NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT HẤP THỤ CO2 CỦA ĐÈN TẢO NHẰM CẢI THIỆN KHÔNG KHÍ TRONG NHÀ

1.2. Ứng dụng của vi tảo trong việc loại bỏ CO2 1.2.1. Giới thiệu chung về vi tảo Tảo là một loại vi sinh vật có kích thước từ nhỏ đến lớn, chúng thuộc loại tự dưỡng quang năng. Trong tự nhiên chúng có khả năng chuyển hóa vật chất vô cơ nhờ năng lượng mặt trời tạo ra chất hữu cơ trong tế bào, ở tế bào chúng có những sắc tố tham gia các quá trình quang hợp. Tuy nhiên, để tến hành quang hợp được, tảo đòi hỏi một số điều kiện khá đặc biệt, phần lớn tảo sống trong môi trường nước có tính kiềm yếu và thuownfd sử dụng CO¬¬2 như một nguồn cacbon quan trọng. Ánh sáng rất cần cho quá trình quang hợp cũng như sự xáo trộn của môi trường nước sẽ làm tăng nhanh các quá trình trao đổi chất của tảo. Hiện này người ta đã tìm thấy rất nhiều loại tảo khác nhau, trong đó ba loài có kích thước hiển vi được nghiên cứu phổ biến như là Chlorella, Spirulina, Scendesmus. Ba loại vi tảo này sống nhiều ở vùng nước có pH kiềm và giàu chất dinh dưỡng. Những nghiên cứu trong 50 năm gần đây cho thấy chúng phát triển rất mạnh ở các vùng hạ lưu sông, vùng muối khoáng hay tại cả những vùng nước lợ và nước ngọt. Trong quá trình phát triển, tảo tham gia chuyển hóa rất mạnh các hợp chất hóa học trong nước theo cơ chế quang hợp và sau đó cũng là một nguồn thực phẩm giàu dinh dưỡng đối với con người. Vi tảo có rất nhiều ưu điểm về khả năng chuyển hóa chất, đó hiện nay vi tảo được ứng dụng phổ biến trong các vấn đề môi trường, vì thế trong đề tài này việc sử dụng tảo chlorella để cải thiện không khí là một cách tiếp cận mới và thân thiện với môi trường [10]. Tảo đơn bào Chlorella có dạng hình cầu, không có khả năng di động. Kích thước từ 2 – 10 µm, có màu xanh lục do chứa sắc tố quang hợp. Xét mặt cắt tế bào tảo từ ngoài vào trong, tế bào tảo gồm các thành phần: thành tế bào, màng nguyên sinh chất tương tự thành phấn có trong vi khuẩn nhân thật. Thành tế bào của tảo cấu tạo bởi polysaccharide. Thành tế bào gồm các sợi cellulose liên kết thành bộ khung nhằm bảo vệ và duy trì hình dạng ổn định cho tế bào. Màng sinh chất cũng giống như ở các sinh vật khác. Trong tế bào chất có nhiều bào quan khác nhau. Sắc lạp của tảo có cấu tạo như ở thực vật, gồm hai lớp màng bao bọc, bên trong có chất nền cùng với hệ thống các túi dẹt gọi là lục lạp. Trên màng của lục lạp có nhiều chất diệp lục (chlorophyll) và các enzim tham gia vào quá trình quang hợp. Ngoài chất diệp lục (a,b,c,d) còn có thể có các sắc tố carotenoid, phổ biến nhất là β-caroten[12]. Đối với vi tảo quá trình sinh trưởng và phát cũng giống như các vi sinh vật khác và cũng có các giai đoạn cơ bản sau: Hình 1.1. Đường cong sinh trưởng của vi tảo [11] Pha Lag: Tảo trong môi trường này tăng trưởng chậm do thành phần môi trường mới khác môi trường cũ nên các tế bào cần thời gian để thích nghi, các tế bào bị tổn thương cần thời gian để phục hồi.Thời gian của giai đoạn này dài hay ngắn còn tùy thuộc vào môi trường mới, giai đoạn của tảo được cấy vào, mật độ tảo cấy vào. Pha lũy tiến: Trong pha này tảo đã thích nghi được với môi trường mới nên các tế bào bắt đầu sinh trưởng đồng đều, các tế bào tổng hợp các chất hữu cơ, phát triển mạnh về sinh khối do quá trình phân đôi tế bào diễn ra liên tục. Giai đoạn này tế bào tảo phát triển một cách nhanh chóng. Pha tăng trưởng chậm: Trong pha suy giảm tăng trưởng vẫn diễn ra quá trình tăng trưởng tuy nhiên quá trình phân chia tế bào bị hạn chế nên không còn diễn ra nhanh chóng như pha lũy tiến. Pha cân bằng: Số lượng tế bào pha này tăng lên không đáng kể do lượng tế bào sinh ra với lượng tế bào chết ngang nhau hoặc tế bào ngưng phân cắt mà vẫn giữ nguyên hoạt tính trao đổi chất. Dinh dưỡng trong môi trường dần bị thiếu hụt làm cho quá trình sinh trưởng của tảo chậm lại. Pha suy vong: Chất dinh dưỡng cho tảo trong môi trường dần cạn kiệt dẫn đến số lượng tế bào giảm xuống do chết đi. Tổng số tế bào có thể không thay đổi do các tế bào chết chưa phân hủy hết [11]. 1.2.2. Cơ chế hấp thụ và cố định CO2 trong vi tảo Nhờ năng lượng từ ánh sáng, tảo có thể chuyển nước và CO2 thành các hợp chất hữu cơ và oxy. Khi CO2 được sục vào dung dịch nuôi tảo và tồn tại dưới dạng CO32- và HCO3- như được biểu diễn theo phương trình sau: CO_2+H_2 O↔H_2 〖CO〗_3↔H^++H〖〖CO〗_3〗^-↔2H^++〖〖CO〗_3〗^(2-) Vi tảo sau đó hấp thu HCO3- và CO32- như nguồn dinh dưỡng cacbon vô cơ để tăng sinh khối và tích lũy thành các chất dinh dưỡng trong sinh khối. Ngoài ra, vi tảo còn sử dụng CO2 là nguyên liệu cho quá trình quang hợp, cơ chế quang hợp của vi tảo gồm có 2 pha: pha sáng (pha cần ánh sáng) và pha tối (pha không cần ánh sáng). Pha sáng: Bao gồm quá trình chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học và kích thích các phân tử sắc tố cùng với sự biến đổi năng lượng photon thành năng lượng hóa học dưới dạng năng lượng hóa học ATP và chất khử sinh học NADPH2. Phản ứng quan hợp được biểu diễn bởi phương trình: 2NADP+〖3H〗_2 O + 2ADP+2P_i □(→┴(E_s,chlorophyll) ) 〖2NADPH〗_2+3ATP+O_2↑

