Trong lấy mẫu khí, việc xác định các vị trí đại diện đối với chất lượng môi trường được xác định dựa trên ảnh hưởng từ các loại nguồn thải tới chất lượng không khí xung quanh. Mặt khác, do tính chất môi trường không khí rất không ổn định, vì vậy, việc lấy mẫu phải ưu tiên các vị trí có nồng độ cao.
Trong một đối tượng môi trường cụ thể và một dạng nguồn thải cụ thể, mẫu phải được lấy từ vị trí gần nguồn thải trước sau đó với lấy tại các vị trí xa nguồn thải. Ví dụ việc thiết kế mạng lưới lấy mẫu quan trắc chất lượng không khí do ảnh hưởng của một ống khói, mẫu phải được lấy tại miệng ống khói trước.
b. Hạn chế xáo trộn môi trường lấy mẫu
Đa số các chất ô nhiễm không khí (thông số quan trắc) xuất hiện ở nồng độ rất nhỏ trong không khí, do đó lượng mẫu lấy thường lớn: Thể tích mẫu lấy đối với lấy mẫu khí thường vào khoảng vài m3 cho đến vài chục m3 (thường là 10 m3), do đó sau khi lấy mẫu, tùy vào phương pháp lấy mẫu và thiết bị sử dụng mà môi trường có thể có những xáo trộn đáng kể. Đối với những nghiên cứu đánh giá sự phân bố của các chất ô nhiễm trong một phạm vi nhỏ (phân tầng theo không gian hoặc so sánh trong và ngoài xưởng sản xuất…) việc lấy mẫu phải đảm bảo không gây xáo trộn. Thông thường, mạng lưới lấy mẫu khí tương đối thưa có nghĩa là khoảng cách giữa các mẫu phải đảm bảo không gây ảnh hưởng qua lại với nhau.
c. Giảm thời gian, chi phí, giảm yêu cầu bảo quản
Trong một chương trình lấy mẫu cụ thể, việc tổ chức mạng lưới lấy mẫu phải đảm bảo hạn chế tiêu tốn thời gian và chi phí cho lấy mẫu và bảo quản đảm bảo tính hiệu quả của tổ chức lấy mẫu mà vẫn đảm bảo chất lượng của chương trình lấy mẫu. Thông thường trong mạng lưới lấy mẫu, thứ tự lấy mẫu tại mỗi vị trí phải đảm bảo lấy mẫu ở xa trước sau đó mới lấy mẫu ở gần.
Nguyên tắc này nhằm giảm thời gian bảo quản tại hiện trường cho mẫu. Trong lấy mẫu khí thường phải xem xét sử dụng các phương tiện vận chuyển chuyên dụng do thiết bị lấy mẫu cồng kềnh, nhu cầu bảo quản mẫu lớn.
3.8.2. Dụng cụ lấy mẫu khí
Lấy mẫu khí có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau tuy nhiên, đối với đa số các thông số chất lượng không khí, việc thu mẫu để phân tích hóa lý thường được áp dụng. Có hai nhóm dụng cụ lấy mẫu cơ bản trong lấy mẫu khí:
Nhóm 1: Các thiết bị đo
Các thiết bị đo được sử dụng trong đánh giá nhanh chất lượng không khí ngay tại hiện trường cho phép đánh giá nhanh chóng chất lượng không khí. Tuy nhiên do giới hạn về phạm vi xác định nên các thiết bị này thường chỉ sử dụng được với đối tượng nguồn thải nơi có nồng độ các chất ô nhiễm cao.
Nhóm 2: Thiết bị lấy mẫu
Trong các chương trình quan trắc đòi hỏi xác định chất lượng môi trường xung quanh, khi nồng độ các chất ô nhiễm nhỏ, việc phân tích hóa học và phân tích vật lý môi trường không khí bắt buộc phải được áp dụng. Thiết bị lấy mẫu cho phép thu thập một lượng mẫu nhất định, đem về phòng thí nghiệm và xác định bằng các phương pháp có độ chính xác cao hơn cho phép xác định sự có mặt của một chất ở nồng độ rất nhỏ.
