Nghiên cứu và đánh giá khả năng xử lý một số hóa chất hữu cơ độc hại dễ bay hơi như acetone, benzen, butanol, dietyl ete của thiết bị làm sạch không khí bằng xúc tác quang

Kt qu nghiên cu KHCN<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ<br /> KHẢ NĂNG XỬ LÝ MỘT SỐ<br /> HÓA CHẤT HỮU CƠ ĐỘC HẠI DỄ BAY HƠI<br /> NHƯ ACETONE, BENZEN, BUTANOL, DIETYL ETE<br /> CỦA THIẾT BỊ LÀM SẠCH KHÔNG KHÍ BẰNG<br /> XÚC TÁC QUANG<br /> TS. Lê Thanh Sn<br /> Vin Công ngh Môi trng, Vin Hàn Lâm Khoa h#c và Công ngh Vit Nam.<br /> <br /> <br /> I. MỞ ĐẦU ghép, keo chống thấm). Chúng ứng cho mắt, mũi, họng, gây<br /> ợp chất hữu cơ dễ cũng phát sinh từ các thiết bị nhức đầu, choáng váng, rối<br /> <br /> H bay hơi (Volatile<br /> organic compounds -<br /> VOC) là nhóm các chất hữu cơ<br /> văn phòng như máy photocopy,<br /> máy in [1-3]... Rất nhiều trong<br /> số các VOC là độc hại đối với<br /> loạn thị giác, hủy tế bào máu, tế<br /> bào gan, thận, gây viêm da, tổn<br /> hại đến hệ thần kinh trung<br /> có áp suất hơi lớn ở nhiệt độ sức khỏe con người và động, ương, ảnh hưởng đến khả<br /> thường, do đó dễ dàng hóa hơi thực vật. Chúng có thể gây kích năng sinh sản (hiếm muộn, vô<br /> một cách tự nhiên trong không<br /> khí, ví dụ như acetone, benzen,<br /> butanol, dietyl ete, cloroform,<br /> formaldehyt… Khi đã lẫn vào<br /> không khí, nhiều VOC có khả<br /> năng liên kết lại với nhau hoặc<br /> nối liên kết với các phần tử<br /> khác trong không khí tạo ra các<br /> hợp chất mới. Các chất VOC<br /> tồn tại khá phổ biến trong nhà<br /> cũng như môi trường xung<br /> quanh. Chúng hiện diện trong<br /> nhiều sản phẩm chúng ta đang<br /> sử dụng hàng ngày như chất<br /> tẩy rửa, thuốc diệt côn trùng,<br /> mỹ phẩm, nước hoa xịt phòng,<br /> vật liệu xây dựng (sơn, gỗ ảnh Minh họa. nguồn internet<br /> <br /> <br /> <br /> 12 Taïp chí Hoaït ñoäng KHCN An toaøn - Söùc khoûe & Moâi tröôøng lao ñoäng, Soá 1,2&3-2015<br />  Kt qu nghiên cu KHCN<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> sinh, khó đậu thai, sinh ít con)... Đây là 4 chất đại diện cho 4 nhóm chất VOC thường gặp trong cuộc<br /> trong đó chloroform và các hợp sống, trong đó: acetone là dung môi được sử dụng rất nhiều trong<br /> chất có vòng như benzen, tolu- ngành sản xuất sơn, mực in, keo dán, nước rửa móng tay, các chất<br /> en, xylen... có tiềm năng gây tẩy rửa, là thành phần bay hơi của một số loại sơn và vecni; ben-<br /> ung thư cao và cũng có thể gây zen thường sinh ra trong khói thuốc lá, khói thải xe cộ, khói thải của<br /> nên bệnh bạch cầu nếu tiếp các nhà máy sản xuất thuốc lá; butanol được dùng làm dung môi<br /> xúc trong thời gian dài [2,4,5,6]. pha sơn, hòa tan các loại nhựa tự nhiên, tổng hợp, là thành phần<br /> Hiện nay, để làm sạch không trong nước hoa; dietyl ete là thành phần thuốc gây mê được sử<br /> khí (LSKK) trong các phòng dụng trong y tế, là dung môi trong sản xuất nhựa cellulose...