Nghiên cứu xử lý VOCs trong không khí trong nhà bằng công nghệ quang xúc tác

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HOÀNG MỸ LINH

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ VOCs TRONG
KHÔNG KHÍ TRONG
NHÀ BẰNG CÔNG NGHỆ QUANG XÚCTÁC
REMOVAL OF VOCs IN INDOOR AIR BY
PHOTOCATALYSIS
Chuyên ngành: Kỹ thuật môi truờng
Mã số: 60520320

LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: TS. NGUYỄN NHẬT HUY

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2019


Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Nhật Huy
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. TS. Lê Anh Kiên
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS. TS. Trần Tiến Khôi
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày
05 tháng 07 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS. TS. Đặng Viết Hùng
2. TS. Võ Thanh Hằng
3. TS. Lê Anh Kiên
4. PGS. TS. Trần Tiến Khôi
5. TS. Huỳnh Khánh An
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG TRƯỞNG KHOA TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
••••

Họ tên học viên: Nguyễn Hoàng Mỹ Linh

MSHV: 1670867

Ngày, tháng, năm sinh: 19/01/1994

Nơi sinh: TP.HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi truờng

Mã số : 60520320

I.
TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu xử lý VOCs trong không khí trong nhà bằng công
nghệ quang xúc tác
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Nội dung 1: Khảo sát hiệu quả xử lý formaldehyde của TNTs đuợc biến tính với
các kim loại khác nhau.
- Nội dung 2: Khảo sát ảnh huởng của nhiệt độ nung.
- Nội dung 3: Khảo sát ảnh huởng của hàm luợng kim loại.
- Nội dung 4: Khảo sát sự ổn định của mô hĩnh thí nghiệm.
- Nội dung 5: Khảo sát ảnh huởng của cuờng độ chiếu sáng.
- Nội dung 6: Khảo sát ảnh huởng của khối luợng vật liệu xúc tác

III. NGÀY GIAO NHIỆM vụ : 15/01/2018
IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/06/2019

V.

CÁN Bộ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Nguyễn Nhật Huy
Tp. HCM, ngày 28 tháng 06 năm 2019
CÁN Bộ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
(Họ tên và chữ ký)


2

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian học tập và rèn luyện duới giảng đuờng truờng Đại học Bách
Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TP.HCM, với lòng yêu nghề, sự tận tâm dạy dỗ truyền
đạt kiến thức của thầy cô, em đã hiểu biết và tích lũy thêm rất nhiều kiến thức bổ ích
cũng nhu các kỹ năng cần thiết giúp em có thêm hành trang buớc vào cuộc sống.
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy TS. Nguyễn Nhật Huy, nguời đã
giúp em đến với huớng nghiên cứu này, đồng thời cũng là nguời tận tĩnh chỉ báo,
truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn
thành tốt luận văn.
Tiếp theo, em xin cảm ơn các Thầy Cô đã chỉ bảo và tạo điều kiện cho chúng em
sử dụng phòng thí nghiệm và hỗ trợ các thiết bị, dụng cụ thí nghiệm trong quá trình
làm luận văn tốt nghiệp.
Cuối cùng, em xin cảm ơn bạn bè và nguời thân trong gia đĩnh, những nguời đã
luôn nhiệt tĩnh giúp đỡ, động viên em trong thời gian qua.
Nguồn kiến thức thi vô tận và thời gian thực hiện luận văn còn hạn chế nên
trong suốt quá trình thực hiện sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, em chân thành
cảm ơn những góp ý vô cùng quý giá của Thầy Cô.

TP.HCM, tháng 06 năm 2019
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Hoàng Mỹ Linh

3

TÓM TẮT
Nghiên cứu này được thực hiện nhằm khảo sát hiệu quả xử lý hơi formaldehyde
(là một trong những hợp chất hữu cơ dễ bay hơi - VOCs) của vật liệu titania
nanotubes (TNTs) được biến tính với các kim loại khác nhau (Zn, Mg, Cu, Fe,...).
Formaldehyde được biết đến như là một trong những chất gây ô nhiễm phổ biến nhất
trong không khí trong nhà vĩ có khả năng gây ung thư khi tiếp xúc trong thời gian dài.
Nó được sử dụng làm chất bảo quản, khử trùng và làm sạch trong xây dựng, trang trí
và cách nhiệt vật liệu, đồ gỗ, sàn gỗ, thảm và hàng dệt may. Ngoài ra, formaldehyde
trong nhà được thải ra (khoảng 10% - 30%) từ quá trình đốt (hút thuốc lá, lò sưởi và lò
nung). Vật liệu TNTs được biến tính với kim loại với hoạt tính quang xúc tác mạnh
mang đến nhiều triển vọng cho các giải pháp kỹ thuật xử lý ô nhiễm không khí trong
nhà với các ưu điểm nổi bật như oxi hóa hầu hết các chất ô nhiễm hữu cơ thành sản
phẩm cuối cùng không độc hại là CŨ 2 và H2O, được thực hiện ở điều kiện nhiệt độ
và áp suất bĩnh thường, có chi phí đầu tư và vận hành thấp,... Do đó, xử lý VOCs nói
chung và formaldehyde nói riêng bằng phương pháp quang xúc tác là hướng nghiên
cứu mới và cấp thiết hiện nay. Đe tài thực hiện sáu thí nghiệm để khảo sát hiệu quả xử
lý formaldehyde của TNTs được biến tính với các kim loại. Thí nghiệm 1: Khảo sát
hiệu quả xử lý formaldehyde của TNTs được biến tính với các kim loại khác nhau (Zn,
Mg, Ni, Al, Cu, Fe, Cd, Mn). Kết quả cho thấy TNTs được biến tính với Zn (Zn/TNTs)
cho hiệu quả xứ lý tốt nhất (khoảng trên 80%). Thí nghiệm 2: Khảo sát hiệu quả xử lý
formaldehyde của Zn/TNTs khi nung ở các nhiệt độ khác nhau từ 200°c đến 600°c. Kết
quả cho thấy Zn/TNTs nung ở 400°c cho hiệu quả xứ lý tốt nhất (khoảng trên 80%).
Thí nghiệm 3: Khảo sát hiệu quả xử lý formaldehyde của Zn/TNTs được nung ở 400°c
và thay đối phần trăm khối lượng kim loại Zn khi biến tính với TNTs từ 0,25% đến
2,5%. Kết quả cho thấy Zn/TNTs (1% Zn) nung ở 400°c cho hiệu quả xứ lý tốt nhất

