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

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 mơi trường Mã số: 9520320 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội – 2019 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nghiêm Trung Dũng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyễn Thị Thu Thủy, Nghiêm Trung Dũng (2015) Tổng quan bụi nano khơng khí tác động chúng, Tạp chí KH & CN - ĐH Thái Nguyên, 143(13)/3 121-126 Nguyen Thi Thu Thuy, Nghiem Trung Dung, Kazuhiko Sekiguchi, Ryosuke Yamaguchi, Pham Chau Thuy, Duong Thanh Nam, Ho Quoc Bang (2016) Seasonal variation of concentrations and carbonaceous components of nanoparticles at a roadside location of Hanoi, Vietnam Proceedings of International Conference on Environmental Engineering and Management for Sustainable Development Hanoi, Bach Khoa Publishing House (ISBN: 978-604-95-0000-8), 81-86 Ryosuke Yamaguchi, Kazuhiko Sekiguchi, Kenshi Sankoda, Hirotoshi Kuwabara, Kimikyo Kumagai, Yuji Fujitani, Nguyen Thi Thu Thuy, Nghiem Trung Dung (2016) Seasonal variation of chemical components in PM2.5 and PM0.1 in Hanoi, Proceedings of International Conference on Environmental Engineering and Management for Sustainable Development, Bach Khoa Publishing House (ISBN: 978-604-95-00008), 75-80 Nguyen Thi Thu Thuy, Nghiem Trung Dung, Kazuhiko Sekiguchi, Ryosuke Yamaguchi, Pham Chau Thuy, Ho Quoc Bang (2017) Characteristics of elemental and organic carbon in atmospheric nanoparticles at different sampling locations in Vietnam Vietnam Journal of Science and Technology (VAST), 55 (3), 305-315 Nguyen Thi Thu Thuy, Nghiem Trung Dung, Kazuhiko Sekiguchi, Ryosuke Yamaguchi, Ly Bich Thuy, Nguyen Thi Thu Hien (2017) Levels and water soluble organic carbon of atmospheric nanoparticles in a location of Hanoi, Vietnam Vietnam Journal of Science and Technology (VAST) 55 (6) 745-755 Nguyen Thi Thu Thuy, Nghiem Trung Dung, Kazuhiko Sekiguchi, Ly Bich Thuy, Nguyen Thi Thu Hien, Ryosuke Yamaguchi (2018) Mass concentrations and carbonaceous compositions of PM0.1, PM2.5, and PM10 at urban locations of Hanoi, Vietnam Aerosol and Air Quality Research (ISI, IF: 2,606, Q1), 18 (7) 1591–1605 Nghiêm Trung Dũng, Nguyễn Thị Thu Hiền, Lý Bích Thủy, Tơn Thu Giang, Nguyễn Thị Thu Thủy (2018) Nghiên cứu quan trắc bụi nano xác định dạng nguồn thải chúng khơng khí Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp 2016-2017, Bộ Giáo dục & Đào tạo, mã số B2016-BKA-28 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài luận án Bụi nano hay bụi siêu mịn (nanoparticles hay ultrafine particles) hạt bụi có đường kính khí động học (AED) ≤ 100 nm, cho có nhiều nguy tiểm ẩn tới sức khỏe người mơi trường so với hạt có kích thước lớn Chính vậy, nghiên cứu bụi nano khơng khí “hành vi” chúng môi trường nước phát triển tăng lên đáng kể năm gần Tuy nhiên, Việt Nam - nước có nồng độ bụi khơng khí mức cao - nghiên cứu bụi dừng lại bụi có kích thước lớn 2,5 µm (bụi PM2,5) Cho đến thời điểm tác giả thực nghiên cứu (2014), kho liệu mở chưa thấy có nghiên cứu Việt Nam bụi nano phần đóng góp loại nguồn thải tới nồng độ chúng khơng khí, nghiên cứu theo hướng quan trọng ý nghĩa khoa học lẫn ý nghĩa thực tiễn (công tác bảo vệ môi trường) Với chứng tác động tiềm tàng bụi nano tới sức khỏe người, tiêu chuẩn bụi nano đề cập đến thời gian tới 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 nano khơng khí” lựa chọn nhằm khởi động, thúc đẩy hướng nghiên cứu Việt Nam, góp phần vào cơng tác đào tạo bảo vệ mơi trường khơng khí nước ta Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu Mục 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 trời • Mơ hình nhân tố hóa ma trận dương (PMF) Phạm vi nghiên cứu • Khu vực nghiên cứu: Hai vị trí Hà Nội, khu vực trung tâm thành phố, coi chịu tác động tổng hợp loại nguồn thải Vị trí cịn lại nằm rìa khu vực nội thành, giáp với ngoại thành kỳ vọng chịu tác động rõ hoạt động giao thơng • Thời gian nghiên cứu: Nghiên cứu thực hai mùa (mùa mưa mùa khơ) • Nhận dạng xác định phần đóng góp dạng nguồn nguồn thải tới bụi nano: Chỉ thực cho mùa địa điểm (Mùa khơ vị trí chịu tác động tổng hợp loại nguồn thải) Các đóng góp luận án Về phương pháp - Lần phương pháp quan trắc bụi nano nghiên cứu áp dụng thành công Việt Nam với quy mơ tồn diện từ quy trình lấy mẫu bụi, quy trình phân tích đặc trưng lý hóa đến nhận dạng xác định phần đóng góp dạng nguồn thải tới nồng độ bụi nano khơng khí - Lần mơ hình nơi tiếp nhận nhân tố hóa ma trận dương (PMF) áp dụng để nhận dạng nguồn đóng góp vào bụi nano Về kết cụ thể - Cung cấp liệu đồng đủ dài cho nghiên cứu, đánh giá chất lượng khơng khí Hà Nội, đặc biệt bụi nano, bao gồm: o Nồng độ bụi dải kích thước bụi >10; 2,5 – 10; – 2,5; 0,5 – 1; 0,1 – 0,5 < 0,1 µm o Thành phần OC EC bụi PM0,1; PM2,5 PM10 o Thành phần ion bụi PM0,1; PM2,5 PM10: ion o Thành phần nguyên tố bụi PM0,1: 22 nguyên tố - Đã xác định tỷ lệ khối lượng tương quan nồng độ bụi nano với dải kích thước lớn - Đã nhận diện dạng nguồn thải xác định phần đóng góp chúng tới nồng độ bụi nano khơng khí - Đã bước đầu thiết lập hồ sơ nguồn thải (source profile) bụi nano Hà Nội mơ hình PMF dựa số liệu thực nghiệm thu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Luận án hoàn thiện, bổ sung sở khoa học cho 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 - Bộ số liệu nồng độ bụi nano thành phần hóa học chúng, phân bố kích thước hạt, phần đóng góp dạng nguồn thải tới nồng độ bụi nano khơng khí sở khoa học để tiếp tục triển khai nghiên cứu sâu rộng bụi nano Việt Nam Đồng thời, sở khoa học định hướng hoạt động quản lý chất lượng khơng khí vấn đề bụi Hà Nội - Kết tỷ lệ khối lượng bụi nano với bụi PM2,5 bụi PM10, mặt cho phép đánh giá, ước lượng mức độ bụi nano dựa vào nồng độ bụi PM2,5 bụi PM10 điều kiện đo đạc bụi nano cịn khó khăn, tốn kém; mặt khác, sở cho việc xem xét sách liên quan đến xây dựng quy chuẩn bụi nano nước ta - Tỷ lệ OC/EC, char - EC/soot - EC sử dụng thị nguồn thải, cho phép nhận dạng sơ dạng nguồn thải điều kiện đầy đủ liệu - Dựa số liệu thu được, luận án bước đầu xây dựng hồ sơ nguồn thải bụi nano Hà Nội từ mơ hình PMF Đây hồ sơ nguồn thải bụi nano Việt Nam, áp dụng nghiên cứu khác nhận dạng xác định phần đóng góp dạng nguồn thải tới nồng độ bụi nano khơng khí khơng có điều kiện lấy mẫu thời gian dài Bố cục luận án Luận án gồm 107 trang, 28 bảng, 47 hình, 151 tài liệu tham khảo 54 trang phụ lục Luận án bao gồm phần sau: Mở đầu (4 trang), Chương – Tổng quan (26 trang), Chương – Phương pháp nghiên cứu (23 trang), Chương – Kết nghiên cứu bàn luận (51 trang) Kết luận (3 trang) CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan bụi nano Đặc điểm, tính chất bụi nano Những nghiên cứu không sử dụng thuật ngữ “bụi nano” (nanoparticles) mà sử dụng thuật ngữ “bụi siêu mịn” (ultrafine particles) để hạt có kích thước nhỏ 100 nm Ngày nay, thuật ngữ cịn sử dụng khoa học mơi trường khoa học khí Tuy nhiên, từ thập niên 90 kỷ XX, thuật ngữ “bụi nano” trở lên phổ biến, dần thay thuật ngữ “bụi siêu mịn” nhanh chóng sử dụng nhiểu lĩnh vực y học, khoa học kỹ thuật vật liệu Mặc dù bụi nano có nồng độ khối lượng nhỏ, song chúng lại chiếm ưu nồng độ số lượng Do có khối lượng nhỏ khó xác định xác, nghiên cứu trước thường sử dụng nồng độ số lượng thay nồng độ khối lượng Nồng độ số lượng bụi nano khác số môi trường thể Hình 1.3 Hình 1.3 Nồng độ số lượng bụi nano số môi trường khác Không giống nồng độ số lượng, nghiên cứu nồng độ khối lượng bụi nano hạn chế Tổng hợp số nghiên cứu cho thấy, nồng độ khối lượng bụi nano dao động khoảng 0,49 – 4,6 µg/m3 tùy vào đặc điểm vị trí quan trắc Cho đến nay, hiểu biết bụi nano cịn nhiều hạn chế Mặc dù có khác thành phần hóa học nghiên cứu khác nhau, thành phần bụi nano kể đến thành phần nguyên tố, ion vô hợp chất cacbon (cacbon nguyên tố (Elemental