Nghiên cứu mức độ và phần đóng góp của các dạng nguồn thải chính tới nồng độ bụi NaNo trong không khí

Nghiên cứu mức độ và phần đóng góp của các dạng nguồn thải chính tới nồng độ bụi NaNo trong không khí Nghiên cứu mức độ và phần đóng góp của các dạng nguồn thải chính tới nồng độ bụi NaNo trong không khí luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Thu Thủy NGHIÊN CỨU MỨC ĐỘ VÀ PHẦN ĐÓNG GÓP CỦA CÁC DẠNG NGUỒN THẢI CHÍNH TỚI NỒNG ĐỘ BỤI NANO TRONG KHƠNG KHÍ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Thu Thủy NGHIÊN CỨU MỨC ĐỘ VÀ PHẦN ĐÓNG GÓP CỦA CÁC DẠNG NGUỒN THẢI CHÍNH TỚI NỒNG ĐỘ BỤI NANO TRONG KHƠNG KHÍ Ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 9520320 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nghiêm Trung Dũng Hà Nội – 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn PGS.TS Nghiêm Trung Dũng Các kết luận án trung thực chưa tác giả khác cơng bố Trong luận án có sử dụng phần kết đề tài cấp “Nghiên cứu quan trắc bụi nano xác định dạng nguồn thải chúng khơng khí” mã số B2016-BKA-28 chủ nhiệm đề tài thành viên đề tài đồng ý Hà Nội ngày 11 tháng 09 năm 2019 Người hướng dẫn khoa học PGS.TS Nghiêm Trung Dũng Tác giả luận án Nguyễn Thị Thu Thủy LỜI CẢM ƠN Trước hết tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nghiêm Trung Dũng tận tình bảo, hướng dẫn, giúp đỡ trình thực luận án Tác giả chân thành cảm ơn Bộ Giáo dục & Đào tạo hỗ trợ phần kinh phí cho việc thực nghiên cứu thông qua đề tài NCKH cấp “Nghiên cứu quan trắc bụi nano xác định dạng nguồn thải chúng khơng khí” mã số B2016-BKA-28 Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Phịng Kiểm chuẩn Mơi trường Trung tâm Quan trắc Môi trường Miền Bắc trực thuộc Tổng cục Môi trường, số 556 Nguyễn Văn Cừ, Hà Nội tạo điều kiện tận tình giúp đỡ tơi q trình phân tích khối lượng bụi Đặc biệt tác giả xin gửi lời cảm ơn đến GS.Kazuhiko Sekiguchi, bạn sinh viên thuộc trường Đại học Saitama, Nhật Bản tạo điều kiện hướng dẫn trình phân tích OC/EC ion Tác giả xin chân thành cảm ơn GS Kathryn Zimmermann môn Hóa học, trường Đại học Georgia Gwinnett chồng - GS Chris Reinhard Viện Khoa học Trái đất & Khí quyển, Viện Cơng nghệ Georgia nhiệt tình giúp đỡ q trình phân tích ngun tố Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy cô Viện Khoa học Công nghệ Môi trường Phòng Đào tạo, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận án Bên cạnh đó, tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện cho tác giả suốt trình học tập Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn tới giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm lời khuyên quý giá thầy cô bạn đồng nghiệp, đặc biệt TS Lý Bích Thủy trình học tập, nghiên cứu Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình người thân chia sẻ, động viên tạo điều kiện suốt trình nghiên cứu Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Thu Thủy ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC .III DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC BẢNG VII DANH MỤC HÌNH VIII MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan bụi nano 1.1.1 Giới thiệu tính chất vật lý bụi nano 1.1.2 Nồng độ bụi nano không khí 1.1.3 Thành phần hóa học bụi nano 1.1.4 Tác hại bụi nano 11 1.2 Phương pháp nhận dạng nguồn thải 13 1.2.1 Mơ hình nơi tiếp nhận 14 1.2.2 Một số mơ hình khí tượng 20 1.3 Tình hình nghiên cứu giới Việt Nam 22 1.3.1 Tình hình nghiên cứu bụi nano giới 22 1.3.