Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10141-3:2013 về Gốm mịn - tính năng làm sạch không khí - Phần 3: Loại bỏ toluen

• Số hiệu: TCVN10141-3:2013
• Loại văn bản: Tiêu chuẩn Việt Nam
• Nơi ban hành: ***
• Người ký: ***
• Ngày ban hành: Năm 2013

f	tốc độ dòng không khí được chuyển đổi về trạng thái tiêu chuẩn (0 °C, 101,3 kPa và nền khí khô) (L/min)
	phần thể tích toluen tại cổng ra lò phản ứng (mL/L)
	phần thể tích cung cấp toluen (mL/L)
nT	lượng toluen bị loại ra khỏi mẫu thử (mmol)
R	phần trăm loại bỏ toluen ra khỏi mẫu thử (%)

5. Nguyên tắc

Tiêu chuẩn này liên quan đến phát triển, so sánh, đảm bảo chất lượng, đặc tính, độ tin cậy và tạo ra bộ dữ liệu cho vật liệu xúc tác quang (Tài liệu tham khảo [3] trong Thư mục tài liệu tham khảo).

Phương pháp này được sử dụng để xác định tính năng làm sạch không khí của vật liệu xúc tác quang bằng cách phơi mẫu thử trong mô hình không khí ô nhiễm khi chiếu xạ ánh sáng tử ngoại (UV) (Tài liệu tham khảo [4] trong Thư mục tài liệu tham khảo). Toluen (C₇H₈) được chọn là hợp chất hữu cơ thơm bay hơi điển hình (VOC) có mùi khó chịu. Mẫu thử, được đặt trong thiết bị phản ứng quang kiểu dòng chảy, được kích hoạt bởi chiếu xạ UV và hấp phụ và oxy hóa toluen pha khí tạo thành carbon dioxit (CO₂) và các sản phẩm oxy hóa khác (Tài liệu tham khảo [5] đến [7] trong Thư mục tài liệu tham khảo). Tính năng làm sạch không khí được xác định từ lượng toluen bị loại ra do mẫu thử, tính bằng micromole (mmol). Sự hấp phụ đơn giản bởi mẫu thử (không phải do chất xúc tác quang) được đánh giá bằng các thử nghiệm trong bóng tối. Tuy nhiên, một số mẫu thử hấp phụ toluen rất mạnh và nồng độ ổn định của toluen không thể đạt được trong thời gian chỉ định của phép thử. Hoạt tính xúc tác quang phụ thuộc vào các tính chất lý và hóa học của chất ô nhiễm, chủ yếu do quá trình hấp phụ liên quan. Để đánh giá tốt hơn tính năng làm sạch không khí của vật liệu xúc tác quang, nên kết hợp một hoặc nhiều hơn các phương pháp thử thích hợp như được mô tả trong các phần khác của TCVN 10141 (ISO 22197).

6. Thiết bị, dụng cụ

6.1. Thiết bị thử nghiệm

Thiết bị thử nghiệm cung cấp vật liệu xúc tác quang cần được kiểm tra đối với khả năng loại bỏ chất ô nhiễm của nó bằng cách cung cấp khí thử liên tục, trong khi chiếu xạ quang kích hoạt các chất xúc tác quang. Nó tương tự như thiết bị được sử dụng trong phương pháp thử để loại bỏ nitơ oxit TCVN 10141-1 (ISO 22197-1) và bao gồm một bộ cấp khí thử, một thiết bị phản ứng quang, một nguồn sáng và thiết bị đo chất ô nhiễm. Vì thử nghiệm các chất ô nhiễm có nồng độ thấp, nên hệ thống được chế tạo bằng vật liệu có độ hấp phụ thấp và độ bền đối với bức xạ tử ngoại (UV) (ví dụ nhựa acrylic, thủy tinh borosilicat). Ví dụ về hệ thống thử nghiệm được thể hiện trong Hình 1.