Chữ ký của GVHD

LỜI CẢM ƠN

1.1 Giới thiệu chung về ô nhiễm không khí trong nhà 11

1.1.1 Hiện trạng ô nhiễm không khí trong nhà 11

1.1.2 Ảnh hưởng của CO2 đến sức khỏe và khả năng đưa ra quyết định của con người 12

1.1.3 Các biện giảm thiểu ô nhiễm không khí trong nhà 15

1.2 Ứng dụng của vi tảo trong việc loại bỏ CO2 16

1.2.1 Giới thiệu chung về vi tảo 16

1.2.2 Cơ chế hấp thụ và cố định CO2 trong vi tảo 18

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh trưởng của tảo 19

1.2.3.1 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến khả năng sinh trưởng của tảo 19

1.2.3.2 Ảnh hưởng của môi trường nuôi đến khả năng sinh trưởng của tảo 19

1.2.3.3 Ảnh hưởng của pH đến khả năng sinh trưởng của tảo 19

1.2.3.5 Ảnh hưởng của lưu lượng sục khí/đảo trộn đến tốc độ sinh trưởng của tảo 20

1.3 Các nghiên cứu về xử lý CO2 bằng vi tảo 21

1.4 Giới thiệu về hệ thống Đèn tảo giúp cải thiện chất lượng không khí trong nhà 23

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

2.1 Đối tượng và nội dung nghiên cứu 25

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 25

2.1.2 Nội dung nghiên cứu 25

2.1.3 Giới thiệu về địa điểm đặt đèn tảo 25

2.2 Phương pháp nghiên cứu 25

2.2.1 Phương pháp nuôi cấy và xác định tốc độ tăng trưởng của tảo 25

2.2.2 Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu 27

2.2.3 Phương pháp phân tích 27

2.2.3.1 Phân tích Nitrate (NO3–) 27

2.2.3.2 Phân tích Octophotphat (PO43−) 28

2.3 Phương pháp thực hiện và bố trí thí nghiệm 29

2.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng sục khí đến hiệu suất hấp thụ CO2 29

2.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ CO2 đầu vào tới hiệu suất hấp thụ 30

2.3.3 Tối ưu quá trình vận hành đèn tảo 31

2.3.3.1 Khảo sát cường độ ánh sáng đến tốc độ sinh trưởng của tảo Chlorella 31

2.3.3.2 Cải tiến môi trường dinh dưỡng đối với tảo Chlorella 31

2.3.3.3 Xác định chu kỳ bổ sung dinh dưỡng N, P cho việc duy trì đèn tảo 31

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33

3.1 Ảnh hưởng của lưu lượng sục khí đến hiệu suất hấp thụ CO2 33

3.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ CO2 đầu vào tới hiệu suất hấp thụ 34

3.3 Khảo sát diễn biến nồng độ CO2 tại một số địa điểm 35

3.4 Tối ưu quá trình vận hành đèn tảo 37

3.4.1 Khảo sát cường độ ánh sáng đến tốc độ sinh trưởng của tảo Chlorella 37

3.4.2 Cải tiến môi trường dinh dưỡng đối với tảo Chlorella 38

3.4.3 Xác định chu kỳ bổ sung dinh dưỡng N, P cho việc duy trì đèn tảo 39

KẾT LUẬN 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

PHỤ LỤC 46

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

Bảng 2.1 Môi trường nuôi cấy Walne cho tảo Chlorella H6 [14] 26

Bảng 3.2 Tốc độ sinh trưởng của tảo Chlorella tại các cường độ sáng khác nhau 38

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Đường cong sinh trưởng của vi tảo [11] 17

Hình 1.2 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến hiệu suất loại bỏ CO2 và sinh O2[13] 21

Hình 1.3 Hiệu quả hấp thụ khí CO2 tách từ khí thải đốt than của tảo Spirulina platensis [16] 22