Tuy nhiên, đa số các thiết bị lấy mẫu khí đều có một nguyên tắc chung là vận hành bằng cơ chế bơm hút. Một lượng không khí nhất định sẽ được thu vào thiết bị nhờ cơ chế bơm, qua đó không khí sẽ được cố định với một trong các cơ chế sau:
(1) Đựng đầy trong thiết bị chứa (lấy mẫu khô)
(2) Hấp phụ lên bề mặt chất hấp phụ (phương pháp hấp phụ) (3) Hòa tan trong dung dịch (lấy mẫu ướt – phương pháp hấp thụ)
(4) Đi qua bộ lọc cho phép đo đạc trực tiếp nồng độ (thiết bị đo)
Trong phần phương pháp thu mẫu khí sẽ đề cập cụ thể đến nguyên tắc cố định mẫu khí đã thu thập cho từng phương pháp trên.
Khi lấy mẫu khí, một thể tích mẫu nhất định được thu qua hệ thống bơm, hệ thống này phải đảm bảo bơm hút một lưu lượng khí nhất định theo thời gian để xác định được chính xác thể tích không khí đã đi qua. Việc xác định chính xác lượng không khí đi qua đóng vai trò quan trọng trong lấy mẫu khí do ảnh hưởng đến việc chuyển đổi các giá trị đo đạc: nồng độ trên thể tích (mg/l; mg/m3; µg/l; µg/m3…) và nồng độ trên khối lượng (thường gặp dưới dạng ppm). Trong khi đó, việc chuyển đổi giữa giá trị nồng độ và thể tích không khí phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ, áp suất, thành phần các chất trong không khí.
Sau khi thu mẫu, không khí cũng cần được bảo quản tránh các biến đổi trong mẫu như nhiễm bẩn, bay hơi, phản ứng hóa học và quang hóa… do đó, chuẩn bị dụng cụ cần được thực hiện với đầy đủ các hạng mục:
− Dụng cụ lấy mẫu: chất hấp phụ, thiết bị hấp phụ, bơm, dung dịch hấp thụ… tùy theo phương pháp lấy mẫu lựa chọn.
− Dụng cụ đo các thông số khí tượng: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, tốc độ gió, bức xạ…
− Dụng cụ bảo quản và tiền xử lý hiện trường: tủ định ôn, bình tối hoặc buồng tối, các hóa chất bảo quản (ví dụ chất ổn định), thiết bị khử trùng…
− Nhãn mác ghi lý lịch mẫu, số tay, bút không xóa…
Yêu cầu đối với dụng cụ lấy mẫu khí
Trong chương trình đảm bảo chất lượng và kiểm soát chất lượng của quan trắc môi trường, yêu cầu quan trọng đối với dụng cụ lấy mẫu là phải phù hợp với mục tiêu lấy mẫu và đối tượng mẫu cần lấy. Do đó, trước khi thực hiện lấy mẫu, người tiến hành lấy mẫu phải xác định rõ loại dụng cụ lấy mẫu phù hợp. Ví dụ: trong trường hợp không thể tiến hành lấy mẫu có thể xem xét việc sử dụng các thiết bị đo phù hợp để thay thế.
Thứ hai, dụng cụ lấy mẫu phải đảm bảo làm thay đổi ít nhất tính chất môi trường tự nhiên của mẫu sau thu thập tức là không gây nhiễm bẩn mẫu đồng thời hạn chế tối thiểu việc làm mất mát vật chất trong mẫu: Dụng cụ lấy mẫu và chứa
mẫu phải sạch, tùy từng loại dụng cụ nhất định, có thể được làm sạch bằng các phương pháp sau:
− Tráng rửa trực tiếp với nước cất
− Làm sạch bằng hơi nước ở nhiệt độ cao
− Làm sạch bằng khí trơ
− Thay thế các dụng cụ (đầu lọc) đã nhiễm bẩn bằng dụng cụ (đầu lọc) mới
3.8.3. Các kỹ thuật lấy mẫu khí
Như đã chỉ ra ở trên, việc lấy mẫu khí đại diện cho tính chất môi trường phụ thuộc rất lớn vào các điều kiện khí tượng. Hầu hết các hoạt động sinh học bao gồm cả hoạt động của con người đều xảy ra ở tầng thấp nhất của khí quyển, tại đây cũng diễn ra quá trình vận chuyển năng lượng và vật chất giữa đất và không khí. Đặc điểm khí tượng của tầng thấp khí quyển ảnh hưởng tới các quá trình vật lý, hóa học và sinh học xảy tra trên mặt đất, vì vậy quan trắc những điều kiện này cần được quan tâm trong các nghiên cứu về môi trường.