(khoảng trên 80%). Thí nghiệm 4: Khảo sát hiệu quả xử lý formaldehyde của vật liệu
TNTs biến tính với kim loại (Zn/TNTs 400°c, 1%) và sự ổn định của mô hình thí
nghiệm. Kết quả cho thấy Zn/TNTs 400°c, 1% cho hiệu quả xứ lý tốt nhất từ 85% đến
91%. Thí nghiệm 5: Khảo sát hiệu quả xử lý formaldehyde của vật liệu Zn/TNTs
(400°c, 1%)


4

khi thay đổi số lượng đèn uv (15W). Kết quả cho thấy Zn/TNTs (400°c, 1%, 3 đèn
UV) cho hiệu quả xử lý tốt nhất khoảng trên 80%. Thí nghiệm 6: Khảo sát hiệu quả
xử lý formaldehyde của vật liệu Zn/TNTs (400°c, 1%, 3 đèn UV) khi thay đổi khối
lượng vật liệu xúc tác. Kết quả cho thấy Zn/TNTs (400°c, 1%, 3 đèn uv, 0,llg) cho
hiệu quả xứ lý tốt nhất khoảng trên 80%.


5

ABSTRACT
This study is conduct to investigate the effectiveness of the removal of
formaldehyde vapors (one of the volatile organic compounds - VOCs) of titania
nanotubes (TNTs) that is doped with different metals (Zn, Mg, Cu, Fe, ...).
Formaldehyde is known as one of the most common contaminants in indoor air
because of its potential to cause cancer when exposed to for a long time. It is used as a
preservative, disinfectant and cleaning in construction, decoration and insulation
materials, furniture, wood floors, carpets and textiles. In addition, indoor
formaldehyde is release (about 10% - 30%) from combustion (smoking, heating and
furnaces). TNTs doped with metals with strong photocatalytic activities bring great
potential for technical solutions to remove indoor air pollution with outstanding
advantages such as oxidizing most pollutants organic into a non-toxic final product is

CŨ2 and H2O, which is carried out under normal temperature and pressure
conditions, has low investing and operating costs, etc. Therefore, removing VOCs in
general and formaldehyde in particular by photocatalyst method is the new and urgent
research direction today. The study is conducted six experiments to investigate the
formaldehyde removal efficiency of TNTs doped with metals. Experiment 1:
Investigation of formaldehyde removal efficiency of TNTs doped with different
metals (Zn, Mg, Ni, Al, Cu, Fe, Cd, Mn). The result showed that TNTs doped with Zn
(Zn/TNTs) for the best effective removal (over 80%). Experiment 2: nvestigation of
formaldehyde removal efficiency of Zn/TNTs when calcinating at different
temperatures from 200°c to 600°c. The result showed that Zn/TNTs calcined at 400°c
for best effective removal (over 80%). Experiment 3: Investigation of formaldehyde
removal efficiency of Zn/TNTs calcined at 400°c and change the percentage of mass of
Zn from 0.25% to 2.5%. The result showed that Zn/TNTs (1% Zn) calcined at 400°c
gave the best effective removal (over 80%). Experiment 4: Investigation of
formaldehyde removal efficiency of Zn/TNTs (400°c, 1%) and stability of
experimental model. The results showed that the Zn/TNTs (400°c, 1%) showed the
best removal (85% - 91%). Experiment 5: Investigation of formaldehyde removal
efficiency of Zn/TNTs (400°c, 1%) when


6

changing the number of uv lamps (15 W). The result showed that Zn/TNTs (400°c,
1%, 3 uv lamps) gave the best removal (over 80%). Experiment 6: Investigation of
formaldehyde removal efficiency of Zn/TNTs (400°c, 1%, 3 uv lamps) when changing
the mass of catalyst materials. The results showed that Zn/TNTs (400°c, 1%, 3 uv
lamps, 0.1 lg) gave the best effective removal (over 80%).


