Nghiên cứu và đánh giá khả năng xử lý một số hóa chất hữu cơ độc hại dễ bay hơi như acetone, benzen, butanol, dietyl ete của thiết bị làm sạch không khí bằng xúc tác quang

1. MỞ ĐẦU

Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (Volatile organic compounds -VOC) là nhóm các chất hữu cơ có áp suất hơi lớn ở nhiệt độ thường, do đó dễ dàng hóa hơi một cách tự nhiên trong không khí, ví dụ như acetone, benzen, butanol, dietyl ete, cloroform, formaldehyt…. Khi đã lẫn vào không khí, nhiều VOC có khả năng liên kết lại với nhau hoặc nối liên kết với các phần tử khác trong không khí tạo ra các hợp chất mới. Các chất VOC tồn tại khá phổ biến trong nhà cũng như môi trường xung quanh. Chúng hiện diện trong nhiều sản phẩm chúng ta đang sử dụng hàng ngày như chất tẩy rửa, thuốc diệt côn trùng, mỹ phẩm, nước hoa xịt phòng, vật liệu xây dựng (sơn, gỗ ghép, keo chống thấm). Chúng  cũng phát sinh từ các thiết bị văn phòng như máy photocopy, máy in [1-3]…  Rất nhiều trong số các VOC là độc hại đối với sức khỏe con người và động, thực vật. Chúng có thể gây kích ứng cho mắt, mũi, họng, gây nhức đầu, choáng váng, rối loạn thị giác, hủy tế bào máu, tế bào gan, thận, gây viêm da, tổn hại đến hệ thần kinh trung ương, ảnh hưởng đến khả năng sinh sản (hiếm muộn, vô sinh, khó đậu thai, sinh ít con)… trong đó chloroform và các hợp chất có vòng như benzen, toluen, xylen… có tiềm năng gây ung thư cao và cũng có thể gây nên bệnh bạch cầu nếu tiếp xúc trong thời gian dài [2,4,5,6]. Hiện nay, để làm sạch không khí (LSKK) trong các phòng kín, nhất là các VOC, thì phương pháp xử lý không khí 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 xốp phủ bột nano TiO₂ [8-11].

Viện Công nghệ môi trường (CNMT) sau khi thực hiện nhiệm vụ hợp tác quốc tế với LB Nga [12], đã nắm bắt được công nghệ LSKK bằng XTQ và trên cơ sở đó đã chế tạo thành công các loại thiết bị có công suất từ 25 m³/h  đến 500 m³/h [7, 13].  Để có thể đưa vào sử dụng trong thực tế một cách hiệu quả, cần tiến hành đánh giá khả năng xử lý của các thiết bị này đối với một số độc chất trong không khí như vi khuẩn, các hóa chất hữu cơ dễ bay hơi VOC. Trong bài báo này, chúng tôi giới thiệu kết quả đánh giá hiệu quả xử lý một số loại VOC thường gặp trong không khí như acetone, benzen, butanol, dietyl ete của thiết bị LSKK bằng XTQ công suất 250 m³/h do Viện CNMT chế tạo trong box thí nghiệm thể tích 10 m³. Đây là 4 chất đại diện cho 4 nhóm chất VOC thường gặp trong cuộc sống, trong đó: acetone là dung môi được sử dụng rất nhiều trong ngành sản xuất sơn, mực in, keo dán, nước rửa móng tay, các chất tẩy rửa, là thành phần bay hơi của một số loại sơn và vecni; benzen thường sinh ra trong khói thuốc lá, khói thải xe cộ, khói thải của các nhà máy sản xuất thuốc lá; butanol được dùng làm dung môi pha sơn, hòa tan các loại nhựa tự nhiên, tổng hợp, là thành phần trong nước hoa; dietyl ete là thành phần thuốc gây mê được sử dụng trong y tế, là dung môi trong sản xuất nhựa cellulose…

