Công nghệ TiO2 đột phá

Trong đó, các giải phảp chế tạo các màng lọc vật liệu kích thước nano vừa có khả năng hấp phụ lại vừa có khả năng xúc tác để diệt khuẩn, nấm mốc, xử lý nguồn khí thải phân tán trong khôn

CÔNG NGHỆ TITANDIOXIT (TiO2) – BƯỚC ĐỘT PHÁ MỚI TRONG

CUỘC SỐNG

Xử lý ô nhiễm không khí ở nước ta từ trước đến nay ít được quan tâm nghiên cứu triển khai Hầu hết các công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường chỉ tập trung vào làm sạch nước, xử lý nước thải mà chưa thực sự đầu tư vào làm sạch môi trường không khí mặc dù ô nhiễm không khí

đã đến mức báo động Các biện pháp như tuyên truyền giáo dục, tăng cường diện tích cây xanh, quy hoạch hợp lý các công trình dân sinh chỉ giảm thiểu một phần ô nhiễm không khí Vì vậy, các biện pháp công nghệ như quá trình oxy hóa – khử kết hợp, hấp phụ, lọc khí cần thiết phải áp dụng Trong đó, các giải phảp chế tạo các màng lọc vật liệu kích thước nano vừa có khả năng hấp phụ lại vừa có khả năng xúc tác để diệt khuẩn, nấm mốc, xử lý nguồn khí thải phân tán trong không khí rất hiệu quả và tiềm năng

Hiệu ứng quang xúc tác của vật liệu nano, đặc biệt là nano Titandioxit – TiO2 được coi là

cơ sở khoa học đầy triển vọng cho các giải pháp kỹ thuật xử lý ô nhiễm không khí TiO2 là một vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng, trong suốt, chiết suất cao, từ lâu đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như: Sơn, nhựa, giấy, mỹ phẩm, dược phẩm… Tuy nhiên, những ứng dụng quan trọng nhất của TiO2 ở kích thước nano là khả năng làm sạch môi trường thông qua phản ứng quang xúc tác và khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng ở quy mô dân dụng Trong lĩnh vực công nghệ nano, thật khó tìm thấy một loại vật liệu nào lại có nhiều ứng dụng quý giá, thậm chí không thể thay thế như vật liệu nano TiO2

Đặc tính quang xúc tác của nano TiO2:

- Chất xúc tác là chất có tác dụng làm giảm năng lượng kích hoạt của phản ứng hóa học và không bị mất sau khi phản ứng Nếu quá trình xúc tác được kích thích bằng ánh sáng thì được gọi là quang xúc tác Chất có tính năng hoạt động mạnh trong các phản ứng hóa học khi được chiếu sáng gọi là chất quang xúc tác Nhiều hợp chất bán dẫn như: TiO2, ZnO,

In2O3 có tính năng quang xúc tác, nhưng nano TiO2 là một vật liệu quang xúc tác tiêu biểu

- Khi được chiếu ánh sáng, nano TiO2 trở thành một chất oxy hóa khử mạnh nhất trong số những chất đã biết (gấp 1.5 lần Ozon, gấp 2 lần Clo – là những chất thông dụng vẫn được

dùng trong xử lý môi trường) Điều này tạo cho vật liệu nhiều ứng dụng phong phú, đa dạng và quý giá Nano TiO2 có thể phân hủy được các chất độc hại bền vững như: đioxin, thuốc trừ sâu, benzen… cũng như một số loại virut, vi khuẩn gây bệnh với hiệu suất cao hơn so với các phương pháp khác Dưới tác dụng của ánh sáng, nano TiO2 trở nên kỵ nước hay ái nước tùy thuộc vào công nghệ chế tạo Khả năng này được ứng dụng để tạo

ra các bề mặt tự tẩy rửa không cần hóa chất và tác động cơ học hoặc các thiết bị làm lạnh không cần điện Khả năng quang xúc tác mạnh của nano TiO2 còn đang được nghiên cứu ứng dụng trong pin nhiên liệu và xử lý CO2 gây hiệu ứng nhà kính

- Nano TiO2 kháng khuẩn bằng cơ chế phân hủy, tác động vào vi sinh vật như phân hủy một hợp chất hữu cơ Vì vậy, nó tránh được hiện tượng “nhờn thuốc” và là một công cụ hữu hiệu chống lại sự biến đổi gen của vi sinh vật gây bệnh

