Nghiên cứu, tổng hợp vật liệu xử lý vocs dựa trên chất xúc tác nano vàng trên chất mang carbon hoạt tính ở điều kiện nhiệt độ thấp

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

NGUYỄN THANH MINH

NGHIÊN CỨU, TỔNG HỢP VẬT LIỆU XỬ LÝ VOCs
DỰA TRÊN CHẤT XÚC TÁC NANO VÀNG TRÊN
CHẤT MANG CARBON HOẠT TÍNH Ở ĐIỀU KIỆN
NHIỆT ĐỘ THẤP
Chun ngành: Kỹ thuật hóa học
Mã số: 60520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2018


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Quang Long.
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS. Nguyễn Đình Thành.
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Đào Thị Kim Thoa.
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 20 tháng 08 năm 2018.
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS. Ngô Thanh An

2. PGS. TS. Nguyễn Đình Thành
3. TS. Đào Thị Kim Thoa
4. TS. Nguyễn Trường Sơn
5. TS. Trần Thụy Tuyết Mai
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 ĐỒNG

PGS. TS. Ngơ Thanh An

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

GS. TS. Phan Thanh Sơn Nam

i


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

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 Thanh Minh
Ngày, tháng, năm sinh: 01/07/1992
Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học

MSHV: 1670670
Nơi sinh: Tp. Tuy Hịa, Phú n
Mã số: 60520301

I.
TÊN ĐỀ TÀI.
Nghiên cứu, tổng hợp vật liệu xử lý VOCs dựa trên chất xúc tác nano vàng trên chất
mang carbon hoạt tính ở điều kiện nhiệt độ thấp.
II.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG.
- Nghiên cứu tổng hợp các vật liệu nano vàng trên chất mang carbon dạng hạt, phân
tích và đánh giá các đặc trưng vật liệu .
- Khảo sát ảnh hưởng của bản chất vật liệu, nhiệt độ và độ ẩm.
- Nghiên cứu khả năng xử lý toluene ở điều kiện nhiệt độ thấp và có hơi nước của các
vật liệu đã được tổng hợp.
- Đề xuất cơ chế cho q trình xử lý toluene trong dịng khí có chứa ẩm ở điều kiện
nhiệt độ thấp.
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/01/2018.

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 31/07/2018.

V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. Nguyễn Quang Long.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 07 năm 2018
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS. TS. Nguyễn Quang Long

PGS. TS. Ngô Mạnh Thắng

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

GS. TS. Phan Thanh Sơn Nam

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

ii


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin cảm ơn trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM và khoa Kỹ
thuật hóa học đã tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Quang Long – người

thầy đã luôn ln tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và động viên em trong suốt
quá trình em học ở trường Đại học Bách Khoa, từ những năm 2013 – 2015 lúc em
còn làm đề tài nghiên cứu khoa học và luận văn tốt nghiệp, rồi đến khi em học Thạc
sĩ và bây giờ là hoàn thành luận văn Thạc sĩ.
Em xin chân thành cảm ơn GS. TS. Phan Thanh Sơn Nam đã hỗ trợ em về mọi
mặt trong quá trình học Thạc sĩ tại trường và khoa.
Cơng trình nghiên cứu với tiêu đề “Dual functional adsorbent/catalyst of
nano-gold/metal oxides supported on carbon grain for low-temperature removal of
toluene in the presence of water vapor” được cơng bố trên tạp chí Clean
Technologies and Environmental Policy đã có sự đóng góp rất lớn của sinh viên Lê
Đức Thành lớp HC13HLY, chân thành cảm ơn bạn.
Mặc dù em đã nổ lực và tập trung cao độ để hoàn thành nghiên cứu trong luận
văn Thạc sĩ này, nhưng bài luận không sao tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong
nhận được sự thơng cảm, chỉ dẫn, giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các nhà khoa học,
nhà hóa học, của q thầy cơ, thành viên hội đồng và các bạn đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 07 năm 2018
Học viên cao học

Nguyễn Thanh Minh

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

iii


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

ABSTRACT
Low temperature removal of the volatile organic compounds (VOCs)
especially aromatic compounds such as toluene in highly humid condition is currently
a great challenge. In order to minimize the mass-transfer limitation at low
temperature, various dual functional adsorbent/catalyst consisting nano gold/metal
oxides supported on carbon-grain or granular activated carbon (GAC) have been
prepared using a simple and practically feasible method. The surface morphology,
structure of these ready-to-practically use materials were characterized to confirm the
presence of nano Au on the GAC as well as the properties of the dual functional
adsorbent/catalyst. The results of catalytic performance revealed that the metal oxides
(CeO2 and Fe2O3) played an important role in the formation of nano Au which was
the catalytic active-site for toluene oxidation as well as weakening metal-O bonds.
At 75 ˚C, the nano Au/Fe2O3/GAC and nano Au/CeO2/GAC could remove about 80%
of toluene, which was 20% higher than the toluene removal efficiency obtained in the
case of the Au/GAC. Importantly, under 40% relative humidity condition at 75 ˚C,
the nano Au/Fe2O3/GAC dual functional adsorbent/catalyst still maintained the high
toluene removal efficiency at 76%. The Mars-van Krevelen (MVK) reaction
mechanism for toluene oxidation is possible to explain the dual functional activity of
the nano Au/metal oxides supported on the carbon-grain in this study.

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

iv


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

TÓM TẮT.

