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

K t qu nghiên c u KHCN

NGHIÊN C U VÀ ÁNH GIÁ KH N NG LÀM VI C C A

THI T B LÀM S CH KHƠNG KHÍ
B NG CúNG NGH XıC TçC QUANG TRONG
I U KI N KHó H U NHI T
I C A VI T NAM.

T

Tác gi : TS. Lê Thanh S
n
Vi n Cơng ngh Mơi tr
ng, Vi n Hàn Lâm Khoa h c và Cơng ngh Vi t Nam

I. MỞ ĐẦU
heo những báo cáo
mới đây của Tổ chức Y
tế thế giới (WHO), chất
lượng khơng khí trong các
phòng kín như nhà ở, phòng
chun mơn bệnh viện và các
cao ốc văn phòng trên tồn thế
giới đang sụt giảm nghiêm
trọng, gây nên tình trạng ơ
nhiễm và tác động nhiều đến
sức khỏe con người. Thậm chí
tại nhiều nơi trên thế giới, mức
độ ơ nhiễm khơng khí trong nhà
cao gấp 12 lần so với khơng khí
ngồi trời. Hậu quả là mỗi năm
có hơn 1,6 triệu người chết vì ơ

nhiễm khơng khí trong nhà. Ở
nước ta, thời gian gần đây có
nhiều nạn dịch bệnh bùng phát
với tốc độ lây lan nhanh và gây
ra rất nhiều những hậu quả hết
sức đau lòng về số bệnh nhân
tử vong, gây hoang mang dư
luận như dịch sởi, dịch cúm A,
chân tay miệng,… Bên cạnh
ngun nhân là do yếu tố chủ
quan con người thì một ngun

nhân rất lớn là tình trạng ơ
nhiễm khơng khí trong các
phòng bệnh, dẫn đến hiện
tượng lây nhiễm chéo trong
bệnh viện. Hiện nay, để làm
sạch khơng khí (LSKK) trong
các phòng kín thì phương pháp
xử lý khơng khí bằng cơng
nghệ xúc tác quang (XTQ)
đang trở thành một giải pháp
hữu hiệu và thân thiện với mơi
trường do khả năng diệt khuẩn
và xử lý hóa chất độc hại mạnh,
khơng cần đưa vào hóa chất và
cũng khơng 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 [1-4].
Viện Cơng nghệ mơi trường
(CNMT) sau khi thực hiện
nhiệm vụ hợp tác quốc tế với
LB Nga [5], đã nắm bắt được
cơng nghệ LSKK bằng XTQ và
trên cơ sở đó đã chế tạo thành
cơng các loại thiết bị có cơng
suất vừa và nhỏ (25 và 100
m3/h) [6], và mới đây là thiết bị

có cơng suất lớn lên đến
500m3/h. Tuy nhiên, do điều
kiện khí hậu của Việt Nam có
nhiều điểm khác biệt với khí
hậu của Nga, đó là nóng ẩm và
mưa nhiều, nên để có thể đưa
vào sử dụng một cách rộng rãi
trong thực tế, cần có sự đánh
giá hiệu quả làm việc của thiết
bị trong các điều kiện khí hậu
khác nhau của nước ta. Ngồi
ra, đánh giá tuổi thọ của bộ lọc
XTQ, bộ phận chính của thiết bị
LSKK cũng là việc làm cần
thiết.
Trong bài báo này, chúng tơi
trình bày kết quả đánh giá sự
ảnh hưởng của nhiệt độ mơi
trường và độ ẩm khơng khí đến

khả năng khử trùng và xử lý
hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
(VOC) của thiết bị LSKK cơng
suất 500m3/h do Viện CNMT
chế tạo, đồng thời đánh giá
hiệu quả xử lý của bộ lọc XTQ
của thiết bị sau một khoảng
thời gian làm việc liên tục là
1224 giờ.

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014

83


K t qu nghiên c u KHCN

II. THỰC NGHIỆM
2.1. Thiết bị LSKK cơng suất 500m3/h
Hình 1a là hình ảnh bên trong của thiết bị LSKK cơng suất
500m3/h do Viện CNMT thiết kế và chế tạo. 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 gồm tầng lọc
thơ (1) có tác dụng giữ lại các hạt bụi và hạt lơ lửng kích thước
trên 3 µm và tầng lọc hiệu suất cao (HEPA) (2) để loại bỏ các hạt
bụi có kích thước lên đến 0,3 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 8 ống thạch anh xốp (φ = 74 mm; l =
418mm, Sbề 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 ơxit sinh ra trong q trình XTQ. Khơng khí
được quạt (5) hút vào từ bên hơng của thiết bị và đi ra ở mặt sau
phía trên của thiết bị như trên Hình 1b.

xác định lượng vi sinh tự nhiên
trong khơng khí sau các
khoảng thời gian nhất định.
Trong một thí nghiệm khác
chúng tơi đưa VOC vào trong
box và cũng xác định lượng
VOC đo được theo thời gian.
2.2.1. Đánh giá nh h
ng
c a nhiêŃt đơŃ vaĬ đơŃ âĵm đ n
kh năng x lý VOC:
Dùng pipet hút chính xác 1
mL dung dịch aceton cho vào
buồng box. Hàm lượng aceton
suy giảm theo thời gian được
đo bằng máy đo VOC sử dụng
cảm biến TGS2602 (Figaro,
Nhật Bản). Các thí nghiệm làm
ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ
khơng khí cao cùng độ ẩm bình
thường và độ ẩm cao nhất bão
hòa trong khơng khí bằng máy
tạo ẩm. Hiệu suất oxy hóa VOC
được xác định theo cơng thức:
Hiệu suất xử lý VOC

Hình 1. Hình nh bên trong (a) và s
đ ngun lý ho t đ ng
(b) c a thi t b LSKK 500 m3/h do Vi n CNMT ch t o
Ghi chú: 1. Hướng dòng khí ; 2. Lọc sơ cấp; 3. Lọc tĩnh điện
4. Lọc XTQ; 5. Quạt; 6. Than hoạt tính

2.2. Ảnh hưởng của nhiêt đơ va đơ âm đến hiệu quả làm việc
của thiết bị
Đặt thiết bị LSKK cơng suất 500 m3/h trong một box thử nghiệm
kín dung tích 10m3, đồng thời bố trí 1 quạt bàn loại nhỏ (~50W) để
tạo dòng đối lưu trong buồng box, 1 máy tạo độ ẩm để tăng độ ẩm
và nhiệt độ cao nhất như mơi trường tự nhiên có thể có, sau đó

84

(C0 - C)
C0

x 100%

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.
2.2.2. Đánh giá nh h
ng
c a nhi t đ và đ âĵm đ n
kh năng kh trùng:
Hiệu suất khử trùng của thiết
bị được đánh giá dựa trên
phương pháp đặt đĩa thạch hút

khơng khí hướng vào mặt
thạch nhằm phát hiện và đếm
số vi khuẩn có trong 1m3 khơng
khí. Đây là phương pháp thơng
dụng và thường được thực
hiện trong việc giám sát mức
độ nhiễm khuẩn trong khơng
khí. Mơi trường ni cấy là
PCA (Plate Count Agar) đặc

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014


K t qu nghiên c u KHCN

trưng để phân lập tổng vi khuẩn hiếu khí và nấm. Tổng tạp khuẩn
được xác định bằng cách đếm số khuẩn lạc đặc trưng trên các đĩa
chứa mơi trường thạch PCA và được ni cấy ở 370C/24 ± 2 giờ.
Tổng nấm xác định bằng cách đếm số khuẩn lạc mọc trên mơi
trường PCA và được ni cấy ở 370C/48 ± 2 giờ. Các thí nghiệm
được tiến hành ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ khơng khí cao cùng
độ ẩm bình thường và độ ẩm cao nhất bão hòa trong khơng khí.
2.3. Ảnh hưởng của thời gian sử dụng đến hiệu quả hoạt
động của ống lọc XTQ
Lắp ống XTQ và đèn UV mới hồn tồn vào 1 bộ gá thí nghiệm
có gắn quạt ở 1 đầu để hút khơng khí đi xun qua thành ống
(Hình 2), Đưa bộ gá XTQ này vào trong buồng thí nghiệm kín
dung tích 200 L bên trong có bố trí 1quạt nhỏ để lưu thơng khơng
khí. Bơm 0,1 mL aceton vào buồng và bật đèn UV và quạt để bộ
gá XTQ làm việc. Tiến hành đo nồng độ aceton tại thời điểm vừa

