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

Taïp chí Hoaït ñoäng KHCN An toaøn - Söùc khoûe & Moâi tröôøng lao ñoäng, Soá 1,2&3-2014 83 Kjt qu` nghiên c~u KHCN NGHIÊN CuchoasacU VÀ ÁNH GIÁ KH NNG LÀM VI(C CuhoahoiA THIT B LÀM SCH KHÔNG KHÍ BNG CúNG NGH XıC TçC QUANG TRONG IucthhoiU KIN KHó HU NHIT I CA VIT NAM. Tác gi` : TS. Lê Thanh SYn Vinn Công nghn Môi trZyng, Vinn Hàn Lâm Khoa hqc và Công nghn Vint Nam I. MỞ ĐẦU Theo những báo cáomới đây của Tổ chức Ytế thế giới (WHO), chất lượng không khí trong các phòng kín như nhà ở, phòng chuyên môn bệnh viện và các cao ốc văn phòng trên toàn thế giới đang sụt giảm nghiêm trọng, gây nên tình trạng ô nhiễm và tác động nhiều đến sức khỏe con người. Thậm chí tại nhiều nơi trên thế giới, mức độ ô nhiễm không khí trong nhà cao gấp 12 lần so với không khí ngoài trời. Hậu quả là mỗi năm có hơn 1,6 triệu người chết vì ô nhiễm không 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 nguyên nhân là do yếu tố chủ quan con người thì một nguyên nhân rất lớn là tình trạng ô nhiễm không khí trong các phòng bệnh, dẫn đến hiện tượng lây nhiễm chéo trong bệnh viện. Hiện nay, để làm sạch không khí (LSKK) trong các phòng kín thì phương pháp xử lý không khí bằng công nghệ xúc tác quang (XTQ) đang trở thành một giải pháp hữu hiệu và thân thiện với môi trường do khả năng diệt khuẩn và xử lý hóa chất độc hại mạnh, không cần đưa vào hóa chất và cũng không 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 Công nghệ môi trường (CNMT) sau khi thực hiện nhiệm vụ hợp tác quốc tế với LB Nga [5], đã nắm bắt được công nghệ LSKK bằng XTQ và trên cơ sở đó đã chế tạo thành công các loại thiết bị có công suất vừa và nhỏ (25 và 100 m3/h) [6], và mới đây là thiết bị có công 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. Ngoài 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 tôi trình bày kết quả đánh giá sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường và độ ẩm không khí đến khả năng khử trùng và xử lý hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) của thiết bị LSKK công 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. 84 Taïp chí Hoaït ñoäng KHCN An toaøn - Söùc khoûe & Moâi tröôøng lao ñoäng, Soá 1,2&3-2014 Kjt qu` nghiên c~u KHCN II. THỰC NGHIỆM 2.1. Thiết bị LSKK công suất 500m3/h Hình 1a là hình ảnh bên trong của thiết bị LSKK công 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 thô (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 ôxit sinh ra trong quá trình XTQ. Không khí được quạt (5) hút vào từ bên hông của thiết bị và đi ra ở mặt sau phía trên của thiết bị như trên Hình 1b. 2.2. Ảnh hưởng của nhiêTt đôT vaS đôT âRm đến hiệu quả làm việc của thiết bị Đặt thiết bị LSKK công 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 môi trường tự nhiên có thể có, sau đó xác định lượng vi sinh tự nhiên trong không khí sau các khoảng thời gian nhất định. Trong một thí nghiệm khác chúng tôi đưa VOC vào trong box và cũng xác định lượng VOC đo được theo thời gian. 2.2.1. Đánh giá `nh hZzng c}a nhiê^t đô^ va] đô^ â[m đjn 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 không khí cao cùng độ ẩm bình thường và độ ẩm cao nhất bão hòa trong không khí bằng máy tạo ẩm. Hiệu suất oxy hóa VOC được xác định theo công thức: 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 hZzng c}a nhint đw và đw â[m đjn kh` năng kh€ trùng: Hiệu suất khử trùng của thiết bị được đánh giá dựa trên phương pháp đặt đĩa thạch hút không khí hướng vào mặt thạch nhằm phát hiện và đếm số vi khuẩn có trong 1m3 không khí. Đây là phương pháp thông dụng và thường được thực hiện trong việc giám sát mức độ nhiễm khuẩn trong không khí. Môi trường nuôi cấy là PCA (Plate Count Agar) đặc Hình 1. Hình `nh bên trong (a) và sY đt nguyên lý ho_t đwng (b) c}a thijt bp LSKK 500 m3/h do Vinn CNMT chj 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 Hiệu suất xử lý VOC (C0 - C) C0 x 100% Taïp chí Hoaït ñoäng KHCN An toaøn - Söùc khoûe & Moâi tröôøng lao ñoäng, Soá 1,2&3-2014 85 Kjt 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 môi trường thạch PCA và được nuôi cấy ở 370C/24 ± 2 giờ. Tổng nấm xác định bằng cách đếm số khuẩn lạc mọc trên môi trường PCA và được nuôi cấy ở 370C/48 ± 2 giờ. Các thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ không khí cao cùng độ ẩm bình thường và độ ẩm cao nhất bão hòa trong không 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 hoàn toàn vào 1 bộ gá thí nghiệm có gắn quạt ở 1 đầu để hút không khí đi xuyên 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 thông không 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 hoàn toàn mới. Sau đó đưa bộ gá XTQ ra ngoài 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 tôi 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). 