Mặt nạ phòng độc là dụng cụ lao động không thể thiếu đối với những người phải làm việc trong các điều kiện môi trường đặc biệt như thợ lò, lính cứu hỏa. Mặc dù hiện trên thị trường thế giới đã có nhiều loại mặt nạ phòng độc nhưng nhiều nhóm khoa học vẫn tìm cách cải tiến và tìm kiếm những thiết kế tốt hơn cho sản phẩm này.

Giải pháp mà nhóm nghiên cứu của GS. TS Lê Minh Thắng hướng tới là tập trung vào xử lý khí CO. Bởi trên thực tế, lượng CO trong các hầm lò, đám cháy thường lớn hơn rất nhiều mức có thể gây tử vong nên bài toán đặt ra là phải làm sao chuyển hóa chúng thành loại khí ít độc hơn càng nhanh càng tốt.

Trong các đám cháy, người ta thường không tử vong vì lửa mà vì ngạt khói. Theo thống kê của tạp chí y khoa eMedicineHealth, ngạt khói chiếm 50 - 80% nguyên nhân tử vong trong các vụ hỏa hoạn. Khí độc phổ biến nhất là carbon monoxide (CO) khiến cơ thể thiếu hụt oxy, tổn thương hệ thần kinh, đẩy nạn nhân vào trạng thái hôn mê, bất tỉnh hoặc nặng hơn là tử vong. Chỉ 0,1% CO trong không khí cũng gây nguy hiểm cho tính mạng.

Dù trên thị trường đã có một số loại mặt nạ phòng độc sử dụng các vật liệu hấp phụ (chủ yếu là than hoạt tính) để “giữ lại” CO và các chất hữu cơ khác trong khói độc nhưng những công nghệ này không đề cập đến quá trình xử lý CO. Trong các nghiên cứu, người ta đã xem xét việc xử lý CO ở nhiệt độ phòng bằng các chất xúc tác. Tuy nhiên, chúng chỉ có ý nghĩa khi nguồn khí đầu vào thuần CO và không lẫn hydrocarbon, bởi những hợp chất hữu cơ này có xu hướng làm giảm hoạt tính của chất xúc tác khử CO.

Vật liệu bên trong lõi lọc CO của nhóm nghiên cứu thuộc Đai học Bách khoa Hà Nội. Ảnh: NVCC

Trước bài toán đó, từ năm 2016, các nhà khoa học ở Đại học Bách khoa Hà Nội đã tìm kiếm hệ chất xúc tác tối ưu cho lõi lọc nhằm xử lý tốt cả khí CO và hydrocarbon, đồng thời tăng độ tin cậy cho mặt nạ phong độc.

Nhóm nghiên cứu của GS. TS Lê Minh Thắng đã tìm ra chất xúc tác gồm MnO2-Co3O4-CeO2-ZrO2 có khả năng đáp ứng tốt những nhu cầu này. Họ phủ một lớp mỏng chất xúc tác này lên các hạt than hoạt tính và hạt vật liệu hấp phụ mao quản đa cấp (tức các hạt dùng để tạo khung mạng lỗ xốp và diện tích bề mặt lớn để phản ứng dễ xảy ra), đồng thời trộn trực tiếp các hạt xúc tác MnO2-Co3O4-CeO2-ZrO2 hình trụ làm ra lõi lọc có khả năng xử lý CO. Các hạt vật liệu hấp phụ sẽ giữ lại CO trên bề mặt, trong khi chất xúc tác sẽ thúc đẩy quá trình oxy hóa những hạt CO này ngay lập tức ở nhiệt độ thường.

Tỷ lệ của các hạt hấp phụ và chất xúc tác đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của lõi lọc. Nếu hàm lượng than hoạt tính quá ít, nó sẽ giảm khả năng hấp thụ CO nhưng nếu quá cao nó cũng dễ gây ra cháy lõi lọc do nhiệt độ tỏa ra từ quá trình hấp phụ và cháy các khí độc lớn.

Vật liệu mao quản đa cấp có tác dụng hấp phụ các khí lớn hơn CO mà than hoạt tính không hấp phụ tốt, do vậy luôn có mặt để thu giữ các hydrocarbon đa vòng trong khí thải khi đốt cháy. Nhưng nếu tỷ lệ này quá cao, nó sẽ làm giảm khả năng xử lý CO của lõi lọc.

Xét về góc độ tăng hoạt tính thì lượng chất xúc tác càng lớn càng được ưu tiên, nhưng quá trình tẩm hóa chất nhiều lần dễ làm ảnh hưởng xấu đến độ bền của các hạt chất hấp phụ. Hơn thế nữa, có một khung cửa sổ rất hẹp về tỉ lệ mol cho MnO2-CO3O4-CeO2-ZrO2 - chỉ ở khoảng này, chất xúc tác mới xử lý CO tối ưu và không bị thiêu kết khi nhiệt độ đám cháy tăng cao đột ngột, đồng thời bền với hơi nước.

Qua nhiều lần thử nghiệm, các nhà khoa học đã tìm được công thức cân bằng và được cấp bằng độc quyền sáng chế số 1-0020771 vào tháng 4/2019. Các chất xúc tác trong lõi lọc của mặt nạ phòng độc giúp giảm hơn 90% khí CO tại nhiệt độ phòng và 100% khí CO ở nhiệt độ 40 độ C.

Dù chặng đường để trở thành sản phẩm thực tế ngoài thị trường còn dài song nhóm tác giả hi vọng, với các tính năng độc đáo này, sản phẩm của họ sẽ cạnh tranh hơn bởi nguồn nguyên liệu sẵn có và rẻ tiền.