CHƢƠNG 2 : THỰC NGHIỆM
2.3. Thiết bị, dụng cụ lấy mẫu
Máy lấy mẫu khơng khí tốc độ thấp: Sibata Ʃ30MP do Nhật Bản sản xuất. Ống than hoạt tính của hãng SK CANASORB 747, dài 7 cm, đường kính ngồi 6 mm, đường kính trong 4 mm, có chứa 2 phần than hoạt tính (phần trước: 100 mg, phần sau: 50mg) được ngăn cách bởi 2 mm xốp urethane. Nguyên tắc của phương pháp là cho các chất có khả năng hấp phụ tiếp xúc với khơng khí có chứa hợp chất BTEX. Hợp chất BTEX sẽ hấp phụ lên than hoạt tính.
Ống nối silicon để kết nối máy bơm khí và ống than hoạt tính.
Chân đế có chiều cao tùy chỉnh trong khoảng 0,6 m – 1,5 m so với mặt đất để có thể tùy chỉnh chiều cao của máy hút khí ở mức 0,8 m (là mức khí thở của trẻ nhỏ) hoặc ở mức 1,5 m (là mức khí thở của người lớn).
Dùng kìm bấm mở hai đầu ống thủy tinh của than hoạt tính, nối ống than với máy hút khí bằng ống nối silicon, điều chỉnh tốc độ máy hút khí đạt 0,2 L/phút.
a.
Mẫu khí trong nhà b. Mẫu khí ngồi trời
Hình 2.4: Dụng cụ lấy khơng khí trong nhà và ngồi trời được lắp hoàn chỉnh
2.4. Phƣơng pháp và chiến dịch lấy mẫu tại các trƣờng học
2.4.1. Phương pháp lấy mẫu
Để nghiên cứu tác động của các yếu tố: kiến trúc, tình trạng xây dựng, tình trạng giao thơng tới nồng độ BTEX ở khơng khí trong nhà, nhóm nghiên cứu đã tiến hành lấy mẫu như sau:
- Trong khoảng thời gian 2 tháng mùa đông (từ tháng 11/2017 đến tháng 12/2017), tiến hành lấy mẫu tại 9 trường mầm non với hệ thống thơng gió tự nhiên được đặt tại các địa điểm khác nhau tại Hà Nội
- Trong khoảng thời gian 1 tháng mùa hè (tháng 5/2018) nhóm nghiên cứu tiếp tục lấy mẫu tại 7 trường mầm non (thuộc 9 trường mầm non đã lấy mẫu trong chiến dịch lấy mẫu mùa đơng năm 2017).
Với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng lâu dài của các nguồn phát thải BTEX đối với khơng khí trong các phịng học; ở mỗi trường mầm non, nhóm nghiên cứu đã tiến hành lấy mẫu khơng khí trong nhà và ngồi trời theo 2 khoảng thời gian:
- Ban ngày, trong khoảng thời gian từ 8:00 đến 16:00 (8 h): là khoảng thời gian diễn ra hoạt động giáo dục của giáo viên và trẻ trong lớp học. Lấy đồng thời 02 mẫu khí: trong phịng học và ngồi phịng học. Mẫu khí ngồi phịng học được đặt ở sân trường, vị trí an tồn, hạn chế tối đa nguy cơ phá hủy thiết bị hoặc gây chú ý tới người khác.
- Buổi tối, đêm và cuối tuần: trong khoảng thời gian từ 18h đến 6h00 của ngày kế tiếp (12h), là khoảng thời gian tĩnh, khơng có bất kỳ hoạt động nào diễn ra trong lớp học. Lấy đồng thời 02 mẫu khí: trong phịng học và ngồi phòng học (sân trường), trùng với vị trí lấy mẫu ban ngày nhưng với thời gian đã được trình bày ở phần trên.
Mẫu khí được thu thập bằng máy hút khơng khí cỡ nhỏ với tốc độ thấp (0,2 mL.phút-1). Máy hút khơng khí thường xuyên được hiệu chỉnh trong suốt chiến dịch lấy mẫu.
Thể tích mẫu khí được xác định theo cơng thức sau:
V = v × t (2.1)
Trong đó: V: Thể tích lấy mẫu (lít); v: Tốc độ hút (lít/phút); t: Thời gian lấy mẫu (phút).
2.4.2. Các bước lấy mẫu và vận chuyển
Các bước chi tiết thực hiện quá trình lấy mẫu được thể hiện như sau: - Bước 1: Lắp đặt máy Sibata lên chân đỡ. Đảm bảo chiều cao của máy bơm khoảng 80 cm tính từ mặt đất tới miệng ống hút. Máy bơm được cố định bằng dây thít.
- Bước 2: Dùng kìm bẻ gãy 2 đầu của ống than hoạt tính SKC.
- Bước 3: Lắp ống than hoạt tính SKC phần đầu khơng chứa than vào chiều vào của máy Sibata. Tại vị trí lấy mẫu miệng ống than đặt cách mặt đất với khoảng cách không đổi là 0,8 m.
- Bước 4: Bật máy lấy mẫu, điều chỉnh máy được tốc độ 0,2 lít/phút và hẹn giờ tắt máy, cụ thể:
+ Đặt thời gian hẹn giờ là mốc 17:00 đối với mẫu ban ngày.
+ Đặt thời gian hẹn giờ là mốc 7:00 ngày kế tiếp đối với mẫu ban tối và đêm.
Hình 2.5: Mẫu BTEX ngay sau khi thu thập
- Bước 5: Sau khi lấy mẫu, tháo tuýp than hoạt tính, dùng nắp nhựa để bịt kín 2 đầu ống than, quấn bằng parafin, bọc kín bằng giấy giấy bạc dán nhãn, ghi kí hiệu mẫu và bỏ vào hộp bảo quản lạnh ở 4±2 oC. Sau đó, mẫu được đưa về phịng phân tích, bảo quản lạnh ở 4±2 oC. Các mẫu được phân tích trong thời gian ngắn nhất có thể (thường nhiều nhất 2 ngày sau khi lấy mẫu).
- Bước 6: Ghi chép đầy đủ thơng tin vào biên bản lấy mẫu khí, phiếu điều tra các thơng số, đặc trưng của nơi lấy mẫu.
2.5. Phân tích BTEX
2.5.1. Phương pháp phân tích sắc ký khí khối phổ (GC – MS)
Việc định lượng các chất hữu cơ nhóm BTEX trong khơng khí là một thách thức lớn đối với các nhà phân tích vì:
+ Nồng độ các hợp chất BTEX trong khơng khí thường ở lượng vết nên rất khó phát hiện.
+ Thành phần của mẫu thực thường có lẫn nhiều hợp chất hữu cơ khác. Hiện nay, trên thế giới và ở Việt Nam, các hợp chất BTEX thường được phân tích bằng phương pháp GC – FID [2, 5, 21, 34] và một số các nghiên cứu gần đây đã sử dụng phương pháp GC – MS [9, 23, 26]. Trong luận văn này, tác giả và nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp GC – MS, đóng góp vào sự phát triển phương pháp, góp phần đa dạng hóa việc sử dụng GC-MS trong phân tích mơi trường.
Thiết bị GC – MS (Gas Chromatography – Mass Spectometry) cấu tạo gồm 2 phần: phần sắc ký khí (GC) dùng để phân tách hỗn hợp các chất và tìm ra chất cần phân tích, phần khối phổ (MS) mơ tả các hợp phần riêng lẻ bằng cách mô tả số khối.
Hệ thống sắc ký ghép nối với khối phổ gồm các bộ phận sau: - Nguồn cung cấp khí mang: đóng vai trị là pha động.
- Lò cột: dùng để điều khiển nhiệt độ cột phân tích.
- Bộ phận tiêm mẫu: dùng để đưa mẫu vào cột phân tích theo với thể tích bơm có thể thay đổi. Khi đưa mẫu vào cột, có thể sử dụng chế độ chia dịng (split) và khơng chia dịng (splitless). Có 2 cách đưa mẫu vào cột: bằng tiêm mẫu thủ công và tiêm mẫu tự động (Autosamper – có hoặc khơng có bộ phận hóa hơi - headspace).
- Cột phân tích: trong luận văn sử dụng cột mao quản (capillary): pha tĩnh được phủ mặt trong (bề dày 0,2-0,5 µm), cột có đường kính trong 0,1-0,5 mm và chiều dài 30 -100 m.
Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống sắc ký khí
Hai bộ phận quan trọng nhất của thiết bị sắc ký khí là cột phân tích và detectơ. Nhờ có khí mang, mẫu từ buồng bay hơi được dẫn vào cột phân tích nằm trong lị cột – là nơi xảy ra q trình sắc ký. Sau khi rời khỏi cột phân tích tại các thời điểm khác nhau, các cấu tử lần lượt đi vào detectơ, tại đó phát sinh thành tín hiệu điện. Tín hiệu này được khuếch đại rồi chuyển sang bộ ghi, tích phân kế hoặc máy vi tính. Các tín hiệu được xử lý rồi chuyển sang bộ phận in và lưu kết quả. Trên sắc đồ nhận được, sẽ có các tín hiệu ứng với các cấu tử được phát hiện gọi là píc. Thời gian lưu của píc là đại lượng đặc trưng định tính cho chất cần xác định. Cịn diện tích của píc là thước đo định lượng cho từng chất trong hỗn hợp cần nghiên cứu. Để phân tích BTEX, nhóm nghiên cứu chúng tơi sử dụng detectơ khối phổ (MS).
2.5.2 Hóa chất, dụng cụ phân tích
2.5.2.1 Hóa chất
Dung mơi: CS2, hãng Kanto đã loại bỏ benzen.
Chất chuẩn: 1 mL dung dịch hỗn hợp BTEX trong CS2 được pha từ các chuẩn đơn với thể tích cụ thể trong bảng 2.4.
Bảng 2.1: Nồng độ các chất chuẩn BTEX
Thể tích (µL) Khối lƣợng (gam) Nguồn gốc Nồng độ (ppm)
CS2 970 1,21501 Merck
Benzen 5 0,00446 Merck 4460
Toluen 5 0,00253 Merck 2530
Etyl benzen 5 0,00458 Merck 4580
p-xylen 5 0,00435 Merck 4340
o-xylen 5 0,00434 Merck 4350
m-xylen 5 0,00380 Merck 3800
Dung môi n-hexan để tráng rửa kim khi chạy GC: Merck Dung môi axeton để tráng rửa kim khi chạy GC: Merck Dung môi axeton để tráng rửa dụng cụ: Trung Quốc
2.5.2.2. Dụng cụ
Máy GC: Agilent 6890 Detector: 5973N mass selective detector
Bộ phận bơm mẫu: auto sampler, liner: splitless (bơm mẫu khơng chia dịng)
Thông tin về cột mao quản: DB-wax (serial No: US2160913H), dài 30m, ID 0,25mm, lớp phin pha tĩnh 0,25μm.
Micro xylanh: 25 µL; 50 µL; 100 µL; 1000µL. Máy lắc: Labnet, Model VX100.
Vial đựng mẫu: 2mL, 5mL.
Cốc đựng dung mơi: 40 mL × 2 chiếc.
Tất cả dụng cụ thủy tinh trước khi đem sử dụng được rửa bằng bể rửa sạch trong bể siêu âm, tráng rửa bằng nước cất, dung môi axeton, sau đó tráng bằng chính dung mơi CS2 rồi đem sấy khơ trong tủ sấy.
Hình 2.7: Máy GC ghép nối với detector MS 2.5.3. Chuẩn bị dung môi CS2 2.5.3. Chuẩn bị dung mơi CS2
2.5.2.1 Hóa chất
- Dung môi CS2 Kanto 99,99% - dung môi n-hexan: Merck
- dung môi axeton Merck dùng để tráng rửa đầu kim trước khi tiêm mẫu vào GC.
- dung môi axeton PA để tráng rửa dụng cụ, Trung Quốc - Dung dịch H2SO4 đặc 98% PA, Merck
- Dung dịch HNO3 đặc 63% Merck
2.5.2.2 Dụng cụ
- Bộ dụng cụ đun hồi lưu.
- Bộ chưng cất đơn.
Trộn lẫn 5 mL H2SO4 đặc 98%, 2 mL HNO3 đặc 63% và 300 mL dung dịch CS2 Kanto 99,99% vào bình cầu, cho vài hạt đá bọt rồi ghép nối với bộ dụng cụ đun hồi lưu. Cho vài hạt đá bọt vào trong bình cầu. Tiến hành đun hồi lưu trong ba giờ.