2. THỰC NGHIỆM

2.1. Giới thiệu về thiết bị LSKK bằng XTQ công suất 250 m³/h

Thiết bị cấu tạo bởi một bộ lọc sơ cấp đặt ngay ở cửa vào của dòng khí, bộ lọc tĩnh điện, khối lọc XTQ và than hoạt tính. Bộ lọc sơ cấp  (2) gồm tầng lọc thô có tác dụng giữ lại các hạt bụi và hạt lơ lửng kích thước trên 3 µm và tầng lọc tinh để loại bỏ các hạt bụi có kích thước lên đến 0,5 µm. Bộ lọc tĩnh điện (3) có tác dụng giữ lại các hạt bụi và hạt lơ lửng nhỏ hơn, kích thước lên đến 0,1 µm. Khối lọc XTQ (4) gồm 4 ống thạch anh xốp (f = 74 mm; l = 418 mm, S_{bề mặt} = 971,3 cm²) được phủ một lớp mỏng bột XTQ nano TiO₂ (kích thước hạt nano < 20 nm, khối lượng phủ 250 g/m²) , ở tâm mỗi ống bố trí 1 đèn tử ngoại UV-A (360 nm, Philippe). Lớp lọc than hoạt tính (6) có tác dụng hấp phụ để loại bỏ mùi và một số siêu ôxit sinh ra trong quá trình XTQ. Không khí được quạt (5) hút vào từ bên hông của thiết bị và đi ra ở mặt sau phía trên của thiết bị như trên hình 1b.

Hình 1. Hỉnh ảnh bên trong (a) và sơ đồ nguyên lý hoạt động (b) của thiết bị LSKK 250 m³/h do Viện CNMT chế tạo

Bảng dưới đây tóm tắt các thông số kỹ thuật cơ bản của thiết bị LSKK bằng XTQ công suất 250 m³/h do viện CNMT chế tạo và lắp ráp.

2.2. Đánh giá khả năng xử lý VOC của thiết bị

Dùng pipet hút chính xác 2,5 mL dung dịch mỗi VOC (acetone, benzen, dietyl ete, butanol) cho vào buồng box.Bên trong buồng box có bố trí 1 quạt nhỏ để đối lưu không khí. Hàm lượng VOC suy giảm theo thời gian được đo bằng máy đo VOC sử dụng cảm biến TGS2602 (Figaro, Nhật Bản). Hiệu suất oxy hóa VOC được xác định theo công thức:

Trong đó C₀ và C lần lượt là nồng độ của chất VOC trong box ở thời điểm trước khi chạy máy và sau khi chạy máy.

3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1. Khả năng xử lý acetone

Kết quả xử lý acetone trong box thực nghiệm của thiết bị LSKK bằng XTQ công suất 250 m³/h được thể hiện trên đồ thị hình 2. Kết quả thu được cho thấy, với lượng acetone ban đầu trong box là 2,5 ml (~ 80 ppm) trong trong khoảng 20 phút đầu tiên, tốc độ xử lý acetone của thiết bị khá cao (đường cong gần như thẳng đứng), đạt hiệu suất xử lý 70%. Tuy nhiên, sau 20 phút, hàm lượng acetone vẫn tiếp tục giảm, nhưng tốc độ giảm không còn cao như trước (độ dốc của đường cong khá nhỏ). Từ sau thời điểm 90 phút, giá trị nồng độ hầu như không giảm. Điều này có thể giải thích là do thời điểm ban đầu nồng độ acetone trong box cao, lượng acetone tiếp xúc với vật liệu XTQ nhiều nên tốc độ xử lý nhanh, sau đó lượng acetone còn lại rất thấp, lượng acetone được tiếp xúc với vật liệu XTQ rất nhỏ nên tốc độ xử lý không còn cao nữa. 

Hinh 2. Khả năng xử lý acetone của thiết bị LSKK bằng XTQ công suất 250 m³/h

3.2. Khả năng xử lý butanol

Kết quả xử lý butanol trong box thực nghiệm của thiết bị LSKK bằng XTQ được thể hiện trên đồ thị hình 3. Kết quả thu được trong trường hợp này cũng tương tự như acetone, với lượng butanol ban đầu trong box là 2,5 ml (~ 66 ppm) trong khoảng 20 phút đầu tốc độ xử lý butanol của thiết bị rất cao (độ dốc của đường cong lớn), đạt hiệu suất xử  lý đến 86%. Tuy nhiên chỉ sau 50 phút, thiết bị đã xử lý được 90% butanol và sau đó hầu như không thay đổi.

