VIETNAM CONFERENCE ON NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY (VINANST-14), LAM DONG, 2021 1 ENERGY-DISPERSIVE X-RAY FLUORESCENCE TECHNIQUE FOR ANALYSING SOME MAIN ELEMENTS IN AIR SUSPENDED PARTICULATE MATTER PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HUỲNH QUANG TIA X (XRF) PHÂN TÍCH

Kinh Tế - Quản Lý - Báo cáo khoa học, luận văn tiến sĩ, luận văn thạc sĩ, nghiên cứu - Kiến trúc - Xây dựng Vietnam Conference on Nuclear Science and Technology (VINANST-14), Lam Dong, 2021 1 ENERGY-DISPERSIVE X-RAY FLUORESCENCE TECHNIQUE FOR ANALYSING SOME MAIN ELEMENTS IN AIR SUSPENDED PARTICULATE MATTER PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HUỲNH QUANG TIA X (XRF) PHÂN TÍCH MỘT SỐ NGUYÊN TỐ CHỦ YẾU TRONG MẪU BỤI KHÍ NGUYỄN HUYỀN TRANG, VƯƠNG THU BẮC, NGUYỄN VĂN KHÁNH, DƯƠNG ĐỨC THẮNG Institute for Nuclear Science and Technology (INST), 179 Hoang Quoc Viet, Cau Giay, Ha Noi ()Email:nguyenhuyentrangt59hus.edu.vn Astract: Currently, suspended particulate matter in the air is one of the agents that seriously affect human health and the ecosystem, especially fine dust. In this report, we present the energy-dispersive X-ray fluorescence (ED-XRF) method to analyze some main elements in the total suspended particulates (TSP). 41 TSP samples in a number of provinces with important locations and densely populated areas in Vietnam were collected and analyzed with the ED-XRF method. To evaluate the quality and reliability of the analytical method. Some international reference samples were analysed with the same method. The analysed results of TSP samples showed that the ED-XRF method can be applied sucessful for main elements such as Si, K, Ca, Cr, Fe, Cu, Zn, Sr, Zr and Pb,... in TSP samples with quite good reliability. Keywords: ED-XEF analytical method, contrentration of chemical elements in TSP. Tóm tắt: Hiện nay, bụi lơ lửng trong không khí là một trong những tác nhân gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái, đặc biệt là bụi mịn. Trong báo cáo này, chúng tôi trình bày phương pháp phân tích huỳnh quang tia X phân giải theo năng lượng (ED-XRF) để phân tích hàm lượng một số nguyên tố chủ yếu trong mẫu bụi khí lơ lửng tổng cộng (TSP). 41 mẫu TSP tại một số tỉnh có vị trí quan trọng và tập trung đông dân cư tại Việt Nam đã được thu góp và phân tích. Để đánh giá chất lượng và độ tin cậy của phương pháp phân tích, một số mẫu chuẩn quốc tế cũng đã được phân tích bởi cùng một phương pháp. Kết quả phân tích các mẫu bụi khí TSP cho thấy có thể áp dụng kỹ thuật ED-XRF để phân tích xác định hàm lượng của các nguyên tố hoá học chủ yếu như Si, K, Ca, Cr, Fe, Cu, Zn, Sr, Zr and Pb,... trong mẫu TSP với độ tin cậy khá tốt. Từ khóa: Kỹ thuật phân tích ED-XRF, hàm lượng các nguyên tố hóa học chủ yếu trong TSP. 1. GIỚI THIỆU Hiện nay, ô nhiễm bụi khí là vấn đề được toàn thế giới quan tâm, bởi nó là tác nhân gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái, đặc biệt là bụi min. Các dạng bụi mịn được quan tâm nhiều là TSP, PM10 và PM2,5. Tổng bụi lơ lửng (TSP) là tổng các hạt bụi có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 100 m. PM10 là các hạt có thể hít vào, đường kính từ 2,5-10 μm, chúng có thể tiếp cận hệ hô hấp và làm giảm chức năng phổi. PM2,5 là các hạt mịn có đường kính nhỏ hơn 2,5 μm, chúng có khả năng thâm nhập vào phổi, làm hại phổi, da, mắt. Ngoài ra, những hạt bụi có đường kính nhỏ hơn 1 μm, một phần bụi có thể đi vào máu gây bệnh tim và mất trí nhớ 3, 5. Theo báo cáo chất lượng không khí thế giới năm 2019, thế giới có khoảng 6,67 triệu người chết do phơi nhiễm với ô nhiễm không khí, trong đó có 4,14 triệu ca tử vong do bụi PM2,5 trong không khí bên ngoài gây ra. Tại Việt Nam, ô nhiễm không khí là một trong năm yếu tố nguy cơ hàng đầu gây ra gánh nặng bệnh tật và tử vong sớm, chỉ xếp sau cao huyết áp, hút thuốc lá, đái tháo đường và nguy cơ liên quan đến yếu tố dinh dưỡng. Các quốc gia và vùng lãnh thổ ở Đông Á, Đông Nam Á và Nam Á đang phải ghánh chịu nồng độ PM2,5 trung bình hàng năm cao nhất theo dân số. Đáng chú ý, năm 2019, Việt Nam là quốc gia có nồng độ bụi PM2,5 trung bình (μgm3) cao thứ 15 trên tổng số 98 quốc gia được khảo sát. Vietnam Conference on Nuclear Science and Technology (VINANST-14), Lam Dong, 2021 2 Nồng độ PM2,5 trung bình tại Việt Nam ở mức 34,1 μgm3, đây là mức nồng độ không tốt với mọi người, đặc biệt là những người nhạy cảm có nguy cơ gặp phải các vấn đề dị ứng và hô hấp. Đáng lưu ý, WHO khuyến cáo ngưỡng phơi nhiễm PM2,5 trung bình hàng năm là 10 μgm3 để giảm thiểu rủi ro ảnh hưởng sức khỏe tới con người 12. Như vậy, Việt Nam chúng ta đang là quốc gia có nguy cơ cao do ô nhiễm bụi khí. Các hoạt động nghiên cứu, đánh giá tác động của ô nhiễm không khí đến sức khỏe con người và xây dựng chính sách kiểm soát chất lượng không khí là một trong những vấn đề cấp thiết hiện nay tại Việt Nam và trên toàn thế giới. Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về những vấn đề xung quanh bụi mịn, trong đó sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như sử dụng đánh giá tương quan, mô hình lan truyền, giải đoán vệ tinh hoặc sử dụng phương pháp phân tích hóa học để nghiên cứu về nguồn phát thải, đặc điểm vật lý và hóa học của các loại bụi 6. Hiện nay, một số nghiên cứu quan trắc môi trường trong nước đang tiến hành xác định một số nhân phóng xạ trong mẫu bụi TSP, đồng thời kết hợp nghiên cứu nồng độ của một số nguyên tố chủ yếu. Trong báo cáo này chúng tôi trình bày về phương pháp phân tích huỳnh quang tia X để phân tích một số nguyên tố chủ yếu trong mẫu TSP. Để đánh giá chất lượng và độ tin cậy của phương pháp phân tích, một số mẫu chuẩn quốc tế cũng đã được phân tích bởi cùng một phương pháp. 2. KỸ THUẬT PHÂN TÍCH HUỲNH QUANG TIA X Tia X là bức xạ điện từ có bước sóng từ 10-5-100A, được tạo ra do sự hãm đột ngột của điện tử năng lượng cao hoặc bởi sự dịch chuyển điện tử từ mức năng lượng cao về mức năng lượng thấp trong nguyên tử. Do đó ta có hai loại bức xạ tia X: bức xạ hãm và bức xạ đặc trưng. Trong phương pháp phân tích phổ huỳnh quang tia X, ta quan tâm đến bức xạ tia X đặc trưng vì nó giúp ta phân tích định tính và định lượng hàm lượng nguyên tố phát ra nó. Hình 1 mô tả quá trình phát tia X đặc trưng (a) và quá trình phát electron Auger (b). Cường độ tia X đặc trưng không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng của nguyên tố mà còn phụ thuộc vào nhiều thông số vật lý, kỹ thuật khác liên quan đến nguồn bức xạ kích thích, các hằng số nguyên tử của nguyên tố, thành phần và kích thước mẫu cũng như hình học nguồn-mẫu- detector 1, 4. Hình 2 dưới đây mô tả hình học nguồn-mẫu-detector minh họa cho phương pháp tính cường độ tia X huỳnh quang đặc trưng. Hình 1. Quá trình phát tia X đặc trưng (a) và quá trình phát electron Auger (b) Vietnam Conference on Nuclear Science and Technology (VINANST-14), Lam Dong, 2021 3 Hình 2. Hình học nguồn- mẫu- detector minh họa cho phương pháp tính cường độ tia X huỳnh quang đặc trưng Sơ đồ thí nghiệm như hình 2 và đảm bảo một số điều kiện khác như bề mặt mẫu phân tích phải phẳng và nhẵn, mẫu đồng nhất và các nguyên tố có trong mẫu phân bố đồng đều, chùm tia sơ cấp dọi vào để kích thích mẫu và chùm tia X đặc trưng phát ra từ mẫu trong một góc hẹp. Cường độ tia X đặc trưng của một nguyên tố j phát ra từ lớp dx của mẫu có thể tính theo công thức sau đây:

ENERGY-DISPERSIVE X-RAY FLUORESCENCE TECHNIQUE FOR ANALYSING SOME

MAIN ELEMENTS IN AIR SUSPENDED PARTICULATE MATTER

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HUỲNH QUANG TIA X (XRF) PHÂN TÍCH

MỘT SỐ NGUYÊN TỐ CHỦ YẾU TRONG MẪU BỤI KHÍ

NGUYỄN HUYỀN TRANG*, VƯƠNG THU BẮC,

NGUYỄN VĂN KHÁNH, DƯƠNG ĐỨC THẮNG

Institute for Nuclear Science and Technology (INST), 179 Hoang Quoc Viet, Cau Giay, Ha Noi

(*)Email:nguyenhuyentrang_t59@hus.edu.vn

Astract: Currently, suspended particulate matter in the air is one of the agents that

seriously affect human health and the ecosystem, especially fine dust In this report, we present the energy-dispersive X-ray fluorescence (ED-XRF) method to analyze some main elements in the total suspended particulates (TSP) 41 TSP samples in a number of provinces with important locations and densely populated areas in Vietnam were collected and analyzed with the ED-XRF method To evaluate the quality and reliability of the analytical method Some international reference samples were analysed with the same method The analysed results of TSP samples showed that the ED-XRF method can be applied sucessful for main elements such as Si, K, Ca, Cr, Fe, Cu, Zn, Sr, Zr and Pb, in TSP samples with quite good reliability