6.2. Bộ cấp khí thử nghiệm

Bộ cấp khí thử nghiệm cung cấp không khí bị ô nhiễm có các chất nhiễm bẩn mô hình tại nồng độ xác định trước, nhiệt độ và độ ẩm và cung cấp nó liên tục trong thiết bị phản ứng. Nó bao gồm bộ điều khiển dòng chảy, máy tạo ẩm, máy trộn khí, v.v.... Tốc độ dòng chảy của từng khí nằm trong khoảng 5 % giá trị thiết kế, dễ dàng đạt được bằng cách sử dụng bộ điều khiển nhiệt khối lượng - lưu lượng, với sự hiểu biết về tốc độ dòng chảy khí đã hiệu chuẩn và nhiệt độ phù hợp với ISO 6145-7. Sự biểu thị tốc độ dòng khí trong tiêu chuẩn này là được chuyển đổi về trạng thái tiêu chuẩn (0 °C, 101,3 kPa và nền khí khô). Công suất điển hình của bộ điều khiển lưu lượng đối với khí ô nhiễm, không khí khô và không khí ướt tương ứng là 10 mL/min, 500 mL/min và 500 mL/min. Khí toluen tiêu chuẩn trước khi pha loãng, thông thường được cân bằng với nitơ trong chai chứa khí, phải có phần thể tích từ 10 mL/L đến 50 mL/L.

Kích thước tính bằng milimét

...

...

...

CHÚ DẪN

1 nguồn sáng

7 bộ điều khiển lưu lượng

2 cửa sổ quang học

8 máy trộn khí

3 mẫu thử

9 máy tạo ẩm

4 khí chuẩn (chất ô nhiễm)

...

...

...

5 hệ thống làm sạch không khí

11 lỗ thông hơi

6 máy nén khí

Hình 1 - Sơ đồ thiết bị thử nghiệm

6.3. Thiết bị phản ứng

Thiết bị phản ứng quang giữ cho mẫu thử phẳng trong phạm vi vùng lõm của chiều rộng 50 mm, có bề mặt song song với cửa sổ quang học để chiếu xạ quang. Thiết bị phản ứng phải được chế tạo từ vật liệu hấp phụ khí thử ít nhất và chịu được chiếu xạ ánh sáng UV-gần. Mẫu thử phải được tách khỏi cửa sổ bởi một lớp không khí dày 5,0 mm ± 0,5 mm. Mẫu thử sẽ chỉ đi qua không gian giữa mẫu thử và cửa sổ. Khoảng trống này phải được thiết lập chính xác, ví dụ bằng cách sử dụng các đĩa điều chỉnh độ cao có các độ dày khác nhau, như được thể hiện trong Hình 2 a). Khi chất xúc tác quang loại màng lọc được thử nghiệm, phải sử dụng một loại giá đỡ mẫu thử khác, loại này đỡ mẫu thử trong khi cho phép khí thử đi qua các tế bào của bộ lọc khi đang chiếu xạ (Hình 2 b). Cửa sổ quang học được làm bằng kính thạch anh hoặc borosilicat hấp thụ tối thiểu ánh sáng tại bước sóng dài hơn 300 nm.

Kích thước tính bằng milimet

...

...

...

b) Đối với các mẫu thử loại lọc

CHÚ DẪN

1. cửa sổ quang học

4. đĩa điều chỉnh độ cao

2. mẫu thử

5. kênh lưu lượng

3. dòng khí thử

6. giá đỡ mẫu thử

...

...

...

Hình 2 - Mặt cắt ngang của thiết bị phản ứng quang (trục)

6.4. Nguồn sáng

Nguồn sáng cho chiếu xạ UV-A trong dải bước sóng từ 300 nm đến 400 nm. Nguồn thích hợp bao gồm đèn huỳnh quang ánh sáng đen (BL) và xanh ánh sáng đen (BLB), có bước sóng lớn nhất tại 351 nm hoặc 368 nm, theo quy định tại ISO 4892-3, và đèn arc xenon có bộ lọc quang bức xạ chặn dưới 300 nm. Trong trường hợp đèn arc xenon, hệ thống làm lạnh phải được sử dụng phù hợp với ISO 10677.

