Nghiên cứu hoàn nguyên bộ lọc xúc tác quang của thiết bị làm sạch không khí

1. MỞ ĐẦU

Hiện nay, để xử lý ô nhiễm không khí (ONKK) trong các phòng kín thì phương pháp xử lý bằng công nghệ xúc tác quang (XTQ) đang trở thành một giải pháp hữu hiệu và thân thiện với môi trường do khả năng diệt khuẩn và xử lý hóa chất độc hại mạnh, không cần đưa vào hóa chất và cũng không sinh ra các sản phẩm phụ độc hại, chỉ sử dụng nguồn điện và bộ lọc XTQ là 1 ống thạch anh (T/A) xốp phủ bột nano TiO₂ [1-4]. Viện Công nghệ môi trường (CNMT), cho đến nay, đã nắm bắt được công nghệ xử lý ONKK bằng XTQ và trên cơ sở đó đã chế tạo thành công các loại thiết bị có công suất khác nhau, trong đó bộ lọc XTQ là bộ phận trung tâm, quan trọng nhất của thiết bị, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng xử lý hóa chất độc hại và vi khuẩn [5, 6]. Tuy nhiên, thiết bị sau một thời gian làm việc liên tục, khoảng 1224 giờ, thì hiệu quả của bộ lọc XTQ bị giảm đáng kể, từ 94,1% xuống còn 31,2% [7 ]. Do đó, việc nghiên cứu hoàn nguyên bộ lọc XTQ để tái sử dụng là hết sức cần thiết, giảm chi phí nhập khẩu và thuận tiện cho quá trình bảo trì, bảo dưỡng thiết bị. 

Quá trình hoàn nguyên bộ lọc XTQ sẽ gồm 2 giai đoạn là làm sạch ống T/A xốp để loại bỏ lớp vật liệu XTQ cũ trên ống và sau đó là phủ một lớp nano TiO₂ mới lên thành ống. Để làm sạch ống T/A có thể sử dụng phương pháp làm sạch bằng phun nước siêu cao áp UHP (high presure water tool) [8] hoặc phương pháp làm sạch bằng sóng siêu âm [9]. Để phủ bột nano TiO₂ lên ống T/A có thể sử dụng các phương pháp như: phương pháp phủ quay (spin coating) [10], phương pháp phủ nhúng (dip coating) [11,12], phương pháp phủ phun (spray coating) [13,14], phương pháp phủ chảy dòng (flow coating) [15],.. Trong bài báo này, chúng tôi lựa chọn phương pháp làm sạch ống T/A bằng sóng siêu âm và phủ bột nano TiO₂ lên ống T/A bằng phương pháp phủ nhúng, là những kỹ thuật đơn giản, nhưng hiệu quả cao, có thể dễ dàng thực hiện trong phòng thí nghiệm của Viện CNMT.

2. THỰC NGHIỆM

2.1. Nghiên cứu phương pháp làm sạch ống thạch anh 

Để nghiên cứu lựa chọn điều kiện tối ưu của quá trình siêu âm làm sạch ống T/A, trước tiên nhóm nghiên cứu tiến hành đưa vật liệu nano TiO₂ lên ống T/A bằng phương pháp phủ nhúng. Quy trình chuẩn bị ống thạch anh phủ nano TiO₂  theo các bước sau:
–  Chuẩn bị dung dịch huyền phù nước 25 % TiO₂ Degusa P-25.
–  Ngâm nhúng ống T/A (của công ty Tiokraft, LB Nga) vào dung dịch huyền phù 15 phút trong khi xoay ống liên tục trong bể cấy (hình 1). Nhờ các lỗ xốp của ống thạch anh, bột nano TiO2 cũng được phân bố đều trên bề mặt ống và khắp chiều dài ống.
–  Lấy ống thạch anh ra và sấy khô ở 120°C trong 2h.
–  Lượng TiO₂ được phủ trên ống T/A được xác định bằng cách cân bột nano TiO2 trước và sau khi phủ. 
Sau khi phủ bột TiO₂, tiến hành siêu âm trong bể siêu âm Ultrasonic cleaner WS-1200-40 (Nhật Bản) có sử dụng thiết bị tạo sóng siêu âm Ultraturrax – 750 (hình 2). Các điều kiện siêu âm được khảo sát là ảnh hưởng của công suất siêu âm (400 w, 600 w, 800 w, 1000 w và 1200 w) và thời gian siêu âm (15, 30, 45, 60 và 120 phút).

