Nghiên cứu chế tạo thiết bị ô nhiễm không khí trên cơ sở xúc tác quang hoá

Nội dung bài viết trình bày quá trình nghiên cứu chế tạo thiết bị ô nhiễm không khí trên cơ sở xúc tác quang hoá. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung bài viết.

K t qu nghiên c u KHCN NGHIÊN C U CH T O THI T B X LÝ Ô NHI M KHƠNG KHÍ TRÊN C S XÚC TÁC QUANG HĨA PGS.TS Nguy n Hoài Châu, TS Lê Thanh S
n, Nghiêm Th Mây Vi n Công ngh Môi tr
ng, Vi n Hàn Lâm Khoa h c Công ngh Vi t Nam I Mở đầu  nhiễm không khí (ONKK) từ lâu vấn đề xúc không nước phát triển Việt Nam mà số nước phát triển, công nghệ xử lý ONKK áp dụng hấp phụ, phân chia (công nghệ màng lọc, thổi không khí) công nghệ phá hủy (ôzôn hóa, clo hóa, phương pháp sinh hóa) có điểm yếu: chất bẩn chuyển từ chỗ sang chỗ khác mà không giải cách triệt để trình xử lý, hình thành sản phẩm phụ độc hại sức khỏe người Phương pháp xử lý ONKK xúc tác quang hóa (XTQH) giải pháp mang tính đột phá, không cần phải đưa thêm tác nhân ôxy hóa đặc biệt vào, cần có mặt ôxy không khí, lại cho hiệu xử lý cao [1-4] Hiện nay, giới xuất thiết bị làm không khí (LSKK) XTQH Nhật, Nga, Mỹ, Hàn Quốc, Châu Âu sản xuất Trên thị trường Việt Nam, xuất vài O 18 thiết bị Nhật, Hàn Quốc, mà chưa có thiết bị sản xuất Tuy nhiên giá thành thiết bị nhập cao thiết bị thường có suất làm thấp Trên sở nghiên cứu cấu tạo nguyên lý làm việc thiết bị LSKK XTQH nước ngoài, thiết bị LSKK Tiokraft Nga, Viện Công nghệ môi trường nghiên cứu chế tạo thiết bị LSKK sở XTQH có công suất 25 m3/h 100 m3/h ứng dụng để xử lý hiệu phòng làm việc, phòng vip, nhà hàng, quán ăn II Nội dung nghiên cứu 2.1 Cơ chế xử lý ô nhiễm XTQH Phương pháp xử lý ô nhiễm dựa sở XTQH phương pháp phá hủy không đòi hỏi phải đưa thêm tác nhân ôxy hóa đặc biệt mà cần có mặt ôxy không khí Vật liệu XTQH có nhiều loại TiO2, ZnO, WO3, CdSe v.v , TiO2 có hoạt tính XTQH cao vật liệu dễ kiếm, rẻ tiền, trơ mặt hóa học, thân thiện với môi trường, đặc biệt không độc hại sức khỏe người Dưới tác dụng ánh sáng tử ngoại (UV), điện tử từ vùng hóa trị chuyển lên vùng dẫn thành điện tử tự (e-) để lại lỗ trống (h+) vùng hóa trị Điện tử lỗ trống khuếch tán bề mặt phản ứng với H2O O2 hấp thụ bề mặt vật liệu tạo gốc có khả ôxy hóa khử mạnh (hình 1) [5] Hình Cơ chế phản ứng xúc tác quang TiO2 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Soá 4,5&6-2013 K t qu nghiên c u KHCN 2.2 Phương pháp luận Thiết bị sau chế tạo kiểm tra đánh giá khả xử lý VOC tính khử trùng Khả xử lý VOC thiết bị đánh giá thông qua thí nghiệm với aceton tiến hành box thí nghiệm (TN) 10 m3 Cụ thể nhóm nghiên cứu tiến hành bơm lượng nhỏ hóa chất aceton vào box TN, đợi khoảng phút cho hóa chất phân bố box bật máy tiến hành đo nồng độ VOC thời điểm khác trình chạy thiết bị Tính khử trùng thiết bị đánh giá thí nghiệm sử dụng phương pháp đặt đóa thạch hút không khí đập vào mặt thạch