7

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, đuợc thực hiện duới sự
huớng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Nhật Huy. Các số liệu, những kết luận nghiên
cứu đuợc trình bày trong luận văn này hoàn toàn trung thực.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này.
Học viên
Nguyễn Hoàng Mỹ Linh


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ACGIH
AOPs

Hội nghị các vệ sinh viên công nghiệp của chính phủ Mỹ
Quá trình oxy hóa nâng cao

HCHO

Formaldehyde

OSHA

Cơ quan quản lý an toàn và sức khỏe nghề nghiệp

TNTs

Titania nanotubes

TSCA

Đạo luật kiểm soát các chất độc hại

US EPA
VOCs

Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ
Volatile organic compounds

WHO

World Health Oganization


9

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. VOCs điển hình thường tồn tại trong không khí trong nhà và các nguồn gốc
phát sinh VOCs
Bảng 2.2. Tỉ lệ trong nhà/ngoài nhà cho các hợp chất hữu cơ thường gặp ở các môi
trường trong nhà khác nhau
Bảng 2.3. Nồng độ các hợp chất hữu cơ thông thường ở các không gian khác nhau
trong nhà (pg/m3)
Bảng 2.4. Một số đặc điểm lý - hoá của formaldehyde
Bảng 2.5. Ảnh hưởng của HCHO lên con người sau thời gian tiếp xúc ngắn
Bảng 2.6. Giới hạn nồng độ cho phép của HCHO trong một số tiêu chuẩn trên thế
giới
Bảng 2.7. Một số công nghệ xử lý VOCs hiện nay
Bảng 2.8. Các phương pháp điều chế TNTs
Bảng 2.9. So sánh đặc điểm cấu trúc của TNTs and Degussa P25

Bảng 2.10. Ảnh hưởng của tiền chất, điều kiện thủy nhiệt, và quá trĩnh rửa axit lên
hĩnh thái của TNTs
Bảng 2.11. Một số kim loại được biến tính với TNTs để xử lý VOCs
Bảng 2.12. Một số phi kim được biến tính với TNTs để xử lý VOCs
Bảng 3.1. Hóa chất sử dụng trong quá trĩnh nghiên cứu
Bảng 3.2. Dụng cụ dùng trong mô hĩnh nghiên cứu
Bảng 3.3. Thiết bị dùng trong mô hĩnh nghiên cứu
Bảng 3.4. Một số đặc tính hóa lý của vật liệu TNTs
Bảng 3.5. TNTs biến tính với các kim loại khác nhau
Bảng 3.6. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung
Bảng 3.7. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng kim loại
Bảng 3.8. Khảo sát sự on định của mô hĩnh thí nghiệm
Bảng 3.9. Khảo sát ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng
Bảng 3.10. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu xúc tác
Bảng 3.11. Các thông số xây dựng đường chuẩn
Bảng 3.12. Kết quả độ hấp thu của 09 mẫu dung dịch HCHO có nồng độ khác nhau.


10

Bảng 4.1. Tính chất vật lý của vật liệu TNTs ở các nhiệt độ nung khác nhau.


11

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Số lượng công trình liên quan đến quang xúc tác công bố qua các năm
Hình 2.2. Cơ chế quá trình quang xúc tác
Hình 2.3. So sánh sự phân hủy chất ô nhiễm giữa (1) chỉ có đèn uv và (2) có vật liệu
T1O2 + đèn uv (Ằ= 365 nm)

Hình 2.4. Ảnh hưởng của pH đến sự phân hủy chất ô nhiễm
Hình 2.5. Ảnh hưởng của sự có mặt oxi trong quá trình phân hủy quang xúc tác
Hình 2.6. Cơ chế phản ứng của kim loại khi biến tính với TNTs
Hình 2.7. Trĩnh tự thời gian của các phương pháp chế tạo TNTs khác nhau
Hình 2.8. Các ống nano titanium dioxide (TNTs) tổng hợp dựa trên (a) phương
pháp thủy nhiệt và (b) phương pháp anot hóa điện hóa
Hình 2.9. Phổ hấp thụ uv của TNTs được điều chế bằng phương pháp xử lý thủy nhiệt
Hình 2.10. Sơ đồ cơ chế cho sự hĩnh thành TNTs bằng phương pháp thủy nhiệt: (a)
cuộn một tấm nano đơn lớp, (b) sự uốn cong của các tấm nano đa lớp
Hình 2.11. Cơ chế phản ứng của kim loại khi biến tính với TNTs
Hình 2.12. Sơ đồ cơ chế quang xúc tác của Cr3+/TNTs
Hình 3.1. Sơ đồ tổng họp vật liệu TNTs bằng phương pháp thủy nhiệt
Hình 3.2. Sơ đồ biến tính vật liệu TNTs với kim loại
Hình 3.3. Vật liệu đỡ (kính) dùng để phủ xúc tác
Hình 3.4. Mô hĩnh thí nghiệm
Hình 3.5. Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ HCHO
Hình 4.1. Hiệu quả xử lý HCHO của TNTs khi biến tính với kim loại (400°c, pH=l,6)
Hình 4.2. Hiệu quả xử lý hơi HCHO của Zn/TNTs khi nung ở các nhiệt độ khác nhau
Hình 4.3. Hiệu quả xử lý hơi HCHO của Zn/TNTs khi thay đổi hàm lượng Zn khác
nhau
Hình 4.4. Hiệu quả xử lý hơi HCHO của Zn/TNTs (400°c, 1%) trong 3 ngày (310
phúưngày)


12

Hình 4.5. So sánh nồng độ HCHO đầu ra với một số tiêu chuẩn về quản lý chất luợng
không khí trên thế giới
Hình 4.6. Hiệu quả xử lý HCHO của Zn/TNTs (400°c, 1%) khi thay đổi số đèn uv
Hình 4.7. Hộp uv với cuờng độ uv đuợc đo bằng tất cả các đèn và với đèn 2, 3, 6 ,7

đuợc mở. Khoảng cách giữa vật liệu và đèn khoảng 25 cm Hình 4.8. Hiệu quả xử lý
HCHO của Zn/TNTs (400°c, 1%, 3 đèn) và thay đổi khối luợng vật liệu xúc tác
Hình 4.9. Mối quan hệ giữa tốc độ ban đầu của phản ứng xúc tác quang và khối luợng
chất xúc tác


13

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................2
TÓM TẮT......................................................................................................................3
LỜI CAM ĐOAN..........................................................................................................7
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...............................................................................8
DANH MỤC BẢNG..................................................................................................... 9
DANH MỤC HÌNH.....................................................................................................11
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU..........................................................................................16
1.1.

Đặt vấn đề................................................................................................... 16

1.2.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu............................................................... 17

1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................. 17
1.2.2. Nội dung nghiên cứu.................................................................................17
1.3.

Đối tuợng và phạm vi nghiên cứu...............................................................18

1.4.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.................................................... 18

CHƯƠNG 2. TÔNG QUAN....................................................................................... 12
2.1.

Giới thiệu về VOCs.....................................................................................12

2.1.1. Nguồn gốc VOCs trong không khí trong nhà...........................................12
2.1.2. NồngđộVOCs...........................................................................................14
2.1.3. Tốc độ phát thải VOCs trong không khí trong nhà..................................15
2.1.4. Ảnh huởng của VOCs...............................................................................16
2.2.

Giới thiệu về F ormaldehyde.......................................................................16

2.2.1. Định nghĩa................................................................................................ 16
2.2.2. Nguồn gốc.................................................................................................17
2.2.3. Đặc tính lý-hóa.........................................................................................17
2.2.4. Tác hại của HCHO....................................................................................18
2.3.

Các phuơng pháp xử lý VOCs....................................................................19

2.3.1. Hấp phụ.....................................................................................................21
2.3.2. Quang hóa bằng uv..................................................................................22
2.3.3. Oxi hóa quang xúc tác.............................................................................. 23
2.3.4. Plasma lạnh...............................................................................................24

14

2.4.

Quang xúc tác............................................................................................. 24

2.4.1. Khái quát về quang xúc tác.......................................................................25
2.4.2...................................................................................................................... ư
u - nhược điểm của phương pháp quang xúc tác..................................................26
2.4.3...................................................................................................................... C
ác yếu tố ảnh hưởng quá trình quang xúc tác.......................................................27
2.5.

Vật liệu TNTs..............................................................................................30

2.5.1. Phương pháp tổng hợp ống nano TÌO2 (TNTs)....................................... 31
2.5.2. Cấu trúc vật liệu TNTs..............................................................................34
2.5.3. Các nhóm hydroxyl bề mặt và sự tích điện bề mặt...................................35
2.5.4. Tính chất quang học................................................................................. 36
2.5.5. Cơ chế hĩnh thành cấu trúc ống nano của TNTs trong quá trĩnh thủy
nhiệt 37
2.5.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hĩnh thành TNTs.............................41
2.5.7. Các dạng biến tính của TNTs....................................................................43
2.5.8. ứng dụng của vật liệu TNTs......................................................................46
CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu..................................48
3.1.

Vật liệu và hóa chất....................................................................................48

3.1.1. Nguồn gốc hóa chất..................................................................................48
3.1.2. Dụng cụ, thiết bị....................................................................................... 49
3.2.

Phương pháp nghiêncứu............................................................................. 50

3.2.1. Điều chế vật liệu TNTs............................................................................. 50
3.2.2. Biến tính vật liệu TNTs với kim loại.........................................................51
3.2.3. Chuẩn bị vật liệu và xúc tác......................................................................52
3.2.4. Mô hình thí nghiệm...................................................................................53
3.3.

Bố trí thí nghiệm.........................................................................................54

3.3.1. Thí nghiệm 1: Khảo sát hiệu quả xử lý HCHO khi biến tính TNTs với các
kim loại khác nhau................................................................................................54
3.3.2. Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung.............................55
3.3.3. Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng kim loại....................56
3.3.4. Thí nghiệm 4: Khảo sát sự on định của mô hình thí nghiệm....................57


15

3.3.6. Thí nghiệm 6: Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu xúc tác........59
3.4.

Phưong pháp lấy mẫu, phân tích................................................................... 60

3.4.1. Lấy mẫu....................................................................................................61
3.4.2. Lập đường chuẩn...................................................................................... 61

3.4.3. Phân tích mẫu........................................................................................... 63
3.4.4. Tính toán...................................................................................................63
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN..................................................................65
4.1.