Carbon, EC) cacbon hữu (Organic Carbon, OC) Các nghiên cứu cho thấy, thành phần bụi nano có khác lớn mặt khơng gian Thậm chí địa điểm, thành phần hóa học thay đổi theo thời gian Sự khác diễn theo mùa (giữa mùa mưa mùa khơ) chí theo ngày, theo tuần Tác hại bụi nano Bụi hô hấp tất kích thước khác bị loại bỏ vùng hô hấp khác chế vật lý hóa học Nếu hạt phổi khơng làm sạch, chúng bị lưu giữ thời gian dài tích lũy mơ đường hơ hấp Đã có nghiên cứu loại bỏ bụi nano chậm khơng hiệu hạt có đường kính lớn Bên cạnh tác động bụi nano hệ hơ hấp, bụi nano cịn cho có tác hại khác với bụi lớn khả xâm nhập qua da khả dịch chuyển chúng vào máu Sau chúng công não, tủy xương, lách, tim, cật… Phương pháp lấy mẫu bụi nano Hiện chưa có chuẩn hóa kỹ thuật quan trắc bụi nano nói riêng Tuy nhiên, việc lấy mẫu bụi nano khơng khí trước hết cần phải đảm bảo số yêu cầu việc lấy mẫu bụi nói chung u cầu vị trí đầu lấy mẫu, tần suất thời gian quan trắc Phương pháp xác định đặc trưng hóa lý bụi Chow Watson (2007) tổng hợp lại phương pháp xác định đặc trưng lý hóa phịng thí nghiệm bụi nói chung bụi nano nói riêng Khối lượng bụi mẫu xác định phương pháp trọng lượng, thành phần ion phân tích sắc ký ion Về thành phần nguyên tố, phương pháp đề xuất gồm: phương pháp huỳnh quang tia X (XRF), phương pháp phân tích kích hoạt neutron (INAA), phương pháp hấp thụ nguyên tử (AAS), phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng (ICP-MS), phương pháp phân tích phát xạ tia X tạo chùm proton (PIXE), OC EC phân tích phương pháp nhiệt quang kết hợp… Tại Việt Nam, phương pháp sử dụng nghiên cứu xác định nồng độ thành phần hóa học bụi TSP, PM10, PM2,5 Điều cho thấy triển vọng thành công áp dụng phương pháp phân tích bụi nano nước ta 1.2 Phương pháp nhận dạng nguồn thải Mơ hình nơi tiếp nhận sử dụng rộng rãi giới để nhận dạng nguồn thải bụi khí Lý thuyết tất mơ hình nơi tiếp nhận dựa định luật bảo toàn khối lượng 𝑝 𝑥𝑖𝑗 = ∑𝑘=1 𝑔𝑖𝑘 𝑓𝑘𝑗 (1.2) Trong đó: gik tỷ trọng đóng góp vào biến thứ i nguồn k; fkj phần đóng góp nguồn thứ k vào mẫu thứ j; xij nồng độ nguyên tố thứ i mẫu j 1.2.1 Mơ hình nhân tử hóa hóa ma trận dương (PMF) Trong PMF, ma trận đầu vào X liệu quan trắc phân tích thành: X= GF + E Bài tốn phải đặt tối thiểu hàm Q (E) sau: 𝑒𝑖𝑗 𝑛 Q(E) = ∑𝑚 𝑖=1 ∑𝑗=1 [ ] 𝑠𝑖𝑗 (1.18) Trong đó, sij độ khơng đảm bảo biến thứ i mẫu thứ j Bài tốn đặt tối thiểu hóa Q(E) với ràng buộc G F không âm Áp dụng mơ hình PMF cho bụi nano cịn hạn chế ngun nhân chưa thu thập đủ lượng mẫu yêu cầu phân tích bụi nano lại tốn Hiện có vài nghiên cứu sử dụng kỹ thuật PMF cho bụi nano nghiên cứu Zhu (2010), Gugamsetty (2012) Đài Loan hay Kuwayama Canifornia (2013) Tại Việt Nam, nghiên cứu sử dụng PMF cịn hạn chế, kể đến vài nghiên cứu Hien cộng (2004), Cohen (2010), Hai (2013), Hang (2014), ứng dụng cho PM2,5 thành phố Hà Nội chủ yếu Trong điều kiện Việt Nam chưa có thị nguồn, PMF lựa chọn tốt để có kết đáng tin cậy Đây lý nghiên cứu áp dụng mơ hình PMF nhận dạng xác định phần đóng góp dạng nguồn thải tới bụi nano khơng khí Với mục đích hỗ trợ thêm cho q trình nhận dạng nguồn thải, hàm xắc suất có điều kiện sử dụng để tìm hiểu hướng nguồn thải từ đâu đến 1.2.2 Hàm xác suất có điều kiện (CPF) CPF tính tốn theo cơng thức sau: 𝐶𝑃𝐹 = 𝑚𝜃 𝑛𝜃 (1.20) Trong đó: - 𝑚𝜃 số mẫu vượt chuẩn hướng gió 𝜃 - 𝑛 tổng số mẫu hướng gió 𝜃 1.3 Tình hình nghiên cứu giới Việt Nam Từ năm 1950, xuất số nghiên cứu bụi siêu mịn Cho đến năm 1980, số lượng nghiên cứu bụi nano có dấu hiệu tăng lên Và đến năm 2015, có 10500 báo có thuật ngữ “bụi siêu mịn” xuất liệu Scopus Các nghiên cứu tập trung nghiên cứu nồng độ số lượng, khối lượng, đặc trưng hóa lý, nguồn phát sinh ảnh hưởng bụi nano tới sức khỏe Tại Việt Nam, hướng nghiên cứu mẻ Ngoại trừ cơng bố nhóm tác giả từ năm 2016, có hai cơng bố khác nồng số lượng bụi nano Việt Nam vào năm 2017 Tuy nhiên, nghiên cứu diễn khoảng thời gian ngắn (từ – 94 giờ) Do đó, cần có nghiên cứu khác