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 công 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 không khí. Thật vậy, quan sát các đường cong trên đồ thị Hình 3 ta thấy khi độ ẩm của không khí tăng dần thì hiệu Hình 2. Hình `nh bw gá thí nghinm sng XTQ quả xử lý aceton giảm dần. Kết quả này phù hợp với kết quả nghiên cứu của Chang và cộng sự [7]. Nguyên nhân của hiệu ứng này, theo Chang và cộng sự, là do khi độ ẩm của không 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 không 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 không 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 không 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 ace- ton 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 không khí trong box thực nghiệm của thiết 86 Taïp chí Hoaït ñoäng KHCN An toaøn - Söùc khoûe & Moâi tröôøng lao ñoäng, Soá 1,2&3-2014 Kjt qu` nghiên c~u KHCN bị LSKK bằng XTQ công 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. 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 tôi 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 không gian của các sản phẩm phụ sinh ra trong quá trình xử lý dẫn đến các phân tử này không nhận được các photon phát ra từ đèn UV và gần như bị “cách ly” khỏi vai trò xúc tác. Ngoài 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 tôi thay đèn UV mới với cường độ bức xạ ~12 mW/cm2. Quy trình thử nghiệm khả năng xử Hình 3. Kh` năng x€ lý aceton c}a máy VR500 t_i các điku kinn khác nhau Hình 4. Hinu qu` x€ lý vi sinh c}a máy VR 500 t_i các điku kinn khác nhau. Taïp chí Hoaït ñoäng KHCN An toaøn - Söùc khoûe & Moâi tröôøng lao ñoäng, Soá 1,2&3-2014 87 Kjt qu` nghiên c~u KHCN Hình 5. Hinu suat x€ lý aceton c}a bw XTQ theo thyi gian. B`ng 1. Hinu qu` x€ lý aceton c}a sng XTQ theo thyi gian Hình 6. Hinu suat x€ lý aceton c}a bw XTQ sau khi thay đèn UV. Thôøi gian oáng XTQ hoaït ñoäng (giôø) 0 72 192 1008 1224 Noàng ñoä aceton bôm vaøo (ppm) 13,43 13,41 13,41 12,16 11,41 Noàng ñoä aceton sau 8,5 giôø bôm (ppm) 0,8 2,33 4,23 6,91 7,85 Hieäu suaát sau 8,5 giôø xöû lyù (%) 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 không khí môi trường ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý không khí của thiết bị LSKK bằng XTQ. Nhiệt độ môi trường cao và độ ẩm không 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 môi trường thấp và độ ẩm không khí thấp. Do đó, tùy theo mục 88 Taïp chí Hoaït ñoäng KHCN An toaøn - Söùc khoûe & Moâi tröôøng lao ñoäng, Soá 1,2&3-2014 Kjt qu` nghiên c~u KHCN 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 không 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. Martin- Dominguez et al. Efficiency in the disinfection of water for human consumption in rural communities using solar radia- tion. Solar Energy, 78, 31-40 (2005). [3]. J.-M. Herrmann, C. Guillard, J. Disdier et al. New industrial titania photocatalysts for the solar detoxication of water containing various pollu- tants. Applied catalysis B: Environmental, 35 (4), 281-294 (2002). [4]. J. I. Gole, J. D. Stout, C. Burda et al. Highly efficient for- mation of visible light tunable TiO2-xNx photocatalysts and their transformation at the nanoscale. J. Phys. Chem. B, 108(4), 1230-1240 (2004). [5]. Nguyễn Việt Dũng, Báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài “Nghiên cứu phát triển và ứng dụng hệ thống xử lý ô nhiễm không khí TIOKRAFT trên cơ sở vật liệu xúc tác quang TiO2, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (2013). [6]. L.T. Sơn. Nghiên cứu chế tạo thiết bị xử lý ô nhiễm không khí trên cơ sở xúc tác quang hóa. Tạp chí hoạt động khoa học công nghệ, số 4, 5&6, 18- 23 (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 Health, Part A: Toxic/Hazardous Substances and Environmental Engineering, 38, 1131-1143 (2003). [8]. C.H. Ao, S.C. Lee, J.Z. Yu, J.H. Xu. Photodegradation of formaldehyde by photocata- lyst TiO2: effects on the pres- ences of NO, SO2 and VOCs. Applied Catalysis B – Environmental, 54, 41–50 (2004). [9]. Y. Luo, D.F. Ollis. Heterogeneous photocatalytic oxidation of trichloroethylene and toluene mixtures in air: kinetic promotion and inhibition, time-dependent catalyst activi- ty. Journal of Catalysis, 163, 1–11 (1996). [10]. J. Peral, D.F. Ollis. Heterogeneous photocatalytic oxidation of gas-phase organ- ics 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–desorp- tion, related mobility and reac- tivity 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 oxi- dation of acetone vapor on TiO2/ZrO2 thin films. Applied Catalysis B – Environmental, 23, 1–8 (1999).