhiễm một lượng rất nhỏ VOCs cũng có thể gây ra nhiều bệnh lý khác nhau như mệt mỏi, chóng mặt buồn nôn, dị ứng, kích ứng mắt hoặc đường hô hấp và rối loạn giấc ngủ [11–13]. Một số hợp chất như benzene, formaldehyde, vinyl chloride và 1,3- butadiene còn được Cơ quan nghiên cứu Ung thư Quốc tế (International Agency for Research on Cancer – IARC) thuộc Tổ chức Y tế Thế giới (World Health Organization – WHO) xếp vào nhóm chất gây ung thư cho người [14].
Ethanol Ethanol, còn được gọi là rượu etylic, ethyl alcohol hay cồn, là một hợp chất hữu cơ dễ cháy, dễ bay hơi, là thành phần quan trọng của các sản phẩm giải khát, mỹ phẩm, chất tẩy rửa, chất khử trùng, thường được sử dụng làm dung môi công nghiệp và nhiên liệu sinh học [4, 5]. Một số ứng dụng của ethanol. 6 Mặc dù thường được biết đến như một chất ít gây hại ngoài những tác hại lâu dài thường gặp như những bệnh về gan, hệ thần kinh, tim mạch, … thông qua hình thức tiếp xúc thông dụng nhất là đồ uống có cồn, song thực tế những ảnh hưởng của ethanol đến cơ thể con người lại rất cần được lưu tâm. Thông thường, khoảng 95 % ethanol hấp thụ vào cơ thể sẽ chuyển hóa thành acetaldehyde và acetate, phần còn lại được bài tiết qua nước tiểu, hơi thở và qua da [4].