Biến đổi khí hậu đang diễn ra mạnh mẽ trên toàn cầu, là vấn đề được toàn nhân loại quan tâm. Đạt mức phát thải ròng bằng "0" vào năm 2050 là mục tiêu phát triển tất yếu của thế giới. Chính vì vậy, hiện đang nổi lên một nhu cầu cấp thiết về các công nghệ giám sát khí thải chính xác và hiệu quả để đảm bảo ô nhiễm không khí được kiểm soát đầy đủ. Trong đó, quang phổ hồng ngoại và bộ lọc hồng ngoại chính xác ngày càng có vai trò quan trọng trong việc phát hiện và giảm thiểu các khí độc hại để chống suy thoái môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Khí thải gây ô nhiễm không khí. Ảnh: Power Magazine

Cuộc khủng hoảng khí hậu là một thách thức phức tạp và cấp bách ảnh hưởng đến hành tinh của chúng ta, với những tác động được cảm nhận trên toàn thế giới. Hình ảnh những cánh rừng đang cháy và đại dương chứa đầy rác thải nhựa là minh chứng hiển nhiên cho thấy sự suy thoái môi trường, ô nhiễm không khí mặc dù có mức độ hiện hữu ít hơn nhưng là mối quan tâm không kém phần quan trọng.

Năm 2023, song song với sự tăng trưởng đáng chú ý về năng lượng tái tạo, phát thải khí nhà kính liên quan đến sử dụng năng lượng trên toàn cầu đạt mức cao kỷ lục do sự gia tăng nhu cầu nhiên liệu hóa thạch. Theo thống kê mới nhất của Viện Năng lượng, bất chấp những tiến bộ đáng kể trong sản xuất điện tái tạo, lượng khí thải do sử dụng năng lượng tăng 2% trong năm 2023, lần đầu tiên vượt quá 40 giga tấn CO₂ tương đương. Cùng với việc ngành năng lượng đóng góp khoảng 40% tổng lượng khí thải mêtan (CH4) do con người gây ra, sự pha trộn phức tạp của các nguồn phát thải, nhu cầu điện năng biến động và cơ sở hạ tầng lỗi thời càng gia tăng nhu cầu cấp bách về công tác giám sát và báo cáo chính xác, theo thời gian thực. Thực trạng này nhấn mạnh sự cấp thiết phải đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang các nguồn năng lượng bền vững, nhấn mạnh vai trò quan trọng của các công nghệ giám sát và phát hiện khí thải trong quá trình chuyển đổi này.

Giám sát khí thải từ các nguồn tĩnh, chẳng hạn như các cơ sở công nghiệp, là điều thiết yếu cho các nhà khai thác để đánh giá nồng độ khí thải vào khí quyển, đảm bảo sự tuân thủ các quy định môi trường nghiêm ngặt và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Mặc dù mức độ hiện hữu ít hơn nhưng ô nhiễm không khí là một mối đe dọa nghiêm trọng đang diễn ra, gây ra khoảng 28.000 đến 36.000 ca tử vong hàng năm chỉ riêng ở Anh. Con số đó trên toàn cầu ước tính là hơn 5,13 triệu ca tử vong mỗi năm do ô nhiễm không khí xung quanh bắt nguồn từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch và có thể phòng tránh được.

Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã ban hành hướng dẫn về nồng độ nitơ điôxít (NO₂) toàn cầu, khuyến nghị giới hạn trung bình hàng năm là 40 microgam trên mét khối (μg/m³) và giới hạn trung bình một giờ là 200 μg/m³. Ở nhiều khu vực trên thế giới, các giới hạn NO₂ này thường xuyên bị vi phạm, gây rủi ro sức khỏe đáng kể, đòi hỏi các nỗ lực giám sát liên tục và giảm thiểu sự phát thải.

Trong lĩnh vực sản xuất điện bằng khí hóa thạch, điều quan trọng là phải hạn chế lượng khí thải CH₄ trong suốt vòng đời dưới 3% khối lượng được giao. Vượt quá ngưỡng này sẽ làm cho than trở thành một lựa chọn thân thiện hơn với khí hậu để sản xuất điện. Do đó, kiểm soát và giảm thiểu phát thải CH₄ hiệu quả là rất quan trọng để đạt được các mục tiêu khí hậu 2050 và đảm bảo tương lai năng lượng bền vững.

Giải quyết các thách thức về chất lượng không khí hiện nay đòi hỏi những nỗ lực toàn diện giữa các ngành. Theo đó, cần chú trọng đầu tư vào các công nghệ phát hiện và kiểm soát khí thải tiên tiến cho ngành điện, chẳng hạn như bộ lọc hồng ngoại chính xác và quang phổ laser. Những công nghệ này cho phép giám sát chính xác NO₂ và các khí độc hại khác, đảm bảo lượng khí thải nằm trong giới hạn pháp lý cũng như giảm thiểu tác động đến sức khỏe cộng đồng và môi trường. Ngoài ra, nhằm đạt được những cải thiện đáng kể và bền vững về chất lượng không khí cần tăng cường khuôn khổ pháp lý, nâng cao nhận thức cộng đồng và thúc đẩy hợp tác quốc tế.

