a) Bụi
Người ta ước tính rằng có ít hơn 5% cacbon trong rơm rạ được thải ra dưới dạng bụi (PM) khi bị đốt cháy [11]. Trong đó, các hạt bụi mịn chiếm một tỷ lệ lớn từ quá trình đốt hở rơm rạ, là nguyên nhân chính gây tác động đối với sức khỏe con người và khí hậu [4]. Trong khí quyển, các hạt bụi (PM) tự nó là một hỗn hợp phức tạp và có chứa các tác động tiềm ẩn đến môi trường và sức khỏe con người, phụ thuộc
13
vào kích thước và thành phần của bụi. Thành phần của PM từ quá trình đốt hở sinh khối thay đổi tùy thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần nhiên liệu, các giai đoạn của quá trình cháy và điều kiện khí tượng [11]. Hàm lượng bụi sinh ra tỉ lệ thuận với hiệu suất cháy và tỉ lệ nghịch với lượng oxy được cung cấp cho quá trình cháy. PM10 (các hạt bụi có đường kính dưới 10 µm) phát sinh từ quá trình đốt sinh khối bao gồm một tỷ lệ lớn PM2,5 (các hạt bụi có đường kính nhỏ hơn 2,5µm) có thể xâm nhập sâu vào phổi và ảnh hưởng đến sức khỏe con người [11, 34, 35].
b) PAHs
Các hydrocarbon thơm đa vòng (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs) được sinh ra từ quá trình đốt sinh khối do phản ứng cháy không hoàn toàn và quá trình nhiệt phân của các vật chất hữu cơ. Có hàng trăm PAHs đơn lẻ có thể được phát thải vào không khí từ quá trình đốt sinh khối nhưng có 18 PAHs thường được nghiên cứu bởi chúng có độc tính gây ung thư và đột biến gen cao vượt trội và được sinh ra nhiều từ quá trình đốt sinh khối [36, 37]. Theo khuyến cáo của Cục Bảo vệ môi trường Mỹ (US.EPA) trong số 18 PAHs trong không khí nói trên có 16 PAHs đáng quan tâm nhất bao gồm: naphthalene (Nap), acenaphthylene (Acy), acenaphthene (Ace), fluorene (Flu), phenanthrene (Phe), anthracene (Ant), fluoranthene (Fth), pyrene (Pyr), benzo[a]anthracene (BaA), chrysene (Chry), benzo[b]fluoranthene (BbF), benzo[k]fluoranthene(BkF), benzo[a]pyrene (BaP), indeno[1,2,3-c,d]pyrene (I(1,2,3-
c,d)P), dibenzo[a,h]anthracene (DahA), and benzo[g,h,i]perylene (BghiP).
Các tính chất vật lý của PAHs thay đổi theo trọng lượng phân tử và cấu trúc của chúng. Áp suất hơi của PAHs giảm khi khối lượng phân tử tăng. PAHs rất ưa béo và do đó có thể hòa tan trong dung môi hữu cơ. PAHs cũng hiển thị các đặc tính khác như độ nhạy sáng, khả năng chịu nhiệt, độ dẫn điện, khả năng phát sáng và chống ăn mòn [12]. PAHs có quang phổ hấp thụ đặc trưng là dải B - tia cực tím. Vì mỗi cấu
14
trúc vòng và mỗi đồng phân có giá trị cực đại hấp thụ ở một bước sóng xác định (λmax). Điều này đặc biệt hữu ích trong việc xác định PAHs.
