BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

MÃ THỊ ANH THƯ

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC
VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANOCOMPOSIT
TRÊN CƠ SỞ TiO2, ỨNG DỤNG XỬ LÝ
MỘT SỐ TÁC NHÂN Ô NHIỄM TRONG KHÔNG KHÍ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

HÀ NỘI – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

MÃ THỊ ANH THƯ

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS. Nguyễn Thị Huệ - Người
hướng dẫn khoa học đã định hướng nghiên cứu, động viên khích lệ và tạo mọi điều kiện
tốt nhất giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô Viện Hóa học, Viện Công nghệ môi
trường, Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam, Trường Cao đẳng Sư phạm Cao Bằng đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt
thời gian tôi làm nghiên cứu sinh.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ Phòng Phân tích chất lượng môi trường,
Viện Công nghệ môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã chia
sẻ những kinh nghiệm quý báu và luôn gắn bó, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm thực
nghiệm và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ tôi trong quá trình
thực nghiệm cũng như các thảo luận để thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đặc biệt tới toàn thể gia đình, chồng và các
con của tôi đã luôn tin tưởng, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

Tác giả

Mã Thị Anh Thư


iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

Các ký hiệu:
A

Số tế bào vi khuẩn trong 1ml mẫu (CFU/ml)


Số lượng đĩa cấy tại nồng độ pha loãng thứ i

kobs

Hằng số cân bằng

KL-H

Hằng số hấp phụ Langmuir-Hinshelwood

K

Tỷ lệ phản ứng liên tục

ρ

Mật độ diện tích xúc tác (g/m2)

r0

Tốc độ đầu của phản ứng

fi

Độ pha loãng

V

Thể tích dung dịch (ml)

TSS

Hệ thống khử trùng nhiệt động (Thermo dynamic sterilisation
system)

UVGI

Chiếu xạ diệt khuẩn bằng tia cực tím (Ultraviolet germicidal
irradiation)

HA

Hydroxyl apatit (Hydroxylapatite)

OA

Oxyapatit (Oxygenapatite)


iv

OCP

Octocanxi phốt phát (Octocalcium Phosphate)

OHA

Oxi hydroxyl apatit (Oxyhydroxyapatite)

PAN


TTIP

Tetraisopropyl octotitanat (Tetraisopropyl orthotitanate)

BET

Hấp phụ đẳng nhiệt N2 (tên riêng: Brunauer - Emmett -Teller)

EDX

Phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy)

GC-FID

Sắc ký khí ngọn lửa ion hóa (Gas Chromatography - Flame
Ionization Detector)

ICP-MS

Cảm ứng cao tần ghép nối khối phổ (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer)

IR

Tia hồng ngoại (Infrared radiation)

SEM

Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)


1.2.1 Cấu trúc của TiO2..........................................................................................................16
1.2.2 Cơ chế xử lý chất ô nhiễm bằng xúc tác quang TiO2 ..............................................18
1.2.3 Các tham số ảnh hưởng đến động học phản ứng quang xúc tác............................20
1.2.4 Phương pháp chế tạo vật liệu quang xúc tác TiO2 ...................................................22
1.2.5 Những ưu điểm và hạn chế của nano TiO2 ................................................................25
1.2.6. Nano TiO2 pha tạp ........................................................................................................26
1.3 Vật liệu nano TiO2 phủ trên sợi nhôm oxit ..................................................................................27
1.3.1 Vai trò và tính chất của sợi nhôm oxit trong vật liệu ................................................27
1.3.2 Phương pháp chế tạo vật liệu TiO2/Al2O3 ..................................................................28
1.3.3 Ứng dụng vật liệu nano TiO2/Al2O3............................................................................31
1.4 Vật liệu nanocomposit HA/TiO2 ...................................................................................................31
1.4.1 Hydroxylapatit...............................................................................................................31
1.4.2 Phương pháp chế tạo vật liệu nanocomposit HA/TiO2 ...........................................34
1.4.3 Ứng dụng vật liệu nanocomposit HA/TiO2 .............................................................38
1.5 Đánh giá hoạt tính xúc tác quang của vật liệu..............................................................................39
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...........................42
2.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị ..........................................................................................................42
2.1.1 Hóa chất...........................................................................................................................42