Trong bối cảnh này, thị trường cảm biến khí đang phát triển nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng đối với các hệ thống cảm biến tiên tiến. Người tiêu dùng ủng hộ dữ liệu chất lượng không khí được số hóa, phương pháp sản xuất sáng tạo và chuyển sang sử dụng xe điện. Dẫn đầu sự chuyển đổi này là các kỹ thuật dựa trên quang phổ laser được đánh giá cao bởi độ nhạy và khả năng giám sát thời gian thực. Những đổi mới trong các nguồn laser và máy dò đã góp phần nâng cao các kỹ thuật này, mang lại vai trò quyết định trong việc phát hiện rò rỉ khí mêtan và đánh giá an toàn trong lắp đặt khí đốt tự nhiên. Sự tiến bộ công nghệ này đã góp phần tăng cường an toàn sản xuất, hiệu quả vận hành và sự tuân thủ môi trường trong sản xuất điện.

Các nhà điều hành nhà máy và các nhà sản xuất cảm biến lớn đang đẩy mạnh tìm kiếm các bộ lọc quang học hiệu suất cao với giá cả cạnh tranh nhằm đáp ứng các yêu cầu quy định và đảm bảo an toàn vận hành. Đồng thời, các trạm giám sát và dữ liệu thời gian thực được triển khai, cho phép lập kế hoạch hành động chủ động, thiết lập mục tiêu và trách nhiệm giải trình. Những sáng kiến này thu hút đầu tư vào lĩnh vực nghiên cứu và phát triển, song song với việc nâng cao nhận thức cộng đồng thông qua các phương tiện truyền thông rộng rãi. Tất cả các yếu tố này góp phần tăng cường sự hiểu biết toàn diện về động lực chất lượng không khí, khuyến khích đổi mới trong các lĩnh vực giao thông, công nghiệp và năng lượng, thúc đẩy các hoạt động bền vững và quản lý môi trường.

Ngoài ra, sự phổ biến của internet và các hệ thống thông tin ô nhiễm không khí dựa trên điện thoại thông minh đã làm tăng đáng kể nhận thức của công chúng. Tuy nhiên, truyền thông hiệu quả và khả năng truy cập vào dữ liệu chất lượng không khí cục bộ, theo thời gian thực vẫn là những thách thức quan trọng cần được giải quyết. Nhấn mạnh tính cấp bách này, Văn phòng Kiểm toán Quốc gia (NAO - cơ quan giám sát chi tiêu công độc lập của Vương quốc Anh) đã cảnh báo rằng các chính sách hiện tại có thể không đáp ứng các mục tiêu chất lượng không khí của chính phủ Anh vào năm 2030. Do đó, tăng cường khả năng tiếp cận và tính minh bạch của dữ liệu chất lượng không khí theo thời gian thực, cùng với các sáng kiến giáo dục, là điều tối quan trọng để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

Các công nghệ như quang phổ hồng ngoại và bộ lọc hồng ngoại chính xác là mấu chốt trong việc giải quyết những thách thức này. Chúng cho phép phát hiện một loạt các khí độc hại, bao gồm nhưng không giới hạn CO₂, CH₄, sulfur dioxide (SO₂), oxit nitơ (NOx) và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC). Công nghệ cảm biến tiên tiến này hỗ trợ giám sát chính xác và việc tuân thủ quy định, cũng như nâng cao an toàn vận hành và tính bền vững môi trường trên nhiều lĩnh vực khác nhau.

Quang phổ hồng ngoại tận dụng các đặc tính hấp thụ hồng ngoại của khí nhà kính để đo nồng độ khí quyển của chúng một cách chính xác. Cảm biến hồng ngoại (IR) sử dụng các bộ phát tạo ra chùm ánh sáng hồng ngoại đi qua buồng lấy mẫu, phát hiện chính xác nồng độ khí dựa trên sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Các cảm biến này có thời gian phản hồi nhanh, độ chính xác cao và hoạt động độc lập với khí bên ngoài hoặc oxy. Những tiến bộ gần đây đã tạo ra các máy dò có khả năng liên tục theo dõi hơi và khí dễ cháy trong giới hạn an toàn, đưa ra cảnh báo sớm và yêu cầu hiệu chuẩn tối thiểu. Các thiết bị này cũng được trang bị tính năng chống nhiễm bẩn và ăn mòn, đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy trong môi trường đầy thách thức.

Máy giám sát khí của Tập đoàn Umicore. Ảnh: Umicore

Một trong những công ty đi đầu trong cuộc chuyển đổi hướng tới tương lai phát thải ròng bằng không là Umicore - một tập đoàn công nghệ vật liệu và tái chế toàn cầu, với các bộ lọc hồng ngoại có khả năng giám sát chính xác các loại khí quan trọng như CO₂, CH₄, SO₂, NOx và VOC. Khả năng phát hiện toàn diện này rất cần thiết để giải quyết những thách thức cấp bách của cuộc khủng hoảng khí hậu và thúc đẩy các hoạt động bền vững trên các lĩnh vực khác nhau. Các dịch vụ tạo nguyên mẫu ban đầu của Umicore tiếp tục trao quyền cho các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) để thúc đẩy các giải pháp sáng tạo phù hợp với các nỗ lực toàn cầu nhằm đạt được các mục tiêu môi trường bền vững.

Mặc dù các nỗ lực môi trường thường ưu tiên các tác động có thể nhìn thấy như phá rừng và ô nhiễm biển, tuy nhiên, không được xem nhẹ và bỏ qua vấn đề chất lượng không khí. Trong số các công nghệ giám sát khí thải tiên tiến, quang phổ hấp thụ laser là một công cụ quan trọng góp phần giải quyết mối đe dọa vô hình này, trao quyền cho các nỗ lực bảo vệ khí hậu và có tiềm năng giảm thiểu các tác động bất lợi của nó./.