LỜI MỞ ĐẦU Ô nhiễm không khí là một trong những vấn đề nhức nhối nhất hiện nay đối với các quốc gia trên thế giới do quá trình đô thị hóa và phát triển công nghiệp nhanh chóng cùng với mật độ giao thông dày đặc. Trong đó hạt bụi lơ lửng trong không khí là nguyên nhân gây ra nhiều vấn đề về sức khỏe đối với con người và hệ sinh thái như bệnh tim, bệnh phổi, tiểu đường, chứng mất trí nhớ, bệnh về gan, ung thư bàng quang, giòn xương và tổn thương da [1]. Việt Nam là quốc gia có tiến trình công nghiệp hóa đang phát triển nhanh chóng nên vấn đề ô nhiễm môi trường do nồng độ bụi trong không khí cao càng trở nên trầm trọng. Đặc biệt là khu vực thành thị như Hà Nội nơi mà quá trình đô thị hóa diễn ra nhanh, mật độ phương tiện giao thông dày đặc thì vấn đề ô nhiễm bụi mịn và siêu vi trong không khí càng trở nên trầm trọng.
Rất nhiều mối quan tâm được các cấp chính quyền và người dân đưa ra về xử lý bụi mịn đặc biệt là giảm thiểu tác hại của bụi mịn đến sức khỏe của con người và hệ sinh thái. Tuy nhiên ở Việt Nam nghiên cứu về vật liệu lọc chưa được thực sự quan tâm. Các vật liệu lọc bụi tiên tiến sử dụng cho lọc bụi mịn có hiệu quả cao và thiết bị lọc không khí chủ yếu được nhập khẩu từ nước ngoài, thậm chí nhiều nhà nhập khẩu và sản xuất còn không kiểm soát được chất lượng cũng như hiệu quả của chúng. Tại Việt Nam, đặc biệt trên địa bàn Hà Nội thời gian gần đây nhiều công ty sản xuất vải không dệt trong đó có loại vải lọc sử dụng cho khẩu trang, tuy nhiên hầu hết các loại vải lọc này không có khả năng khử mùi, kháng khuẩn.
Cho nên việc biến tính sử dụng vật liệu nano tiên tiến sẽ làm tăng hiệu quả lọc bụi, tăng độ bền của vật liệu lọc, độ thoáng khí, khử mùi, khử trùng và khử khuẩn cho vật liệu lọc, góp phần chế tạo được vật liệu lọc tiên tiến chất lượng cao có giá thành thấp từ một số loại vật liệu lọc được sản xuất trong nước. Vì thế, nguồn vật liệu lọc gốc được sử dụng để biến tính trong đề tài là một số loại vải không dệt. Vật liệu nano tiên tiến dùng để biến tính trên vải lọc là nano graphen, và có thể được kết hợp với một số nano có khả năng kháng khuẩn tốt. Một số nghiên cứu cho thấy rằng sản phẩm nano graphen có khả năng hấp phụ rất tốt đối với các loại dầu và dung môi hữu cơ dẫn đến khả năng khử mùi và lọc các hạt siêu vi bụi lỏng ướt hay lỏng không ướt rất tốt, có khả năng tăng độ bền trong vật liệu composite, khả năng tương hợp tốt với các nano vô cơ, khả năng thẩm thấu tương đối tốt trong các vật liệu polime… Do đó sử dụng nano graphen để tăng tính năng của vật liệu lọc, đặc biệt là tăng khả năng lọc bụi mịn là hoàn toàn khả thi.