Keywords: ED-XEF analytical method, contrentration of chemical elements in TSP

Tóm tắt: Hiện nay, bụi lơ lửng trong không khí là một trong những tác nhân gây ảnh hưởng

nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái, đặc biệt là bụi mịn Trong báo cáo này, chúng tôi trình bày phương pháp phân tích huỳnh quang tia X phân giải theo năng lượng (ED-XRF) để phân tích hàm lượng một số nguyên tố chủ yếu trong mẫu bụi khí lơ lửng tổng cộng (TSP) 41 mẫu TSP tại một số tỉnh có vị trí quan trọng và tập trung đông dân cư tại Việt Nam đã được thu góp và phân tích Để đánh giá chất lượng và độ tin cậy của phương pháp phân tích, một số mẫu chuẩn quốc tế cũng đã được phân tích bởi cùng một phương pháp Kết quả phân tích các mẫu bụi khí TSP cho thấy có thể áp dụng kỹ thuật ED-XRF để phân tích xác định hàm lượng của các nguyên tố hoá học chủ yếu như Si, K,

Ca, Cr, Fe, Cu, Zn, Sr, Zr and Pb, trong mẫu TSP với độ tin cậy khá tốt

Từ khóa: Kỹ thuật phân tích ED-XRF, hàm lượng các nguyên tố hóa học chủ yếu trong TSP

1 GIỚI THIỆU

Hiện nay, ô nhiễm bụi khí là vấn đề được toàn thế giới quan tâm, bởi nó là tác nhân gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái, đặc biệt là bụi min Các dạng bụi mịn được quan tâm nhiều là TSP, PM10 và PM2,5 Tổng bụi lơ lửng (TSP) là tổng các hạt bụi có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 100 m PM10 là các hạt có thể hít vào, đường kính từ 2,5-10

µm, chúng có thể tiếp cận hệ hô hấp và làm giảm chức năng phổi PM2,5 là các hạt mịn có đường kính nhỏ hơn 2,5 µm, chúng có khả năng thâm nhập vào phổi, làm hại phổi, da, mắt Ngoài ra, những hạt bụi có đường kính nhỏ hơn 1 µm, một phần bụi có thể đi vào máu gây bệnh tim và mất trí nhớ [3, 5] Theo báo cáo chất lượng không khí thế giới năm 2019, thế giới có khoảng 6,67 triệu người chết do phơi nhiễm với ô nhiễm không khí, trong đó có 4,14 triệu ca tử vong

do bụi PM2,5 trong không khí bên ngoài gây ra Tại Việt Nam, ô nhiễm không khí là một trong năm yếu tố nguy cơ hàng đầu gây ra gánh nặng bệnh tật và tử vong sớm, chỉ xếp sau cao huyết

áp, hút thuốc lá, đái tháo đường và nguy cơ liên quan đến yếu tố dinh dưỡng Các quốc gia và vùng lãnh thổ ở Đông Á, Đông Nam Á và Nam Á đang phải ghánh chịu nồng độ PM2,5 trung bình hàng năm cao nhất theo dân số Đáng chú ý, năm 2019, Việt Nam là quốc gia có nồng độ bụi PM2,5 trung bình (µg/m3) cao thứ 15 trên tổng số 98 quốc gia được khảo sát

Nồng độ PM2,5 trung bình tại Việt Nam ở mức 34,1 µg/m3, đây là mức nồng độ không tốt với mọi người, đặc biệt là những người nhạy cảm có nguy cơ gặp phải các vấn đề dị ứng và hô hấp Đáng lưu ý, WHO khuyến cáo ngưỡng phơi nhiễm PM2,5 trung bình hàng năm là 10 µg/m3

để giảm thiểu rủi ro ảnh hưởng sức khỏe tới con người [12] Như vậy, Việt Nam chúng ta đang

là quốc gia có nguy cơ cao do ô nhiễm bụi khí Các hoạt động nghiên cứu, đánh giá tác động của ô nhiễm không khí đến sức khỏe con người và xây dựng chính sách kiểm soát chất lượng không khí là một trong những vấn đề cấp thiết hiện nay tại Việt Nam và trên toàn thế giới Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về những vấn đề xung quanh bụi mịn, trong đó

sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như sử dụng đánh giá tương quan, mô hình lan truyền, giải đoán vệ tinh hoặc sử dụng phương pháp phân tích hóa học để nghiên cứu về nguồn phát thải, đặc điểm vật lý và hóa học của các loại bụi [6] Hiện nay, một số nghiên cứu quan trắc môi trường trong nước đang tiến hành xác định một số nhân phóng xạ trong mẫu bụi TSP, đồng thời kết hợp nghiên cứu nồng độ của một số nguyên tố chủ yếu Trong báo cáo này chúng tôi trình bày về phương pháp phân tích huỳnh quang tia X để phân tích một số nguyên tố chủ yếu trong mẫu TSP Để đánh giá chất lượng và độ tin cậy của phương pháp phân tích, một số mẫu chuẩn quốc tế cũng đã được phân tích bởi cùng một phương pháp

2 KỸ THUẬT PHÂN TÍCH HUỲNH QUANG TIA X

Tia X là bức xạ điện từ có bước sóng từ 10-5-100A, được tạo ra do sự hãm đột ngột của điện tử năng lượng cao hoặc bởi sự dịch chuyển điện tử từ mức năng lượng cao về mức năng lượng thấp trong nguyên tử Do đó ta có hai loại bức xạ tia X: bức xạ hãm và bức xạ đặc trưng Trong phương pháp phân tích phổ huỳnh quang tia X, ta quan tâm đến bức xạ tia X đặc trưng

vì nó giúp ta phân tích định tính và định lượng hàm lượng nguyên tố phát ra nó Hình 1 mô tả quá trình phát tia X đặc trưng (a) và quá trình phát electron Auger (b)

