Chủ nhiệm đề tài: TS. Hoàng Văn Hà
Sự cần thiết:
Tại Việt Nam hàm lượng VOCs xuất hiện nhiều trong sơn dầu, sơn polyurethane (PU), sơn nitrocellulose (NC)… Hầu hết chúng đều được sử dụng sử dụng để sơn nhà ở, nơi làm việc, các tòa cao ốc, các căn hộ cao cấp…Nhiều nghiên cứu cho thấy lượng VOCs bên trong nhà có thể cao hơn 10 lần so với bên ngoài, và có khi tăng cao đến hơn 1.000 lần sau khi một lớp sơn mới được sơn lên tường…Vì vậy việc loại bỏ VOCs là việc hết sức quan trọng. Theo báo Thanh niên Online chủ nhật, 25/7/2010, một cuộc khảo sát mới đây tại Khoa phẫu thuật gây mê hồi sức của Bệnh viện Nhân dân Gia Định cho thấy tỷ lệ viêm phổi do thở máy chiếm gần 60%, trong đó tỷ lệ viêm phổi do vi khuẩn Klebsiella pneumoniae khoảng 50% và viêm phổi sau mổ do vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa 20%. Có hơn 93% mẫu đờm của bệnh nhân nằm viện có chứa vi khuẩn đa kháng thuốc. Tại bệnh viện Chợ Rẫy tình trạng nhiễm khuẩn bệnh viện cũng rất đáng ngại, trong đó số bệnh nhân viêm phổi chiếm 45%, tiếp theo là nhiễm khuẩn vết mổ 21%, nhiễm trùng đường tiết niệu 13%, nhiễm trùng da 11% và nhiễm trùng đường huyết 10%. Môi trường không khí ô nhiễm sẽ làm tăng nguy cơ nhiễm bệnh cho bệnh nhân dẫn đến tình trạng nhiễm khuẩn bệnh viện tràn lan, ước tính hàng năm có tới 700 nghìn trường hợp nhiễm trùng vết mổ. Viện Vệ sinh Y tế Cộng đồng TPHCM cảnh báo trong 33 mẫu không khí thu được tại các bệnh viện trong 2 năm 2009 và 2010 có đến 26 mẫu chứa lượng vi sinh cao hơn mức quy định 6 lần. Khảo sát mật độ vi khuẩn trong không khí của 33 phòng mổ, phòng hồi sức tại 13 bệnh viện ở TPHCM, tỷ lệ không đạt tiêu chuẩn là 78,8%. Theo đại diện WHO tại Việt Nam, nhiễm khuẩn bệnh viện đang là gánh nặng và thách thức cho hệ thống chăm sóc sức khỏe tại Việt Nam. Như đã nói ở trên, vấn đề ô nhiễm môi trường không khí bởi các hợp chất hữu cơ và vô cơ, các loài vi khuẩn và vi rút trong các bệnh viện, toà nhà công cộng, nhà xưởng sản xuất...đang ngày càng trở nên cấp thiết ở nước ta cũng như trên thế giới.
Xúc tác quang hóa TiO2 đã và đang được nhiều nhóm tác giả, nhà khoa học trong nước nghiên cứu. Dạng hạt nano TiO2 thường được điều chế từ tiền chất ban đầu là Ti(OC4H9)4 (Tetrabutylorthotitanate) bằng phương pháp sol-gel và ứng dụng trong nhiều mục đích khác nhau. Nhóm tác giả Nguyễn Văn Nội, Nguyễn Minh Phương Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã có nhiều công bố về vật liệu TiO2 pha tạp N, C, S ứng dụng trong xử lý Rhodamin B và chất hữu cơ trong nước. Nhiều nhóm nghiên cứu khác ở trong nước cũng đã tiến hành biến tính nhằm gia tăng hoạt tính quang xúc tác của vật liệu TiO2. Viện Công Nghệ Môi Trường, Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam cũng đã có nhiều nghiên cứu về ứng dụng của TiO2. Nhóm nghiên cứu của GS.TS. Đặng Đình Kim và cộng sự đã nghiên cứu sử dụng Ag để pha tạp nhằm gia tăng hoạt tính quang xúc tác và diệt khuẩn của TiO2. Tiến sĩ Lê Thanh Sơn và cộng sự cũng thành công trong việc sử dụng N làm tác nhân biến tính để gia tăng hoạt tính quang xúc tác của hạt nano TiO2 nhằm ứng dụng trong việc sử lý các chất hữu cơ dễ bay hơi và vi khuẩn trong không khí.
Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu về TiO2 trong nước mới tập trung vào nghiên cứu tính chất và tiềm năng ứng dụng của TiO2 chưa đưa ra được thiết kế thiết bị ứng dụng trong thực tế hay tạo ra các sản phẩm cụ thể gần với sản phẩm công nghiệp. Do đó, các sản phẩm được sản xuất hàng loạt để tiêu thụ trên thị trường, sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất có ứng dụng xúc tác quang được sản xuất ở nước ta rất ít.
Tại Việt Nam, thị trường máy lọc khí đã bắt đầu đa dạng với các máy lọc hiện đại được nhập từ Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ, Anh, Trung Quốc và cả hàng nội địa từ các nhà sản xuất trong nước. Nhiều nhà sản xuất hay người bán hàng thường dành cho máy lọc khí những lời có cánh, thậm chí quảng cáo quá mức. Thêm vào đó, các thiết bị này phần nhiều phần nhiều là công suất nhỏ, dùng trong gia đình. Qua khảo sát chất lượng và cấu tạo của các thiết bị này có thể thấy về cơ bản đây là các thiết bị lọc không khí bằng màng lọc, phần xúc tác quang hầu như không đóng vai trò đáng kể và các nhà sản xuất đưa phần này vào thiết bị để quảng cáo là chính. Các thiết bị chỉ có khả năng lưu dữ các chất ô nhiễm, chứ không có khả năng loại bỏ chúng một cách hoàn toàn. Như vậy, không thể giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường một cách triệt để. Sự tích tụ của các chất ô nhiễm trên màng lọc đòi hỏi phải thay màng lọc thường xuyên dẫn đến giá thành cao. Gần đây, vật liệu xúc tác quang đã được tích hợp vào một số máy lọc không khí (ví dụ, phin lọc khử mùi bằng xúc tác quang titan dioxide của hãng Daikin), tuy nhiên, thiết bị này sử dụng vật liệu xúc tác quang TiO2 chưa biến tính, có năng lượng vùng cấm lớn. Các máy lọc đều không quan tâm tới lọc các loại bỏ sản phẩm phụ của quá trình ôxi hóa bởi xúc tác quang học. Một vài thiết bị xử lý không khí khác đã được sản xuất thử nghiệm ở trong nước nhưng nhìn chung chúng chưa đáp ứng được các tiêu chí của thiết bị là hàng hóa được sản xuất hàng loạt nhằm tiêu thụ rộng rãi trên thị trường. Để đạt mục tiêu đó cần phải tiếp tục nghiên cứu và tìm ra những giải pháp kỹ thuật mới làm cho thiết bị có chất lượng tốt hơn, hoạt động có hiệu quả cao hơn và đơn giản đơn giản hơn.
Mục tiêu:
- Sản xuất được vật liệu xúc tác quang TiO2 biến tính có hiệu quả trong việc phân hủy chất hữu cơ bay hơi cũng như tiêu diệt các loại vi sinh vật trong không khí.
- Sản xuất được dung dịch hấp thụ có khả năng xử lý được bụi, và vi khuẩn trong không khí.
- Chế tạo được thiết bị làm sạch không khí được ứng dụng trong y tế và dân dụng.
- Khảo nghiệm thiết bị trong phòng thí nghiệm và tại 1 cơ sở y tế.
Nội dung nghiên cứu:
- Vật liệu ống nano N-TiO2 từ bột TiO2 thương mại.
- Cố định ống nano N-TiO2 lên ống thủy tinh thạch anh và đánh giá hoạt tính xúc tác của vật liệu.
- Nghiên cứu điều chế dung dịch lọc ướt và đánh giá hiệu quả trên màng lọc.
- Thiết kế thiết bị lọc khí.
- Thiết kế mạch điện điều khiển.
- Lập trình điều khiển thiết bị.
- Bản vẽ thiết kế vỏ thiết bị.
- Đánh giá thiết bị tại phòng thí nghiệm.
- Đánh giá thiết bị tại phòng hồi sức cấp cứu.
- Tổng quá hóa và đánh giá kết quả đạt được.
Kết quả của đề tài:
Đã hoàn thiện quy trình mới tổng hợp ống nano TiO₂ pha tạp đồng thời nitơ cho sản phẩm có những đặc tính tốt hơn khi không pha tạp.