để xác định mật độ vi khuẩn CFU (Colonyforming unit) có m3 không khí Các kết đánh giá Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường chất lượng cung cấp 2.3 Nghiên cứu chế tạo thiết bị LSKK công suất 100 m3/h Trên sở khảo sát dòng máy LSKK XTQH nước giới dựa yêu cầu thực tế Việt Nam, lựa chọn chế tạo thiết bị có công suất trung bình 100 m3/h a) Thiết kế thiết bị Trên hình ảnh chụp bên cấu tạo bên thiết bị LSKK XTQH có công suất 100 m3/h Máy chế tạo theo dạng hình hộp, vỏ tôn, treo trực tiếp lên tường treo lên giá riêng máy Kích thước thiết bị (mm): 530 x 195 x 995 Thiết bị gồm có tiền lọc (gồm cấp lọc: lọc thô – loại bỏ hạt bụi hạt lơ lửng có kích thước μm lọc tinh – loại bỏ hạt bụi có kích thước 0,5 μm) bố trí cửa vào không khí (phía bên thiết bị) Tiếp đến lọc cao áp tónh điện, điện áp 10kV Bộ lọc XTQH gồm hai ống thủy tinh xốp (kích thước Φ = 74 mm, L = 418 mm) phủ bột nano TiO2 hai đèn UV, công suất đèn 36W, bố trí tâm ống Sau Hình Thiết bị LSKK XTQH 100 m3/h viện Công nghệ Môi trường chế tạo lọc XTQH quạt gió công suất 100W Ngay trước cửa thiết bị lớp lọc than hoạt tính Ngoài có sensor điều khiển đèn Led để báo hiệu đèn UV hoạt động Cấu tạo phần điện hệ thống điều khiển: Thiết bị sử dụng điện lưới 220 V, hình sơ đồ nguyên lý phần điện thiết bị, qua công tắc điện cấp cho hai đèn UV 36W, nuôi nguồn điện cao áp lọc tónh điện (10kV) quạt gió Có sensor điều khiển đèn Led để báo hiệu đèn UV hoạt động (hình 3) Nguyên lý làm không khí máy (hình 4): Không khí quạt hút vào thiết bị, trước tiên qua lọc thô lọc tinh, hạt bụi hạt lơ lửng có kích thước 0,5 μm bị giữ lại Không khí sau tiếp tục qua lọc tónh điện, hạt bụi có kích thước nhỏ (đến 0,1 μm) bị giữ lại, qua lọc XTQH, hóa chất VOC vi khuẩn bị loại bỏ Cuối không khí qua lớp lọc than hoạt tính, chất gây mùi khó chịu số hợp chất siêu ôxit bị giữ lại Không khí cửa trước thiết bị Tốc độ trung bình dòng khí bên thiết bị 0,26 m/s b) Đánh giá khả xử lý VOC thiết bị Thiết bị sau chế tạo, vận hành chạy thử để đo đạc thông số kỹ thuật tiến hành đánh giá khả LSKK Trước hết đánh giá khả xử lý aceton, Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2013 19 K t qu nghiên c u KHCN Hình Sơ đồ nguyên lý thiết bị LSKK 100 m3/h Hình Sơ đồ điện thiết bị LSKK 100 m3/h loại hóa chất hữu dễ bay điển hình Kết xử lý aceton box TN 10m3 thể bảng Kết cho thấy thiết bị LSKK 100 m3/h sau làm việc có tốc độ xử lý VOC mg/phút c) Đánh giá tính khử trùng thiết bị Tiến hành lấy mẫu không khí box TN 10m3 để phân tích thời điểm: trước bật máy, sau 60 phút sau 120 phút bật máy Kết thể bảng Kết cho thấy sau 120 phút, thiết bị xử lý gần hoàn toàn tổng nấm tổng vi khuẩn hiếu khí có mặt không khí box TN 10 m3 Bảng Kết xử lý aceton máy LSKK XTQH công suất 100 m3/h Thời điểm Trước bật máy Nồng độ aceton (mg/m3) 221 71 Tốc độ XL (mg/phút) Bảng Kết xử lý vi sinh máy LSKK XTQH