Việt Nam làm chủ công nghệ và quy trình chế tạo tấm lọc xử lý hơi độc bằng carbon nano ứng dụng trong mặt nạ phòng hóa

Hợp chất nano carbon (aerogel carbon, carbon nanotube) được tổng hợp ở quy mô công nghiệp là giải pháp hiệu quả cao về mặt kinh tế lẫn tính tiện dụng để thay thế than hoạt tính vẫn thường được trang bị trong các mặt nạ phòng hóa.

Thực tế cho thấy, các loại mặt nạ phòng hóa có tác dụng hấp phụ khí độc hiệu quả hiện được bán trên thị trường thường có kết cấu phức tạp, và giá thành khá đắt (từ trên 1,5 triệu đồng/cái). Bên cạnh đó, nguyên liệu thông dụng sử dụng trong hầu hết hộp lọc (gắn trên mặt nạ) là than hoạt tính vốn có khối lượng lớn nên cũng tương ứng làm tăng khối lượng tổng thể của mặt nạ, khiến người dùng có phần bất tiện trong thao tác và hơn hết là việc bảo quản đòi hỏi sự phức tạp nhất định. 

Không chỉ được trang bị cho nhu cầu huấn luyện, diễn tập và tác chiến quân sự, nhiều loại mặt nạ phòng hóa cũng đã và đang được khai thác, đưa vào sử dụng trong hoạt động dân sinh như phòng cháy chữa cháy, cứu hộ cứu nạn, y tế và nông nghiệp. 

Trước nhu cầu rất lớn về "một công nghệ lớp lọc không khí" ở quy mô đơn giản có khả năng thay thế cho toàn bộ hay một phần trong bộ phận hộp lọc của mặt nạ phòng hóa, đồng thời chi phí sản xuất không quá cao, nhằm tăng cường khả năng bảo vệ đường hô hấp cho người dân cũng như các lực lượng chức năng trong hoạt động nghiệp vụ, nhóm chuyên gia tại Viện Nhiệt đới Môi trường đã triển khai nhiệm vụ khoa học - công nghệ "Nghiên cứu công nghệ chế tạo tấm lọc xử lý hơi độc bằng carbon nano ứng dụng trong mặt nạ phòng hóa".

Báo cáo trước hội đồng tư vấn nhiệm vụ vừa được Sở Khoa học và Công nghệ TPHCM tổ chức, PGS. TS. Lê Anh Kiên, chủ nhiệm nhiệm vụ cho biết, trong những năm gần đây xu hướng phát triển mạnh của vật liệu carbon aerogel (CA) cũng như carbon nanotube (CNT) đang diễn ra tại Việt Nam và trên thế giới. Theo đó, carbon aerogel có nhiều tính chất vật lý nổi bật như diện tích bề mặt riêng lớn, độ xốp cao, khối lượng riêng nhỏ…nên được ứng dụng làm điện cực, siêu tụ điện, pin, màng lọc khí, chất xúc tác hiệu quả để giảm lượng khí thải nitơ oxit từ khí thải ôtô, chất thân thiện với môi trường thay thế CFC có hại trong tủ lạnh. Hơn nữa, carbon aerogel có khả năng hấp phụ, lưu trữ khí, làm sạch không khí, kiểm soát ổ nhiễm không khí từ khí thải công nghiệp và khí thải động cơ. 

Trong khi đó, carbon nanotube là vật liệu nano carbon dạng ống với đường kính ở kích thước nanomet (1-20nm), có chiều dài từ vài nm đến micromet (thậm chí đến cả centimet). Với cấu trúc tinh thể, carbon nanotube có nhiều tính năng đặc biệt như tính đàn hồi, khả năng phát xạ, diện tích bề mặt riêng lớn rất thích hợp để làm vật liệu hấp phụ. Do đặc tính kết tụ thành từng bó nhỏ nên kích thước lỗ xốp trên bề mặt bó carbon nanotube lớn hơn trên carbon hoạt tính và bề mặt carbon nanotube tích điện dương hơn carbon hoạt tính. Đây là hai đặc tính chính làm cho carbon nanotube  có khả năng hấp phụ các chất hữu cơ tự nhiên rất tốt. 

"Hiện nay, yêu cầu vật liệu lọc sử dụng cho hộp lọc hơi khí độc là phải có khối lượng nhỏ nhằm tạo thuận lợi cho hoạt động của người sử dụng, nhưng đồng thời hiệu quả lọc lại cao nhất", TS Lê Anh Kiên thông tin, "Vì thế hiện nay, người ta dùng các vật liệu lọc là vật liệu xốp, nhẹ có nguồn gốc từ carbon. Đây là loại vật liệu có khối lượng riêng nhỏ, diện tích bề mặt riêng lớn, dung lượng hấp phụ cao, kích thước lỗ nhỏ (cỡ nano), một số có khả năng kháng nước, kháng ẩm, dầu và kháng khuẩn".

Nhóm nghiên cứu khẳng định, tính đến thời điểm tháng 6/2022, đội ngũ chuyên gia - nhà khoa học thuộc Viện Nhiệt đới môi trường đã hoàn thiện các mục tiêu đề ra của nhiệm vụ, đó là hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo tấm lọc sử dụng carbon nanotube  (CNT); quy trình công nghệ chế tạo tấm lọc sử dụng carbon aerogel (CA); và đặc biệt nhất là quy trình sản xuất tấm lọc phủ hỗn hợp nano carbon để phòng khí độc.

