kỹ thuật môi trường
4.1.Dùng xúc tác quang hóa và năng lượng mặt trời để xử lý ô nhiễm
Quá trình xúc tác quang dị thể có thể được tiến hành ở pha khí hoặc pha lỏng. Cũng giống như các quá trình xúc tác dị thể khác, quá trình xúc tác quang dị thể được chia thành 6 giai đoạn như sau:
- Khuếch tán các chất tham gia phản ứng từ pha lỏng hoặc khí đến bề mặt xúc tác. - Hấp phụ các chất tham gia phản ứng lên bề mặt chất xúc tác.
- Hấp thụ photon ánh sáng, phân tử chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích electron.
- Phản ứng quang hóa, được chia làm 2 giai đoạn nhỏ:
•Phản ứng quang hóa sơ cấp, trong đó các phân tử bị kích thích(các phân tử chất bán dẫn) tham gia trực tiếp vào phản ứng với các chất bị hấp phụ.
•Phản ứng quang hóa thứ cấp, còn gọi là giai đoạn phản ứng “tối” hay phản ứng nhiệt, đó là giai đoạn phản ứng của các sản phẩm thuộc giai đoạn sơ cấp.
-Nhả hấp phụ các sản phẩm.
-Khuếch tán các sản phẩm vào pha khí hoặc lỏng.
Tại giai đoạn 3, phản ứng xúc tác quang hoá khác phản ứng xúc tác truyền thống ở cách hoạt hoá xúc tác. Trong phản ứng xúc tác truyền thống, xúc tác được hoạt hoá bởi nhiệt còn trong phản ứng xúc tác quang hoá, xúc tác được hoạt hoá bởi sự hấp thụ ánh sáng.
Điều kiện để một chất có khả năng xúc tác quang. -Có hoạt tính quang hoá.
- Có năng lượng vùng cấm thích hợp để hấp thụ ánh sáng cực tím hoặc ánh sáng nhìn thấy.
Quá trình ban đầu của xúc tác quang dị thể với chất hữu cơ và vô cơ bằng chất bán dẫn (Semiconductor Catalyst) là sự sinh ra của cặp điện tử - lỗ trống trong chất bán dẫn. Có rất nhiều chất bán dẫn khác nhau được sử dụng làm chất xúc tác quang như: TiO2, ZnO, ZnS, CdS… Khi được chiếu sáng có năng lượng photon (hv) thích hợp, bằng
hoặc lớn hơn năng lượng vùng cấm EG (hv>=E(G)), thì sẽ tạo ra các cặp electron (e-) và lỗ trống (h+). Các e được chuyển lên vùng dẫn (quang electron), còn các lỗ trống ở lại vùng hoá trị.
Các phân tử của chất tham gia phản ứng hấp phụ lên bề mặt chất xúc tác gồm hai loại: •Các phân tử có khả năng nhận e (Acceptor).
•Các phân tử có khả năng cho e (Donor).
Quá trình chuyển điện tử có hiệu quả hơn nếu các phân tử chất hữu cơ và vô cơ bị hấp phụ trước trên bề mặt chất xúc tác bán dẫn (SC). Khi đó, các quang electron ở vùng dẫn sẽ chuyển đến nơi có các phân tử có khả năng nhận electron (A), và quá trình khử xảy ra, còn các lỗ trống sẽ chuyển đến nơi có các phân tử có khả năng cho electron (D) để thực hiện phản ứng oxy hoá:
Các ion A-(ads) và D+(ads) sau khi được hình thành sẽ phản ứng với nhau qua một chuỗi các phản ứng trung gian và sau đó cho ra các sản phẩm cuối cùng. Như vậy quá
trình hấp thụ photon của chất xúc tác là giai đoạn khởi đầu cho toàn bộ chuỗi phản ứng. Trong quá trình xúc tác quang, hiệu suất lượng tử có thể bị giảm bởi sự tái kết
hợp của các electron và lỗ trống.
Trong đó (SC) là tâm bán dẫn trung hoà và E là năng lượng được giải phóng ra dưới dạng bức xạ điện từ (hv’ =< hv) hoặc nhiệt.
Hình 2.28: Cơ chế xúc tác quang của chất bán dẫn
Hiệu quả của quá trình quang xúc tác có thể được xác định bằng hiệu suất lượng tử, đó là tỉ lệ giữa số sự kiện xảy ra trên số photon hấp thụ. Việc đo ánh sáng bị hấp thụ thực tế rất khó khăn ở trong hệ dị thể vì sự tán xạ của ánh sáng bởi bề mặt chất bán dẫn. Để xác định hiệu suất lượng tử chúng ta phải tuân theo 2 định luật quang hóa sau đây: Định luật Grotthuss và Draper: Chỉ có ánh sáng bị hệ hấp thụ mới có khả năng gây ra phản ứng, hay nói cách khác là phản ứng quang hóa chỉ xảy ra khi ánh sáng được hấp thụ bởi các phân tử bán dẫn.