Đặc biệt trong thời điểm hiện nay, khi mà dịch bệnh đang hoành hành dữ dội do COVID-19 gây nên, các loại virus thường có kích cỡ vài chục nm, nhưng chúng thường tồn tại trong môi trường giọt lỏng li ti có kích thước >2.5 µm, do đó việc sử dụng vật liệu lọc bụi mịn có chất lượng đảm bảo là hết sức cần thiết, tránh lây lan của dịch bệnh. Tuy nhiên một số virus này vẫn có thể tồn tại trên vật liệu lọc, do đó việc đưa thêm vào vật liệu nano Ag kháng khuẩn trên nền nano graphen sẽ tăng đáng kể hiệu quả diệt vi khuẩn, virus của vật liệu lọc. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài được chọn là “Nghiên cứu chế tạo tấm lọc tiên tiến trên cơ sở nano graphen ứng dụng lọc bụi mịn và kháng khuẩn”. Với mục đích nghiên cứu chế tạo được tấm lọc tiên tiến trên cơ sở nano graphen (GNPs) và đánh 5 giá được khả năng lọc bụi mịn và kháng khuẩn của tấm lọc chế tạo được, các nội dung nghiên cứu bao gồm: − Nghiên cứu tổng hợp, biến tính nano graphen với nano Ag kháng khuẩn bằng phương pháp tổng hợp xanh từ dịch chiết của lá vối, với hàm lượng AgNO3/GNPs lần lượt là 30%, 50%, 70% và 100% về khối lượng.
− Sử dụng các phương pháp đặc trưng tính chất (XRD, SEM, FTIR) chứng minh sự tạo thành vật liệu Ag/GNPs và đánh giá khả năng kháng khuẩn của vật liệu Ag/GNPs chế tạo được. − Chế tạo tấm lọc phủ Ag/GNPs bằng cách phủ Ag/GNPs lên vải không dệt polypropylen. − Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất lọc bụi mịn như hàm lượng phần đóng rắn của chất kết dính, hàm lượng nano graphen. − Khảo sát tính kỵ nước, khả năng kháng khuẩn và khả năng tái sử dụng của tấm lọc chế tạo được.1 Tổng quan về bụi mịn PM10 và PM2.5 và cơ chế lọc bụi 1.1 Khái niệm về bụi mịn PM10 và PM2.5 Các hạt vi bụi PM10 và siêu vi bụi PM2.5 là các hạt bụi có kích thước tương ứng nhỏ hơn 10 và 2.5 µm có khả năng đi sâu vào phổi và các cơ quan khác trong cơ thể, chỉ trong một thời gian ngắn ảnh hưởng nghiêm trọng đến khí quyển, cường độ chiếu sáng của mặt trời, tầm nhìn, hệ sinh thái và đặc biệt là đối với sức khỏe con người.
Hạt vi bụi và đặc biệt là siêu vi bụi PM2.5 có thể tồn tại lơ lửng trong không khí một thời gian dài và dễ dàng lan rộng theo hồi lưu của không khí. Hạt vi bụi tạo ra do các hoạt động của con người như phát xả khí thải từ phương tiện giao thông, các hoạt động công nghiệp và từ thiên tai [2, 3]. Hạt vi bụi và siêu vi bụi thường bao gồm các muội cacbon, cacbon hữu cơ hay các vật chất vô cơ, ví dụ như NO3, SO4 và SiO2 tạo thành các aerosol hay hạt siêu vi.1 Đường phố bị ô nhiễm do bụi mịn trong không khí 1.2 Phân loại bụi mịn Hạt vi bụi aerosol thường tồn tại dưới dạng lỏng hoặc trạng thái rắn dẫn đến cơ chế lọc của các loại vi bụi này là khác nhau. Thông thường có 3 loại hạt vi bụi đó là: giọt lỏng ướt, giọt lỏng không ướt và hạt rắn.
Các tính chất về năng lượng bề mặt, độ nhớt, trạng thái…của các dạng này do đó cũng khác nhau. Giọt lỏng ướt Có góc tiếp xúc nhỏ trên bề mặt sợi lọc với khả năng di chuyển, kết tụ và hình thành các hình dạng đối xứng trục trên bề mặt sợi lọc. Cui và đồng nghiệp đã mô phỏng khả năng lọc giọt nước lỏng bằng cách sử dụng các giọt dầu li ti từ khói thuốc [4].2 mô tả khả năng lọc, quá trình di chuyển và sự kết tụ của giọt dầu trên bề mặt sợi lọc. Khi khói thuốc được cung cấp liên tục, giọt lỏng ướt có thể dễ dàng bị giữ lại bởi các sợi lọc và kết tụ lại theo chiều đối xứng trục.