Hiện nay, quá trình xử lý các hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs), đặc biệt là hợp
chất hữu cơ chứa vòng thơm (aromatic) như toluene trong điều kiện nhiệt độ thấp và
hàm lượng hơi nước (ẩm) cao là một thách thức lớn trong ngành hóa học ứng dụng.
Với mục đích tối thiểu các trở lực của quá trình truyền nhiệt và truyền khối trong thiết
bị xử lý toluene liên tục tầng cố định ở điều kiện nhiệt độ thấp, các vật liệu hai chức
năng hấp phụ/xúc tác với cấu trúc mới ba thành phần bao gồm nano Au/oxide kim
loại trên chất mang than hoạt tính dạng hạt (GAC) đã được tổng hợp bằng một phương
pháp đơn giản và mang tính thực tiễn cao, có thể ứng dụng ngay trong sản xuất thực
tế. Hình thái bề mặt và cấu trúc của các vật liệu có tính ứng dụng có tính thực tiễn
này đã được phân tích cấu trúc tinh thể, cấu trúc bề mặt, định tính và định lượng để
xác nhận sự có mặt của hạt nano Au trên oxide kim loại nằm trên than hoạt tính dạng
hạt cũng như đặc tính đa chức năng vừa hấp phụ vừa xúc tác. Kết quả của quá trình
khảo sát hiệu suất xử lý toluene của các vật liệu đã cho thấy rằng các oxide kim loại
bao gồm CeO2 và Fe2O3 đã đóng vai một vai trị quan trọng trong q trình hình thành
hạt nano Au, yếu tố quyết định và là thành phần cấu thành nên tâm xúc tác cho phản
ứng oxi hóa toluene, với vai trò chủ đạo là làm yếu đi liên kết kim loại – oxygen trong
oxide kim loại và liên kết C – H trong phân tử VOCs. Tại nhiệt độ 75 ˚C, vật liệu
nano Au/Fe2O3/GAC và nano Au/CeO2/GAC đã loại bỏ hơn 80% toluene trong dịng
khí đầu vào, cao hơn 20% so với độ chuyển hóa toluene của vật liệu Au/GAC. Đặc
biệt, trong điều kiện dịng khí đầu vào chứa 40% ẩm và nhiệt độ xử lý toluene là 75
˚C, vật liệu hai chức năng hấp phụ/xúc tác nano Au/Fe2O3/GAC vẫn duy trì hiệu suất
xử lý toluene ở mức 76%. Cơ chế phản ứng Mars-van Krevelen (MVK) cho phản ứng
oxi hóa xúc tác toluene ở nhiệt độ thấp (< 150 ˚C) đã được sử dụng để đề xuất cơ chế
hoạt động của vật liệu hai chức năng nano Au/oxide kim loại/GAC. Mơ hình cơ chế
xử lý toluene của vật liệu hai chức năng hấp phụ/xúc tác với cấu trúc mới ba thành
đã được trình bày như bên dưới.

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

v

Đại học Bách Khoa Tp. HCM

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

Luận văn Thạc sĩ

vi


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Tôi xin cam đoan những kết quả được trình bày trong luận văn Thạc sĩ này là
do chính tơi thực hiện từ kiến thức của chính mình. Tơi khơng nộp luận án này cho
bất cứ trường, viện nào để được cấp bằng.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 07 năm 2018
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Thanh Minh

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

vii


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ...................................................................................ii
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................iii
ABSTRACT .......................................................................................................................... iv
TÓM TẮT. ............................................................................................................................. v
LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN .............................................................vii
MỤC LỤC .........................................................................................................................viii
MỤC LỤC HÌNH ................................................................................................................ xi
MỤC LỤC BẢNG .............................................................................................................xiii
CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................................. xiv

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ............................................................................................. 1
Giới thiệu về VOCs và phân loại ............................................................................. 1

1.1.

1.1.1.

Định nghĩa VOCs ................................................................................................ 1

1.1.2.

Thành phần chính của VOCs ............................................................................... 1

a.

VOCs bên ngoài ...................................................................................................... 2

b.

VOCs trong nhà....................................................................................................... 2

1.1.3.

1.1.3.1.

Halogenated VOCs....................................................................................... 4

1.1.3.2.

Aldehydes ..................................................................................................... 5

1.1.3.3.

Các hợp chất chứa vòng thơm ..................................................................... 6

1.1.3.4.

Polycyclic aromatic hydrocarbons .............................................................. 6

1.1.3.5.

Alcohols và ketones ...................................................................................... 6

1.1.3.6.

Miscellaneous VOCs .................................................................................... 7

1.1.4.
1.2.

Phân loại VOCs và nguồn gốc............................................................................. 4

Tác hại của VOCs đến môi trường và sức khỏe của con người .......................... 7

Các phương pháp xử lý VOCs ................................................................................. 9

1.2.1.

Phương pháp thu hồi VOCs................................................................................. 9

1.2.2.

Phương pháp phân hủy VOCs ........................................................................... 10

1.2.3.

Phương pháp xử lý VOCs cho điều kiện khí hậu ở Việt Nam .......................... 11

1.3.

Xử lý VOCs bằng phương pháp oxi hóa xúc tác và Chất xúc tác ...................... 11

1.3.1.

Cơ chế phản ứng và động học phản ứng của oxi hóa xúc tác ........................... 11

1.3.1.1.

Mơ hình Langmuir – Hinshelwood (L – H)................................................ 12

1.3.1.2.

Mơ hình Eley – Rideal (E – R) ................................................................... 13

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

viii


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

1.3.1.3.
1.3.2.

Luận văn Thạc sĩ

Mơ hình Mars-van Krevelen (MVK) .......................................................... 13

Chất xúc tác sử dụng cho phản ứng oxi hóa xúc tác VOCs .............................. 14

1.3.2.1.

Chất xúc tác oxide kim loại ........................................................................ 14

1.3.2.2.

Chất xúc tác hỗn hợp oxide kim loại .......................................................... 15

1.3.2.3.

Chất xúc tác kim loại quý ........................................................................... 17

1.3.3.

Chất mang sử dụng cho chất xúc tác chứa nano Au .......................................... 23

1.3.3.1.

Vai trò của chất mang ................................................................................ 23

1.3.3.2.

Chất mang than hoạt tính ........................................................................... 25

1.3.4. Động học phản ứng oxi hóa xúc tác trong thiết bị phản ứng tầng cố định liên
tục (Countinuous Packed Bed Reactor – CPBR) ............................................................. 28
1.3.5.
1.4.

Oxide kim loại và cấu trúc vật liệu mới đa chức năng ...................................... 30

Mục tiêu và nội dung của đề tài ............................................................................. 30

1.4.1.

Tổng kết chương 1 ............................................................................................. 30

1.4.2.

Nội dung nghiên cứu của luận văn .................................................................... 31

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ................................................................................... 33
2.1.

Tổng hợp vật liệu xúc tác với cấu trúc nano Au/oxide kim loại/GAC ............... 33

2.1.1.

2.1.1.1.

Dung dịch HAuCl4 0.0146M và tiền chất của nano Au ............................. 33

2.1.1.2.

Dung môi, muối nitrate và tiền chất của các oxide kim loại...................... 33

2.1.1.3.

Than hoạt tính dạng hạt (GAC) ................................................................. 34

2.1.1.4.

Thiết bị phản ứng tổng hợp vật liệu ........................................................... 35

2.1.2.

2.2.

Nguồn nguyên liệu và thiết bị phản ứng tổng hợp vật liệu ............................... 33

Quy trình tổng hợp vật liệu................................................................................ 35

2.1.2.1.

