Tổng quan về ô nhiễm bụi PM10

Chương I Tổng quan ô nhiễm bụi PM10 Môi trường không khí bị ô nhiễm yếu tố tự nhiên hoạt động phục vụ sống người trực tiếp gián tiếp tác động lên môi trường không khí với quy mô, phương thức mức độ khác nhau, làm thay đổi mô hình, thành phần hoá học, tính chất vật lý sinh học môi trường không khí Môi trường không khí bị ô nhiễm gây ảnh hưởng tới sức khoẻ người, gây ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng, phát triển động, thực vật, phá huỷ vật liệu, làm giảm cảnh quan môi trường Sáu chất gây ô nhiễm quan trọng không khí là: CO, SO x mà chủ yếu SO2; Hydro cacbon; NOx chủ yếu NO2 NO; O3 bụi bay (bụi lơ lửng, bụi hô hấp) PM10 [1] Ngoài chất gây ô nhiễm thường phân tán rộng không gian khí sau rơi xuống tạo mưa Axit, gây phá huỷ môi trường đất nước Sức khoẻ người bị tác động mạnh không khí ô nhiễm bụi Các hạt lớn lọc bỏ xoang mũi, hầu khí quản, hạt có đường kính nhỏ đến phế quản tế bào gây tổn thương nặng cho quan hô hấp, phổi nhiễm bụi thạch anh (silicose) hít thở phải không khí có chứa bụi đioxit silic lâu ngày [2] 1.1 Ô nhiễm bụi khí PM10 1.1.1 Định nghĩa đặc trưng PM10 1.1.1.1 Định nghĩa PM10 Bụi tập hợp nhiều hạt rắn, có kích thước khác tồn lâu không khí Tính chất bụi định thành phần hoá học kích thước hạt bụi Bụi có đường kính khí động học lớn 10µm, thường rơi nhanh xuống đất theo định luật Niutơn với tốc độ tăng dần Bụi có đường kính khí động học từ 0,001÷10µm hay gọi tắt PM10 chuyển động theo kiểu Brao rơi xuống đất với vận tốc không đổi theo định luật Stok [2] PM10 phân loại thành hai loại theo đường kính khí động học:  Bụi thô PM2,5-10: bụi có đường kính khí động học từ 2,5÷10μm  Bụi mịn PM2,5: bụi có đường kính khí động học nhỏ 2,5μm 1.1.1.2 Đặc trưng PM10 a) Tính chất phân tán Phân tán tỷ lệ phân bố bụi theo cấp hạt không khí Tính chất phân tán phụ thuộc vào trọng lượng hạt bụi sức cản không khí Bảng 1.1 giới thiệu mức độ phân tán số loại bụi sản xuất [2] Bảng 1.1 Tỷ lệ % bụi PM10 theo kích thước Thao tác Tiện Phay Mài Loại bụi Gỗ Kim loại Đá ≤ 2μm 48 37 62 ÷ 5μm 20.0 31.5 24.5 ÷ 10μm 20.0 9.5 10.0 Bảng 1.2 Tỷ lệ bụi cao lanh lắng đọng đường hô hấp Kích thước (μm) 0.5 0.9 1.3 1.6 5.0 % lắng đọng chung 47.8 63.5 68.5 71.7 92.3 % lắng đọng đường hô hấp 9.2 16.5 26.5 46.5 82.7 % lắng đọng phế bào 34.5 50.5 34.8 25.9 9.8 Tuỳ theo mức độ phân tán bụi, lắng đọng bụi khác phận khác quan hô hấp Bảng 1.2 giới thiệu lắng đọng bụi cao lanh đường hô hấp theo Paul, Hatch, 1956 [2] Số liệu bảng cho thấy % bụi lắng đọng đường hô hấp tăng theo kích thước hạt bụi, bụi lắng đọng phế bào thường hạt bụi có kích thước 2μm b) Tính chất nhiễm điện hạt bụi Nhờ kính hiển vi người ta xác định điện tích hạt bụi Bụi đặt điện 3000V bị hút với tốc độ khác tuỳ theo kích thước hạt bụi Do đó, thiết kế hệ thống xử lý, phân tích bụi tĩnh điện cần lưu ý đến kích thước hạt bụi Bảng 1.3 Tốc độ hút bụi điện 3000V [2] Đường kính (μm) 100 10.0 1.00 0.10 Tốc độ (cm/s) 885 88.5 8.85 0.88 c) Tính chất cháy nổ Bụi nhỏ diện tích tiếp xúc với ôxy lớn tính hoá học mạnh dễ bốc cháy, dễ gây nổ Vì cần nghiêm cấm việc dùng lửa, tia lửa điện, đèn bảo vệ nơi sản xuất sinh nhiều bụi dễ cháy nổ d) Tính chất lắng bụi nhiệt Nếu cho PM10 chuyển động từ ống có nhiệt độ cao sang ống có nhiệt độ thấp nhiều có có tượng phần lớn PM10 lắng đọng bề mặt ống lạnh Hiện tượng trầm lắng hạt bụi giảm tốc độ chuyển động phân tử khí ảnh hưởng nhiệt độ 1.1.2 Nguồn gốc ô nhiễm bụi khí PM10 Bụi sinh trình vận động tự nhiên động đất, núi lửa, sol khí biển, cháy rừng, động đất, bão bụi, bụi thực vật bụi gỗ, bông, bụi phấn hoa hay bụi động vật len, lông Và sinh từ trình hoạt động sản xuất sinh hoạt người giao thông vận tải, nhựa hoá học, cao su, cement bụi kim loại, bụi hỗn hợp mài, đúc Nếu xét bụi khí mịn PM2,5 nguồn phát thải đốt nhiên liệu chiếm phần chủ yếu Đặc biệt, ammonium sulphate, nitrate, cac-bon hữu cac-bon đen sinh từ nguồn đốt nhiên liệu chiếm đến 50% bụi mịn 1.1.2.1 Nguồn gốc tự nhiên PM10 Đây nguồn bụi tượng thiên nhiên núi lửa, động đất, cháy rừng, bão bụi, bụi biển, trình phân huỷ loại động vật, thực vật; trình phát tán phấn hoa, bào tử; len, lông động vật Bảng 1.4 Nguồn gốc thành phần bụi tự nhiên [5] Nguồn gốc Núi lửa Thành phần CO2, CO, SO2 dẫn xuất S, Kim loại nặng – Khoáng Hô hấp sinh vật CO2 Nhiên liệu hóa thạch SO2 dẫn xuất S Thực vật, vi khuẩn Hydrocarbure, phấn hoa, bào tử Sương mù biển - Vi khuẩn SO2, dẫn xuất S, dẫn xuất N Thiên thạch Kim loại nặng - Khoáng Xâm thực gió Kim loại nặng - Khoáng Cháy rừng Hợp chất hữu tự nhiên 1.1.2.2 Nguồn gốc nhân tạo PM10 Nguồn phát sinh bụi đa dạng, phức tạp chia nhiều loại khác nhau, tóm tắt theo bảng 1.5 sau: Bảng 1.5 Nguồn gốc thành phần bụi nhân tạo [8] Nguồn gốc Sản xuất lượng Dạng bụi Bụi tro, bồ hóng Chế biến than Luyện kim Bụi than Bụi lò Công nghiệp hoá chất Bụi công nghiệp Công nghiệp xây dựng Công nghiệp thuỷ tinh Bụi khoáng Bụi thuỷ tinh Giao thông Bụi đường phố Nông nghiệp Phân bón, bụi lúa, bụi thức ăn gia súc Bụi gỗ Bụi sợi Công nghiệp gỗ Công nghiệp dệt Thành phần SiO2, 2CaO.SiO2, CaO, CaSO4, CaCO3, C, Ca(AlO2)2 C, bụi than cốc Ôxyt kim loại, kim loại, phụ gia, bụi quặng Sunfat, clorit, phôtphat, Ca, ôxyt kim loại, nhựa Ximăng, thạch cao, bụi xỷ Thạch anh, silicat, ôxyt kim loại, phi kim loại Dầu, xăng, bồ hóng, cặn cao su, hữu cơ, hợp chất chì Phân bón, thuốc trừ sâu Xenlulo Vải bông, vải sợi nhân tạo 1.1.3 Tác hại ô nhiễm bụi khí PM10 Các hạt bụi PM10 theo không khí thở, kích thước nhỏ nên chúng vào đến phế nang, đọng phổi đường hô hấp gây số bệnh ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ Như bụi chì, thuỷ ngân, benzen gây nhiễm độc Bụi bông, gai, phân hoá học, số tinh dầu gỗ… gây dị ứng, viêm mũi, hen, ban… Bụi quặng, Crom… gây ung thư Bụi thạch anh, quặng Amiăng gây xơ hoá phổi…[2] Một nghiên cứu Thái Lan cho thấy, giảm 10µg PM10 1m3 không khí số tử vong bệnh tim mạch 3-6% bệnh hô hấp rút bớt 1-2% [6] Ngoài phải kể đến ảnh hưởng đến đời sống động, thực vật tác động tiêu cực đến khí hậu PM10 1.1.3.1 Tác hại nguyên tố đến sức khoẻ người, động, thực vật Như tóm tắt bảng 1.5, PM10 chứa nguyên tố vô As, Al, Cr, Fe, Mn, Ni, Pb, S, Si, V, Zn, K, Ca, Ti, Mg, Cu Có thành phần hữu etylen, xenlulo, Hydrocacbon đa nhân thơm Và cấu tạo từ hợp chất CO, SO2, SO3, HCl, NH3, H2S, NO, NO2, Miăng Chính vậy, người, hay động vật hít thở, tiếp xúc với không khí ô nhiễm PM10, thể bị tác động thành phần hoá học a) Đối với sức khoẻ người động vật: PM10 tác hại trực tiếp đến người động vật, trước hết qua đường hô hấp, chúng gây nên bệnh cho phổi, phế quản Mặt khác chúng gây nên bệnh cho da mắt, nguy hiểm số loại bụi gây ung thư Những tác hại khác ảnh hưởng lên thể khác thành phần cấu tạo nên bụi Bảng 1.6 Tác hại số nguyên tố hoá học thể người [2] Nguyên tố As Tác hại As hấp thụ qua da gây viêm da, viêm phổi Cr Cr dạng hợp chất hoá trị 3, chất độc thể người động vật Fe Phổi bị nhiễm sắt nguyên tố bị viêm, sau chúng chuyển sang dạng gây ung thư có tác dụng giữ SO2 nằm sâu phổi Mn Mn làm nhiễm độc hệ thần kinh trung ương Ni Ni gây ung thư phổi, ung thư xoang, rối loạn hệ thống hô hấp Pb Pb làm ngăn trở trình tạo tế bào máu, 30÷50% chì hô hấp vào thể hấp thụ người, máu gây nhiễm độc chì, đặc biệt trẻ em phụ nữ hấp thụ chì mạnh V V gây chứng bệnh tim ung thư Zn Kẽm ăn mòn da, kích thích gây hư hại màng nhầy Bảng 1.7 Tác hại số nguyên tố động vật [2] Nguyên tố As Tác hại As gây phồng rộp hệ hô hấp, hệ tiêu hoá, phá huỷ tế bào máu làm hư hại thận Cd Cd làm giảm khả cho sữa bò, lợn bị chết nhiễm lượng nhỏ F F gây biếng ăn, chóng già, giảm cân, liệt, run giật bắp cuối gây tử vong Pb Pb gây liệt, rối loạn hệ thần kinh, tê liệt hệ tiêu hoá, phá hỏng hệ tuần hoàn; Hg gây hư hại não, run giật Zn Zn làm gầy yếu, sưng khớp xương gây què Đối với thực vật: Việc nghiên cứu tác động lên thực vật quan trọng, từ tác hại cho ta thấy tác hại đến người Tế bào nguyên sinh thực vật gồm ba phần: Màng tế bào, nguyên sinh chất dịch vô Các tế bào thực vật có màng mỏng nên chúng dễ bị hư hại ô nhiễm không khí PM10 có kích thước bé, dễ dàng khuếch tán qua màng tế bào thực vật, làm thay đổi mối quan hệ bình thường tế bào thực vật với nước, nguyên nhân làm khô cứng làm rách cấu trúc tế bào, từ phá hoại mô dẫn đến trình chết hoại thấy rõ ràng thực vật Các thành phần nguyên tố, hợp chất có PM10 tác động đến thực vật sau: As làm chết thực vật có tính hút ẩm mạnh; Be kìm hãm khả phát triển trồng; B làm cho thực vật phát triển không bình thường; làm khô héo chết thực vật; CO phá vỡ khả ngưng kết nitrogen vi khuẩn tự cản trở khả tích trữ nitrogen rễ họ đậu làm cho thực vật rơi vào tình trạng thiếu chất đạm; Cl làm quăn mép lá, cuống bị chết hoại, phiến bị tẩy trắng; Cr có tính độc, nhiên tuỳ thuộc vào loại thực vật nồng độ Cr; F gây tổn hại cho làm chết ống dẫn cung cấp dinh dưỡng; Hg làm úa vàng, rụng lá, làm giảm khả phát triển thực vật 1.1.3.2 Thay đổi khí hậu ô nhiễm PM10 Khí hậu trái đất đóng vai trò vô quan trọng sống muôn loài trái đất Nước bốc từ mặt đất, mặt biển chất ô nhiễm hoạt động người bay vào khí làm thay đổi thành phần cấu tạo khí mà nhiệt độ mặt đất khí hình thành ổn định cân nhiệt lượng mặt trời lượng trao đổi nhiệt mặt đất môi trường khí quyển, trạng thái, thành phần khí bị thay đổi hiệu