Và giọt lỏng ướt sẽ trở nên lớn hơn khi các giọt li ti kết tụ lại với nhau.2 Quá trình lọc giọt lỏng li ti và sự kết tụ trên sợi lọc 1. Giọt lỏng không ướt Giọt lỏng không ướt có góc tiếp xúc lớn trên bề mặt sợi lọc có thể hình thành cấu trúc không đối xứng trục. Quá trình lọc giọt lỏng không ướt trên bề mặt sợi lọc cũng được nghiên cứu và mô tả trên Hình 1. Các hạt lỏng dạng này thường là các giọt nước mà thường có góc tiếp xúc lớn đối với các sợi lọc, thường là các polime.
Khi giọt nước tiếp xúc với sợi lọc nó sẽ hình thành các giọt không đối xứng trên sợi lọc và tiếp tục kết tụ theo chiều hướng này. Hạt rắn Các hạt rắn có thể hấp phụ trên bề mặt của sợi lọc nhưng chúng không có khả năng di chuyển trên bề mặt. Những hạt rắn mà thường được tìm thấy trong tự nhiên được lựa chọn làm ví dụ và kết quả cũng được thể hiện trên Hình 1. Khi hạt rắn đến bề mặt của sợi lọc chúng sẽ bị hấp phụ và kết tụ trên bề mặt của sợi lọc, các hạt rắn tiếp theo được hấp phụ trên các bề mặt các hạt rắn trên sợi lọc cũng như bề mặt của sợi lọc chưa hấp phụ.3 Cơ chế lọc hạt vi bụi aerosol Hình 1.3 Một số nguyên lý cơ bản cho quá trình lọc hạt vi bụi 8 Đối với các loại tấm lọc thương mại hiện nay chủ yếu lọc bụi trên nguyên lý sử dụng cấu trúc đặc sít không cho hạt bụi đi qua, được gọi là phương pháp lọc thụ động.
Ở đây tấm lọc đóng vai trò là hàng rào ngăn cách sự di chuyển của hạt bụi. Rất nhiều vật liệu đã sử dụng cơ chế này và được ứng dụng rộng rãi trong đời sống do có chi phí thấp và hiệu quả lọc cao. Hiệu quả lọc bụi phụ thuộc vào quán tính (Inertia), lực tĩnh điện (electrostatic force), độ ngăn chặn (interception), khả năng khuếch tán (diffusion) và trọng lượng của hạt bụi (gravity), như thể hiện trên Hình 1. Đối với các hạt bụi có nguồn từ tự nhiên thì thường chịu tác động của nguyên lý quán tính.
Quá trình khuếch tán dẫn đến các hạt bụi di chuyển theo hướng bất kì và cuối cùng tách ra khỏi dòng khí và bị giữ lại trên bề mặt tấm lọc [5]. Đối với các hạt bụi có kích thước lớn hơn kích thước của tấm lọc, thì quá trình lọc sẽ chủ yếu tuân theo nguyên lý ngăn chặn. Khi quá trình lọc xảy ra với dòng khí vuông góc với mặt đất thì trọng lực đóng vai trò quan trọng trong quá trình lọc bụi. Các hạt bụi tồn tại trong không khí thường mang điện tích, do đó lực hút tĩnh điện cũng đóng vai trò quan trọng đến hiệu quả lọc bụi.
Độ thoáng khí của tấm lọc đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong quá trình lọc bụi. Các tấm lọc không khí truyền thống có thể đạt được hiệu quả lọc bụi rất cao theo nguyên lý lọc thụ động thông qua kích thước lỗ nhỏ, tuy nhiên độ thoáng khí của tấm lọc giảm nhanh chóng khi hạt bụi được hấp phụ trên tấm lọc. Do đó, một vài cơ chế lọc bụi tiên tiến đã được chú trọng phát triển. Một vài vật liệu chức năng đã được áp dụng vào công nghệ lọc bụi như lực hút tĩnh điện và lực hóa học (Van der Waals, tương tác pi-pi…) để tăng hiệu quả lọc bụi chủ động [6].