Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị xử lý không khí bị ô nhiễm một số loại vi khuẩn, hóa chất thường gặp trong sinh hoạt có công suất đến 25 m3h trên cơ sở phương pháp xúc tác quang

Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Box TN
CFU
Đvc
eHSXL
h+
LSKK
NKBV
N-TiO2
ONKK
PAA
PCA
PMMA
SEM
Ống T/A
TEM
Viện CNMT
VOC
VKHK
XTQH

Buồng thí nghiệm
Đơn vị khuẩn lạc
Đơn vị các bon
Điện tử

Hiệu suất xử lý
Lỗ trống
Làm sạch không khí
Nhiễm khuẩn bệnh viện
TiO2 biến tính nitơ
Ô nhiễm không khí
Poly axit acrylic
Plate Count Agar
Poly metyl metacrylat
Kính hiển vi điện tử quét
Ống thạch anh
Kính hiển vi điện tử truyền qua
Viện Công nghệ môi trường
Các hợp chất hữu cơ bay hơi
Vi khuẩn hiếu khí
Xúc tác quang hóa

Viện KH và CN Môi trường ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

Viện KH và CN Môi trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc Sỹ

Viện KH và CN Môi trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

Nghiêm Thị Mây


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

MỞ ĐẦU
Vấn đề ô nhiễm môi trường không khí bởi bụi, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
(VOC) và vô cơ, các loài vi khuẩn và virút trong các bệnh viện, toà nhà công cộng,
nhà xưởng sản xuất,... đang ngày càng trở nên bức xúc ở nước ta cũng như trên thế
giới vì cho đến nay, công nghệ làm sạch không khí (LSKK) vẫn chưa đáp ứng được
nhu cầu của đời sống và sản xuất, trong khi những hậu quả do ô nhiễm không khí
(ONKK) gây ra là khá nghiêm trọng.Tổ chức Y tế thế giới (WHO) ước tính rằng
ONKK là nguyên nhân của 3 triệu trường hợp tử vong sớm hàng năm trên toàn thế
giới. Hai phần ba số người chết và giảm tuổi thọ do ONKK thuộc các nước đang
phát triển và ngay cả ở các quốc gia phát triển.
Vì vậy, việc xử lý môi trường không khí bị ô nhiễm hoá chất hoặc vi sinh
trong các buồng kín có con người sống hoặc sinh hoạt thường xuyên đòi hỏi những
giải pháp công nghệ tiến bộ hơn.Các công nghệ LSKK đang được áp dụng hiện nay
như hấp phụ (công nghệ màng lọc, thổi không khí) và oxy hoá (ôzôn hóa, clo hóa,
sinh hóa)... đều có những điểm yếu, đòi hỏi phải xử lý tiếp để mang đi chôn lấp
hoặc chất bẩn được phân tán vào khí quyển. Trong các biện pháp này, chất ô nhiễm
thực tế chỉ chuyển từ chỗ này sang chỗ khác mà không được giải quyết một cách
triệt để. Các phương pháp xử lý trên cơ sở sử dụng hoá chất như clo, iốt, ôzôn

thường tốn kém, đồng thời tiềm ẩn nguy cơ hình thành các sản phẩm phụ độc hại
đối với sức khỏe con người.
Các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấyphương pháp LSKK ô nhiễm bằng
năng lượng mặt trời là một giải pháp mang tính đột phá, trong đó phương pháp xúc
tác quang hóa (XTQH) cho hiệu quả xử lý cao nhất. Phương pháp XTQHnằm trong
số các phương pháp phân hủy chất ô nhiễm không đòi hỏi phải đưa thêm các tác
nhân ôxy hóa đặc biệt nào vào, mà chỉ cần sự có mặt của ôxy không khí. Trong số
các vật liệu xúc tác quang, TiO 2 có hoạt tính XTQH cao nhất và là vật liệu dễ kiếm,
rẻ tiền, trơ hóa học, không độc hại đối với sức khỏe con người. Để mở rộng vùng

Viện KH và CN Môi trường

4

ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

làm việc của vật liệu xúc tác về dải ánh sáng khả kiến nhờ biến tính bằng nguyên tố
phi kim Nitơ (N) được nhiều nghiên cứu cho thấy đem lại hiệu quả khá tốt.
Hiện nay, trên thị trường có nhiều thiết bị làm sạch không khí bằng phương
pháp XTQH, tuy nhiên trong nước mới chỉ đang ở bước nghiên cứu phòng thí
nghiệm hoặc những ứng dụng quy mô hạn chế. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo một
thiết bị hoàn chỉnh để xử lý các yếu tố ô nhiễm không khí trong nhà có khả năng
thương mại hóa rộng rãi là hết sức cấp thiết.
Trên cơ sở đó,luận văn “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị xử lý không khí
bị ô nhiễm một số loại vi khuẩn, hóa chất thường gặp trong sinh hoạt có công

suất đến 25 m3/h trên cơ sở phương pháp xúc tác quang”được thực hiện với các
nội dung chính sau:
-

Nghiên cứu,chế tạo thiết bị xử lý không khí bằngphương pháp XTQH trên vật liệu
N-TiO2 có công suất đến 25 m3/h;

-

Đánh giá hiệu quả xử lý một số hợp chất VOC và vi khuẩn thường gặp trong sinh
hoạt của thiết bị;

-

Đánh giá tuổi thọ của bộ lọc XTQH của thiết bị.

Viện KH và CN Môi trường

5

ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Các vấn đề ô nhiễm không khí trong nhàvà tác động đến sức khỏe con
người

Khi nói đến ONKK, chúng ta thường nghĩ rằng ONKK gây ra bởi khí thải
trong công nghiệp, các quá trình khai khoáng, giao thông... Tuy nhiên, từ những
năm 1990, các nhà khoa học quốc tế đã bắt đầu quan tâm đến vấn đề ô nhiễm trong
nhà, hay nói chung hơn là những môi trường khép kín như: văn phòng, nhà ở, quán
ăn, phương tiện giao thông (xe hơi, xe lửa, máy bay...), nơi mà phần lớn thời gian
con người hoạt động ở đó.

Hình 1.1. Mối nguy hại ô nhiễm không khí trong nhà
Các nghiên cứu của nhiều tác giả [39, 51, 62] cho thấy mức độ ô nhiễm của
không khí trong nhà cao hơn nhiều so với không khí bên ngoài và thực sự đây là
mối đe doạ trực tiếp đến sức khoẻ con người bởi trung bình mỗi người dùng đến
trên 80% thời gian của họ bên trong nhà [56]. Nhất là khi vấn đề tiết kiệm năng
lượng được đề cao, việc thiết kế và xây dựng các ngôi nhà kín không có sự trao đổi
không khí tự nhiên với bên ngoài càng gây ảnh hưởng hơn nữa [10, 14, 24, 36].
Năm 1995, cơ quan bảo vệ môi sinh Hoa Kỳ xếp ONKK trong nhà vào một trong
những nguy cơ ô nhiễm môi trường tác động đến sức khỏe con người cao nhất [60].