- Nano TiO2 hoạt động theo cơ chế xúc tác nên bản thân không bị tiêu hao, nghĩa là đầu tư một lần và sử dụng lâu dài

- Bản thân Nano TiO2 không độc hại, sản phẩm của sự phân hủy chất này cũng rất an toàn Những đặc tính này tạo cho nano TiO2 những lợi thế vượt trội về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trong việc làm sạch môi trường nước và không khí các tác nhân ô nhiễm hữu cơ, vô cơ và sinh học

CẤU TRÚC TIO2 VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ

Titandioxide (TiO2) là một loại vật liệu rất phổ biến trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta Chúng được sử dụng nhiều trong việc pha chế tạo màu sơn, màu men, mỹ phẩm và cả trong thực phẩm Ngày nay lượng TiO2 được tiêu thụ hàng năm lên tới hơn 3 triệu tấn TiO2 còn được biết đến trong vai trò của một chất xúc tác quang hóa Tinh thể Titandioxide (TiO2) có nhiều dạng thù hình trong đó có 2 dạng thù hình chính:

TiO2 tồn tại ở dạng bột, thường có màu trắng tuyết ở điều kiện thường, khi nung nóng có màu vàng Không tan trong nước, không tan trong các aixit như axit sunfuric, clohydric… ngay

cả khi đun nóng Tuy nhiên, với kích thước nanomet, TiO2 có thể tham gia một số phản ứng với axit và kiềm mạnh Các dạng oxit, hydroxit và các hợp chất của Ti đều có tính bán dẫn

Thông số vật lý của Anatase và Rutile

ỨNG DỤNG CÁC TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC TiO2

tưởng được đưa ra, có những cái đã làm được và có những cái chưa thể thực hiện Tuy nhiên đây đều là những ý tưởng rất khả thi và nếu thành công thì nó hứa hẹn sẽ mang lại rất nhiều lợi ích cho cuộc sống của chúng ta

a.Vật liệu tự làm sạch

độc đáo và đầy triển vọng là chế tạo các vật liệu tự làm sạch ứng dụng cả hai tính chất xúc tác quang hóa và siêu thấm ướt ý tưởng này bắt nguồn khi những vật liệu cũ như gạch lát nền, cửa kính các tòa nhà cao ốc, sơn tường thường bị bẩn chỉ sau một thời gian ngắn sử dụng Có những nơi dễ dàng lau chùi như gạch lát, sơn tường trong nhà của chúng ta nhưng có những nơi việc làm vệ sinh là rất khó khăn như của kính các tòa nhà cao ốc, mái vòm của các công trình công cộng kiểu như nhà hát Opera ở Sydney, hay như mái của các sân vận động hiện đại ngày nay Chúng ta vẫn ao ước có được các loại vật liệu tự làm sạch để một ngày nào đó chúng ta không còn phải làm các công việc đầy nguy hiểm là leo lên các công trình này, và giờ đây các

loại vật liệu này đã được thử nghiệm Các cửa kính với một lớp TiO2 siêu mỏng, chỉ dày cỡ micro, vẫn cho phép ánh sáng thường đi qua nhưng lại hấp thụ tia tử ngoại để phân hủy các hạt bụi nhỏ, các vết dầu mỡ do các phương tiện giao thông thải ra Các vết bẩn này cũng dễ dàng bị loại bỏ chỉ nhờ nước mưa, đó là do áp lực lớn của bề mặt với nước, sẽ tạo ra một lớp nước mỏng trên bề mặt và đẩy chất bẩn đi

tử bụi 3- Khi nước rơi trên mặt kính tạo ra hiệu ứng thấm nước Nước trải đều ra bề mặt, tạo ra hiệu ứng thấm nước Nước trải đều ra bề mặt thay vì thành giọt, cuốn theo chất bẩn đi xuống

b 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

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

sẽ lớn hơn và chúng ta sẽ thu hồi lại bằng từ trường

c Xử lý không khí ô nhiễm

Việc ô nhiễm môi trường không khí gây ra bởi bụi, các hóa chất độc hại, các vi khuẩn và virus trong các bệnh viện, các tòa nhà công cộng, nhà xưởng sản xuất, thậm chí cả nhà ở, trường học

quanh các khu công nghiệp đang ngày càng trở nên bức xúc ở nước ta cũng như trên thế giới Chỉ lấy số liệu của Cục quản lý khám chữa bệnh cho thấy, nhiễm khuẩn bệnh viện kéo dài thời gian nằm viện trung bình của bệnh nhân từ 9 đến 24,3 ngày, đồng thời tăng chi phí điều trị trung bình từ 2 đến 32,3 triệu đồng 1 bệnh nhân