Quy trình tổng hợp vật liệu hấp phụ/xúc tác .............................................. 35

2.1.2.2.

Quy trình tổng hợp vật liệu để so sánh và chứng minh.............................. 36

Các phương pháp phân tích vật liệu ..................................................................... 38

2.2.1.

Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) .................................................................. 38

2.2.2. Phương pháp kính hiển vi quét điện tử (SEM) và Phương pháp kính hiển vi
điện tử truyền qua (TEM)................................................................................................. 40
2.2.2.1.

Phương pháp kính hiển vi quét điện tử (SEM) ........................................... 40

2.2.2.2.

Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM ................................... 40

2.2.3.

Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt đa lớp (BET) ................................................ 40

2.2.4. Phương pháp quang phổ nguồn plasma cảm ứng cao tần – Đo quang phổ phát
xạ (ICP – OES)................................................................................................................. 42

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

ix


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

2.2.5.
2.3.

Luận văn Thạc sĩ

Phương pháp phân tích sắc kí khí – Đầu dị ion hóa ngọn lửa (GC – FID) ...... 43

Khảo sát hiệu suất xử lý VOCs .............................................................................. 45

2.3.1.

Hệ thống phản ứng ............................................................................................ 45

2.3.2.

Các thơng số kỹ thuật trong q trình khảo sát ................................................. 47

2.3.3.

Khảo sát hiệu suất xử lý toluene........................................................................ 47

2.3.4.

Các yếu tố đã được khảo sát .............................................................................. 48

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................. 49
3.1.

Các kết quả phân tích đặc trưng vật liệu.............................................................. 49

3.1.1.

Kết quả XRD ..................................................................................................... 49

3.1.2.

Kết quả phân tích SEM...................................................................................... 51

3.1.3.

Kết quả phân tích TEM và phân bố kích thước hạt ........................................... 53

3.1.4.

Kết quả diện tích bề mặt riêng, thể tích mao quản và thành phần của vật liệu . 56

3.2.

3.1.4.1.

Kết quả diện tích bề mặt riêng và thể tích mao quản................................. 56

3.1.4.2.

Kết quả phân tích định lượng thành phần hóa học của vật liệu ................ 57

Khảo sát hiệu suất xử lý toluene của các vật liệu ................................................. 58

3.2.1.

Khảo sát ảnh hưởng của oxide kim loại đến hiệu suất xử lý toluene ................ 58

3.2.1.1.

Vật liệu với cấu trúc hai thành phần M2Ox/GAC ....................................... 58

3.2.1.2.

Vật liệu với cấu trúc ba thành phần nano Au/M2Ox/GAC ......................... 60

3.2.2.

Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất xử lý toluene .......................... 62

3.2.3.

Khảo sát ảnh hưởng của ẩm đến hiệu suất xử lý toluene .................................. 65

3.2.3.1.

Ảnh hưởng của ẩm đến hiệu suất xử lý toluene của nano Au/CeO2/GAC . 65

3.2.3.2.

Ảnh hưởng của ẩm đến hiệu suất xử lý toluene của nano Au/Fe2O3/GAC 66

3.2.4.

Đề xuất cơ chế của quá trình xử lý toluene ....................................................... 68

3.2.4.1.
Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất xử lý toluene của hai vật liệu nano
Au/CeO2/GAC và nano Au/Fe2O3/GAC........................................................................ 68
3.2.4.2.

Cơ chế hoạt động của vật liệu đa chức năng nano Au/M2Ox/GAC............ 70

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 72
4.1.

Kết luận .................................................................................................................... 72

4.2.

Kiến nghị .................................................................................................................. 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 75
PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .................................................................................. 85

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

x


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

MỤC LỤC HÌNH
Hình 1: Các phương pháp xử lý VOCs .......................................................................9
Hình 2: Thứ tự khả năng bị phân hủy bởi phản ứng oxi hóa xúc tác ........................12
Hình 3: Ngun liệu gáo dừa dung để sản xuất than hoạt tính ở Việt Nam .............26
Hình 4: a) Than hoạt tính thơ và b) Than hoạt tính sau khi xử lý ............................34
Hình 5: Thiết bị phản ứng tổng hợp vật liệu .............................................................35
Hình 6: Quy trình tổng hợp vật liệu ..........................................................................37
Hình 7: Nhiễu xạ Bragg bởi nhiều mặt phẳng tinh thể .............................................38
Hình 8: Mơ hình q trình hấp phụ đơn lớp lí tưởng ................................................41
Hình 9: Mơ hình cơ bản của máy Sắc kí khí (GC)....................................................44
Hình 10: Chu trình nhiệt độ máy GC – FID .............................................................45
Hình 11: Hệ thống phản ứng .....................................................................................46
Hình 12: Giản đồ XRD (XRD pattern) của các vật liệu xử lý toluene .....................49
Hình 13: Kết quả SEM của: a) GAC, b) Au/GAC, c) Au/Fe2O3/GAC, d)
Au/CeO2/GAC và e) Au/CuO/GAC..........................................................................52
Hình 14: Kết quả TEM và sự phân bố kích thước hạt của vật liệu: a) Au/GAC, b)
Au/Fe2O3/GAC và Au/CeO2/GAC ............................................................................53
Hình 15: Phần trăm phân bố kích thước hạt của ba vật liệu đại diện: Au/GAC,

Au/Fe2O3/GAC và Au/CeO2/GAC ............................................................................54
Hình 16: Hiệu suất xử lý toluene của các vật liệu: GAC, M2Ox/GAC và nano
Au/M2Ox/GAC tại 75 ˚C trong khoảng thời gian 30 phút khảo sát ..........................58
Hình 17: Hiệu suất xử lý toluene của các vật liệu GAC, Au/GAC, Au/CuO/GAC,
Au/CeO2/GAC và Au/Fe2O3/GAC theo nhiệt độ trong khoảng thời gian 30 phút khảo
sát ..............................................................................................................................62
Hình 18: Độ chuyển hóa toluene của GAC và Au/GAC bằng cơ chế hấp phụ theo
nhiệt độ trong khoảng thời gian 30 phút khảo sát .....................................................63
Hình 19: Độ chuyển hóa toluene bởi q trình oxi hóa xúc tác của các vật liệu nano
Au/CuO/GAC, nano Au/Fe2O3/GAC và nano Au/CeO2/GAC theo nhiệt độ trong
khoảng thời gian 30 phút khảo sát ............................................................................64

