Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững 568 XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN CÁC ION HÒA TAN TRONG NƯỚC TRONG BỤI TỔNG BỤI LƠ L[.]
XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN CÁC ION HÒA TAN TRONG NƯỚC TRONG BỤI TỔNG BỤI LƠ LỬNG TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Nguyễn Duy Đạt, Nguyễn Minh Đức Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Tóm tắt Trong nghiên cứu mẫu tổng bụi lơ lửng (TSP) lấy Thành phố Hồ Chí Minh mùa khơ mùa mưa năm 2021 máy lấy mẫu thể tích lớn, nhằm mục đích xác định thành phần ion hịa tan nước, từ dự đốn nguồn gốc TSP Các anion (SO42-, NO3-, Cl-) cation (K+, Na+, Ca2+, Mg2+) phân tích máy sắc ký ion Kết cho thấy nồng độ TSP mùa khơ (64.4 ± 22.3 µg/m3) cao mùa mưa (42.2 ± 12.8 µg/m3) cách rõ rệt (p NO3- > Ca2+ > K+ > Na+ > NH4+ > Mg2+ > Cl- vào mùa khô Tuy nhiên vào mùa mưa tỉ lệ có thay đổi nhỏ với nồng độ SO42- > NO3- > Ca2+ > Na+ > K+ > Mg2+ > Cl- > NH4+ Kết cho thấy ion đặc trưng cho bụi thứ cấp (SO42-, NO3-) cơng trình xây dựng (Ca2+) đốt sinh khối (K+) chiếm chủ yếu Trong ion phân tích, ion đại diện cho nguồn thứ cấp (SO42-, NO3-, NH4+) chiếm 73.8 % vào mùa khô 73.0 % vào mùa mưa Tổng nồng độ ion hòa tan nước chiếm 18.8 % khối lượng TSP vào mùa khô 20.9 % vào mùa mưa Kết phân tích nguồn sơ cho thấy rằng, nguồn gốc chủ yếu bụi TSP thu hoạt động người phản ứng thứ cấp khí Từ khóa: TSP; Ion hịa tan nước; Nguồn gốc bụi; Thành phố Hồ Chí Minh Abstract Determination of the composition of water soluble ions and total suspended particles in Ho Chi Minh City In this study, the total suspended particles (TSP) were collected in Ho Chi Minh City during the dry season and the rainy season in 2021 by a high-volume sampler with the aim to the levels of water-soluble ions (WSIs) and predict the sources of the TSP collected Anions (SO42-, NO3-, Cl-) and cations (K+, Na+, Ca2+, Mg2+) were analyzed by ion chromatography The results showed that the concentration of TSP in the dry season (64.4 ± 22.3 µg/m3) was significantly higher than in the rainy season (42.2 ± 12.8 µg/m3) (p < 0.05) Concentration of WSIs in decreasing order in dry season was SO42- > NO3- > Ca2+ > K+ > Na+ > NH4+ > Mg2+ > Cl-, while that in rainy season was SO42- > NO3- > Ca2+ > Na+ > K+ > Mg2+ > Cl- > NH4+ The results also showed that ions characterize for secondary aerosol (SO42-, NO3-), construction works (Ca2+), and biomass burning (K+) account for the majority Three secondary ions (SO42-, NO3-, NH4+) accounted for 73.8 % in the dry season and 73.0 % in the rainy season The total concentration of WSIs accounted for 18.8 % of the TSP mass in the dry season