Khảo sát hiệu quả xử lý HCHO khi biến tính TNTs với các kim loại khác

nhau 65
4.2.

Khảo sát hiệu quả xử lý HCHO của Zn/TNTs khi thay đổi nhiệt độ nung .66

4.3.

Khảo sát hiệu quả xử lý HCHO của Zn/TNTs khi thay đổi hàm lượng kim

loại 69
4.4.

Khảo sát sự ổn định của mô hĩnh thí nghiệm................................................70

4.5.

Khảo sát hiệu quả xử lý HCHO của Zn/TNTs (400°c, 1%) khi thay đổi số

đèn uv......................................................................................................................73
4.6.

Khảo sát hiệu quả xử lý HCHO của Zn/TNTs khi thay đổi khối lượng vật

liệu xúc tác..............................................................................................................75
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...............................................................77
5.1.
5.2.

Kết luận.............................................................................................................77
Kiến nghị......................................................................................................77

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................79
PHỤ LỤC.................................................................................................................... 93


16

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU
1.1.

Đặt vấn đề
Ngày nay, càng ngày càng có nhiều căn bệnh được cho là do ô nhiễm không khí

trong nhà và chất lượng không khí trong nhà của các khu dân cư và nơi làm việc trở
thành mối quan tâm hàng đầu. Con người dành hơn 80% thời gian để sống và làm việc
trong các không gian kín như trong nhà, văn phòng và nhà xưởng,... Các chất gây ô
nhiễm không khí trong nhà điển hĩnh là bụi, NOx, co và các hợp chất hữu cơ dễ bay
hơi (VOCs). Trong số đó, VOCs là một loại chất gây ô nhiễm trong nhà nổi bật và tiêu
biểu. Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA) đã ước tính được mức VOCs
trong không khí trong nhà thường cao hơn 5 - 10 lần so với mức VOCs trong không
khí bên ngoài. Trong các chất hữu cơ dễ bay hơi thường tồn tại trong không khí trong
nhà, có một chất hữu cơ dễ bay hơi nguy hiểm đang được Đạo luật kiểm soát các chất
độc hại (TSCA) hướng đến để kiểm soát và giảm thiểu là formaldehyde.

Formaldehyde đặc biệt quan trọng bởi vĩ sự hiện diện phổ biến và gây ảnh hưởng đến
sức khỏe con người. Hơn nữa, việc xác định nồng độ của formaldehyde trong không
khí là một thách thức do tính phân cực và khả năng phản ứng cao hơn so với các
VOCs khác [1].
VOCs tồn tại khắp nơi trong môi trường không khí trong nhà do sự hiện diện
của các nguồn phát thải điển hĩnh trong nhà như các sản phẩm gia dụng tiêu dùng,
chất kết dính và vật liệu xây dựng, và từ quá trĩnh đốt. VOCs dễ dàng được hấp thụ
bởi da và màng nhầy niêm mạc, gây ảnh hưởng cho các cơ quan và hệ thống trao đối
chất của con người. Formaldehyde là đại diện một trong những voc đã được oxy hóa.
Hơn 65% formaldehyde toàn cầu được sử dụng để tổng hợp các loại nhựa như urêformaldehyde (UF), phenol-formaldehyde (PF) và melamine-formaldehyde (MF),
được sử dụng rộng rãi trong vật liệu xây dựng, chế biến gỗ, đồ gỗ, dệt may, và các
ngành công nghiệp hóa chất. Ngoài ra, formaldehyde có tính on định cao và do đó có
thể từ từ bay hơi khỏi các vật liệu trong một khoảng thời gian dài. Do đó, việc xử lý
VOCs nói chung và formaldehyde trong không khí trong nhà nói riêng đang là mối
quan tâm rộng rãi cho các công trình nghiên cứu khoa học [1].


17

Kiểm soát nguồn phát thải, thông gió và làm sạch không khí là ba phuơng pháp
quan trọng để cải thiện chất luợng không khí trong nhà. Trong số đó, phuơng pháp
làm sạch không khí bằng các quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) đã thu hút ngày càng
nhiều sự chú ý vì ít tạo ra chất ô nhiễm thứ cấp. Quang xúc tác, nhu là một công nghệ
đầy hứa hẹn đuợc phát triển từ năm 1972, đuợc định nghĩa là quá trình phân hủy các
chất ô nhiễm trên bề mặt của chất xúc tác quang khi tiếp xúc với nguồn chiếu xạ đủ
năng luợng và là một nhóm quan trọng của AOPs. Ưu điểm của công nghệ quang xúc
tác là có thể đuợc vận hành ở nhiệt độ phòng và có khả năng phân hủy nhiều chất hữu
cơ duới sự chiếu xạ ánh sáng. Trong hai thập kỷ qua, rất nhiều nghiên cứu đã đuợc
thực hiện cho quá trình oxy hóa quang xúc tác VOCs và formaldehyde để giải quyết
các vấn đề ô nhiễm không khí trong nhà. T1O2 là chất xúc tác quang chiếm uu thế vĩ

khả năng oxy hóa quang xúc tác vuợt trội, khả năng chống ăn mòn cao và không gây
độc hại. T1O2 cố định trên các chất nền khác nhau có thể làm giảm chất ô nhiễm
trong không khí trong nhà trong duới sự chiếu xạ của tia

uv. Tuy nhiên, T1O2 chỉ

có thể đuợc kích hoạt bằng tia cực tím (ƯV) vĩ năng luợng vùng cấm lớn (3,2 eV) và
ánh sáng uv chỉ chiếm 5% năng luợng mặt trời [1].
Do đó, đề tài “ Nghiên cứu xử lý VOCs bằng trong không khí trong nhà công
nghệ quang xúc tác” là cần thiết và có tính thiết thực cao nhằm giải quyết bài toán ô
nhiễm không khí trong nhà trong điều kiện Việt Nam.
1.2.

Mục tiêu và nội dung nghiên cửu

1.2.1. Mục tiêu nghiên cửu
Đe tài nghiên cứu nhằm mục tiêu nâng cao hiệu quả xử lý VOCs trong không
khí trong nhà bằng vật liệu nền TNTs
1.2.2. Nội dung nghiên cửu
Nội dung nghiên cứu bao gồm:
Nội dung 1: Khảo sát hiệu quả xử lý formaldehyde của TNTs đuợc biến tính
với các kim loại khác nhau.
Nội dung 2: Khảo sát ảnh huởng của nhiệt độ nung.
Nội dung 3: Khảo sát ảnh huởng của hàm luợng kim loại.


18

Nội dung 4: Khảo sát sự ổn định của mô hình thí nghiệm.
Nội dung 5: Khảo sát ảnh huởng của cuờng độ chiếu sáng.

Nội dung 6: Khảo sát ảnh huởng của khối luợng vật liệu xúc tác.
1.3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
♦> Đối tượng nghiên cứu:
VOCs phổ biến trong ô nhiễm không khí trong nhà: Formaldehyde.
Vật liệu quang xúc tác: Vật liệu nền TNTs được biến tính với kim loại.
♦> Phạm vi nghiên cứu
Thí nghiệm xử lý formaldehyde trong không khí trong nhà bằng vật liệu
TNTs và vật liệu nền TNTs được biến tính với kim loại trong quy mô phòng
thí nghiệm.
Địa điểm nghiên cứu: Phòng thí nghiệm Xử lý khí - Khoa Môi trường và
Tài nguyên - Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM Thời gian nghiên cứu: từ
15/01/2018 đến 25/06/2019

1.4.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
♦> Ý nghĩa khoa học
Đe tài cung cấp dữ liệu về khả năng xử lý VOCs trong không khí trong nhà bằng

công nghệ quang xúc tác nền TNTs trong điều kiện nhiệt độ thường và một số điều
kiện vận hành tốt nhất của hệ thống.
❖ Ý nghĩa thực tiễn
Việc nghiên cứu xử lý VOCs trong không khí trong nhà có ý nghĩa to lớn với
môi trường và sức khoẻ con người. Trong các phương pháp xử lý VOCs, công nghệ
quang xúc tác mang tính hiệu quả cao và có tiềm năng ứng dụng lớn trong điều kiện
Việt Nam.
Ket quả đề tài sẽ là cơ sở để triển khai thương mại hóa ứng dụng công nghệ
quang xúc tác xử lý ô nhiễm không khí trong nhà trong quy mô hộ gia đĩnh, văn

phòng,... góp phần bảo vệ sức khoẻ, tạo môi trường sinh hoạt trong lành.


VOCs
Formaldehyde
Toluene

Nguồn gây phát thải
Thuốc trừ sâu, vật liệu sàn, vật liệu cách nhiệt, vật liệu gỗ,
máy móc, vật liệu dùng để che phủ và sơn
Thuốc trừ sâu, vật liệu sàn, vật liệu cách nhiệt, gỗ vật liệu,

Acetaldehyde

sơn, chất kết dính, xăng dầu, nguồn đốt
Vật liệu gỗ, vật liệu sàn

Paradichlorobenzene

Vật liệu trần nhà, vật liệu gỗ, thuốc trừ sâu

Ethylbenzene

Nội thất làm từ gỗ, sơn, chất kết dính, xăng dầu, nguồn đốt

Methylene chloride

Vật liệu sàn, đồ nội thất, vật liệu dùng để che phủ và sơn

Chloroethylene

Vật liệu sàn, vật liệu dùng để che phủ và sơn

Carbon tetrachloride

Vật liệu dùng để che phủ và sơn, chất tẩy rửa công nghiệp

Chloroform

Thuốc trừ sâu, keo dán


Naphthalene

Vật liệu cách nhiệt, vật liệu hỗn họp, sơn tường

Các VOCs khác (Ví
dụ: esters và ketones)

Nhựa dẻo, nhựa cứng, chất hóa dẻo, dung môi, hương liệu,
nước hoa, sơn, chất khử trùng, chất kết dính