trao đổi giảm, làm cân nhiệt Đặc biệt phụ thuộc vào nồng độ CO số khí khác gây hiệu ứng nhà kính a Hiệu ứng nhà kính Căn vào số liệu thống kê quan trắc mạng lưới khí tượng giới nhiệt độ trái đất thực tế cao trị số nhiệt độ tương đương mặt trái đất tính toán lý thuyết Nguyên nhân khác biệt "hiệu ứng nhà kính" khí [1] Bảng 1.7 cho ta thấy tình hình phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính Bảng 1.8 Các khí nhà kính đặc trưng chúng [1] Khí nhà kính Nồng độ khí (ppm) Mức tăng nồng độ trung bình năm (%) Hệ số nhà kính tương đương (đối với CO2=1) Tỷ lệ hiệu ứng nhà kính (%) Nguồn gây ô nhiễm khí nhà kính CO2 351 0.4 57 Đốt nhiên liệu hoá thạch, phá rừng 0.00225 5.0 15000 25 Sol khí, tác nhân làm lạnh, dung môi CH4 1.675 1.0 25 12 N2O 0.31 0.2 230 Khí CFC Đất ngập nước, trồng lúa, sinh hoạt người, nhiên liệu hoá thạch Đốt nhiên liệu, sản xuất phân bón, phá rừng Hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng lên, gây tác hại lớn lên sống trái đất, làm tan biển núi băng hai cực trái đất, lượng băng tan làm cho mực nước biển nâng cao nước tràn lên vùng đồng rộng lớn ven biển Theo tính toán mực nước biển tăng cao 0,25 m nhiệt độ trái đất tăng lên 10 biện pháp giảm thiểu khí nhà kính mực nước biển dâng cao tới 1-3m vào cuối kỷ tới [1] b Lỗ thủng tầng Ozon Như biết, tác dụng tia xạ mặt trời trì sống trái đất Tác dụng phụ thuộc vào độ dài thời gian ban ngày, độ cao mặt trời, độ che phủ mây, độ ẩm độ nhiễm bẩn không khí [1] Bầu khí có tác dụng khuếch tán, hấp thụ lọc phần lớn xạ mặt trời, có ánh sáng nhìn thấy, phần tia tử ngoại phần sóng Radio lọt qua chiếu xuống trái đất Tầng Ozon “cái ô bảo vệ" sống trái đất mà có tác dụng che chắn tia tử ngoại cực ngắn chiếu xuống trái đất Một số năm gần đây, nhà khoa học nhận thấy nồng độ Ozon khí cực nam bán cầu trái đất suy giảm gia tăng sử dụng chất CFC(Clo florua cacbon) hay CFM(Clo Florua Metan)- chất trao đổi nhiệt bình khí nén kỹ thuật làm lạnh Chúng khí trơ với phản ứng hoá học khí chúng tích luỹ tầng cao khí quyển, tác dụng tia xạ tử ngoại giải phóng nguyên tử Clo, nguyên tử Clo phản ứng dây chuyền với 100 000 nguyên tử Ozon làm hụt lượng Ozon đáng kể Vì giảm 40% nồng độ Ozon cực Nam trái đất người xử dụng nhiều chất CFC CFM [1] Các hợp chất NOx, halogen hữu gây nguy hiểm cho tầng Ozon Tăng xạ tử ngoại chiếu mặt đất làm tăng bệnh ung thư da, bệnh khô mắt, rối loạn chế miễn dịch người làm rối loạn hệ sinh thái biển đời sống thực vật mặt đất, biến đổi khí hậu Giảm thiểu ô nhiễm môi trường khí giảm biến đổi khí hậu, giữ cho nhiệt độ trái đất không tăng lên mối quan tâm hàng đầu nhiều nước 1.1.4 Thực trạng ô nhiễm bụi khí PM10 [7] Tổ chức Y tế giới (WHO) vừa đưa lời cảnh báo tình trạng ô nhiễm không khí châu Á ngày trầm trọng, nguyên nhân khiến có tới nửa triệu người khu vực tử vong năm Tình trạng ô nhiễm diễn đặc biệt nghiêm trọng khu vực Đông Nam Á Trung Quốc Ở nước ta hàm lượng PM10 trung bình năm Trạm Láng 98 mg/m 3, cao gấp hai lần tiêu chuẩn cho phép nhiều nước giới Số ngày có hàm lượng vượt tiêu chuẩn ngày (150m g/m3) chiếm đến 30% Hàm lượng