and 20.9 % in the rainy season Preliminary source analysis results showed that the main source of TSP collected is human activities and secondary aerosol Keywords: TSP; Water-soluble ions; Source of aerosol; Ho Chi Minh City Mở đầu Ô nhiễm khơng khí vấn đề nghiêm trọng, thu hút nhiều quan tâm cộng đồng, đặc biệt thành phố lớn Thành phố Hồ Chí Minh (HCMC) Hà Nội nơi tập trung đông dân cư với nhiều phương tiện giao thông khu cơng nghiệp dẫn đến chất lượng khơng khí xấu năm gần Số ngày có nồng độ bụi PM2.5 PM10 vượt tiêu chuẩn 568 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững HCMC Hà Nội tăng năm gần [1] Tiếp xúc với bụi mịn gây bệnh liên quan đến đường hô hấp, ảnh hưởng sức khỏe khác Do đó, giảm thiểu nhiễm khơng khí nhu cầu cấp thiết, cần quan tâm nghiên cứu Các ion hòa tan nước (water soluble ions - WSIs) báo cáo thành phần bụi mịn, chiếm lên đến 60 - 70 % hàm lượng bụi mịn [2] Thành phần bụi có liên quan mật thiết đến nguồn gốc phát sinh bụi Ví dụ, bụi phát sinh từ biển có thành phần Na+, Cl-; bụi có nguồn gốc từ đốt sinh khối có thành phần đặt trưng K+ Bụi từ công trình xây dựng có thành phần đặc trưng Ca2+, Mg2+ Bụi hình thành từ phản ứng thứ cấp khí thường có thành phần SO42-, NO3-, NH4+ [3] Do đó, nghiên cứu thành phần WSIs cho ta thấy tính chất chung bụi từ nghiên cứu sâu nguồn gốc bụi mịn Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nhiều nghiên cứu thành phần WSIs bụi thu thành phố lớn Việt Nam Trong nghiên cứu này, ion hòa tan nước phổ biến phân tích bụi tổng (TSP) lấy từ khơng khí xung quanh TP HCM với mục đích sau: (1) Xác định thành phần ion hịa tan nước có bụi TSP; (2) Đánh giá thay đổi thành phần ion bụi TSP mùa khô mùa mưa TP HCM; (3) Bước đầu phân tích nguồn gốc bụi TSP thu Nghiên cứu cung cấp thông tin cần thiết thành phần WSIs bụi HCMC, tảng cho nghiên cứu bụi thành phố Phương pháp nghiên cứu Mẫu TSP lấy lầu 5, tòa nhà trung tâm Đại học Sư phạm Kỹ Thuật TP HCM, nơi giao trục giao thơng thành phố Thủ Đức (Hình 1) Mẫu lấy thiết bị lấy mẫu thể tích lớn (PS1, USA) với lưu lượng 225 L/phút Thời gian lấy mẫu 24 h với tổng thể tích mẫu khoảng 300 m3 Bụi lấy giấy lọc sợi thạch anh (đường kính 110 mm, Whatman) cân phòng cân điều kiện ổn định (25 0C, độ ẩm 40 %) Trong trình lấy mẫu, thơng số khí tượng nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, hướng gió ghi nhận Thời gian lấy mẫu từ 05/3/2021 đến 08/4/2021 vào mùa khơ 14/4/2021 đến 04/5/2021 cho mùa mưa Hình 1: Vị trí lấy mẫu TSP Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 569 Sau lấy mẫu, giấy lọc chứa bụi để ổn định phòng cân, cân đến khối lượng ổn định để tính tốn nồng độ TSP Mẫu bụi trích 30 mL nước khử ion, bể