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

Nội dung bài viết trình bày việc 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.

K t qu nghiên c u KHCN NGHIÊN C U VÀ ÁNH GIÁ KH N NG LÀM VI C C A THI T B LÀM S CH KHƠNG KHÍ B NG CỳNG NGH XC TỗC QUANG TRONG I U KI N KHó H U NHI T I C A VI T NAM T Tác gi : TS Lê Thanh S
n Vi n Công ngh Môi tr
ng, Vi n Hàn Lâm Khoa h c Công ngh Vi t Nam I MỞ ĐẦU heo báo cáo Tổ chức Y tế giới (WHO), chất lượng không khí phịng kín nhà ở, phịng chun mơn bệnh viện cao ốc văn phịng toàn giới sụt giảm nghiêm trọng, gây nên tình trạng nhiễm tác động nhiều đến sức khỏe người Thậm chí nhiều nơi giới, mức độ nhiễm khơng khí nhà cao gấp 12 lần so với khơng khí ngồi trời Hậu năm có 1,6 triệu người chết nhiễm khơng khí nhà Ở nước ta, thời gian gần có nhiều nạn dịch bệnh bùng phát với tốc độ lây lan nhanh gây nhiều hậu đau lòng số bệnh nhân tử vong, gây hoang mang dư luận dịch sởi, dịch cúm A, chân tay miệng,… Bên cạnh nguyên nhân yếu tố chủ quan người nguyên nhân lớn tình trạng nhiễm khơng khí phịng bệnh, dẫn đến tượng lây nhiễm chéo bệnh viện Hiện nay, để làm khơng khí (LSKK) phịng kín phương pháp xử lý khơng khí cơng nghệ xúc tác quang (XTQ) trở thành giải pháp hữu hiệu thân thiện với môi trường khả diệt khuẩn xử lý hóa chất độc hại mạnh, khơng cần đưa vào hóa chất khơng sinh sản phẩm phụ độc hại, sử dụng nguồn điện lọc XTQ ống thạch anh xốp phủ bột nano TiO2 [1-4] Viện Công nghệ môi trường (CNMT) sau thực nhiệm vụ hợp tác quốc tế với LB Nga [5], nắm bắt công nghệ LSKK XTQ sở chế tạo thành cơng loại thiết bị có cơng suất vừa nhỏ (25 100 m3/h) [6], thiết bị có cơng suất lớn lên đến 500m3/h Tuy nhiên, điều kiện khí hậu Việt Nam có nhiều điểm khác biệt với khí hậu Nga, nóng ẩm mưa nhiều, nên để đưa vào sử dụng cách rộng rãi thực tế, cần có đánh giá hiệu làm việc thiết bị điều kiện khí hậu khác nước ta Ngoài ra, đánh giá tuổi thọ lọc XTQ, phận thiết bị LSKK việc làm cần thiết Trong báo này, chúng tơi trình bày kết đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ mơi trường độ ẩm khơng khí đến khả khử trùng xử lý hợp chất hữu dễ bay (VOC) thiết bị LSKK công suất 500m3/h Viện CNMT chế tạo, đồng thời đánh giá hiệu xử lý lọc XTQ thiết bị sau khoảng thời gian làm việc liên tục 1224 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014 83 K t qu nghiên c u KHCN II THỰC NGHIỆM 2.1 Thiết bị LSKK cơng suất 500m3/h Hình 1a hình ảnh bên thiết bị LSKK cơng suất 500m3/h Viện CNMT thiết kế chế tạo Thiết bị cấu tạo lọc sơ cấp đặt cửa vào dịng khí, lọc tĩnh điện, khối lọc XTQ than hoạt tính Bộ lọc sơ cấp gồm tầng lọc thơ (1) có tác dụng giữ lại hạt bụi hạt lơ lửng kích thước µm tầng lọc hiệu suất cao (HEPA) (2) để loại bỏ hạt bụi có kích thước lên đến 0,3 µm Bộ lọc tĩnh điện (3) có tác dụng giữ lại hạt bụi hạt lơ lửng nhỏ hơn, kích thước lên đến 0,1 µm Khối lọc XTQ (4) gồm ống thạch anh xốp (φ = 74 mm; l = 418mm, Sbề mặt = 971,3 cm2) phủ lớp mỏng bột XTQ nano TiO2 (kích thước hạt nano < 20 nm, khối lượng phủ 250 g/m2), tâm ống bố trí đèn tử ngoại UV-A (360 nm, Philippe) Lớp lọc than hoạt tính (6) có tác dụng hấp phụ để loại bỏ mùi số siêu ôxit sinh q trình XTQ Khơng khí quạt (5) hút vào từ bên hông thiết bị mặt sau phía thiết bị Hình 1b xác định lượng vi sinh tự nhiên khơng khí sau khoảng thời gian định Trong thí nghiệm khác chúng tơi đưa VOC vào box xác định lượng VOC đo theo thời gian 2.2.1 Đánh giá nh h