Sau siêu âm, ống được sấy khô trong tủ sấy chân không Vacucell MMM Madcenter Einrich ở 120°C trong thời gian 2h. Tiến hành cân lại ống T/A để biết được trọng lượng của ống sau khi được làm sạch bằng máy siêu âm. Quá trình làm sạch đạt hiệu suất càng cao khi lượng TiO₂ còn lại trên ống T/A sau siêu âm càng nhỏ.

2.2. Nghiên cứu phương pháp phủ bột TiO₂

Để tăng độ kết dính giữa bột nano TiO₂ và ống T/A xốp mà không ảnh hưởng đến mức độ truyền ánh sáng trong ống T/A xốp, chúng tôi sử dụng dung dịch 10% PAA (Poly acrylic axit) trong nước [16] và dung dịch 10% PMMA (Polymetylmetacrylat) trong xylen [17] để làm chất kết dính trung gian và bố trí thí nghiệm như sau để lựa chọn chất kết dính phù hợp (giữa được nhiều bột TiO₂ trên ống T/A nhất):

 –  Sấy khô ống T/A xốp tại 120°C trong 2 giờ và cân để xác định trọng lượng ban đầu.

–  Chuẩn bị dung dịch PAA (Merck) 10% trong nước và dung dịch PMMA (Merck) 10% trong xylen.

– Quét phủ đều 20 ml dung dịch chất phủ trung gian (PAA hoặc PMMA) tráng đều lên ống T/A.

–  Chuẩn bị dung dịch huyền phù nước với các nồng độ TiO₂ : 10% và 20%.

– Đợi đến khô, sau đó nhúng ống thạch anh vào dung dịch huyền phù TiO₂  trong bể cấy và xoay đều liên tục trong khoảng 30 phút (hình 1).

–  Lấy ống T/A ra và sấy khô ở 120°C trong 2 giờ. Cân lại ống để xác định lượng bột TiO₂ được phủ lên ống, từ đó tính được mật độ phủ của TiO₂ trên ống T/A (mg/cm²).

– Thực hiện siêu âm để làm sạch ống như trên và cân lại trọng lượng ống sau khi đã sấy khô ở 120°C trong 2 giờ. Xác định lượng bột TiO₂ còn lại trên ống sau siêu âm.

Phương pháp phủ hiệu quả là phương pháp thu được ống T/A có mật độ phủ TiO₂ tương tự như ống XTQ của hãng Tiokraft của LB Nga (14-20 mg/cm² [18]) và lượng bột còn lại trên ống sau siêu âm càng lớn (bột phủ lên ống có độ bền cao hơn).

3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1. Nghiên cứu phương pháp làm sạch ống thạch anh

3.1.1. Ảnh hưởng của công suất siêu âm đến khả năng làm sạch ống T/A

Kết quả làm sạch ống T/A bằng sóng siêu âm ở các công suất siêu âm khác nhau được thể hiện trong bảng 1 dưới đây:

Kết quả trên bảng 1 cho thấy khi công suất siêu âm tăng lên từ 400w đến 1200 w hiệu suất làm sạch ống T/A tăng dần từ 71,3% đến 97,5%. Tuy nhiên, trong khoảng từ 400w đến 1000 w, hiệu suất loại bỏ tăng khá nhanh, nhưng từ 1000 w đến 1200 w, hiệu suất loại bỏ tăng rất ít, chỉ từ 97,45% lên 97,5%. Do vậy để tiết kiệm điện năng, giảm tiếng ồn và giảm hao mòn máy, nhóm nghiên cứu chọn công suất máy siêu âm là 1000 w để thực hiện các nghiên cứu tiếp theo.

3.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến khả năng làm sạch ống T/A

Kết quả làm sạch ống T/A phụ thuộc vào thời gian siêu âm được thể hiện trong bảng 2. Có thể thấy rằng, khi thời gian siêu âm tăng lên từ 15 phút lên 120 phút  hiệu suất làm sạch ống T/A tăng từ 83,46% đến 97,51%. Tuy nhiên, khi thời gian siêu âm là 60 phút, hiệu suất làm sạch ống T/A đã đạt 97,40% và nếu tiếp tục tăng thời gian siêu âm lên 120 phút thì hiệu suất loại bỏ tăng không đáng kể, từ 97,4% lên 97,52%. Do vậy, để tiết kiệm điện năng, thời gian, giảm tiếng ồn và giảm hao mòn máy, chúng tôi chọn thời gian siêu âm là 60 phút để làm sạch ống T/A.