vi

2.1.1.1 Hóa chất dùng để tổng hợp vật liệu....................................................................42
2.1.1.2 Hóa chất dùng để phân tích nồng độ toluen và vi khuẩn.................................42
2.1.2 Dụng cụ...........................................................................................................................42
2.1.2.1 Dụng cụ dùng để tổng hợp vật liệu .....................................................................43
2.1.2.2 Dụng cụ dùng để phân tích nồng độ toluen và vi khuẩn..................................43
2.1.3 Thiết bị.............................................................................................................................43
2.1.3.1 Thiết bị dùng để tổng hợp vật liệu.......................................................................43
2.1.3.2 Thiết bị dùng để đánh giá đặc trưng vật liệu.....................................................43

3.1.1.2 Kết quả tổng hợp vật liệu N-TiO2/Al2O3.............................................................64
3.1.2 Đặc trưng cấu trúc, tính chất của vật liệu N-TiO2/Al2O3..........................................64
3.1.2.1 Ảnh hưởng của thời gian và số lần nhúng phủ..................................................65
3.1.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch sol N-TiO2 .................................................68
3.1.3 Thử nghiệm hoạt tính xúc tác quang đối với vật liệu N-TiO2/Al2O3......................72
3.1.3.1 Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu N-TiO2/Al2O3 ...................................72
3.1.3.2 Ảnh hưởng của nguồn sáng đến khả năng xử lý toluen của vật liệu NTiO2/Al2O3............................................................................................................................74
3.1.3.3 Ảnh hưởng của khối lượng xúc tác quang........................................................76
3.1.3.4 Ảnh hưởng của nồng độ toluen ban đầu............................................................77
3.1.3.5 Động học quá trình oxi hóa toluen bằng vật liệu N-TiO2/Al2O3 .....................79
3.1.3.6 Độ bền hoạt tính xúc tác quang của vật liệu N-TiO2/Al2O3.............................81
3.2 Vật liệu nanocomposit HA/N-TiO2 ..............................................................................................82
3.2.1 Tổng hợp vật liệu nanocomposit HA/N-TiO2 ...........................................................82
3.2.1.1 Kết quả tổng hợp bột TiO2 pha tạp nitơ..............................................................82
3.2.1.2 Kết quả tổng hợp vật liệu HA/N-TiO2.................................................................89
3.2.2 Đặc trưng của vật liệu HA/N-TiO2..............................................................................90
3.2.2.1 Ảnh hưởng của thời gian ngâm bột N-TiO2 trong dung dịch gốc...................90
3.2.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ các ion Ca2+ và PO43- trong dung dịch gốc............92
3.2.3 Kết quả đánh giá hoạt tính xúc tác quang của vật liệu HA/N-TiO2..................... 100
3.2.3.1 Vai trò của HA trong vật liệu HA/N-TiO2 ....................................................... 100
3.2.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng HA/N-TiO2 trong dung dịch huyền phù .......... 102
3.2.3.3 Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu.................................................................. 104
3.2.3.4 Ảnh hưởng của mật độ công suất ánh sáng.................................................... 105
3.2.3.5 Động học quá trình oxy hóa toluen bằng vật liệu HA/N-TiO2 ..................... 107
3.2.3.6 Độ bền hoạt tính xúc tác quang của vật liệu HA/N-TiO2.............................. 109
3.2.3.7 Kết quả khử khuẩn của vật liệu HA/N-TiO2 ................................................. 111
KẾT LUẬN........................................................................................................................................ 116
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ............................................................................ 118
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ................................................................... 119
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................ 121

Bảng 3.21 Ảnh hưởng của nồng độ toluen ban đầu đến hoạt tính của HA/N-TiO2 ................. 107
Bảng 3.22 Hằng số tốc độ biểu kiến (kobs) và tốc độ đầu (r0) trong phản ứng phân hủy toluen
bằng ánh sáng huỳnh quang và xúc tác HA/N-TiO2 ................................................. 108
Bảng 3.23 Độ bền xúc tác quang của vật liệu HA/N-TiO2........................................................... 110
Bảng 3.24 Kết quả xử lý vi khuẩn của vật liệu HA/N-TiO2......................................................... 112
Bảng 3.25 Kết quả xử lý vi nấm của vật HA/N-TiO2 ................................................................... 114