Mẫu thử được chiếu xạ một cách đồng đều qua cửa sổ bằng nguồn sáng. Trong trường hợp thử nghiệm chất xúc tác quang dạng cấu trúc tổ ong, nguồn sáng được chiếu xạ trên một mặt của mẫu thử. Nguồn sáng yêu cầu làm ấm phải được trang bị tấm chắn sáng. Khoảng cách giữa nguồn sáng và thiết bị phản ứng phải được điều chỉnh sao cho chiếu xạ UV (300 nm đến 400 nm) vào bề mặt mẫu là 10 w/m^2 ± 0,5 w/m^2. Khoảng cách phải được xác định một cách độc lập không sử dụng thiết bị phản ứng quang. Bức xạ kế UV phù hợp với ISO 10677 phải được đặt đằng sau cửa sổ quang học hoặc tương đương, tại cùng mức với mẫu thử đang được thử nghiệm. Chiếu xạ dọc theo chiều dài của mẫu thử cũng phải không đổi trong phạm vi ± 5 %. Thiết bị phản ứng phải được che chắn khỏi ánh sáng bên ngoài nếu cần.

6.5. Hệ thống phân tích

Nồng độ toluen phải được xác định bằng sắc ký khí. Có thể sử dụng hoặc cột nhồi hoặc cột mao quản, theo mô tả trong ISO 2718, nó có thể tách toluen khỏi các hợp chất hữu cơ liên quan. Sự phát hiện này được thực hiện bởi detector ion hóa ngọn lửa (FID) hoặc detector ion hóa quang (PID). Khí thử được lấy mẫu bằng xylanh kín khí. Tuy nhiên, khuyến nghị sử dụng van sáu chiều đối với độ tái lập và lấy mẫu tự động. Biểu đồ lưu lượng khi sử dụng van sáu chiều được trình bày trong Hình 3. Bơm lấy mẫu nhỏ liên tục thông ống met với khí thử. Bơm này được dừng khi khí thử được lấy mẫu bằng cách bật van sáu chiều. Thể tích của ống met điển hình là 0,5 mL, nhưng nó cũng phải được xác định bởi độ nhạy của hệ thống phân tích.

CHÚ DẪN

1. thiết bị phản ứng quang

...

...

...

2. van sáu chiều

6. sắc ký khí

3. khí mang

7. thông thoáng

4. ống mét

8. FID

Hình 3 - Hệ thống lấy mẫu khí

7. Mẫu thử

Mẫu thử phải là vật liệu phẳng hoặc vật liệu lọc có chiều rộng 49,5 mm ± 0,5 mm và chiều dài 99,5 mm ± 0,5 mm. Nó có thể được cắt thành các kích thước này từ vật liệu đống lớn hơn hoặc tấm đã phủ, hoặc có thể được chuẩn bị một cách đặc biệt đối với phép thử bằng cách phủ một nền trước khi cắt. Độ dày của mẫu thử lý tưởng phải nhỏ hơn 5 mm, để giảm thiểu sự phân bố từ các mặt bên. Nếu sử dụng các mẫu thử dày hơn để thử nghiệm, các mặt bên phải được bịt kín bằng vật liệu trơ trước khi thử nghiệm. Mẫu thử loại lọc không được dày hơn 20 mm.

...

...

...

8.1. Quy định chung

Quy trình thử bao gồm tiền xử lý mẫu thử, quá trình hấp phụ trong bóng tối và phép đo loại bỏ toluen và tạo thành CO₂ dưới bức xạ quang. Ví dụ về sự thay đổi nồng độ của toluen trong quá trình thử được trình bày trong Hình 4. Tiêu chuẩn này không thể áp dụng đối với các mẫu thử nhất định có lượng lớn chất hấp phụ, do sự cân bằng hấp phụ chưa đạt được. Một số mẫu thử không thể loại bỏ chính xác toluen do hoạt tính xúc tác quang thấp. Trong trường hợp này, việc nạp toluen trên mẫu thử có thể bị giảm theo quy trình trong Điều 10.