khoảng thời gian lâu nhiều khía cạnh (về nồng độ số lượng nồng độ khối lượng, thành phần hóa học, nguồn phát sinh) để có nhận định xác CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Lấy mẫu bụi 2.1.1 Vị trí lấy mẫu Hà Nội - thủ đô Việt Nam – thành phố lớn thứ hai nước với vấn đề môi trường khơng khí nghiêm trọng đặc biệt bụi, lựa chọn khu vực nghiên cứu quan trắc bụi nano Với mục đích đánh giá phần đóng góp dạng nguồn thải tới nồng độ bụi nano khơng khí khu thị, điểm lấy mẫu cho chịu tác động nhiều dạng nguồn thải chọn làm vị trí quan trắc Ngoài ra, để đánh giá ảnh hưởng hoạt động giao thông đốt rơm rạ (là hoạt động thường ảnh hưởng tới chất lượng khơng khí Hà Nội) tới nồng độ bụi nano, địa điểm lấy mẫu phụ khác thiết kế Điểm lấy mẫu thứ nằm tầng trung tâm ngoại ngữ, Đại học Bách khoa Hà nội (HUST) Vị trí cách trục đường khoảng 200 - 300 m có chiều cao đầu lấy mẫu 8m, coi điểm chịu ảnh hưởng chuần lớn biến thứ j Khi số nhân tố tăng đến tới hạn, IM IS giảm cách đột ngột Từ đó, ta xác định số nhân tố phù hợp CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Độ tin cậy kết thực nghiệm Quá trình lấy mẫu Trong trình lấy mẫu, số lượng mẫu chiều cao đầu lấy mẫu hoàn toàn đáp ứng yêu cầu nghiên cứu định hướng dẫn dự thảo 2008/50/EC Độ cao lấy mẫu bụi nano tương tự số nghiên cứu khác Tại địa điểm lấy mẫu, đợt lấy mẫu tiến hành đặt đồng thời số thiết bị để kiểm tra chéo lẫn Kết cho thấy mối tương quan chặt tìm thấy thiết bị lấy mẫu (R2 > 0,8) Q trình phân tích Một số phương pháp kiểm tra chéo q trình phân tích thực cho kết tốt Ví dụ Hình 3.3 Về nguyên tắc, tổng nồng độ chất phân tích phải nhỏ nồng độ theo phương pháp khối lượng Bảy mẫu bụi nano (8,0%) bị loại có tổng nồng độ tiêu phân tích lớn nồng độ đo phương pháp cân khối lượng Hình 3.3 Tương quan tổng nồng độ tiêu phân tích nồng độ bụi nano theo phương pháp cân khối lượng 10 Dữ liệu cho mơ hình đa biến Lượng mẫu phân tích tối thiểu m chạy mơ hình đa biến Henry cộng (1984) gợi ý sau: 𝑗+3 𝑚 > 30 + ( ) (3.1) Trong đó: j số lượng chất cần phân tích m mẫu Theo công thức trên, cỡ mẫu tối thiểu yêu cầu 48 mẫu tổng số mẫu đủ chuẩn sau QA/QC 50 mẫu Như số lượng mẫu để dùng cho mơ hình PMF hồn tồn đáp ứng yêu cầu 3.2 Nồng độ bụi 3.2.1 Nồng độ khối lượng bụi nano Diễn biến nồng độ bụi theo mùa địa điểm Thông tin thống kê nồng độ khối lượng bụi nano thể Hình 3.6 Nồng độ trung bình vào mùa mưa mùa khô HUST 5,90 ± 2,23; 5,44 ± 2,03 Vinacomin 6,42 ± 1,69; 12,02 ± 3,03 Có thể thấy nồng độ bụi nano HUST hai mùa tương đồng với tương đồng với mùa mưa Vinacomin Nồng độ bụi nano vào mùa khơ Vinacomin cao ba đợt cịn lại khoảng lần Trong đợt này, nồng độ bụi nano tăng lên gấp đôi mà kể nồng độ TSP, PM10, PM2,5, PM1,0 PM0,5 cao mùa mưa xấp xỉ hai lần Nồng độ cao tất loại bụi vào mùa khô Vinacomin cho liên quan tới hoạt động đốt rơm rạ thời gian quan trắc Hình 3.6 Nồng độ bụi nano theo mùa vị trí quan trắc 11 Cơ chế loại bỏ bụi nano xem nguyên nhân dẫn đến ổn định chúng khơng khí Bụi nano bị loại bỏ khuếch tán vào bề mặt Trái đất (khuếch tán khô), khuếch tán va chạm vào hạt có kích thước lớn ngưng tụ pha khí thành hạt có kích thước lớn Bởi chế này, thời gian lưu bụi nano khơng khí nhỏ, khó có hội tích lũy lâu khí đó, nồng độ chúng ổn định Chỉ có tượng bất thường, nồng độ chúng thay đổi đáng kể Nghiên cứu tiến hành xem xét giá trị bất thường (giá trị ngoại vi hay chấm màu đỏ Hình 3.6) Chỉ có ba ngày (18/10, 19 20/12) xuất giá trị bất thường (10,75 – 12,39 µg/m3) HUST, nằm khoảng giá trị nồng độ có tượng đốt rơm rạ (Đợt Vinacomin) So sánh nồng nồng độ bụi nghiên cứu với nghiên cứu khác Mặc dù giới chưa có tiêu chuẩn bụi nano, thấy nồng độ bụi nano nghiên cứu cao từ đến 10 lần so sánh với thị khác Qua nhận thấy Hà Nội khơng có nồng độ PM2,5 PM10 cao mà nồng độ bụi nano cao Hoạt động giao thông (sử dụng xe buýt lỗi thời, nhiều xe máy) hoạt động đốt sinh khối coi hai nguồn gây nồng độ bụi cao