PM10 cao khu vực dân cư đông đúc nội thành Một số kết quan trắc bước đầu cho thấy tác nhân ô nhiễm có phạm vi lan rộng xa, đến tận vùng quê hẻo lánh Cũng không loại trừ khả phận bụi mịn xuất phát từ bên xâm nhập vào lãnh thổ Việt Nam lan truyền khối không khí So với tác nhân ô nhiễm không khí tiêu chuẩn hóa giới (chì, NO2 NOX, ozone, v.v ) ô nhiễm bụi khí PM10 nước ta trầm trọng Trên địa bàn Hà Nội, năm có khoảng 1.500 người nhập viện mắc bệnh hô hấp (viêm phổi, viêm phế quản bệnh hô hấp khác) hít phải nồng độ bụi nhiều Ô nhiễm bụi khí PM10 mùa khô cao mùa mưa, cao gấp hai lần Hà Nội 1,6 lần Tp HCM Đặc biệt vào thời kỳ có nghịch nhiệt sát mặt đất ban đêm, từ tháng 11 đến tháng 2-3, hàm lượng PM10 Hà Nội có lên đến mg/m3 Việc quét dọn đường phố vào lúc chập tối lại tung thêm bụi đất vào môi trường //còn thiếu 1.2 Nghiên cứu ô nhiễm bụi khí PM10 Việt Nam giới Vấn đề bụi khí PM10 nghiên cứu thành phố Hồ Chí Minh từ 1996 (Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt), gần Hà Nội, Thái Nguyên, Việt Trì Tại Hà Nội tiến hành quan trắc liên tục theo chế độ 24 Trạm khí tượng Láng quan trắc không định kỳ số nơi khác, từ dựng lên tranh tương đối toàn diện mức độ ô nhiễm, nguồn phát thải số quy luật tương quan phổ biến PM10 với yếu tố khí tượng, thời tiết [?] Trên giới, vấn đề ô nhiễm bụi khí nghiên cứu nhiều năm nước phát triển, số nước phát triển bắt đầu quan tâm nghiên cứu Đã có nhiều công trình nghiên cứu thực hiện, quy mô lớn Mỹ, Mỹ tài trợ cho nhiều dự án toàn cầu ACE… //cần bổ xung 1.3 Kỹ thuật phân tích hạt nhân áp dụng nghiên cứu bụi PM10 1.3.1 Các kỹ thuật thu góp mẫu bụi khí PM10 Lấy mẫu bụi thực theo nhiều phương pháp Các phương pháp lựa chọn phụ thuộc vào tính chất vật lý bụi kích cỡ, mật độ, trọng lượng hạt bụi Đối với PM10, kỹ thuật lấy mẫu kỹ thuật lọc kỹ thuật dùng giấy lọc [2] Kỹ thuật lọc phương pháp bị động, bụi PM10 thu góp thiết bị hút khí, hạt bụi chuyển động theo dòng khí giữ lại lọc Xác định trọng lượng bụi thông qua trọng lượng lọc trước sau lấy mẫu, tính theo đơn vị µg Kỹ thuật góp mẫu bụi giấy lọc phương pháp chủ động Hệ thống bao gồm bơm để hút dòng khí chứa bụi, sau qua giấy lọc bụi giữ lại, bơm hoạt động theo chế độ người sử dụng cài đặt 1.3.2 Các kỹ thuật hạt nhân phân tích thành phần hoá học PM10 Sự đời phát triển phương pháp phân tích hạt nhân gắn liền với thành tựu vật lý kỹ thuật hạt nhân đại Các phương pháp phân tích hạt nhân có ưu điểm bản: độ nhạy độ xác cao, tốc độ phân tích nhanh, mẫu phân tích không bị phá huỷ tiến hành phân tích đồng thời nhiều nguyên tố Mặt khác, điều kiện kỹ thuật cho phép, phương pháp phân tích hạt nhân tự động hoá toàn quy trình phân tích - ưu điểm mà nhiều phương pháp phân tích khác Các phương pháp phân tích hạt nhân xây dựng sở hiệu ứng vật lý liên quan tới trình biến đổi trạng thái hạt nhân nguyên tử Những đại lượng vật lý làm sở cho việc nhận diện xác định hàm lượng nguyên tố cường độ lượng xạ phát đo xử lý kỹ thuật hạt nhân Hiện có nhiều phương pháp phân tích hạt nhân:  Phương pháp phân tích kích hoạt hạt nhân  Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X 