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

xi


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

Hình 20: Hiệu suất xử lý toluene của vật liệu nano Au/CeO2/GAC tại 75 ˚C với 40%
ẩm trong khoảng thời gian 30 phút khảo sát .............................................................65
Hình 21: Hiệu suất xử lý toluene của vật liệu nano Au/Fe2O3/GAC tại 75 ˚C với 40%
ẩm trong khoảng thời gian 30 phút khảo sát .............................................................67
Hình 22: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất xử lý toluene tại 75 ˚C trong và RH
= 40% của hai vật liệu nano Au/CeO2/GAC và nano Au/Fe2O3/GAC .....................69
Hình 23: Cơ chế xử lý toluene của vật liệu đa chức năng với cấu trúc ba thành phần
nano Au/M2Ox/GAC .................................................................................................70

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

xii


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

MỤC LỤC BẢNG
Bảng 1: Phân loại hợp chất hữu cơ bay hơi ................................................................1
Bảng 2: Thành phần chính, tính chất vật lí, hóa học, và nhiệt động học của các cấu tử
chính trong VOCs .......................................................................................................2
Bảng 3: Thống kê nồng độ của các cấu tử phổ biến trong VOCs bên ngoài – đo lường
trong bầu khí quyển của thành phố .............................................................................3
Bảng 4: Thống kê nồng độ của các cấu tử phổ biến trong VOCs trong nhà...............3
Bảng 5: Một số chất xúc tác oxide kim loại quý trên chất mang ..............................15
Bảng 6: Một số chất xúc tác hỗn hợp oxide kim loại quý trên chất mang ................16
Bảng 7: Một số chất xúc tác kim loại quý trên chất mang ........................................18
Bảng 8: Tiêu chuẩn chất lượng GAC ........................................................................34
Bảng 9: Kích thước hạt nano Au trung bình và độ lệch chuẩn của kích thước hạt của
các vật liệu Au/GAC, Au/Fe2O3/GAC và Au/CeO2/GAC ........................................55
Bảng 10: Diện tích bề mặt riêng và kích thước mao quản của các vật liệu: GAC,
Au/GAC, Au/CuO/GAC, Au/Fe2O3/GAC và Au/CeO2/GAC ..................................56
Bảng 11: Hàm lượng Au và oxide kim loại trong ba vật liệu: Au/CuO/GAC,
Au/Fe2O3/GAC và Au/CeO2/GAC ............................................................................57
Bảng 12: Độ chuyển hóa toluene dựa trên quá trình hấp phụ của các vật liệu GAC,
Au/GAC, Fe2O3/GAC và CeO2/GAC ở 75 ˚C trong khoảng thời gian 30 phút khảo
sát ..............................................................................................................................59
Bảng 13: Độ chuyển hóa toluene phân loại theo cơ chế của các vật liệu ba thành phần

nano Au/M2Ox/GAC ở 75 ˚C trong khoảng thời gian 30 phút khảo sát ...................62
Bảng 14: Kết quả tính tốn độ chuyển hóa toluene theo cơ chế hấp phụ và phản ứng
oxi hóa xúc tác theo nhiệt độ của các vật liệu GAC, Au/GAC, nano Au/CuO/GAC,
nano Au/Fe2O3/GAC và nano Au/CeO2/GAC ..........................................................65
Bảng 15: Độ chuyển hóa toluene trong điều kiện khơng có ẩm và RH = 40% của hai
vật liệu nano Au/CeO2/GAC và nano Au/Fe2O3/GAC tại nhiệt độ 75 ˚C trong khoảng
thời gian 30 phút khảo sát .........................................................................................68

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

xiii


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
𝑟𝑉𝑂𝐶 : Tốc độ phản ứng phân hủy VOCs trên một đơn vị thể tích thiết bị phản ứng.
𝑃

A: Thế hấp phụ của GAC, 𝐴 = 𝑅𝑇𝑙𝑛 ( 𝑠) (J/mol).
𝑃

β: Hệ số ái lực, 𝛽 =

𝑃𝑒
𝑃𝑒𝑟𝑒𝑓

=

(𝑛𝑟2 −1)𝑀𝐵
(𝑛𝑟2 +2)𝜌

× 𝑃𝑒−1
.
𝑟𝑒𝑓

k: Thơng số đặc trưng của GAC (mol2/J2).
W0: Khối lượng cực đại có thể lấp đầy các lỗ xốp (kg/m3).
Wv: Thể tích lỗ xốp có thể được điền đầy bởi chất hấp phụ (m3/kg).
R: Hằng số khí lý tưởng (8.314 J/mol K); T is temperature (K).
Ps: Áp suất hơi bão hòa của chất hấp phụ tại nhiệt độ hấp phụ T (Pa).
P: Áp suất hơi của chất hấp phụ tại một nồng độ xác định (Pa).
MB: Phân tử khối của chất hấp phụ (g/mol).
Pe và 𝑃𝑒𝑟𝑒𝑓 : Độ phân cực điện tích của chất hấp phụ và chất hấp phụ chuẩn; (cm3/mol).
nr: Chỉ số khúc xạ của chất hấp phụ.
Ρ: Tỉ trọng của chất hấp phụ(kg/m3).
Ve: Dung lượng hấp phụ bão hòa động học (g toluene/g GAC).
Cin/out: Nồng độ VOCs đầu vào và đầu ra (g/cm3).
Q: Tốc độ lưu lượng thể tích của dịng khí thải khi đi qua thiết bị phản ứng tầng cố
định (cm3/min).
Mc: Khối lượng than hoạt tính trong tầng xúc tác (g).
σbc: Tỉ trọng của khối carbon (g/cm3).
kC: Hằng số tốc độ quá trình hấp phụ của từng cấu tử (min).
U: Vận tốc ngoài nút của dịng lưu chất (cm/min).
dp: Đường kính hạt than hoạt tính (cm).
C: Nồng độ (mol/m3).
x: Tọa độ trên trục X của thiết bị phản ứng (m).
Dax: Hệ số khuếch tán dọc trục X của dòng lưu chất trên đơn vị diện tích lỗ xốp (m2/s).

E0: Sự đóng góp cố định của hệ số khuếch tán hiệu dụng của dòng lưu chất.
ɛb: Độ xốp của tầng xúc tác.