khơng khí (MONRE, 2017) Để có sách kiểm sốt nhiễm khơng khí phù hợp, việc đánh giá cách xác nguồn gây nhiễm khơng khí định lượng phần trăm đóng góp là cần thiết Tỷ lệ bụi nano với loại bụi khác có kích thước lớn Trong nghiên cứu này, để tìm hiểu đóng góp bụi nano vào loại bụi lớn hơn, tỷ lệ loại bụi nano với PM0,1, PM2,5, PM10 TSP tính tốn thể Bảng 3.3 Nhìn chung, bụi nano đóng góp khoảng 46% vào bụi PM0,5, 16% vào bụi PM1,0, 11% vào bụi PM2,5, 7% vào bụi PM10 6% vào bụi TSP Sự đóng góp cao so với nghiên cứu Gugamsetty (2012), Lin (2015) Đài Loan Rovelli (2017) Italia Điều cho thấy nồng độ bụi nano Hà Nội cao nước khác mà tỷ lệ đóng góp loại bụi vào hạt có kích thước lớn cao hơn, từ nguy mơi trường ảnh hưởng sức khỏe cao 12 Mối tương quan bụi nano với loại bụi khác có kích thước lớn Mối tương quan nồng độ bụi dải kích thước khảo sát Hình 3.8 Hình 3.8 Mối tương quan nồng độ bụi nano với loại bụi khác có kích thước lớn Có thể thấy hệ số tương quan bụi nano với hạt lớn tương đối thấp đặc biệt với PM2,5 PM10 Điều cho thấy có khả nguồn sinh bụi nano có chút khơng giống so với nguồn sinh bụi PM2,5 bụi PM10 3.2.2 Nồng độ số lượng bụi nano khơng khí Bên cạnh việc xác định nồng độ khối lượng bụi nano, nghiên cứu tiến hành đo nhanh (30 mẫu/địa điểm) thiết bị NanoScan, SMPS TSI Model 3910 Kết máy đo nhanh thể Bảng 3.4 Bảng 3.3 Số liệu thống kê nồng độ số lượng bụi máy đo nhanh Nanoscan Loại bụi Nồng độ (103 hạt/cm3) Trung vị Trung bình Nucleation mode (10-20 nm) 3,97 4,44 Aitken mode (20-100 µm) 28,79 26,80 Accumulation (100-400 µm) 10,21 10,55 Tổng 33,45 32,91 13 Bảng 3.4 cho thấy dải kích thước thuộc Aitken mode cao hẳn so với hai dải kích thước cịn lại, cho liên quan việc sử dụng động xăng (xe máy) Hà Nội phổ biến Nồng độ số lượng trung bình bụi nano nghiên cứu tương đồng với kết Quang cộng (2017) Kết quán cho thấy nồng độ số lượng bụi Hà Nội tương tự với số khu vực đô thị nước phát triển khác Kết cho thấy khác nồng độ số lượng nồng độ khối lượng Hà Nội so sánh với thành phố khác Như phân tích trên, nồng độ khối lượng Hà Nội cao nhiều lần so với thành phố nước phát triển tương đồng với thành phố ô nhiễm nặng Trung Quốc Ấn Độ nồng độ số lượng bụi Hà Nội lại xấp xỉ với thành phố thuộc nước phát triển thấp nhiều so với thành phố ô nhiễm nặng Trung Quốc Ấn Độ Kết luận: Sự khác nồng độ bụi nano theo mùa địa điểm nghiên cứu nhỏ, trừ có tượng bất thường đốt rơm rạ Không khu vực nghiên cứu có nồng độ bụi nano cao mà phần trăm đóng góp bụi nano vào hạt lớn cao so sánh với nghiên cứu khác Đặc điểm nồng độ khối lượng số lượng cho thấy khả đóng góp nguồn xe máy lớn tới nồng độ bụi nano khu vực quan trắc Không thể rõ ảnh hưởng yếu tố khí tượng lan truyền tầm xa tới nồng độ bụi nano khơng khí 3.3 Thành phần hóa học bụi nano 3.3.1 Thành phần OC EC Diễn biến nồng độ OC EC bụi nano Nồng độ OC EC bụi nano biểu diễn Hình 3.11 Hình 3.11 Nồng độ OC EC bụi nano theo mùa vị trí quan trắc 14 So sánh nồng nồng độ bụi nghiên cứu với nghiên cứu khác Nồng độ OC EC bụi nano nghiên cứu cao so sánh với số đô thị khác giới Đặc biệt, có tượng đốt rợm rạ (Đợt 3), nồng độ OC EC cao bình thường xấp xỉ hai lần Sự đóng góp loại cacbon Sự đóng góp loại OC EC vào bụi có vai trị quan trọng việc nhận dạng nguồn thải Sự đóng góp loại cacbon theo thứ tự sau: OC3 (28%), EC1 (21%), OC3(20%), OC4 (13%), POC (10%), EC2 (6%), OC1 (2%) Phần trăm đóng góp loại cacbon bụi nano Hà Nội phát thải động xe máy, đốt than, đốt thực vật đun nấu Tỷ lệ OC/EC mối tương quan OC EC Tỷ lệ OC/EC tính tốn theo mùa địa điểm Kết cho thấy tlệ tương đối (3,79 – 5,68) với tất mùa địa điểm (kể mùa khô Vinacomin, nồng độ OC EC tăng lên thời) Mặc dù nồng độ OC EC khác theo mùa vị trí, tỷ lệ OC/EC khơng thay đổi q nhiều Tỷ lệ biến thiên ổn định nguồn đóng góp vào nồng độ OC EC Mặc dù biến đổi tỷ lệ OC/EC nhỏ, thấy tỷ lệ nhỏ Vinacomin, thấp vào đợt có tượng đốt rơm rạ Tỷ lệ OC/EC dùng thị nguồn thải