Định luật Einstein: Một photon hay lượng tử ánh sáng bị hấp thụ thì chỉ có khả năng kích thích một phân tử trong giai đoạn sơ cấp.
Hiệu suất lượng tử của hệ lý tưởng (phi) được xác định bởi hệ thức đơn giản:
Khi một phân tử chất bán dẫn bị kích thích và phân ly ra một electron kèm theo một lỗ trống, số electron này có thể chuyển tới chất phản ứng, ta gọi là N(c), số còn lại kết hợp với lỗ trống để tạo lại một phân tử trung hòa N(k). Theo định luật Einstein ta có:
Giả sử mỗi phân tử (A) tham gia phản ứng nhận 1 electron, khi đó số phân tử phản ứng sẽ bằng số electron được vận chuyển.
Vậy hiệu suất lượng tử có giá trị:
Nếu ta xét quá trình xảy ra trong một đơn vị thời gian thì có thể thay số electron bằng tốc độ vận chuyển electron k(c) và tốc độ tái kết hợp electron k(k):
Ở đây ta thừa nhận sự khuyếch tán của sản phẩm vào dung dịch xảy ra rất nhanh, không có phản ứng ngược tách điện tử của A-, và tách lỗ trống của D+, Để tăng hiệu suất lượng tử (phi) thì chúng ta phải nghĩ cách tăng tốc độ chuyển điện tử k(c) và giảm tốc độ tái kết hợp electron với lỗ trống k(k). ”Bẫy điện tích” được sử dụng để thúc đẩy sự bẫy điện tử và lỗ trống ở bề mặt, tăng thời gian tồn tại của electron và lỗ trống trong bán dẫn. Điều này dẫn tới việc làm tăng hiệu quả của quá trình chuyển điện tích tới chất phản ứng.
Bẫy điện tích có thể được tạo ra bằng cách biến tính bề mặt chất bán dẫn như đưa thêm kim loại, chất biến tính vào hoặc sự tổ hợp với các chất bán dẫn khác dẫn tới sự giảm tốc độ tái kết hợp điện tử - lỗ trống và tăng hiệu suất lượng tử của quá trình quang xúc tác.
Với một số lý do mà Ag được lựa chọn như là một kim loại có hiệu quả tốt trong nghiên cứu ứng dụng quang xúc tác TiO2.
Giản đồ miền năng lượng của Anatase và Rutile.
TiO2 ở dạng Anatase có hoạt tính quang hóa cao hơn hẳn các dạng tinh thể khác, điều này được giải thích dựa vào cấu trúc vùng năng lượng. Như chúng ta đã biết, trong cấu trúc của chất rắn có 3 miền năng lượng là vùng hóa trị, vùng cấm và vùng dẫn. Tất cả các hiện tượng hóa học xảy ra đều là do sự dịch chuyển electron giữa các miền với nhau.
bước sóng 388nm. Rutile có năng lượng vùng cấm là 3,0 eV tương đương với một lượng tử ánh sáng có bước sóng 413nm. Giản đồ năng lượng của Anatase và Rutile được chỉ ra như hình vẽ.
Hình 2.29: Giản đồ năng lượng của anatase và rutile.
Vùng hóa trị của Anatase và Rutile như chỉ ra trên giản đồ là xấp xỉ bằng nhau và cũng rất dương, điều này có nghĩa là chúng có khả năng oxy hóa mạnh. Khi được kích thích bởi ánh sáng có bước sóng thích hợp, các electron hóa trị sẽ tách ra khỏi liên kết, chuyển lên vùng dẫn, tạo ra một lỗ trống (hole) mang điện tích dương ở vùng hóa trị. Các electron khác có thể nhảy vào vị trí này để bão hòa điện tích tại đó, đồng thời tạo ra một lỗ trống mới ngay tại vị trí mà nó vừa đi khỏi. Như vậy lỗ trống mang điện tích dương có thể tự do chuyển động trong vùng hóa trị.
Các lỗ trống này mang tính oxy hóa mạnh và có khả năng oxy hóa nước thành OH*, cũng như một số gốc hữu cơ khác:
V ùng dẫn của rutile có giá trị gần với thế khử nước thành khí hidro (thế chuẩn = 0,00V), trong khi với anatase thì cao hơn mức này một chút, đồng nghĩa với một thế khử mạnh hơn. Theo như giản đồ thì anatase có khả năng khử O2 thành O2(trừ) , như vậy là ở anatase các electron chuyển lên vùng dẫn có khả năng khử O2 thành O2 (trừ).
Hình 2.30: Sự hình thành các gốc OH* và O2 (trừ)
Chính các gốc OH* và O2 (trừ) với vai trò quan trọng ngang nhau có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ thành H2O và CO2.
