Cảm biến khí hiệu suất cao sử dụng vật liệu nanocomposite có thể phát hiện các loại khí độc cơ bản như cacbonic, amoniac, lưu huỳnh dioxit… nhằm giám sát môi trường không khí thuận lợi.

Sử dụng vật liệu nanocomposite làm lớp nhạy khí

“Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí hiệu suất cao trên cơ sở vật liệu nanocomposite cho thiết bị quan trắc không khí tự động” là đề tài do PGS.TS Chu Văn Tuấn và các cộng sự thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên thực hiện.

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công cảm biến khí amoniac (NH3), cacbonic (CO), dioxit nito (NO2), lưu huỳnh dioxit (SO2) và khí hydro (H2) hoạt động ở nhiệt độ phòng trên cơ sở sử dụng vật liệu nanocomposite đã tổng hợp được làm lớp nhạy khí. Sản phẩm đã được ứng dụng vào thực tiễn, có thể thay thế thiết bị nhập ngoại.

PGS.TS Chu Văn Tuấn cho biết, việc phân tích, đánh giá và phát hiện các khí thải độc hại ở nồng độ rất thấp, chính xác, nhanh và trực tiếp tại các khu công nghiệp là một yêu cầu đặt ra cho các nhà khoa học, công ty có xả khí thải độc hại và các nhà quản lý môi trường.

Để có thể đưa ra biện pháp phù hợp giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước và không khí, trước hết phải giám sát, đo lường và đánh giá mức độ ô nhiễm. Muốn vậy cần phải có các loại cảm biến xác định tác nhân gây ô nhiễm.

Thống kê cho thấy, phần lớn các thiết bị quan trắc môi trường đang sử dụng ở Việt Nam chủ yếu được nhập khẩu từ châu Âu với chi phí cao, hệ thống phức tạp.

Với mục tiêu làm chủ hoàn toàn công nghệ chế tạo hệ thống thiết bị quan trắc môi trường không khí sử dụng cảm biến khí trên cơ sở vật liệu nanocomposite, các nhà khoa học thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo hàng loạt cảm biến khí với hiệu suất cao cho thiết bị giám sát môi trường không khí.

Nhóm đã chế tạo thành công vật liệu polyaniline có cấu trúc dây nano đường kính từ 50 - 100 nm, chiều dài từ vài chục đến vài trăm micro mét. Vật liệu polyaniline dạng emeraldine có độ dẫn cao nhất trong số các dạng oxy hóa của polymer dẫn.

Phát triển được 3 cấu trúc nanocomposite PANi/MWCNTs, PANi/ MWCNTs/MnO2, PANi/TiO2. Các vật liệu này có cấu trúc xốp đặc biệt, đều đặn, có chiều sâu và kích thước sợi lớn, rất thích hợp trong ứng dụng cảm biến khí hoạt động ở nhiệt độ phòng.

Nhóm cũng chế tạo thành công vật liệu polypryrrol và biến tính với axit Dodecylbenzen sulfonic (DBSA) màng thu được đồng đều hơn, cấu trúc xốp dạng sợi, có chiều sâu, kích thước nhỏ hơn cỡ vài trăm nanomet.

Ngoài ra công nghệ chế tạo màng mỏng Ag/SnS bằng phương pháp phún xạ có cấu trúc 2D được phân bố đồng đều với độ dày khoảng 1,01 µm, có cấu trúc xốp vì có nhiều khoảng trống giữa các tấm nano liền kề. Cấu trúc xốp của vật liệu Ag/SnS rất thuận lợi cho ứng dụng cảm biến khí.

Quan trắc khí thải tự động

Bộ cảm biến khí của nhóm nghiên cứu có độ nhạy/độ đáp ứng (cao hơn 5÷20 lần so với vật liệu nano khác khi chưa pha trộn composit), giới hạn phát hiện (5÷50 ppm tùy từng loại khí, thời gian hồi phục/thời gian hồi đáp (36÷120 giây tùy từng loại khí), độ chọn lọc cao với từng loại khí tương ứng với từng loại vật liệu.

Hệ thống đã được chuyển giao cho Trung tâm Quan trắc Môi trường Miền Bắc, Trung tâm Quan trắc Môi trường Miền Trung và Tây Nguyên, Công ty TNHH Công nghệ Thịnh Phát Hưng Yên… để quan trắc khí thải công nghiệp tự động, các ống khói lò đốt rác thải và một số ống khói của nhà máy có phát thải khí ra môi trường. Hệ thống tích hợp đầy đủ các thiết bị phân tích, điều khiển đã được hiệu chuẩn cơ bản đáp ứng yêu cầu của Luật Bảo vệ môi trường.

“Tất cả hệ thống được kiểm soát bằng công nghệ kỹ thuật số, dữ liệu cập nhật liên tục và báo cáo hoàn toàn tự động thông qua phần mềm chuyên dụng. Hệ thống có ưu điểm là đo, lưu trữ tự động, liên tục, đồng thời nhiều thông số, cho phép kết nối, điều khiển từ xa với sự hỗ trợ của phần mềm và hệ truyền nhận dữ liệu. Đặc biệt, hệ thống có các chế độ báo động khi chỉ số quan trắc được vượt ngưỡng cho phép…”, PGS.TS Chu Văn Tuấn cho biết.