Cấu trúc phân tử của PAHs từ một nguồn nhất định phụ thuộc vào các quá trình tạo ra PAHs. Đối với các quá trình ở nhiệt độ thấp (ví dụ như đốt gỗ), PAHs có trọng lượng phân tử thấp thường được hình thành, trong khi các quá trình đốt ở nhiệt độ cao, như quá trình đốt cháy nhiên liệu trong động cơ xe máy sẽ phát thải các hợp chất PAHs có trọng lượng phân tử cao hơn [38]. Tỷ lệ chẩn đoán PAHs đã được sử dụng để phân biệt động cơ diesel và phát thải từ quá trình đốt cháy xăng, các sản phẩm chế biến dầu thô và các quá trình đốt sinh khối, bao gồm cháy rừng . Việc tìm kiếm các nguồn phát thải PAHs sử dụng các tỷ lệ chẩn đoán phải được tiến hành với việc xác định các tỷ lệ cho từng nguồn phát thải hiện diện trong khu vực được điều tra. Tỷ lệ PAHs được tính toán cho mỗi nguồn là không xác định và mỗi cặp tỷ lệ có thể đặc trưng cho một nguồn thải khác nhau.
Bảng 1.1.Mối liên hệ giữa tỷ lệ PAHs và đặc điểm nguồn thải
STT Tỷ lệ PAH Giá trị Đặc điểm nguồn thải
1 ∑COMB/∑PAHs ~ 1 Quá trình đốt cháy
2 Flt/ (Flt + Pyr) < 0,4 Nguồn xăng, dầu (tràn dầu) 0,4 - 0,5 Nguồn phát thải giao thông
> 0,5 Đốt cỏ, gỗ, than
3 Ant/ (Ant + Phe) < 0,1 Nguồn xăng, dầu (tràn dầu) > 0,1 Quá trình đốt cháy
4 BaA / (BaA + Chyr) < 0,2 Nguồn xăng, dầu (tràn dầu) 0,2 – 0,35 Nguồn xăng dầu hoặc quá
trình đốt cháy > 0,35 Quá trình đốt cháy
5 Ind / (Ind + BghiP) < 0,2 Nguồn xăng, dầu (tràn dầu) 0,2 – 0,5 Nguồn phát thải giao thông
15
STT Tỷ lệ PAH Giá trị Đặc điểm nguồn thải
> 0,5 Đốt cỏ, gỗ, than
[38] c) VOCs
Phát thải VOCs từ quá trình đốt sinh khối có liên quan đến loại sinh khối và chế độ cháy (ví dụ, cháy có ngọn lửa hay cháy âm ỉ) [39]. Cụ thể, nồng độ của VOCs trong giai đoạn cháy âm ỉ (smouldering)cao hơn đáng kể so với VOCs giai đoạn bùng cháy (flaming) [40]. Theo kết quả nghiên cứu của Barboni và Chiaramonti, nồng độ của nhóm BTEX (gồm benzen, toluen, ethylbenzene và xylen) là 21 ± 4,2 mg/m3 trong giai đoạn bùng cháy và 34 ± 4,3 mg/m3 trong giai đoạn cháy âm ỉ [40]. Benzen là một VOCs chính được phát hiện trong khói thải và nó là một hợp chất gây độc có liên quan đến tăng nguy cơ mắc bệnh bạch cầu cấp tính và ung thư ở trẻ em [41]. Phơi nhiễm trong thời gian dài với benzen và foocmandehit có thể dẫn đến rối loạn chức năng nội tạng mãn tính hoặc thậm chí ung thư khi nồng độ đủ cao.
Ngoài tác động trực tiếp đến sức khỏe con người, VOCs còn được quan tâm bởi nó liên quan đến ô nhiễm không khí do có sự tham gia của VOCs trong phản ứng quang hóa tạo ozon (O3) ở tầng đối lưu theo sơ đồ Hình 1.1.
16
Đây là phản ứng theo chuỗi, trong đó sự biến đổi quang hóa của VOCs với sự hiện diện của NOx tạo ra nhiều ozon hơn trong khí quyển. Ảnh hưởng của VOCs khác nhau tùy thuộc vào mức độ phát thải theo thời gian, không gian, tốc độ phản ứng quang hóa và tiềm năng hình thành O3.