<br /> kín, nhất là các VOC, thì<br /> II. THỰC NGHIỆM<br /> phương pháp xử lý không khí<br /> bằng công nghệ xúc tác quang 2.1. Giới thiệu về thiết bị LSKK bằng XTQ công suất 250m3/h<br /> (XTQ) đang trở thành một giải Thiết bị cấu tạo bởi một bộ lọc sơ cấp đặt ngay ở cửa vào của<br /> pháp hữu hiệu và thân thiện với dòng khí, bộ lọc tĩnh điện, khối lọc XTQ và than hoạt tính. Bộ lọc<br /> môi trường do khả năng diệt sơ cấp (2) gồm tầng lọc thô có tác dụng giữ lại các hạt bụi và hạt<br /> khuẩn và xử lý hóa chất độc hại lơ lửng kích thước trên 3µm và tầng lọc tinh để loại bỏ các hạt bụi<br /> mạnh, không cần đưa vào hóa có kích thước lên đến 0,5µm. Bộ lọc tĩnh điện (3) có tác dụng giữ<br /> chất và cũng không sinh ra các lại các hạt bụi và hạt lơ lửng nhỏ hơn, kích thước lên đến 0,1µm.<br /> sản phẩm phụ độc hại, chỉ sử Khối lọc XTQ (4) gồm 4 ống thạch anh xốp (φ = 74mm; l = 418mm,<br /> dụng nguồn điện và bộ lọc XTQ Sbề mặt = 971,3cm2) được phủ một lớp mỏng bột XTQ nano TiO2<br /> là 1 ống thạch anh xốp phủ bột (kích thước hạt nano < 20nm, khối lượng phủ 250g/m2), ở tâm mỗi<br /> nano TiO2 [8-11]. ống bố trí 1 đèn tử ngoại UV-A (360nm, Philippe). Lớp lọc than<br /> Viện Công nghệ môi trường hoạt tính (6) có tác dụng hấp phụ để loại bỏ mùi và một số siêu<br /> (CNMT) sau khi thực hiện ôxit sinh ra trong quá trình XTQ. Không khí được quạt (5) hút vào<br /> nhiệm vụ hợp tác quốc tế với từ bên hông của thiết bị và đi ra ở mặt sau phía trên của thiết bị<br /> LB Nga [12], đã nắm bắt được như trên Hình 1b.<br /> công nghệ LSKK bằng XTQ và<br /> trên cơ sở đó đã chế tạo thành<br /> công các loại thiết bị có công<br /> suất từ 25m3/h đến 500m3/h [7,<br /> 13]. Để có thể đưa vào sử<br /> dụng trong thực tế một cách<br /> hiệu quả, cần tiến hành đánh<br /> giá khả năng xử lý của các thiết<br /> bị này đối với một số độc chất<br /> trong không khí như vi khuẩn,<br /> các hóa chất hữu cơ dễ bay hơi<br /> VOC. Trong bài báo này, chúng<br /> tôi giới thiệu kết quả đánh giá<br /> hiệu quả xử lý một số loại VOC<br /> thường gặp trong không khí<br /> như acetone, benzen, butanol,<br /> dietyl ete của thiết bị LSKK (a) (b)<br /> bằng XTQ công suất 250m3/h<br /> Hình 1. H!nh nh bên trong (a) và s đ nguyên lý hot đng (b)<br /> do Viện CNMT chế tạo trong<br /> ca thit b<br /> LSKK 250m3/h do Vin CNMT ch to<br /> box thí nghiệm thể tích 10m3.<br /> <br /> <br /> Taïp chí Hoaït ñoäng KHCN An toaøn - Söùc khoûe & Moâi tröôøng lao ñoäng, Soá 1,2&3-2015 13<br />  Kt qu nghiên cu KHCN<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Bảng dưới đây tóm tắt các thông số kỹ thuật cơ bản của thiết III. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN<br /> bị LSKK bằng XTQ công suất 250m3/h do viện CNMT chế tạo và<br /> 3.1. Khả năng xử lý acetone<br /> lắp ráp.