ix

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Công thức cấu tạo của toluen..............................................................................................5
Hình 1.2. Một số hình ảnh vi khuẩn và vi nấm..................................................................................7
Hình 1.3. Minh họa không khí được lọc qua màng HEPA làm bằng sợi thủy tinh. ....................8
Hình 1.4. Đặc điểm hình thái của than hoạt tính qua ảnh hiển vi điện tử quét..............................9
Hình 1.5. Sơ đồ minh họa một thiết bị khử trùng nhiệt động. .......................................................10
Hình 1.6. Cơ chế làm sạch không khí của quá trình ion hóa. ........................................................11
Hình 1.7. Cơ chế làm sạch không khí của quá trình ozon hóa. .....................................................13
Hình 1.8. Tác động của UVGI đến cấu trúc phân tử vi khuẩn......................................................14
Hình 1.9. Minh họa xử lý ô nhiễm không khí bằng xúc tác quang..............................................15
Hình 1.10. Hệ thống lọc khí đa phương pháp. ...................................................................................16
Hình 1.11. Cấu trúc tinh thể TiO2 rutil (A), anatas (B), brookit (C)................................................17
Hình 1.12. Bát diện phối trí của TiO2 ..................................................................................................17
Hình 1.13. Các quá trình diễn ra trong chất bán dẫn khi được chiếu sáng.....................................18
Hình 1.14. Sự chuyển năng lượng của photon trong xúc tác quang hóa [11]. ..............................19
Hình 1.15. Cơ chế hình thành ống nano TiO2 [37]............................................................................23
Hình 1.16. Bề mặt nhựa acrylic bị phá hủy bởi TiO2........................................................................26
Hình 1.17. Phổ hấp thụ của TiO2 tinh khiết và TiO2 pha tạp nitơ. ..................................................27
Hình 1.18. Một số chất mang nano TiO2. .........................................................................................28
Hình 1.19. Giản đồ nhiễu xạ tia X của tinh thể TiO2 trên đế mang Al2O3 ....................................31

Hình 3.15 Ảnh SEM của bột TiO2 thương mại................................................................................83
Hình 3.16 Giản đồ XRD của bột TiO2 thương mại..........................................................................83
Hình 3.17 Giản đồ phân tích nhiệt của bột TiO2 sau khi thủy nhiệt...............................................84
Hình 3.18 Giản đồ XRD của bột TiO2 sau thủy nhiệt và nung ở 500ºC......................................84
Hình 3.19 Giản đồ XRD của bột TiO2 sau thủy nhiệt và nung ở 800ºC.......................................85
Hình 3.20 Ảnh SEM của bột TiO2 sau khi thủy nhiệt và nung ở 800ºC.......................................86
Hình 3.21 Giản đồ XRD của các mẫu N-TiO2 ở các tỷ lệ ure khác nhau....................................87
Hình 3.22 Phổ EDX của các mẫu TiO2 pha N ở các tỷ lệ ure khác nhau.....................................88
Hình 3.23 Phổ UV-VIS của các mẫu bột N-TiO2 ............................................................................88
Hình 3.24 Giản đồ XRD các mẫu HA/N- TiO2 từ 1-24 giờ...........................................................90
Hình 3.25 Ảnh SEM của bột N-TiO2 và HA/TiO2 khảo sát thời gian..........................................91
Hình 3.26 Giản đồ XRD của các mẫu HA/N-TiO2 từ S5- S15........................................................93
Hình 3.27 Phổ EDX đại diện của các mẫu HA/N-TiO2 từ S5 - S15................................................94
Hình 3.28 Phổ FTIR của mẫu bột N-TiO2 và các mẫu HA/N- TiO2 ............................................95
Hình 3.29 Ảnh SEM của các mẫu HA/N-TiO2 từ S5 - S15..............................................................96
Hình 3.30 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 của các mẫu HA/N-TiO2 ....................97
Hình 3.31 Ảnh SEM của các mẫu TiO2 – P25 và HA/TiO2 –P25................................................98