Viện KH và CN Môi trường

6

ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

* Thành phần, nguồn gốc phát sinh chất ô nhiễm và tác động của chúng:
- Trung bình mỗi người lớn hít vào hơn 3500 lít không khí mỗi ngày.

- Yếu tố gây ô nhiễm trong nhà nguy hại đầu tiên là bụi, do trẻ em thường
thở bằng miệng nên bụi được lọc giữ lại qua mũi bị hạn chế. Trẻ em hít vào nhiều
bụi hơn so với người lớn.Trong một ouncebụi(khoảng 28,5gam)có khoảng 40000
loại bụi nhỏ, chúng gây kích ứng khó chịu không chỉ cho những người bị dị ứng,
mà cả những người bình thường. Đây là nguyên nhân gây gia tăng các bệnh về di
ứng trong những năm gần đây.
Bụi có thể nhìn thấy và các hạt bụi trôi nổi trong không khí gồm nhiều thành
phần khác nhau như xơ, sợi xước từ thảm hoặc quần áo hoặc những phẩn nhỏ của
lông vật nuôi hoặc con người. Bụi vào phổi gây kích thích cơ học, xơ hóa phổi dẫn
đến các bệnh về hô hấp...
- Khói thuốc lá cũng là một nguồn ô nhiễm khác nữa đối với sức khỏe con
người. Trong khói thuốc lá có chứa hơn 4000 chất ở dạng khí và dạng hạt, trong đó
có ít nhất 40 hợp chất đã được xác định có khả năng gây ung thư ở người và động
vật. Khí cacbon ôxít (CO), một sản phẩm đốt cháy không hoàn toàn, có thể gây tử
vong nếu nồng độ cao. Khí CO trong nhà có thể từ một chiếc xe chạy trong một
gara kín,từ một lò sưởi, bếp gas, hoặc phát sinh từ việc hút thuốc lá trong nhà.
- Các hợp chất hữu cơ bay hơi (Volatile organic compounds -VOC) 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, clorofom 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. Khí fomandehyt phát sinh từ đồ nội thất, vật liệu cách nhiệt cũng như gỗ
ép, gỗ dán có thể gây kích ứng mắt và đường hô hấp [54]. Các hợp chất VOC này

Viện KH và CN Môi trường

7

ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

có thể xuất phát từ chính những vật dụng hết sức quen thuộc trong nhà như: mỹ
phẩm, chất tẩy rửa, thuốc xịt muỗi, khói bếp do đốt nhiên liệu (than, củi), khói
nhang, khăn giấy, bột giặt, giấy dán tường, sơn, xi đánh giày, keo dán tổng hợp, hóa
chất bảo quản đồ nội thất… Các VOC xuất hiện nhiều nhất trong ngôi nhà mới và
dự án cải tạo, vì vậy hệ thống thông khí ở đó rất quan trọng [31].
- Các chất gây ô nhiễm thành phần sinh học gồm: nấm mốc, vi khuẩn lơ lửng,
phấn hoa, lông động vật... Nấm mốc và vi khuẩn phát triển mạnh khi độ ẩm tương
đối trên 50 %. Các tác nhân sinh học này gây tác hại trầm trọng thêm cho bệnh nhân
hen suyễn và dị ứng, đồng thời cũng có thể gây kích ứng mắt, đau đầu, mệt mỏi,
chảy nước mũi, ho và bệnh phổi mãn tính. Chúng cũng có thể gây nhiễm trùng phổi
ở những người bị ức chế miễn dịch hoặc bệnh phổi mãn tính. Trong các bệnh viện,
sự có mặt của các vi khuẩn, virút trong môi trường không khí sẽ đe dọa trực tiếp
đến sức khỏe của nhân viên y tế và người bệnh, làm tăng tỉ lệ tử vong, kéo dài thời
gian nằm viện, tăng việc sử dụng kháng sinh và chi phí điều trị - tình trạng nhiễm
khuẩn bệnh viện (NKBV). Tại Mỹ hàng năm ước tính có 2 triệu bệnh nhân bị
NKBV, làm 90000 người tử vong, làm tốn thêm 4,5 tỉ đôla viện phí. Tại Việt Nam,
mỗi năm vẫn có gần 700 nghìn bệnh nhân nhiễm trùng vết mổ do NKBV gây ra,
kéo dài thời gian nằm viện trung bình của bệnh nhân từ 9 đến 24,3 ngày, đồng thời
kéo theo tăng chi phí điều trị trung bình từ 2 - 32,3 triệu đồng/bệnh nhân.

Hình 1.2. Các bề mặt lây nhiễm trong bệnh viện

Viện KH và CN Môi trường

8

ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

1.2. Các phương pháp xử lý ô nhiễm không khí trong nhà
1.2.1. Các phương pháp xử lý thường gặp
Như đã nói ở trên, vấn đề ô nhiễm môi trường không khí bởi các hợp chất
hữu cơ và vô cơ, các loài vi khuẩn và vi rút trong các bệnh viện, toà nhà công cộng,
nhà xưởng sản xuất... đang ngày càng trở nên bức xúc ở nước ta cũng như trên thế
giới. Các công nghệ xử lý đang được áp dụng hiện nay khá đa dạng như thông gió,
màng lọc, hấp phụ, hấp thụ, ôxy hóa khử (ôzôn hóa, clo hóa, sinh hóa…) hay
phương pháp sử dụng thực vật… đều có những điểm hạn chế.
Biện pháp cải thiện mang tính cục bộ bằng cách thông gió là biện pháp được
sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Mục đích của thông gió là đưa không khí từ ngoài
vào nhằm pha loãng cường độ ô nhiễm trong không gian trong nhà, sau đó thải ra
ngoài. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là tạo ra mức độ không đồng
đều của điều kiện vệ sinh tại các điểm khác nhau trong không gian; đồng thời dễ
đưa các chất độc hại từ vùng này sang vùng khác.
Phương pháp hấp phụ có khả năng làm sạch cao. Trong công nghệ này các
chất ô nhiễm thường tích tụ trên bề mặt vật hấp phụ, vì vậy đòi hỏi phải xử lý tiếp
để mang đi chôn lấp, nghĩa là chỉ chuyển từ chỗ này sang chỗ khác. Mặt khác,
phương pháp này không thể sử dụng nếu tải trọng ô nhiễm cao.
Thực vật những năm gần đây được đánh giá là có tác dụng rất lớn trong việc
hạn chế ô nhiễm không khí như thu bụi, lọc sạch không khí, giảm và che chắn tiếng
ồn, giảm nhiệt độ không khí. Một số loại cây xanh rất nhạy cảm với ô nhiễm không