mới đưa vào và thời điểm sau 8,5 giờ tính từ lúc bơm aceton. Từ
đó tính được hiệu suất xử lý aceton của ống XTQ ở thời điểm bộ
lọc XTQ hồn tồn mới.
Sau đó đưa bộ gá XTQ ra ngồi box, bật đèn UV và quạt để bộ
lọc XTQ chạy liên tục trong 1224 giờ. Trong khoảng 1224 giờ này,
tại một số thời điểm (72 giờ, 192 giờ, 1008 giờ) chúng tơi cho bộ
gá XTQ dừng làm việc tức thời, đưa vào box 200 L, bơm 0,1 mL
aceton và để bộ gá XTQ chạy trong 8,5 giờ để xác định hiệu suất
xử lý aceton sau 8,5 giờ (cách làm tương tự như trên).

Hình 2. Hình nh b gá thí nghi m ng XTQ

III. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến hiệu quả xử lý
VOC
Kết quả xử lý aceton trong box thực nghiệm của thiết bị LSKK
bằng XTQ cơng suất 500 m3/h ở các điều kiện nhiệt độ và độ ẩm
khác nhau được thể hiện trên đồ thị hình 2. Kết quả thu được cho
thấy hiệu quả xử lý aceton của thiết bị LSKK bằng XTQ phụ thuộc
vào độ ẩm của khơng khí. Thật vậy, quan sát các đường cong trên
đồ thị Hình 3 ta thấy khi độ ẩm của khơng khí tăng dần thì hiệu

quả xử lý aceton giảm dần.
Kết quả này phù hợp với kết
quả nghiên cứu của Chang và
cộng sự [7]. Ngun nhân của
hiệu ứng này, theo Chang và
cộng sự, là do khi độ ẩm của
khơng khí thấp, dưới 27,6%,
hiệu quả phân hủy aceton tăng

khi độ ẩm tăng vì hơi nước
cũng phản ứng với lỗ trống và
điện tử để tạo gốc tự do siêu
oxy hóa. Tuy nhiên, khi lượng
hơi nước lớn, độ ẩm khơng khí
trên 27,6%, thì hơi nước cạnh
tranh với aceton để phản ứng
với các gốc tự do siêu oxy hóa,
do đó sự có mặt của nó làm
cản trở sự phân hủy aceton và
vì vậy lúc này khi độ ẩm tăng,
hiệu suất phân hủy aceton
khơng tăng mà lại giảm. Hiệu
ứng tương tự cũng được quan
sát thấy trên một số VOC khác
như formaldehyde [8], toluene
[9], m-xylene [10]. Do đó có thể
kết luận rằng khả năng xử lý
VOC của thiết bị giảm khi độ
ẩm khơng khí tăng.
Đối với ảnh hưởng của nhiệt
độ, kết quả trên đồ thị hình 3
cho thấy khi nhiệt độ tăng, hiệu
quả phân hủy aceton tăng.
Điều này có thể giải thích là do
trong dải nhiệt độ thấp, dưới
77°C, khi nhiệt độ tăng, động
học của phản ứng oxy hóa aceton bởi các gốc tự do tăng, kết
quả là lượng aceton bị phân
hủy nhiều hơn, hiệu suất xử lý

aceton tăng dần [11,12].
3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
và độ ẩm đến hiệu quả xử lý
vi sinh
Kết quả khử trùng khơng khí
trong box thực nghiệm của thiết

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014

85


K t qu nghiên c u KHCN

bị LSKK bằng XTQ cơng suất 500 m3/h ở các điều kiện nhiệt độ
và độ ẩm khác nhau được thể hiện trên đồ thị hình 4. Kết quả thu
được cho thấy nhiệt độ và độ ẩm có những ảnh hưởng nhất định
đến hiệu quả xử lý vi sinh của thiết bị. Ở nhiệt độ phòng và độ ẩm
thường, vi khuẩn bị xử lý 96% chỉ sau 5 phút chạy máy. Ở nhiệt
độ cao, 38,1°C, hiệu quả xử lý vi khuẩn bắt đầu giảm: sau 5 phút,
ở độ ẩm 58% chỉ 89% các vi khuẩn bị xử lý. Nếu ở nhiệt độ cao,
độ ẩm cao thì hiệu quả diệt khuẩn giảm rất mạnh, cụ thể là ở
37,5°C và độ ẩm 83%, sau 20 phút chạy máy, chỉ có 60% vi khuẩn
bị tiêu diệt.