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

xiv


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

𝑘∞ : Cơ số mũ (mol/Pa m3 s).
PHC: Áp suất riêng phần (Pa).
Eact: Năng lượng hoạt hóa (kJ/mol).
λ: Bước sóng của bức tia X (nm).
K = 0.9: Hệ số hình dạng.
λ: Bước sóng bức xạ tia X.
θ: Mức độ che phủ bề mặt vật liệu của các phân tử khí do quá trình hấp phụ.
KC: Hằng số cân bằng của quá trình hấp phụ - giải hấp phụ.
[A]: Nồng độ của khí bị hấp phụ trong pha khí.
V: Thể tích khí bị hấp phụ.
Vm: Thể tích khí bị hấp phụ khi vật liệu đạt trạng thái bão hòa đơn lớp.
CToluene: Nồng độ toluene trong dịng khí đầu vào (ppmv).
𝑠
𝑃𝑇𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑒
: Áp suất hơi bão hịa của toluene ở nhiệt độ bình chứa (atm).

PT: Áp suất của dịng N2 lơi cuốn, PT = 1 atm.
QLC: Lưu lượng dịng N2 lơi cuốn (L/hr).

QT: Lưu lượng dịng tổng gồm O2, N2 lơi cuốn và N2 pha lỗng (L/hr).
RH (%): Độ ẩm tương đối của dịng khí đầu vào (%).
𝑃𝐻𝑠2𝑂 : Áp suất hơi bão hòa của nước ở nhiệt độ của bình chứa nước.
𝑃𝐻30℃
= 31.82 mmHg: Áp suất hơi bão hòa của nước ở nhiệt độ mơi trường 30 ˚C.
2𝑂
QPL: Lưu lượng dịng N2 pha lỗng (L/hr).
po: Áp suất hơi của khí ở nhiệt độ thực hiện quá trình hấp phụ.

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

xv


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1.

Giới thiệu về VOCs và phân loại

1.1.1. Định nghĩa VOCs
VOCs (Volatile organic compound) là các hợp chất hữu cơ có gốc carbon, có
khả năng bay hơi ở điều kiện thường. Tại 293.15 K và 101.325 kPa, Red Vapor
Pressure (RVP) của VOCs khoảng 10.3 Pa [1]. VOCs là một trong những tác nhân
chính gây ơ nhiễm bầu khơng khí. Tác nhân này được sinh ra từ các ngành cơng
nghiệp hóa chất, hóa dầu, và các ngành cơng nghiệp nhẹ khác (công nghiệp sơn, gỗ,
...), và từ các hoạt động của con người [2]. Theo tổ chức WHO, VOCs được chia ra

làm 4 nhóm (bảng 1) [3].
Bảng 1: Phân loại hợp chất hữu cơ bay hơi
Phân loại
Kí hiệu
Hợp chất hữu cơ rất bay hơi
(Very Volatile Organic Compunds)
Hợp chất hữu cơ bay hơi
(Volatile Organic Compunds)
Hợp chất hữu cơ bán bay hơi
(Semi-volatile Organic Compunds)
Các hợp chất hữu cơ bay hơi khác
(Organic Compounds Associated with Particulate
Matter or Particulate Organic Matter)

VVOCs
VOCs
SVOCs
POM

Boiling Point
Range (˚C)
< 0 to 50 ÷ 100
50 ÷ 100
to 240 ÷ 260
240 ÷ 260
to 380 ÷ 400
>380

1.1.2. Thành phần chính của VOCs
Bảng 2 liệt kê các cấu tử chính có trong VOCs, bao gồm các thơng số nhiệt

động chính, và một số tính chất vật lí, hóa học của chúng [2, 4].
Mặc dù VOCs chứa rất nhiều cấu tử khác nhau, nhưng trong nghiên cứu về
thành phần và nồng độ của các cấu tử có trong VOCs trong nhà và VOCs bên ngồi,
Chunrong Jia và các cộng sự đã chứng minh được rằng có tổng cộng 46 cấu tử trong
VOCs bên ngoài và 53 cấu tử trong VOCs trong nhà [5].

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

1


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

Bảng 2: Thành phần chính, tính chất vật lí, hóa học, và nhiệt động học của các
cấu tử chính trong VOCs
Cấu tử
Toluene
Propane
Benzene
Ethylbenzene
o-Xylene
Acetylene
Acetone
Formaldehyde
n-Hexane
Dicholoromethane
Tricholoromethane
Tetracholoromethane

Tricholoroethylene
Tetracholoroethylene
Acetaldehyde
Ethylene

Cp
(J/mol ⁰C)
166.0
73.8
136.1
185.9
188.8
44.1
125.0
35.4
195.0
50.8
65.8
133.9
80.02
95.6
53.7
42.9

B.P
(⁰C)
110.6
-42
80.1
136

144
-84
56
-19
68
39.6
61.2
76.72
87.2
121.1
20.2
-103.7

∆Gf
(kJ/mol)
114.09
-23.4
124.5
120.0
110.8
209.2
-155.3
-109.9
-4.0
-68.9
-68.5
-62.5
6.7
20.6
-133.2

68.4

∆Hf
(kJ/mol)
12.0
-103.8
49.0
-12.5
-24.4
226.7
-248.1
-115.9
-198.8
-95.5
-101.3
-132.8
-19.1
-14.2
-166.4
52.5

∆Hc
(kJ/mol)
-3909.8
-2220.0
-3267.6
-4564.7
-4552.8
-1299.6
-1789.9

-563.4
-4163.1
-583.8
-435.2
-260.7
-910.8
-772.8
-1192.3
-1411.1

a. VOCs bên ngồi
Có khoảng 29 cấu tử tồn tại hầu hết ở các nguồn VOCs trong bầu khí quyển.
Trong đó, các cấu tử có nồng độ cao nhất bao gm: benzene (0.7 ữ 1.4 àgm-3), toluene
(0.8 ữ 3.7 àgm-3), meta/para-xylene (0.7 ữ 1.4 àgm-3), v carbon tetrachloride (CTC,
0.7 ữ 1.2 µgm-3). Ngồi ra, cấu tử CTC tồn tại ở hầu hết các nguồn khí thải, ví dụ:
các dung mơi tẩy rửa bay hơi (dry cleaning solvents), các tác nhân lạnh và khí trong
các bình chữa cháy (fire extinguishers) [6].
b. VOCs trong nhà
Có khoảng 38 cấu tử được tìm thấy ở hầu hết các nơi cư trú, trong đó có khoảng
34 cấu tử có tần suất phát hiện lớn hơn 85%. Các cấu tử phổ biến nhất trong VOCs
trong nhà bao gồm: các hợp chất hữu cơ chứa vòng thơm (aromatic compounds),
chloroform, CTC, tetrachlorothene (PERC), alkanes, và terpenes. Nếu phân loại theo