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 30 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32 2.1 Lấy mẫu bụi 32 2.1.1 Vị trí lấy mẫu 32 2.1.2 Quá trình lấy mẫu 34 2.2 Xác định thành phần hóa lý bụi nano 38 2.2.1 Khối lượng bụi 39 2.2.2 Thành phần nguyên tố 40 2.2.3 Thành phần ion 41 2.2.4 Thành phần OC EC 42 2.3 QA/QC 44 2.3.1 Lấy mẫu 44 2.3.2 Phân tích mẫu 45 2.4 Xử lý thống kê kết thực nghiệm 45 2.4.1 So sánh liệu 45 2.4.2 Hồi quy tuyến tính 46 iii 2.5 Xác định phần đóng góp nguồn thải tới bụi nano 48 2.5.1 Chuẩn bị liệu quan trắc cho phân tích PMF 49 2.3.2 Xác định số nhân tố 49 2.3.3 Xác định ma trận trọng số nhân tố ma trận điểm nhân tố 50 2.6 Một số thông tin bổ trợ 50 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 52 3.1 Độ tin cậy kết thực nghiệm 52 3.1.1 Quá trình lấy mẫu 52 3.1.2 Q trình phân tích 55 3.1.3 Dữ liệu cho mơ hình đa biến 57 3.2 Nồng độ bụi nano 57 3.2.1 Nồng độ khối lượng bụi nano 57 3.2.2 Nồng độ số lượng bụi nano khơng khí 62 3.2.3 Một số đặc điểm khác nồng độ khối lượng bụi nano dải bụi có kích thước lớn 63 3.3 Thành phần hóa học bụi nano 67 3.3.1 Thành phần OC EC 67 3.3.2 Thành phần ion hòa tan nước 75 3.3.3 Thành phần nguyên tố 77 3.3.4 Tổng hợp thành phần hóa học bụi nano số so sánh với bụi PM2,5 PM10 82 3.4 Phần đóng góp nguồn thải tới bụi nano khơng khí 85 3.4.1 Chuẩn bị liệu 85 3.4.2 Kết chạy PMF 87 3.4.3 Nhận dạng nguồn thải phần đóng góp 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC 122 iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh AAS Phổ hấp thụ nguyên tử Atomic Absorption Spectroscopy ADE Đường kính tương đương khí Aerodynamic Diameter động học BC Cacbon đen Black Carbon BDL Dưới giới hạn phát Below Detection Level CMB Cân khối lượng hóa học Chemical Mass Balance CPF Hàm xác suất có điều kiện Conditional Probability Funtion EC Cacbon nguyên tố Elemetal Carbon FA Phân tích nhân tố Factor Analysis FID Detetor ion hóa lửa Flame Ionization Detector WMO Tổ chức khí tượng giới Wolrd Meteorological Organization HEI Viện nghiên cứu sức khỏe Heath Effects Institute Hoa Kỳ HUST Đại học Bách Khoa Hà Nội Hanoi University of Science and Technology IC Sắc ký ion Ion Chromatography ICP-MS Khối phổ - cảm ứng cao tần Inductively coupled plasma mass plasma spectrometry INAA Phân tích kích hoạt neutron Instrumental neutron activation analysis Mc Nồng độ khối lượng Mass concentration MV Giá trị khuyết Missing Values OC Cacbon hữu Organic Carbon PAHs Hydrocacbon thơm đa vòng Polycyclic Aromatic Hydrocarbons giáp cạnh PCA Phân tích thành phần Principal Component Analysis PIXE Phân tích phát xạ tia X Particle-induced X-ray emission PM Bụi Particulate Matter PMF Nhân tố hóa ma trận dương Positive Matrix Factorization v QA Đảm bảo chất lượng Quality Assurance QC Kiểm soát chất lượng Quality control QCVN Quy chuẩn Việt Nam SOC Cacbon hữu thứ cấp Secondary Organic Carbon SVD Phân tích giá trị riêng Singular Value Decomposition TC Tổng cacbon Total Carbon TSP Tổng bụi lơ lửng Total Suspended Particulate US EPA Cục bảo vệ môi trường Hoa United State Kỳ XRF Huỳnh quang tia X X-ray fluorescence WHO Tổ chức y tế giới World Health Organization vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Phân loại nhóm bụi theo kích thước hạt Bảng 1.2 Nồng độ số lượng hạt bụi nano môi trường khác Bảng 1.3 Thành phần hóa học bụi nano số môi trường khác 11 Bảng 2.1 Thông tin địa điểm quan trắc 33 Bảng 2.2 Bảng tổng hợp số lượng mẫu bụi 34 Bảng 2.3 Thơng tin