Hình 1.4 Hệ thống đèn tảo giúp cải thiện chất lượng không khí 23

Hình 2.1 Hệ thống khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng sục khí đến hiệu suất hấp thụ CO2 29

Hình 3.2 Hiệu suất hấp thụ CO2 với nồng độ đầu vào khác nhau 34

Hình 3.3 Diễn biến nồng độ CO2 với không gian 35 m3/người 36

Hình 3.4 Diễn biến nồng độ CO2 với không gian 23 m3/người 36

Hình 3.5 Diễn biến nồng độ CO2 với không gian 17.5 m3/người 36

Hình 3.6 Diễn biến nồng độ CO2 tại công ty Caia 37

Hình 3.7 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến tốc độ sinh trưởng của tảo 38

Hình 3.8 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến tốc độ sinh trưởng của tảo 39

Hình 3.9 Diễn biến N-NO3- và mật độ quang trong chu kỳ của cột 1 hệ thống Đèn tảo 40

Hình 3.10 Diễn biến P-PO43-và mật độ quang trong chu kỳ của cột 1 hệ thống Đèn tảo 41

Hình 3.11 Diễn biến N-NO3- và mật độ quang trong chu kỳ của cột 2 hệ thống Đèn tảo 41

Hình 3.12 Diễn biến P-PO43- và mật độ quang trong chu kỳ của cột 2 hệ thống Đèn tảo 42

TÓM TẮT

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa với sự phát triển nhanh của công nghiệp, xây dựng cơ sở hạ tầng và giao thông, kéo theo những hệ lụy về ô nhiễm không khí, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và đe dọa nghiêm trọng cuộc sống của người dân Phần lớn thời gian hoạt động của con người gắn liền với không khí trong các không gian bên trong các tòa nhà nơi ở và làm việc Chất lượng không khí trong phòng (indoor-air) chịu ảnh hưởng của ô nhiễm không khí xung quanh (ambient air), cùng với đó khí CO2 và một số khí ô nhiễm khác cũng sinh ra từ quá trình làm việc của các thiết bị văn phòng hoặc do hoạt động sinh hoạt của con người Nếu không được thông thoáng tốt, hàm lượng khí CO2 và một số khí ô nhiễm tích tụ trong không gian trong nhà càng ngày càng gia tăng, gây ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cuộc sống cũng như hiệu quả làm việc của con người khi ở trong không gian đó Hiện nay ô nhiễm không khí xung quanh ở các đô thị ngày càng trở nên nghiêm trọng, đi kèm với việc tích tụ khí CO2, bụi PM 2.5 trong nhà gây hậu quả lâu dài đến sức khỏe

Để giảm những tác động xấu từ không khí ô nhiễm, cải thiện chất lượng sống của con người đặc biệt là chất lượng không khí trong nhà.Việc ứng dụng vi tảo có khả năng quang hợp mạnh cũng như năng suất cố định CO2 trong sinh khối tảo cao

hơn nhiều lần so với thực vật bậc cao Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu các yếu tố ảnh

hưởng đến hiệu suất hấp thụ CO2 của đèn tảo nhằm cải thiện chất lượng không khí trong nhà” sẽ là một giải pháp bền vững và thân thiện với môi trường, giúp

xử lý các loại khí ô nhiễm như CO2, bụi PM 2.5 và chủ yếu quá trình hấp thụ CO2

song song với đó là khả năng sinh ra O2

Mục tiêu nghiên cứu: Xác định điều kiện tối ưu vận hành đèn tảo nhằm phát huy khả năng cải thiện chất lượng không khí trong phòng;

Nội dung nghiên cứu:

- Khảo sát diễn biến nồng độ CO2 tại một số địa điểm;

- Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng sục khí đến hiệu suất hấp thụ CO2; - Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ CO2 đầu vào tới hiệu suất hấp thụ; - Tối ưu quá trình vận hành đèn tảo

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về ô nhiễm không khí trong nhà

1.1.1 Hiện trạng ô nhiễm không khí trong nhà

Chất lượng không khí trong nhà (Indoor Air Quality) được được hiểu là chất lượng không khí bên trong các tòa nhà, các căn phòng Chất lượng không khí trong nhà bị ảnh hưởng một phần do chất lượng không khí xung quanh và phần lớn do các hoạt động của con người, đồ dùng, thiết bị hoạt động trong không gian đó và sản sinh ra các khí ô nhiễm Chất lượng không khí trong nhà có thể ảnh hưởng tới sức khỏe con người ngay sau khi tiếp xúc hoặc một vài năm sau đó và sự thoải mái của con người bị giới hạn khi ở trong môi trường đó Kiểm soát và giảm thiểu các chất ô nhiễm phổ biến trong nhà là một yêu cầu thường xuyên để có thể giảm nguy cơ bệnh tật, rủi ro sức khỏe cho con người [1]

Ô nhiễm không khí trong nhà thực sự trở thành vấn đề lớn, được quan tâm nhiều từ khoảng 30 – 40 năm trở lại đây Trong nhà ở đây là trong một tòa nhà, lớp học, văn phòng, trung tâm mua sắm… Không giống như ô nhiễm không khí ngoài trời, ô nhiễm không khí trong nhà liên quan trực tiếp tới sức khỏe con người Mặc dù ít gây ra các tai họa nghiêm trọng cho môi trường, tuy nhiên ảnh hưởng trực tiếp tới con người vì trung bình khoảng hơn 70% thời gian mỗi ngày của con người gắn với không gian trong nhà Không khí trong nhà ô nhiễm sẽ gây các tác động mạn tính cho sức khỏe con người [1] Thành phần các chất ô nhiễm không khí trong nhà khá đa dạng, gồm các chất ô nhiễm vô cơ (như Amiang, Radon, Chì, Bụi, O3, CO, CO2, NOx, SO2…); chất ô nhiễm hữu cơ (ví dụ như VOCs, formandehyt, PAHs, PCBs,…); các tác nhân sinh học (nấm mốc, vi khuẩn,…); khói thuốc lá [2]