khí, cho nên có thể dùng làm vật chỉ thị để phát hiện ô nhiễm. Tuy nhiên, phương
pháp bị hạn chế nếu nồng độ chất ô nhiễm trong không khí cao.
Các phương pháp xử lý môi trường không khí trên cơ sở sử dụng các chất
hóa học như clo, iốt, ôzôn thường tốn kém, đồng thời tiềm ẩn nguy cơ hình thành
các sản phẩm phụ độc hại đối với sức khỏe con người…
Trong trường hợp sử dụng công nghệ màng lọc thì sự tích tụ chất ô nhiễm
cũng có thể xảy ra trên bề mặt màng lọc để rồi sau đó chúng lại được thải ngược trở
lại vào môi trường, trong khi thổi bằng không khí, chất bẩn lại được phân tán vào

Viện KH và CN Môi trường

9

ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

khí quyển. Tóm lại, trong mọi trường hợp vấn đề ô nhiễm thực tế chỉ chuyển từ chỗ
này sang chỗ khác mà không được giải quyết một cách triệt để.
Các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy 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 (XTQH) cho hiệu quả xử lý cao nhất [22].
Phương pháp XTQH có một số ưu điểm nổi bật hơn so với các phương pháp
khác là:
- Không phải đưa thêm các tác nhân ôxy hóa đặc biệt nào vào, mà chỉ cần sự
có mặt của ôxy không khí;
-

Quá trình oxy hóa được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thường, thậm
chí cả điều kiện độ ẩm cao;

-

Sự phân hủy các chất hữu cơ có thể đạt đến mức độ vô cơ hóa hoàn toàn: hầu hết
các chất độc hữu cơ đều có thể bị oxy hóa thành sản phẩm cuối cùng là CO 2 và
H2O;

-

Ứng dụng xử lý cho nhiều chất hữu cơ và hiệu suất cao;

-

Có thể sử dụng nguồn UV nhân tạo hoặc tận dụng nguồn ánh sáng tự nhiên nên có
thể tiết kiệm năng lượng.
Chính vì vậy, quang xúc tác đang được tập trung nghiên cứu như một trong
những công nghệ có triển vọng nhất nhằm giảm thiểu các chất thải độc hại phân tán
trong môi trường. Đặc biệt là diệt vi khuẩn, nấm mốc trong bệnh viện, nhà ở, khử
mùi hôi trong văn phòng, phân hủy các khí NOx, SOx…
1.2.2. Phương pháp xúc tác quang hóatrên cơ sở vật liệu TiO2
Sau khi Fujishima phát hiện hiệu ứng phân hủy quang hóa nước trên điện cực
TiO2, quá trình XTQH bắt đầu được quan tâm nghiên cứu rộng rãi, trong đó đặc
biệt là vấn đề xử lý nước và không khí bị ô nhiễm bởi các hợp chất hữu cơ và vô cơ
có khả năng phân hủy bằng phản ứng quang hóa [18, 26,53].
Theo tác giả Fujishima và cộng sự chất XTQH lý tưởng cần có các thuộc tính
sau[25]:

Viện KH và CN Môi trường

10
ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

(a) Hoạt hoá quang hoá, chi phí thấp và không độc hại: đối với quá trình làm
sạch môi trường quy mô lớn, chất xúc tác quang phải có sẵn với chi phí thấp mà
không có tính chất độc hại đối với hệ động thực vật khi sử dụng ở nồng độ cao;
(b) Trơ về mặt sinh học và hóa học;
(c) Tính ổn định đối với photocorrosion (phân huỷ bởi ánh sáng): không bị ăn
mòn khi tiếp xúc với ánh sáng kéo dài trong suốt quá trình;
(d) Có thể được kích thích hoạt hoá với ánh sáng khả kiến hoặc ánh sáng tia
cực tím, không nhất thiết yêu cầu ánh sáng năng lượng cao.
Trên cơ sở đó, vật liệu XTQH chủ yếu là từ các nguyên tố chuyển tiếp như
TiO2, ZnO, ZnS, Fe2O3, WO3, CdS... [61]. Trong số các oxit bán dẫn, ZnO nói
chung là không ổn định trong điều kiện chiếu sáng, đặc biệt là ở giá trị pH thấp.
WO3, mặc dù hiệu quả trong dải ánh sáng khả kiến, tuy nhiên hoạt tính XTQH yếu
hơn TiO2 (hình 1.3).

Hình 1.3. Năng lượng hoạt hoá của một số chất xúc tác quang [20]
Trong số những chất khác như CdS, ZnS và oxit sắt đã được chứng minh có
hiệu quả XTQH tốt, tuy nhiên các vật liệu trên đều bị ăn mòn. TiO 2 là vật liệu có
hoạt tính xúc tác cao nhất, dễ kiếm, rẻ tiền, trơ hóa học và không độc hại đối với
sức khỏe con người [48]. Do đó, TiO 2được đánh giá là vật liệu ưu thế nhất cho mục
đích XTQH.

Phương pháp XTQH này đã được đề xuất như một công cụ hiệu quả để bảo
vệ môi trường nhờ khả năng oxy hóa tuyệt vời [55]. Hầu hết các nghiên cứu này

Viện KH và CN Môi trường

11
ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

đều tập trung vào vật liệu TiO 2 có hoạt tính xúc tác và độ bền hóa học tương đối cao
dưới tác dụng của tia cực tím (λ< 380 nm). Do đó, để chuyển vùng làm việc về dải
ánh sáng khả kiến cũng như tăng khả năng XTQH, người ta đã tìm cách doping
(pha tạp hay còn gọi là làm biến tính) thêm các nguyên tố khác vào tinh thể TiO 2.
Hiện nay, một số phòng thí nghiệm ở trong nước đã nghiên cứu hiệu ứng xúc
tác quang trên vật liệu TiO 2 để xử lý các môi trường bị ô nhiễm bởi các tạp chất hữu
cơ, vô cơ và vi sinh vật. Có thể kế đến như công trình nghiên cứu sử dụng TiO 2 làm
vật liệu xúc tác quang hóa nhằm phân hủy tạp chất hữu cơ được thực hiện trong
nước dưới tác dụng tia cực tím [15, 32]; hay nghiên cứu tổng hợp nano TiO 2 tiến
hành bằng phương pháp tạo gel với axit tartric và đánh giá hoạt tính xúc tác quang
của sản phẩm thu được trên cơ sở phân hủy xanh methylen dưới tác động của bức
xạ ánh sáng mặt trời[35];công trình nghiên cứu khảo sát quá trình phân hủy xúc tác
quang của thuốc trừ sâu 2,4-dichlorphenoxyacetic axit dưới tác dụng của hỗn hợp
nano oxit CeO2-TiO2 được điều chế bằng phương pháp sol-gel [9]… Mới đây, V. T.
H. Thu và cộng sự đã chế tạo thành công TiO 2-xNx cho phép thực hiện phản ứng xúc
tác quang dưới ánh sáng khả kiến [7].N. T. Huệ và cộng sựđã phủ màng nano TiO 2
lên sợi alumina bằng phương pháp sol-gel và sử dụng sản phẩm thu được để nghiên