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

2


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

median thì d-Limonene, toluene, meta/para-xylene, và α-Pinene có nồng độ cao nhất
(theo thứ tự là: 16.6, 6.8, và 3.2 µgm-3), và các cấu tử cịn lại có nồng độ bé hơn 1.0
µgm-3 [5].
Bảng 3: Thống kê nồng độ của các cấu tử phổ biến trong VOCs bên ngoài – đo
lường trong bầu khí quyển của thành phố [5]
Cấu tử

Tần suất
phát hiện
(%)

Benzene
Toluene
Ethylbenzene
p, m-xylene
o-Xylene
1, 3, 5-Trimethylbezene
1, 2, 4-Trimethylbezene
1, 2, 3-Trimethylbezene
2-Ethyltoluene
CTC

100
100
100
100
100
100

100
100
100
100

Nồng độ (µgm-3)
Trung bình
Trung bình
Tối đa
cộng
(Median) (Maximum)
(Average)
1.13
0.94
4.40
2.61
1.78
21.55
0.52
0.32
6.65
1.98
1.08
31.38
0.63
0.37
7.85
0.23
0.14
2.80

0.66
0.41
9.12
0.17
0.10
2.38
0.18
0.12
1.81
1.01
0.97
2.25

Bảng 4: Thống kê nồng độ của các cấu tử phổ biến trong VOCs trong nhà
Cấu tử

Tần suất
phát hiện
(%)

Benzene
Toluene
Ethylbenzene
p, m-xylene
o-Xylene
1, 3, 5-Trimethylbezene
1, 2, 4-Trimethylbezene
1, 2, 3-Trimethylbezene
2-Ethyltoluene
Cumene

100
100
100
100
100
100
100
100
100
100

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

Nồng độ (µgm-3)
Trung bình
Trung
Tối đa
cộng
bình
(Maximum)
(Average)
(Median)
2.84
1.17
47.35
15.56
6.82
197.32
2.17

1.04
79.87
7.93
3.27
318.74
2.37
1.10
50.37
0.93
0.41
27.30
3.07
1.26
105.76
1.04
0.38
64.14
0.77
0.35
27.23
0.16
0.08
4.51

3


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

Khi nghiên cứu về nồng độ và thành phần của VOCs có trong bầu khí quyển
xung quanh các cụm cơng nghiệp lọc dầu và hóa dầu, Eylem Cetin và cộng sự đã
chứng minh được rằng cấu tử chính có trong VOCs là ethylene dichloride, tiếp theo
là ethyl alcohol và acetone [7]. Ethylene dichloride là chất phụ gia dùng cho sản phẩm
xăng trong cơng nghiệp lọc dầu với mục đích khử chì (Pb), và cấu tử này cũng được
tạo ra trong quá trình sản xuất vinyl chloride trong cơng nghiệp hóa dầu [8].
Như vậy, thành phần và nồng độ của các cấu tử có trong VOCs sẽ phụ thuộc
vào nguồn phát thải và vị trí địa lí. Tuy nhiên, dù là VOCs bên ngồi hay VOCs trong
nhà, VOCs có trong bầu khí quyển xung quanh các nhà máy lọc – hóa dầu, thì thành
phần của chúng đều chứa benzene, toluene, và xylenes (BTX). Và khi nhắc đến
VOCs, chúng ta sẽ luôn luôn liên tưởng đến 3 cấu tử này. Khi nghiên cứu về VOCs
trong bầu khí quyển thành thị ở Hong Kong, nhóm nghiên cứu của S. C. Lee cũng đã
chứng minh được rằng (bezene, toluene, ethylbenzene, và xylenes) chiếm khoảng
60% thành phần của hỗn hợp VOCs đã được đo lường [9].
1.1.3. Phân loại VOCs và nguồn gốc
1.1.3.1.

Halogenated VOCs

Halogenated VOCs là các hợp chất nguy hiểm bởi vì nguy cơ tích tụ trong tế
bào lớn, độc tính cấp tính và khó bị phân hủy [10]. Trong các loại halogenated VOCs,
polychloromethanes (PCMs) được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất trong nhiều ứng
dụng khác nhau. Nguồn phát thải chính của PCMs là các vật liệu dư thừa được tạo ra
từ các hệ thống tinh chế và bay hơi nước [11]. Các cấu tử PCMs phổ biến chúng ta
thường gặp phải là chloroform, dichloromethane, trichloromethane, và carbon
tetrachloride. Những cấu tử halogenated VOCs khác bao gồm chlorobenzene,
dichloroethane,

trichloroethane,

tetrachloroethane,

trichloroethylene,

và

tetrachloroethylene. Thông thường, các hợp chất này được sử dụng trong q trình
pha chế và gia cơng của các loại hóa chất trích ly, sơn và chất kết dính; sản xuất thuốc,
tổng hơp polymer, dung môi trong của các phản ứng hóa học; và các chất tẩy rửa.
Những hợp chất này rất dễ bay hơi và thường có thời gian sống dài trong bầu khí
quyển [12]. Chúng ta có thể bị phơi nhiễm halogenated VOCs thông qua đường thực

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

4


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

quản, khí quản và hấp phụ qua da. Halogenated VOCs gây ra tác động lớn đến quá
trình phá hủy tần ozone và cũng như một nguồn sinh ra tia mới trong bầu khí quyển,
góp phần tạo ra hiệu ứng nhà kính. GWP (100-year global warming potential) của
halogenated VOCs nằm trong khoảng 10 ÷ 1800, cao hơn rất nhiều so với CO2 –
GWP chỉ là 1 [13].

1.1.3.2.