Cường độ tia X đặc trưng không chỉ phụ thuộc vào hàm lượng của nguyên tố mà còn phụ thuộc vào nhiều thông số vật lý, kỹ thuật khác liên quan đến nguồn bức xạ kích thích, các hằng

số nguyên tử của nguyên tố, thành phần và kích thước mẫu cũng như hình học nguồn-mẫu-detector [1, 4] Hình 2 dưới đây mô tả hình học nguồn-mẫu-nguồn-mẫu-detector minh họa cho phương pháp tính cường độ tia X huỳnh quang đặc trưng

Hình 1 Quá trình phát tia X đặc trưng (a) và quá trình phát electron Auger (b)

Hình 2 Hình học nguồn- mẫu- detector minh họa cho phương pháp tính cường độ tia X

huỳnh quang đặc trưng

Sơ đồ thí nghiệm như hình 2 và đảm bảo một số điều kiện khác như bề mặt mẫu phân tích phải phẳng và nhẵn, mẫu đồng nhất và các nguyên tố có trong mẫu phân bố đồng đều, chùm tia

sơ cấp dọi vào để kích thích mẫu và chùm tia X đặc trưng phát ra từ mẫu trong một góc hẹp Cường độ tia X đặc trưng của một nguyên tố j phát ra từ lớp dx của mẫu có thể tính theo công thức sau đây:

𝐼𝑗(𝑥)𝑑𝑥 =𝑔.𝐼0 𝑃𝑗 ,𝐸1.𝜇𝑗,𝐸1.𝜔𝑗.𝜌.𝐶𝑗

𝑠𝑖𝑛𝜑 𝑒𝑥𝑝 [− ∑𝑁 [(𝜇𝑖,𝐸1+ 𝜇𝑖,𝐸2).𝐶𝑖]

𝑖=1

𝜌𝑥 𝑠𝑖𝑛𝜑] 𝑑𝑥 (1) Trong đó:

- g là hệ số xác định bởi hiệu suất của detector và hệ số hình học nguồn- mẫu- detector

- 𝐼0 là cường độ nguồn tia X sơ cấp (tia X kích thích mẫu)

- 𝑃𝑗,𝐸1 là hiệu suất hấp thụ quang điện của nguyên tố j đối với tia X kích thích có năng lượng E1

- 𝜔𝑗 là hiệu suất phát tia X đặc trưng của nguyên tố j

- 𝜇𝑗,𝐸1 là hệ số hấp thụ khối của nguyên tố j đối với tia X kích thích có năng lượng E1

- 𝐶𝑗 là hàm lượng nguyên tố j có trong mẫu

- 𝜌 là mật độ của mẫu phân tích

Ngoài ra, trong công thức (1) còn bao hàm một biểu thức với ý nghĩa như sau:

𝑒𝑥𝑝 [− ∑𝑁 (𝜇𝑖,𝐸1 𝐶𝑖)

𝑖=1

𝜌𝑥 𝑠𝑖𝑛𝜑1] là phần tia X sơ cấp chiếu lên mẫu và đi được tới lớp dx nằm sâu trong mẫu, với: 𝜇𝑖,𝐸1 là hệ số hấp thụ khối của nguyên tử thứ i có trong mẫu đối với tia X sơ cấp có năng lượng E1; 𝐶𝑖 là hàm lượng nguyên tố thứ I có trong mẫu theo phần trăm; N là số nguyên tố hóa học có trong mẫu; x là bề dày mẫu; 𝜑1 là góc tạo bởi tia X kích thích và bề mặt mẫu

𝑒𝑥𝑝 [− ∑𝑁 (𝜇𝑖,𝐸2 𝐶𝑖)

𝑖=1

𝜌𝑥 𝑠𝑖𝑛𝜑2] là phần tia X đặc trưng sinh ra trong lớp dx và thoát được

ra khỏi mẫu để tới detector, tương tự như trên ta có: 𝜇𝑖,𝐸2 là hệ số hấp thụ khối của nguyên tử thứ i có trong mẫu đối với tia X đặc trưng có năng lượng E2; 𝜑2 là góc tạo bởi tia X đặc trưng

và bề mặt mẫu Để đơn giản hóa trong tính toán thường giả thiết 𝜑1 = 𝜑2 = 𝜑 Trong nghiên cứu này, mẫu bụi khí TSP là dạng mẫu mỏng Tích phân phương trình (1) và xét mẫu mỏng ta thu được kết quả trị cường độ tia X đặc trưng như sau:

𝐼𝑗 = 𝑔 𝐼0 𝑃𝑗,𝐸1 𝜇𝑗,𝐸1 𝜔𝑗 𝐶𝑗 𝜌 𝑥 (2)

Mặt khác, ta có: 𝐶𝑗 𝜌 𝑥 = 𝑚𝑗, với 𝑚𝑗 là khối lượng nguyên tố j phát tia X đặc trưng được tính theo đơn vị (g/cm2); trong điều kiện phân tích cụ thể giá trị tích của

𝑔 𝐼0 𝑃𝑗,𝐸1 𝜇𝑗,𝐸1 𝜔𝑗 được coi là một hằng số, chỉ phụ thuộc vào nguyên tố phát tia X đặc trưng

và điều kiện thực nghiệm mà không phụ thuộc vào ma trận mẫu, do đó có thể chuyển phương trình (2) thành:

𝐼𝑗 = 𝑅𝑗 𝑚𝑗 (3) Trong đó: 𝑅𝑗 = 𝑔 𝐼0 𝑃𝑗,𝐸1 𝜇𝑗,𝐸1 𝜔𝑗

Từ phương trình (3) cho thấy cường độ tia X đặc trưng phụ thuộc tuyến tính vào hàm lượng của nguyên tố Muốn đạt được độ nhạy cao cần:

- Bố trí hình học nguồn-mẫu-detector tối ưu để tăng giá trị của hệ số hình học g

- Chọn bức xạ kích thích có năng lượng thích hợp để tăng tiết diện hấp thụ quang điện

𝑃𝑗,𝐸1

- Tăng cường độ nguồn bức xạ sơ cấp 𝐼0 [1]

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phương pháp tham số cơ bản (FP) có sử dụng mẫu chuẩn để thực hiện phân tích phổ huỳnh quang tia X trong định tính và định lượng hàm lượng các nguyên tố có mặt trong mẫu Các nguyên tố hóa học có trong mẫu được kích thích bằng tia X sẽ phát ra các tia X có năng lượng đặc trưng cho từng nguyên tố Trong phân tích định tính, năng lượng tia X đặc trưng làm thông số đầu vào để nhận dạng các đỉnh năng lượng trong phổ huỳnh quang tia X Đối với phân tích định lượng, có hai bước trong phân tích XRF

sử dụng phương pháp tham số cơ bản FP Bước thứ nhất là hiệu chỉnh chức năng phản hồi cho từng nguyên tố từ một hoặc nhiều mẫu chuẩn, bước này được gọi là bước hiệu chuẩn Bước thứ hai là thiết lập các tham số cơ bản dùng để phân tích mẫu của một vật liệu nhất định, thông số đầu vào là các hệ số hiệu chuẩn được lưu trữ trước đó và các định nghĩa về mẫu (số lớp của mẫu, các nguyên tố hóa học trong mỗi lớp, mật độ,…) Phương pháp tham số cơ bản (FP) sử dụng mối quan hệ lý thuyết giữa cường độ tia X đo được và hàm lượng của các nguyên tố trong một mẫu nhất định [8] Các mẫu chuẩn và mẫu phân tích được thiết lập trong cùng một điều kiện đo Sau khi thiết lập các tham số sử dụng cho phép đo, phần mềm sẽ thực hiện các phép tính toán để đưa ra giá trị cường độ tia X đặc trưng và hàm lượng các nguyên tố trong mẫu

3 THIẾT BỊ THU GÓP MẪU

Thiết bị thu góp mẫu bụi khí (F&J Specialty Products, UHV600 Series) được tích hợp 2 kênh, kênh thu góp mẫu bụi tổng để phân tích phóng xạ và kênh thu góp mẫu bụi tổng để phân tích Iodine phóng xạ [10] Một phin lọc nữa được đặt trước đầu lọc Iodine Phin lọc này được

sử dụng làm mẫu để phân tích hàm lượng các nguyên tố hóa học chủ yếu Dưới đây là hình ảnh

thiết bị máy thu góp bụi khí được đặt tại các trạm quan trắc:

Hình 3 Thiết bị thu góp mẫu bụi khí

4 THIẾT BỊ PHÂN TÍCH MẪU

4.1 Phổ kế huỳnh quang SEA2100

Các mẫu sau khi thu góp được phân tích trên hệ phổ kế SEA2100 tại Viện Khoa học và

Kỹ thuật hạt nhân (KH&KTHN) Dưới đây là hình ảnh hệ phổ kế huỳnh quang SEA-2100:

Hình 4 Hệ phổ kế huỳnh quang SEA2100

Hệ phổ kế huỳnh quang SEA-2100 gồm: Buồng chứa mẫu chân không, ống phóng tia X, detector bán dẫn Si (Li), khối tiền khuếch đại và khuyếch đại (Amp), bộ biến đổi tương tự thành

số (ADC), khối phân tích biên độ đa kênh (MCA), máy tính (PC)

Buồng chứa mẫu có thể chứa mẫu có kích thước tối đa Ø 140~120𝑚𝑚 × 70𝑚𝑚 và được trang bị cửa sổ kính chì dùng để quan sát mẫu Thiết bị có thể phân tích mẫu rắn, lỏng và mẫu dạng bột Khi phân tích mẫu, buồng chứa mẫu luôn đóng và có thể đặt ở trạng thái chân không hoặc trạng thái bình thường

Detector bán dẫn Si(Li) được sử dụng để ghi nhận các tia X đặc trưng Detector có cửa

sổ Beryllium mỏng với diện tích vùng nhạy là 12 mm2 và được làm mát bằng ni tơ lỏng Bình chứa ni tơ lỏng có thể tích 10 L, với mức tiêu thụ trung bình khoảng 1 L/ngày

Ống phóng tia X là một ống chân không tạo ra các tia X sơ cấp Ống phóng tia X chứa một dây tóc, khi bị nung nóng trong chân không sẽ tạo ra các nhiệt điện tử Các nhiệt điện tử được tăng tốc bởi một điện áp cao và bắn phá một cực dương kim loại tạo ra tia X sơ cấp SEA2100 sử dụng bia Rhodium và điện áp 5KV, 15KV, 50KV được áp dụng cho các điện cực Khu vực phân tích mẫu có đường kính 10 mm [13] Ống phóng tia X là phần trung tâm của hệ SEA2100 và được ngâm trong dầu cách điện Cấu trúc của ống phóng tia X được mô tả trong hình sau

