PHẦN MỞ ĐẦU Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu về chất lượng cuộc sống của con người ngày càng cao hơn. Vì vậy, các ngành công nghệ trên thế giới không ngừng tìm tòi và nghiên cứu để đáp ứng được những “đòi hỏi” của “thị trường”. Và ngành công nghệ hóa chất cũng không nằm ngoài cuộc chạy đua cải tiến đó. Ngành công nghệ hóa chất được thành lập vào những năm 80 của thế kỉ XIX và nhanh chóng vươn lên trở thành một trong những ngành mũi nhọn hiện nay nhờ sự phát triển của khoa học kĩ thuật.
Đi cùng với việc phát triển khoa học kỹ thuật, vấn đề môi trường cũng ngày càng được quan tâm và chú ý đến. Vấn đề ô nhiễm khí có thể làm suy giảm sức khỏe con người, động vật và có thể ảnh hưởng đến mất cân bằng hệ sinh thái. Với những tác động mạnh mẽ đó, ô nhiễm không khí đã trở thành mối quan tâm của toàn xã hội. Ngoài các hợp chất COx, NOx, SOx,.
đã biết, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) cũng đang nhận được sự quan tâm rất lớn từ cộng đồng. Các hợp chất dễ bay hơi bao gồm những chất trong nhóm dung môi clo hữu cơ, nhóm chất trong thành phần của nhiên liệu. Các chất dễ bay hơi được tổng hợp với lượng lớn để sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong sản xuất, chế tác các sản phẩm gia dụng. Các hóa chất này được dùng để tẩy rửa, giặt khô, làm sạch kim loại, chất kết dính, chất hòa tan mực, chất làm sạch đồ nội thất, chất trong thành phần nhiên liệu,.
Bên cạnh nguồn hóa chất tổng hợp, một số chất bay hơi còn được tự sinh ra trong môi trường như quá trình xử lý nước bằng clo, quá trình clo hóa tự nhiên nước ngầm, … Các nhà khoa học đã tìm thấy tất cả các chất dễ bay hơi ở trong môi trường nước và không khí. Nguyên nhân dẫn đến sự có mặt của các chất này trong môi trường là do sử dụng chúng không đúng quy tắc, thải bỏ không xử lý, lưu giữ không cẩn thận, sự bay hơi tự nhiên từ các vật dụng, vật thải bỏ và nước mặt, đun nước sử dụng trong ăn uống và tắm giặt,. Quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa phát triển càng mạnh thì nguồn gây ô nhiễm không khí càng nhiều, hiện nay tình hình phát thải các khí hữu cơ độc hại ở các khu công nghiệp ở nước ta diễn ra ngày càng phức tạp. Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) có thể gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người và hệ sinh thái ngay ở nồng độ thấp, chúng HVTH: NGUYỄN TRỌNG HUY 1 Đại học Bách Khoa Tp.
HCM Luận văn Thạc sĩ tham gia vào nhiều phản ứng tạo ra các chất nguy hại trong môi trường, làm giảm lượng ôzôn trong không khí, … Với mục đích xử lý tình trạng ô nhiễm không khí gây ra bới các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs), việc nghiên cứu các ứng dụng của vật liệu xúc tác quang là cần thiết. Trong những năm gần đây, vật liệu xúc tác titanium dioxide (TiO2) ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý các chất ô nhiễm. TiO2 là vật liệu xúc tác đơn giản, rẻ tiền, độ bền cao và có khả năng cung cấp gốc OH• có tính oxy hóa mạnh và không chọn lọc. Hiện nay, các nghiên cứu tập trung nhiều vào tối ưu hóa khả năng xử lý của TiO2 và điều chế các dạng vật liệu xúc tác khác dựa trên TiO2 nhằm tăng hoạt tính cũng như mở rộng khả năng ứng dụng của TiO2, từ đó tìm ra những phương pháp sử dụng TiO2 với quy mô lớn.