Đặc biệt, tại các khu vực đông người như trong tòa nhà văn phòng, chung cư cao tầng thì khí CO2 có thể tích tụ, cao hơn nhiều lần so với không khí sạch là nguyên nhân gây nhiều tác động xấu đến sức khỏe người dân Khí CO2 không màu, không mùi với các nguồn phát thải chỉnh các từ các nguồn đốt, hô hấp Nồng độ CO2 trong không khí ngoài trời khoảng 400ppm ~ 0,04%, nhưng đôi khi tích tụ rất cao trong các tòa nhà, căn hộ…; dẫn đến nồng độ CO2 (indoor) cao gấp 2 – 6 lần nồng độ CO2 không khí xung quanh, thường vào khoảng 2000-2500 ppm, nhưng trong môt số trường hợp đặc biệt khoảng 4000-4500 m hoặc cao hơn [3]

Khí CO2 chủ yếu là sản phẩm của quá trình trao đổi chất của con người và liên tục phát thải vào không gian trong nhà Nguồn thải CO2 có thể từ các nguồn đốt, các nguồn chính của cacbon dioxide như sau :

• Con người;

• Dầu hỏa và máy sưởi; • Khói thuốc lá;

• Không khí bên ngoài [2]

1.1.2 Ảnh hưởng của CO2 đến sức khỏe và khả năng đưa ra quyết định của con người

Cacbon dioxide là khí không màu, không mùi và cũng là một trong những thành phẩn của bầu khí quyển trái đất Nồng độ nền khí CO2 vào khoảng 400 ppm Nồng độ CO2 trong khí quyển đang tăng dần do hoạt động công nghiệp và quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch Trong nhà nguồn phát thải chính của CO2 là do quá trình hô hấp của con người, do đó nồng độ CO2 trong nhà phụ thuộc chủ yếu vào số lượng người trong một không gian nhất định Đối với những không gian trong nhà thông khí kém thì nồng độ thấp nhất khoảng 700-800 ppm còn tại những phòng đông người CO2 ở mức 2000-5000 ppm Cơ chế gây tổn thương cho con người do CO2 ở nồng độ cao xuất hiện hiện tượng ngạt do khí dịch chuyển, Oxy bị thay thế bởi nồng độ CO2 và các loại khí khác Các biểu hiện lâm sàng khi tiếp xúc như vậylà hội chứng thở nhanh, toát mồ hôi, đau đầu, xung blouding (tim đập thình thịch), tứ chi ấm và cuối cùng là mất ý thức Nhìn chung nồng độ CO2 khoảng dưới 1000 ppmtrong nhà ở mức chấp nhận được [2]

Trong nhiều nghiên cứu trước đó, theo Apte và cộng sự 2000, Erdmann và cộng sự 2002 cho rằng nồng độ khí CO2 liên quan đến đánh giá các triệu chứng sức khỏe cấp tính đã quan sát được với các triệu chứng như đau đầu, mệt mỏi, mắt, mũi và các triệu chứng về đường hô hấp trong các toàn nhà nơi có mức CO2 dưới 5000 ppm Các triệu chứng tiếp tục giảm dần với các mức CO2 dưới 800 ppm [3] Nồng độ CO2 tăng có liên quan đến giảm hiệu suất của con người, đặc biệt là trong các nghiên cứu về trường học, văn phòng nơi thường rất đông người, tỉ lệ thông gió thấp và nguồn phát thải chính là những người trong không gian đó Theo M Simoni và cộng sự 2010 đã thực hiện nghiên cứu tại 21 trường (46 phòng học, 654 trẻ em) tại năm quốc gia: Ý, Pháp, Na Uy, Thụy Điển và Đạn Mạch với các điều kiện như tuổi tòa nhà và một loạt các điều kiện về vị trí khác nhau Kết quả nghiên

cứu cho thấy học sinh tiếp xúc với nồng độ cacbon dioxide trong phòng cao hơn 1000 ppm có nguy cơ ho khan và viêm mũi cao hơn đáng kể so với bình thường [4]

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra mối liên quan giữa phơi nhiễm với CO2 bắt đầu tại 700 ppm và các triệu chứng liên quan đến tòa nhà [5]

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của khí CO2 tới con người khi phơi nhiễm trong phòng [4,5,8]

Nồng độ khí CO2 Thay đổi vê chức năng sinh lý

Biểu hiện tâm thần

Triệu chứng sức khỏe

Trên 500 pm - Tăng pCO2, tăng nhịp tim, thay đổi nhịp tim, tăng huyết áp, tăng tuần hoàn máu ngoại vi

Các triệu chứng liên quan đến tòa nhà trên 700 pm Các triệu chứng hô hấp ở trẻ đi học

thức (đưa ra quyết định, giải quyết vấn đề, …)