ng c a nhiêŃt đôŃ vaĬ đôŃ âĵm đ n kh x lý VOC: Dùng pipet hút xác mL dung dịch aceton cho vào buồng box Hàm lượng aceton suy giảm theo thời gian đo máy đo VOC sử dụng cảm biến TGS2602 (Figaro, Nhật Bản) Các thí nghiệm làm nhiệt độ phịng nhiệt độ khơng khí cao độ ẩm bình thường độ ẩm cao bão hịa khơng khí máy tạo ẩm Hiệu suất oxy hóa VOC xác định theo cơng thức: Hiệu suất xử lý VOC Hình Hình nh bên (a) s
đ nguyên lý ho t đ ng (b) c a thi t b LSKK 500 m3/h Vi n CNMT ch t o Ghi chú: Hướng dịng khí ; Lọc sơ cấp; Lọc tĩnh điện Lọc XTQ; Quạt; Than hoạt tính 2.2 Ảnh hưởng nhiêt va đô âm đến hiệu làm việc thiết bị Đặt thiết bị LSKK công suất 500 m3/h box thử nghiệm kín dung tích 10m3, đồng thời bố trí quạt bàn loại nhỏ (~50W) để tạo dịng đối lưu buồng box, máy tạo độ ẩm để tăng độ ẩm nhiệt độ cao mơi trường tự nhiên có, sau 84 (C0 - C) C0 x 100% Trong C0 C nồng độ chất VOC box thời điểm trước chạy máy sau chạy máy 2.2.2 Đánh giá nh h
ng c a nhi t đ đ âĵm đ n kh kh trùng: Hiệu suất khử trùng thiết bị đánh giá dựa phương pháp đặt đĩa thạch hút khơng khí hướng vào mặt thạch nhằm phát đếm số vi khuẩn có 1m3 khơng khí Đây phương pháp thông dụng thường thực việc giám sát mức độ nhiễm khuẩn khơng khí Mơi trường ni cấy PCA (Plate Count Agar) đặc Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014 K t qu nghiên c u KHCN trưng để phân lập tổng vi khuẩn hiếu khí nấm Tổng tạp khuẩn xác định cách đếm số khuẩn lạc đặc trưng đĩa chứa môi trường thạch PCA nuôi cấy 370C/24 ± Tổng nấm xác định cách đếm số khuẩn lạc mọc môi trường PCA nuôi cấy 370C/48 ± Các thí nghiệm tiến hành nhiệt độ phịng nhiệt độ khơng khí cao độ ẩm bình thường độ ẩm cao bão hịa khơng khí 2.3 Ảnh hưởng thời gian sử dụng đến hiệu hoạt động ống lọc XTQ Lắp ống XTQ đèn UV hoàn toàn vào gá thí nghiệm có gắn quạt đầu để hút khơng khí xun qua thành ống (Hình 2), Đưa gá XTQ vào buồng thí nghiệm kín dung tích 200 L bên có bố trí 1quạt nhỏ để lưu thơng khơng khí Bơm 0,1 mL aceton vào buồng bật đèn UV quạt để gá XTQ làm việc Tiến hành đo nồng độ aceton thời điểm vừa đưa vào thời điểm sau 8,5 tính từ lúc bơm aceton Từ tính hiệu suất xử lý aceton ống XTQ thời điểm lọc XTQ hoàn tồn Sau đưa gá XTQ ngồi box, bật đèn UV quạt để lọc XTQ chạy liên tục 1224 Trong khoảng 1224 này, số thời điểm (72 giờ, 192 giờ, 1008 giờ) cho gá XTQ dừng làm việc tức thời, đưa vào box 200 L, bơm 0,1 mL aceton để gá XTQ chạy 8,5 để xác định hiệu suất xử lý aceton sau 8,5 (cách làm tương tự trên) Hình Hình nh b gá thí nghi m ng XTQ III KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm đến hiệu xử lý VOC Kết xử lý aceton box thực nghiệm thiết bị LSKK XTQ công suất 500 m3/h điều kiện nhiệt độ độ ẩm khác thể đồ thị hình Kết thu cho thấy hiệu xử lý aceton thiết bị LSKK XTQ phụ thuộc vào độ ẩm khơng khí Thật vậy, quan sát đường cong đồ thị Hình ta thấy độ ẩm khơng khí tăng dần hiệu xử lý aceton giảm dần Kết phù hợp với kết nghiên cứu Chang cộng [7] Nguyên nhân hiệu ứng này, theo Chang cộng sự, độ ẩm khơng khí thấp, 27,6%, hiệu phân hủy aceton tăng độ ẩm tăng nước phản ứng với lỗ trống điện tử để tạo gốc tự siêu oxy hóa Tuy nhiên, lượng nước lớn, độ ẩm khơng khí 27,6%, nước cạnh