d) CO2
Việc kết hợp của oxy trong không khí và cacbon trong nhiên liệu để tạo ra CO2 là một quá trình phức tạp đòi hỏi diện tích tiếp xúc, nhiệt độ đủ lớn và thời gian đủ dài để quá trình cháy xảy ra. Phương trình mô tả quá trình cháy như sau [42]:
CxHy + (x + 𝑦
4)O2↔ xCO2 + 𝑦
2H2O (1.1)
Trường hợp cháy không hoàn toàn (thiếu oxy):
CxHy + (𝑥
2 + 𝑦4)O2 ↔ xCO+ 𝑦
2H2O (1.2)
CO + 0,5O2 ↔ CO2 (1.3)
CO2 được coi là một yếu tố góp phần đáng kể vào hiệu ứng nhà kính [4] nhưng thường không được xem xét về tác động đối với sức khỏe. CO2 được coi là chất làm ấm tầng đối lưu nhưng làm lạnh tầng bình lưu do khả năng bức xạ hồng ngoại ra ngoài vũ trụ một cách hiệu quả. Hiệu ứng này có thể góp phần làm thay đổi biến thiên nhiệt độ trong tầng bình lưu và có khả năng tác động đáng kể đến quá trình hoàn lưu khí quyển [43]. Người ta ước tính rằng có từ 6564 đến 9093 triệu tấn CO2 được thải vào khí quyển hàng năm từ quá trình đốt sinh khối lộ thiên ngoài đồng ruộng [44]. Hệ số phát thải trung bình cho CO2 sinh ra từ việc đốt thực vật nằm trong khoảng 1500 đến 1800 g/kg nhiên liệu khô [45, 46] và thay đổi tùy thuộc vào loại nhiên liệu và các giai đoạn đốt cháy.
17
NOx bao gồm chủ yếu là NO và NO2 [47]. NOx là sản phẩm của giai đoạn bùng cháy của quá trình đốt cháy sinh khối và có mối tương quan chặt chẽ với việc phát thải CO2 [48]. Phát thải NOx do đốt sinh khối có tương quan thuận với hàm lượng nitơ trong nhiên liệu [48] nên hệ số phát thải của NOx thường không cố định [45, 49]. Trong nhóm NOx, NO2 là dạng chiếm ưu thế trong khí quyển và NO được xác định thải ra nhiều nhất từ quá trình đốt sinh khối [46]. NO2 là một chất ô nhiễm chính và cũng là thành phần của quá trình tạo ozon khi phản ứng với hydrocacbon không tính metan (NMHC) dưới ánh sáng mặt trời. NO2 là một chất gây độc hại cho phổi và đã được chứng minh là có tác động xấu đến sức đề kháng của phổi.
NO và NO2 được hình thành thông qua hai phản ứng cháy của như sau [42]:
N2 + O2 ↔ 2NO (1.4)
NO + 0,5O2 ↔ NO2 (1.5)
f) SO2
SO2 được tạo ra từ việc đốt cháy nhiên liệu có chứa lưu huỳnh [46]. Phát thải SO2 từ quá trình cháy được ghi nhận có liên quan đến các giai đoạn cháy. Một số nghiên cứu đã quan sát thấy lượng SO2 thải ra từ giai đoạn bùng cháy cao hơn trong giai đoạn cháy âm ỉ [48]. Ở quy mô toàn cầu, việc đốt sinh khối đã thải ra 4,26 tấn SO2 trong năm 2014, đóng góp 4,0% tổng lượng phát thải SO2 do hoạt động của con người và cháy rừng. Đặc biệt ở một số nước châu Phi và Nam Á, đốt sinh khối là nguồn chính tạo ra SO2 với tỷ lệ đóng góp lên tới 80–90% [50].
SO2 có khả năng hòa tan trong nước và hình thành axit sulfuric nên khi con người tiếp xúc với SO2 có thể ảnh hưởng xấu đến hệ hô hấp do gây ra các triệu chứng viêm phế quản mãn tính hoặc hen suyễn [51]. Phản ứng của SO2 và các hợp chất khác trong khí quyển có thể tạo thành các hạt sol khí, do đó SO2 được coi là tiền chất chính góp phần hình thành các hạt bụi PM2,5 trong không khí xung quanh. Các hạt bụi mịn
18
này có thể xâm nhập sâu vào phổi và gây ra các bệnh hô hấp nghiêm trọng hơn [35].