Vật liệu ống nano TiO2 sau khi biến tính bằng việc pha tạp thêm N đã cho thấy năng lượng vùng cấm giảm xuống và vùng năng lượng ánh sáng kích hoạt vật liệu được mở rộng. Diện tích bề mặt riêng của xúc tác ống nano TiO2 cũng được tăng cường lên đến 246 m2/g sau khi pha tạp với N ở tỷ lệ mol Ti:N = 40:1.
Hiệu quả quang xúc tác trong xử lý ethanol của mẫu TiO2 cấu trúc ống nano là tốt hơn so với dạng hạt nano ban đầu và hoạt tính tiếp tục được tăng cường hơn nữa khi có sự pha tạp N. Trong đó, ống nano TiO2 pha tạp N ở tỷ lệ mol Ti:N = 40:1 cho kết quả tốt nhất (86,93% sau 2 giờ phản ứng liên tục), cao gấp hơn 2 lần so với TiO2 nguyên liệu.
Mẫu vật liệu có hoạt tính xúc tác quang tốt nhất (TBN40), vật liệu này tiếp tục được tổng hợp và nghiên cứu hoạt tính trong việc loại bỏ một số hợp chất hữu cơ dễ bay hơi thường xuất hiện trong môi trường bệnh viện như ethanol, isopropanol và dietyl ete.
Kết quả cho thấy mẫu xúc tác TBN40 có khả năng xử lý các hợp chất VOCs kể trên tương đối tốt và nhanh chóng. Với 0,2g xúc tác quang TBN40 được sử dụng cho mỗi lần thí nghiệm, VOCs bị phân hủy hoàn toàn sau khoảng thời gian từ 4-6h (nồng độ ban đầu mỗi hợp chất là 336 mg/m3). Trong đó, ethanol bị phân hủy hoàn toàn sau 4h, đối với isopropanol là 4h15phút và đối với dietyl ete là 5h45phút. Điều kiện môi trường thí nghiệm là 30oC và 70% độ ẩm. Kết quả có thể có dao động tùy vào khả năng đối lưu, khuếch tán VOCs trong môi trường lên bề mặt vật liệu cũng như những điều kiện khác liên quan đến nhiệt độ, độ ẩm môi trường,…
Kết quả này là tiền đề để sản xuất và ứng dụng các thiết bị lọc khí tiên tiến có sử dụng vật liệu xúc tác quang trong việc xử lý một số hợp chất VOCs trong môi trường không khí của bệnh viện nói riêng và một số không gian xuất hiện nhiều VOCs độc hại nói chung.
Đã hoàn thiện quy trình phủ xúc tác ống nano TiO2 lên trên nền ống thạch anh để tạo thành vật liệu xúc tác có khả năng ứng dụng thực tế. Trong đó lớp phủ bền không bị bong tróc, vẫn giữ khả năng bám dính khi rửa bằng rung siêu âm.
Dung dịch phủ có hàm lượng Polyethylene glycol 20000 (PEG 20000) càng lớn thì lượng xúc tác giữ lại trên bề mặt ống thạch anh càng nhiều, diện tích trống vật liệu càng ít, tuy nhiên quá nhiều PEG lại ảnh hưởng tới hoạt tính xúc tác của lớp vật liệu phủ trên ống thạch anh. Điều kiện phủ đạt tốt nhất khi tỷ lệ pha trộn T/PEG=5/1.
Hiệu quả quang xúc tác trong xử lý ethanol của mẫu vật liệu sau khi nung là tốt hơn nhiều so với khi chưa nung khi độ kết tinh vật liệu tốt hơn và lượng PEG dư thừa cũng bị phân hủy sau khi xử lý nhiệt. Mẫu sau khi nung cho hiệu quả loại bỏ 100% ethanol (336mg/m3) sau 4h xử lý liên tục.
Bổ sung KOH giúp tăng khả năng bám dính của TiO2.
Vật liệu xúc tác quang ống nano TiO2 phủ lên ống thạch anh được nghiên cứu hoạt tính trong việc loại bỏ một số hợp chất hữu cơ dễ bay hơi thường xuất hiện trong môi trường bệnh viện như ethanol, isopropanol và dietyl ete.