Hình 5 Ống phóng tia X

4.2 Sơ đồ khối và nguyên tắc hoạt động

Hình 6 Sơ đồ khối hệ phổ kế SEA2100

Nguyên tắc hoạt động của hệ phổ kế huỳnh quang SEA-2100 như sau: Chùm tia X sơ cấp được sinh ra từ ống phóng tia X chiếu vào mẫu, kích thích mẫu phát tia X huỳnh quang Tia X huỳnh quang tạo ra từ mẫu được ghi nhận bởi detector bán dẫn Si(Li) Tín hiệu lối ra của detector là xung dòng có tạp âm lớn, chưa phù hợp với lối vào của hệ điện tử phía sau Vì vậy, khối tiền khuếch đại được đặt ngay sau detector, nhiệm vụ của khối tiền khuếch đại là khuếch đại sơ bộ tín hiệu Tín hiệu được khuyếch đại sơ bộ được chuyển đến khối khuyếch đại Khối khuyếch đại chấp nhận các xung có biên độ nhỏ từ khối tiền khuyếch đại và sẽ khuyếch đại các xung này Ngoài ra, khối khuyếch đại còn có nhiệm vụ tạo dạng xung giúp cho phổ nhận được

có chất lượng cao Xung lối ra của khối khuyếch đại đi vào bộ biến đổi tương tự số (ADC) Bộ biến đổi tương tự số thực hiện việc phân tích biên độ xung và đưa thông tin vào khối phân tích

đa kênh Tín hiệu lối ra từ khối ADC là một con số nhị phân Độ lớn của số này tỷ lệ với biên

độ xung của lối vào Số nhị phân nhận được từ ADC thường được gọi là địa chỉ Cần lưu lại địa chỉ này để quan sát và phân tích tiếp theo Bên trong khối phân tích đa kênh có bộ nhớ để lưu trữ phổ và kèm theo phần mềm hiển thị cũng như phân tích phổ Phổ kế huỳnh quang SEA2100

sử dụng bộ phân tích biên độ đa khênh có thể bao phủ tới 2000 kênh Để có thể quan sát phổ và thực hiện các phép đo định tính và định lượng, cần kết nối với màn hình máy tính kèm theo phần mềm phân tích phổ [2, 15]

5 THU GÓP MẪU VÀ PHÂN TÍCH

Mẫu bụi TSP được thu góp hàng tháng tại 4 trạm cố định đặt tại Bãi Cháy (BC), Hải Phòng (HP), Lào Cai (LC) và Móng Cái (MC) một năm tròn từ tháng 7/2020 đến 6/2021 Đây

là những thành phố lớn, tập trung đông dân cư và gần với các nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành, Xương Giang của Trung Quốc Các trạm quan trắc này có nhiệm vụ quan trắc và đưa ra thông tin cảnh báo tình trạng phóng xạ trong môi trường nhằm phát hiện kịp thời mọi biến động phóng xạ và ứng phó khẩn cấp sự cố bức xạ và hạt nhân có nguồn gốc xuyên biên giới, đồng thời có thể kết hợp để thu góp mẫu bụi tổng dùng phin lọc đặt trước khi dòng khí đi đến phin lọc để thu góp mẫu cho phân tích Iodine Vì lý do an ninh nên các thiết bị này được đặt tại trạm quan trắc khí tượng của các tỉnh

Phin lọc được sử dụng trong nghiên cứu này là phin lọc FP-X được làm từ 100% vi sợi thủy tinh, có độ dày 0,3556 mm (0,014 inch) và đường kính 10 cm (diện tích 78,54 cm2), có tính trơ và kháng hóa chất cao Ngoài ra, phin lọc này còn có khả năng chịu nhiệt cao và có khả năng lưu giữ các hạt bụi có đường kính hạt bụi nằm trong khoảng 0,75-1,5 𝜇𝑚 với hiệu suất thu góp rất cao Sử dụng phin lọc FP-X thay cho giấy lọc xenlulozo thông thường có thể tăng khả năng thu thập tất cả các loại hạt bụi Điều này, đặc biệt hữu ích khi làm việc với các mẫu

có chứa nồng độ hạt rất cao Trước và sau khi thu góp mẫu, các phin lọc đều được cân để xác

định khối lượng bụi trên phin Các thông số liên quan trong quá trình thu góp mẫu đều được ghi chép đầy đủ

Để đại diện được cho cả tháng, các mẫu bụi TSP được thu góp theo chế độ có thể cài đặt trên máy, mỗi ngày chạy 8 giờ (chạy 1 giờ và nghỉ 2 giờ) với lưu lượng dòng khí qua phin là

90 L/phút Các mẫu mẫu thu được trên phin lọc FP-X có bề mặt đồng đều và mỏng, được sử dụng đo trực tiếp trong phép phân tích huỳnh quang tia X [9, 10, 11] Dưới đây là hình ảnh mẫu sau thu góp trên phin lọc FP-X sau khi thu góp mẫu bụi khí:

Hình 7 Hình ảnh mẫu bụi khí TSP

Phổ kế ED-XRF model SEA-2110 sử dụng trong nghiên cứu được thiết lập chế độ phân tích mẫu cho mẫu dạng phin lọc với cao thế 50 kV, thời gian kích thích mẫu để thu phổ đặc trưng là 900 sec cho mỗi mẫu Mẫu đo được đặt trong buồng chân không để hạn chế sự hấp thụ bức xạ đặc trưng đi đến detector bán dẫn Si(Li) Các phổ thu được được xử lý bằng phần mềm chuyên dụng đi kèm thiết bị mang tên X-Ray Station phiên bản 6.11.0.0 do công ty SEIKO Instruments của Nhật Bản chế tạo Phin trắng và mẫu đo được phân tích trong điều kiện phân tích như nhau Nồng độ các nguyên tố trong mẫu trắng đã được loại trừ trong kết quả báo cáo