siêu âm Sau trích, mẫu lọc qua màng lọc có kích thước 0.2 m (Whatman) trước phân tích thành phần ion máy sắc ký ion (Dionex, ICs-3000) với tốc độ dòng mL/ phút Các anion gồm SO42-, NO3-, Cl- phân tích với pha động KOH 34 mM, cột AS4A-SC IC (Dionex) triệt CERS mm có dịng triệt 99 mA Trong cation gồm K+, Na+, Ca2+, Mg2+, NH4+ phân tích với pha động H2SO4 10 mM, cột CS12A IC (Dionex) triệt dịng AERS mm có dịng triệt 75 mA Kết quả, thảo luận 3.1 Nồng độ bụi ion hòa tan nước Kết cho thấy thấy khơng có khác biệt thống kê nhiệt độ lần lấy mẫu, nhiệt độ nằm khoảng từ 23 - 35 0C vào mùa khô mùa mưa Nhiêt độ trung bình mùa khơ 29,4 0C, mùa mưa 28,5 0C Độ ẩm có khác mùa, mùa khơ, độ ẩm khơng khí vào khoảng 31 - 90 % trung bình 65,2 %, vào mùa mưa độ ẩm tăng cao vào khoảng 50 - 90 %, trung bình 78,4 % Gió Đơng Bắc hướng gió vào mùa khơ Vào mùa mưa gió hướng Tây Nam hướng gió TP HCM với tốc độ gió mùa vào khoảng - m/s Lượng mưa tập trung chủ yếu vào mùa mưa chiếm 88,2 % lượng mưa toàn thời gian lấy mẫu Nồng độ TSP vào mùa khơ (64,4 ± 22,3 µg/m3) cao so với mùa mưa (42,2 ± 12,8 µg/ m3), p < 0,05 Sở dĩ có khác biệt vào mùa mưa, mưa rửa trôi phần bụi bẩn khơng khí làm cho nồng độ bụi giảm xuống Nồng độ thấp so với nồng độ bụi Xi’an, Trung Quốc (31,4 - 577 µg/m3) theo nghiên cứu Zhang cộng [4] Tuy nhiên nồng độ TSP đo nghiên cứu lại cao so với Yokohama, Nhật Bản (19,7 - 50,3 µg/m3) [5] Bảng cho thấy khác biệt nồng độ WSIs vào mùa khơ mùa mưa, dễ dàng nhận thấy ion chiếm ưu bao gồm SO42-, NO3- Ca2+ K+, nồng độ % chúng xếp theo thứ tự SO42- (mùa khô: 4,63 ± 1,60 µg/m3; mùa mưa: 3,44 ± 0,7 µg/m3) > NO3- (mùa khơ: 4,13 ± 1,34 µg/m3; mùa mưa: 2,86 ± 0,58 µg/m3) > Ca2+ (mùa khô: 1,25 ± 0,40 µg/m3; mùa mưa: 1,24 ± 0,14 µg/m3) > Na+ (mùa khơ: 0,81 ± 0,26 µg/m3; mùa mưa: 0,38 ± 0,22 µg/m3) Trong SO42-, NO3- NH4+ ion đặc trưng cho aerosol thứ cấp chiếm phần lớn tổng nồng độ ion Nhìn chung nồng độ ion thấp so với số nghiên cứu thành phố khác vào mùa xuân (từ tháng đến tháng 6) Trung Quốc (được thể Bảng 2) Nồng độ % ion chiếm 18.8 % khối lượng TSP vào mùa khô 20,9 % vào mùa mưa Tỷ lệ thấp nhiều so với nồng độ % ion PM2.5: 45,56 - 51,27 % vào mùa xuân (từ tháng đến tháng 6) Xiamen, Trung Quốc [6] Bảng Nồng độ TSP WSIs vào mùa khô mùa mưa Thành phần TSP ClSO42NO3Ca2+ Mg2+ K+ NH4+ Na+ 570 Mùa khơ µg/m3 Mean Median Min 64,4 ± 23,3 52,5 42,1 0,18 ± 0,04 0,14 0,13 4,63 ± 1,60 4,02 3,08 4,13 ± 1,34 4,19 2,50 1,25 ± 0,40 1,21 0,74 0,21 ± 0,09 0,21 0,09 0,71 ± 0,45 0,35 0,31 0,15 ± 0,09 0,13 0,05 0,81 ± 0,26 0,75 0,51 Max 100,6 0,24 7,50 6,69 1,77 0,32 1,53 0,30 1,27 Mùa mưa µg/m3 Mean Median Min 42,2 ± 12,8 42,2 23,2 0,18 ± 0,05 0,06 0,04 3,34 ± 0,76 