Thu thập, đo đạc các thông số khí tượng
Tầng thấp nhất của khí quyển đến độ cao 11 km được gọi là tầng đối lưu. Các khí trộn lẫn trong tầng đối lưu có thành phần tương đối ổn định và có ý nghĩa lớn đối với đời sống sinh vật. Ở đây, sự vận chuyển không khí xảy ra mạnh và hình thành các đám mây được xem như là yếu tố thời tiết có ảnh hưởng tới các hệ sinh thái của sinh quyển.
Tập hợp các thông số khí tượng cần quan tâm trong nghiên cứu phụ thuộc vào bản chất của nghiên cứu hay chính xác hơn là phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu. Ví dụ, thông tin cơ bản tối thiểu cho quan trắc hiện trạng nồng độ ozon trong không khí bao gồm: hướng gió, nhiệt độ, bức xạ mặt trời (cường độ và tốt nhất là nên có bước sóng ánh sáng do liên quan đến các phản ứng quang hóa). Trong khi đó, số liệu khí tượng cho quan trắc chất lượng nước một hồ nhỏ yêu cầu: tốc độ gió, nhiệt độ, độ ẩm, chất lắng, tổng năng lượng bức xạ.
Trong các nghiên cứu với mức độ số liệu khí tượng yêu cầu không chi tiết nhưng phải đầy đủ về mặt hạng mục thì số liệu khí tượng thường được thu thập tại các trạm khí tượng gần nhất với khu vực nghiên cứu. Trong trường hợp này, số liệu khí tượng phải đảm bảo các yêu cầu về tính chính xác cũng như tính đúng, tính cập nhật đối với số liệu thứ cấp. Số liệu khí tượng thu thập theo phương pháp này cũng cần phải xác định và đánh giá theo những mục tiêu của
nghiên cứu và được thực hiện trước khi xây dựng mạng lưới quan trắc. Khi sử dụng số liệu khí tượng như một dạng tài liệu thứ cấp để xử lý số liệu phân tích, đánh giá chất lượng không khí, số liệu được lựa chọn phải đại diện và cập nhật. Chính xác hơn, số liệu được sử dụng phải là số liệu gần nhất và tương ứng với thời điểm lấy mẫu hoặc đo đạc.
Trong nhiều trường hợp, các chương trình quan trắc phải thực hiện đồng thời việc thu mẫu khí và đo đạc trực tiếp các thông số khí tượng tại hiện trường. Việc đo đạc các thông số khí tượng thông thường phải sử dụng các thiết bị hiện đại như máy đo tốc độ gió, máy đo độ rung, tiếng ồn, máy đo bức xạ... Các thiết bị này cần được bảo quản và sử dụng theo những phương pháp riêng. Giá trị các thông số khí tượng cũng như độ rung, tiếng ồn chỉ đảm bảo độ tin cậy khi được đo đạc tại vị trí lấy mẫu và chỉ có giá trị tại một vị trí này và sử dụng để hiệu chỉnh và nghiên cứu hiện trạng môi trường trong chương trình lấy mẫu đó.
Trong trường hợp xác định hiện trạng khí hậu và thời tiết khu vực, việc thiết kế chương trình đo đạc phải được thực hiện theo quy định của Bộ Tài nguyên và Môi trường cũng như hướng dẫn của Tổng cục Khí tượng Thủy văn.Trong chương trình lấy mẫu khí, các thông tin khí tượng tối thiểu phải thu thập hoặc đo đạc bao gồm:
− Nhiệt độ không khí: nhiệt độ tại thời điểm lấy mẫu, nhiệt độ tại cửa xả (miệng ống khói, trong nhà xưởng, cửa thông gió công trình...) nhiệt độ trung bình ngày, nhiệt độ tối cao, tối thấp trung bình ngày...
