CÔNG NGHỆ TITANDIOXIT (TiO2) – BƯỚC ĐỘT PHÁ MỚI TRONG CUỘC SỐNG Xử lý ô nhiễm không khí nước ta từ trước đến quan tâm nghiên cứu triển khai Hầu hết công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường tập trung vào làm nước, xử lý nước thải mà chưa thực đầu tư vào làm môi trường không khí ô nhiễm không khí đến mức báo động Các biện pháp tuyên truyền giáo dục, tăng cường diện tích xanh, quy hoạch hợp lý công trình dân sinh giảm thiểu phần ô nhiễm không khí Vì vậy, biện pháp công nghệ trình oxy hóa – khử kết hợp, hấp phụ, lọc khí cần thiết phải áp dụng Trong đó, giải phảp chế tạo màng lọc vật liệu kích thước nano vừa có khả hấp phụ lại vừa có khả xúc tác để diệt khuẩn, nấm mốc, xử lý nguồn khí thải phân tán không khí hiệu tiềm Hiệu ứng quang xúc tác vật liệu nano, đặc biệt nano Titandioxit – TiO2 coi sở khoa học đầy triển vọng cho giải pháp kỹ thuật xử lý ô nhiễm không khí TiO2 vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng, suốt, chiết suất cao, từ lâu ứng dụng nhiều ngành công nghiệp như: Sơn, nhựa, giấy, mỹ phẩm, dược phẩm… Tuy nhiên, ứng dụng quan trọng TiO2 kích thước nano khả làm môi trường thông qua phản ứng quang xúc tác khả chuyển đổi lượng mặt trời thành điện quy mô dân dụng Trong lĩnh vực công nghệ nano, thật khó tìm thấy loại vật liệu lại có nhiều ứng dụng quý giá, chí thay vật liệu nano TiO2 Đặc tính quang xúc tác nano TiO2: - Chất xúc tác chất có tác dụng làm giảm lượng kích hoạt phản ứng hóa học không bị sau phản ứng Nếu trình xúc tác kích thích ánh sáng gọi quang xúc tác Chất có tính hoạt động mạnh phản ứng hóa học chiếu sáng gọi chất quang xúc tác Nhiều hợp chất bán dẫn như: TiO2, ZnO, In2O3 có tính quang xúc tác, nano TiO2 vật liệu quang xúc tác tiêu biểu - Khi chiếu ánh sáng, nano TiO2 trở thành chất oxy hóa khử mạnh số chất biết (gấp 1.5 lần Ozon, gấp lần Clo – chất thông dụng dùng xử lý môi trường) Điều tạo cho vật liệu nhiều ứng dụng phong phú, đa dạng quý giá Nano TiO2 phân hủy chất độc hại bền vững như: đioxin, thuốc trừ sâu, benzen… số loại virut, vi khuẩn gây bệnh với hiệu suất cao so với phương pháp khác Dưới tác dụng ánh sáng, nano TiO2 trở nên kỵ nước hay nước tùy thuộc vào công nghệ chế tạo Khả ứng dụng để tạo bề mặt tự tẩy rửa không cần hóa chất tác động học thiết bị làm lạnh không cần điện Khả quang xúc tác mạnh nano TiO2 nghiên cứu ứng dụng pin nhiên liệu xử lý CO2 gây hiệu ứng nhà kính - Nano TiO2 kháng khuẩn chế phân hủy, tác động vào vi sinh vật phân hủy hợp chất hữu Vì vậy, tránh tượng “nhờn thuốc” công cụ hữu hiệu chống lại biến đổi gen vi sinh vật gây bệnh - Nano TiO2 hoạt động theo chế xúc tác nên thân không bị tiêu hao, nghĩa đầu tư lần sử dụng lâu dài - Bản thân Nano TiO2 không độc hại, sản phẩm phân hủy chất an toàn Những đặc tính tạo cho nano TiO2 lợi vượt trội hiệu kinh tế kỹ thuật việc làm môi trường nước không khí tác nhân ô nhiễm hữu cơ, vô sinh học CẤU TRÚC TIO2 VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ Titandioxide (TiO2) loại vật liệu phổ biến sống hàng ngày Chúng sử dụng nhiều việc pha chế tạo màu sơn, màu men, mỹ phẩm thực phẩm Ngày lượng TiO2 tiêu thụ hàng năm lên tới triệu TiO2 biết đến vai trò