3,61 2,25 2,86 ± 0,58 2,97 2,15 1,24 ± 0,14 1,19 1,11 0,13 ± 0,04 0,13 0,09 0,52 ± 0,12 0,56 0,28 0,14 ± 0,09 0,12 0,06 0,38 ± 0,22 0,37 0,06 Max 57,7 0,14 4,22 3,43 1,47 0,20 0,62 0,27 0,69 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững Bảng So sánh nồng độ SO42-, NO3- NH4+ TP HCM thành phố khác Vị trí TP Hồ Chí Minh Xi’an Beijing Shanghai Quindao Ion SO42NO3NH4+ SO42NO3NH4+ SO42NO3NH4+ SO42NO3NH4+ SO42NO3NH4+ Nồng độ trung bình 4,63 4,13 0,15 21,2 9,6 4,7 13,5 11,9 6,5 11,7 9,1 4,1 11,9 3,4 5,8 Tài liệu tham khảo Nghiên cứu [4] [7] [8] [9] 3.2 Phân bố nồng độ WSIs Hình cho ta tương quan nồng độ ion tổng khối lượng bụi Nhìn chung nồng độ bụi tăng, nồng độ ion tăng theo, với hệ số tương quan (correlation) 0,82 Tổng nồng độ ion nằm khoảng từ 7,71 - 18,8 µg/m3 vào mùa khơ 7,13 - 10,0 µg/m3 mùa mưa tương ứng với tổng nồng độ bụi vào mùa khô mùa mưa khoảng 42,1 - 100 µg/m3 23,2 - 57,7 µg/m3 Tổng nồng độ ion nghiên cứu cao so với nghiên cứu Ulsan, Hàn Quốc với tổng nồng độ ion 0,17 - 9,86 µg/m3 nồng độ bụi 1,84 - 47,2 µg/m3 [10] thấp so nghiên cứu Chhattisgarh, Ấn độ với nồng độ ion nồng độ bụi nằm khoảng 1,11 - 41,9 µg/m3 2,67 - 263 µg/m3 [11] Hình 2: Sự thay đổi nồng độ ion hịa tan nước vào mùa khơ mùa mưa Hình cho ta thấy nồng độ % ion vào mùa khô (từ 05/3 - 8/4) mùa mưa (từ 14/4 - 4/5) Nồng độ ion xếp theo thứ tự SO42- > NO3- > Ca2+ > K+ > Na+ > NH4+ > Mg2+ > Clvào mùa khô Tuy nhiên vào mùa mưa tỉ lệ có thay đổi nhỏ với nồng độ SO42- > NO3- > Ca2+ > Na+ > K+ > Mg2+ > Cl- > NH4+ Trong mùa, ion SO42-, NO3- chiếm tỷ lệ cao tổng nồng độ WSIs Với tổng nồng độ ion thứ cấp SO42-, NO3-, NH4+ 73,8 % vào mùa khô Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 571 73,0 % vào mùa mưa, điều tương tự với nghiên cứu đồng sông Yangtze [12] nghiên cứu Xi’an, Trung Quốc [4] Vào mùa khô SO42- ion có đóng góp lớn (33,0 - 41,9 %) sau NO3- (27,9 - 41,3 %), Ca2+ (8,47 - 11,6 %), K+ (3,03 - 11,1 %) tương tự Na+, Mg2+, NH4+, Cl- đóng góp vào tổng nồng độ ion chiếm 4,29 - 9,95 %; 0,81 - 2,68 %; 0,26 - 2,1 %; 1,03 - 2,09 % Vào mùa mưa SO42- ion đóng góp lớn (31,6 - 45,7 %) sau NO3- (23,3 37,4 %), Ca2+ (12,5 - 16,0 %), K+ (3,84 - 8,3 %) cuối ion Na+, Mg2+, NH4+, Cl- tương ứng với 0,86 - 9,66 %; 1,26 - 2,17 %; 0,76 - 2,9 %; 0,42 - 1,56 % Hình 3: Sự thay đổi nồng độ khối lượng ion hịa tan nước vào mùa khơ mùa mưa (a: mùa khô; b: mùa mưa) 3.3 Nguồn gốc WSIs Kết hệ số tương quan nồng độ TSP nồng độ WSIs thể Bảng Nhìn chung nồng độ WSIs có mối liên hệ mật thiết nồng độ TSP Cl- Na+ có hệ số tương quan cao (0,81), nghĩa phần lớn ion tồn dạng muối NaCl Ngồi SO42- có hệ số tương quan cao với cation kim loại, nồng độ SO42- cao nên tồn