cứu xử lý phân hủy NO và CO trong không khí ô nhiễm, với kết quả dẫn ra cho
thấy sau 5 giờ phơi nhiễm dưới bức xạ tím (360nm) các tạp chất trên bị phân hủy
hoàn toàn[29]…
Qua những công trình công bố của các nhóm nghiên cứu dẫn ra ở trên có thể
thấy vật liệu xúc tác quang trên cơ sở TiO 2 đó được triển khai nghiên cứu khá sâu
rộng ở nước ta, tuy nhiên mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm. Thực tế hiện
nay mới chỉ có một công trình nghiên cứu liên quan đến việc chế tạo và ứng dụng
các thiết bị XTQ xử lý ô nhiễm nước và không khí ở quy mô lớn hơn quy mô phòng
thí nghiệm của nhóm tác giả N. T. Huệ nghiên cứu xử lý ô nhiễm không khí bằng
vật liệu sơn nano TiO2/Apatit, TiO2/Al2O3 và TiO2/bông thạch anh [3].Trong công
trình này các tác giả đã tiến hành thử nghiệm sản phẩm XTQH thu được tại hiện
trường, tuy nhiên ở quy mô hạn chế. Cụ thể là sơn nano TiO 2/Apatit mới được thử
nghiệm tại một phòng điều trị bệnh nhân có diện tích 24 m 2 và tại một trạm đăng
Viện KH và CN Môi trường

12
ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

kiểm phương tiện giao thông với công suất thiết bị cỡ 100 lit/giờ. Các kết quả này
cũng mới chỉ là kết quả của phương pháp xử lý thụ động.
1.3. Cơ chế phản ứng xúc tác quang hoá
Chất XTQH là chất làm tăng tốc độ phản ứng quang hoá. Khi được chiếu ánh
sáng với cường độ thích hợp chất XTQH sẽ đẩy nhanh tốc độ phản ứng quang hoá
bằng cách tương tác với chất nền ở trạng thái ổn định hay ở trạng thái bị kích thích
hoặc với các sản phẩm của phản ứng quang hoá tuỳ thuộc vào cơ chế của phản ứng.

Mô tả trên cũng bao gồm cả sự nhạy quang, được định nghĩa như là kết quả của sự
hấp thụ photon của các phân tử xúc tác quang dẫn đến sự thay đổi quang hoá hay
quang lý trong các phân tử khác. Chất XTQH khi được chiếu bằng ánh sáng thích
hợp có thể tạo ra một loạt quy trình giống như phản ứng oxy hoá – khử và các phân
tử ở dạng chuyển tiếp có khả năng oxy hoá – khử mạnh [25].
Dưới tác dụng của ánh sáng tử ngoại (UV), các điện tử từ vùng hóa trịchuyển
lên vùng dẫn thành các điện tử tự do (e-), để lại các lỗ trống (h+) ở vùng hóa trị.
Điện tử và lỗ trống khuếch tán ra bề mặt và phản ứng với H 2O và O2 hấp thụ trên bề
mặt màng và tạo ra các gốc có khả năng ôxy hóa khử chất hữu cơ (hình 1.4).

Hình 1.4. Phản ứng quang xúc tác của TiO2
Trên giản đồ thế oxy hoá (hình 1.5), thế ôxy hóa của lỗ trống ở vùng hóa trị là
+2,53 V, dương hơn thế ôxy hóa của gốc hydroxyl là +2,27 V nên lỗ trống có thể
ôxy hóa H2O để tạo gốc hydroxyl OH:
H2O + h+ OH + H+
Viện KH và CN Môi trường

13
ĐH Bách Khoa Hà Nội

(1.1)


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

Thế khử của điện tử ở vùng dẫn là -0,52V, âm hơn thế khử của gốc superoxyt


O2- là -0,28V nên điện tử có thể khử O2 để tạo gốc superoxyt:
O2 + e- O2-

(1.2)

Từ (1.1) và (1.2) cho thấy, sản phẩm là gốc hydroxyl OH có tính ôxy hóa rất
mạnh và gốc superoxyt O2- có tính khử, nên chúng sẽ ôxy hóa khử các chất hữu cơ
trên bề mặt để tạo ra các sản phẩm là CO2 và H2O.

Hình 1.5. Giản đồ thế oxy hóa – khử của TiO2
1.4. Đặc điểm vật liệu xúc tác quang TiO2 và TiO2 biến tính
1.4.1. Vật liệu nano TiO2
Titan đioxit TiO2 là một trong những vật liệu có tính ứng dụng phổ biến trong
nhiều lĩnh vực khác nhau với lượng tiêu thụ hàng năm lên tới 4 triệu tấn. Chất
lượng của TiO2 thường được đánh giá thông qua thành phần hoá học và các đặc
trưng vật lý như diện tích bề mặt riêng, kích thước hạt, độ xốp, hoạt tính xúc tác.
a) Cấu trúc và tính chất của TiO2
TiO2 là chất bán dẫn tồn tại ở 3 dạng thù hình cơ bản: rutile, anatase và
brookite với cấu trúc thuộc hệ tinh thể tứ diện. Các dạng tinh thể này đều được tạo
nên từ các đa diện phối trí TiO 6 cấu trúc theo kiểu bát diện, các đa diện phối trí này
sắp xếp khác nhau trong không gian (hình 1.6) [5, 6].