xi

Hình 3.32 Giản đồ XRD của các mẫu so sánh. ................................................................................99
Hình 3.33 Phổ UV-Vis của các mẫu HA/N-TiO2......................................................................... 100
Hình 3.34 Hiệu quả xử lý toluen của vật liệu HA/N-TiO2và chiếu xạ bằng đèn huỳnh quang.102
Hình 3.35 Ảnh hưởng của hàm lượng HA/N-TiO2 đến sự phân hủy toluen............................. 103
Hình 3.36 Sự thay đổi nồng độ toluen với các khối lượng HA/N-TiO2 khác nhau. ................ 104
Hình 3.37 Sự thay đổi nồng toluen với mật độ công suất ánh sáng khác nhau......................... 106
Hình 3.38 Mối tương quan giữa C0 với khả năng xúc tác quang hóa của HA/N-TiO2 ........... 108
Hình 3.39 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc 1/r0 vào 1/C0 trong phản ứng phân hủy toluen bằng
HA/N-TiO2 ....................................................................................................................... 109

hydroxyl apatit (HA) là chất hấp phụ rất tốt nhưng tính oxi hóa - khử yếu. Việc kết
hợp hai vật liệu HA với TiO2 để tạo ra vật liệu hỗn hợp (composit HA/TiO2) vừa có
khả năng quang xúc tác cao vừa có tính chất hấp phụ tốt đã được nghiên cứu. Bên
cạnh đó, HA được phủ lên trên bề mặt TiO2 sẽ tạo ra một khoảng không gian giúp
cho TiO2 vẫn thực hiện phản ứng xúc tác quang mà không phá hủy các vật liệu
khác. Đặc biệt, composit HA/TiO2 được phân tán dưới dạng huyền phù trong dung
môi nước nên khi sử dụng càng mang tính thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, do
TiO2 có cấu trúc dạng hạt đặc, không có vi xốp nên việc ổn định dung dịch huyền
phù không bị sa lắng theo thời gian là vấn đề rất khó khăn cần nghiên cứu.
TiO2 phủ trên sợi oxit nhôm kim loại (TiO2/Al2O3) và HA phủ trên hạt nano
titan dioxit (HA/TiO2) là các vật liệu rất có triển vọng để xử lý một số chất ô nhiễm
như VOCs, CxHy, NOx, CO, vi khuẩn trong môi trường không khí. Hai vật liệu trên


2

nếu được pha tạp nitơ sẽ xử lý hiệu quả tác nhân ô nhiễm không khí trong vùng ánh
sáng nhìn thấy, từ đó làm tăng tính ứng dụng của vật liệu trong thực tế. Nano NTiO2 dạng thanh có diện tích bề mặt riêng lớn hơn dạng hạt, do đó vật liệu
nanocomposit HA/N-TiO2 được tổng hợp từ N-TiO2 dạng thanh cho hiệu quả xử lý
cao hơn và dễ dàng ổn định trạng thái huyền phù hơn so với vật liệu tổng hợp từ NTiO2 dạng hạt. Với những lý do trên, luận án “Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng cấu
trúc và tính chất của vật liệu nanocomposit trên cơ sở TiO2, ứng dụng xử lý một
số tác nhân ô nhiễm trong không khí” được đặt ra. Đề tài có ý nghĩa thực tiễn, góp
phần giảm thiểu ô nhiễm không khí do hóa chất và vi khuẩn gây ra.
Mục tiêu của luận án là chế tạo hai loại vật liệu: Nano TiO2 pha tạp nitơ phủ
trên sợi nhôm oxit kim loại (N-TiO2/Al2O3) ứng dụng làm màng lọc cho máy lọc khí
và nanocomposit hydroxyl apatit phủ trên TiO2 pha tạp nitơ (HA/N-TiO2) phủ trên
tường để xử lý toluen, vi khuẩn và vi nấm ô nhiễm trong không khí.
Để đạt được mục tiêu trên, luận án tập trung 3 nội dung nghiên cứu chính sau:
- Nghiên cứu tổng hợp được hai vật liệu xúc tác quang TiO2 có cấu trúc nano
pha tạp nitơ (N-TiO2/Al2O3 và HA/N-TiO2).

chất ô nhiễm trong không khí. Nguồn khí thải giao thông đóng góp tới gần 85%
lượng khí CO, 95% lượng VOCs trong không khí môi trường xung quanh [1].
Hoạt động sản xuất công nghiệp: Các chất độc hại từ khí thải công nghiệp
gồm các nhóm bụi, nhóm chất vô cơ và nhóm các chất hữu cơ với các chất ô nhiễm
phổ biến là NO2, SO2, VOC, TSP, các hóa chất và các kim loại.
Hoạt động chăn nuôi: Hàng năm hoạt động chăn nuôi thải ra khoảng 75-85
triệu tấn chất thải, theo đó khí CO2 thải ra chiếm 9%, khí CH4 chiếm 37%, khí NOx
chiếm 65%. Các khí khác như H2S và NH3 có nồng độ trong chất thải chăn nuôi cao
hơn khoảng 30-40 lần mức cho phép.


