Ứng dụng UV–TiO₂ trong thiết bị lọc không khí: Từ nghiên cứu đến thực tiễn

Ô nhiễm không khí đô thị đang là vấn đề toàn cầu, đe dọa trực tiếp sức khỏe cộng đồng, đặc biệt tại các đô thị ở Việt Nam. Thủ đô Hà Nội có nồng độ bụi mịn PM2.5 và PM10, thường xuyên vượt tiêu chuẩn cho phép từ hai đến ba lần, khiến tình trạng viêm phổi, hen suyễn, bệnh tim mạch và các bệnh hô hấp khác có xu hướng tăng cao. Tuy nhiên, đa số các thiết bị lọc không khí thương mại hiện chỉ đáp ứng được một hoặc hai chức năng cơ bản, hiệu quả lọc còn hạn chế, giá thành cao và chưa phù hợp với môi trường khí hậu ở Việt Nam.
Từ thực tế đó, nhóm nghiên cứu Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội (HaUI) do PGS.TS Nguyễn Hồng Sơn làm chủ nhiệm đã triển khai đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị lọc bụi có khả năng khử mùi, diệt khuẩn và diệt virút bằng công nghệ đèn UV kết hợp chuỗi xúc tác quang”.

Mục tiêu của đề tài là phát triển thiết bị lọc không khí “4 trong 1”, tích hợp đồng thời bốn chức năng lọc bụi, khử mùi, diệt khuẩn và diệt vi-rút, đáp ứng phù hợp với điều môi trường khí hậu ở Việt Nam. Nghiên cứu đánh dấu bước tiến mới trong ứng dụng khoa học phục vụ đời sống, mở ra hướng phát triển bền vững cho công nghệ môi trường “Made in Vietnam”.

Trong quá trình triển khai, nhóm nghiên cứu đã khảo sát đo thực tế nồng độ bụi tại nhiều khu vực nội đô Hà Nội như Văn Khê, Lê Đức Thọ, Dương Đình Nghệ, Phạm Hùng và Nhổn. Kết quả cho thấy chất lượng không khí trong nhà, văn phòng và các khu dân cư đều ở mức ô nhiễm cao, vượt chuẩn từ 1,5 đến 3 lần so với quy định. Bên cạnh bụi mịn, không khí còn chứa nhiều hợp chất hữu cơ bay hơi (VOC), vi khuẩn, nấm mốc, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và năng suất lao động.

Từ các dữ liệu thu được, nhóm tiến hành tính toán và thiết kế thiết bị lọc không khí mới, ứng dụng đồng thời công nghệ đèn UVC LED và xúc tác quang TiO₂. Thiết bị có kích thước 500x420x280 mm, công suất tiêu thụ điện dưới 200W, có khả năng hoạt động ổn định trong không gian thể tích khoảng 240 m³. Toàn bộ quá trình nghiên cứu được kết hợp giữa mô phỏng lý thuyết, thiết kế 3D và thử nghiệm thực tế.

Thiết bị được cấu tạo bởi hệ thống màng lọc nhiều lớp: lớp lọc thô G4 để giữ bụi lớn, lớp lọc tinh HEPA H13 giúp loại bỏ hạt bụi siêu mịn và phấn hoa, trong khi lớp than hoạt tính đảm nhiệm chức năng khử mùi và hấp phụ các hợp chất hữu cơ. Sau khi đi qua cụm lọc, không khí được chiếu tia cực tím UVC bước sóng 265nm từ đèn LED công suất 2,5W, có khả năng tiêu diệt vi sinh vật bằng cách phá vỡ cấu trúc ADN và ARN của chúng. Phần cuối cùng là buồng xúc tác quang sử dụng vật liệu TiO₂, nơi các phản ứng quang hóa diễn ra, giúp phân hủy hoàn toàn vi khuẩn, vi-rút và các chất ô nhiễm còn lại.

Theo PGS.TS Nguyễn Hồng Sơn, việc chọn đèn UVC LED thay thế bóng thủy ngân truyền thống giúp thiết bị vận hành an toàn, loại bỏ nguy cơ phát tán hơi thủy ngân độc hại, đồng thời giảm tiêu hao năng lượng và tăng độ bền. Thiết bị được thiết kế tối ưu luồng gió, giảm độ ồn xuống dưới 70 dB, đảm bảo khả năng sử dụng lâu dài trong không gian sống và làm việc.

Trọng tâm công nghệ của đề tài nằm ở việc làm chủ và ứng dụng hiệu quả vật liệu xúc tác quang TiO₂ (Titanium Dioxide), một hợp chất bán dẫn có tính năng diệt khuẩn mạnh, được sử dụng rộng rãi trong xử lý môi trường. Khi được chiếu sáng bởi tia cực tím, TiO₂ hấp thụ năng lượng và tạo ra các cặp electron -lỗ trống, sinh ra các gốc hydroxyl (•OH) có hoạt tính oxi hóa mạnh. Những gốc tự do này phá hủy cấu trúc tế bào của vi khuẩn và vi-rút, đồng thời phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại thành CO₂ và H₂O.