4.1.2. Cơ chế xúc tác quang của TiO2.
Khi Titandioxyt TiO2 ở dạng tinh thể Anatase được hoạt hóa bởi ánh sáng có bước sóng (lamda) thích hợp thì xảy ra sự chuyển điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tại vùng hóa trị có sự hình thành các gốc OH* và RX+:
Tại vùng dẫn có sự hình thành của các gốc O2-, HO2*:
4.1.3. Xử lý nước bị ô nhiễm.
Ô nhiễm nước ngày nay đã trở thành vấn đề nghiêm trọng toàn cầu chứ không chỉ riêng của bất kỳ quốc gia nào. Các hội thảo khoa học đã được tổ chức tại Nhật, Canada, Hoa kỳ với hy vọng sẽ nhanh chóng tìm ra hướng đi nhờ vật liệu TiO2. Tại Nhật thậm chí người ta đã thử nghiệm các loại bồn tắm có thể làm sạch nước trong 24h nhờ một lớp TiO2 tráng trên thành bồn. Tuy nhiên vấn đề có vẻ rất khó khả thi khi
áp dụng cho một thể tích nước lớn do vấn đề kinh tế và thời gian cần thiết đủ để làm sạch. Một phương pháp có lẽ khả thi là bọc lớp TiO2 bên ngoài một nhân là chất mang từ tính, phân tán hạt TiO2 trong nước dưới dạng huyền phù, như vậy bề mặt tiếp xúc sẽ lớn hơn và chúng ta sẽ thu hồi lại bằng từ trường.
4.1.4. Xử lý không khí ô nhiễm
Chúng ta cần một bầu không khí trong lành hơn là bầu không khí mà chúng ta vẫn đang sống ở các thành phố lớn, một bầu không khí không có mùi thuốc lá, khói xe, bụi. Bụi có thể ngăn chặn nhưng khói xe và khói thuốc lá thì rất khó vì mũi của chúng ta có khả năng nhận ra các phân tử mang mùi chỉ với nồng độ 0,00012 phần triệu. Nếu bằng một cách nào đó chúng ta có thể tập hợp các hạt TiO2 trên các sợi giấy để tránh vấn đề TiO2 phá hủy ngay các liên kết của sợi giấy thì chúng ta sẽ có một loại giấy đặc biệt- giấy thông minh tự khử mùi. Sử dụng các tờ giấy này tại nơi lưu thông không khí như cửa sổ, hệ thống lọc khí trong ô tô...,các phân tử mùi, bụi bẩn sẽ bị giữ lại và phân hủy chỉ nhờ ánh sáng thường hoặc ánh sáng từ một đèn tử ngoại. Ngoài ra loại giấy này cũng có tác dụng diệt vi khuẩn gây bệnh có trong không khí và chúng ta sẽ có một bầu không khí lý tưởng.
4.2. Khử trùng nước uống bằng năng lượng mặt trời
SODIS là từ viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Solar Water Micro-Organism Disinfection, nghĩa là “Xử lý vi sinh vật trong nước bằng ánh sáng mặt trời”. Phương pháp này được các nhà khoa học thuộc Viện Khoa học công nghệ môi trường Liên bang Thụy Sỹ (EAWAG) và Trung tâm Nghiên cứu nước và vệ sinh môi trường cho các cước đang phát triển ở Thụy Sỹ (SANDEC) nghiên cứu từ năm 1991. Các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cũng như các thử nghiệm thực tế cho thấy sau khi phơi sáu giờ dưới ánh sáng mặt trời, các chai nước phơi theo phương pháp SODIS có khả năng tiêu diệt 99% các mầm bệnh trong nước là vi khuẩn, virus và 95% các mầm bệnh là động vật đơn bào và ký sinh trùng. Với những kết quả khả quan này, phương pháp SODIS đã được Tổ chức Y tế thế giới chính thức khuyến cáo sử dụng như là một giải pháp xử lý nước bổ sung hoặc thay thế cho đun sôi. Từ năm 1999 đến nay, phương pháp này đã được lan toả ra trên 20 quốc gia ở châu Á, châu Phi và Mỹ La tinh, và hiện nay được trên 200 triệu người thường xuyên sử dụng (theo EAWAG, 2006). Cách thức thực hiện SODIS rất đơn giản, chỉ cần đổ nước trong vào các chai nhựa
trong bằng vật liệu PET (là các chai nước suối như Lavie, Vĩnh Hảo, Coca-cola) và phơi dưới ánh nắng mặt trời trong thời gian khoảng sáu giờ vào thời điểm nắng gắt nhất từ 9 giờ sáng đến 3 giờ chiều. Các gia đình phải đi làm sớm có thể phơi từ 6 giờ sáng đến 5 giờ chiều. Cơ chế tiêu diệt vi sinh vật trong chai diễn ra nhờ tác động cộng hưởng của tia cực tím và tia hồng ngoại có trong ánh sáng mặt trời. Phần lớn các vi sinh vật trong nước, đặc biệt là vi khuẩn và vi rút, rất nhạy cảm với tác động của bức xạ tia cực tím (bước sóng 320-400nm = nano mét) nên cấu trúc ADN trong tế bào của chúng bị phá vỡ. Chỉ một số rất ít các động vật đơn bào (protozoa) và ký sinh trùng là không bị tiêu diệt toàn bộ mà chuyển thành dạng bào tử.
