5. Cấu trúc luận văn
1.4.4. Vật liệu nano TiO2 biến tính phủ trên các pha nền
TiO2 cấu trúc anatase có hoạt tính quang xúc tác nên gần đây đã được tập trung nghiên cứu như một trong những giải pháp có triển vọng nhất để xử lý các chất thải độc hại phân tán trong môi trường. Đặc biệt là diệt vi khuẩn, nấm mốc trong phòng bệnh, nhà ở, khử mùi hôi trong văn phòng, phân hủy các khí NOx, SOx, VOCs,... trong môi trường không khí. Nguyên lý cơ bản của quá trình xử lý môi trường, diệt khuẩn,... khi dùng TiO2 có cấu trúc anatase với hiệu ứng quang xúc tác là: các hạt nano TiO2 dưới tác dụng của tia cực tím (UV) làm sinh các điện tử và lỗ trống, các điện tử và lỗ trống này chạy lên bề mặt hạt nano, và chúng thực hiện các phản ứng oxy hóa – khử, có thể tiêu diệt vi khuẩn, hoặc kết hợp với một số khí độc tạo ra sản phảm không độc hại (như khí CO2 và H2O).
Việc ứng dụng hiệu ứng quang xúc tác của nano TiO2, nanocomposite TiO2 (tổ hợp của nano TiO2 và apatite tạo ra vật liệu nanocomposite TiO2) để phân hủy các chất ô nhiễm trong không khí được coi là một trong các giải pháp kỹ thuật quan trọng giúp làm cho môi trường sạch hơn. Phương pháp này có ưu
điểm hơn so với phương pháp lọc bằng chất hấp phụ truyền thống; chi phí đầu tư và vận hành thấp (chỉ cần ánh sáng mặt trời, oxy và độ ẩm trong không khí); quá trình oxy hóa được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường; hầu hết các chất độc hữu cơ đều có thể bị oxi hóa thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O.
Ở Việt Nam, nghiên cứu vật liệu nano TiO2 cấu trúc anatase và ứng dụng chúng để xử lý ô nhiễm môi trường đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu từ những năm 1990. Một trong những cơ sở quan tâm nghiên cứu sớm về TiO2 cấu trúc anatase và đưa vào ứng dụng là một số nhà Khoa học trong Viện Vật lý Ứng dụng và thiết bị Khoa học (TS. Trần Trần Đức, TS Nguyễn Trọng Tĩnh,...). Sau đó một số nhóm nghiên cứu trong Viện Khoa học vật liệu cũng đã triển khai nghiên cứu TiO2, đáng chú ý là một số kết quả của tập thể các nhà khoa học, kết hợp giữa Viện Khoa học vật liệu và Viện Vật lý ứng dụng - thiết bị khoa học, đã cùng nhau hợp tác thực hiện đề tài Nghị định thư giữa Việt Nam – Malaysia giai đoạn 2004 – 2006 do GS. TSKH. Đào Khắc An, Viện Khoa học vật liệu làm chủ nhiệm. Đề tài được nghiệm thu thành công và một số kết quả đã được đưa ra về khả năng xử lý diệt khuẩn của vật liệu quang xúc tác TiO2 anatase, như một số dạng sản phẩm màng lọc dùng để xử lý môi trường sử dụng TiO2 trên đề vải cacbon, trên đế gốm xứ, bông thủy tinh và nhất là hai loại máy xử lý không khí ô nhiễm ở dạng chế tạo thử nghiệm đơn chiếc cũng đã được đưa ra quảng bá trong hội chợ công nghệ. Ngoài ra Viện Khoa học và công nghệ Việt nam, chúng tôi được biết, một số nhóm nghiên cứu ở Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, và ở miền Nam cũng có một số cơ sở nghiên cứu về vật liệu TiO2 anatase và ứng dụng, như trường Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh và các cơ sở nghiên cứu này cũng đã thu được một số kết quả nhất định ở các khía cạnh khác nhau.
nhiễm hữu cơ kị nước và trong quá trình quang phân, các hạt nano TiO2 dễ dàng bị kết tụ, cản trở ánh sáng chiếu đến các trung tâm hoạt động. Ngoài ra, để đạt mục đích thu hồi vật liệu xúc tác và giảm giá thành của sản phẩm, cần cố định chất xúc tác lên chất nền có diện tích bề mặt lớn. Các chất này có những đặc điểm như: gắn kết tốt với xúc tác, không có tác dụng phân hủy xúc tác, có ái lực hấp phụ với chất ô nhiễm. Mặc dù có rất nhiều các công trình nghiên cứu cố định vật liệu xúc tác quang lên vật mang xốp và bước đầu đánh giá hiệu quả xử lí các chất ô nhiễm của nó, nhưng việc tìm ra vật liệu mang cho hiệu quả xúc tác quang của TiO2 cao vẫn còn là vấn đề được quan tâm. Do đó, các biện pháp cố định vật liệu quang xúc tác trên các chất hỗ trợ beta zeolite [76], SiO2 [29], kính [84], than hoạt tính [50], bột niken [34], hạt thủy tinh, tấm thủy tinh, than hoạt tính, zeolite,… [21, 42, 75] đã được chọn làm vật liệu mang bột xúc tác quang N-TiO2 sử dụng trong xử lí nước và thanh lọc không khí.
Gần đây, Viện Công nghệ môi trường phối kết hợp với Viện Vật lý Ứng dụng thiết bị khoa học cũng đã nghiên cứu tiếp nối một số vấn đề và đã chế tạo thành công một số sản phẩm khoa học mới có sử dụng vật liệu nano TiO2 như: Bộ lọc chủ động quang xúc tác sử dụng TiO2 phủ trên vật liệu bông thạch anh và TiO2 phủ trên sợi Al2O3 trong thiết bị làm sạch không khí; Sơn TiO2/Apatite diệt khuẩn,... Đây là kết quả nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu xử lý ô nhiễm không khí bằng vật liệu sơn nano TiO2/Apatite, TiO2/Al2O3 và TiO2/bông thạch anh” do TS. Nguyễn Thị Huệ, Viện Công nghệ môi trường làm chủ nhiệm. Đề tài được thực hiện trong hai năm 2009-2010.
Bộ lọc chủ động quang xúc tác với màng lọc khí bên trong có sử dụng vật liệu TiO2/bông thạch anh và TiO2/Al2O3 dưới tác dụng của nguồn sáng 20 W, bước sóng 365 nm, ở khoảng cách 50 cm, các khí NO, CO có nồng độ 5 ppm phát thải ra môi trường không khí chỉ sau 3 h (vật liệu TiO2/Al2O3) và 2 h (vật liệu TiO2/SiO2) bị khử hoàn toàn; 100 microgam/m3 benzene, aldehit cũng chỉ
sau 7-10 h phản ứng bị phân huỷ hoàn toàn. Vật liệu TiO2/bông thạch anh và TiO2/Al2O3 đạt độ bám dính cao, ổn định, bền và có khả năng quang hóa tương đương với mẫu so sánh (Pháp).
Công nghệ vật liệu mới nano TiO2 dễ áp dụng, dễ phổ cập có thể xử lý môi trường không khí bị ô nhiễm, diệt khuẩn, làm sạch bề mặt nhiều loại vật liệu như kính,… sẽ góp phần quan trọng để bảo vệ sức khỏe của cộng đồng và nhiều ích lợi cho phát triển kinh tế - xã hội.