CHÚ DẪN

X

thời gian (min)

Y

nồng độ toluen (mL/L)

1

...

...

...

2

bắt đầu chiếu xạ

3

kết thúc chiếu xạ

Hình 4 - Vết điển hình nồng độ toluen trong quá trình vận hành phép thử

8.2. Tiền xử lý mẫu thử

Chiếu xạ mẫu thử bằng đèn tử ngoại ít nhất trong 16 h (đến 24 h) để phân hủy chất hữu cơ cặn lắng trên mẫu thử. Chiếu xạ UV lên bề mặt mẫu phải cao vừa đủ để đảm bảo phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ (15 w/m^2 hoặc cao hơn). Nếu các mẫu thử không được thử ngay sau bước tiền xử lý này, chúng phải được bảo quản trong vật chứa kín khí.

8.3. Phép thử loại bỏ toluen

8.3.1. Điều chỉnh bộ cấp khí thử trước sao cho nó có thể cung cấp ổn định khí thử có chứa 5,0 mL/L ± 0,25 mL/L toluen và 1,56 % ± 0,16 % phần thể tích hơi nước tại 25,0 °C ± 2,5 °C. Phần thể tích hơi nước này là tương đương với độ ẩm tương đối 50 % tại 25 °C. Phép đo độ ẩm phải được thực hiện khi sử dụng quy trình tại ISO 4677-1. Điều chỉnh bộ điều tiết dòng để tốc độ dòng tại đầu và của thiết bị phản ứng là 0,5 L/min (0 °C, 101,3 kPa và nền khí khô). Đo và ghi lại bức xạ từ nguồn sáng tại bề mặt của mẫu thử. Đối với nguồn sáng yêu cầu làm ấm, bật nguồn điện trước khi phép đo chiếu xạ và chiếu xạ đối với phép thử loại bỏ toluen. Sử dụng vật che thích hợp để tránh bức xạ không cần thiết đối với thiết bị phản ứng quang này.

...

...

...

8.3.3. Cho khí thử từ dòng chảy đi vào thiết bị phản ứng, không có bức xạ quang. Sau khi tiền xử lý mẫu thử trong 8.2 và chuẩn bị thử nghiệm trong 8.3, đưa khí thử vào thiết bị phản ứng. Đo nồng độ của toluen trong điều kiện bóng tối mỗi 15 min trong 90 min. Khi nồng độ tại đường ra của thiết bị phản ứng giống với nồng độ khí cung cấp trong khoảng 30 min, khi đó thời gian đó có thể là thời gian của điều kiện tối. Khi nồng độ của acetaldehyd nhỏ hơn 90 % của nồng độ sau 30 min.

8.3.4. Duy trì lưu lượng khí và bắt đầu chiếu xạ mẫu thử, ghi lại nồng độ của toluen dưới chiếu xạ quang trong 3 h. Nồng độ giảm, như trình bày trong Hình 4, nếu toluen bị phân hủy bởi chất xúc tác và sau đó ổn định. Nồng độ của toluen tại đường ra của thiết bị phản ứng nên là giá trị trung bình của 3 hoặc nhiều phép đo hơn trong thời gian thử 1 h cuối. Nếu độ lệch chuẩn tương đối của 3 phép đo cuối cùng vượt quá 20 %, báo cáo độ không ổn định này với những lý do khả thi như khử hoạt tính của mẫu thử.

8.3.5. Dừng chiếu xạ quang và xác nhận rằng nồng độ của toluen trở lại nồng độ khí cấp. Dừng cấp khí cho thiết bị phản ứng và lấy mẫu thử ra khỏi thiết bị phản ứng.

