PTN Nghiên cứu Vật liệu xúc tác môi trường

1. Giới thiệu chung

Xã hội ngày càng phát triển đồng nghĩa với việc tăng trưởng nhanh về các hoạt động sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải, và song hành với nó là nguy cơ phát thải gây ô nhiễm môi trường không khí, nguồn nước và đất. Ô nhiễm môi trường gây ra bởi các hợp chất hữu cơ mang độc tính cao như phenol, các hợp chất thơm đa vòng, các hợp chất clo hữu cơ, … hay bởi các dạng tồn tại khác nhau của các ion kim loại nặng có khả năng tích lũy và tác động sinh học như metyl thủy ngân Hg (CH₃Hg+), As(III), Cd(II), Cr(VI), Pb(II), … thải ra từ các nhà máy, các khu công nghiệp, khu chế xuất và khai thác khoáng sản gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người và phá hủy môi trường sinh thái. Ô nhiễm nguồn nước gây ra bởi các độc tố này là cực kỳ nguy hiểm, vì ước tính khoảng 80% dân số Việt Nam sống và làm việc ở các vùng nông thôn, thường sử dụng nước ao, hồ, sông, suối làm nước sinh hoạt. Về ô nhiễm không khí, theo kết quả một cuộc khảo sát của các nhà khoa học từ Đại học Yale, Đại học Columbia (Mỹ) và EU với 132 quốc gia trên toàn cầu, chất lượng không khí của Việt Nam nằm trong số 10 quốc gia tệ nhất thế giới. Điều này đã gióng lên hồi chuông cảnh báo về mức độ ô nhiễm khí ngày càng trầm trọng bắt nguồn từ các nhà máy và đặc biệt là các phương tiện giao thông vận tải tại các thành phố lớn của Việt Nam. Ô nhiễm đất cũng đã được cảnh báo ở nước ta nhưng vẫn chưa có biện pháp xử lý và đo lường xác định mức độ cụ thể. Các hoạt động sản xuất chủ yếu gây ra ô nhiễm đất này là cơ khí, hóa chất, khai khoáng, nông nghiệp, …  

Như vậy, bài toán đặt ra là phát triển nhưng phải bền vững. Bên cạnh biện pháp cải tiến các công nghệ sản xuất, giảm thiểu phát thải, thì xử lý môi trường vẫn luôn là yêu cầu hàng đầu và là vấn đề được đặc biệt coi trọng trong quản lý các dự án đầu tư cũng như hoạt động sản xuất công nghiệp. Đứng trước bối cảnh yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt về chất lượng môi trường, trong khi phát thải lại ngày càng đa dạng với nhiều loại độc tố mới, các phương pháp xử lý môi trường đơn giản không còn khả năng đáp ứng. Có nhiều phương pháp khác nhau để xử lý môi trường, như là cơ học, vật lý, hóa học, sinh học, ... Tuy nhiên, hai phương pháp chính được sử dụng nhiều nhất hiện nay, đó là vật lý và hóa học. Ưu thế của hai phương pháp này, mà các phương pháp khó có thể đạt được, đó là nhanh chóng cho phép xử lý sâu (tách loại hoàn toàn và đến mức rất thấp), đạt ngưỡng cho phép về tiêu chuẩn môi trường. Với hai phương pháp này thì mấu chốt của quá trình xử lý nằm ở vật liệu hấp phụ hoặc hấp thụ (với phương pháp vật lý) và vật liệu xúc tác (với phương pháp hóa học). Đặc biệt, trong một số quá trình, cả hai phương pháp hấp phụ và chuyển hóa hóa học trên xúc tác đều được sử dụng. Khi đó, vật liệu mang hai, thậm chí ba chức năng hấp phụ, trao đổi ion và xúc tác. Bằng cách tổng hợp, biến tính các loại vật liệu hấp phụ, xúc tác này, đáp ứng những tiêu chuẩn phù hợp đối tượng cần xử lý, là có thể tách hoặc chuyển hóa các cấu tử không mong muốn ra khỏi môi trường khí hoặc nước, trên cơ sở sử dụng các hệ thống thiết bị hấp phụ, hấp thụ hay phản ứng hóa học.  

Do đó, vật liệu xúc tác, hấp phụ với bản chất hóa học (vô cơ, hữu cơ), chứa các thành phần khác nhau như kim loại, oxit, cơ kim, polyme, composit, ... được sử dụng ở nhiều dạng (như đồng thể, dị thể, bột, hạt, viên, màng, lưới, ...) với kích thước hạt nằm trong phạm vi từ nanomet đến micromet, đính các nhóm chức với các ái lực khác nhau, đóng vai trò cốt lõi trong hầu hết các quá trình sản xuất công nghiệp, dịch vụ và đặc biệt là xử lý môi trường. Quan trắc, xử lý khí và nước ô nhiễm các hợp chất hữu cơ khó phân huỷ, kim loại nặng, thanh trùng bằng phương pháp sử dụng các vật liệu quang xúc tác, đa chức năng ngày càng chứng tỏ nhiều ưu điểm vượt trội và triển vọng ứng dụng thực tế.  

Tuy nhiên, để giải quyết những vấn đề nêu trên, cần có những nghiên cứu mang tính chất liên ngành ở trình độ cao, định hướng nghiên cứu phát triển vật liệu xúc tác hấp phụ đa chức năng ứng dụng trong quan trắc và xử lý các vấn đề ô nhiễm môi trường. Bên cạnh đó, hướng tới giảm phát thải, đặc biệt các hợp chất gây ô nhiễm như CO₂ (khí nhà kính), SO_x, các nghiên cứu hiện nay trên thế giới đều hướng về các quá trình chuyển hóa xúc tác các hợp chất này thành các sản phẩm có giá trị sử dụng như hóa chất, nhiên liệu, … hoặc nâng cấp nguồn nhiên liệu có khả năng tạo ra chúng để đạt chuẩn quốc tế về môi trường. Với các sản phẩm thải, chuyển hóa sử dụng các vật liệu xúc tác đa chức năng giúp giải quyết bài toán thu hồi các cấu tử quí và chỉ cho phép thải những thành phần không còn khả năng gây ô nhiễm môi trường.  

Chính vì vậy, phát triển đào tạo nhân lực trình độ cao cũng như nghiên cứu đưa ra các giải pháp hiệu quả để xử lý khí và nước trên cơ sở chế tạo và ứng dụng vật liệu xúc tác hấp phụ có ý nghĩa thực tiễn rất lớn, đáp ứng nhu cầu cấp thiết hiện nay về phát triển xã hội bền vững, bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Đây cũng đang là một trong những hướng đào tạo và nghiên cứu liên ngành chủ lực của ĐHBKHN. Để nâng cao chất lượng đào tạo cũng như nghiên cứu xử lý môi trường bằng công nghệ mới, việc xây dựng phòng thí nghiệm Vật liệu xúc tác môi trường tại ĐHBKHN là thực sự cần thiết và có ý nghĩa lớn với quá trình phát triển bền vững của Việt Nam. 

2. Mục tiêu chung

Nâng cao năng lực khoa học công nghệ và đào tạo của ĐH BKHN đáp ứng được các yêu cầu nghiên cứu về xúc tác xử lý môi trường cấp quốc gia và quốc tế.  

Mục tiêu cụ thể của PTN 

1. Thực hiện các nghiên cứu và chuyển giao công nghệ trong lĩnh vực giảm phát thải, xử lý khí thải và nước thải công nghiệp để đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế về môi trường. 

2. Xây dựng các nhóm nghiên cứu phối hợp các đơn vị trong nước và quốc tế trong lĩnh vực xúc tác cho công nghiệp lọc hóa dầu và xử lý môi trường. 

3. Nâng cao chất lượng đào tạo sinh viên các năm cuối (năm thứ 4 và thứ 5), cao học, nghiên cứu sinh trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học, kỹ thuật môi trường và kỹ thuật vật liệu.  

4. Tăng số lượng công trình công bố về xúc tác và môi trường trên các tạp chí quốc tế chất lượng cao, hướng tới nâng cao vị trí xếp hạng của ĐHBKHN trên thế giới. 

3. Chức năng, nhiệm vụ 

Thực hiện các nghiên cứu và chuyển giao công nghệ, đào tạo chuyên sâu trong lĩnh vực giảm phát thải, xử lý khí thải và nước thải công nghiệp để đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế về môi trường. 

Tổng hợp và đặc trưng các hệ xúc tác có khả năng hoạt hóa, chuyển hóa CO₂, C₁ giảm hiệu ứng nhà kính, tạo sản phẩm thân thiện môi trường. 

Nghiên cứu phát triển các hệ xúc tác thúc đẩy các phản ứng quang hóa pha lỏng, quang hóa pha hơi trong điều kiện ánh sáng khả kiến. 

Xây dựng các nhóm nghiên cứu phối hợp các đơn vị trong nước và quốc tế có khả năng giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường tính quốc gia. 

Nâng cao năng lực khoa học công nghệ của ĐHBK HN đáp ứng được các yêu cầu nghiên cứu về xúc tác và xử lý môi trường cấp quốc gia và quốc tế. Tăng số lượng công trình công bố về xúc tác và môi trường trên các tạp chí quốc tế chất lượng cao, hướng tới nâng cao vị trí xếp hạng của ĐHBK HN trên thế giới. 

Nâng cao chất lượng đào tạo sinh viên các năm cuối (năm thứ 4 và thứ 5), cao học, nghiên cứu sinh trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học, kỹ thuật môi trường và kỹ thuật vật liệu tại các đơn vị đào tạo và nghiên cứu Trường Hóa và Khoa học sự sống, Trường Vật liệu, Trường Cơ khí, Viện công nghệ năng lượng. 

4. Nội dung phát triển chuyên môn 

Trong lĩnh vực xúc tác môi trường, nội dung phát triển chuyên môn đang được tập trung vào nhiều khía cạnh khác nhau nhằm giải quyết các vấn đề môi trường phức tạp. Dưới đây là một số xu hướng và chủ đề quan trọng: 

Xúc tác cho quá trình xử lý nước và không khí: Nghiên cứu và phát triển các chất xúc tác mới để tăng hiệu suất trong quá trình xử lý nước và không khí. Điều này có thể bao gồm việc thiết kế các xúc tác để loại bỏ các chất độc hại, khí thải công nghiệp và ô nhiễm từ phương tiện giao thông. 

Tích hợp công nghệ xúc tác vào năng lượng tái tạo: Sử dụng xúc tác để tối ưu hóa quá trình sản xuất năng lượng từ các nguồn tái tạo như năng lượng mặt trời, gió và biomass. Điều này có thể bao gồm cải tiến quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học hoặc phát triển xúc tác cho quá trình điện phân nước để sản xuất hydro. 

Xúc tác trong tái chế và tái sử dụng: Nghiên cứu các phương pháp xúc tác để tối ưu hóa quá trình tái chế và tái sử dụng các vật liệu, giảm thiểu lượng chất thải và tăng cường hiệu suất sử dụng tài nguyên. 

Xúc tác cho phát triển bền vững: Tích hợp các phương pháp xúc tác trong việc phát triển các quy trình và sản phẩm có tính bền vững cao. Điều này có thể bao gồm việc sử dụng các xúc tác thân thiện với môi trường, giảm thiểu sử dụng các chất liệu độc hại và phát triển quy trình sản xuất sạch hơn. 

Xúc tác trong phòng và chống ô nhiễm: Nghiên cứu và phát triển các xúc tác để giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ các nguồn khác nhau như khí thải xe cộ, khí thải công nghiệp và khói bụi. 

Mô phỏng và thiết kế xúc tác: Sử dụng các phương pháp mô phỏng và thiết kế máy tính để tối ưu hóa hiệu suất của các quá trình xúc tác và tạo ra các vật liệu xúc tác mới có hiệu suất cao và ít tốn kém. 

5. Cơ cấu tổ chức

Phòng thí nghiệm gồm có các nhóm nghiên cứu sau, phù hợp với 4 định hướng phát triển khoa học công nghệ của ĐHBK Hà Nội: 

Nhóm nghiên cứu 1: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu 

Nhóm nghiên cứu 2: Nghiên cứu xử lý chất thải công nghiệp 

Nhóm nghiên cứu 3: Nghiên cứu giảm phát thải và tuần hoàn CO₂ 

Nhóm nghiên cứu 4: Xúc tác xử lý khí