6 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

41 mẫu bụi TSP tại 4 trạm quan trắc trong thời gian một năm tròn từ 7/2020 đến tháng 6/2021 đã được phân tích Nồng độ bụi tổng TSP và hàm lượng 10 nguyên tố hóa học chủ yếu như Si, K, Ca, Cr, Fe, Cu, Zn, Sr, Zr and Pb, trong một mét khối không khí đã được xác định với sai số tương đối trung bình nhỏ hơn khoảng 35% tùy thuộc vào nồng độ của các nguyên tố

Ví dụ như Si, K, Fe, Zn, Pb thì sai số này nhỏ hơn 20% còn các nguyên tố khác sai số lớn hơn

do nồng độ quá nhỏ Phổ đặc trưng tiêu biểu được trình bày trong hình 8 dưới đây

Hình 8 Phổ đặc trưng tiêu biểu của mẫu bụi tổng TSP

Dải nồng độ bụi tổng TSP, hàm lượng các nguyên tố hóa học và giá trị trung bình, độ lệch chuẩn tương ứng được trình bày trong bảng 1 Sơ bộ có thể nhận thấy hàm lượng các nguyên

tố có nguồn gốc từ bụi đất như Si, Fe, Ca chiếm nhiều hơn cả, tiếp đến là các nguyên tố phát sinh từ giao thông vận tải như Zn, V, Ti, Pb và các hoạt động công nghiệp… Các tác giả vẫn đang tiếp tục thu góp và phân tích mẫu, đồng thời xử lý thông kê số liệu thu được để có được các kết luận cụ thể hơn về loại bụi TSP này

Số liệu chi tiết cho từng nguyên tố và sai số tương ứng được trình bày trong bảng 1 và bảng 2 Trong đó TSP là nồng độ bụi tổng với đơn vị là g/m3 HL (ng/m3) – Hàm lượng và SS (ng/m3) – Sai số hàm lượng

Bảng 1 Dải nồng độ bụi tổng TSP, hàm lượng các nguyên tố hóa học và giá trị trung bình,

độ lệch chuẩn tương ứng, đơn vị ng/m3 Chỉ tiêu/ ng.tố Min Max Trung bình Độ lệch chuẩn