− Hướng gió chủ đạo (thông thường thông tin được biểu diễn dưới dạng lá gió đối với các bản đồ hiện trạng)
− Vận tốc gió tại thời điểm đo, vận tốc gió trung bình, vận tốc gió theo các hướng gió...
− Bức xạ mặt trời tại thời điểm đo, bức xạ mặt trời trung bình ngày, số giờ nắng, tổng lượng bức xạ trung bình năm...
− Độ ẩm tương đối, độ ẩm tuyệt đối của không khí tại thời điểm đo...
Giới thiệu một số phương pháp lấy mẫu khí
Lấy mẫu khí thường được tiến hành đối với việc thu mẫu và chuyển về phòng thí nghiệm phân tích cũng như thu mẫu vào các thiết bị đo. Căn cứ vào
trạng thái tồn tại của các vật chất ô nhiễm trong khí quyển có thể chia ra hai nhóm phương pháp: Lấy mẫu khí và lấy mẫu sol khí (bụi) trong không khí.
(1) Lấy mẫu bụi
Mẫu sol khí bao gồm các thành phần dị thể trong không khí như các hạt bụi rắn, các hạt nước, thành phần sinh vật trong không khí... sau đây gọi chung là bụi. Căn cứ vào mục tiêu quan trắc, chương trình lấy mẫu phải thiết kế lấy mẫu một hoặc nhiều loại bụi khác nhau theo những tiêu chí phân loại riêng: Lấy mẫu bụi lắng, lấy mẫu bụi tổng số, lấy mẫu bụi lắng hòa tan, lấy mẫu bụi hô hấp... Mỗi chương trình lấy mẫu bụi căn cứ vào đối tượng sẽ được thực hiện với những phương: Ví dụ: Bụi lắng tổng số sẽ được xác định bằng phương pháp khối lượng, việc thu thập mẫu bụi lắng được tiến hành như sau: Tạo bề mặt ổn định (thường là vaseline sấy ổn định ở nhiệt độ 40oC) sau đó thu mẫu bụi bằng việc hứng bụi lắng trong một thời gian nhất định 12 – 96h.
Bụi tổng số hoặc bụi hô hấp căn cứ vào kích thước để thu mẫu nên phương pháp thu mẫu có thể được mô tả chung như sau:
Phương pháp “lấy mẫu chủ động”: khí được cho khuếch tán qua lưới lọc,
các hạt bụi có kích thước lớn sẽ bị giữ lại. Phương pháp này được áp dụng đối với các dòng đẩy.
Phương pháp “lấy mẫu cưỡng ép” sử dụng bơm hút hút một lượng khí
nhất định cho không khí đi qua lưới lọc, các hạt bụi được giữ lại trên lưới. Lưới lọc trong cả hai trường hợp này đều có thể thiết kế đơn giản bằng các vách ngăn vật lý có kích thước phù hợp hoặc các vật chất hấp phụ vật lý với kích thước hạt và kích thước mao quản phù hợp.
(2) Phương pháp lấy mẫu khí
Trước hết, việc thu mẫu các chất ô nhiễm tồn tại trong không khí ở dạng đồng thể (pha khí) khó khăn hơn thu mẫu sol khí cũng như khó khăn hơn thu mẫu các chất ô nhiễm trong đất và trong nước do một hoặc đồng thời các nguyên nhân sau: Không quan sát được quá trình thu mẫu; Nồng độ các chất ô nhiễm nhỏ. Do đó, thu mẫu khí trong QTMT thường phải sử dụng các công cụ trợ giúp cho phép thu thập lượng mẫu lớn đồng thời cho phép xác định lượng không khí đã đi qua. Căn cứ nguyên tắc thu mẫu có thể chia ra: