Loại than hoạt tính nào hiệu quả nhất trong việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ bay hơi (VOC) trong nhà?

Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) là gì và tại sao chúng quan trọng đối với chất lượng không khí trong nhà

VOCs, hay hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, về cơ bản là các hóa chất có gốc carbon có xu hướng bay hơi khi ở trạng thái tĩnh ở nhiệt độ bình thường. Chúng ta có thể tìm thấy chúng phát ra từ những thứ như các lon sơn, những chai xịt vệ sinh mà hầu hết mọi người đều để dưới gầm bếp, đồ nội thất mới, và thậm chí cả một số vật liệu xây dựng được sử dụng trong quá trình thi công. Vấn đề là những hóa chất lơ lửng trong không khí này thực sự làm giảm chất lượng không khí trong nhà và có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe khác nhau. Một số người có thể bị đau đầu hoặc chóng mặt ngay lập tức, nhưng cũng có bằng chứng cho thấy việc tiếp xúc lâu dài có liên quan đến các vấn đề về hô hấp và chức năng não. Theo báo cáo của EPA năm 2023, xét rằng phần lớn người dân Mỹ dành khoảng 90 phần trăm cuộc sống bên trong các tòa nhà, điều này có nghĩa là VOCs đang trở thành một mối lo nghiêm trọng cả trong gia đình lẫn văn phòng trên khắp đất nước.

Than hoạt tính hoạt động như thế nào: Khoa học về quá trình hấp phụ trong việc loại bỏ VOCs trong nhà

Than hoạt tính hoạt động bằng cách giữ các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) thông qua quá trình được gọi là hấp phụ. Về cơ bản, các phân tử khí bám vào bề mặt than vì than có rất nhiều lỗ nhỏ li ti. Chỉ trong một gam than đã chứa hàng ngàn lỗ mao quản siêu nhỏ với kích thước từ dưới 2 nanomet đến khoảng 50 nanomet. Những lỗ này tạo cho than hoạt tính một diện tích bề mặt khổng lồ, từ 1.000 đến 3.000 mét vuông trên mỗi gam, tương đương với diện tích của khoảng 2 đến 5 sân tennis tiêu chuẩn! Vật liệu này bắt giữ các chất độc hại như formaldehyde, có kích thước khoảng 0,45 nanomet, và benzen với kích thước khoảng 0,6 nanomet. Quá trình này diễn ra nhờ các lực hút yếu gọi là lực van der Waals, cùng với một phần liên kết hóa học trực tiếp. Có sự khác biệt giữa quá trình này và sự hấp thụ thông thường, nơi các chất bị hòa tan vào một chất khác. Trong trường hợp hấp phụ, các phân tử khí thực sự bám trực tiếp lên bề mặt vật liệu lọc.

Tại sao lọc hóa học lại cần thiết đối với các chất ô nhiễm dạng khí trong nhà và văn phòng

Các bộ lọc HEPA tiêu chuẩn bắt giữ các hạt nhưng không loại bỏ các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi dạng khí (VOCs). Nghiên cứu cho thấy các bộ lọc than hoạt tính có thể loại bỏ 60–90% hóa chất trong không khí trong vòng 48 giờ. Việc lọc hóa chất này rất quan trọng trong các môi trường có đồ nội thất mới, chất tẩy rửa hoặc nguồn đốt cháy, nơi nồng độ VOC có thể cao gấp 2–5 lần so với ngoài trời.

Cấu trúc lỗ rỗng và diện tích bề mặt: Cách chúng ảnh hưởng đến hiệu suất hấp phụ VOC

Lỗ vi cấp (Micropores) và lỗ trung cấp (Mesopores): Phù hợp kích thước lỗ với kích thước phân tử VOC

Việc than hoạt tính loại bỏ các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) trong nhà hiệu quả đến mức nào thực sự phụ thuộc vào việc các lỗ rỗng của nó có phù hợp với kích thước các chất gây ô nhiễm hay không. Các lỗ rỗng nhỏ dưới 2 nanomet hoạt động rất tốt trong việc hấp thụ các VOCs nhỏ như formaldehyde, có kích thước khoảng 0,45 nm. Những lỗ rỗng lớn hơn, từ 2 đến 50 nm, phù hợp hơn để bắt giữ các phân tử lớn hơn như toluene, với kích thước khoảng 0,67 nm. Nghiên cứu năm 2022 trên tạp chí Building and Environment đã chỉ ra một điều thú vị về việc loại bỏ benzen. Họ phát hiện ra rằng khả năng hấp phụ tối đa xảy ra khi có khoảng 0,6 đến 0,9 nm không gian vi rỗng. Việc lựa chọn đúng rất quan trọng vì nó tạo ra hiệu ứng sàng lọc phân tử. Khi mọi thứ được sắp xếp phù hợp, than hoạt tính sẽ hấp thụ được nhiều chất gây ô nhiễm hơn mà không làm lãng phí tiềm năng hấp phụ.

Diện tích bề mặt và mối tương quan với hiệu suất bộ lọc trong việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) trong nhà

Lượng không gian sẵn có trên bề mặt của bộ lọc carbon trực tiếp ảnh hưởng đến số lượng phân tử VOC mà nó có thể hấp thụ. Các bộ lọc carbon có diện tích bề mặt BET trên 1000 mét vuông mỗi gam thường cho thấy khả năng hấp thụ các chất ô nhiễm trong nhà thông thường tốt hơn khoảng 40 phần trăm. Hãy hình dung rằng: mỗi gam than hoạt tính như vậy có diện tích bề mặt tương đương với tổng diện tích của khoảng 1,5 sân tennis. Diện tích bề mặt khổng lồ này tạo ra rất nhiều vị trí để các chất gây ô nhiễm dạng khí bám vào. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy loại than hoạt tính có diện tích bề mặt cao này có thể loại bỏ khoảng 98% các hợp chất VOC, bao gồm các chất như limonene và xylene, trong điều kiện lý tưởng. Tuy nhiên, hiệu quả thực tế phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố như tốc độ lưu thông không khí và mức độ ẩm trong môi trường.

Thông tin dữ liệu: Diện tích bề mặt BET vượt quá 1000 m²/g cải thiện khả năng loại bỏ VOC trong nhà

Các thử nghiệm đã cho thấy rằng các vật liệu carbon có diện tích bề mặt BET trên 1200 mét vuông mỗi gam có thể giữ lại khoảng 92% các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi khi nồng độ dưới 1 phần triệu theo thể tích. Điều này khá ấn tượng so với tỷ lệ giữ lại chỉ 68% ở những vật liệu có diện tích bề mặt 800 mét vuông mỗi gam. Tại sao hiện tượng này xảy ra? Thực tế, kết quả vượt trội này là do mức độ liên kết giữa các lỗ rỗng trong cấu trúc vật liệu. Khi các lỗ rỗng kết nối tốt hơn, sẽ có ít lực cản hơn đối với các phân tử khi chúng bám vào bề mặt trong quá trình hấp phụ. Các bộ lọc hiệu suất cao làm từ những vật liệu như vậy thường kéo dài từ sáu đến chín tháng trong điều kiện sử dụng tại gia đình, lâu hơn khoảng 30% so với các loại bộ lọc thông thường đang có trên thị trường hiện nay. Mặc dù chi phí ban đầu có thể cao hơn, hầu hết chủ nhà nhận thấy rằng những bộ lọc này thực sự tiết kiệm chi phí về lâu dài vì không cần thay thế thường xuyên.