chất xúc tác quang hóa Tinh thể Titandioxide (TiO2) có nhiều dạng thù hình có dạng thù hình chính: TiO2 tồn dạng bột, thường có màu trắng tuyết điều kiện thường, nung nóng có màu vàng Không tan nước, không tan aixit axit sunfuric, clohydric… đun nóng Tuy nhiên, với kích thước nanomet, TiO2 tham gia số phản ứng với axit kiềm mạnh Các dạng oxit, hydroxit hợp chất Ti có tính bán dẫn Thông số vật lý Anatase Rutile ỨNG DỤNG CÁC TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC TiO2 TiO2 có nhiều ứng dụng tính chất xúc tác quang siêu thấm ướt Dưới ý tưởng đưa ra, có làm có chưa thể thực Tuy nhiên ý tưởng khả thi thành công hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho sống a.Vật liệu tự làm Các nhà khoa học nghiên cứu TiO2 từ khoảng 2-3 thập kỷ trước Một khía cạnh độc đáo đầy triển vọng chế tạo vật liệu tự làm ứng dụng hai tính chất xúc tác quang hóa siêu thấm ướt ý tưởng bắt nguồn vật liệu cũ gạch lát nền, cửa kính tòa nhà cao ốc, sơn tường thường bị bẩn sau thời gian ngắn sử dụng Có nơi dễ dàng lau chùi gạch lát, sơn tường nhà có nơi việc làm vệ sinh khó khăn kính tòa nhà cao ốc, mái vòm công trình công cộng kiểu nhà hát Opera Sydney, hay mái sân vận động đại ngày Chúng ta ao ước có loại vật liệu tự làm để ngày làm công việc đầy nguy hiểm leo lên công trình này, loại vật liệu thử nghiệm Các cửa kính với lớp TiO2 siêu mỏng, dày cỡ micro, cho phép ánh sáng thường qua lại hấp thụ tia tử ngoại để phân hủy hạt bụi nhỏ, vết dầu mỡ phương tiện giao thông thải Các vết bẩn dễ dàng bị loại bỏ nhờ nước mưa, áp lực lớn bề mặt với nước, tạo lớp nước mỏng bề mặt đẩy chất bẩn 1-Bụi bẩn, kính lớp màng chứa tinh thể TiO2 2- Ánh mặt trời chiếu tia cực tím kích thích phản ứng quang hoá lớp TiO2, bẻ gẫy phân tử bụi 3- Khi nước rơi mặt kính tạo hiệu ứng thấm nước Nước trải bề mặt, tạo hiệu ứng thấm nước Nước trải bề mặt thay thành giọt, theo chất bẩn xuống b Xử lý nước bị ô nhiễm Ô nhiễm nước ngày trở thành vấn đề nghiêm trọng toàn cầu không riêng quốc gia Các hội thảo khoa học tổ chức Nhật, Canada, Hoa kỳ với hy vọng nhanh chóng tìm hướng nhờ vật liệu TiO2 Tại Nhật chí người ta thử nghiệm loại bồn tắm làm nước 24h nhờ lớp TiO2 tráng thành bồn Tuy nhiên vấn đề khó khả thi áp dụng cho thể tích nước lớn vấn đề kinh tế thời gian cần thiết đủ để làm Một phương pháp có lẽ khả thi bọc lớp TiO2 bên nhân chất mang từ tính, phân tán hạt TiO2 nước dạng huyền phù, bề mặt tiếp xúc lớn thu hồi lại từ trường c Xử lý không khí ô nhiễm Việc ô nhiễm môi trường không khí gây bụi, hóa chất độc hại, vi khuẩn virus bệnh viện, tòa nhà công cộng, nhà xưởng sản xuất, chí nhà ở, trường học quanh khu công nghiệp ngày trở nên xúc nước ta giới Chỉ lấy số liệu Cục quản lý khám chữa bệnh cho thấy, nhiễm khuẩn bệnh viện kéo dài thời gian nằm viện trung bình bệnh nhân từ đến 24,3 ngày, đồng thời tăng chi phí điều trị trung bình từ đến 32,3 triệu đồng bệnh nhân Vì việc xử lý không khí yêu cầu ngày cao có nhiều phương pháp Các công nghệ làm không khí dùng hấp phụ, phân chia (màng lọc, thổi không khí) công nghệ phá hủy (ozon hóa, Clo hóa) có điểm yếu Trường hợp sử dụng công nghệ phân chia (như màng lọc) tích tụ chất bẩn