tóm tắt thông số khí tượng thời gian quan trắc 35 Bảng 3.1 So sánh nồng độ bụi nano với nghiên cứu khác 60 Bảng 3.2 Tỷ lệ nồng độ bụi nano với loại bụi kích thước lớn 61 Bảng 3.3 Nồng độ số lượng bụi đo thiết bị Nanoscan 62 Bảng 3.4 Phân bố kích thước hạt bụi nghiên cứu số nghiên cứu khác 63 Bảng 3.5 Tỷ lệ nồng độ khối lượng dải bụi theo mùa địa điểm 64 Bảng 3.6 So sánh nồng độ OC EC bụi nano với nghiên cứu khác 68 Bảng 3.7 Tỷ lệ OC/EC nghiên cứu số nghiên cứu khác 70 Bảng 3.8 Nồng độ SOC tính tốn dựa vào tỷ lệ OC/EC nhỏ 72 Bảng 3.9 Nồng độ char - EC soot - EC bụi nano tỷ lệ chúng 73 Bảng 3.10 So sánh nồng độ ion với số nghiên cứu khác 75 Bảng 3.11 Nồng độ thành phần nguyên tố bụi nano (ng/m3) 79 Bảng 3.12 So sánh thành phần nguyên tố bụi nano nghiên cứu nghiên cứu khác (ng/m3) 80 Bảng 3.13 Thành phần hóa học bụi nano 82 Bảng 3.14 Nồng độ char - EC soot - EC (µg/m3) bụi PM2,5, PM10 tỷ lệ chúng 84 Bảng 3.15 Mơ tả thống kê việc phân tích số liệu bụi nano phục vụ cho PMF 85 Bảng 3.16 Ma trận kết F mơ hình PMF 88 Bảng 3.17 Ma trận kết G mơ hình PMF 89 Bảng 3.18 Hệ số hồi quy 91 Bảng 3.19 Ma trận trọng số nhân tố 91 Bảng 3.20 Phần đóng góp nguồn thải 92 Bảng 3.21 Ma trận điểm nhân tố nồng độ bụi nano 99 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Phân bố nồng độ khối lượng theo kích thước bụi Hình 1.2 Phân bố nồng độ số lượng hạt theo kích thước bụi Hình 1.3 Nồng độ số lượng bụi nano số môi trường khác Hình 1.4 Thành phần hóa học bụi nano Los Angeles mùa đơng năm 1996 11 Hình 1.5 Sự lắng đọng toàn cục bụi hệ hơ hấp 12 Hình 1.6 Tác hại đến sức khỏe bụi nano 13 Hình 1.7 Biểu diễn không gian ba chiều liệu 15 Hình 1.8 Biểu diễn mối quan hệ biến quay trục 16 Hình 1.9 Mơ nguồn phù hợp với liệu 17 Hình 1.10 Số lượng báo khoa học theo thời gian từ tạp chí khác nhau, liệu thu thập từ Scopus cách sử dụng từ khóa “bụi siêu mịn” 22 Hình 1.11 Phân bố nghiên cứu ảnh hưởng phơi nhiễm ngắn hạn bụi nano tới sức khỏe 28 Hình 2.1 Địa điểm lấy mẫu Hà Nội 34 Hình 2.2 Thiết bị mẫu bụi nano (a), cartridge (b), sợi SUS (c), giấy lọc (d) 36 Hình 2.3 Kế hoạch phân tích mẫu 38 Hình 2.4 Sắc đồ cation đại diện mẫu bụi 42 Hình 2.5 Sắc đồ cation anion đại diện mẫu bụi 42 Hình 2.6 Phương pháp xác định thành phần cacbon 43 Hình 2.7 Phổ đồ phân tích OC EC 43 Hình 2.8 Mơ hình hồi quy tuyến tính đại lượng liên quan đến mơ hình 46 Hình 2.9 Giản đồ q trình phân tích PMF 48 Hình 3.1 Tương quan nồng độ bụi nano Model 26A57C (mới) Model 25A137F (cũ) 53 Hình 3.2 Tương quan nồng độ OC, EC, TC, cation anion bụi nano lấy hai thiết bị Model 26A57C Model 25A137F 54 Hình 3.3 Tương quan tổng khối lượng chất phân tích khối lượng bụi 55 Hình 3.4 Tương quan kết phân tích SO42- NH4+ 56 Hình 3.5 Cân ion 56 Hình 3.6 Nồng độ bụi nano theo mùa vị trí quan trắc 58 Hình 3.7 Nồng độ PM0,1, PM2,5 PM10 theo thời gian mùa mưa (a) mùa khô (b) 59 viii ... việc xác định mức độ bụi nano, thành phần hóa học phần đóng góp dạng nguồn thải vào nồng độ bụi nano khơng khí Qua đó, luận án góp phần vào việc triển khai nghiên cứu bụi nano khơng khí Việt Nam... tiêu nghiên cứu • Xác định mức độ bụi nano khơng khí đặc trưng lý hóa chúng • Nhận dạng xác định phần đóng góp dạng nguồn tới nồng độ nano khơng khí Đối tượng nghiên cứu • Bụi nano khơng khí ngồi... bụi nano xem xét dựa sở khoa học [8] Và để có sở khoa học đó, cần phải nghiên cứu cách đầy đủ bụi nano khơng khí Vì vậy, đề tài “ Nghiên cứu mức độ phần đóng góp dạng nguồn thải tới nồng độ bụi