Viện KH và CN Môi trường

14
ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

Hình 1.6. Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2
(a) dạng anatase, (b) dạng rutile, (c) dạng brookite [43]
Trong 3 dạng thù hình của TiO 2, anatase (hình 1.6a) có hoạt tính quang hoá
mạnh nhất, brookite (hình 1.6c) có hoạt tính quang hoá yếu nhất và rutile (hình
1.6b) là trạng thái tinh thể bền của TiO 2, có độ xếp chặt cao nhất so với 2 pha còn
lại. Một số tính chất của thể rutile và anatase như bảng 1.1 sau:
Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của tinh thể rutile và anatase
Các thông số

Rutile

Anatase

Cấu trúc tinh thể

Tứ diện

Tứ diện

a = b (Å)

4,58

3,778

c (Å)

2,95

9,49

Khối lượng riêng (g/cm3)

4,25

3,895

Chiết suất

2,75

2,54

Độ rộng vùng cấm (eV)

3,05

3,25

Nhiệt độ nóng chảy (°C)

1830 ÷ 1850

Ở nhiệt độ cao chuyển
thành rutile

Thông số mạng

b) Các phương pháp điều chế nano TiO2
* Phương pháp vật lý:theo Ngô Sỹ Lương và cộng sự [4]có thể sử dụng 3
phương pháp sauđể điều chế nano TiO2:
- Phương pháp bốc bay hơi nhiệt: Sử dụng thiết bị bay hơi titan kim loại ở
nhiệt độ cao, sau đó cho kim loại dạng hơi tiếp xúc với oxi không khí để thu được
oxit kim loại. Sản phẩm thu được là TiO2 dạng bột hoặc màng mỏng.

Viện KH và CN Môi trường

15
ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

- Phương pháp bắn phá ion (sputtering): Các phân tử được tách ra khỏi nguồn
rắn nhờ quá trình va đập của các khí ví dụ Ar +, sau đó tích tụ trên đế. Phương pháp
này thường được dùng để điều chế màng TiO x đa tinh thể nhưng thành phần chính
là rutile và không có hoạt tính xúc tác.
- Phương pháp ăn mòn quang điện: phương pháp này tạo ra TiO 2 có cấu trúc
tổ ong, kích thước nanomét, vì vậy có diện tích bề mặt rất lớn nhưng sản phẩm tạo
thành lại ở dạng rutile.
* Phương pháp hóa học: một số phương pháp hóa học thường sử dụng:
- Phương pháp sol-gel [47]: là phương pháp phổ biến và hữu hiệu nhất hiện
nay để chế tạo các loại vật liệu kích thước nanomet dạng bột hoặc màng mỏng với
cấu trúc, thành phần như ý muốn. Ưu điểm của phương pháp này là dễ điều khiển
kích thước hạt và sản phẩm có độ đồng đều cao, đặc biệt là chi phí thấp.
Quy trình chung của phương pháp sol - gel thực hiện theo sơ đồ sau :

Tiền chất

Peptit hóa

Sol

Gel hóa

Gel

Già hóa

Xerogel

Vật liệu rắn mang bản chất oxit Thiêu kết

Trong đó sol là một hệ keo chứa các hạt có kích thước 1-1000 nm trong môi
trường phân tán rất đồng đều về mặt hóa học; gel là hệ bán cứng chứa dung môi
trong mạng lưới sau khi gel hóa tức là ngưng tụ sol đến khi độ nhớt của hệ tăng lên
đột ngột.
- Phương pháp sử dụng sóng siêu âm [57]: phương pháp nàyđược sử dụng
trong lĩnh vực khoa học vật liệu trong vài năm gần đây, trong đó có ứng dụng để
điều chế TiO2 kích cỡ nano mét từ chất đầu TiCl 4. Tác dụng của sóng siêu âm là
thúc đẩy sự tương tác giữa các sản phẩm của quá trình thuỷ phân, làm mất nhóm

Viện KH và CN Môi trường

16
ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

hidroxit hay nước, tạo thành các bát diện TiO 6. Các mầm tinh thể được tạo thành
khi nồng độ các bát diệnTiO6 đạt đến quá bão hoà.
- Phương pháp thủy nhiệt [4, 19]: thực hiệnnhững phản ứng hóa học hỗn tạp
xảy ra với sự có mặt của một dung môi thích hợp (thường là nước) ở trên nhiệt độ
phòng, áp suất cao (trên 1atm) trong một hệ thống kín (thường là thiết bị autoclave).
Phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi để tổng hợp các sản phẩm trong công
nghiệp gốm sứ với các hạt mịn kích thước nhỏ.
- Phương pháp kết tủa đồng thể [65]: sử dụng dung dịch TiCl4 làm chất đầu
để điều chế bột TiO2 bằng phương pháp kết tủa đồng thể. Dung dịch TiCl 4 được
làm lạnh ở 0°C, sau đó thêm từng mẩu đá nhỏ vào để thực hiện phản ứng thuỷ phân
tạo thành dung dịch màu vàng nhạt TiOCl2. Thêm nước cất vào dung dịch TiOCl2
để thu được dung dịch trong suốt có nồng độ Ti 4+ là 0,5 M dùng cho quá trình kết
tủa đồng thể.
Quá trình kết tủa đồng thể được bắt đầu bằng sự thay đổi nhiệt độ của dung
dịch TiOCl2, từ nhiệt độ phòng đến 100°C dưới áp suất khí quyển. Kết tủa được lọc
bằng màng polytetrafloetylen có kích thước lỗ 0,2 µm và được rửa bằng nước cất
hoặc etanol. Sấy khô kết tủa ở 50°C trong 12h thu được sản phẩm cuối cùng.
1.4.2. Vật liệu nano TiO2 biến tính
Bột và màng nano TiO 2 có khả năng XTQH lớn, độ bền hoá học cao, không
độc hại và giá thành rẻ. Tuy nhiên, tinh thể TiO 2 có độ rộng vùng cấm lớn (3,2 - 3,8
eV), nên độ nhạy quang chỉ nằm trong vùng ánh sáng tử ngoại với λ< 380 nm, tức
chỉ 5% năng lượng mặt trời trong vùng tử ngoại có khả năng kích hoạt phản ứng
XTQH[1].Để chuyển phản ứng XTQH về vùng ánh sáng khả kiến, ở đó chiếm 45%
năng lượng mặt trời, người ta sử dụng kỹ thuật cấy vật liệu (doping hay còn gọi là

biến tính). Các vật liệu nano TiO 2 được doping khá đa dạng, mang những tính chất
hơn hẳn so với vật liệu nano TiO2 thông thường và đã được chứng minh bởi nhiều
nghiên cứu. Có 3 kiểu biến tính TiO2 như sau: biến tính bởi nguyên tố kim loại, biến
tính bởi nguyên tố phi kim và biến tính bởi hỗn hợp[16].