tranh với aceton để phản ứng với gốc tự siêu oxy hóa, có mặt làm cản trở phân hủy aceton lúc độ ẩm tăng, hiệu suất phân hủy aceton không tăng mà lại giảm Hiệu ứng tương tự quan sát thấy số VOC khác formaldehyde [8], toluene [9], m-xylene [10] Do kết luận khả xử lý VOC thiết bị giảm độ ẩm khơng khí tăng Đối với ảnh hưởng nhiệt độ, kết đồ thị hình cho thấy nhiệt độ tăng, hiệu phân hủy aceton tăng Điều giải thích dải nhiệt độ thấp, 77°C, nhiệt độ tăng, động học phản ứng oxy hóa aceton gốc tự tăng, kết lượng aceton bị phân hủy nhiều hơn, hiệu suất xử lý aceton tăng dần [11,12] 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm đến hiệu xử lý vi sinh Kết khử trùng khơng khí box thực nghiệm thiết Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014 85 K t qu nghiên c u KHCN bị LSKK XTQ công suất 500 m3/h điều kiện nhiệt độ độ ẩm khác thể đồ thị hình Kết thu cho thấy nhiệt độ độ ẩm có ảnh hưởng định đến hiệu xử lý vi sinh thiết bị Ở nhiệt độ phòng độ ẩm thường, vi khuẩn bị xử lý 96% sau phút chạy máy Ở nhiệt độ cao, 38,1°C, hiệu xử lý vi khuẩn bắt đầu giảm: sau phút, độ ẩm 58% 89% vi khuẩn bị xử lý Nếu nhiệt độ cao, độ ẩm cao hiệu diệt khuẩn giảm mạnh, cụ thể 37,5°C độ ẩm 83%, sau 20 phút chạy máy, có 60% vi khuẩn bị tiêu diệt Hình Kh x lý aceton c a máy VR500 t i u ki n khác Hình Hi u qu x lý vi sinh c a máy VR 500 t i u ki n khác 86 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian đến hiệu xử lý aceton ống XTQ Tại thời điểm: ban đầu lúc ống XTQ mới, sau 72 giờ, 192 giờ, 1008 1224 giờ, ống XTQ làm việc liên tục, tiến hành xác định hiệu suất xử lý aceton ống lọc XTQ (trong 8,5 xử lý) kết thể Bảng Hình Kết cho thấy thời điểm ban đầu, lúc lọc XTQ mới, hiệu suất xử lý aceton lọc XTQ đạt 94,1% (cột thứ bảng) Sau lọc chạy liên tục 72 giờ, hiệu suất xử lý aceton lọc XTQ giảm xuống 82,6% (cột thứ 3), sau 192 68,4% (cột thứ 4), sau 1008 43,2% (cột thứ 5) sau 1224 hiệu suất xử lý aceton 31,2% Sự giảm hiệu suất xử lý aceton XTQ theo thời gian bất hoạt số phân tử TiO2 che chắn không gian sản phẩm phụ sinh trình xử lý dẫn đến phân tử không nhận photon phát từ đèn UV gần bị “cách ly” khỏi vai trị xúc tác Ngồi ra, ảnh hưởng bước sóng cường độ xạ từ tia UV yếu tố cần xét đến Để đánh giá ảnh hưởng đèn UV đến hiệu XTQ, sau 1224 thay đèn UV với cường độ xạ ~12 mW/cm2 Quy trình thử nghiệm khả xử Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2014 K t qu nghiên c u KHCN B ng Hi u qu x lý aceton c a ng XTQ theo th i gian Thời gian ống XTQ hoạt động (giờ) 72 192 1008 1224 Nồng độ aceton bơm vào (ppm) 13,43 13,41 13,41 12,16 11,41 Nồng độ aceton sau 8,5 bơm (ppm) 0,8 2,33 4,23 6,91 7,85 Hiệu suất sau 8,5 xử lyù (%) 94,1 82,6 68,4 43,2 31,2 lý 0,1mL aceton 8,5 thay đèn thực tương tự Kết thu được thể Hình cho thấy hiệu suất xử lý 0,1 mL aceton buồng kín 200L 8,5 XTQ sau thay đèn UV 73,9% Như vậy, sau thay đèn UV mới, hiệu suất xử lý XTQ phục hồi đáng kể (từ 31,2% lên 73,9%) Rõ ràng bước sóng cường độ xạ từ tia UV yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu LSKK lọc XTQ, theo thời gian, cường độ xạ tia UV đèn giảm dần, cần thay để trì hiệu suất cao lọc XTQ IV KẾT LUẬN Các kết đánh giá cho thấy nhiệt độ độ ẩm không khí mơi trường ảnh hưởng đến hiệu xử lý khơng khí thiết bị LSKK XTQ Nhiệt độ mơi trường cao độ ẩm