a) Ứng dụng của TiO2 trong xử lí môi trường trên thế giới
Oxy hóa quang hóa xúc tác TiO2 đã được áp dụng mạnh mẽ ở một số nước như Nhật, Mĩ, Hà Lan và cả một số nước như Hàn Quốc, Đài Loan để loại trừ và phân hủy các chất bẩn trong không khí. Năm 1987, Mĩ đã nghiên cứu công nghệ sol-gel chế tạo TiO2 dạng màng và dạng sợi [5]. Năm 1993, các nhà khoa học Hà Lan đã chế tạo loại gạch men có lớp TiO2 trên bề mặt để làm sạch môi trường không khí [4]. Chúng được đánh giá là rất hiệu quả để phân hủy chất bẩn và diệt khuẩn. Năm 2001, các nhà khoa học Mĩđã sử dụng TiO2 dạng sơn phủ trên bề mặt vật liệu để khử hợp chất hexadecan, kết quả nghiên cứu cho thấy 98,2% hợp chất này bị khử trong thời gian 72 giờ. Năm 2006, Viện Công nghệ Môi trường, Đại học Đài Loan, Trung Quốc dùng bột Degussa P25 TiO2 trong các bộ lọc khí để khử toluen và formaldehit [13]. Năm 2007, đại học Paris, cộng hòa Pháp, đã nghiên cứu ra loại sơn acylic TiO2để xử lý khí NO và NO2, hiệu quả đạt 19% - 20% với thời gian chiếu sáng trong 5 giờ, tốc độ phản ứng từ 0,05-0,13 µg.m-2.s-1 [11].TiO2 rất
- 28 -
hiệu quả trong việc phân hủy clorofooc và urê, thuốc trừ sâu gốc lân hữu cơ dimetylphotphat. Cyanua có thể bị phân hủy nhanh chóng trong môi trường có chứa 5% TiO2 và chiếu sáng với nguồn sáng có bước sóng 390nm. Quá trình quang xúc tác xảy ra với bức xạ có bước sóng nhỏ hơn 4200Å tạo nên oxy hoạt tính phân hủy hoàn toàn các chất thải hữu cơ thành CO2 và H2O. Nhật Bản nghiên cứu chế tạo và ứng dụng TiO2ở dạng màng, sơn hoặc bột cho hiệu quả rất tốt trong xử lý ô nhiễm không khí. Với nguồn sáng 40W, khoảng cách chiếu sáng 150 cm, TiO2 có thể khử H2S, amoni, trimethylamin từ 30 ppm xuống còn 1,9-2,0 ppm trong 2 giờ. Khí có hại trong nhà phát sinh từ vật liệu trang trí (decoration material) và nội thất chứa methyl, methyl hydrosulfit, H2S và amonia, formaldehyde, acetaldehyde... các chất này đều có thể bị phân hủy và oxy hóa bằng phản ứng quang xúc tác. Nồng độ ban đầu từ 10 - 12 ppm giảm đến 2ppm sau 120 phút và đến 0 ppm sau 300 - 400 phút [12]. Ngoài ra, trong lĩnh vực xử lý môi trường các nhà khoa học tại Nhật Bản đã chế tạo được dung dịch hỗn hợp chứa TiO2 và mang tẩm thành công lên các vật liệu, có nhiều tác dụng như: diệt khuẩn, khử nấm mốc, loại bỏ các khí NOx, SOx. Các khả năng trên của TiO2 được gọi là khả năng làm sạch của vật liệu. Các sản phẩm này đã được áp dụng rộng rãi ngoài thực tế. Một số hãng sản xuất vật liệu phủ TiO2 nổi tiếng tại Nhật Bản như: Ishihara Sangyo, Kaisha, Kogyo Kabushika Kaisha, Tôto và Sakai Chemical.