3.2. Nghiên cứu phương pháp phủ bột TiO₂

3.2.1. Sử dụng chất phủ trung gian PAA

Kết quả thu được trong trường hợp sử dụng dung dịch huyền phù TiO₂ nồng độ 10% và 20% được thể hiện trên bảng 3 và dễ dàng nhận thấy rằng sử dụng dung dịch huyền phù TiO₂ 20% cho mật độ phủ tương đương ống XTQ của LB Nga. Kết quả này là hợp lý vì khi nồng độ TiO₂ càng lớn, lượng bột bám trên ống càng nhiều, do đó mật độ phủ càng lớn.

3.2.2. Sử dụng chất phủ trung gian PMMA

Kết quả thu được trong trường hợp sử dụng PMMA làm chất phủ trung gian và dung dịch huyền phù TiO₂ ở các nồng độ 10% và 20% được thể hiện trên bảng 4. Kết quả cũng tương  tự như trường hợp sử dụng PAA làm chất phủ trung gian, nghĩa là sử dụng dung dịch huyền phù TiO₂ 20% cho mật độ phủ tương đương ống XTQ của LB Nga.

3.2.3. Lựa chọn chất phủ trung gian thích hợp

Các ống T/A xốp sau khi được phủ bột nano TiO₂ ở nồng độ 20% được tiến hành siêu âm để xác định lượng TiO₂ còn lại trên bề mặt ống và kết quả được thể hiện trong bảng 5. Kết quả thu được cho thấy,  phương pháp phủ TiO₂ sử dụng PMMA 10% trong xylen mang lại kết quả tốt hơn phương pháp dùng PAA 10% trong nước, cụ thể: lượng TiO₂ được phủ lên ống thạch anh lớn hơn, mật độ phủ cao hơn và quan trọng nhất, lượng TiO₂ còn  lại sau siêu âm cũng cao hơn (4,76% so với 3,35%), tức độ bám dính của PMMA với bột TiO₂ và bề mặt ống thạch anh tốt hơn PAA.

Do đó, sử dụng chất phủ PMMA 10% trong xylen và dung dịch huyền phù TiO₂ ở nồng độ 20% sẽ cho mật độ phủ tương đương với ống XTQ của LB Nga, sản phẩm thu được có bám dính tương đối tốt.

4. KẾT LUẬN

Các kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình siêu âm ở công suất 1000 w trong khoảng thời gian 60 phút là đủ để làm sạch ống T/A, với khả năng loại bỏ lớp bột XTQ lên đến 97,4%. Việc tăng công suất hay thời gian siêu âm vượt quá các giá trị này sẽ gây ra tốn kém năng lượng, gây tiếng ồn lớn và hao mòn thiết bị.

Kết quả nghiên cứu phương pháp phủ bột TiO₂ trên ống T/A xốp cho thấy cần một lớp phủ trung gian để tăng độ bám dính của bột trên thành ống và lớp phủ trung gian thích hợp là dung dịch PMMA 10% trong xylen. Với việc sử dụng dung dịch huyền phù nano TiO₂ 20% sẽ cho mật độ phủ trên ống 16,43 mg/cm², tương đương mức độ phủ của ống XTQ Tiokraft của LB Nga và độ bám dính của bột TiO₂ trên ống T/A cũng cao hơn trường hợp sử dụng chất phủ trung gian là dung dịch PAA 10% trong nước.

Kết quả này cho phép nhóm tác giả có thể hoàn nguyên bộ lọc XTQ ban đầu của LB Nga, qua đó chủ động hơn trong công nghệ chế tạo các thiết bị LSKK bằng XTQ.