Hiện nay, các công nghệ xử lý khí ô nhiễm đang được áp dụng như hấp phụ (công nghệ màng lọc, thổi không khí) và oxy hóa (ozon hóa, clo hóa, sinh hóa). Những công nghệ xử lý này đều có những điểm yếu như không giải quyết ô nhiễm một cách triệt để mà chất bẩn chỉ chuyển từ chỗ này sang chỗ khác, hoặc tiềm ẩn nguy cơ hình thành các sản phẩm phụ độc hại đối với sức khỏe con người. Các phương pháp xử lý trên đều dựa trên cơ sở sử dụng hóa chất như clo, iot, ozon; việc sử dụng hóa chất thường gây tốn kém. Ngày nay, phương pháp xử lý không khí ô nhiễm bằng năng lượng mặt trời là một giải pháp mang tính đột phá, trong đó phương pháp xúc tác quang hóa cho hiệu quả xử lý cao.
Vì vậy, chúng tôi chọn đề tài “Xử lý VOCs bằng phương pháp xúc tác quang hóa trên TiO2 biến tính”. Đối tượng của đề tài là xử lý chất hữu cơ dễ bay hơi VOCs tiêu biểu là Toluene. Đề tài tập trung vào nghiên cứu chất xúc tác Pd/TiO2 được tổng hợp bằng 2 phương pháp: ngâm tẩm thông thường và sol kim loại. Các yếu tố được khảo sát trong phản ứng quang nhiệt xử lý chất ô nhiễm VOCs là nồng độ, lưu lượng dòng, nhiệt độ, độ ẩm.
Từ đó có thể đưa ra phương trình động học của phản ứng. HVTH: NGUYỄN TRỌNG HUY 2 Đại học Bách Khoa Tp. HCM Luận văn Thạc sĩ PHẦN 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) [1] 1.
Giới thiệu Trên thực tế có nhiều định nghĩa khác nhau về VOCs. Theo định định nghĩa của Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (US-EPA), thì VOCs là “Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) được hiểu là bất kỳ hợp chất nào của cacbon, không bao gồm cacbon monoxit, cacbon dioxit, axit cacbonic, cacbua kim loại hoặc cacbonat và amoni cacbonat tham gia vào các phản ứng quang hóa ở điều kiện khí quyển. Chúng có áp suất hơi lớn hơn 13,3 Pa ở 25oC hoặc 10 Pa ở 20oC”. Ngoài ra, Liên minh Châu Âu theo chỉ thị 2004/42/EC đã định nghĩa về Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi dựa trên điểm sôi của chúng: “VOCs là bất kỳ hợp chất hữu cơ nào có điểm sôi ban đầu nhỏ hơn hoặc bằng 250oC đo được ở áp suất không khí chuẩn 101,3 kPa”.1: Phân loại các hợp chất hữu cơ, vô cơ ô nhiễm (theo WHO) Giới hạn điểm sôi Phân loại Viết tắt Hợp chất tiêu biểu (oC) Very volatile (gaseous) Propane, butane, methyl VVOC <0 đến 50-100 organic chloride compounds Formaldehyde, d-Limonene, toluene, Volatile 50-100 đến 240- acetone, ethanol (ethyl organic VOC 260 alcohol) 2-propanol compounds (isopropyl alcohol), hexanal Pesticides (DDT, Semi volatile 240-260 đến 380- chlordane, plasticizers organic SVOC 400 (phthalates), fire compounds retardants (PCBs, PBB)) HVTH: NGUYỄN TRỌNG HUY 3 Đại học Bách Khoa Tp.
HCM Luận văn Thạc sĩ Hình 1.1: Các nguồn phát thải VOCs theo EPA Nguồn gốc VOCs: Nguồn gốc tự nhiên: Đa số các VOCs phát sinh từ thực vật. Ước tính hàng năm có 1150 Tg C (Tg = 1012 gam) sinh ra từ thực vật. Thành phần chính là isoprene, tecpen và dẫn xuất của chúng. Các chất thải từ thực vật bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, chẳng hạn như nhiệt độ quyết định khả năng bay hơi, ánh sáng ảnh hưởng tới tốc độ sinh tổng hợp [2].