công suất 100 m3/h Nấm STT Thời điểm (CFU/m3) VKHK (CFU/m3) Mật độ vi sinh (CFU/m3) HSXL (%) Trước bật máy 358 922 1280 0,00 Sau 60 phút 10 12 22 98,28 Sau 120 phuùt 10 99,22 20 Trên bảng thông số kỹ thuật thiết bị LSKK công suất 100 m3/h Viện CNMT chế tạo Với thông số kỹ thuật nêu trên, thiết bị LSKK công suất 100 m3/h sử dụng cho phòng kín tích lên đến 150 m3, nhà hàng, quán ăn, buồng ấp trứng gia cầm, đảm bảo không khí phòng đạt yêu cầu (theo TCVN 86641-1:2011) Thời gian chạy máy tùy thuộc vào điều kiện ô nhiễm ban đầu phòng Tuy thiết bị có độ ồn 46 dB, nằm giới hạn cho phép độ ồn theo QCVN 26:2010/BTNMT 2.4 Nghiên cứu chế tạo thiết bị 25 m3/h Đây dòng thiết bị công suất nhỏ, dùng cho phòng nhỏ trung bình không nhiều bụi bẩn, phòng làm việc lãnh đạo, phòng ngủ phòng khách gia đình Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2013 K t qu nghiên c u KHCN Bảng Thông số kỹ thuật thiết bị LSKK 100 m3/h Năng suất làm không khí (m3/h) 100 Tốc độ làm VOC (C2-C6) (mg/phút) ~ 5,0 Khả diệt khuẩn diệt 99,2% sau 120 phút Dải nhiệt độ làm việc (0C) 10 – 50 Tiếng ồn (dB) 46 Nguồn AC 50 Hz (V) 220V ± 10% Công suất tiêu thụ (W) 140 Kích thước (mm) 530 x 195 x 995 Bảng Kết xử lý aceton máy LSKK XTQH công suất 25 m3/h Thời điểm Nồng độ aceton (mg/m3) Trước bật máy 234 135 Tốc độ XL (mg/phút) 3,3 Bảng Kết xử lý vi sinh máy LSKK XTQH công suất 25 m3/h VKHK Nấm (CFU/m ) (CFU/m3) Mật độ vi sinh (CFU/m3) HSXL (%) STT Thời điểm Trước bật máy 316 442 758 0,00 Sau 60 phút 84 86 170 77,57 Sau 120 phuùt 44 36 80 Bảng Thông số kỹ thuật thiết bị LSKK 25 Năng suất làm không khí (m3/h) Tốc độ làm VOC (C2-C6) (mg/phút) Khả diệt khuẩn Dải nhiệt độ làm việc (0C) Tiếng ồn (dB) 89,45 m3/h 25 ~ 3,3 diệt 89,5% sau 120 phút 10 – 50 25 Nguoàn AC 50 Hz (V) 220V ± 10% Công suất tiêu thụ (W) 75 Kích thước (mm) 270 x 136 x 620 a) Thiết kế thiết bị Trên hình ảnh chụp bên cấu tạo bên thiết bị LSKK XTQH có công suất 25 m3/h Máy chế tạo theo dạng hình hộp, vỏ tôn, mặt phía sau có lỗ để treo lên tường Kích thước thiết bị (mm): 270 x 136 x 620 Do đối tượng xử lý không gian lớn, không nhiều bụi bẩn nên quy trình lọc khí là: lọc thôlọc tinh-lọc XTQH có đèn UVquạt hút cuối lớp than hoạt tính Bộ lọc XTQH gồm ống thủy tinh xốp (kích thước Φ = 74 mm, L = 418 mm) phủ bột nano TiO2 đèn UV, công suất 36W, bố trí tâm ống Sau lọc XTQH quạt gió công suất 30W Thiết bị sử dụng nguồn điện AC 220V Ngoài máy bố trí điều khiển từ xa giúp máy làm việc chế độ điều khiển tay điều khiển từ xa Nguyên lý làm không khí máy: Không khí quạt hút vào thiết bị, trước tiên qua lọc thô lọc tinh, hạt bụi hạt lơ lửng có kích thước 0,5 μm bị giữ lại Không khí sau tiếp tục qua lọc XTQH, hóa chất VOC vi khuẩn bị loại bỏ Cuối không khí qua lớp lọc than hoạt tính, chất gây mùi khó chịu số hợp chất siêu ôxit bị giữ lại Tốc độ trung bình dòng khí bên thiết bị 0,2 