Nồng độ của các VOCs phổ biến trong môi trường không khí trong nhà có mối
liên quan chặt chẽ đến các nguồn phát thải trong nhà và hiệu quả của sự thông gió.
Trong một số trường hợp, nồng độ VOCs trong không khí trong nhà cực kỳ cao do tỷ
lệ trao đổi không khí thấp và thông gió kém.
Vật liệu xây dựng và trang trí là nguồn phát thải trực tiếp các VOCs phổ biến
trong nhà. Ngoài ra, các chất phụ gia trong dung môi sơn, chất bảo quản gỗ và gỗ dán
có thể phát thải lượng VOCs khác nhau ở nhiệt độ phòng. Sàn nhà có thể phát thải ra
các hợp chất thơm dễ bay hơi như toluene, benzen và xylene. Acetaldehyde, được sử

dụng làm chất bảo quản và gia vị thực phẩm cho các sản phẩm cá, cũng có thể được
phát thải từ anilin, mỹ phẩm và các sản phẩm nhựa. Báo chí, tạp chí và các bản in là
nguồn gốc của aromatics C8. Hơn nữa, quần áo được giặt khô, nước khử trùng bằng
clo, chất tẩy rửa công nghiệp và chất khử mùi trong phòng là nguồn tạo ra chlorinated
hydrocarbons chính. Khói thuốc lá là một nguồn quan trọng cho các VOCs trong nhà,
trong đó tổng số 78 loại hóa chất có trọng lượng phân tử thấp đã được định lượng, bao
gồm cả chất thơm, hydrocarbon thơm đa vòng (PAHs), carbonyl và quinon trong khói
thuốc lá. Trao đối chất của con người cũng là một nguồn VOCs trong nhà. Acetone,
acetaldehyd, metanol và các aldehyde khác có thể được phát hiện trong hơi thở [1],
Ngoài việc phát thải trực tiếp các chất ô nhiễm chính từ các nguồn trong nhà, sự
hĩnh thành các chất ô nhiễm thứ cấp từ các phản ứng pha khí trong nhà là một nguồn
thứ cấp đáng kể. Trong số các chất gây ô nhiễm trong nhà, Gallego và cộng sự [31] đã
xác định được 130 VOCs khác nhau trong nhà ở, alkan là nhóm lớn nhất (32%), sau
đó là hydrocarbon thơm (17%) và este và alkenes (7%). Tỷ lệ giữa nồng độ ô nhiễm
trong nhà và ngoài trời đối với một số họp chất hữu cơ thông thường trong một số môi
trường được thể hiện trong Bảng 2.2 [57],


Tỉ lệ trong nhà/ngoài tròi

Môi trường
Toluen

trong nhà
Tòa nhà công
cộng
Trường học
Nhà ở
Trung tâm nội

Acetaldehyde

Xylen

Formaldehyde Benzene Ethylbenzene

0,9-4,1

0,7-7

0,7-11,8

0,8 - 10,7

0,1-1,2

0,9 - 8,3

1,2-25,2

2,4 - 14,8

0,9 - 6,7

4,2 - 10,7

1-3,1

1,1-3,4

1,6-12,8

2,3-31

1,2-30,4

5 - 16,4

0,6 - 2,6

1,1-24

5,7

2,9

7,6

6,9

thất
Môi trường

TVOC

Toluen

Phòng

12,14-

6,35-

Xylenes Formaldehyde Benzene
1,63-

7
Ethylbenzene

0,52-

khách

84,32

28,27

14,56

-

Phòng ngủ

9,17-

4,72-

1,18-

-

2.1.1.

7,9

10,26

1,31 - 11,08

0,35-

0,98-11,61

NồngđộVOCs
Hầu hết các chất ô nhiễm không khí trong nhà có khoảng nồng độ từ 1 - 1000

Ịig/m3 [16]. Thông thường, hàm lượng VOCs trong tòa nhà phụ thuộc vào một số yếu
tố như tuổi thọ của tòa nhà, cải tạo, trang trí, thông gió, các mùa trong năm, vị trí gần
các tuyến giao thông. Formaldehyde được biết đến như là một trong những chất gây
ô nhiễm phổ biến nhất trong không khí trong nhà. Nó được sử dụng làm chất bảo
quản, khử trùng và làm sạch trong xây dựng, trang trí và cách nhiệt vật liệu, đồ gỗ,
sàn gỗ, thảm và hàng dệt may. Ngoài ra, formaldehyde trong nhà được thải ra
(khoảng 10% - 30%) từ quá trĩnh đốt (hút thuốc lá, lò sưởi và lò nung). Do sự phân
bố rộng rãi các nguồn formaldehyde trong nhà, nồng độ trung bĩnh của nó trong
không khí trong nhà khoảng 20 - 60 pg/m3 và thường được đánh giá theo giới hạn
cho nồng độ formaldehyde. Các ví dụ về nồng độ VOCs trong nhà tại các vị trí khác
nhau được thể hiện trong Bảng 2.3 [57],
Bảng 2.3. Nồng độ các hợp chất hữu cơ thông thường ở các không gian khác nhau
trong nhà (pg/m3)