xảy bề mặt màng lọc để từ chúng lại thải ngược vào môi trường, thổi không khí, chất ô nhiễm lại phát tán không gian Các phương pháp xử lý ô nhiễm sở sử dụng chất sát trùng hóa học (Clo, ozon, iot ) thường tốn có nguy hình thành sản phẩm phụ độc hại với người Tóm lại trường hợp vấn đề ô nhiễm thực tế chuyển từ chỗ sang chỗ khác không giải triệt để Các nghiên cứu khoa học gần cho thấy phương pháp xử lý mang tính đột phá: phương pháp xúc tác quang hóa Phương pháp nằm loại phá hủy mà không yêu cầu tác nhân khác mà cần có mặt ôxy không khí Vật liệu xúc tác quang hóa chủ yếu từ TiO2, Fe2O3, ZnO TiO2 (TitanDioxide) có hoạt tính xúc tác quang hóa cao vật liệu rẻ tiền không độc hại với sức khỏe người Cơ chế xúc tác quang hóa nano TiO2 khoa học làm sáng tỏ từ lâu: tác dụng tia UV, điện tử di chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn tạo cặp điện tử lỗ trống, cặp điện tử - lỗ trống tương tác với phần tử hấp phụ bề mặt chất bán dẫn (thường chất hữu dễ bay độc hại vi khuẩn) phân hủy chúng phản ứng ôxy hóa khử Các chất độc hại vi khuẩn bị phân hủy tạo thành nước CO2 Như việc xử lý không khí trở nên triệt để nguy gây tác dụng phụ thứ cấp Do đặc điểm ưu việt trội nêu nên số công ty chế tạo thành công thiết bị làm không khí sở tính chất xúc tác quang hóa nano TiO2 Tuy nhiên, công ty đạt hiệu suất ánh sáng UV có bước sóng tiêu chuẩn (254nm) vượt trội so với sản phẩm AIROCIDE hãng AKIDA HOLDING LLC Đây đơn vị đầu lĩnh vực Mỹ Các thiết bị làm không khí mang tên AIROCIDE bán sang số nước Châu Âu, Châu Á, Châu Phi… giải vàng EDISON sản phẩm dịch vụ sáng tạo giới năm 2013 d Diệt vi khuẩn, vi rút, nấm “Photocatalyst” có nghĩa TiO2 với có mặt ánh sáng tử ngoại có khả phân hủy hợp chất hữu cơ, bao gồm nấm, vi khuẩn, vi rút TiO2 có khả phân hủy hiệu đặc biệt với số lượng nhỏ Môi trường phòng vô trùng, phòng mổ bệnh viện nơi yêu cầu độ vô trùng cao, công tác khử trùng cho phòng thường tiến hành kỹ lưỡng Nếu phòng sử dụng sơn tường, cửa kính, gạch lát dùng TiO2 với đèn chiếu tử ngoại chừng 30’ phòng hoàn toàn vô trùng e Tiêu diệt tế bào ung thư Ung thư ngày bệnh gây tử vong nhiều Việc điều trị phương pháp nhiễu xạ, truyền hóa chất, phẫu thuật thường tốn mà kết thu không cao Hiện TiO2 xem xét hướng khả thi cho việc điều trị ung thư Hiện người ta thử ngiệm chuột cách cấy tế bào để tạo nên khối ung thư chuột, sau tiêm dung dịch chứa TiO2 vào khối u Sau 2-3 ngày người ta cắt bỏ lớp da chiếu sáng vào khối u, thời gian 3’ đủ để tiêu diệt tế bào ung thư Với khối u sâu thể đèn nội soi sử dụng để cung cấp ánh sáng ... có nhiều phương pháp Các công nghệ làm không khí dùng hấp phụ, phân chia (màng lọc, thổi không khí) công nghệ phá hủy (ozon hóa, Clo hóa) có điểm yếu Trường hợp sử dụng công nghệ phân chia (như... phương pháp xử lý mang tính đột phá: phương pháp xúc tác quang hóa Phương pháp nằm loại phá hủy mà không yêu cầu tác nhân khác mà cần có mặt ôxy không khí Vật liệu xúc tác quang hóa chủ yếu từ TiO2, ... cao ốc, mái vòm công trình công cộng kiểu nhà hát Opera Sydney, hay mái sân vận động đại ngày Chúng ta ao ước có loại vật liệu tự làm để ngày làm công việc đầy nguy hiểm leo lên công trình này,