khơng khí thấp làm tăng hiệu xử lý VOC thiết bị Ngược lại, hiệu khử trùng thiết bị đạt hiệu cao nhiệt độ môi trường thấp độ ẩm khơng khí thấp Do đó, tùy theo mục Hình Hi u su t x lý aceton c a b XTQ theo th i gian Hình Hi u su t x lý aceton c a b XTQ sau thay đèn UV Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Soá 1,2&3-2014 87 K t qu nghiên c u KHCN the disinfection of water for human consumption in rural communities using solar radiation Solar Energy, 78, 31-40 (2005) Health, Part A: Toxic/Hazardous Substances and Environmental Engineering, 38, 1131-1143 (2003) [4] J I Gole, J D Stout, C Burda et al Highly efficient formation of visible light tunable TiO2-xNx photocatalysts and their transformation at the nanoscale J Phys Chem B, 108(4), 1230-1240 (2004) [9] Y Luo, D.F Ollis Heterogeneous photocatalytic oxidation of trichloroethylene and toluene mixtures in air: kinetic promotion and inhibition, time-dependent catalyst activity Journal of Catalysis, 163, 1–11 (1996) [3] J.-M Herrmann, C Guillard, J Disdier et al New industrial titania photocatalysts for the solar detoxication of water containing various pollutants Applied catalysis B: Environmental, 35 (4), 281-294 (2002) đích sử dụng thiết bị mà lựa chọn điều kiện làm việc thích hợp Thiết bị sau thời gian làm việc liên tục 1224 hiệu lọc XTQ bị giảm đáng kể, từ 94,1% xuống cịn 31,2% Do đó, khả tái sử dụng lọc XTQ cách thay đèn UV thay lớp bột nano TiO2 phủ ống thạch anh biện pháp tốt để thu XTQ có hiệu xử lý khơng khí tương đương với sản phẩm trước 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 MartinDominguez et al Efficiency in 88 [5] Nguyễn Việt Dũng, Báo cáo tổng hợp kết khoa học công nghệ đề tài “Nghiên cứu phát triển ứng dụng hệ thống xử lý ô nhiễm khơng khí TIOKRAFT sở vật liệu xúc tác quang TiO2, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam (2013) [6] L.T Sơn Nghiên cứu chế tạo thiết bị xử lý ô nhiễm khơng khí sở xúc tác quang hóa Tạp chí hoạt động khoa học cơng nghệ, số 4, 5&6, 1823 (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 [8] C.H Ao, S.C Lee, J.Z Yu, J.H Xu Photodegradation of formaldehyde by photocatalyst TiO2: effects on the presences of NO, SO2 and VOCs Applied Catalysis B – Environmental, 54, 41–50 (2004) [10] J Peral, D.F Ollis Heterogeneous photocatalytic oxidation of gas-phase organics 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–desorption, related mobility and reactivity 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 oxidation of acetone vapor on TiO2/ZrO2 thin films Applied Catalysis B – Environmental, 23, 1–8 (1999) Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Soá 1,2&3-2014 ... kết đánh giá cho thấy nhiệt độ độ ẩm khơng khí môi trường ảnh hưởng đến hiệu xử lý không khí thiết bị LSKK XTQ Nhiệt độ mơi trường cao độ ẩm khơng khí thấp làm tăng hiệu xử lý VOC thiết bị Ngược... trường, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam (2013) [6] L.T Sơn Nghiên cứu chế tạo thiết bị xử lý ô nhiễm khơng khí sở xúc tác quang hóa Tạp chí hoạt động khoa học cơng nghệ, số 4, 5&6, 1823 (2013)... [5] Nguyễn Việt Dũng, Báo cáo tổng hợp kết khoa học công nghệ đề tài ? ?Nghiên cứu phát triển ứng dụng hệ thống xử lý ô nhiễm không khí TIOKRAFT sở vật liệu xúc tác quang TiO2, Viện Công nghệ môi