10  Phương pháp phân tích Urani  Phương pháp phân tích dựa hiệu ứng tán xạ ngược Rutherford (RBS)  Phương pháp phân tích cacbon phóng xạ dùng khối phổ kế gia tốc (AMS)… Mỗi phương pháp có khả đáp ứng yêu cầu khác Ở nước ta phương pháp phân tích kích hoạt, phân tích huỳnh quang tia X triển khai từ năm 1970 Phân tích huỳnh quang tia X phương pháp kích thích mẫu bụi tia X, tia gamma mềm hạt mang điện có lượng thích hợp, nguyên tố có mẫu phát tia X đặc trưng cho nguyên tố, sở đo lượng cường độ tia X đặc trưng ta nhận diện xác định hàm lượng nguyên tố Hiện nay, nhờ có hệ phổ kế huỳnh quang tia X chuyên dụng, tự động hoá hầu hết khâu trình phân tích Hệ phổ kế dùng detector bán dẫn có độ phân giải cao, có khả tách tia X đặc trưng vành K nguyên tố liền kề bảng tuần hoàn đo phổ tia X dải lượng rộng Phương pháp cho phép xác định đồng thời nhiều nguyên tố, mẫu không bị phá huỷ trình phân tích, cho kết nhanh độ xác cao 11 Chương II Kỹ thuật phân tích huỳnh quang tia X 2.1 Cơ sở vật lý, kỹ thuật phương pháp phân tích huỳnh quang tia X 2.1.1 Cơ chế, cường độ, hiệu suất phát tia X 2.1.1.1 Cơ chế phát xạ tia X đặc trưng [3] Tia X đặc trưng sinh kết trình dịch chuyển mức lượng electron nguyên tử Sự chuyển dịch xảy vành điện bên xuất lỗ trống khoảng thời gian ngắn, cỡ 10 -15 giây có electron từ vành nhảy vào chỗ Trong trình chuyển dịch này, hiệu lượng liên kết electron hai quỹ giải phóng dạng sóng điện từ, tia X đặc trưng Ta mô tả trình hình thành lỗ trống tạo tia X đặc trưng nguyên tử Titan (ZTi=22) sau: Hình 2.1 Hình 2.2 12  Hình 2.1 Một electron vành K có lượng liên kết E bị bật khỏi nguyên tử bị kích thích tia X sơ cấp có lượng E ≥ E Tạo nên lỗ trống vành K Electron bị bật có lượng: ΔE = E-E0  Hình 2.2 Nếu electron từ vành L M nhảy vào lấp lỗ trống vành K, tạo lỗ trống vành L M Quá trình chuyển dịch giải phóng lượng dư ΔE dạng sóng điện từ, tia X đặc trưng K α , Kβ nguyên tố này: ΔE = E1- E0 = Kα ΔE = E2- E0 = Kβ  Hình 2.3 Một lỗ trống tạo thành vành L electron vành L bị bật bị kích thích tia X sơ cấp hay trình chuyển dịch electron trước Một electron từ vành M N nhảy vào chiếm lỗ trống này, đồng thời lại tạo lỗ trống vành M N Trong trình chuyển dịch giải phóng tia X đặc trưng L α, Lβ nguyên tố: ΔE = E2- E1 = Lα Hình 2.3 ΔE = E3- E1 = Lβ 2.1.1.2 Cường độ phát xạ tia X [4] Cường độ phát xạ tia X phụ thuộc hàm lượng nguyên tố mà phụ thuộc vào nhiều thông số vật lý kỹ thuật khác liên quan tới nguồn xạ kích thích, số nguyên tử nguyên tố, thành phần kích thước mẫu, bố trí hình học nguồn-mẫu-detector Chính phương trình biểu diễn phụ thuộc cường độ tia X đặc trưng vào hàm lượng nguyên tố thường xây dựng điều kiện thực nghiệm cụ thể Khi tia X đơn có cường độ I0 qua vật chất cường độ bị suy giảm: I = I0 Exp(-µ.