Above 10000ppm Tăng nhịp hô hấp, nhiễm axit hô hấp, chuyển hóa giảm (giảm canxi trong máu, photpho trong nước tiểu), tăng máu não

Về vấn đề này, các nghiên cứu đã được thực hiện để cải thiện năng suất làm việc của những người trong tòa nhà dựa trên sự phân tích mối quan hệ giữa năng suất làm việc và điều kiện chất lượng môi trường không khí trong tòa nhà Hiệu quả làm việc được phân tích thông qua hai yếu tố: yếu tố gây ô nhiễm không khí trong nhà và yếu tố khí hậu trong nhà Đầu tiên, các yếu tố gây ô nhiễm không khí

trong nhà gây ra các bệnh có hại như nhiễm trùng, dị ứng và hội chứng bệnh văn phòng và có thể làm giảm hiệu quả làm việc cũng như khả năng khi đưa ra quyết định [6,7] Theo Satish và cộng sự đã cho thấy điểm số cho chín khả năng đưa ra quyết định đa số đều giảm khi tăng nồng độ khí CO2 từ 600 ppm đến 2500 ppm

Bảng 1.2 So sánh điểm số trung bình của chín cách để đưa ra quyết định với ba nồng độ CO2 khác nhau giữa 22 người tham gia [7]

ppm/điểm tại 600 ppm

Điểm tại 2500 ppm/điểm tại

1000 ppm

Điểm tại 2500 ppm/điểm tại

Theo Zhang và cộng sự đã tiến hành với ba nồng độ khí CO2 khác nhau: 500 ppm, 1000 ppm, 3000 ppm cho thấy nếu nồng độ CO2 vượt quá giới hạn phơi nhiễm có thể làm giảm hiệu suất công việc của con người trong tòa nhà gây gây nên buồn ngủ và đau đầu [3] Shendell và cộng sự cho thấy khi chênh lệch nồng độ giữa CO2 trong nhà và ngoài trời vượt quá 1000 ppm sẽ dẫn đến tỉ lệ đi học

trung bình hàng ngày của học sinh giảm 0,5-0,9% tại Washington và Idaho [5], tương tự như vậy nếu nồng độ CO2 trong văn phòng làm việc cao phải chăng cũng góp phần làm giảm tỉ lệ đi làm của nhân viên, công nhân? Theo TaeHoon Hong và cộng sự cho thấy khi thay đổi nồng độ CO2 từ 1000 đến 2500 ppm gây ảnh hưởng đến thời gian phản ứng trực quan, kiểm thực Stroop (một cách chứng minh sự giảm thời gian phản ứng, tức là thời gian cần để trả lời, đối với một việc làm) đều tăng và tốc độ nhập văn bản giảm dần là nguyên nhân dẫn đến giảm hiệu năng làm việc của con người [7]

1.1.3 Các biện giảm thiểu ô nhiễm không khí trong nhà

Do ô nhiễm không khí trong nhà gây hại trực tiếp cho con người nên cần kiểm soát chúng bằng những cách sau:

- Kiểm soát thông qua thiết kế, vận hành và bảo dưỡng tòa nhà, hệ thống thông gió:

o Thông qua thiết kế, xây dựng tòa nhà: Chọn sản phẩm từ vật liệu xây dựng đến đồ nội thất,…có mức độ phát thải các khí ô nhiễm thấp, không chứa chất độc (ví dụ không chứa amiang, chất phát xạ,…);

o Thông qua vận hành, bảo dưỡng tòa nhà: Hệ thống sưởi, đun nước nóng, hệ thống cấp nước, kiểm soát độ ẩm,

- Kiểm soát nguồn thải; - Thông gió;

- Làm sạch khí và tuần hoàn khí sạch vào tòa nhà;

- Kiểm soát bụi: cấp khí vào tòa nhà sau khi đã được lọc, tách bụi bằng các thiết bị hiện đại, hiệu quả tách bụi min cao như máy lọc bụi tĩnh điện,… - Làm sạch chất ô nhiễm dạng khí (hơi): hấp phụ, hấp thụ,…

- Làm sạch bằng thực vật để cải thiện chất lượng không khí theo F.R Torpy và cộng sự đã nghiên cứu một số loại cây: Dypsis lutescens, Ficus benjamina, Aspidistra eliatior, Castanospermum australe, Dracaena deremensis, Chamaedorea elegans thấy được hiệu quả loại bỏ CO2 thấp [19]