Viện KH và CN Môi trường

17
ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

-Biến tính bởi nguyên tố kim loại: thường sử dụng các kim loại quý hoặc oxit
của chúng để đưa vào vật liệu nano TiO 2 như Ag, Pd, Mo, Ce, Ni, Zr… [37, 46, 57].
Các phương pháp điều chế các vật liệu nano TiO 2 biến tính bởi kim loại có thể được
chia thành ba loại: Phương pháp hóa ướt, phương pháp xử lý nhiệt độ cao và
phương pháp cấy ion trên các vật liệu nano TiO 2. Các phương pháp hóa ướt thường
liên quan đến sự thủy phân của một chất đầu titan trong một hỗn hợp của nước và
các thuốc thử khác, đi kèm với sự gia nhiệt. TiO 2 sau khi được biến tính bởi kim
loại có thể có hoạt tính dưới ánh sáng khả kiến, với hiệu lực trong sự dịch chuyển
ánh sáng đỏ là V > Cr > Mn > Fe > Ni [16]. Với bạc (Ag), do có khả năng kháng
khuẩn nên TiO2 sau khi biến tính bởi bạc có khả năng kháng khuẩn mạnh.
- Biến tính bởi phi kim:thường sử dụng các nguyên tố như B, C, N, F, S, Cl và
Br để đưa vào các vật liệu nano TiO 2[45, 59, 64]. Sự có mặt của các nguyên tố này
trong cấu trúc của TiO2 cũng gây ra sự thu hẹp độ rộng vùng cấm của TiO2. Sự biến
tính bằng cách pha tạp N là hiệu quả nhất trong việc thu hẹp độ rộng vùng cấmbởi
vì các trạng thái p của chúng có khả năng trộn lẫn với các obitan 2p của O, trong

khi các tiểu phân lại tồn tại ở dạng phân tử, ví dụ như các chất thêm NO và N 2, làm
tăng trạng thái liên kết phía dưới các dải hóa trị của obitan 2p của O. Ngoài ra, đối
với sự biến tính bởi nitơ trong cả dạng anatase và rutile, các trạng thái được định
chỗ của obitan 2p của N ở ngay trên đỉnh của dải hóa trị của obitan 2p của O. Ở
anatase, các trạng thái của chất thêm này gây ra sự dịch chuyển ánh sáng đỏ của rìa
mép dải hấp thụ về phía vùng ánh sáng khả kiến. Trong khi ở rutile nhìn chung lại
là sự dịch chuyển ánh sánh xanh được tìm thấy [16]. Nhiều công trình nghiên cứu
về hiệu quả ôxy hoá các chất của vật liệu TiO 2 biến tính nitơ được thực hiện như:
nâng cao sự phân hủy quang metyl da cam và 2-mecaptobenzothiazon[27], phân
huỷ 4- clorophenol dưới ánh sáng khả kiến có bước sóng λ>400nm [34], phân hủy
quang hoàn toàn của chất màu dưới ánh sáng mặt trời[8], phân huỷ phenol và thuốc
nhuộm azo- Reactive Red 198 [11], chất màu azo Reactive Red 198 và Direct
Green 99 [4], ngay cả chất khó xử lý hiện nay như các loại thuốc diệt cỏ axit (RS)2-(4-cloro-2-metyl phenoxi) propionic (mecoprop) và axit 4-clo-2-metylphenoxi

Viện KH và CN Môi trường

18
ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

axetic (MCPA) đều có khả năng phân huỷ tốt bằng cách sử dụng các nguồn sáng
khác nhau [13].Trong các nghiên cứu, vật liệu TiO2 biến tính nitơ (N-TiO2) bằng
phương pháp sol-gel, các kết quả phân tích cho thấy tất cả các mẫu là TiO 2 kích
thước tinh thể tăng khi tỉ lệ N/TiO 2 tăng và việc biến tính nitơ có thể làm tăng bề
mặt riêng, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng về vùng khả kiến kể cả ở bước sóng
λ>400nm (Hình 1.7). Các kết quả chỉ ra rằng nhờ việc nâng cao sự phân hủy quang

các chủ yếu liên quan đến việc làm tăng sự phân tách các cặp electron (e-)-lỗ trống
(h+) do sự có mặt của Ti 3p, cải thiện sự hấp phụ chất nền hữu cơ trong huyền phù
xúc tác và phản ứng quang dưới ánh sáng khả kiến.

Hình 1.7. Năng lượng hoạt hoá của vật liệuN-TiO2[50]
- Ngoài ra, TiO2 cũng có thể được biến tính bởi hỗn hợp nhiều nguyên tố.
Nghiên cứu của tác giả Zhang và cộng sựcho thấy rằng vật liệu nano TiO2có thể
được biến tính đồng thời bởi N và các kim loại chuyển tiếp (V, Cr, Cu, Zn, Ni, Co,
V, Mn, Fe) với sự hấp thụ ánh sáng khả kiến, trong đó Cr cho hiệu quả dịch chuyển
lớn nhất [66].
1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xúc tác quang hoá
Dưới cùng các điều kiện phản ứng như nhau, các mẫu TiO 2 được tổng hợp ở
các điều kiện khác nhau có thể có hoạt tính XTQH khác nhau. Nguyên nhân là do
sự khác nhau về các đặc trưng hóa lý sau đây của các mẫu TiO 2:
* Ảnh hưởng của hiệu ứng tái hợp điện tử – lỗ trống
Viện KH và CN Môi trường

19
ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

Tốc độ tái hợp của điện tử và lỗ trống phải nhỏ trong phản ứng XTQH vì khi
chúng tái hợp sẽ không tham gia phản ứng hóa học với các chất hấp thụ trên bề mặt
nữa. Hiện nay, phổ laser siêu nhanh có thể giúp chúng ta xác định tốc độ tái hợp
xảy ra trong một khoảng thời gian vài chục pico giây trong phản ứng XTQH của
TiO2[41].

* Ảnh hưởng của các chất “bẫy electron”, “bẫy gốc hydroxyl” [28]
Khi hệ phản ứng có các chất O 2, O3, H2O hoặc S2O82– thu nhận e– trên vùng
hóa trị làm kéo dài thời gian sống của các lỗ trống h +, thì hoạt tính XTQH sẽ tăng,
thêm vào đó các chất này còn tạo ra gốc hydroxyl tự do:
O2+e–O2–
2O2–+ 2H2O H2O2+ 2OH– + O2
H2O2 + e–OH + OH–
Hoạt tính XTQH của TiO2 sẽ giảm đi khi trong dung dịch có mặt các ion như
Cl–, CO32–, SO42–,… do các ion này bẫy OH– và làm giảm nồng độ OH:


OH + Cl–Cl + OH–



OH + CO32–CO3– + OH–



OH + HCO3–CO3–+ H2O

* Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác
Tốc độ đầu của phản ứng tỉ lệ với hàm lượng xúc tác cho vào. Tuy nhiên, khi
hàm lượng TiO2 vượt một giá trị giới hạn nào đó thì sự tăng tốc độ phản ứng chậm
lại và trở nên không phụ thuộc vào hàm lượng TiO 2. Điều này được giải thích là do
khi hàm lượng xúc tác lớn hơn giá trị tới hạn, các hạt xúc tác dư ra sẽ che chắn một
phần bề mặt nhạy sáng của xúc tác. Vì vậy cần xác định hàm lượng xúc tác tối ưu
để tránh lãng phí chất xúc tác, đồng thời để đảm bảo hấp thu tối đa lượng photon
ánh sáng [12].
* Ảnh hưởng của nhiệt độ

Đa số các phản ứng XTQH không nhạy với nhiệt độ hoặc thay đổi rất ít theo
nhiệt độ. Tuy nhiên, theo Kaneco và Okuraviệc tăng nhiệt độ có thể làm giảm tốc
độ tái hợp giữa e- và h+[41].