Sản phẩm của nhiệm vụ khoa học - công nghệ được Viện Nhiệt đới Môi trường thực hiện và báo cáo nghiệm thu hồi cuối quý 2/2022

Cụ thể, TS. Lê Anh Kiên và cộng sự đã tổng hợp được vật liệu carbon nanotube  (CNT) với một số tính chất ưu điểm: có cấu trúc ống và bó ống dài vài trăm nanomet, đường kính ống tương đối nhỏ, trung bình 30nm, thành ống mịn, ít khuyết tật; diện tích bề mặt riêng 240,166 m²/g, có nhiều lỗ xốp meso và marco, kích thước lỗ xốp trung bình khoảng 2,380nm; cấu trúc lỗ xốp đa phần hình trụ hở 2 đầu.

"CNT tổng hợp được có hình thái và cấu trúc tương đối giống với CNT thương mại có trên thị trường", đại diện nhóm triển khai nhiệm vụ khoa học - công nghệ khẳng định. 

TS Lê Anh Kiên trình bày kết quả thực hiện nhiệm vụ khoa học - công nghệ

Ngoài ra, nhóm đã tổng hợp được vật liệu carbon aerogel (CA) có nhiều tính chất nổi bật như khối lượng riêng thấp 0,24-0,26 g/cm³, diện tích bề mặt riêng lớn 900-1163 m²/g, độ bền nhiệt cao với nhiệt độ phân hủy khoảng 500 độ C. Kích thước lỗ rỗng còn tương đối lớn, đường kính lỗ xốp trung bình vẫn nằm trong khoảng meso và khoảng phân bố rộng.

Đối với từng loại vật liệu, nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ khí bằng phép đo độ hấp phụ được thực hiện tại Binh chủng Hóa học (Bộ Quốc phòng) với các khí HCN, C₆H₆, CCl₃NO₂ theo tiêu chuẩn TCVN/QS 1223:2010. 

Đánh giá khả năng hấp phụ của từng loại vật liệu

Kết quả cho thấy, thời gian bảo vệ đối với các khí độc của vật liệu CA tốt hơn so với hỗn hợp CNT/CA và CNT. Hiệu quả bảo vệ giảm khi tăng lượng CNT, nguyên nhân là do CNT có diện tích bề mặt riêng thấp hơn rất nhiều so với CA. Bên cạnh đó, số liệu kiểm nghiệm cũng cho thấy vật liệu CA với khối lượng ít hơn lượng than hoạt tính đang trang bị trong hộp lọc MV5 (thường được sử dụng cho các lực lượng cứu hộ - cứu nạn chuyên nghiệp, và thậm chí trong lĩnh vực quốc phòng) cũng đã cho hiệu quả đáp ứng được tiêu chuẩn TCVN/QS 1223:2010. 

"Điều này cho thấy khả năng sử dụng vật liệu CA hoàn toàn có thể thay thế than hoạt tính trong hộp lọc MV5", TS. Lê Anh Kiên chia sẻ.

Phương pháp chế tạo tấm lọc khí độc với lớp phủ carbon nanotube (trái); và carbon aerogel

Trong quá trình nghiên cứu, nhóm chuyên gia tại Việt Nhiệt đới Môi trường cũng sử dụng bộ vỏ hộp lọc độc quân sự MV5 đã có để thiết kế, chế tạo hộp lọc độc dùng vật liệu lọc độc là carbon nano được tổng hợp từ quá trình thực hiện nhiệm vụ khoa học - công nghệ. 

Đại diện Viện Nhiệt đới Môi trường cho biết thêm, với Quy trình công nghệ chế tạo tấm lọc sử dụng carbon nanotube (CNT) và Quy trình công nghệ chế tạo tấm lọc sử dụng carbon aerogel (CA); cũng như Quy trình sản xuất tấm lọc phủ hỗn hợp nano carbon để phòng khí độc, có thể khẳng định rằng, đội ngũ kỹ sư - chuyên gia Việt Nam hoàn toàn có thể làm chủ công nghệ tổng hợp carbon nano, để từ đó đưa vào sản xuất tấm lọc phủ hợp chất này để ứng dụng vào mặt nạ phòng hóa ở quy mô công nghiệp ở mức chi phí thấp. Đáng chú ý, với việc đáp ứng nghiêm ngặt các tiêu chuẩn về sinh hóa, các loại tấm lọc phủ carbon nano là kết quả của nhiệm vụ khoa học - công nghệ này có thể sử dụng hiệu quả đồng thời trong các hoạt động phòng cứu hộ - cứu nạn dân sự lẫn tác chiến quân sự, mang tới sự linh hoạt tối đa cho sản phẩm. Từ đó, Viện Nhiệt đới Môi trường kiến nghị Sở KH&CN TPHCM và các đơn vị hữu quan tiếp tục tạo điều kiện để để ứng dụng kết quả nghiên cứu của đề tài vào thực tế, cũng như đưa vào sản xuất thực nghiệm trên quy mô lớn.