Nghiên cứu biến tính ống nano carbon và ứng dụng hấp phụ các hợp chất BTEX gây ô nhiễm trong không khí

Tại Việt Nam, quá trình công nghiệp hóa, đô thị hóa đang diễn ra mạnh mẽ, cùng với sự phát triển của khu công nghiệp và hệ thống giao thông vận tải, đã làm gia tăng tình trạng ô nhiễm không khí, đặc biệt là khu vực đông dân cư... Trên các nút giao thông giờ cao điểm ở các đô thị thường xuất hiện vấn đề ô nhiễm không khí do bụi và khí thải của xe có động cơ gây ra. Đặc điểm của loại khí thải này là nguồn thải thấp, di động và không đều. Ở các tuyến có mật độ lưu thông cao khí thải hợp lại thành nguồn phát thải theo tuyến làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường hai bên đường.

Những chất ô nhiễm đặc trưng của khí thải giao thông là bụi, CO, CO2, NOx, SOx, và các hợp chất hữu cơ bay hơi như Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene (BTEX). Trong đó BTEX là một trong những tác nhân chính gây tổn thương nghiêm trọng sức khỏe con người. Các chất gây ô nhiễm này được hình thành và phát thải vào không khí khi động cơ đốt cháy một phần nhiên liệu để vận hành.

Các phương pháp xử lý ô nhiễm môi trường truyền thống như màng lọc, đốt, xúc tác, hấp phụ được sử dụng phổ biến có hiệu quả trong việc giảm nồng độ các một số chất gây ô nhiễm. Điển hình là việc sử dụng rộng rãi than hoạt tính nhằm hấp phụ các khí độc hại như Sox, NOx, tuy nhiên than hoạt tính không có khả năng hấp phụ chọn lọc đối với một số chất gây ô nhiễm, ví dụ như các hợp chất hữu cơ mạch vòng dễ bay hơi BTEX.

Do đó, việc ứng dụng công nghệ mới, thiết lập một hệ thống xử lý chọn lọc các chất hữu cơ dễ bay hơi BTEX trong không khí là một vấn đề mang tính cấp thiết, đảm bảo cho sự trong sạch môi trường sống, sức khỏe con người và góp phần vào sự phát triển bền vững của nền kinh tế của nước nhà.

Tại Việt Nam đã có một số nghiên cứu khoa học về tổng hợp ống nano carbon, ứng dụng trong cảm biến sinh học hay xử lý các vấn đề cụ thể về môi trường. Tuy nhiên các nghiên cứu trên chỉ tập trung vào công nghệ quy trình tổng hợp ống nano carbon, hoặc chỉ ứng dụng xử lý ô nhiễm môi trường nước nhưng vấn đề ô nhiễm không khí thì vẫn chưa được quan tâm thích đáng.

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn nói trên, cấp thiết cần có nghiên cứu khoa học về xử lý các chất gây ô nhiễm trong không khí, đặc biệt là các hợp chất hữu cơ bay hơi, BTEX. Vì vậy, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường đề xuất thực hiện đề tài “Nghiên cứu biến tính ống nano carbon và ứng dụng hấp phụ các hợp chất BTEX gây ô nhiễm trong không khí” cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài Lê Hữu Quỳnh Anh. Với mục tiêu: Nghiên cứu biến tính và ứng dụng công nghệ vật liệu ống nano carbon nhằm hấp phụ các hợp chất Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylenes (viết tắt là BTEX) gây ô nhiễm không khí.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

Đối với từng chất hữu cơ trong nhóm BTEX, khả năng hấp phụ của các vật liệu thay đổi theo thứ tự: than hoạt tính (AC) < MWCNTs < SWCNTs. Khả năng hấp phụ của MWCNTs cao hơn AC và thấp hơn hẳn so với SWCNTs.

Khả năng hấp phụ từng chất hữu cơ BTEX trong mẫu khí của vật liệu ống Nano Carbon đa tường MWCNTs phụ thuộc vào thời gian, nồng độ đầu vào và nhiệt độ. Khả năng hấp phụ của MWCNTs đối với các chất BTEX theo thứ tự như sau Benzene < Toluene < Ethylbenzene < Xylene, tương ứng với 6,15 mg/g < 9,15 mg/g < 11,82 mg/g < 19,671 mg/g.

Đề tài đã biến tính vật liệu ống nano carbon bằng các dung dịch khác nhau như hỗn hợp (HNO3/H2SO4), dung dịch KOH, NaOH, NaOCl và đã khảo sát các đặc tính của vật liệu biến tính bằng nhiều phương pháp. Sự hiện diện của các nhóm chức trên các vật liệu biến tính khác nhau được khẳng định bởi sự xuất hiện của các peak C=O, -OH, -COOH, -CN, -C-O trên phổ FT-IR. Quá trình biến tính không ảnh hưởng đến cấu trúc của vật liệu.

Các vật liệu CNTs biến tính có khả năng hấp phụ cao hơn hẳn so với CNTs thô, đặc biệt là CNTs-NaOCl. Khả năng hấp phụ các hợp chất hữu cơ BTEX thay đổi theo vật liệu và theo thứ tự sau: CNTs thô < CNTs - COOH < CNTs - KOH < CNTs - NaOH < CNTs - NaOCl.

Khả năng hấp phụ hỗn hợp các chất hữu cơ BTEX của vật liệu CNTs - NaOCl như sau: 10,9 mg/g < 11,38 mg/g < 17,35 mg/g < 26,319 mg/g. Kết quả ứng dụng quan trắc BTEX trong không khí tại 3 vị trí ở thành phố Hồ Chí Minh bằng ống chuẩn chứa than hoạt tính và ống nano carbon cho thấy vật liệu ống nano carbon biến tính có thể được ứng dụng làm vật liệu quan trắc. Nồng độ BTEX xác định được cao nhất ở hầm xe, kế đến là trạm xăng và giao lộ.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 15820/2019) tại Cục Thông tin KHCNQG.

Theo Vista.gov.vn