<br /> Kết quả xử lý acetone trong<br /> Thoâng soá Giaù trò box thực nghiệm của thiết bị<br /> LSKK bằng XTQ công suất<br /> Naêng suaát laøm saïch khoâng khí 250m3/h được thể hiện trên đồ<br /> 250<br /> (m3/h) thị Hình 2. Kết quả thu được<br /> Kích thöôùc thieát bò (mm) 570 x 374 x 1160 cho thấy trong khoảng 20 phút<br /> đầu tiên, tốc độ xử lý acetone<br /> Kích thöôùc taám loïc thoâ (mm) 328 x 480 của thiết bị khá cao (đường<br /> cong gần như thẳng đứng), đạt<br /> Kích thöôùc taám loïc tinh (mm) 328 x 480 hiệu suất xử lý 70%. Tuy nhiên,<br /> Ñieän aùp cuûa boä loïc tónh ñieän (KV) 10 sau 20 phút, hàm lượng ace-<br /> tone vẫn tiếp tục giảm, nhưng<br /> Soá boùng ñeøn UV (loaïi 36W) 4 tốc độ giảm không còn cao<br /> như trước (độ dốc của đường<br /> Soá oáng loïc xuùc taùc quang 4<br /> cong khá nhỏ). Từ sau thời<br /> Coâng suaát ñieän cuûa quaït gioù (W) 72 điểm 90 phút, giá trị nồng độ<br /> hầu như không giảm. Điều này<br /> Daûi nhieät ñoä laøm vieäc (0C) 10 – 50 có thể giải thích là do thời điểm<br /> ban đầu nồng độ acetone trong<br /> Nguoàn AC 50 Hz (V) 220V ± 10%<br /> box cao, lượng acetone tiếp<br /> Coâng suaát tieâu thuï ñieän toaøn xúc với vật liệu XTQ nhiều nên<br /> ~ 240 tốc độ xử lý nhanh, sau đó<br /> thieát bò (W)<br /> lượng acetone còn lại rất thấp,<br /> Ñoä oàn (Db) ~ 50 lượng acetone được tiếp xúc<br /> với vật liệu XTQ rất nhỏ nên<br /> Khaû naêng loaïi boû buïi (%) > 90<br /> tốc độ xử lý không còn cao<br /> Giaûm 90% toång vi khuaån trong nữa.<br /> Khaû naêng dieät khuaån moâi tröôøng khoâng khí sau 1 laàn 3.2. Khả năng xử lý butanol<br /> khoâng khí ñi qua thieát bò<br /> Kết quả xử lý butanol trong<br /> box thực nghiệm của thiết bị<br /> 2.2. Đánh giá khả năng xử lý VOC của thiết bị LSKK bằng XTQ được thể hiện<br /> Dùng pipet hút chính xác 2,5ml dung dịch mỗi VOC (acetone, trên đồ thị Hình 3. Kết quả thu<br /> benzen, dietyl ete, butanol) cho vào buồng box. Bên trong buồng được trong trường hợp này<br /> box có bố trí 1 quạt nhỏ để đối lưu không khí. Hàm lượng VOC cũng tương tự như acetone,<br /> suy giảm theo thời gian được đo bằng máy đo VOC sử dụng cảm trong khoảng 20 phút đầu tốc<br /> biến TGS2602 (Figaro, Nhật Bản). Hiệu suất oxy hóa VOC được độ xử lý butanol của thiết bị rất<br /> xác định theo công thức: cao (độ dốc của đường cong<br /> lớn), đạt hiệu suất xử lý đến<br /> 86%. Tuy nhiên chỉ sau 50<br /> phút, thiết bị đã xử lý được<br /> Trong đó C0 và C lần lượt là nồng độ của chất VOC trong box 90% butanol và sau đó hầu<br /> ở thời điểm trước khi chạy máy và sau khi chạy máy. như không thay đổi.