1.2 Ứng dụng của vi tảo trong việc loại bỏ CO2

1.2.1 Giới thiệu chung về vi tảo

Tảo là một loại vi sinh vật có kích thước từ nhỏ đến lớn, chúng thuộc loại tự dưỡng quang năng Trong tự nhiên chúng có khả năng chuyển hóa vật chất vô cơ nhờ năng lượng mặt trời tạo ra chất hữu cơ trong tế bào, ở tế bào chúng có những sắc tố tham gia các quá trình quang hợp Tuy nhiên, để tến hành quang hợp được, tảo đòi hỏi một số điều kiện khá đặc biệt, phần lớn tảo sống trong môi trường nước có tính kiềm yếu và thuownfd sử dụng CO2 như một nguồn cacbon quan trọng Ánh sáng rất cần cho quá trình quang hợp cũng như sự xáo trộn của môi trường nước sẽ làm tăng nhanh các quá trình trao đổi chất của tảo Hiện này người ta đã tìm thấy rất nhiều loại tảo khác nhau, trong đó ba loài có kích thước hiển vi được nghiên cứu phổ biến như là Chlorella, Spirulina, Scendesmus Ba loại vi tảo này sống nhiều ở vùng nước có pH kiềm và giàu chất dinh dưỡng Những nghiên cứu trong 50 năm gần đây cho thấy chúng phát triển rất mạnh ở các vùng hạ lưu sông, vùng muối khoáng hay tại cả những vùng nước lợ và nước ngọt Trong quá trình phát triển, tảo tham gia chuyển hóa rất mạnh các hợp chất hóa học trong nước theo cơ chế quang hợp và sau đó cũng là một nguồn thực phẩm giàu dinh dưỡng đối với con người Vi tảo có rất nhiều ưu điểm về khả năng chuyển hóa chất, đó hiện nay vi tảo được ứng dụng phổ biến trong các vấn đề môi trường, vì thế trong đề tài này việc sử dụng tảo chlorella để cải thiện không khí là một cách tiếp cận mới và thân thiện với môi trường [10]

Tảo đơn bào Chlorella có dạng hình cầu, không có khả năng di động Kích thước từ 2 – 10 µm, có màu xanh lục do chứa sắc tố quang hợp Xét mặt cắt tế bào tảo từ ngoài vào trong, tế bào tảo gồm các thành phần: thành tế bào, màng nguyên sinh chất tương tự thành phấn có trong vi khuẩn nhân thật Thành tế bào của tảo cấu tạo bởi polysaccharide Thành tế bào gồm các sợi cellulose liên kết thành bộ khung nhằm bảo vệ và duy trì hình dạng ổn định cho tế bào Màng sinh chất cũng giống như ở các sinh vật khác Trong tế bào chất có nhiều bào quan khác nhau Sắc lạp của tảo có cấu tạo như ở thực vật, gồm hai lớp màng bao bọc, bên trong có chất nền cùng với hệ thống các túi dẹt gọi là lục lạp Trên màng của lục lạp có nhiều chất diệp lục (chlorophyll) và các enzim tham gia vào quá trình quang hợp Ngoài chất diệp lục (a,b,c,d) còn có thể có các sắc tố carotenoid, phổ biến nhất là β-caroten[12]

Đối với vi tảo quá trình sinh trưởng và phát cũng giống như các vi sinh vật khác và cũng có các giai đoạn cơ bản sau:

Hình 1.1 Đường cong sinh trưởng của vi tảo [11]

• Pha Lag:

Tảo trong môi trường này tăng trưởng chậm do thành phần môi trường mới khác môi trường cũ nên các tế bào cần thời gian để thích nghi, các tế bào bị tổn thương cần thời gian để phục hồi.Thời gian của giai đoạn này dài hay ngắn còn tùy thuộc vào môi trường mới, giai đoạn của tảo được cấy vào, mật độ tảo cấy vào

• Pha lũy tiến:

Trong pha này tảo đã thích nghi được với môi trường mới nên các tế bào bắt đầu sinh trưởng đồng đều, các tế bào tổng hợp các chất hữu cơ, phát triển mạnh về sinh khối do quá trình phân đôi tế bào diễn ra liên tục Giai đoạn này tế bào tảo phát triển một cách nhanh chóng

• Pha tăng trưởng chậm:

Trong pha suy giảm tăng trưởng vẫn diễn ra quá trình tăng trưởng tuy nhiên quá trình phân chia tế bào bị hạn chế nên không còn diễn ra nhanh chóng như pha lũy tiến

3 Pha tăng trưởng chậm 4 Pha cân bằng

5 Pha suy vong

Số lượng tế bào pha này tăng lên không đáng kể do lượng tế bào sinh ra với lượng tế bào chết ngang nhau hoặc tế bào ngưng phân cắt mà vẫn giữ nguyên hoạt tính trao đổi chất Dinh dưỡng trong môi trường dần bị thiếu hụt làm cho quá trình sinh trưởng của tảo chậm lại

• Pha suy vong:

Chất dinh dưỡng cho tảo trong môi trường dần cạn kiệt dẫn đến số lượng tế bào giảm xuống do chết đi Tổng số tế bào có thể không thay đổi do các tế bào chết chưa phân hủy hết [11]

1.2.2 Cơ chế hấp thụ và cố định CO2 trong vi tảo

Nhờ năng lượng từ ánh sáng, tảo có thể chuyển nước và CO2 thành các hợp chất hữu cơ và oxy Khi CO2 được sục vào dung dịch nuôi tảo và tồn tại dưới dạng CO32- và HCO3- như được biểu diễn theo phương trình sau:

𝐶𝑂2+ 𝐻2𝑂 ↔ 𝐻2𝐶𝑂3 ↔ 𝐻++ 𝐻𝐶𝑂3− ↔ 2𝐻++ 𝐶𝑂32−

Vi tảo sau đó hấp thu HCO3- và CO32- như nguồn dinh dưỡng cacbon vô cơ để tăng sinh khối và tích lũy thành các chất dinh dưỡng trong sinh khối Ngoài ra, vi tảo còn sử dụng CO2 là nguyên liệu cho quá trình quang hợp, cơ chế quang hợp của vi tảo gồm có 2 pha: pha sáng (pha cần ánh sáng) và pha tối (pha không cần ánh sáng)

- Pha sáng:

Bao gồm quá trình chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học và kích thích các phân tử sắc tố cùng với sự biến đổi năng lượng photon thành năng lượng hóa học dưới dạng năng lượng hóa học ATP và chất khử sinh học NADPH2 Phản ứng quan hợp được biểu diễn bởi phương trình:

hợp, rồi tổng hợp các hợp chất hữu cơ thứ cấp và đưa chúng vào các quá trình trao đổi chất khác nhau:

𝐶𝑂2+ 4𝐻++ 4𝑒− → (𝐶𝐻2𝑂)𝑛+ 𝐻2𝑂

Tảo có khả năng hấp thụ CO2 trong không khí và sinh ra khí O2 thông qua quá trình quang hợp Phương trình quang hợp của tảo trong điều kiện có ánh sáng và hô hấp tại một thời điểm không tiếp xúc ánh sáng được biểu diễn như sau [12]:

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh trưởng của tảo

1.2.3.1 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến khả năng sinh trưởng của tảo

Ánh sáng là tác nhân cần thiết cho quá trình tự dưỡng của tảo để tổng hợp chất hữu cơ từ cacbon vô cơ Cường độ ánh sáng là một trong những yếu tố quan trọng nhất kiểm soát sự phát triển quang hợp trong bất kỳ hệ thống tảo nào Khi mật độ tế bào tăng dẫn đến cần cường độ ánh sáng cần phải cao hơn cao hơn Tuy nhiên, ánh sáng quá mức cũng sẽ ức chế quá trình quang hợp của tảo [13]

1.2.3.2 Ảnh hưởng của môi trường nuôi đến khả năng sinh trưởng của tảo

Mỗi loại tảo thích hợp với một môi trường nuôi cấy khác nhau Tảo nước ngọt môi trường nuôi cấy khác tảo nước mặn, tuy nhiên tảo nước ngọt có thể chịu được độ mặn thấp Tùy loại tảo sẽ pha chế môi trường nuôi phù hợp để tạo điều kiện sinh trưởng tốt nhất Đối với loại tảo Chlorella phát triển rất tốt trong các môi trường nuôi có thể kể đến như : BG-11 Medium , Walne’s Medium, Bold’s Basal Medium,…[14]

1.2.3.3 Ảnh hưởng của pH đến khả năng sinh trưởng của tảo

Có thể thấy được pH có tác động rất lớn đến quá trình sinh trưởng và phát triển của tảo Mỗi loài tảo có dải pH thích hợp khác nhau Hầu hết các loại tảo phát triển trong khoảng pH từ 7 đến 9, với pH tối ưu là 8,2-8,7

1.2.3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh trưởng của tảo

Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng rất lớn đến tảo vì tảo rất mẫn cảm với sự biến đổi của nhiệt độ và thường biến đổi theo nhiệt độ xung quanh Tảo nước ngọt đa số là ưa ấm, khoảng nhiệt độ sinh trưởng tốt nhất là ở 20 – 45oC nhiệt độ tối ưu mặc dù điều này có thể thay đổi theo thành phần của môi trường nuôi cấy, loài và chủng được nuôi cấy Nhiệt độ quá thấp sẽ làm chậm sự tăng trưởng, trong khi nhiệt độ cao gây tử chết cho một số loài Nếu cần thiết, nuôi cấy tảo có thể được làm mát bằng cách trao đổi nhiệt với nước trên bề mặt bình nuôi cấy hoặc bằng cách kiểm soát nhiệt độ không khí bằng các thiết bị điều hòa không khí lạnh

1.2.3.5 Ảnh hưởng của lưu lượng sục khí/đảo trộn đến tốc độ sinh trưởng của tảo

Quá trình đảo trộn/sục khí là cần thiết để ngăn chặn sự lắng đọng của tảo, để đảm bảo rằng tất cả các tế bào tảo trong hệ thống đều được tiếp xúc với ánh sáng và chất dinh dưỡng là như nhau Ngoài ra, trong quá trình sục khí/đảo trộn làm tăng quá trình chuyển khối của CO2 vào môi trường nuôi dẫn đến khả năng chống lại sự thay đổi pH do cân bằng CO2/HCO3- được duy trì Tùy thuộc vào quy mô của hệ thống nuôi cấy, việc sục khí/đảo trộn được thực hiện bằng cách lắc, khuấy hàng ngày bằng tay (ống nghiệm, dụng cụ tẩy rửa), sục khí (túi, bể) hoặc sử dụng bánh xe chèo (ao) Tuy nhiên, cần lưu ý rằng không phải tất cả các loài tảo đều có thể chịu đựng được sự xáo trộn mạnh [15]

1.3 Các nghiên cứu về xử lý CO2 bằng vi tảo

Lihai Fan và cộng sự đã tối ưu hóa việc loại bỏ CO2 bằng vi tảo Chlorella

vulgaris qua phản ứng quang sinh hóa đã cho thấy tốc độ loại bỏ CO2 và tốc độ sinh khí O2 của Chlorella vulgaris tỉ lệ thuận với cường độ ánh sáng [13]

Hình 1.2 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến hiệu suất loại bỏ CO2 và sinh O2 [13]

Ngay khi cường độ ánh sáng vượt quá 7200 lux, tốc độ loại bỏ CO2 và tốc độ tạo khí O2 đều tăng và sau đó không đổi sau khoảng 10800 lux Do đó, giá trị cường độ ánh sáng của 10800 lux là điểm bão hòa, nên là giá trị tối ưu cho mục đích loại bỏ CO2 Cường độ ánh sáng tại giá trị bão hòa 10800 lux là một yếu tố hạn chế làm giảm quá trình quang hợp của tảo Trong trường hợp nuôi cấy với mật độ cao, các tế bào nhận được ít ánh sáng hơn do hiệu ứng đổ bóng [13]