nhiều dạng muối khác Tuy nhiên đa phần SO42- tồn dạng CaSO4, điều phụ hợp với vị trí lấy mẫu khu vực có nhiều cơng trình xây dựng Tương tự với NO3- có hệ số tương quan lớn với cation, nhiên hệ số tương quan NO3- NH4+ bé (0,28) điều phù hợp với nhận định NH4NO3 không ổn định điều kiện độ ẩm tương đối thấp nhiệt độ cao [13] đa phần mẫu được lấy nhiệt độ trung bình 29,4 0C độ ẩm trung bình 60 % Bảng Hệ số tương quan TSP WSIs ClSO42NO3Ca2+ Mg2+ K+ NH4+ Na+ TSP 572 Cl1 0,727 0,549 0,283 0,738 0,402 0,353 0,812 0,681 SO42- NO3- Ca2+ Mg2+ K+ NH4+ Na+ TSP 0,771 0,734 0,708 0,645 0,711 0,692 0,712 0,745 0,729 0,613 0,282 0,593 0,722 0,543 0,830 0,468 0,344 0,734 0,643 0,230 0,763 0,827 0,256 0,474 0,895 0,258 0,262 0,613 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững Ngồi việc phân biệt thành phần có nguồn gốc muối biển (ss) khơng có nguồn gốc muối biển (nss) điều cần thiết cho nghiên cứu nguồn gốc ion Các thành phần nguồn gốc từ muối biển tính theo công thức sau [4]: (1) (2) (3) (4) Bảng Kết thành phần ion khơng có nguồn gốc từ muối biển µg/m3 Mùa nắng Mùa mưa nss - SO424,42 ± 1,46 3,34 ± 0,71 nss - Ca2+ 1,22 ± 0,37 1,22 ± 0,13 nss - Mg2+ 0,117 ± 0,064 0,086 ± 0,035 nss - K+ 0,678 ± 0,425 0,508 ± 0,108 Hình 4: Truy xuất luồng khơng khí qua khu vực vào mùa mưa trước đến vị trí lấy mẫu a) mùa khơ b) mùa mưa Kết trình bày cho thấy nss-SO42- chiếm 96,1 % tổng nồng độ SO42- vào mùa khô mùa mưa Điều cho thấy, phần lớn SO42- tạo tác động người Trong SO42- chất nhiễm thứ cấp hình thành thơng qua phản ứng hóa học Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 573 tiền chất thể khí Dimethyl sulfide SO2 Nồng độ SO42- tăng cao có nhiều khả xạ từ mặt tạo điều kiện thuận lợi cho trình chuyển đổi SO2 từ khói xe khí thải khu công nghiệp thành SO42- Vào mùa mưa nồng độ SO42- giảm đôi chút phần nhiệt từ xạ mặt trời Tương tự nss-Ca2+, nss-K+, nss-Mg2+ chiếm phần lớn tổng nồng độ chúng chiếm 97,5 %, 95,8 % 56,0 % vào mùa khô chiếm 98,8 %; 97,3 %; 65,4 % vào mùa mưa Điều hoàn toàn phụ hợp với ảnh hưởng gió đến nồng độ ion Vào mùa khơ, hướng gió Đơng Bắc thổi vào, qng đường từ biển vào đến địa điểm lấy mẫu gần so với hướng gió Tây Nam mùa mưa Để truy xuất nguồn gốc khối khí trước đến vị trí lấy mẫu, mơ hình HYSPLIT transport and dispersion lấy từ sở liệu mở NASA sửa dụng Nguồn gốc đường khối khí truy ngược lại suốt thời gian lấy mẫu 24 h cho lần lấy mẫu Hình cho thấy đường khối khí trước đến vị trí lấy mẫu mùa hồn hồn ngược Điều giải thích phần lý cho khác đặc điểm bụi WSIs mùa mưa mùa khơ Nhìn vào Hình ta thấy được, hướng gió vào mùa khô Đông Bắc, thổi từ biển vào đến đất liền Tuy nhiên đặc trưng địa lý vị trí lấy mẫu, hầu