CHƯƠNG 2 : THỰC NGHIỆM
2.1. Mục đích và đối tượng nghiên cứu
2.1.1. Mục đích nghiên cứu
Đánh giá chất lượng khơng khí dựa trên nồng độ các kim loa ̣i nă ̣ng trên các ha ̣t bụi trong khơng khí trong nhà và xung quanh các trường mầm non trên địa bàn Hà Nội.
Đánh giá ảnh hưởng của các hoạt động trong lớp học đến nồng độ các kim loa ̣i nă ̣ng. Xác định các nguồn phát thải chính của các kim loa ̣i nă ̣ng trong khơng khí trong nhà.
Đánh giá rủi ro phơi nhiễm và rủi ro ung thư của các kim loa ̣i nă ̣ng đối với sức khỏe của con người, đặc biệt là các trẻ nhỏ.
2.1.2. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là các kim loa ̣i Mg, Al, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Rb, Sr, Zr, Mo, Cd, Sn, Sb, Ba, La, Pb, Bi.
Đi ̣a điểm lấy mẫu là 2 trường mầm non ở 2 quâ ̣n thuô ̣c thành phố Hà Nô ̣i gồm quận Đống Đa và quâ ̣n Hoàng Mai. Vi ̣ trí lấy mẫu ở 2 trường được mô tả trong hình 2.1
Đặc điểm chính của 2 trường mầm non được lấy mẫu phân tích được trình bày trong bảng 2.1:
Bảng 2.1: Mơ tả đặc điểm vị trí lấy mẫu bụi TT Ký hiê ̣u Đă ̣c điểm vi ̣ trí lấy mẫu 1 S1 - Trường được đặt ở trung tâm thành phố.
- Xung quanh trường là khu tập thể dân cư. - Khn viên trường có ít cây xanh.
- Ở trong ngõ, gần chợ, mật độ phương tiện giao thông vừa phải. 2 S2 - Trường được đặt ở trung tâm thành phố, nằm giữa các chung cư
lớn.
- Gần đường lớn, mật độ phương tiện giao thông lớn. - Khn viên trường có ít cây xanh.
2.2. Thiết bi ̣ và du ̣ng cu ̣ lấy mẫu
Trong phạm vi nghiên cứu đề tài này, ngoài viê ̣c thu bu ̣i thì các thông số khác như nhiệt độ, độ ẩm tương đối, CO, CO2 được theo dõi trong nhà và ngoài trời trong suốt thờ i gian thu mẫu. Bên cạnh đó, thơng tin về hoạt động của lớp ho ̣c (số học sinh có mă ̣t, trạng thái của cửa ra vào và cửa sổ, phương pháp làm sạch và chất tẩy rửa được sử dụng) được thu thập bởi bảng câu hỏi khảo sát (phần phu ̣ lu ̣c).
2.2.1. Thiết bi ̣ thu bụi
Máy thu mẫu Nanosampler II Model 3182 của Nhâ ̣t. Là thiết bị đầu tiên và duy nhất trên thế giới phân loại các hạt 0,1µm dưới áp lực xung quanh. Thiết bi ̣ này thu mẫu bụi theo theo 5 tầng với các kích cỡ ha ̣t khác nhau là PM0.1, PM0.5, PM1.0, PM2.5, PM10. Bộ lọc sợi sử dụng một số cơ chế để thu khí như quán tính, lắng trọng lực, đánh chặn và khuếch tán. Hiệu quả thu khí thuộc vào kích thước hạt và tốc độ lọc. Các hạt lớn được giữ la ̣i trong một bộ lọc bằng lực quán tính ở tốc độ lọc cao, trong khi các hạt nhỏ được loại bỏ khỏi khí bằng sự khuếch tán Brown. Nanosampler cho phép sử dụng lưu lượng lấy mẫu cao hơn 40 L/phút. Lưu lượng cao hơn này rút ngắn thời gian lấy mẫu, cần thiết cho việc cân hoặc phân tích mẫu.
Các tấm giấy lo ̣c sợi thủy tinh TX40HI20-WW của Nhâ ̣t Bản, có đường kính 55mm, kích thước lỡ 0,2µm.
Ớng silicon để kết nới giữa máy bơm khí với máy thu khí Nanosampler II Model 3182.
Dù ng ke ̣p để lấy giấy lo ̣c và cho vào các tầng của thiết bi ̣ Nanosampler II Model 3182.
Hình 2.2: Máy thu bụi Nanosampler II Model 3182.