Hình 2.31: Ứng dụng SODIS tại nhà
Phương pháp SODIS là một phương pháp có nhiều ưu điểm. Thứ nhất là đơn giản, dễ áp dụng nên từ người lớn đến trẻ em, ai cũng có thể thực hiện được. Thứ hai là ít tốn kém vì SODIS sử dụng nguồn năng lượng vô tận là ánh sáng mặt trời và các chai nhựa trong vốn có trong sinh hoạt hàng ngày hoặc có thể mua tại địa phương với chi phí thấp. Thứ ba, phương pháp này giảm tối đa nguy cơ tái nhiễm khuẩn, vì nước đã qua xử lý được đựng trong chai và sau đó rót ra cốc uống trực tiếp. Thứ tư, phương pháp này rất thân thiện với môi trường. Việc phơi nước uống sẽ giảm nhu cầu sử dụng chất đốt trong gia đình, từ đó giảm lượng khí nhà kính như CO2, CO thải ra môi trường. Vì những ưu điểm này trên, phương pháp SODIS đã đoạt Giải thưởng Quốc tế Dubai năm 2002 và Giải thưởng toàn cầu về năng lượng năm 2004 (theo EAWAG 2006).
Tuy nhiên, phương pháp SODIS cũng có một số hạn chế nhất định: Thứ nhất, phương pháp này chỉ có tác dụng xử lý vi sinh chứ không có tác dụng đối với các hợp chất hoà tan như nước cứng, nước bị nhiễm mặn hay bị nhiễm hoá chất từ sản xuất nông nghiệp
hay công nghiệp. Thứ hai, đây là phương pháp phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, nghĩa là phải có ánh nắng mặt trời mới thực hiện được. Tác dụng tiêu diệt vi sinh chỉ đạt hiệu quả trong điều kiện trời nắng to hoặc mưa không liên tục. Thứ ba, lượng nước có thể xử lý tương đối thấp. Chỉ các chai nhựa trong có dung tích nhỏ hơn hai lít, chiều cao cột nước khi nằm ngang dưới 10 cm mới thích hợp để áp dụng SODIS, vì các tia cực tím không thể xuyên qua cột nước của các chai có dung tích lớn hơn. Và một hạn chế nữa của phương pháp SODIS là yêu cầu lượng nước đầu vào phải tương đối trong. Nước phải được lắng, lọc rồi mới đổ vào chai để đem phơi.
Về bản chất, SODIS chỉ là một biện pháp khử trùng thay thế các phương pháp khác như đun sôi, xử lý bằng clorine hay qua đèn cực tím. Đây chỉ là một công đoạn trong quy trình xử lý nước gồm ba bước là: Lắng, lọc và khử trùng. Để có thể tiêu diệt toàn bộ vi trùng gây bệnh, phương pháp SODIS nên được kết hợp với các công đoạn lắng và lọc khác để đảm bảo nước cho vào chai là nước trong. Ở quy mô hộ gia đình, lý tưởng nhất là dùng nước đã được lọc qua bể lọc cát sinh học (Biosand filter) để thực hiện SODIS. Bốn cơ chế tiêu diệt vi sinh trong bể lọc là diệt lẫn nhau, lọc cơ học, hút và chết tự nhiên sẽ đảm bảo nước đầu ra đủ độ trong, hầu như không còn ký sinh trùng, mà nếu có còn thì chỉ còn một tỉ lệ rất nhỏ vi khuẩn và vi rút (Fortlewis 2005). Khi đó SODIS sẽ làm nốt công việc để đảm bảo chất lượng nước đã qua xử lý đạt tiêu chuẩn chất lượng nước uống của Tổ chức Y tế Thế giới.
4.3. Chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời
Nước mặn phơi nắng trong một cái chậu sẽ bốc hơi và để lại muối dưới đáy chậu. Nếu ở trên chậu chúng ta đặt một tấm bằng vật liệu trong (tấm kính hay tấm nhựa trong) thì hơi nước sẽ bị tấm đó cản không bốc lên cao nữa. Vì tấm lạnh hơn là hơi nước, hơi nước sẽ ngưng thành những giọt nước không có muối bám ở mặt dưới tấm.