Nhóm nghiên cứu HaUI đã lựa chọn dạng tinh thể anatase của TiO₂, loại có năng lượng vùng cấm 3,2 eV, hoạt tính cao và ổn định hơn so với dạng rutile. TiO₂ được phủ đều trên bề mặt xúc tác để mở rộng diện tích phản ứng và tối đa hóa khả năng diệt khuẩn. Trong điều kiện chiếu sáng UVC LED công suất thấp, hiệu quả khử khuẩn của thiết bị đạt tới 99,5%, trong khi khả năng loại bỏ mùi đạt trên 95%.

Theo TS. Nguyễn Huy Kiên, thành viên nhóm nghiên cứu, TiO₂ có ưu điểm là vật liệu rẻ, bền, không độc hại, phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước. Việc tích hợp vật liệu này vào thiết bị lọc không khí giúp tăng đáng kể khả năng làm sạch, giảm đáng kể nồng độ bụi PM2.5 trong không gian thử nghiệm xuống dưới mức tiêu chuẩn cho phép của Việt Nam.
Nhóm cũng đã nghiên cứu mô hình động học của quá trình quang xúc tác, mô phỏng phân bố trường chiếu sáng và luồng khí trong buồng phản ứng để tối ưu hóa hiệu quả xử lý. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hiệu suất tổng thể của thiết bị đạt mức cao và ổn định, mở ra khả năng ứng dụng cho các không gian có mật độ người cao như văn phòng, phòng học, bệnh viện và khu dân cư.

Sau hơn hai năm triển khai, nhóm các nhà khoa học HaUI đã chế tạo thành công nguyên mẫu thiết bị, với cấu trúc chắc chắn, vỏ kim loại sơn tĩnh điện, kiểu dáng hiện đại và dễ dàng bảo trì. Các thử nghiệm kiểm tra hiệu suất lọc bụi, khử mùi và diệt khuẩn được tiến hành tại phòng thí nghiệm của Nhà trường và doanh nghiệp phối hợp.

 Kết quả cho thấy, hiệu suất lọc bụi mịn PM2.5 đạt 99,7%, hiệu quả khử mùi đạt trên 95% và khả năng diệt khuẩn, vi-rút vượt 99,5%. Thiết bị vận hành ổn định trong thời gian dài mà không tạo ozone hay khí phụ, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người sử dụng. Những chỉ số này chứng minh năng lực làm chủ công nghệ của nhóm nghiên cứu, đồng thời mở ra cơ hội thương mại hóa và sản xuất trong nước.

PGS.TS Nguyễn Hồng Sơn khẳng định rằng thành công của đề tài là minh chứng cho việc các nhà khoa học Việt Nam hoàn toàn có thể tự thiết kế và chế tạo thiết bị lọc không khí tiên tiến, đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế. Kết quả này cũng đặt nền móng cho việc mở rộng quy mô nghiên cứu sang các dòng sản phẩm công suất lớn hơn, phục vụ nhu cầu của nhà xưởng, bệnh viện, trường học hoặc khu công nghiệp.

Ngoài ý nghĩa khoa học, Đề tài còn mang lại giá trị đào tạo cao. Trong suốt quá trình triển khai, nhóm đã thu hút nhiều sinh viên khoa Cơ khí, Điện tử và Môi trường tham gia nghiên cứu, thiết kế và thử nghiệm. Qua đó, sinh viên được tiếp cận trực tiếp với quy trình nghiên cứu ứng dụng, rèn luyện kỹ năng thực hành và tinh thần đổi mới sáng tạo, yếu tố cốt lõi của đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật trong thời đại công nghiệp 4.0.

Công nghệ vì con người, hướng tới môi trường sống bền vững
Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh và ô nhiễm không khí ngày càng gia tăng, việc nghiên cứu và chế tạo thành công thiết bị lọc không khí “4 trong 1” là minh chứng sinh động cho năng lực sáng tạo và trách nhiệm xã hội của đội ngũ khoa học Việt Nam.

Thiết bị không chỉ góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng, giảm thiểu tác động của bụi mịn, vi khuẩn và khí độc, mà còn khẳng định khả năng làm chủ công nghệ của các nhà khoa học Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội trong lĩnh vực cơ điện tử và môi trường.
Đề tài đã chứng minh một hướng đi đúng đắn: lấy khoa học và công nghệ làm nền tảng, lấy đổi mới sáng tạo làm động lực, hướng đến mục tiêu phục vụ con người. Từ phòng thí nghiệm đến ứng dụng thực tế, công trình là kết quả của quá trình nghiên cứu nghiêm túc, gắn lý thuyết với thực hành, đồng thời mở ra tiềm năng phát triển những dòng thiết bị “Made in Vietnam” chất lượng cao, thân thiện với môi trường.

Thành quả này thể hiện cam kết của các cơ sở giáo dục đại học trong việc đưa tri thức vào cuộc sống, góp phần hiện thực hóa mục tiêu phát triển bền vững và xây dựng nền kinh tế tri thức quốc gia trong giai đoạn mới.