Trong nghiên cứu này, tỷ lệ OC/EC vào khoảng 3,79 đến 4,60 Vinacomin 4,71 đến 5,68 HUST Tỷ lệ OC/EC Vinacomin thấp chút so với HUST cho thấy ảnh hưởng hoạt động giao thông, hoạt động sinh nhiều EC hơn, Vinacomin Tuy nhiên, nhìn chung, tỷ lệ OC/EC nghiên cứu tương tự với tỷ lệ tìm thấy có ảnh hưởng nguồn động xe máy, nấu ăn, đốt sinh khối đốt than Ước tính nguồn thứ cấp đóng góp vào bụi nano Tại HUST, đóng góp SOC vào OC vào mùa khô cao mùa mưa, phần trăm SOC/OC bụi PM0,1 29,04% mùa mưa 38,52% mùa khơ Trong mùa khơ, điều kiện khí ổn định gia tăng oxy hóa khí nhiệt độ thấp đẩy mạnh q trình ngưng tụ hợp chất hữu bay thứ cấp hạt bụi khí hai lý giải thích cho tỷ lệ SOC/OC cao mùa khơ Ngược lại, Vinacomin, đóng góp 15 SOC vào OC hai mùa (27,51 mùa mưa 29,24 mùa khô) Hiện tượng bất thường giải thích tượng đốt rơm rạ làm tăng lượng OC sơ cấp mùa khô điểm lấy mẫu Tỷ lệ char-EC/soot-EC mối tương quan chúng Giống OC/EC, mối quan hệ char - EC soot - EC sử dụng rộng rãi thị nguồn thải Thậm chí tỷ lệ char - EC/soot - EC cho hiệu tỷ lệ OC/EC với chúng tránh sai số gây hình thành SOC Nồng độ trung bình char - EC soot - EC 0,25 ± 0,26 µg/m3 0,20 ± 0,08 µg/m3 Tỷ lệ char - EC/soot - EC nằm khoảng với nghiên cứu khác (0,91 – 2,79), cho thấy khả ảnh hưởng lớn nguồn xe máy đốt than 3.3.2 Thành phần ion Nồng độ ion vào hai mùa địa điểm thể Bảng 3.10 Bảng 3.10 Nồng độ ion bụi nano đợt lấy mẫu Nồng độ ion (µg/m3) Vị trí Ca2+ K+ Mg2+ Na+ NH4+ Đợt 0,21 0,06 0,02 0,03 0,13 Đợt 0,31 0,10 0,01 0,03 0,33 Đợt 0,29 0,18 0,03 0,04 1,43 Đợt 0,09 0,05 0,01 0,02 0,14 Cl0,0 0,0 0,0 0,0 NO3- SO42- C2O42- 0,10 0,32 0,07 0,19 0,80 0,09 0,21 0,85 0,15 0,17 0,32 0,06 Nhìn chung, tổng nồng độ ion bụi nano 1,17 ± 0,81, đó, SO42, NH4+ NO3- thành phần chủ đạo chiếm 71,78 % Đóng góp cao SO42-, NO3- amoni cho thấy khả đóng góp chủ yếu nguồn thứ cấp Ngoài ra, nồng độ Ca2+ cao ba dải kích thước Điều giải thích hoạt động xây dựng nhà D9 gần vị trí quan trắc Nồng độ C2O42- tìm thấy ba dải kích thước 0,07 ± 0,03, nằm dải nghiên cứu khác (0,01 – 0,37) 16 Nồng độ ion bụi nano nghiên cứu cao so sánh với số đô thị khác giới lại tương đồng với giai đoạn ô nhiễm bên Đài Loan Nghiên cứu tiến hành khảo sát mối tương quan K+ EC, hai thị cho trình đốt sinh khối, giai đoạn lấy mẫu để xem xét ảnh hưởng trình đốt rợm rạ Mối tương quan cao hai thị đốt sinh khối, EC K+, tìm thấy đợt (R2 = 0.80) củng cố thêm minh chứng khoa học hoạt động đốt rơm rạ trình bày phần nồng độ khối lượng nồng độ OC, EC đề cập phía 3.3.3 Thành phần nguyên tố Nồng độ thành phần nguyên tố bụi nano hai mùa hai địa điểm thể Hình 3.16 Hình 3.16 Nồng độ thành phần nguyên tố bụi nano Nồng độ trung bình nhóm ngun tố có nồng độ cao vào khoảng 341,27 ± 285,15 ng/m3, đó, Ca có nồng độ cao (260,21 ng/m3, chiếm 75%), sau nguyên tố Zn (30,59 ng/m3, chiếm 9%), K (17,68 ng/m3, chiếm 5%), Na (12,19 ng/m3, chiếm 3%), Al (8,10 ng/m3, chiếm 2%), Mg (8,04 ng/m3, chiếm 2%) Fe (5,57 ng/m3, chiếm 2%) Theo bảng hàm lượng vỏ Trái đất Mason, Ca đứng thứ tư sau Si, Al, Fe Tuy nhiên nghiên cứu này, Ca có nồng độ cao Al Fe Điều cho thấy, nguyên tố có nguồn gốc tự nhiên, Ca cịn 17 đến từ hoạt động nhân tạo xây dựng Nồng độ trung bình nhóm ngun tố trung bình khoảng 5,79 ± 6,87 ng/m3 bao gồm nguyên tố V, As, Pb, Cu, Mn, Ba, Cr, Se, Ni nồng độ trung bình nhóm ngun tố thấp vào khoảng 0,19 ± 0,17 ng/m3 với nguyên tố Be, Co, Cd, Sb, Tl Các nguyên tố thuộc hai nhóm có nồng độ thấp lại nguyên tố nguồn gốc nhân tạo thường ngun tố có độc tính cao, gây ảnh hưởng tới sức khỏe người 3.3.4 Tổng hợp thành phần hóa học bụi nano Tổng hợp thành phần hóa học bụi nano Tổng hợp thành phần hóa học bụi nano hai mùa hai địa điểm trình bày Bảng 3.13 Bảng 3.13 Kết thành phần hóa học bụi nano Đợt lấy mẫu Đợt (n = 17) Đợt (n = 6) Đợt (n = 7) Đợt (n = 50) Cả đợt NĐ/ SD Nồng độ (µg/m3) EC OC NĐ SD NĐ SD NĐ SD NĐ SD NĐ SD 0,46 0,26 0,56 0,23 1,18 0,32 0,62 0,29 0,63 0,33 