ρx) (2.1) Trong đó: • ρ: Mật độ vật chất (g/cm3) • x: Bề dày vật chất (cm) • µ: Hệ số suy giảm khối (cm2/g) Xét chùm tia X sơ cấp có cường độ I0 rọi đến kích thích mẫu góc Ф1, tia X đặc trưng phát từ mẫu góc Ф2 dx x Φ1 Ф Nguồn tia X Detector tia X 13 Hình 2.4 Bố trí hình học nguồn-mẫu-detector Để đơn giản hoá, tính toán thường giả thiết Ф1 = Ф2 = Ф Cường độ tia X đặc trưng vành K nguyên tố i phát từ lớp dx mẫu tính theo công thức sau: g.Pi , E1 ω i µ i , E1 ρ Ci  N ρx  I i ( x ).dx = I Exp  − ∑ µ j , E1 + µ j , E C j (2.2) .dx sin φ sin φ   j Trong đó: • Ci, Cj hàm lượng nguyên tố thứ i, j • I0 cường độ tia X sơ cấp • µi,E1 hệ số suy giảm khối nguyên tố cần phân tích i tia X sơ cấp • µj,E1, µj,E2 hệ số suy giảm khối nguyên tố j tia X sơ cấp tia X đặc trưng • g hệ số xác định hiệu suất detector hệ số hình học nguồnmẫu-detector • Pi,E1 hiệu suất hấp thụ quang điện nguyên tố cần phân tích i tia X sơ cấp • ωi hiệu suất phát tia X đặc trưng nguyên tố cần phân tích i Trường hợp mẫu mỏng: (  N  Exp − ∑( µ j , E1 + µ j , E ).C j ρx  =1  j  ) với x=0  N  Exp − ∑( µ j , E1 + µ j , E ).C j ρx  ≈1 − ρx.∑ ( µ j , E1 + µ j , E ).C j  j  [ (2.3) ] với x ωL > ωM 14 Hình 2.5 cho ta thấy phụ thuộc hiệu suất phát xạ tia X ω đặc trưng vào nguyên tử số Z: Hiệu suất phát huỳnh quang ω Hình 2.5 Nguyên tử số Z 2.1.2 Đo phân tích phổ tia X đặc trưng 2.1.2.1 Phổ tia X đặc trưng Phổ tia X đặc trưng phổ vạch phát xạ chuển dịch electron có mức lượng khác tạo nên Hình 2.6 cho ta thấy sơ đồ nguồn gốc vạch dãy K L phổ tia X đặc trưng Hình 2.6 15  Phổ dãy K xuất chuyển dịch điện tử từ vành tới thay lỗ trống vành K Phổ dãy K tương đối đơn giản, gồm hai vạch kép Kα, Kβ thêm vạch phụ xuất với nguyên tố có nguyên tử số cao  Phổ dãy L xuất chuyển dịch electron vành lấp đầy lỗ trống vành L, có nhiều phân mức lượng nên phổ dãy L phức tạp phổ dãy K Đối với nguyên tố có nguyên tử số cao, quan sát 20 tới 30 vạch phổ dãy L 2.1.2.2 Yêu cầu nguồn kích thích tia X Khi phân tích mẫu, nguồn kích thích tia X phải che chắn, không để tia xạ sơ cấp từ nguồn dọi trực tiếp vào detector 2.1.2.3 Yêu cầu mẫu phân tích Phin chứa mẫu phải mỏng để giẩm hấp thụ tia X Phin phải làm vật liệu không gây can nhiễu tia X huỳnh quang cần quan tâm có phông tán xạ thấp 2.1.2.4 Yêu cầu Detector đo tia X đặc trưng Có thể nói phát triển kỹ thuật phân tích huỳnh quang tia X gắn liền với phát triển kỹ thuật detector Đối với việc đo tia X, thông số quan trọng detector độ phân giải lượng, nên lựa chọn tốt detector bán dẫn Detector Si(Li) có độ phân giải lượng cao với tia X tia gamma mềm, việc xử lý phổ phức tạp đạt độ tin cậy cao 2.1.2.5 Phân tích phổ tia X đặc trưng Hình 2.7 16 Hình 2.7 phổ tia X đặc trưng mẫu bụi khí PM10 kích thích nguồn tia X đơn đo detector bán dẫn Các tia X đặc trưng đo nguyên tố mẫu chủ yếu tia X vành K L Phân tích phổ tia X huỳnh quang sau đo phải tách đỉnh tia X vành K L nguyên tố cần quan tâm khỏi đỉnh can nhiễu tính diện tích cách xác 2.2 Phổ kế SEA 2110 2.2.1 Các đặc trưng phổ kế SEA 2110 [10] SEA 2110 hệ phổ kế huỳnh quang tia X phân tích lúc nhiều nguyên tố: từ Na đến U mà không cần phà huỷ mẫu SEA 2110 nhỏ gọn, độ lặp lại cao, xử lý mẫu phức tạp Sơ đồ khối hệ: Hình 2.8 2.2.1.1 Khối đo đạc a) Buồng chứa mẫu Buồng chứa mẫu khoá suốt thời gian mẫu đo đạc  Chỗ đặt mẫu: kích thước Ф 140 ÷ 120mm x 70mm  Có thể đo loại mẫu: Rắn, Lỏng, Bột  Môi trường: Áp