4

Hoạt động của các làng nghề: ngành sản xuất có thải lượng ô nhiễm lớn nhất
là tái chế kim loại, quá trình tái chế và gia công kim loại sinh ra các khí độc như hơi
axit, kiềm, oxit kim loại như PbO, ZnO, Al2O3. Các làng nghề chế biến lương thực,
chăn nuôi và giết mổ phát sinh ô nhiễm mùi hôi tanh do quá trình phân huỷ các chất
hữu cơ trong nước thải và các chất hữu cơ trong chế phẩm thừa tạo ra các khí như
SO2, NO2, H2S, NH3. Các làng nghề ươm tơ, dệt vải và thuộc da, thủ công mỹ nghệ
thường bị ô nhiễm bởi các khí SO2, NO2 phát sinh từ quá trình xử lý chống mốc.
1.1.1.2 Ô nhiễm không khí trong nhà
Không khí trong nhà thường có mức độ ô nhiễm cao hơn so với không khí
ngoài trời.
Trong khu công nghiệp: Hàng trăm hợp chất VOCs được tìm thấy trong nhà do
lượng khí thải công nghiệp đóng góp vào trong nhà. Phần lớn trong số các hợp chất này là
hydrocacbon thơm, alken, rượu, aldehyd, xeton, este, glycol, glycolether, cycloalkan và
terpen; các amin như nicotine, pyridin, 2-pi-Coline, 3-ethenylpyridin và myosmin cũng
phổ biến, đặc biệt là ở khói thuốc lá. Ngoài ra còn có các axit carboxylic có trọng lượng
phân tử thấp, siloxan, alken, cycloalken và freon.v.v. [2].
Trong khu dân cư, công sở và trường học: Nguyên nhân ô nhiễm chủ yếu là

1.1.2.1 Toluen
Toluen là chất lỏng không màu, dễ bay hơi, dễ bắt cháy. Công thức hoá học
là C7H8. Phân tử lượng 92,14 g/mol. Tỉ trọng ở 20°C là 0,87 g/cm3. Nhiệt độ nóng
chảy -95°C. Nhiệt độ sôi 111°C. Khả năng hòa tan trong nước 0,52 g/l ở 20°C; tan
hoàn toàn trong etanol, aceton, hexan, diclometan. Áp suất hơi là 28,4 mmHg ở
25°C, mùi hăng với ngưỡng gây mùi là 2,9 ppm. Cấu tạo phân tử của toluen bao
gồm một gốc thơm phenyl (-C6H5) bền vững với các nối đôi liên hợp hút điện tử và
một nhóm thế metyl (-CH3) đẩy điện tử làm cho phân tử toluen phân cực. Công thức
cấu tạo của toluen có thể được viết như sau:

Hình 1.1. Công thức cấu tạo của toluen
Toluen thuộc nhóm các hợp chất hữu cơ bay hơi thường gặp trong dầu mỏ và
các sản phẩm của dầu mỏ như xăng, dầu hoả. Toluen được dùng làm dung môi hòa
tan các chất như lưu huỳnh, iốt, brôm, phốt pho, các chất liên kết cộng hóa trị không
phân cực, các loại sơn, keo silicon. Ngoài ra, toluen được dùng để tách hemoglobin
từ tế bào hồng cầu trong ngành hóa sinh hoặc được dùng để điều chế thuốc nổ TNT