Hình 3. Kh năng x lý aceton c a máy VR500
t i các đi u ki n khác nhau

Hình 4. Hi u qu x lý vi sinh c a máy VR 500
t i các đi u ki n khác nhau.

86

3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng
của thời gian đến hiệu quả
xử lý aceton của ống XTQ
Tại các thời điểm: ban đầu
lúc ống XTQ còn mới, sau 72
giờ, 192 giờ, 1008 giờ và 1224
giờ, ống XTQ làm việc liên tục,
chúng tơi tiến hành xác định
hiệu suất xử lý aceton của ống
lọc XTQ (trong 8,5 giờ xử lý) và
kết quả được thể hiện trong
Bảng 1 và Hình 5.
Kết quả cho thấy tại thời
điểm ban đầu, lúc bộ lọc XTQ
còn mới, hiệu suất xử lý aceton
của bộ lọc XTQ đạt 94,1% (cột
thứ 2 của bảng). Sau khi bộ lọc
chạy liên tục trong 72 giờ, hiệu
suất xử lý aceton của bộ lọc
XTQ giảm xuống còn 82,6%
(cột thứ 3), sau 192 giờ còn
68,4% (cột thứ 4), sau 1008 giờ
còn 43,2% (cột thứ 5) và sau
1224 giờ hiệu suất xử lý aceton
chỉ là 31,2%. Sự giảm hiệu suất
xử lý aceton của bộ XTQ theo
thời gian có thể do sự bất hoạt

của một số phân tử TiO2 do sự
che chắn về khơng gian của
các sản phẩm phụ sinh ra trong
q trình xử lý dẫn đến các
phân tử này khơng nhận được
các photon phát ra từ đèn UV
và gần như bị “cách ly” khỏi vai
trò xúc tác. Ngồi ra, ảnh
hưởng của bước sóng và
cường độ bức xạ từ tia UV
cũng là một yếu tố cần được
xét đến.
Để đánh giá sự ảnh hưởng
của đèn UV đến hiệu quả của
bộ XTQ, sau 1224 giờ chúng
tơi thay đèn UV mới với cường
độ bức xạ ~12 mW/cm2. Quy
trình thử nghiệm khả năng xử

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014


K t qu nghiên c u KHCN

B ng 1. Hi u qu x

lý aceton c a ng XTQ theo th i gian

Thời gian ống XTQ hoạt động (giờ)

0

72

192

1008

1224

Nồng độ aceton bơm vào (ppm)

13,43

13,41

13,41

12,16

11,41

Nồng độ aceton sau 8,5 giờ bơm (ppm)

0,8

2,33

4,23

6,91

7,85

Hiệu suất sau 8,5 giờ xử lý (%)

94,1

82,6

68,4

43,2

31,2

lý 0,1mL aceton trong 8,5 giờ
khi thay đèn mới được thực
hiện tương tự như trên. Kết
quả thu được được thể hiện
trên Hình 6 cho thấy hiệu suất
xử lý 0,1 mL aceton trong
buồng kín 200L trong 8,5 giờ
của bộ XTQ sau khi thay đèn
UV là 73,9%. Như vậy, sau khi
thay đèn UV mới, hiệu suất xử
lý của bộ XTQ được phục hồi
đáng kể (từ 31,2% lên 73,9%).
Rõ ràng bước sóng và cường
độ bức xạ từ tia UV là một

trong những yếu tố quan trọng
ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu
quả LSKK của bộ lọc XTQ, và
theo thời gian, cường độ bức
xạ tia UV của đèn giảm dần,
cần thay mới để duy trì hiệu
suất cao của bộ lọc XTQ.
IV. KẾT LUẬN
Các kết quả đánh giá cho
thấy nhiệt độ và độ ẩm của
khơng khí mơi trường ảnh
hưởng đến hiệu quả xử lý
khơng khí của thiết bị LSKK
bằng XTQ. Nhiệt độ mơi trường
cao và độ ẩm khơng khí thấp sẽ
làm tăng hiệu quả xử lý VOC
của thiết bị. Ngược lại, hiệu
quả khử trùng của thiết bị đạt
hiệu quả cao khi nhiệt độ mơi
trường thấp và độ ẩm khơng
khí thấp. Do đó, tùy theo mục

Hình 5. Hi u su t x lý aceton c a b XTQ
theo th i gian.