Theo thống kê của nhóm nghiên cứu Đại học Công nghệ Tokyo: 15 năm trước chỉ có 200 hãng sản xuất sản phẩm liên quan đến TiO2, năm 2001 đã có khoảng 2.000 hãng với doanh số hơn 400 triệu USD và năm 2007 dự kiến doanh số là 6 tỷ USD, năm 2010 không ít hơn 10 tỷ USD. Nano TiO2đã hiện diện trên các sản phẩm cao cấp của các hãng thương mại hàng đầu thế giới với những tính năng đặc biệt như: kính chống nhoè nước, chống tia cực tím của ôtô Toyota, Honda, thiết bị y tế sơn phủ lớp chống khuẩn bằng nano TiO2. Bộ lọc chủ động trong thiết bị tủ lạnh, điều hoà thuộc thế hệ mới nhất của hãng Mitsubishi, Panasonic cũng đã được trang bị nano TiO2. Các chuyên gia của Viện nghiên cứu Công nghệ và Khoa học quốc gia, Nhật Bản (AIST) đã có 43 sáng chế sử dụng TiO2 trong các vật liệu ống, sợi gốm sứ chống
- 29 -
khuẩn, silicagel quang hóa, màng lọc quang hóa, thủy tinh quang hóa, điều hòa quang hóa,.v.v.. đã loại bỏ trên 99% dioxyn trong khí thải ngay từ năm 1983 [6]. Sử dụng TiO2 /apatite để diệt khuẩn, mốc và giữ thức ăn khỏi nấm mốc lâu hơn so với phủ riêng TiO2. Apatite/TiO2 phủ trên thanh chắn tàu hỏa, biển tín hiệu, tường nhà cho hiệu quả chống gỉ tốt và bền hơn khi sử dụng riêng TiO2 [14]. Năm 2004, Nhật Bản đã sử dụng sơn TiO2 phủ trên các tấm panel hai bên đường giúp giảm tiếng ồn và giảm thiểu ô nhiễm không khí. T.Nonami và cộng sự đã thành công trong chế tạo apatite/TiO2 [7], apatite/TiO2 dạng bột xử lý 75% acetandehyt ở nồng độ 500 ppm [7]. Sơn El-Nonamic xử lý NH3 và H2S rất tốt và hiện đã nâng cấp thành thương phẩm.
b) Ứng dụng của TiO2 trong xử lí môi trường tại Việt Nam
Những nghiên cứu và ứng dụng về nano TiO2 được triển khai tại hầu hết các cơ sở nghiên cứu khoa học hàng đầu của Việt Nam trong vòng 10 năm trở lại đây như: Nghiên cứu và ứng dụng nano TiO2 trong chế tạo sensor nhạy khí, sensor hóa học tại Trung tâm Quốc tế Nghiên cứu và Đào tạo Khoa học Vật liệu (ITIMS); Nghiên cứu vật liệu và tính chất TiO2 trong các quá trình hóa học chống ăn mòn đang được triển khai tại Khoa Hóa, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội; Nghiên cứu và ứng dụng nano TiO2 cho sensor quang học tại Khoa Vật lý, Trường Đại học KHTN - ĐHQG Hà Nội; Chế tạo điện cực trong suốt cho pin mặt trời; chế tạo sơn TiO2 có tác dụng diệt khuẩn; màng nano TiO2 có khả năng tự làm sạch, phân hủy chất độc, chống nấm mốc, diệt khuẩn, tính chất siêu ưu nước của Viện Vật lý Ứng dụng và Thiết bị Khoa học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hội thảo quốc tế giữa Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Trường Đại học Tổng hợp Công nghệ Tokyo tổ chức tại Hà Nội 01/2003 về “Khoa học và ứng dụng của nano TiO2 cho môi trường bền vững" đã đánh dấu bước phát triển của Việt Nam về công nghệ nano. Những kết quả nghiên cứu về tính chất quang xúc tác và khả năng ứng dụng cho xử lý ô nhiễm môi trường của nano TiO2 trong đề tài cấp Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (2002-2003) của Viện Công nghệ Môi trường và Viện Vật lý Ứng dụng đã cho thấy tính khả thi của những chế phẩm từ
- 30 -
nano TiO2. Màng TiO2 phủ lên vải than hoạt tính, vải thủy tinh đã cho hiệu quả diệt khuẩn và khử mùi khá tốt (kết quả đã được kiểm nghiệm tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương). TiO2 phủ lên các đế mang tạo ra các bộ lọc chủ động quang xúc tác trong mẫu thiết bị khử mùi, đã được công bố trong đề tài hợp tác quốc tế với Malaysia năm 2005. Chế tạo bộ lọc chủ động quang xúc tác nano TiO2đã được áp dụng trong máy thở cho bệnh nhân nhiễm H5N1 của Viện Công nghệ, Bộ Khoa học Công nghệ [9].
Hầu hết các kết quả nghiên cứu áp dụng phương pháp quang xúc tácchỉ tập trung trong môi trường nước sinh hoạt, nước thải, xử lý ô nhiễm không khí hầu như chưa có nghiên cứu nào đề cập đến. Trên thực tế, môi trường không khí Việt Nam, nhất là tại các khu đô thị và các thành phố lớn đều bị ô nhiễm đến mức báo động.