Viện KH và CN Môi trường

20
ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

* Ảnh hưởng của bước sóng và cường độ bức xạ
Sự phụ thuộc tốc độ quá trình XTQH vào bước sóng của bức xạ cùng dạng với
phổ hấp thu của xúc tác và có giá trị ngưỡng tương ứng với năng lượng vùng cấm
của xúc tác. Xúc tác TiO 2 thù hình anatase có năng lượng vùng cấm E g = 3,2eV,
tương ứng với khả năng hấp thụ bức xạ có bước sóng λ ≤ 387,5nm.Tốc độ quá trình
quang hóa tăng một cách tuyến tính cùng với cường độ bức xạ UV-A trong khoảng
0- 20 mW/cm2. Khi cường độ bức xạ vượt qua một giá trị nhất định (khoảng 25
mW/cm2), tốc độ quá trình XTQH tỷ lệ với căn bậc 2 của cường độ bức xạ. Vì vậy,
công suất nguồn UV tối ưu cần được chọn tương ứng với vùng có cường độ bức xạ
tỉ lệ tuyến tính với tốc độ quá trình quang hóa [42]
* Ảnh hưởng của nồng độ oxy
Tốc độ và hiệu quả của quá trình XTQH phân hủy các chất hữu cơ được tăng
cường nhờ sự tham gia của oxy. Với vai trò làm tâm bẫy điện tử vùng dẫn, phân tử
oxy đã ngăn chặn một phần sự tái hợp của cặp e –/h+ cùng với việc tạo thành một tác
nhân oxy hóa hiệu quả là anion peroxit [49].
* Ảnh hưởng của yếu tố kích thước hạt

Kích thước hạt của TiO2 cũng là một thông số rất quan trọng ảnh hưởng đến
các giai đoạn phản ứng quang hóa. TiO 2 nanomet có hoạt tính quang hóa cao hơn và
chọn lọc hơn TiO2 P25 Degussa thương mại. Tuy nhiên, các nghiên cứu thực
nghiệm đã chỉ ra rằng, không phải kích thước hạt càng bé sẽ dẫn đến hoạt tính càng
cao mà tồn tại một kích thước hạt TiO 2 tối ưu để cho các tốc độ phân hủy quang hóa
đạt cực đại. Ví dụ đối với quá trình quang phân hủy chloroform trong nước, kích
thước tối ưu của TiO2 là 11 nm, điều này được giải thích rằng do tốc độ tái hợp điện
tử - lỗ trống (e–/h+) chủ yếu được xác định bằng số lượng tâm khuyết tật trên bề mặt
bán dẫn, vì vậy khi các hạt bé hơn kích thước tối ưu thì xác suất gặp gỡ của các hạt
điện tích tăng lên và dẫn đến tốc độ tái hợp e–/h+ ở bề mặt sẽ tăng lên [67].
Kết quả nghiên cứu của Jung và cộng sựchỉ ra rằng, kích thước hạt tối ưu của
TiO2 nằm trong khoảng từ 25 -40 nm tương ứng với kích thước tinh thể pha anatase
khoảng 25 nm [40]. Sự tồn tại kích thước hạt và kích thước tinh thể tối ưu là do có

Viện KH và CN Môi trường

21
ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

sự phụ thuộc của hiệu quả hấp thụ và tán xạ ánh sáng và động lực của các hạt mang
điện vào kích thước hạt đối với các hạt có kích thước nhỏ hơn 30 nm. Khi kích
thước hạt lớn hơn 30 nm, diện tích bề mặt có tính chất quyết định đến hoạt tính
quang hóa và khi đó, hoạt tính giảm cùng với việc tăng kích thước hạt. Diện tích bề
mặt lớn với mật độ các chất trên bề mặt không đổi dẫn đến tốc độ phản ứng giữa
các electron và lỗ trống với các chất nhanh hơn bởi số luợng các chất bao quanh cặp

e–/h+ nhiều hơn. Theo đó thì diện tích bề mặt càng lớn thì hoạt tính XTQH càng cao.
Đối với TiO2 có bề mặt và kích thước hạt xác định thì hoạt tính xúc tác sẽ tăng
tuyến tính theo kích thước tinh thể pha anatase cho đến khi không có sự xuất hiện
của pha rutile [17].
1.6. Thiết bị làm sạch không khí trên cơ sở xúc tác quang hóa TiO2
Cùng với tình trạng ONKK ngày càng gia tăng thì việc nghiên cứu và phát
triển các công nghệ xử lý ONKK cũng ngày càng được chú trọng, nhiều dòng thiết
bị LSKK đã ra đời để đáp ứng nhu cầu của con người đáng kể đến như: các dòng
thiết bị LSKK bằng nguyên lý lọc, bằng ion hóa, bằng đốt cháy và mới nhất là
XTQH.
Trong các thiết bị LSKK bằng nguyên lý lọc, người ta thường bố trí các tấm
lọc thô và tấm lọc HEPA, có thể loại bỏ đến 99% các hại bụi có kích thước trên 0,3
µm và có thể giữ lại một số vi sinh vật. Tuy nhiên, loại thiết bị này không thể xử lý
được các hóa chất độc hại và mùi,vi sinh vật chỉ được giữ lại trên tấm lọcnên có khả
năng khuếch tán trở lại môi trường không khí.
Thiết bị LSKK bằng ion hóa dựa trên các phản ứng hóa học để tích điện âm
cho các hạt bụi, hạt lơ lửng hoặc một số VOC trong không khí, sau đó các hạt mang
điện này sẽ bị giữ lại trong thiết bị bằng lực hút tĩnh điện với các bộ phận mang
điện tích dương của thiết bị. Các thiết bị loại này, nếu có công suất nhỏ thì không có
tác dụng trên các hóa chất độc hại, vi khuẩn, vi rút, nếu có công suất lớn thì sinh ra
khí ozon có hại cho sức khỏe con người và gây ra mùi khó chịu.
Thiết bị LSKK bằng đốt cháy xử lý các phân tử và chất độc hại bằng cách đốt
cháy chúng khi không khí được nâng lên nhiệt độ cao vài trăm đến 1000°C hoặc sử

Viện KH và CN Môi trường

22
ĐH Bách Khoa Hà Nội

Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

dụng plasma. Hiện nay, dòng thiết bị này chưa phổ biến, mới chỉ có vài hãng sản
xuất và tung ra thị trường là Airfree, Biozone Europe Air in space, Daikin (hình
1.8).