Nghiên cứu về xử lý CO2 trong khí thải bằng vi tảo đã được nghiên cứu trên nhiều loại vi tảo khác nhau Nghiên cứu của Đặng Đình Kim và cộng sự về sử dụng CO2 từ khí thải đốt than để nuôi vi tảo Spirulina platensis cho thấy kết quả khả

quan về khả năng xử lý CO2 của vi tảo này, hiệu quả hấp thụ CO2 với hàm lượng

6.2 – 6.7% trong khí thải đốt than đạt 78.7 – 94.35% trong dải pH tương ứng từ 9.0 đến 9.29 Kết quả nghiên cứu góp phần khẳng định khả năng sử dụng CO2 thu hồi từ khí thải đốt than với 2 mục đích song song, giảm thiểu khí thải nhà kính và tạo nguồn cacbon để nuôi đại trà vi tảo giàu dinh dưỡng [16]

Hình 1.3 Hiệu quả hấp thụ khí CO2 tách từ khí thải đốt than của tảo ulina platensis [16]

Spir-CO2 được cho rằng có khả năng làm tăng tốc độ sinh trưởng của vi tảo và

hàm lượng protein trong tảo Khi vi tảo Spirulina platensis được sục khí với các

nồng độ CO2 là 0, 0.5, 1 và 2% ở tốc độ sục khí 4 mL/s và xác định ảnh hưởng của CO2 đến tốc độ sinh trưởng và hàm lượng protein, chlorophyll trong tảo Kết quả cho thấy khi thêm CO2 vào khí, pH dao động trong khoảng 9.5 – 10, tốc độ tăng trưởng của tảo tăng khi nồng độ CO2 tăng lên 1%, hàm lượng sinh khối đạt được cao nhất là 3.2 g/L, không có sự khác biệt đáng kể ở thông số sinh trưởng giữa nồng độ 1% và 2% CO2 Nghiên cứu còn cho thấy vi tảo có hàm lượng protein đạt cao nhất (47% trọng lượng khô) và hàm lượng chlorophyll đáng kể (0.24% trọng lượng khô) khi sục khí 1% CO2 [17] Hiroyuki Takano và cộng sự (1992) đánh giá khả năng xử lý CO2 của tảo Synechococcus cho thấy hiệu quả cải thiện CO2 từ 91-93% ứng với nồng độ khí CO2 từ 300, 5500, 11000 ppm [18]

Kết quả của nhiều nghiên cứu trên thế giới cho thấy hướng ứng dụng vi tảo để xử lý CO2 trong không khí xung quanh và khí thải nhà máy là hướng nghiên

cứu có triển vọng giúp giảm thiểu đáng kể khí thải nhà kính và tạo nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học, thức ăn chăn nuôi và vô số ứng dụng khác Tuy nhiên các nghiên cứu loại bỏ không khí ô nhiễm trong nhà ứng với các thiết bị gia dụng còn khá hạn chế, chưa có nhiều công bố

1.4 Giới thiệu về hệ thống Đèn tảo giúp cải thiện chất lượng không khí trong nhà

Sản phẩm đáp ứng những yêu cầu về việc cải thiện chất lượng không khí với thiết kế tối ưu cho không gian kín (indoor) Điều này rất cần thiết ở những nơi bị hạn chế về nguồn cung cấp không khí từ bên ngoài hoặc khi không khí bên ngoài có thể mang nhiều chất ô nhiễm vào trong không gian kín

Hình 1.4 Hệ thống đèn tảo giúp cải thiện chất lượng không khí

Sản phẩm là một hệ thống khép kín giúp tránh, giảm nguy cơ ô nhiễm Với những thay đổi trong tương lai về đèn hệ thống sẽ là một nguồn sáng, là vật trang trí cho không gian trong nhà, được thiết kế với các hình dạng linh hoạt tùy thuộc vào không gian yêu cầu Sản phẩm “Đèn Tảo” được chú ý đến tính thẩm mỹ để phù hợp với không gian sử dụng Bằng cách thay đổi linh hoạt sự sắp xếp của các cột

tảo, hình dạng và kích thước của hệ thống cũng từ đó thay đổi theo, bên cạnh việc bố trí theo một hàng dọc, có thể bố trí cột tảo thành hai, ba hàng,…hoặc bố trí theo hình tròn, vuông, chữ nhật, lục lăng,…Hệ thống lắp đặt thông minh sẽ không gây bất tiện cho người dùng Với nghiên cứu tối ưu hóa các thông số vận hành và thiết bị đi kèm, ví dụ như bơm sục khí, khung giá đỡ, hộp che thiết bị phụ trợ… sản phẩm giúp làm tăng khả năng trang trí, tạo điểm nhấn không gian trong nhà và tăng hiệu quả cải thiện chất lượng không khí trong nhiều không gian khép kín khác nhau Đặc biệt “Đèn Tảo” tạo ra được nguồn sinh khối tảo có nhiều giá trị và có thể được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau, như dùng cho mỹ phẩm, trộn trong phân bón nông nghiệp, làm nhựa sinh học, nhiên liệu sinh học…