Dung dịch thu được sau quá trình đun hồi lưu được cho vào bình cầu đã được tráng rửa kỹ và tiến hành chưng cất đơn ở 50oC.
Hình 2.8: Bộ dụng cụ đun hồi lưu CS2
Hình 2.9: Bộ dụng cụ chƣng cất CS2
2.5.2.3 Kết quả quá trình loại bỏ benzen ra khỏi dung dịch CS2
Sau khi tiến hành loại bỏ benzen, tác giả đã tiến hành phân tích hàm lượng benzen trên máy GC-MS với các thông số của máy như sau:
- Bộ phận bơm mẫu: auto sampler, liner: splitless (bơm mẫu khơng chia dịng) - Cột mao quản: DB-WAX, dài 30m, ID 0,25mm, lớp phin pha tĩnh 0,25μm.
Kết quả phân tích trong cùng điều kiện đối với mẫu thu được đem so sánh mẫu dung mơi CS2 ban đầu như sau:
Hình 2.10: So sánh sắc ký đồ của dung mơi CS2 trước (1) và sau khi loại bỏ benzen (2)
So sánh diện tích pic trên sắc ký đồ thu được kết quả như sau:
Bảng 2.2: So sánh kết quả diện tích pic trên sắc ký đồ
CS2 Kanto 99,99% trƣớc khi loại bỏ benzen
CS2 Kanto sau khi loại bỏ benzen
Diện tích pic benzen (area)
130388 2385
Kết quả phân tích cho thấy, dung môi CS2 sau chưng cất có hàm lượng benzen giảm 54,7 lần so với dung môi CS2 Kanto ban đầu, tương đương với hàm lượng benzen trong dung môi CS2 (Meck) đã cơng bố. Với kết quả nêu trên, nhóm nghiên cứu đã sử dụng CS2 sau chưng cất để chạy sắc ký khí, lượng benzen có trong dung mơi CS2 sẽ được loại trừ khi tính tốn kết quả phân tích.
2.5.4. Quy trình phân tích BTEX bằng GC-MS
2.5.4.1 Quy trình phân tích
Phạm vi áp dụng: Phương pháp dùng để xác định các hydrocacbon thơm như benzen, toluen, etylbenzen, xylen (bao gồm các đồng phân p-, m-, o-) trong môi
trường khơng khí.
Phương pháp tham chiếu: Phương pháp phân tích này tham chiếu theo NIOSH 1501.
Quy trình xử lý mẫu khí thực: Mẫu thực thu được trong các ống than hoạt tính SKC được giải hấp bằng 1mL dung dịch cacbon đisunfua (CS2). Các bước giải hấp gồm:
+ Bước 1: Dùng kìm bẻ vỡ ống than, cho nhanh tồn bộ lượng than hoạt tính vào lọ đựng mẫu dung tích 5mL chứa sẵn 1 mL dung môi CS2 rồi đậy bằng nắp PTFE.
+ Bước 2: Lắc nhẹ lọ đựng mẫu bằng máy lắc Labnet VX100 trong 3 phút rồi để yên trong 30 phút (Hình 2.11).
+ Bước 3: Sử dụng xilanh 1mL hút dung dịch sau giải hấp và đựng trong lọ dung tích 1mL rồi đậy bằng nắp PTFE, cuốn giấy parafin để tránh thất thốt mẫu rồi đem phân tích bằng GC-MS.
Hình 2.11: Giải hấp mẫu thực chứa BTEX bằng dung mơi CS2
Chương trình chạy sắc ký GC – MS + Nhiệt độ buồng bơm mẫu: 220oC + Chương trình nhiệt độ: 40o
C (8 phút), 10oC/phút, 120oC, post run time 220oC (5 min). Thời gian cắt dung mơi: 3 phút.