Bảng 2 Nồng độ bụi tổng TSP và hàm lượng các nguyên tố hóa học

Ký hiệu

mẫu

Nồng

độ TSP,

g/m 3

Hàm lượng các nguyên tố hóa học, ng/m3

BC 7-20 35.941 1573 21 356 45 1175 345 369 19 1.1 0.6

BC 8-20 52.109 2426 53 1439 171 1643 462 852 32 3.3 1.1

BC 9-20 66.648 3303 74 833 114 1287 515 1109 45 nd

BC 10-20 94.909 4014 86 1402 163 2902 716 741 37 4.9 2.0

BC 11-20 94.676 3603 78 1940 246 2596 710 1761 53 2.9 0.8

BC 12-20 95.346 4324 94 951 124 2530 737 2240 59 6.9 3.8

BC 1-21 256.894 5631 123 63 9 2083 758 3849 77 28.6 12.7

BC 3-21 114.631 2766 63 1315 165 2730 734 1581 52 nd

BC 4-21 76.128 3281 72 2443 314 1822 577 1043 42 nd

BC 5-21 44.944 2168 50 63 14 139 113 661 38 nd

BC 6-21 51.631 2665 60 491 71 1351 532 785 38 nd

HP 7-20 111.647 2908 66 2109 306 1109 468 409 32 nd

HP 8-20 37.890 2677 59 313 44 687 308 442 26 2.7 0.8

HP 9-20 30.430 3916 83 1689 221 1401 493 236 22 nd

HP 10-20 95.458 3674 81 697 96 1114 478 740 38 1.0 0.3

HP 11-20 95.521 3704 80 2991 370 2155 625 1327 48 2.3 1.3

HP 12-20 95.838 3790 85 2790 354 2249 681 1515 53 9.6 8.8

HP 1-21 95.736 2757 63 2869 371 1836 603 1783 55 5.6 2.2

HP 3-21 71.991 3548 76 2156 246 2784 680 823 36 2.2 1.2

HP 4-21 31.613 4191 89 2880 343 2985 696 492 33 nd

HP 5-21 20.643 3760 79 661 84 1650 543 367 27 nd

HP 6-21 26.471 2651 58 2051 268 1453 491 559 34 1.3 0.4

LC 7-20 44.721 805 19 958 110 1042 282 1009 24 2.9 1.6

LC 8-20 54.437 6663 148 63 13 353 251 1250 68 2.4 0.7

LC 9-20 43.718 1638 37 746 101 1776 545 782 33 nd

LC 10-20 78.568 2720 61 2173 251 2636 625 1274 42 3.0 1.6

LC 11-20 78.505 2596 58 1617 201 1917 562 1262 42 3.0 1.7

LC 12-20 83.342 1780 42 1215 142 2236 586 1583 44 nd

LC 1-21 95.650 2205 52 3186 372 2819 727 2042 57 6.1 2.8

LC 2-21 50.897 2437 54 600 71 1683 543 796 35 1.3 0.4

LC 3-21 61.078 805 20 63 9 1394 503 1408 43 3.8 1.3

MC 7-20 36.683 1858 42 63 14 115 34 430 25 1.0 0.3

MC 8-20 39.187 2517 58 63 13 115 93 637 36 nd

MC 10-20 95.364 3634 78 2064 261 1945 584 803 36 4.9 1.5

MC 11-20 176.216 3195 70 1819 218 2503 688 1935 55 3.5 1.2

MC 12-20 176.148 3937 88 516 72 1665 635 2913 66 20.4 11.2

MC 1-21 91.265 3627 83 653 93 1589 627 3124 68 10.4 9.5

MC 3-21 127.468 10608 229 5023 642 4871 1538 1480 93 nd

MC 4-21 53.684 3358 75 1543 202 1987 627 1069 43 3.9 1.7

MC 5-21 48.344 3130 69 2775 321 2589 651 979 40 0.8 0.2

MC 6-21 61.943 2475 56 63 8 1622 601 1565 51 1.5 0.4

Bảng 3 Hàm lượng các nguyên tố hóa học

Ký hiệu

mẫu

Hàm lượng các nguyên tố hóa học, ng/m3

BC 7-20 24.4 1.8 1096.3 65.6 7.6 0.4 19.0 1.7 nd

BC 8-20 63.1 4.0 1224.0 75.4 10.4 0.5 24.5 2.2 31.8 5.4

BC 9-20 26.7 2.2 1583.8 99.4 14.1 0.7 36.8 3.3 nd

BC 10-20 28.1 2.2 1965.8 119.4 12.7 0.6 36.2 3.2 40.8 7.1

BC 11-20 19.5 1.6 1115.1 71.0 20.5 1.0 32.2 2.9 51.8 24.1

BC 12-20 6.6 0.6 1074.6 70.1 16.7 0.8 46.8 4.1 69.2 21.9

BC 1-21 nd 695.3 50.8 26.6 1.3 56.8 5.2 72.7 24.5

BC 3-21 3.9 0.4 1509.9 96.0 16.1 0.8 35.7 3.3 16.8 3.0

BC 4-21 14.5 1.2 1520.9 93.2 12.6 0.6 36.8 3.2 nd

BC 5-21 44.9 3.4 2060.5 127.1 18.9 0.9 32.8 3.0 nd

BC 6-21 32.7 2.6 1967.8 121.0 16.6 0.8 35.0 3.1 23.6 5.9

HP 7-20 73.0 5.1 2493.7 151.3 18.4 0.9 33.6 3.0 0.6 0.1

HP 8-20 31.7 2.4 1913.7 115.5 9.3 0.5 16.6 1.6 42.9 15.2

HP 9-20 47.1 3.4 2113.6 125.0 10.5 0.5 25.2 2.3 nd

HP 10-20 48.5 3.7 2565.2 155.0 17.4 0.8 31.8 2.9 53.5 23.5

HP 11-20 23.0 1.9 1740.4 107.2 17.4 0.8 23.9 2.3 81.8 17.6

HP 12-20 43.5 3.4 2363.5 147.0 19.4 1.0 44.4 3.9 74.8 20.4

HP 1-21 44.7 3.4 2067.1 127.8 10.2 0.5 33.2 3.1 94.4 15.6

HP 3-21 22.7 1.8 1634.8 99.0 9.6 0.5 29.8 2.7 22.2 4.4

HP 4-21 44.0 3.2 2074.3 124.6 11.3 0.6 28.4 2.6 32.0 4.8

HP 5-21 40.7 2.9 1723.6 102.1 8.3 0.4 21.1 2.0 34.4 4.6

HP 6-21 37.3 2.7 1709.4 102.4 10.7 0.5 31.0 2.7 39.6 6.9

LC 7-20 5.3 0.5 695.3 44.4 7.2 0.4 15.6 1.4 23.5 8.3

LC 8-20 81.6 6.1 4115.8 250.5 24.6 1.2 58.0 5.3 69.2 8.7

LC 9-20 37.7 2.8 1657.2 100.4 13.6 0.6 29.2 2.6 39.6 19.1

LC 10-20 23.2 1.9 1401.8 87.6 10.5 0.5 20.2 2.0 44.6 7.6

LC 11-20 21.6 1.8 1533.8 95.4 12.7 0.6 25.6 2.3 47.8 18.8

LC 12-20 1.8 0.2 1116.4 72.1 10.3 0.5 29.0 2.7 67.5 11.9

LC 1-21 12.3 1.1 1519.5 97.8 13.4 0.7 32.6 3.1 81.2 17.8

LC 2-21 57.1 4.0 1950.3 117.7 16.7 0.8 30.6 2.7 43.7 20.7

LC 3-21 7.2 0.6 1649.3 102.5 15.1 0.7 26.7 2.5 57.6 16.3

MC 7-20 22.7 1.8 1225.5 75.0 10.0 0.5 22.4 2.0 nd

MC 8-20 36.2 2.8 1926.5 118.4 13.1 0.6 34.7 3.1 nd

MC 10-20 19.0 1.5 1464.4 89.3 7.5 0.4 34.4 3.0 39.7 6.0

MC 11-20 nd 998.8 63.8 14.7 0.7 30.9 2.8 66.2 21.0

MC 12-20 nd 897.7 59.4 16.2 0.8 47.0 4.1 33.8 5.1

MC 1-21 nd 1048.0 70.1 19.1 1.0 50.4 4.4 74.4 19.9

MC 3-21 73.4 5.7 4649.5 283.5 19.1 1.0 77.5 7.1 111.1 16.7

MC 4-21 27.3 2.2 1875.0 115.9 11.4 0.6 31.6 2.9 nd

MC 5-21 14.0 1.2 1485.5 91.7 11.2 0.6 32.2 2.9 36.6 5.5

MC 6-21 13.4 1.1 1906.4 116.6 17.8 0.9 38.2 3.4 nd