6

[107]. Về độc tính, toluen khó phân hủy khi xâm nhập vào cơ thể người. Nạn nhân
hít phải một lượng nhỏ toluen có nồng độ 1/1000 đã gây cảm giác mất thăng bằng,
loạng choạng, đau đầu, mất thị lực; mức độ cao hơn có thể gây ảo giác hoặc ngất
xỉu, thậm chí tử vong [108].
1.1.2.2 Một số vi khuẩn và vi nấm
Trong bệnh viện, tại các phòng hậu phẫu, bó bột không khí trong phòng có
mật độ vi khuẩn tổng số từ 5.000 – 10.000 CFU/m3 và mật độ vi nấm từ 1.500 –
2.000CFU/m3. Trên bề mặt tường của các phòng này có mật độ vi khuẩn và vi nấm
rất cao từ 6.000 – 15.000 CFU/cm2, đặc biệt những khu vực tường cũ và ẩm mốc
mật độ vi nấm lên tới 18.000 CFU/cm2. Một số loại vi khuẩn và vi nấm được luận

có dạng khuẩn lạc tròn nhỏ, có màu trắng sáng (hình 1.2d).
Vi nấm
Candida nói chung là nấm men có thể gây bệnh cấp tính, bán cấp hoặc mạn
tính. Các vi nấm candida hầu hết là Candida albicans, có sẵn ở trong cơ thể bình
thường dạng hoại sinh không gây bệnh. Khi gặp điều kiện thuận lợi sẽ chuyển sang
ký sinh và gây bệnh. Candida albicans gây bệnh ở niêm mạc như tưa miệng, nhiễm
nấm thực quản hoặc gây bệnh ở da như viêm da, viêm móng (hình 1.2e).

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Hình 1.2. Một số hình ảnh vi khuẩn và vi nấm.


8

1.1.3 Phương pháp xử lý ô nhiễm không khí
Như đã trình bày ở phần trên, ô nhiễm không khí chủ yếu do các hoạt động
của con người gây ra. Vì vậy, con người hoạt động sao cho môi trường cân bằng
chính là phương pháp xử lý ô nhiễm không khí hữu hiệu nhất.
Các biện pháp mang tính lâu dài như giáo dục ý thức con người, trồng cây
xanh, xây dựng hồ nước sinh thái, tăng cường sử dụng công nghệ sản xuất tiên tiến
thay thế các công nghệ lạc hậu v.v. Những biện pháp xử lý ô nhiễm ngay tại nguồn

khuếch tán
qua màng lọc.

Luồng khí
ô nhiễm
Màng lọc HEPA
sợi thủy tinh

Hình 1.3. Minh họa không khí được lọc qua màng HEPA làm bằng sợi thủy tinh.


9

HEPA được chế tạo từ các sợi nhỏ thường là thủy tinh có đường kính 0,5 2µm. Các sợi thủy tinh sắp xếp tự do tạo ra các lỗ có thước lớn hơn 0,3µm, không
khí được ép đi qua các lỗ. Các hạt bụi có kích thước ≥ 0,3µm sẽ bị giữ lại do lực hút
tĩnh điện, nhưng các hạt nhỏ dưới 0,3µm bị va chạm và chuyển động sâu vào bên
trong màng lọc theo luồng khí, những hạt bụi nhỏ dưới 0,1µm khuếch tán qua màng
lọc. Màng lọc HEPA được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như làm sạch chân không,
lọc vi khuẩn trong y sinh, công nghiệp hạt nhân và máy bay [4]. Tuy nhiên, bộ lọc
HEPA bắt giữ các hạt bụi nhỏ cỡ ≥ 0,3µm rất tốt, nhưng lại tỏ ra kém hiệu quả với
các hạt bụi có kích thước nhỏ dưới 0,3µm, đặc biệt HEPA không lọc được các phân
tử khí và mùi như VOCs, khói thuốc lá, mùi vật nuôi. Trong trường hợp này cần
phải dùng bộ lọc khác, ví dụ như than hoạt tính để thay cho bộ lọc HEPA.
Lọc khí bằng than hoạt tính
Lọc khí bằng than hoạt tính (Activated carbon – AC) là một phương pháp có
lịch sử lâu đời và có tính kinh tế nhất. AC là một loại vật liệu xốp có diện tích bề
mặt riêng rất lớn cỡ 500 – 2.500 m2/g, lỗ xốp rất đa dạng với kích thước từ 1nm đến
vài nghìn nm. Bề mặt của AC có thể biến tính để thay đổi cấu trúc và tính chất theo
mục đích sử dụng. Hình 1.4 là một ví dụ về hình thái cấu trúc xốp (porous) của AC
[5].