Hình 6. Hi u su t x lý aceton c a b XTQ
sau khi thay đèn UV.

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014

87


K t qu nghiên c u KHCN

the disinfection of water for
human consumption in rural
communities using solar radiation. Solar Energy, 78, 31-40
(2005).

Health,
Part
A:
Toxic/Hazardous Substances
and
Environmental
Engineering, 38, 1131-1143
(2003).

[4]. J. I. Gole, J. D. Stout, C.
Burda et al. Highly efficient formation of visible light tunable
TiO2-xNx photocatalysts and
their transformation at the
nanoscale. J. Phys. Chem. B,
108(4), 1230-1240 (2004).

[9].
Y. Luo, D.F. Ollis.
Heterogeneous photocatalytic
oxidation of trichloroethylene

and toluene mixtures in air:
kinetic promotion and inhibition,
time-dependent catalyst activity. Journal of Catalysis, 163,
1–11 (1996).

[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).

đích sử dụng thiết bị mà lựa
chọn điều kiện làm việc thích
hợp. Thiết bị sau một thời gian
làm việc liên tục trong 1224 giờ
thì hiệu quả của bộ lọc XTQ bị
giảm đáng kể, từ 94,1% xuống
còn 31,2%. Do đó, khả năng tái
sử dụng bộ lọc XTQ bằng cách
thay đèn UV mới và thay lớp
bột nano TiO2 phủ trên ống
thạch anh là biện pháp tốt nhất
để thu được bộ XTQ có hiệu
quả xử lý khơng khí tương
đương với sản phẩm trước khi
sử dụng.
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. MartinDominguez et al. Efficiency in

88

[5]. Nguyễn Việt Dũng, Báo cáo
tổng hợp kết quả khoa học
cơng nghệ đề tài “Nghiên cứu
phát triển và ứng dụng hệ
thống xử lý ơ nhiễm khơng khí
TIOKRAFT trên cơ sở vật liệu
xúc tác quang TiO2, Viện Cơng
nghệ mơi trường, Viện Hàn lâm
Khoa học và Cơng nghệ Việt
Nam (2013).
[6]. L.T. Sơn. Nghiên cứu chế
tạo thiết bị xử lý ơ nhiễm khơng
khí trên cơ sở xúc tác quang
hóa. Tạp chí hoạt động khoa
học cơng nghệ, số 4, 5&6, 1823 (2013).

[7].
C.P. Chang, J.N. Chen,

M.C.
Lu.
Heterogeneous
Photocatalytic Oxidation of
Acetone for Air Purification by
Near UV-Irradiated Titanium
Dioxide.
Journal
of
Environmental Science and

[8].
C.H. Ao, S.C. Lee, J.Z.
Yu, J.H. Xu. Photodegradation
of formaldehyde by photocatalyst TiO2: effects on the presences of NO, SO2 and VOCs.
Applied
Catalysis
B
–
Environmental, 54, 41–50
(2004).

[10]. J. Peral, D.F. Ollis.
Heterogeneous photocatalytic
oxidation of gas-phase organics for air purification: acetone,
1-butanol,
butyraldehyde,
formaldehyde, and m-xylene
oxidation. Journal of Catalysis,
136, 554–565 (1992).

[11].
N.
Serpone,
E.
Pelizzetti. Adsorption–desorption, related mobility and reactivity in photocatalysis. In:
Photocatalysis: Fundamentals
and Applications. Wiley, New
York, 217–250 (1989).
[12]. M.E.
Zorn,
D.T.
Tompkins, W.A. Zeltner, M.A.
Anderson. Photocatalytic oxidation of acetone vapor on
TiO2/ZrO2 thin films. Applied
Catalysis B – Environmental,
23, 1–8 (1999).

Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014