Nguồn gốc nhân tạo: Formaldehyde là một trong các VOCs thông thường nhất. Formaldehyde là một chất khí không màu nhưng nặng mùi. Khí này thường có trong nhiều vật liệu xây cất như ván ép, ván ép mạt cưa, và keo (hồ). Cũng có formaldehyde trong một số màn cửa sổ và vải vóc, và trong những loại vật liệu lót cách ly bằng foam nào đó [3].
Nguồn phát thải VOCs chủ yếu là ngành công nghiệp sơn phủ do yêu cầu lượng lớn dung môi hữu cơ. Khoảng 12 tỷ lít sơn được sản xuất mỗi năm, điển hình là các dung môi hydrocarbon béo, ethyl acetate, glycol ether, … Ở các loại sơn hữu cơ thông thường, hàm lượng chất rắn chiếm 13%, phần còn lại chủ yếu là VOCs tương đương 600-840 g/l. Do chi phí, vấn đề môi trường, và các quy định, ngành công nghiệp sơn phủ đang chuyển hướng sử dụng dung môi nước [4]. HVTH: NGUYỄN TRỌNG HUY 4 Đại học Bách Khoa Tp.
HCM Luận văn Thạc sĩ Các nguồn VOCs khác: gồm đốt nhiên liệu như khí đốt, củi và dầu hôi, cũng như các sản phẩm thuốc lá. VOCs cũng phát xuất từ các sản phẩm chăm sóc cá nhân như nước hoa và thuốc xịt tóc, thuốc chùi rửa, thuốc giặt khô, sơn, sơn mài, vẹc ni, các tiếp liệu tiêu khiển, và từ máy sao chụp và máy in. Tác hại của VOCs. Theo Cơ quan Bảo vệ Môi sinh của Mỹ thì 9% hợp chất gây ô nhiễm môi trường là do hàm lượng VOCs.
Hiệp hội các bệnh về phổi ở Mỹ (American Lung Association) báo cáo VOC có thể gây khó chịu mắt và da, các vấn đề liên quan đến phổi và đường hô hấp, gây nhức đầu, chóng mặt, các cơ bị yếu đi hoặc gan và thận bị hư tổn. Các hợp chất VOCs gây ra các phản ứng dị ứng, ảnh hưởng hô hấp hoặc miễn dịch ở trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ. Đồng thời các hợp chất này cũng gây ra tình trạng ô nhiễm không khí trong nhà và ngoài trời. Một số VOCs như styrene và limonen, có thể phản ứng với các oxit nitơ hoặc với ozon để tạo ra các sản phẩm oxy hóa mới và sản phẩm phụ gây ra các triệu chứng kích ứng.
Hàm lượng VOCs không xác định là nguyên nhân rất quan trọng trong việc tạo ra sương khói. Các tác động đến sức khoẻ bao gồm: kích ứng mắt, mũi và họng, nhức đầu, buồn nôn và gây tổn hại đến gan, thận cũng như hệ thần kinh trung ương. Một số chất hữu cơ có thể gây ung thư ở động vật. Một số bị nghi ngờ hoặc được biết đến là nguyên nhân gây ra ung thư ở người.
Các dấu hiệu hoặc triệu chứng chủ yếu liên quan đến việc phơi nhiễm với VOCs bao gồm kích ứng kết mạc, chứng khó chịu mũi và họng, đau đầu, phản ứng dị ứng da, khó thở, giảm nồng độ cholinesterase huyết thanh, buồn nôn, nôn, chảy máu mũi, mệt mỏi, chóng mặt. Trong khí quyển nếu có VOCs sẽ xảy ra phản ứng quang hóa học: VOC + ánh sáng + NO2 + O2 O3 + NO + CO2 + H2 HVTH: NGUYỄN TRỌNG HUY 5 Đại học Bách Khoa Tp. HCM Luận văn Thạc sĩ mà như chúng ta đã biết Ozon và CO2 - khí nhà kính ảnh hưởng tới khí quyển cũng như tác động xấu tới sức khỏe của con người. Chỉ với nồng độ thấp ozon cũng có thể phá hoại đất trồng, kích thích mắt và làm giảm sức đề kháng của con người.