Nhà bếp
Căn hộ
Trung tâm y tế
Bệnh viện nhi
đồng
Văn phòng

86,14

31,04

15,47

12,35-

6,38-

1,699,53

199,69

31,81

9,64

24,1

3,09

3,59

933,1

61,5

21,7

10,9-15

5,1

12,1

-

5,5-8

3,6-3,9

11-66

1,4-2,1

1,3

5,7-58

4,6 - 37

34,8

4,7 - 12

32,4

6,3

98,1

4,7

6,3

83

4,2

-

6,8
3,6-

4,8

9,3-34,8

< 13,5

91,1

3028

học
Khu giữ xe

1412,1

trong nhà
Máy bay

-

-

3,3-5,1

-

19,8

13,7

49,5

16,6

4,7 - 86,5

2-12,5

1,7-9,5

0-7,3

-

3-9

9,5-17

2-4

-

Xe lửa

-

7-54

Xe bus

-

15-39

2.1.2.

1,34-8,1

23,95

124-

Trường tiểu

9,92

62,92

1268,2
1954,4

Cửa hàng

0,5-

-

Thư viện

11,13

6-48

-

2-6

11,4

-

Tốc độ phát thải VOCs trong không khí trong nhà
Một loạt các thử nghiệm đã được tiến hành để xác định tốc độ phát thải của

VOCs từ các thiết bị đốt di động phố biến trong nhà ở và các nhà hàng ở Hàn Quốc.
Tốc độ phát thải của VOCs từ 0 - 0,119 mg/h. Một khảo sát được thực hiện ở trong
nhả và ngoài trời tại 46 căn hộ sinh viên ở thành phố New York và 41 căn hộ sinh
viên ở Los Angeles vào mùa hè và mùa động. Tốc độ phát thải trung bình của các
nguồn phát thải VOCs đáng kể trong nhà đã được tìm thấy: chloroform (0,11 mg/h);
1,4-dichlorobenzene (19 mg/h); formaldehyde (5 mg/h), acetaldehyde (2 mg/h)
benzaldehyde (0,6 mg/h) và hexaldehyde (2 mg/h). Formaldehyde có tốc độ phát thải
trong nhà cao hơn đáng kể vào mùa hè ở thành phố New York so với mùa đông


16

(3,8 so với 1,6 mg/h), nhưng thấp hon trong mùa thu so với mùa đông ở Los Angeles
(4,3 so với 5 mg/h) [16]. Các kết quả khảo sát này rất quan trọng để đặc trưng hóa sự
phát thải của VOCs và đề xuất tốc độ thông gió tối ưu.
2.1.3. Ảnh hưởng của VOCs
Theo nhiều chuyên gia y tế, khí VOCs là những độc tố gây hại cho hệ thần kinh
trung ương và ngoại vi. Các tác hại trên hệ thần kinh trung ương gồm giảm trí nhớ,
giảm khả năng nhận thức, giảm khả năng phối hợp các động tác giữa mắt và tay, giữa
mắt và chân, khả năng giữ thăng bằng. Sự tiếp xúc lâu dài với VOCs dẫn đến thay
đổi tâm tính, trầm cảm, dễ cáu giận, mệt mỏi. Các tác hại trên hệ thần kinh ngoại vi
có thể là run rẩy tay, tê tay... VOCs có thể gây hư hại thận, gây những vấn đề về miễn
nhiễm kể cả gia tăng tỷ lệ ung thư, làm hạ nồng độ testostrrone và LH (Luteinizing

Hormone). VOCs có thể gây hiếm muộn, làm giảm lượng tinh trùng và gây gia tăng
các trường hợp dị dạng cho bào thai. Ngoài ra VOCs cũng liên quan đến các vấn đề
về máu huyết, gây tăng tỷ lệ tử vong vĩ bệnh tim mạch. Tỷ lệ VOCs trong không khí
làm gia tăng các trường hợp suyễn và sưng phổi kinh niên, nhất là ở trẻ em.
Tổng nồng độ các họp chất hữu cơ dễ bay hơi (TVOCs) được xác định dựa trên
phản ứng của con người: TVOCs < 0,2 mg/m 3 không gây ảnh hưởng; khoảng 0,2 - 3
mg/m3 gây kích ứng; khoảng 3 - 2 5 mg/m3 gây khó chịu; nồng độ > 25,00 mg/m3 gây
độc hại đối với cơ thể người [16].
2.1.

Giói thiệu về Formaldehyde

2.2.1. Định nghĩa
Formaldehyde (công thức phân tử H2 - c = O) là một loại khí không màu, dễ
cháy và có khả năng phản ứng cao ở nhiệt độ phòng.
Formaldehyde có mặt khắp nơi trong môi trường, bởi vĩ nó được hĩnh thành chủ
yếu bởi nhiều nguồn tự nhiên và các hoạt động nhân tạo. Trong môi trường, nó được
giải phóng thông qua quá trình đốt sinh khối (cháy rừng) hoặc phân hủy và qua núi
lửa. Nguồn nhân tạo bao gồm những nguồn trực tiếp như khí thải công nghiệp và đốt
nhiên liệu từ giao thông. Các quá trình đốt cháy khác (nhà máy điện, lò nung, v.v.)
cũng đại diện cho các nguồn phát thải formaldehyde trong khí quyển.