suất khí chân không  Quan sát mẫu: Cửa sổ quan sát mẫu kính pha chì b) Ống phát tia X Ống phát tia X phát tia X sơ cấp Hình 2.9 Khối đo đạc SEA 2110 tới kích thích mẫu cần đo  Hiệu điện thế: KV, 15 KV, 50 KV  Dòng: 1÷500 µA  Hệ thống làm lạnh: Làm lạnh nước 17  Bia: Rh (Z = 45), Kα-20.16KeV, Kβ-22.172KeV  Phin lọc sơ cấp: Al filter  Diện tích quét chùm tia: ~ 10 mm2 c) Detector Detector ghi nhận tia X huỳnh quang nguyên tố mẫu cần phân tích, biến tín hiệu thành tín hiệu điện tỷ lệ với lượng tia X huỳnh quang  Loại: đầu ghi bán dẫn Si(Li)  Diện tích ghi nhận đầu ghi: 12 mm2  Độ phân giải lượng: 165eV (Mn, Kα-5.9 KeV, 5000 cps)  Cửa sổ: Be dày 8μm  Bình Nitơ lỏng: 10 lít, tốc độ tiêu thụ lít/ngày d) Các khối chức  Tiền khuếch đại: hồi tiếp ánh sáng  Khuếch đại phổ: gắn sau tiền khuếch đại  ADC: 2048 kênh 2.2.1.2 Khối xử lý liệu Khối xử lý liệu điều khiển trình đo đạc mẫu, thu nhận xử lý phổ đồng thời lưu trữ kết thu sau xử lý a) Máy tính: Dell Optiplex GX100  CPU: Pentium  Memory: 16MB  HDD: 1GB  CD-ROM: 8X  Bàn phím: Chuẩn  Chuột: MS-Mouse  Hiển thị: 17 inch, Flexscan F520  Máy in màu: HP6400 b) Chương trình xử lý phổ  Hệ điều hành: Window 98  Phần mềm xử lý phổ tia X: Phiên 6.11  Dải lượng: ÷ 40 KeV  Số lượng nguyên tố phân tích đồng thời: Tối đa 30 nguyên tố  Phân tích định tính: Tự động tay  Phân tích định lượng: 2.2.2 Phương pháp phân tích định tính trê n hệ phổ kế SEA 2110 [10] Mỗi nguyên tố có phổ tia X đặc trưng nên cách đo bước sóng hay lượng vạch phổ ta nhận biết nguyên tử nguyên tố bị kích thích Do phổ tia X huỳnh quang đơn giản nên trình xác định nguyên tử số vạch phổ phát xạ trình tương đối dễ dàng khả sai số nhỏ Cả phổ kế tán xạ bước sóng phổ kế tán xạ lượng thích hợp cho phân tích định tính thành phần hoá học mẫu SEA 2110 phổ kế tán xạ 18 lượng nên ta thực phân tích định tính hành phần hoá học mẫu sau: 2.2.2.1 Trình tự bước phân tích định tính sử dụng số liệu nhận biết nguyên tố  Đặt mẫu vào vị trí đóng cửa buồng mẫu  Chọn trình ứng dụng tham số  Chọn chế độ đo mẫu  Xoá điều kiện đo cũ  Đặt điều kiện đo mới: • Chọn chế độ cao • Đặt thời gian đo • Chế độ buồng mẫu • Đặt điều kiện khác • Lưu chế độ đo  Bắt đầu phép đo  Đặt điều kiện phân tích: • Xoá điều kiện phân tích cũ • Chọn nguyên tố phân tích • Chọn đơn vị hàm lượng • Dạng báo cáo kết  Đặt chế độ in kết • Nhập tên file điều kiện phân tích • Lưu điều kiện phân tích • In kết 2.2.2.2 Trình tự bước đặt điều kiện phân tích định tính sử dụng mẫu chuẩn  Đặt mẫu vào vị trí đóng cửa buồng mẫu  Chọn trình ứng dụng tham số  Chọn chế độ đo mẫu chuẩn  Xoá điều kiện cũ  Đặt điều kiện đo mới: • Chọn chế độ cao • Đặt thời gian đo • Chế độ buồng mẫu • Đặt điều kiện khác • Lưu chế độ đo  Đặt chế độ phân tích mẫu chuẩn: Đọc vào tham số mẫu chuẩn  Đặt điều kiện phân tích: • Xoá điều kiện phân tích cũ • Chọn nguyên tố phân tích • Chọn đơn vị hàm lượng • Dạng báo cáo kết  Bắt đầu phép đo 19  Đặt chế độ in kết • Nhập tên file điều kiện phân tích • Lưu điều kiện phân tích • In kết 2.2.3 Phương pháp phân tích định lượng hệ phổ kế SEA 2110[10] Với mẫu đo đạc mỏng (x