Hình 2.12: Chương trình nhiệt độ GC-MS
+ Khí mang: He, tốc độ dịng khí qua cột 1,5 mL/phút + Thể tích tiêm mẫu: 3 μL
+ Chế độ bơm mẫu: khơng chia dịng. 40 40 40 120 220 220 0 50 100 150 200 250 0 5 10 15 20 Nh iệt độ ( oC) Thời gian (phút) Chương trình nhiệt độ
Độ tin cậy của phương pháp lấy mẫu
Qua các thông số thu được, phương pháp xác định BTEX là có đủ điều kiện về kỹ thuật để xác lượng vết hợp chất BTEX trong mẫu mơi trường khơng khí. Các thơng số xác nhận giá trị sử dụng của phương pháp được tổng hợp như sau:
+ Tính đặc hiệu: Tại thời gian lưu của benzen có tín hiệu nhiễu do hàm lượng benzen có trong dung mơi CS2 và sẽ được loại trừ khi tính tốn kết quả phân tích. Tại thời gian lưu của Toluen, etyl benzen, p-xylen, m-xylen, o-xylen khơng có hiệu tượng nhiễu đường nền đối với mẫu khảo sát.
+ Tính tuyến tính: R2 = 0,998. + Độ thu hồi: lớn hơn 90%.
+ Độ lặp lại: Hệ số biến thiên CV nhỏ hơn 10%. + Độ không đảm bảo đo: nhỏ hơn 10%.
+ Giới hạn phát hiện của thiết bị (Intrument limit of detection – IDL): trong khoảng 0,02 ÷ 0,07 ng.
+ Giới hạn phát hiện của mẫu (Sample limit of detction – SDL): trong khoảng 2,7 ÷ 11 ng.
Thời gian lưu của các chất BTEX trong mẫu chuẩn và mẫu thực
Trong điều kiện phân tích, thời gian lưu của từng chất riêng rẽ được dùng để định lượng từng chất trong hỗn hợp BTEX chuẩn và trong mẫu thực. Trên sắc đồ phân tích hỗn hợp chuẩn BTEX, thời gian lưu của các chất lần lượt là: Benzen (3,78 phút), Toluen (5,72 phút), Etyl benzen (8,98 phút), p-Xylen 9,18 phút, o-Xylen 9,40 phút; m-Xylen 10,70 phút.
2.5.4.2 Dựng đường chuẩn
Tiến hành pha lỗng chất chuẩn BTEX bằng dung mơi CS2 ta thu được nồng độ các chất chuẩn BTEX trong bảng 2.6:
Bảng 2.3: Nồng độ các chất chuẩn BTEX Nồng độ Nồng độ (ppb) M1 M2 M3 M4 M5 M6 Benzen 46,8 156,1 356,8 557,5 936,6 1561,0 Toluen 26,6 88,6 202,4 316,2 531,3 885,5 Etyl benzen 48,1 160,3 366,4 572,5 961,8 1603,0 p-Xylen 45,6 151,9 347,2 542,5 911,4 1519,0 o-Xylen 45,7 152,3 348,0 543,8 913,5 1522,5 m-Xylen 39,9 133,0 304,0 475,0 798,0 1330,0
Phân tích 6 mức chuẩn BTEX trong các mẫu nêu trong bảng 2.5 để xây dựng đường ngoại chuẩn. Sau khi chiết mẫu thực trong 1 mL CS2, bơm 3μL mỗi mức chuẩn trên vào hệ thống GC-MS. Kết quả thu được dùng để xây dựng đường ngoại chuẩn y = b + ax. Trong đó y là số đếm diện tích pic, x là nồng độ chất chuẩn: benzen, toluen, etylbenzen, xylen. Dựa trên đường ngoại chuẩn sẽ xác định được nồng độ của mỗi chất BTEX trong mẫu thực.
Bảng 2.4: Phƣơng trình đƣờng ngoại chuẩn của các hợp chất BTEX
TT Tên chất Phƣơng trình đƣờng chuẩn R2
1 Benzen y = 90,0x + 6474,6 0,9982 2 Toluen y = 2204,8x + 4376,2 0,9986 3 Etyl benzene y = 1454,4x - 22308,0 0,9993 4 p-xylene y = 1168,2x – 14208,0 0,9992 5 o-xylene y = 1085,4x – 414,0 0,9999 6 m-xylene y = 1173,3x – 11092,0 0,9993
Hình 2.13: Đường ngoại chuẩn của benzen
Đường ngoại chuẩn của các hợp chất khác trong họ các chất BTEX được mô tả ở phần phụ lục.
2.3.6. Xác định nguồn phát thải
2.3.6.1. Tỷ số I/O (Indoor/Outdoor)
Tỷ số I/O là tỷ số tổng nồng độ BTEX trong nhà với ngoài trời tại một địa