2,31 0,84 2,43 0,60 4,34 0,79 2,69 0,90 2,74 1,00 Nguyên tố 0,30 0,11 0,15 0,04 0,64 0,40 0,36 0,29 0,35 0,28 Ion Tổnga 0,97 0,22 1,91 0,47 3,20 0,98 0,88 0,39 1,18 0,81 3,77 1,30 4,94 1,23 8,81 1,97 4,25 1,53 4,23 2,30 Quan trắcb 5,90 2,23 6,42 1,49 12,02 3,03 5,32 1,96 6,19 2,80 % phân tích 66,66 14,47 77,83 8,54 74,08 5,63 79,74 11,53 70,59 23,41 Tổng thành phần (OC + EC + Ion + Nguyên tố); b) Nồng độ theo phương pháp cân khối lượng; NĐ: Nồng độ; SD: Độ lệch chuẩn Kết luận: Đã phân tích 70,59 % khối lượng bụi nano, cacbon thành phần Thành phần hóa học tỷ lệ OC/EC, charEC/soot-EC cho thấy nhận diện sơ nguồn đóng góp vào nồng độ bụi nano khơng khí như: xe máy, đốt than, nấu ăn, thứ cấp, đốt sinh khối, công nghiệp, xây dựng bụi đường Tuy nhiên, để đánh giá xác dạng nguồn định lượng đóng góp a) 18 dạng nguồn, mơ hình PMF sử dụng kết thể phần 3.4 sau 3.4 Phần đóng góp nguồn thải tới bụi nano khơng khí 3.4.1 Chuẩn bị liệu Từ 56 mẫu bụi nano lấy mùa khô được, 50 mẫu lựa chọn sau QA/QC để phục vụ chạy mơ hình PMF Ban đầu, liệu nồng độ bụi, OC, EC, ion, 22 nguyên tố đưa vào xem xét tính tốn uncertainty theo cơng thức (2.15), (2.16), (2.17) Sau đó, thơng số phân loại theo tỷ lệ S/N (signal/noise) Kết có 12 thơng số bị loại khỏi mơ hình Hai mươi hai thơng số cịn lại giữ lại để chạy mơ hình PMF Như vậy, liệu gồm 50 mẫu 22 tiêu phân tích mẫu sử dụng để chạy mơ hình PMF 3.4.2 Kết chạy PMF Xác định số nhân tố Hai thông số IS IM tính tốn theo số nhân tố thể Hình 3.17 Căn vào biến thiên số IM IS, số nhân tố sử dụng để chạy mô hình PMF nhân tố Hình 3.17 Sự biến thiên số IM IS theo số nguồn Kết phân tích PMF cho hai ma trận G F Từ ma trận G, thực phép hồi quy tuyến tính để xác định hệ số hồi quy Ma trận trọng số nhân tố tính cách chia giá trị cột (nhân tố) ma trận F cho hệ số hồi quy tương ứng với cột (nhân tố) Ma trận trọng số nhân tố tính cách nhân giá trị cột (nhân tố) ma trận G cho hệ số hồi quy tương ứng với cột (nhân tố) 19 3.4.3 Nhận dạng nguồn thải phần đóng góp Nhận dạng nguồn thải Nhận dạng nguồn thải xác định dựa vào thị nguồn thải (chiếm tỷ trọng lớn ma trận trọng số nhân tố) Kết CPF tính tốn theo cơng thức (1.20) để bổ trợ cho q trình nhận dạng nguồn thải Nhân tố 1: Nguồn thứ cấp Hình 3.18 Phân bố trọng số nhân tố CPF nguồn thứ cấp Nhân tố 2: Nguồn giao thông (từ động xăng) Hình 3.19 Phân bố trọng số nhân tố CPF nguồn động chạy xăng Nhân tố 3: Nguồn giao thông (từ động diesel) Hình 3.20 Phân bố trọng số nhân tố CPF nguồn động diesel 20 Nhân tố 4: Nguồn đốt sinh hoạt dịch vụ Hình 3.21 Phân bố trọng số nhân tố CPF nguồn đốt sinh hoạt dịch vụ Nhân tố 5: Nguồn công nghiệp Hình 3.22 Phân bố trọng số nhân tố CPF nguồn công nghiệp Nhân tố 6: Nguồn xây dựng bụi đường Hình 3.23 Phân bố trọng số nhân tố CPF nguồn xây dựng bụi đường Phần đóng góp nguồn thải Mối tương quan nồng độ bụi nano theo mơ hình theo phương 21 pháp cân khối lượng thể Hình 3.24 Tương quan chặt (R2 = 0,99) nồng độ bụi nano theo tính tốn nồng độ bụi nano quan trắc cho thấy mơ hình PMF giải thích tốt dạng nguồn bụi nano (Hình 3.26) Hình 3.24 Tương quan nồng độ bụi theo mơ hình nồng độ bụi theo phương pháp cân khối lượng Kết phần đóng góp dạng nguồn thải tới lượng bụi nano khơng khí khu vực Bách Khoa, Hà Nội trình bày Hình 3.25 Hình 3.25 Phần đóng góp bụi nguồn thải Bách Khoa, Hà Nội Như vậy, kết mô hình PMF giải thích 98,7% nguồn gốc bụi nano khơng khí khu vực Bách Khoa, Hà Nội KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Đã áp dụng thành công phương pháp quan trắc bụi nano Việt Nam với quy mơ tồn diện, từ lấy mẫu tới phân tích thành phần hóa lý chúng 22 Đã xác định nồng độ bụi nano (và số dải bụi khác có kích thước lớn hơn) trung bình ngày (24h) khơng khí, cho hai mùa (mưa khô), hai khu vực nội thành Hà Nội Cụ thể xác định được: - Nồng độ bụi: Nồng độ bụi, µg/m3 PM0,1 PM0,5 PM1,0 PM2,5 PM10 TSP HUST Mùa mưa Mùa khô 5,90 ± 2,23 5,44 ± 2,03 11,84 ± 5,66 