Aldehydes

Aldehydes là một trong những nhóm cấu tử lớn nhất của VOCs hoạt tính trong
bầu khí quyển. Formaldehyde và acetaldehyde là hai cấu tử thường bắt gặp nhất đối
với aldehyde VOCs. Chúng là một trong những nguồn sinh ra tia mới, tác động đến
sự hình thành của ozone. Nguồn sản sinh ra formaldehyde chính là sự phân hủy của
VOCs (alcohols và những hydrocarbon khác) bằng những quá trình oxi hóa nhiều
giai đoạn [14]. Aldehydes là một trong những chất gây ơ nhiễm chính trong VOCs
trong nhà, phát sinh từ các vật liệu trang trí và bị giữ lại trong các tồ nhà kín khí.
Những hợp chất này cũng được thải ra từ nhiều sản phẩm công nghiệp, ví dụ như các
loại resin trong ngành gỗ, mỹ phẩm, nhựa kết dính, các loại vật liệu xây dựng, các tác
nhân tẩy rửa, chất diệt khuẩn, ván dăm, ván sợi tỉ trọng trung bình, gỗ dán, thảm lót
chân, khói thuốc lá và các loại vải. Aldehydes cũng có thể được sinh ra bởi quá trình
cắt đứt liên kết C – C của các tia alkoxy (alkoxy radicals) [15]. Các nguồn aldehydes
đi từ sinh vật bao gồm quá trình sống và phân rã của thực vật, sự phân hủy vi sinh,
đốt cháy biomass, và nước biển.
Phơi nhiễm aldehydes với nồng độ thấp có thể bị kích ứng cổ họng, khó thở,
kích ứng mắt, và tức ngực. Phơi nhiễm aldehydes ở nồng độ cao tăng khả năng nhiễm
độc cấp tính và phơi nhiễm trong thời gian dài có thể dẫn đến nhiễm độc mãn tính,
sưng mũi và kích ứng đường hơ hấp, màng nhớt của mắt và da [16, 17]. Bởi vì sự gia
tăng trong việc sử dụng ethanol cho nguyên liệu sinh học sử dụng cho các phương
tiện di chuyển, aldehydes từ nhiên liệu sinh học trong bầu khí quyển đã tăng đáng kể
trong những năm gần đây, và đặc biệt hiện nay Việt Nam đang có xu hướng chuyển
sang sử dụng xăng E5.

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

5

Đại học Bách Khoa Tp. HCM

1.1.3.3.

Luận văn Thạc sĩ

Các hợp chất chứa vòng thơm

Các hợp chất chứa vòng thơm như benzene, toluene, và ethylbenzene xuất hiện
trong các sản phẩm dầu mỏ, bao gồm xăng, và những loại nhiên liệu khác từ dầu thơ.
Do đó, q trình đốt cháy khơng hồn toàn của nhiên liệu trong động cơ sẽ xả thải ra
một lượng lớn các hợp chất chứa vòng thơm vào bầu khí quyển. Những hợp chất này
cũng được sử dụng trong nhiều sản phẩm khác nhau và quá trình pha chế khác như
hóa dầu, sơn, thuốc và chất tẩy rửa [18]. Các hợp chất chứa vịng thơm khơng những
là chất độc và tác nhân gây ung thư, mà còn là tác nhân phá hủy tần ozone, tạo ra
sương mù quang hóa và có nguy cơ gây đột biến [19]. Các loại dung mơi chứa vịng
thơm thường được sử dụng trong nghành sơn, chất pha lỗng sơn, nhựa thơng, chất
kết dính, sơn mài và mực in đã được xem như là chất gây ô nhiễm trọng điểm. Phơi
nhiễm ở nồng động thấp, VOCs chứa vịng thơm có thể gây nên sự mệt mỏi, rối loạn,
buồn nơn, mất trí nhớ, và mất tầm nhìn. Hít phải các hợp chất chứa vịng thơm ở nồng
độ cao có thể dẫn đến bất tỉnh, chóng mặt, và thở khơng đều. Nồng độ an tồn tới hạn
của các hợp chất chứa vòng thơm là 200 ppm trong khơng khí.

1.1.3.4.

Polycyclic aromatic hydrocarbons

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) là một họ của VOCs và chúng được
sinh ra bởi các quá trình đốt cháy [20]. Những hợp chất này chứa hơn một vòng
benzene trong cấu trúc phân tử. Một vài cấu tử PAH điển hình là naphthalene (2

vịng), phenanthrene (3 vịng) và pyrene (4 vòng). PAH đã được xác định là tác nhân
gây ung thư và do đó chúng ta cần phải giảm thiểu sự phát thải của chúng.

1.1.3.5.

Alcohols và ketones

Alcohols và ketones là các hợp chất thường được sử dụng trong mỹ phẩm và
các sản phẩm chăm sóc của chúng ta như nước sơn móng tay, nước tẩy sơn móng tay,
nước hoa, rubbing alcohol và keo xịt tóc. Ketones được sử dụng trong aerosols, sơn
dầu (varnishes), nước tẩy rửa cửa sổ, chất pha lỗng sơn và chất kết dính [21]. Các
cấu tử alcohol VOCs bao gồm ethyl alcohol, isopropyl alcohol, ethyl acetate và
methyl ethyl ketone là ketone VOCs.

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

6


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

Alcohol (chủ yếu là ethanol) sau khi trải qua phản ứng bậc 2 sẽ tạo ra
aldehydes, gây ra kích ứng cổ họng, khó thở, kích ứng mắt, các triệu chứng tương tự
như đã trình bày ở phần aldehydes. Khi phơi nhiễm trong thời gian dài với alcohol sẽ
gây ra sự suy giảm chức năng hệ thần kinh (US Department of Health and Human
Services. Hazardous Substances Data Bank (HSDB, online database). National
Toxicology Information program, National Library of Medicine, Bethesda, MD.
1993). Ketones với nồng độ cao có thể gây ra kích ứng mắt, mũi và cổ họng.

1.1.3.6.

Miscellaneous VOCs

Một vài loại alkenes cũng thuộc nhóm VOCs này. Propylene là cấu tử cực kì
gây ơ nhiễm vì nó có POCP lớn (photochemical ozone creativity potential). Ethylene
là một cấu tử rất quan trọng vì được sử dụng trong nhiều q trình tổng hợp hóa dầu.
Ethylene được sinh ra trong q trình tồn trữ các sản phẩm nơng nghiệp, có thể gây
ra sự thay đổi về vật lý và hóa học của rau và quả. Ethylene được sử dụng rộng rãi
như một loại dung môi của sơn dầu, nhựa tổng hợp, chất kết dính, mực in, tiền tố hữu
cơ của các loại dược phẩm, và nước hoa bởi vì độc tính thấp, độ tan tốt và độ bay hơi
tốt. Methyl tert-butyl ether (MTBE) thuộc nhóm bán bay hơi VOCs và được sử dụng
như một chất tăng cường cho nhiên liệu để cải thiện chỉ số octane và khả năng oxi
hóa của nhiên liệu. Sự có mặt của MTBE trong nguồn nước uống đã trở thành một
vấn đề chính ở châu Âu và Mỹ. MTBE được sinh ra chủ yếu từ sự rò rỉ từ các bồn
chứa dưới lòng đất, lắng động trong khơng khí và sự phát thải từ các phương tiện sử
dụng động cơ đốt trong di chuyển trên nước. MTBE tìm ẩn nguy cơ gây ung thư và
ảnh hưởng bất thuận nghịch đến mùi và vị của nước uống. Ngưỡng nồng độ an toàn
của MTBE trong nước uống được đề xuất bởi US Environmental Protection Agency
là 20 ÷ 30 ppb [22].
1.1.4. Tác hại của VOCs đến môi trường và sức khỏe của con người
Hiện nay, đã có rất nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của VOCs đến sức khỏe
con người. Khi nghiên cứu về phản ứng của con người khi tiếp xúc với VOCs, L.
Molhave và các cộng sự đã chứng minh được rằng khi tiếp xúc với VOCs ở nồng độ