Kết quả cho thấy vật liệu xúc tác trên nền ống thạch anh có khả năng xử lý các hợp chất VOCs kể trên tương đối tốt và nhanh chóng. Với 4m ống thạch anh phủ xúc tác quang được sử dụng cho mỗi lần thí nghiệm, các hợp chất VOCs bị phân hủy từ 39,6-100% sau 4h chiếu sáng liên tục (nồng độ ban đầu mỗi hợp chất là 336 g/m3). Trong đó, ethanol bị phân hủy hoàn toàn sau 4h, đối với isopropanol là 88,1% và đối với dietyl ete là 39,6%.
Điều kiện môi trường thí nghiệm là 30oC và 70% độ ẩm. Kết quả có thể có dao động tùy vào khả năng đối lưu, khuếch tán VOCs trong môi trường lên bề mặt vật liệu cũng như những điều kiện khác liên quan đến nhiệt độ, độ ẩm môi trường…
Kết quả này là tiền đề để sản xuất và ứng dụng các thiết bị lọc khí tiên tiến có sử dụng vật liệu xúc tác quang trong việc xử lý một số hợp chất VOCs trong môi trường không khí của bệnh viện nói riêng và một số không gian xuất hiện nhiều VOCs độc hại nói chung.
Mẫu vật liệu tối ưu ban đầu sau 1 tháng chạy thử nghiệm liên tục cho thấy vật liệu phủ trên nền ống thạch anh có độ bền cơ học cao.
Sau 9 tháng hoạt động hoạt tính xúc tác giảm đáng kể, nên thay và hoàn nguyên với các vật liệu xúc tác hoạt động trên 9 tháng.
Hiệu suất xử lý ethanol sau 4h chiếu sáng UV của mẫu vật liệu được hoàn nguyên sau 9 tháng nghiên cứu chạy thử vẫn đạt hiệu suất cao. So với vật liệu ban đầu sau tái sinh thời gian xử lý kéo dài hiệu quả hấp phụ giảm. Hoàn nguyên có bổ sung ni-tơ và nung ở nhiệt độ 400°C sau 2 giờ cho hiệu quả tốt nhất.
Đã khảo sát chi tiết hoạt tính nước ở 25°C từ 0g/100L nước tới nồng độ bão hoà của các muối NaCl, NaNO3, K2CO3, KCl, K2SO4, Mg(NO3)2, MgCl2, CaCl2. Trong đó NaCl, MgCl2, và CaCl2 có khả năng làm giảm sâu hoạt tính nước xuống dưới 0,75.
Hoạt tính nước của dung dịch NaCl và NaOH được khảo sát rộng hơn ở các nhiệt độ khác nhau từ 0 tới 40°C.
Hỗn hợp các muối và phụ gia đề xuất đảm bảo các mục tiêu đặt ra của dung dịch lọc ướt đạt độ ẩm dưới 0,7 bao gồm các mẫu từ M5 tới M10.
Đã khảo sát khả năng loại bỏ bụi PM2.5, VOCs và khí SO2 của hai dung dịch lọc ướt M5 có tính kiềm và M8 trung tính kết hợp với màng lọc với kích thước lỗ xốp 2,540 mm (60 ppi), 0,635 (40ppi) và 0,423 mm (10 ppi).
Kích thước lỗ xốp giảm hiệu quả lọc tăng đáng kể.
Trong quá trình lọc bụi mịn PM2.5 không giảm dần ngay mà sau một khoảng thời gian gọi là thời gian lọt qua, nồng độ bụi mới giảm và giảm nhanh khi kích thước lỗ xốp màng lọc là 0,423 mm (60 ppi) và 0,635 mm (40 ppi).
VOCs có hấp thụ trong dung dịch, tồn tại cân bằng giữa pha lỏng và pha khí do đó VOCs hấp thụ cần được xử lý hay cố định trong dung dịch.
Để loại bỏ khí axít nhất thiết dung dịch phải có tính kiềm, lượng kiềm trong dung dịch sẽ quyết lượng khí axít sẽ hấp thụ và phản ứng.
Màng có kích thước lỗ xốp 0,635 mm (40 ppi) có hiệu quả lọc kém hơn không nhiều so với màng 0,423 mm (60 ppi) tuy nhiên có ưu điểm là trở lực nhỏ, không bị ngưng nước làm giảm diện tích lọc.
Nghiên cứu lọc khí được khảo sát với các điều kiện vận hành khác nhau.
Lưu lượng khí lớn cho hiệu quả xử lý tốt hơn với bụi mịn.
Chu kỳ làm ướt tác động ít tới quá trình lọc bụi hơn so với quá trình hấp thụ VOCs do quá trình hấp thụ VOCs là quá trình khuếch tán chuyển pha để đạt cân bằng giữa pha lỏng và pha khí.
SO₂ là khí axít nên khi tiếp xúc với dung dịch sẽ phản ứng nhanh với bazơ trong dung dịch và không trở lại pha khí do đó quá trình hấp thu SO₂ có thể đạt 100% với thời gian ngắn hơn.
Màng lọc có thể đáp ứng tốt lưu lượng khí từ 50-150m³/h, tương ứng với tố độ khí qua màng 0,17 tới 0,51 m/s.
Máy lọc khí hoạt động ổn định, nồng độ bụi mịn đầu ra nằm trong vùng không khí tốt.
Chất hữu cơ bay hơi VOC xử lý ổn định, bị ảnh hưởng ít bởi lưu lượng khí, độ chuyển hóa ở lưu lượng thấp 10m³/h giữa dòng khí vào và ra máy cao hơn không đáng kể ở lưu lượng khí cao 50 và 100m³/h, tuy nhiêu lưu lượng lớn cho hiệu suất chuyển hóa tổng thể tốt hơn.
Trong khoảng lưu lượng khí khảo sát các thông số ô nhiễm như bụi mịn và khí axít đều được loại bỏ. Khí SO₂ là khí axít nên khi tiếp xúc với dung dịch sẽ phản ứng nhanh với bazơ trong dung dịch và không trở lại pha khí do đó quá trình hấp thu SO₂ có thể cần thời gian ngắn hơn.
Từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy khả năng làm sạch và diệt khuẩn của thiết bị làm sạch không khí ống nano TiO2 mang lại hiệu quả rất tốt. Mật độ tổng số vi khuẩn hiếu khí và tổng số nấm mốc đều giảm theo thời gian.
Hiệu xuất xử lý vi khuẩn ở ngày đầu tiên mật độ vi khuẩn giảm 67.39±3,93% sau đó tăng khá đều lên 93,87±5.85% sau 7 ngày.
Hiệu xuất xử lý nấm mốc, kém hơn hiệu xuất xử lý vi khuẩn có thể do lây nhiễm nấm mốc trong môi trường cao hơn. Tuy nhiên sau 7 ngày tỷ lệ nấm mốc cũng giảm tới 77,64±4,67%.
Hiệu xuất xử lý bụi của máy lọc khí đạt trên 90%. Hiệu suất lọc bụi tăng dần theo thời gian. Thông số về bụi mịn bị ảnh hưởng đáng kể bởi gió lưu thông qua phòng mang không bên ngoài với nồng độ bụi cao vào.
Hàm lượng TVOC lối ra của máy giảm về 0, TVOC ở phòng đặt máy giảm so với khu vực chuẩn bị thuốc và dụng cụ là 63% và khu vực khác là 23%.
Thiết bị đã khảo nghiệm trong điều kiện thực tế tại phòng hồi sức tích cực.
Trong phòng hồi sức tích cực vi khuẩn lao trong không khí không được phát hiện. TSNM, TSKCTM có nồng độ thấp, không đồng đều ở các vị trị lấy mẫu, giá trị trung bình có độ lệch chuẩn lớn. Do có hàm lượng thấp nhiều vị trí không phát hiện, dễ bị ảnh hưởng do môi trường nghiên cửu mở nên không thấy rõ tác động của máy lọc khí tới mật độ các loại vi khuẩn này.
Thông số vi khuẩn hiếu khí nồng độ lớn, mật độ giảm đáng kể khi đặt máy lọc khí trong phòng. Nồng độ vi khuẩn hiếu khí giảm ngay trong ngày đầu đặt máy lọc khí. Hiệu quả làm sạch không khí đạt được từ 23,1-75,4%, hiệu suất làm sạch dao động trong khoảng rộng do phong hồi sức tích cực có nhiều bệnh nhân và người nhà thường xuyên ra vào, cửa phòng để mở. Không có sự khác biệt rõ rệt sau 24h đặt máy so với thời gian đặt máy lâu hơn như vậy cân bằng quá trình làm sạch không khí có thể đã đạt trước 24h đặt máy.