12,99 ± 6,84 26,32 ±12,04 44,90 ± 29,11 39,66 ± 18,98 70,49 ± 47,36 66,72 ± 30,31 107,01 ± 66,82 82,44 ± 35,30 124,44 ± 74,44 Vinacomin Mùa mưa Mùa khô 6,42 ± 1,69 12,02 ± 3,03 16,21 ± 3,79 27,11 ± 6,37 46,11 ±10,96 93,48 ±30,66 66,66 ± 16,74 144,74 ± 49,44 95,39 ± 24,62 209,39 ± 55,34 116,69 ± 31,44 243,23 ± 61,23 Kết cho thấy, khu vực nghiên cứu có nồng độ bụi nano cao khu vực khác giới so sánh Nồng độ bụi nano khơng khí khu vực nghiên cứu tương đối ổn định hai địa điểm lấy mẫu hai mùa, ngoại trừ có kiện bất thường đốt rơm rạ, nồng độ bụi nano biến đổi cách tạm thời Thêm vào đó, khác nồng độ bụi nano theo ba hướng quỹ đạo khối khí khơng đáng kể Đây điểm khác bụi nano so với dải bụi có kích thước lớn - Tỷ số nồng độ bụi nano dải kích thước khác: Nhìn chung, bụi nano đóng góp khoảng 46% vào bụi PM0,5, 16% vào bụi PM1,0, 11% vào bụi PM2,5, 7% vào bụi PM10 6% vào bụi TSP Các giá trị cao so với nghiên cứu khác so sánh - Đây thông tin có ý nghĩa khoa học chúng sở quan trọng để nghiên cứu sâu tác động bụi nói chung bụi nano nói riêng đến sức khỏe người môi trường - Thông tin tỷ lệ nồng độ bụi nano dải bụi khác có ý nghĩa thực tế Bởi vì, quan trắc bụi nano thách thức lớn, kinh tế lẫn kỹ thuật, nước phát triển, có Việt Nam Tuy nhiên, nhờ thơng tin này, ước lượng nhanh mức độ bụi nano không khí qua loại bụi khác có kích thước lớn hơn, dễ quan trắc - Nồng độ bụi nano cao phần đóng góp chúng vào dải bụi khác lớn làm dấy lên mối quan ngại rằng, thành phố lớn nước ta nói chung Hà Nội nói riêng, khơng có vấn đề nhiễm bụi PM10 PM2,5 mà cịn cịn có vấn đề nhiễm bụi nano 23 Đã bước đầu xác định đặc trưng hóa lý bụi nano (và số dải bụi khác có kích thước lớn hơn) Hà Nội, gồm: - Nồng độ khối lượng bụi nano (và PM0,5, PM1,0, PM2,5, PM10, TSP) - Thành phần cacbon nguyên tố (EC) cacbon hữu (OC) bụi nano (và PM2,5, PM10) - Thành phần nguyên tố bụi nano (gồm 22 nguyên tố: Be, Al, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Mo, Cd, Sb, Ba, Tl, Pb, Na, Fe, Mg, K, Ca) - Thành phần ion bụi nano (và PM2,5, PM10), gồm cation (Na+, Ca2+, + K , Mg2+ NH4+) anion (Cl-, NO3-, SO42- C2O42-) Đã áp dụng thành công mô hình nơi tiếp nhận dạng đa biến PMF để nhận dạng xác định phần đóng góp dạng nguồn thải lên mức độ bụi nano khơng khí khu vực Bách Khoa, Hà Nội - Đã nhận dạng dạng nguồn thải chính, đóng góp tới tới 98,7% lượng bụi nano khơng khí mùa khô khu vực khuôn viên Đại học Bách Khoa Hà Nội - Đã xác định phần đóng góp dạng nguồn thải tới lượng bụi nano khơng khí Trong đó, đóng góp nhiều nguồn giao thông - chiếm 46,3% (gồm, nguồn từ động xăng chiếm 30,7% nguồn từ động diesel chiếm 15,6%), tiếp nguồn thứ cấp - chiếm 31,2% Đứng thứ ba nguồn đun nấu sinh hoạt - chiếm 12,2 % Còn hai nguồn lại, công nghiệp bụi đất chiếm tỷ lệ tương đối nhỏ, tương ứng 6,1% 2,9% - Đã bước đầu thiết lập hồ sơ nguồn thải (source profile) bụi nano Hà Nội mơ hình PMF KIẾN NGHỊ Kết quan trắc nghiên cứu đề tài cho thấy nồng độ bụi nano Hà Nội cao hơn, chí cao nhiều, so với nước khác so sánh Do đó: - Cần tiếp tục mở rộng quy mô thời gian không gian cho quan trắc nghiên cứu để có tranh đầy đủ mức độ thành phần hóa lý bụi nano Đồng thời cần thúc đẩy nghiên cứu sâu bụi nano ảnh hưởng chúng tới sức khỏe người, tầm nhìn khí hậu - Cần xem xét đến việc nghiên cứu xây dựng quy chuẩn chất lượng khơng khí bụi nano để góp phần quản lý hiệu chất lượng mơi trường khơng khí - Quy trình áp dụng chuyển giao cho quan, tổ chức hoạt động lĩnh vực quan trắc môi trường - Bộ liệu bụi nano đề tài sử dụng cho việc viết báo cáo trạng môi trường quốc gia 24 ... 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... thời gian tới 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 nano khơng khí? ?? lựa chọn... dạng xác định phần đóng góp dạng nguồn thải lên mức độ bụi nano khơng khí khu vực Bách Khoa, Hà Nội - Đã nhận dạng dạng nguồn thải chính, đóng góp tới tới 98,7% lượng bụi nano khơng khí mùa khô