Lõi gốm
Không khí ô nhiễm

Hình 1.5. Sơ đồ minh họa một thiết bị khử trùng nhiệt động.
Phương pháp TTS ưu việt hơn phương pháp lọc màng ở chỗ nó không chỉ
bắt giữ tác nhân gây ô nhiễm mà còn hủy diệt chúng. Ngoài ra, TSS không phát sinh
các sản phẩm có hại và cũng làm giảm nồng độ ôzôn trong khí quyển [7]. Tuy
nhiên, phương pháp TTS có nhược điểm là tốn kém năng lượng, hơn nữa đối với
các hợp chất khó phân hủy nhiệt thì TTS không xử lý được.
1.1.3.3. Phương pháp điện hóa
Bản chất của phương pháp điện hóa là sử dụng nguồn điện để tạo ra các ion
hoặc tạo ra ozon xử lý trực tiếp các tác nhân ô nhiễm không khí.


11

Thiết bị ion hóa (Ionizer purifier)
Thiết bị ion hóa sử dụng các ion tích điện âm nhằm thu hút các tác nhân ô
nhiễm trong không khí một cách có hệ thống. Sau đó, thu gom lại hoặc trực tiếp
phân hủy các tác nhân này như phân tử mùi, vi khuẩn, và hóa chất ô nhiễm khác.
Có hai loại thiết bị ion hóa, đó là ion hóa lỏng và ion hóa khí.
Thiết bị ion hóa lỏng sử dụng các mao mạch chứa chất lỏng nằm trong điện
trường cao, cấu trúc như vậy tạo ra các ion chất lỏng được tích điện. Các ion chất
lỏng chỉ giữ lại một phần nhỏ điện tích, bay lơ lửng trong không khí, quấn lấy các
hạt bụi và có hiệu quả lọc chúng trong không khí (hình 1.6a).
Một trong những công nghệ ion hóa diệt vi khuẩn tiên tiến là công nghệ
plasmacluster ion (PCI) của Sharp. PCI phân chia các phân tử nước trong không khí
thành H+ và O2- với nồng độ khoảng 5000 ion/m3. Vi khuẩn lơ lửng trong không khí bị
các ion âm và ion dương bám vào bề mặt. Hai ion này kết hợp với nhau tạo thành gốc
•OH có hoạt tính oxi hóa cao. Gốc •OH hút lấy H trong protein của vi khuẩn và tạo thành


Điện
cực
âm

+
--

Chất ô nhiễm, vi khuẩn
-

Ion dương

+

Ion âm

+

+

+-

Không
khí
ô nhiễm

Chất ô nhiễm, vi khuẩn trong không khí
rơi xuống và được thu gom lại.


Thiết bị ozon hóa
Không khí trong các rừng thông thường có một lượng nhỏ ozon với nồng độ
khoảng 0,01-0,02ppm. Chính lượng ozon này có tác dụng khử vi khuẩn trong không
khí nên tạo ra môi trường rất trong lành.
Vào những năm 1980, người ta bắt đầu dùng máy tạo ozon để làm sạch
không khí trong nhà. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị là sử dụng các hệ thống
phóng tia điện tử (Corona discharge system - CD) bằng tia lửa điện hoặc tấm điện
tích để mô phỏng tia sét. Ozon được tạo thành từ oxi trong không khí theo phương
trình phản ứng sau:
(1.1)
Bằng cách này nồng độ ozon sinh ra rất cao (khoảng 10ppm), trong khi ở
nồng độ 0,01ppm ozon đã gây mùi khó chịu và tiêu chuẩn cho phép là 0,4ppm.
Cuối những năm 1980, người ta phát hiện ra rằng nồng độ ozon thấp hơn tiêu chuẩn
cho phép khoảng 0,2ppm đã có thể khử mùi và diệt khuẩn. Ngày nay, máy tạo khí
ozon có thể tạo ra nồng độ ozon nhỏ dưới ngưỡng gây mùi (< 0,01ppm). Hình 1.7
mô tả quá trình hình thành và hoạt tính oxi hóa của ozon ở nồng độ thấp hơn so với
tiêu chuẩn cho phép.