9. Tính toán

Kết quả thử nghiệm phải được tính toán như sau. Các giá trị tính được luôn luôn được làm tròn đến một dấu thập phân phù hợp với ISO 80000-1. Nồng độ toluen quan sát được trước khi hiệu chính hơi nước phải được sử dụng để tính toán. Tốc độ lưu lượng khi thử f là 0,5 L/min, được chuẩn hóa về 0 °C, 101,3 kPa và nền khí khô và sau đó nhân với hệ số 1,016 để hiệu chính hơi nước.

Phần trăm loại bỏ tolluen (R) được tính theo công thức (1). Khi đó R là hoặc dưới 5 % hoặc nhiều hơn 95 %, phần trăm loại bỏ phải được biểu thị là "dưới 5 %" hoặc “nhiều hơn 95 %", tương ứng. Sau đó lượng toulen được lấy đi (n_T) được tính theo công thức (2). Khi n_T là hoặc dưới 5 % hoặc nhiều hơn 95 %, phần trăm loại bỏ phải được biểu thị là “dưới 5 %" hoặc “nhiều hơn 95 %”, tương ứng.

R =  (1)

n_T = R x  (2)

trong đó

...

...

...

 là phần thể tích cung cấp của toluen, tính bằng microlit trên lít (mL/L);

 là phần thể tích của toluen tại cổng ra của thiết bị phản ứng, tính bằng microlit trên lít (mL/L);

n_T là lượng toluen bị loại ra khỏi mẫu thử, tính bằng micromole (mmol);

f là tốc độ dòng khí thử được chuyển đổi về trạng thái tiêu chuẩn (0,5 L/min, 0 °C, 101,3 kPa và nền khí khô).

10. Phương pháp thử đối với mẫu thử có tính năng thấp hơn

Trong trường hợp phần trăm loại bỏ nhỏ hơn 5 % và kết quả chắc chắn hơn được yêu cầu, số lượng mẫu thử có thể bị biến đổi như trình bày trong Bảng 1. Tuy nhiên lượng toluen loại bỏ được báo cáo trong báo cáo thử nghiệm phải bằng một nửa giá trị được tính theo công thức (2)

Bảng 1 - Các điều kiện thử thay thế

Điều kiện thử có thể biến đổi

Giá trị sau khi thay đổi

...

...

...

2 mẫu trong dãy (bề mặt là 50 mm X 200 mm

11. Báo cáo thử nghiệm

Báo cáo thử nghiệm phải phù hợp với các điều khoản báo cáo của TCVN ISO/IEC 17025, và phải bao gồm các thông tin sau. Các hạng mục g) và h) phải được báo cáo đối với từng phép thử.

a) Tên và địa chỉ của nhà thiết lập phép thử

b) Ngày thử nghiệm, tên và địa chỉ khách hàng

c) Viện dẫn tiêu chuẩn này, nghĩa là được xác định phù hợp với TCVN 10141-3 (ISO 22197-3).

d) Ngày thử nghiệm, nhiệt độ, độ ẩm tương đối, v.v...

e) Mô tả mẫu thử (vật liệu, kích cỡ, hình dạng , v.v...)

f) Mô tả thiết bị thử nghiệm (đặc điểm kỹ thuật, v.v...).

...

...

...

h) Lượng toluen được lấy đi trong 1 h cuối và phần trăm toluen bị loại bỏ (tùy chọn). Nếu phép thử không hợp lệ, những lý do đối với điều đó (ví dụ, sự hấp phụ của toluen mạnh).

i) Các chất bất kỳ quan trọng đặc biệt, như thay đổi trong mẫu thử được ghi chú trong quá trình phép thử.

PHỤ LỤC A

(Tham khảo)

CÁC KẾT QUẢ CỦA THỬ NGHIỆM SO SÁNH LIÊN PHÒNG

Phép thử so sánh liên phòng được thực hiện giữa sáu phòng thử nghiệm. Từng phòng chuẩn bị thiết bị thử nghiệm gồm có thiết bị phản ứng riêng biệt. Phòng thử nghiệm tổ chức thăm từng thành viên trong quá trình thử với bình khí tiêu chuẩn (khoảng 1 mL/L toluen trong nitơ), lưu lượng kế khi hiệu chuẩn và bức xạ kế UV-A để kiểm tra và hiệu chuẩn thiết bị của nó. Mỗi phòng thử nghiệm thực hiện bốn phép thử sử dụng chất xúc tác quang loại tấm và lọc được cung cấp. Dữ liệu gốc được trình bày trong Bảng A.1.