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

7

Đại học Bách Khoa Tp. HCM

Luận văn Thạc sĩ

thấp, con người sẽ bị các triệu chứng liên quan đến đường hô hấp, nhức màng viêm
mạc, khô mũi, mắt, tổn thương nội tạng, ... [23]. Kết luận này tương đồng với khảo
sát của tổ chức WHO (1982). Và khi con người tiếp xúc với VOCs ở nồng độ cao sẽ
dẫn đến các triệu chứng liên quan đến thần kinh và có thể dẫn đến tử vong.
Trong bầu khí quyển tầng thấp (ground level), VOCs sẽ phải trải qua phản ứng
quang hóa với NOx tạo ra ozone (O3). Ozone trong bầu khí quyển tầng thấp sẽ gây ra
các vấn đề nghiêm trọng liên quan đến ơ nhiễm bầu khơng khí, phá hoại hệ sinh thái,
kích thích giác mạc của các lồi động vật và làm giảm sức đề kháng của con người
[24]. Thành phần và nguồn gốc của VOCs sẽ quyết định đến tốc độ và cơ chế phản
ứng quang hóa tạo ozone [25].
Tại Việt Nam, VOCs được sinh ra chủ yếu từ ngành công nghiệp sơn (sơn dầu,
sơn nước, sơn polyurethane, sơn nitrocellulose, ...), và hầu hết các sản phẩm này được
sử dụng để sơn và trang trí các căn hộ, cao ốc, và văn phòng làm việc. Nhiều nghiên
cứu đã chứng minh được rằng hàm lượng VOCs trong nhà cao hơn VOCs bên ngoài.
Khi khảo sát hàm lượng VOCs trong bầu khí quyển, Chunrong Jia và các cộng sự đã
chứng minh được rằng tỉ lệ VOCs trong nhà/VOCs bên ngoài biến thiên trong khoảng
từ 1 đến 10 cho hầu hết các cấu tử, nhưng tỉ lệ này lên đến 100 cho một vài cấu tử
đặc biệt (ví dụ: d-limonene) [5].
Như vậy, chúng ta có thể thấy VOCs có mặt ở hầu hết các nhà máy sản xuất,
đặc biệt là các ngành cơng nghiệp có sử dụng dung mơi. VOCs có mặt ở các khu vực
đang xây dựng, có mặt ở các căn hộ, cao ốc, và nơi chúng ta làm việc hằng ngày. Hậu
quả sẽ rất nghiêm trọng nếu như chúng ta thường xuyên tiếp xúc với VOCs, đặc biệt
là VOCs ở nồng độ cao. Do đó, việc xử lý VOCs, đặc biệt là “Xử lý VOCs ở điều
kiện nhiệt độ thấp (< 300 ⁰C)” đang được các tổ chức về mơi trường, y tế và chính
phủ quan tâm vì VOCs trong nhà tồn tại ở điều kiện nhiệt độ thường và độ ẩm cao.

Và đề tài “Nghiên cứu, tổng hợp vật liệu xử lý VOCs ở điều kiện nhiệt độ thấp” đang
thu hút giới chuyên môn và nhiều nhà khoa học. Dựa vào điều kiện thực tiễn này, đề
tài “Nghiên cứu xử lý VOCs ở điều kiện nhiệt độ thấp” đã được chọn để thực hiện
trong luận văn Thạc sĩ, với mong muốn nghiên cứu này sẽ được ứng dụng để xử lý
các dịng khí thải chứa VOCs ở Việt Nam, nhằm nâng cao chất lượng đời sống.

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

8


Đại học Bách Khoa Tp. HCM

1.2.

Luận văn Thạc sĩ

Các phương pháp xử lý VOCs
Phương pháp xử lý
VOCs

Kỹ thuật thu hồi

Hấp thụ/Hấp
phụ

Phân tách bằng
cơng nghệ màng

Kỹ thuật phân hủy

Ngưng tụ

Oxi hóa
nhiệt

Oxi hóa
xúc tác

Oxi hóa vi
sinh vật

Hình 1: Các phương pháp xử lý VOCs
1.2.1. Phương pháp thu hồi VOCs
-

Công nghệ hấp thụ/hấp phụ bằng dung môi/vật liệu phù hợp.

-

Phân tách bằng công nghệ màng.

-

Cơng nghệ ngưng tụ.
Các nguồn khí thải có chứa VOCs với hàm lượng cao, đặc biệt khi dịng khí

thải không tan trong nước nhưng các cấu tử VOCs lại có khả năng tan trong nước
thường được xử lý bằng công nghệ hấp thụ bởi một dung môi phù hợp. Tuy nhiên,
công nghệ này lại gặp phải một vấn đề đó trong q trình tái sinh dung mơi sẽ phải

thải ra một lượng lớn VOCs – tác nhân gây ô nhiễm bầu khí quyển.
Cơng nghệ hấp phụ VOCs bằng các vật liệu rắn (than hoạt tính, zeolite, chất
hấp phụ polymer, ...) đã được sử dụng để “xử lý chọn lọc VOCs”. Và công nghệ này
thường được sử dụng để xử lý các dịng khí thải có chứa VOCs ở nồng độ thấp. Chi
phí cao cho việc chọn lựa và mua vật liệu hấp phụ, chi phí cho việc tái sinh định kì
vật liệu là hai trở ngại lớn nhất đối với công nghệ xử lý VOCs bằng phương pháp hấp
phụ [26].
Ngồi ra, VOCs cịn được xử lý bằng cơng nghệ ngưng tụ dựa trên việc chuyển
đổi từ pha khí sang pha lỏng. Cơng nghệ này cần phải có kinh phí lớn cho việc đầu
tư xây dựng, vận hành, và bảo dưỡng hệ thống làm lạnh và nén khí vì chúng ta cần
phải giảm nhiệt độ tại một áp suất nhất định, hoặc tăng áp suất tại một nhiệt độ nhất

HVTH: Nguyễn Thanh Minh

9