Airfree
Daikin
Biozone Europe
Hình 1.8. Một số thiết bị LSKK bằng đốt cháy
Giá thành các sản phẩm này khoảng trên 300 đôla tùy công suất. Tuy nhiên,
dòng thiết bị này có đặc điểm: quá trình xử lý lâu, chỉ có hiệu quả trong một không
gian hẹp, chỉ có một số loại hóa chất độc hại bị xử lý và có thể sinh ra ozon có hại
cho sức khỏe người xung quanh.
Cho đến nay, trên thị trường đã xuất hiện nhiều dòng máy xử lý không khí
bằng XTQH do các nước Mỹ, Nga, Nhật, Hàn Quốc, Trung Quốc, Malaysia... sản
xuất. Các thiết bị này có nguyên tắc làm việc chung là: không khí môi trường được
quạt hút vào thiết bị, đầu tiên đi qua lớp lọc thô và lọc tinh để loại bỏ các hạt bụi có
kích thước đến 0,3 µm, sau đó đi qua bộ lọc XTQH (gồm vật mang phủ nano TiO 2
và đèn UV) để loại bỏ hóa chất độc hại và vi khuẩn. Không khí sau đó đi qua một
lớp lọc bằng than hoạt tính để loại bỏ mùi, đảm bảo hoàn toàn sạch. Do đó, mặc dù
các thiết bị LSKK bằng XTQH tuy xuất phát sau, nhưng với những ưu điểm vượt
trội nên đã có những bước phát triển mạnh mẽ.
Trong số các thiết bị có mặt trên thị trường hiện nay, đáng chú ý là các loại
của thiết bị của Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga. Một số dòng máy điển hình của các
quốc gia này được giới thiệu trên các hình 1.9 sau:

Viện KH và CN Môi trường

23
ĐH Bách Khoa Hà Nội


Luận văn Thạc Sỹ

CLEANCARE
Enputech, Mỹ

Nghiêm Thị Mây

SEIWA KOGYO,
Nhật Bản

Happy Life,
Hàn Quốc

Tiokraft VR-750,
Nga

Hình 1.9. Thiết bị LSKK theo phương pháp XTQH của một số hãng trên thế giới
Trên các cơ sở tìm hiểu trên, việc chế tạo một thiết bị LSKKnhằm mục đích
làm sạch không khí khỏi vi sinh vật gây bệnh, các phân tử hữu cơ độchại trong nhà
tại phòng làm việc cơ quan, khách sạn, cơ sở y tế, trường học, phòng thí nghiệm,
nhà in... bằng phương pháp XTQH mà có thể thương mại hóa trong nước là một yêu
cầu cấp thiết. Đồng thời với các đặc điểm nổi trội về tính chất của vật liệu TiO 2 biến
tính N, trong các phần tiếp theo của luận văn sẽ tập trung nghiên cứu về khả năng
ứng dụng của vật liệu TiO2 biến tính N trong thiết bị làm sạch không khí có công
suất đến 25 m3/h, tương ứng với môi trường của phòng 2 người làm việc [2].

Viện KH và CN Môi trường
Airfree

24
ĐH Bách Khoa Hà Nội
Daikin

Biozone Europe


Luận văn Thạc Sỹ

Nghiêm Thị Mây

CHƯƠNG II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nghiên cứu lựa chọnvật liệu chế tạo các bộ lọc
Trong thiết bị LSKK bằng XTQH, bộ phận quan trọng nhất là bộ lọc XTQH
với vai trò oxy hóa các hợp chất VOC và khử trùng. Tuy nhiên, để thiết bị làm việc
hiệu quả và giữ cho bộ lọc XTQH hoạt động lâu dài thì phía trước bộ lọc này lắp
một bộ lọc sơ cấp, đồng thời phía sau, ngay sát cửa ra của không khí cũng bố trí
thêm một lớp lọc than hoạt tính.
2.1.1Nghiên cứu lựa chọn vật liệu lọc sơ cấp
Bộ lọc sơ cấp gồm hai lớp lọc là lọc thô và lọc tinh. Lớp lọc thô là tầng lọc
đầu tiên trong thiết bị làm sạch không khí, có tác dụng loại bỏ các hạt bụi có kích
thước lớn, từ 3 µm trở lên. Lớp lọc tinh là lớp lọc kế tiếp có tác dụng giữ lại các hạt
bụi và hạt lơ lửng có kích thước đến 0,5 µm.
Trong thiết bị LSKK 25 m3/h, lưu lượng dòng khí thấp, tốc độ dòng khí nhỏ,
do đó có thể lựa chọn các vật liệu có cấp độ lọc trung bình từ G2 đến M5 (phân loại
theo tiêu chuẩn EN779:2012) (xem phụ lục 2).

Khảo sát trên thi trường các vật liệu lọc thô cấp độ G2-G4thường là các loại
sau:
1- Bông dạng tấm PE: chế tạo bằng vật liệu PE, có độ dày từ 5 đến 10 mm,
chịu tốt trong môi trường ẩm và hóa chất.
2- Bông sợi tổng hợp: Kết hợp của nhiều chất liệu khác nhau để tăng khả năng
bắt bụi, nhưng vẫn có khả năng chịu ẩm và hóa chất.
3- Vật liệu xốp PU: có độ xốp lớn, lọc môi trường nồng độ bụi cao, kích cỡ
hạt bụi lớn, rất rẻ tiền và dễ thay thế.
4- Bông hoặc vải không dệt bằng vật liệu PP: loại này có khả năng giữ ẩm, giữ
các hạt mang điện tích, có các chiều dày khác nhau tùy theo cấp độ lọc.
Trên cơ sở phân tích trên tiến hành lựa chọn vật liệu lọc đáp ứng các yêu cầu
kỹ thuật cho thiết bị.
2.1.2. Nghiên cứu lựa chọn vật liệu lọc than hoạt tính
Trong cấu trúc thiết bị LSKK, bộ lọc than hoạt tính có công dụng chính là hấp
phụ các mùi khó chịu – hydrocacbon thơm và những hợp chất hữu cơ hoặc có
Viện KH và CN Môi trường

25
ĐH Bách Khoa Hà Nội