Vì vậy việc xử lý không khí là yêu cầu ngày càng cao và có nhiều phương pháp Các công nghệ làm sạch không khí đang được dùng hiện nay như hấp phụ, phân chia (màng lọc, thổi không khí)

và công nghệ phá hủy (ozon hóa, Clo hóa) đều có điểm yếu Trường hợp sử dụng công nghệ phân chia (như màng lọc) sự tích tụ chất bẩn xảy ra trên bề mặt màng lọc để rồi từ đó chúng lại thải ngược vào môi trường, còn nếu thổi bằng không khí, chất ô nhiễm lại phát tán ra không gian

Các phương pháp xử lý ô nhiễm trên cơ sở sử dụng các chất sát trùng hóa học (Clo, ozon, iot ) thường tốn kém và có nguy cơ hình thành sản phẩm phụ độc hại với con người Tóm lại trong mọi trường hợp vấn đề ô nhiễm thực tế chỉ chuyển từ chỗ này sang chỗ khác và không giải quyết được triệt để

Các nghiên cứu khoa học gần đây đã cho thấy một phương pháp xử lý mới mang tính đột phá: phương pháp xúc tác quang hóa Phương pháp này nằm trong loại phá hủy mà không yêu cầu các tác nhân khác mà chỉ cần có mặt ôxy trong không khí Vật liệu xúc tác quang hóa chủ yếu từ

TiO2, Fe2O3, ZnO trong đó TiO2 (TitanDioxide) có hoạt tính xúc tác quang hóa cao nhất và là vật liệu rẻ tiền và không độc hại với sức khỏe con người

Cơ chế xúc tác quang hóa của nano TiO2 đã được khoa học làm sáng tỏ từ lâu: dưới tác dụng của tia UV, điện tử di chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn tạo ra cặp điện tử và lỗ trống, các cặp điện

tử - lỗ trống này tương tác với các phần tử hấp phụ trên bề mặt chất bán dẫn (thường là các chất hữu cơ dễ bay hơi độc hại hoặc vi khuẩn) phân hủy chúng như phản ứng ôxy hóa khử Các chất độc hại và vi khuẩn bị phân hủy tạo thành nước và CO2 Như vậy việc xử lý không khí trở nên triệt để và không có nguy cơ gây tác dụng phụ thứ cấp

Do những đặc điểm ưu việt nổi trội nêu trên nên một số công ty đã chế tạo thành công các thiết

bị làm sạch không khí trên cơ sở tính chất xúc tác quang hóa của nano TiO2 Tuy nhiên, không

có công ty nào có thể đạt được hiệu suất dưới ánh sáng UV có bước sóng tiêu chuẩn (254nm) vượt trội so với sản phẩm AIROCIDE của hãng AKIDA HOLDING LLC Đây là đơn vị đi đầu trong lĩnh vực này ở Mỹ Các thiết bị làm sạch không khí mang tên AIROCIDE của đã bán sang một số nước ở Châu Âu, Châu Á, Châu Phi… và được giải vàng EDISON về sản phẩm và dịch

vụ sáng tạo nhất thế giới năm 2013

d Diệt vi khuẩn, vi rút, nấm

là với số lượng nhỏ

Môi trường như phòng vô trùng, phòng mổ bệnh viện là những nơi yêu cầu về độ vô trùng rất cao, công tác khử trùng cho các căn phòng này thường được tiến hành kỹ lưỡng và khá mất thì

thì chỉ với một đèn chiếu tử ngoại và chừng 30’ là căn phòng đã hoàn toàn vô trùng

e Tiêu diệt các tế bào ung thư

Ung thư ngày nay vẫn là căn bệnh gây tử vong nhiều nhất Việc điều trị bằng các phương pháp nhiễu xạ, truyền hóa chất, phẫu thuật thường tốn kém mà kết quả thu được không cao

nay người ta đang thử ngiệm trên chuột bằng cách cấy các tế bào để tạo nên các khối ung thư

trên và chiếu sáng vào khối u, thời gian 3’ là đủ để tiêu diệt các tế bào ung thư Với các khối u sâu trong cơ thể thì một đèn nội soi sẽ được sử dụng để cung cấp ánh sáng