LỜI CẢM ƠN

Công trình này được ủng hộ bởi dự án Sản xuất thử nghiệm của Bộ Công thương ‘Chế tạo và triển khai áp dụng thiết bị xử lý ô nhiễm không khí bằng phương pháp xúc tác quang’ (02/HĐ-SXTN.13/CNMT)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. K. G. McGuigan, T. M. Joyce and R.M. Conroy. Solar disinfection: use of sunlight to decontaminate drinking water in developing countries. J. Med. Microbiol, 48,785-787 (1999).
2. A. Martin-Dominguez, M. T. Alarson-Herrera, I. R. Martin-Dominguez et al. Efficiency in the disinfection of water for human consumption in rural communities using solar radiation. Solar Energy, 78, 31-40 (2005).
3. J.-M. Herrmann, C. Guillard, J. Disdier et al. New industrial titania photocatalysts for the solar detoxication of water containing various pollutants. Applied catalysis B: Environmental, 35 (4), 281-294 (2002).
4. J. I. Gole, J. D. Stout, C. Burda et al. Highly efficient formation of visible light tunable TiO_2-xN_x photocatalysts and their transformation at the nanoscale. J. Phys. Chem. B, 108(4), 1230-1240 (2004).
5. L.T. Sơn. Nghiên cứu và đánh giá khả năng làm việc của thiết bị làm sạch không khí bằng công nghệ xúc tác quang trong điều kiện khí hậu nhiệt đới của Việt Nam. Tạp chí hoạt động khoa học công nghệ, số 1, 2&3: 83-88 (2014)

6.    L.T. Sơn. Nghiên cứu chế tạo thiết bị xử lý ô nhiễm không khí trên cơ sở xúc tác quang hóa. Tạp chí hoạt động khoa học công nghệ, số 4, 5&6: 18-23 (2013)

7.    L.T. Sơn. Nghiên cứu và đánh giá khả năng làm việc của thiết bị làm sạch không khí bằng công nghệ xúc tác quang trong điều kiện khí hậu nhiệt đới của Việt Nam. Tạp chí hoạt động khoa học công nghệ, số 1, 2&3: 83-88 (2014).

8.    http://hi-pec.com.vn/products/index.php?ma=49#.UnZuWHCyn_k.

9.    http://lab.info.vn/San-pham/uce/he-thong-lam-sach-bang-song-sieu-am.html.

10.    W.Y. Chung,  G. Sakai,  K. Shimanoe,  N. Miura, D. D. Lee, N. Yamazoe. Preparation of indium oxide thin film by spin-coating method and its gas-sensing properties. Sensors and Actuators Chemical,  46(2), 139–145 (1998).

11.    T. Li, J. Lee, T. Kobayashi,   H. Aoki. Hydroxyapatite coating by dipping method, and bone bonding strength. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 7(6), 355-357 (1996).

12.    M. Jokinen, M. Pätsi, H. Rahiala, T. Peltola, M. Ritala, J. B. Rosenholm. Influence of sol and surface properties on in vitro bioactivity of sol-gel-derived TiO₂ and TiO₂-SiO₂ films deposited by dip-coating method. Journal of Biomedical Materials Research,  42(2), 295–302 (1998).

13.    M. Pasandideh-Fard, V. Pershin,  S. Chandra, J. Mostaghimi. Splat shapes in a thermal spray coating process: Simulations and experiments. Journal of Thermal Spray Technology, 11(2), 206-217 (2002). 

14.    Đặng Thị Mỹ Dung. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang của màng nano CdS nhằm ứng dụng tạo cảm biến sinh học và quang xúc tác. Luận văn thạc sĩ Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên (2008).

15.    A. Hongo , M. Miyagi,  Y. Kato, M. Suzumura,  S. Kubota,  Y. Wang,  T. Shimomura. Fabrication of dielectric- coated silver hollow glass waveguides for the infrared by liquid-flow coating method. Proc. SPIE 2677, Biomedical Fiber Optics, 55:10.1117/12.237566 (1996).

16.    D. Schiemann, P. Alphonse and P.L. Taberna. Synthesis of high surface area TiO₂ coatings on stainless steel by electrophoretic deposition. Journal of Materials Research,  28, 2023-2030 (2013).

17.    Y. Hu and C. Yuan. Low-temperature Preparation of Photocatalytic TiO₂ Thin Films on Polymer Substrates by Direct Deposition from Anatase Sol. J. Mater. Sci. Technol., 22(2), 239-344 (2006).

18.    Nguyễn Việt Dũng, Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài “Nghiên cứu phát triển và ứng dụng hệ thống xử lý ô nhiễm không khí TIOKRAFT trên cơ sở vật liệu xúc tác quang TiO₂, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (2013).

TS. Lê Thanh Sơn

Viện Công nghệ Môi trường, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

(Nguồn tin: Nilp.vn)