hết khối khí từ biển không ảnh hướng đến nồng độ WSIs Phần lớn khối khí có ảnh hưởng lớn (màu đỏ) nằm đất liền độ cao 500 m Vào mùa mưa, gió Tây Nam hướng gió chính, với vùng ảnh hưởng nhiều đến vị trí lấy mẫu nằm đất liền độ cao khối khí phần 500 m Đều giúp ta kết luận nguồn gốc aerosol chủ yếu từ hoạt động người khu vực lân cận bị ảnh hường nguồn xa Kết luận Trong nghiên cứu này, thành phần ion hịa tan nước có mẫu TSP lấy TP.HCM phân tích Kết cho thấy ion đặc trưng cho bụi thứ cấp (SO42-, NO3) Ca2+ chiếm thành phần chủ yếu Nồng độ % ion hòa tan nước chiếm 18,8 % khối lượng TSP vào mùa khô 20,9 % vào mùa mưa Phân tích nguồn cho thấy nguồn phát sinh chủ yếu bụi TSP vị trí lấy mẫu chủ yếu bắt nguồn từ hoạt động người (đốt sinh khối, cơng trình xây dựng) phản ứng thứ cấp khí Việc phân tích kỹ hơn, hoạt động chiếm vai trò quan trọng hay đóng góp chủ yếu vào nồng độ bụi cần tiến hành phân tích đầy đủ thành phần khác bụi Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM tạo điều kiện cho việc lấy mẫu trang thiết bị phân tích mẫu cho đề tài Cảm ơn sinh viên Phan Hoàng Long, Nguyễn Gia Phú, Phan Thị Như Ý, Nguyễn Ngọc Diễm My hỗ trợ lấy mẫu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyen Thi Anh Thu, Lars Blume (2017) Air Quality Report: Air quality in Vietnam in 2017 Green Innovation and Development Centre (GreenID) [2] Ali-Mohamed, A Y (1991). Estimation of inorganic particulate matter in the atmosphere of Isa Town, Bahrain, by dry deposition Atmospheric Environment Part B Urban Atmosphere, 25(3), 397 - 405 [3] Mikušková-Čampulová, M.; Michálek, J.; Večeřa, Z (2020) Characterization and Source Identification of Elements and Water-Soluble Ions in Submicrometre Aerosols in Brno and Šlapanice (Czech Republic) Atmosphere 11, 688 [4] T Zhang, J J Cao, X X Tie, Z X Shen, S X Liu, H Ding, Y M Han, G H Wang, K F Ho, J Qiang, W T Li (2011) Water-soluble ions in atmospheric aerosols measured in Xi’an, China: Seasonal variations and sources Atmospheric Research 102, 110 - 119 574 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững ... ion hòa tan nước phổ biến phân tích bụi tổng (TSP) lấy từ khơng khí xung quanh TP HCM với mục đích sau: (1) Xác định thành phần ion hòa tan nước có bụi TSP; (2) Đánh giá thay đổi thành phần ion. .. Trong nghiên cứu này, thành phần ion hòa tan nước có mẫu TSP lấy TP.HCM phân tích Kết cho thấy ion đặc trưng cho bụi thứ cấp (SO42-, NO3) Ca2+ chiếm thành phần chủ yếu Nồng độ % ion hòa tan nước. .. cáo thành phần bụi mịn, chiếm lên đến 60 - 70 % hàm lượng bụi mịn [2] Thành phần bụi có liên quan mật thiết đến nguồn gốc phát sinh bụi Ví dụ, bụi phát sinh từ biển có thành phần Na+, Cl-; bụi