Hinh 3. Khả năng xử lý butanol của thiết bị LSKK bằng XTQ công suất 250 m³/h

3.3. Khả năng xử lý dietyl ete

Kết quả xử lý dietyl ete trong box thực nghiệm của thiết bị LSKK bằng XTQ công suất 250 m³/h  được thể hiện trên đồ thị hình 4. Kết quả thu được cho thấy với lượng dietyl ete ban đầu trong box là 2,5 ml (~ 60 ppm) tốc độ xử lý dietyl ete trong 30 phút đầu tương đối cao, nồng độ dietyl ete trong box giảm khá đều đặn. Tuy nhiên, sau 30 thì  hàm lượng dietyl ete giảm rất chậm và sau 125 phút hầu như không thay đổi, duy trì ở mức 17,5 ppm, tức hiệu suất xử  lý đạt 70%.

Hinh 4. Khả năng xử lý dietyl ete của thiết bị LSKK bằng XTQ công suất 250 m³/h  

3.4. Khả năng xử lý bezen

Hinh 5. Khả năng xử lý benzen của thiết bị LSKK bằng XTQ công suất 250 m³/h  

Kết quả xử lý benzen trong box thực nghiệm của thiết bị LSKK bằng XTQ công suất 250 m³/h  được thể hiện trên đồ thị hình 5. Kết quả thu được cho thấy hiệu suất xử lý benzen của thiết bị không cao, với lượng benzen ban đầu trong box là 2,5 ml (~ 65 ppm) chỉ trong khoảng 15 phút đầu, hàm lượng benzen giảm đều đặn nhưng sau 30 phút thì hàm lượng benzen trong box hầu như không thay đổi và hiệu suất xử lý chỉ đạt 43%. Điều đó cho thấy hợp chất vòng  thơm benzen là hợp chất khá bền, phản ứng XTQ cũng xử lý không hiệu quả hợp chất này.

3.5. So sánh và giải thích khả năng xử lý các VOC của thiết bị

Trên hình 6 là đồ thị so sánh hiệu suất xử lý giữa các VOC của thiết bị LSKK bằng XTQ công suất 250 m³/h.

Hinh 6. So sánh khả năng xử lý các VOC của thiết bị LSKK bằng XTQ công suất 250 m³/h  

Từ hình 6 ta thấy butanol đạt hiệu suất xử lý cao nhất, trong vòng 50 phút xử lý được 91% lượng butanol bơm vào Box ban đầu. Ngược lại, benzen có hiệu xuất xử lý không hiệu quả, chỉ đạt 43% trong 150 phút. Acetone và dietyl ete xử lý hiệu quả hơn với benzen, trong vòng 100 phút acetone xử lý được 80%, còn dietyl ete xử lý được 70% trong 120 phút. Kết quả này tương tự kết quả đã được công bố của Rosana et al. [14] và Wang et al. [1].

Kết quả này có thể giải thích như sau: do khả năng hấp phụ và xúc tác quang của TiO₂ là khác nhau đối với các VOC có bản chất khác nhau. Butanol với nhóm chức rượu –OH là hợp chất dễ bị phản ứng nhất trong số các VOC nghiên cứu nên hiệu suất xử lý butanol là cao nhất. Acetone và dietyl ete đều là hợp chất khó phản ứng hơn butanol (nhóm chức ete –O- và xeton –C=O bền hơn –OH) do đó bị phân hủy bới phản ứng XTQ kém hơn butanol. Trong số 2 chất này, acetone có phân tử lượng thấp hơn dietyl ete, mạch cacbon cũng ngắn hơn nên dễ bị phân hủy bởi phản ứng XTQ hơn dietyl ete. Trong khi đó nhân thơm của phân tử benzen rất bền, khó bị tấn công nên hiệu suất phân hủy bằng XTQ đối với benzen khá thấp như quan sát thấy trong thí nghiệm trên. Ngoài ra, một số nhà nghiên cứu cho rằng benzen có thể gây ra hiện tượng vô hoạt chất xúc tác [15, 16].