Bảng A.1 - Kết quả của phép thử so sánh liên phòng

Đơn vị: micromole (mmol)

...

...

...

Phép thử

Lab A

Lab B

Lab C

Lab D

Lab E

Lab F

Loại tấm

1

...

...

...

0,91

0,85

0,93

0,87

0,86

2

0,89

0,91

0,87

...

...

...

0,79

0,89

3

0,84

0,94

0,86

0,91

0,82

0,87

...

...

...

0,79

0,91

0,85

0,92

0,82

0,92

Loại lọc

1

1,31

...

...

...

1,17

1,21

1,25

-

2

1,31

1,19

1,13

1,19

...

...

...

-

3

1,29

1,18

1,23

1,21

1,29

-

4

...

...

...

1,15

1,21

1,18

1,25

-

Giá trị trung bình tổng, độ lệch chuẩn lặp lại và độ lệch chuẩn tái lập được tính theo TCVN 6910-2 (ISO 5725-2) được tóm tắt trong Bảng A.2.

Bảng A.2 - Dữ liệu thống kê thu được theo TCVN 6910-2 (ISO 5725-2)

Đơn vị: micromole (mmol)

Mẫu thử

...

...

...

Độ lệch chuẩn độ lặp lại

Độ lệch chuẩn độ tái lập

Loại tấm

0,87

0,03 (3,0 %)

0,05 (5,5 %)

Loại lọc

1,23

0,03 (2,2 %)

...

...

...

Các độ lệch chuẩn tương đối được trình bày trong ngoặc đơn

Trong các phép thử thêm nữa, các kết quả nhận được với các mẫu xúc tác quang khác nhau, như kính tấm, giấy, sợi, sơn, v.v... khác nhau từ < 0,2 mmol đến 2,4 mmol, được chỉ ra rằng phương pháp này có thể phân biệt các mẫu thử có tính năng xúc tác quang khác nhau.

THƯ MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] ISO 4892-1, Plastics - Methods of exposure to laboratory light sources - Part 1: General guidance (Chất dẻo - Phương pháp phơi nhiễm với nguồn sáng phòng thử nghiệm - Phần 1: Hướng dẫn chung)

[2] ISO 16000-3:2001, , Indoor air - Part 3: Determination of formaldehyde and other carbonyl compounds - Active sampling method (Không khí trong nhà - Phần 3: Xác định formaldehyd và các hợp chất carbonyl khác - Phương pháp lấy mẫu hoạt tính)

[3] FUJISHIMA, A., HASHIMOTO, K. and WATANABE, T. TiO₂ Photocatalysis. Fundamentals and Applications, BKC Inc., Tokyo (1999) [FUJISHIMA, A., HASHIMOTO, K. và WANTANABE, T. Xúc tác quang TiO₂. Cơ sở và ứng dụng BKC Inc. Tokyo (1999)]

[4] OBEE, T.N., Photooxidation of sub-parts-per-million toluene and formaldehyde levels on titania using a glass-plate reactor, Environ. Sci. Technol. 30, phương pháp. 3578-3584 (1996)

[5] CAO, L., GAO, z., SUIB, S.L., OBEE, T.N., HAY, S.O. and FREIHAUT, J.D. Photocatalysis oxidation of toluen on nanoscale TiO₂ catalyst: Studies of deactivation and regeneration, J. Catal. 196. Phương pháp. 253-261 (2000)

...

...

...

[7] MENDEZ-ROMAN, R. and CARDONA-MARTINEZ, N. Relationship between the formation of surface species and catalyst deactivation during the gas-phase photocatalytic oxidation of toluene, Catal. Today, 40, phương pháp. 353-365 (1998)