<br /> <br /> <br /> 14 Taïp chí Hoaït ñoäng KHCN An toaøn - Söùc khoûe & Moâi tröôøng lao ñoäng, Soá 1,2&3-2015<br />  Kt qu nghiên cu KHCN<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Kh năng x$ lý acetone ca thit b<br /> LSKK bng XTQ công sut 250m3/h<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Kh năng x$ lý butanol ca thit b<br /> LSKK bng XTQ công sut 250m3/h<br /> <br /> <br /> Taïp chí Hoaït ñoäng KHCN An toaøn - Söùc khoûe & Moâi tröôøng lao ñoäng, Soá 1,2&3-2015 15<br />  Kt qu nghiên cu KHCN<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3.3. Khả năng xử lý dietyl ete thị Hình 5. Kết quả thu được Từ Hình 6 ta thấy butanol<br /> cho thấy hiệu suất xử lý ben- đạt hiệu suất xử lý cao nhất,<br /> Kết quả xử lý dietyl ete trong<br /> zen của thiết bị không cao, chỉ trong vòng 50 phút xử lý được<br /> box thực nghiệm của thiết bị<br /> LSKK bằng XTQ công suất trong khoảng 15 phút đầu, 91% lượng butanol bơm vào<br /> 250m3/h được thể hiện trên đồ hàm lượng benzen giảm đều Box ban đầu. Ngược lại, ben-<br /> thị Hình 4. Kết quả thu được cho đặn nhưng sau 30 phút thì zen có hiệu xuất xử lý không<br /> thấy tốc độ xử lý dietyl ete trong hàm lượng benzen trong box hiệu quả, chỉ đạt 43% trong 150<br /> 30 phút đầu tương đối cao, hầu như không thay đổi và phút. Acetone và dietyl ete xử<br /> nồng độ dietyl ete trong box hiệu suất xử lý chỉ đạt 43%. lý hiệu quả hơn với benzen,<br /> giảm khá đều đặn. Tuy nhiên, Điều đó cho thấy hợp chất trong vòng 100 phút acetone<br /> sau 30phút thì hàm lượng dietyl vòng thơm benzen là hợp xử lý được 80%, còn dietyl ete<br /> ete giảm rất chậm và sau 125 chất khá bền, phản ứng XTQ xử lý được 70% trong 120 phút.<br /> phút hầu như không thay đổi, cũng xử lý không hiệu quả hợp Kết quả này tương tự kết quả<br /> duy trì ở mức 17,5ppm, tức hiệu chất này. đã được công bố của Rosana<br /> suất xử lý đạt 70%. 3.5. So sánh và giải thích khả et al. [14] và Wang et al. [1].<br /> 3.4. Khả năng xử lý benzen năng xử lý các VOC của thiết bị Kết quả này có thể giải thích<br /> như sau: do khả năng hấp thụ<br /> Kết quả xử lý benzen trong Trên Hình 6 là đồ thị so sánh<br /> và xúc tác quang của TiO2 là<br /> box thực nghiệm của thiết bị hiệu suất xử lý giữa các VOC<br /> LSKK bằng XTQ công suất của thiết bị LSKK bằng XTQ khác nhau đối với các VOC có<br /> 250m3/h được thể hiện trên đồ công suất 250m3/h. bản chất khác nhau. Butanol<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Kh năng x$ lý dietyl ete ca thit b<br /> LSKK bng XTQ công sut 250m3/h<br /> <br /> <br /> 16 Taïp chí Hoaït ñoäng KHCN An toaøn - Söùc khoûe & Moâi tröôøng lao ñoäng, Soá 1,2&3-2015<br />  Kt qu nghiên cu KHCN<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Kh năng x$ lý benzen ca thit b<br /> LSKK bng XTQ công sut 250 m3/h<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. So sánh kh năng x$ lý các VOC ca thit b<br /> LSKK bng XTQ công sut 250m3/h<br /> <br /> <br /> Taïp chí Hoaït ñoäng KHCN An toaøn - Söùc khoûe & Moâi tröôøng lao ñoäng, Soá 1,2&3-2015 17<br />  Kt qu nghiên cu KHCN<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> với nhóm chức rượu –OH là suất phân hủy bằng XTQ đối suất xử lý thấp hơn, 80% ace-<br /> hợp chất dễ bị phản ứng nhất với benzen khá thấp như quan tone bị phân hủy sau 100 phút<br /> trong số các VOC nghiên cứu sát thấy trong thí nghiệm trên. còn với dietyl ete, sau 120 phút<br /> nên hiệu suất xử lý butanol là Ngoài ra, một số nhà nghiên mới xử lý được 70%. Các VOC<br /> cao nhất. Acetone và dietyl ete cứu cho rằng benzen có thể có nhóm chức rất bền như<br /> đều là hợp chất khó phản ứng gây ra hiện tượng vô hoạt chất vòng thơm benzen thì hiệu suất<br /> hơn butanol (nhóm chức ete xúc tác [15, 16]. xử lý còn thấp hơn nữa, sau<br /> –O- và xeton –C=O bền hơn 150 phút mới phân hủy được<br /> IV. KẾT LUẬN<br /> –OH) do đó bị phân hủy bởi 43%. Kết quả này giúp cho việc<br /> phản ứng XTQ kém hơn Các kết quả đánh giá cho sử dụng các thiết bị LSKK hiệu<br /> butanol. Trong số 2 chất này, thấy thiết bị LSKK bằng XTQ quả hơn, cụ thể khi cần xử lý<br /> acetone có phân tử lượng thấp do Viện CNMT chế tạo có khả các chất ô nhiễm không khí<br /> hơn dietyl ete, mạch cacbon năng xử lý rất tốt các VOC như cồn, acetone thì chỉ cần<br /> cũng ngắn hơn nên dễ bị phân dạng ancol như rượu butanol, thời gian chạy máy ngắn là đủ,<br /> hủy bởi phản ứng XTQ hơn với hiệu suất xử lý đạt 86% chỉ còn khi xử lý các chất như ete,<br /> dietyl ete. Trong khi đó nhân sau 20 phút. Với các hợp chất benzen thì cần phải chạy máy<br /> thơm của phân tử benzen rất VOC có nhóm chức bền hơn lâu hơn để đảm bảo xử lý tốt<br /> bền, khó bị tấn công nên hiệu như acetone, dietyl ete thì hiệu các chất ô nhiễm này.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Ảnh minh họa: nguồn Internet<br /> <br /> <br /> <br /> 18 Taïp chí Hoaït ñoäng KHCN An toaøn - Söùc khoûe & Moâi tröôøng lao ñoäng, Soá 1,2&3-2015<br />  Kt qu nghiên cu KHCN<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO [8]. K. G. McGuigan, T. M. thống xử lý ô nhiễm không khí<br /> Joyce and R.M. Conroy. Solar TIOKRAFT trên cơ sở vật liệu<br /> [1]. S. Wang, H.M. Ang, M.O.<br /> disinfection: use of sunlight to xúc tác quang TiO2, Viện Công<br /> Tade. “Volatile organic com-<br /> decontaminate drinking water in nghệ môi trường, Viện Hàn lâm<br /> pounds in indoor environment<br /> developing countries. J. Med. Khoa học và Công nghệ Việt<br /> and photocatalytic oxidation:<br /> State of the art" .Environment Microbiol, 48: 785-787 (1999) Nam (2013)<br /> International 33: 694–705 (2007) [9]. A. Martin-Dominguez, M. T. [13]. L.T. Sơn. Nghiên cứu chế<br /> [2]. R. Dales, L. Liu, A.J. Alarson-Herrera, I. R. Martin- tạo thiết bị xử lý ô nhiễm không<br /> Wheeler, N. L. Gilbert. “Quality Dominguez et al. Efficiency in the khí trên cơ sở xúc tác quang<br /> of indoor residential air and disinfection of water for human hóa. Tạp chí hoạt động khoa<br /> health". Canadian Medical consumption in rural communi- học công nghệ, An toàn - Sức<br /> Association Journal 179: ties using solar radiation. Solar Khỏe & Môi trường lao động số<br /> 147–52 (2008) Energy, 78: 31-40 (2005). 