4. KẾT LUẬN

Các kết quả đánh giá cho thấy thiết bị LSKK bằng XTQ do Viện CNMT chế tạo có khả năng xử lý rất tốt các VOC dạng ancol như rượu butanol, với nồng độ ban đầu khoảng 66 ppm thì hiệu suất xử lý đạt 86% chỉ sau 20 phút. Với các hợp chất VOC có nhóm chức bền hơn như acetone, dietyl ete thì hiệu suất xử lý thấp hơn, với nồng độ ban đầu khoảng từ 60 đến 80 ppm, 80% acetone bị phân hủy sau 100 phút còn với dietyl ete, sau 120 phút mới xử lý được 70%. Các VOC có nhóm chức rất bền như vòng thơm benzen thì hiệu suất xử lý còn thấp hơn nữa, sau 150 phút mới phân hủy được 43%. Hiện nay ở nước ta chưa có tiêu chuẩn quốc gia quy định nồng độ cho phép của các VOC trong các phòng kín, tuy nhiên các kết quả nghiên cứu này cũng giúp cho việc sử dụng các thiết bị LSKK hiệu quả hơn: cụ thể khi cần xử lý các chất ô nhiễm không khí như cồn, acetone thì chỉ cần thời gian chạy máy ngắn là đủ, còn khi xử lý các chất như ete, benzen thì cần phải chạy máy lâu hơn để đảm bảo xử lý tốt các chất ô nhiễm này; hoặc nếu ta mong muốn nồng độ một chất VOC sau xử lý là bao nhiêu thì căn cứ vào khả năng xử lý của thiết bị đối với VOC đó, ta có thể tính được thời gian tối thiểu phải chạy thiết bị để đạt được nồng độ sau xử lý như mong muốn.

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.    S. Wang, H.M. Ang, M.O. Tade. Volatile organic compounds in indoor environment and photocatalytic oxidation: State of the art”.Environment International 33: 694–705 (2007)

2.     R. Dales, L. Liu, A.J. Wheeler, N. L. Gilbert. Quality of indoor residential air and health”. Canadian Medical Association Journal 179: 147–52 (2008)

3.     C. Yu, D. Crump. A review of the emission of VOCs from polymeric materials used in buildings. Building and Environment 33: 357–74 (1998)

4.    M. J. Mendell. Indoor residential chemical emissions as risk factors for respiratory and allergic effects in children: A review”. Indoor Air 17(4): 259–77 (2007)

5.    P. Wolkoff, C.K. Wilkins, P.A. Clausen, G.D. Nielsen. Organic compounds in office environments – sensory irritation, odor, measurements and the role of reactive chemistry. Indoor Air 16(1): 7–19 (2006)

6.    EPA — An Introduction to Indoor Air Quality Pollutants and Sources of Indoor Air Pollution Volatile Organic Compounds (VOCs).

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. 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)
9. 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)
10. 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)
11. 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)
12. 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)
13. 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)
14. M. A. Rosana and F.J. Wilson. Photocatalytic destructions of VOCs in the gas-phase using titanium dioxide. Appl. Catal. B-Environ. 14: 55-68 (1997)
15. X. Fu, W.A. Zeltner and M.A. Anderson. The gas-phase photocatalytic mineralization of benzene on porous titania-based catalysts. Appl. Catal. B: Environ. 6: 209-224 (1995)
16. S. Sitkiewitz and A. Heller. Photocatalytic oxidation of benzene and stearic acid on sol-gel derived TiO₂ thin films attached to glass. New J. Chem. 20: 233-241 (1996)

    Tác giả : TS. Lê Thanh Sơn

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

(Nguồn tin: Nilp.vn)