m/s Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2013 21 K t qu nghiên c u KHCN Hình Thiết bị LSKK XTQH 25 m3/h Viện Công nghệ Môi trường chế tạo b) Đánh giá khả xử lý VOC Thiết bị sau chế tạo, vận hành chạy thử để đo đạc thông số kỹ thuật tiến hành đánh giá khả LSKK Trước hết đánh giá khả xử lý aceton, loại hóa chất hữu dễ bay điển hình Kết xử lý aceton box TN 10 m3 thể bảng 4[6] Kết bảng cho thấy thiết bị LSKK 25 m3/h sau làm việc có tốc độ xử lý VOC 3,3 mg/phút c) Đánh giá tính khử trùng Tiến hành lấy mẫu không khí box TN 10 m3 để phân tích thời điểm: trước bật máy, sau 60 phút sau 120 phút bật máy, kết thể bảng [6] Kết cho thấy sau 120 phút, thiết bị xử lý gần 90% lượng vi sinh (tổng nấm tổng vi khuẩn hiếu khí) có mặt không khí box TN 10 m3 So sánh khả xử lý VOC khử trùng thiết bị LSKK 25m3/h với thiết bị LSKK 100m3/h trên, xét đến tương quan vận tốc dòng khí bên thiết bị diện tích bề mặt XTQH thiết bị tốc độ xử lý VOC khử trùng thiết bị 25m3/h chấp nhận Trên bảng thông số kỹ thuật thiết bị LSKK công suất 25m3/h Với thông số kỹ thuật nêu trên, thiết bị LSKK công suất 25 m3/h có độ ồn thấp, sử dụng cho phòng kín tích lên đến 40m3, phòng làm việc, phòng ngủ, phòng khách, đảm bảo không khí phòng đạt yêu cầu (TCVN 86641-1: 2011) Thời gian chạy máy tùy thuộc vào điều kiện ô nhiễm ban đầu phòng III Kết luận Thiết bị LSKK XTQH loại có công suất 25m3/h 100m3/h Viện Công nghệ Môi trường chế tạo, cấu tạo 22 nhiều tầng lọc khác nhau, phận ống lọc XTQH TiO2 Các thiết bị có khả loại bỏ bụi, xử lý vi sinh VOC tốt, thích hợp sử dụng cho nhiều đối tượng khác phòng ngủ, phòng khách gia đình, phòng làm việc, phòng cao cấp, phòng bệnh yêu cầu độ cao Thiết bị có cấu tạo nhỏ gọn, di động, dễ bố trí phòng, thao tác vận hành đơn giản Không đưa vào hóa chất nào, lượng điện tiêu thụ thấp ưu điểm dòng thiết bị Ngoài ra, tuổi thọ lọc, lọc XTQH có tuổi thọ cao, sau 18 – 24 tháng phải thay phủ lại lớp lọc XTQH lên bề mặt ống, tùy theo điều kiện làm việc Các tiền lọc lọc than hoạt tính sau – 12 tháng phải thay 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 radiation Solar Energy,78,31-40 (2005) [3] J.-M Herrmann, C Guillard, J Disdier et al New industrial titania photocata- Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2013 ... Nghiên cứu chế tạo thiết bị LSKK công suất 100 m3/h Trên sở khảo sát dòng máy LSKK XTQH nước giới dựa yêu cầu thực tế Việt Nam, lựa chọn chế tạo thiết bị có công suất trung bình 100 m3/h a) Thiết. .. bề mặt XTQH thiết bị tốc độ xử lý VOC khử trùng thiết bị 25m3/h chấp nhận Trên bảng thông số kỹ thuật thiết bị LSKK công suất 25m3/h Với thông số kỹ thuật nêu trên, thiết bị LSKK công suất 25... khiển từ xa Nguyên lý làm không khí máy: Không khí quạt hút vào thiết bị, trước tiên qua lọc thô lọc tinh, hạt bụi hạt lơ lửng có kích thước 0,5 μm bị giữ lại Không khí sau tiếp tục qua lọc XTQH,