4,5&6: 18-23 (2013)<br /> [3]. C. Yu, D. Crump. A review [10]. J.-M. Herrmann, C. Guillard, [14]. M. A. Rosana and F.J.<br /> of the emission of VOCs from J. Disdier et al. New industrial tita- Wilson. Photocatalytic destruc-<br /> polymeric materials used in nia photocatalysts for the solar tions of VOCs in the gas-phase<br /> buildings. Building and detoxication of water containing using titanium dioxide. Appl.<br /> Environment 33: 357–74 various pollutants. Applied cataly- Catal. B-Environ. 14: 55-68<br /> (1998) sis B: Environmental, 35 (4): 281- (1997)<br /> 294 (2002) [15]. X. Fu, W.A. Zeltner and<br /> [4]. M. J. Mendell. “Indoor resi-<br /> dential chemical emissions as [11]. J. I. Gole, J. D. Stout, M.A. Anderson. The gas-phase<br /> risk factors for respiratory and C. Burda et al. Highly efficient photocatalytic mineralization of<br /> allergic effects in children: A formation of visible light tunable benzene on porous titania-<br /> review". Indoor Air 17(4): TiO2-xNx photocatalysts and based catalysts. Appl. Catal. B:<br /> 259–77 (2007) their transformation at the Environ. 6: 209-224 (1995)<br /> nanoscale. J. Phys. Chem. B, [16]. S. Sitkiewitz and A. Heller.<br /> [5]. P. Wolkoff, C.K. Wilkins,<br /> 108(4): 1230-1240 (2004) Photocatalytic oxidation of ben-<br /> P.A. Clausen, G.D. Nielsen.<br /> Organic compounds in office [12]. Nguyễn Việt Dũng, Báo zene and stearic acid on sol-gel<br /> environments - sensory irrita- cáo tổng hợp kết quả khoa học derived TiO2 thin films attached<br /> tion, odor, measurements and công nghệ đề tài “Nghiên cứu to glass. New J. Chem. 20:<br /> the role of reactive chemistry. phát triển và ứng dụng hệ 233-241 (1996).<br /> Indoor Air 16(1): 7–19 (2006)<br /> [6]. EPA -- An Introduction to Lời cảm ơn:<br /> Indoor Air Quality Pollutants<br /> and Sources of Indoor Air Công trình này được ủng hộ bởi dự án sản xuất thử nghiệm của<br /> Pollution Volatile Organic Bộ Công thương “Chế tạo và triển khai áp dụng thiết bị xử lý ô<br /> Compounds (VOCs). nhiễm không khí bằng phương pháp xúc tác quang” (02/HĐ -<br /> SXTN.13/CNMT).<br /> [7]. L.T. Sơn. Nghiên cứu và<br /> đánh giá khả năng làm việc của<br /> thiết bị làm sạch không khí bằng<br /> công nghệ xúc tác quang trong<br /> điều kiện khí hậu nhiệt đới của<br /> Việt Nam. Tạp chí hoạt động<br /> khoa học công nghệ, An toàn -<br /> Sức Khỏe & Môi trường lao<br /> động số 1,2&3: 83-88 (2014).<br /> <br /> <br /> Taïp chí Hoaït ñoäng KHCN An toaøn - Söùc khoûe & Moâi tröôøng lao ñoäng, Soá 1,2&3-2015 19<br />