2.2.2. Thiết bi ̣ đo nồng độ CO2, CO, nhiê ̣t độ, độ ẩm
Máy theo dõi chất lượng khơng khí trong nhà Q-Trak Model 7575 cung cấp thơng tin nhanh chóng, chính xác để đánh giá các thơng số chính của chất lượng khơng khí trong nhà, hoặc IAQ. Đồng thời hiển thị các phép đo CO2, CO, nhiệt độ và độ ẩm.
Thiết bi ̣ gồm 2 bộ phâ ̣n là màn hình LCD để cài đă ̣t và hiển thi ̣ các thông số cầ n đo và 1 đầu dò
Phần mềm phân tích dữ liệu TRAKPRO ™ được cung cấp để ghi dữ liệu, phân tích và ghi lại kết quả.
Thiết bi ̣ cho phép lưu trữ tối đa 39 ngày dữ liệu được thu thập.
2.3. Kế hoach lấy và bảo quản mẫu
2.3.1. Kế hoạch lấy mẫu
Để nghiên cứu tác động của các yếu tố: kiến trúc, tình trạng xây dựng, tình trạng giao thông tới nồng độ các kim loa ̣i nă ̣ng ở khơng khí trong nhà, chúng tơi đã tiến hành lấy mẫu như sau:
- Trong khoảng thời gian từ 15/11/2019 đến 08/12/2019 chúng tôi tiến hành thu mẫu tại trường S1.
- Trong khoảng thời gian từ 09/01/2020 đến 20/01/2020 chúng tôi tiến hành thu mẫu tại trường S2.
Với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng lâu dài của các nguồn phát thải kim loại nặng đối với khơng khí trong các phòng học; ở mỗi trường mầm non, tôi 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 (8h): 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 7h00 của ngày kế tiếp (13h), là khoảng thời gian tĩnh, không có bất kỳ hoạt động nào diễn ra trong lớp học. Lấy đồng thời 02 mẫu khí: trong phịng học và ngồi phịng học (sân trường), trùng với vị trí lấy mẫu ban ngày nhưng với thời gian đã được trình bày ở phần trên.
a) Trong nhà b) Xung quanh
Hình 2.4: Dụng cụ lấy khơng khí trong nhà và ngồi trời được lắp hoàn chỉnh. Mẫu khí được máy bơm hút với tốc đô ̣ 40L/phút và được giữ la ̣i nhờ lực quán tính trên các tấm giấy lo ̣c đă ̣t lần lượt trong các tầng từ cao đến thấp của thiết bi ̣ Nanosampler II tương ứ ng với các kích cỡ ha ̣t PM10, PM2.5, PM1.0, PM0.5, PM0.1
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).
Để đo nồng đô ̣ CO2, CO, nhiệt đô ̣, đô ̣ ẩm tôi sử du ̣ng máy QTrak 7575, cài đă ̣t thờ i gian là 30s thu 1 số liê ̣u, lấy dữ liê ̣u được thu liên tu ̣c trong các ngày để khảo sát mối tương quan với lượng bu ̣i thu được từ thiết bi ̣ Nanosampler.
Để đảm bảo an toàn cho ho ̣c sinh cũng như các thiết bi ̣, các thiết bi ̣ được lắp đă ̣t ta ̣i nơi xa tầm tay của trẻ, và có che chắn bảo vê ̣ với các thiết bi ̣ đă ̣t ngoài trời.
2.3.2. Các bước lấy và bảo quản mẫu
Các bước chi tiết thực hiện quá trình lấy mẫu được thể hiện như sau:
Bước 1: Đặt giấy lọc trắng trong phòng sạch trong 48h, nhiệt độ phịng ln duy trì ở 20oC, độ ẩm 50%. Sau đó cân các giấy lo ̣c trắng bằng cân phân tích Mettler Toledor 6 số lẻ (cân siêu vi lượng), bước nhảy = 0,0002mg ta ̣i Viê ̣n sức khỏ e nghề nghiê ̣p và môi trường, cân xong mỗi tờ giấy lo ̣c được cho vào mô ̣t đĩa peptri nhựa để tránh tối đa sự nhiễm bẩn và kí hiê ̣u từng đĩa.
Hình 2.5: Cân phân tích Mettler Toledor 6 số lẻ.
Bước 2: Thu mẫu bụi: Dùng ke ̣p để lấy các giấy lọc đã cân cho vào các tầng của thiết bi ̣ Nanosampler và đánh dấu. Kết nối thiết bi ̣ Nanosampler với máy bơm bằng ống silicon.
Bước 3: Bâ ̣t đồng thời máy bơm, máy Qtrak.
Bước 4: Sau khi kết thúc mỗi lần thu mẫu thì ngắt máy bơm, dùng kẹp để lấy các giấy lọc cho vào đĩa peptri tương ứng đã được đánh dấu trước đó, bảo quản trong phò ng sa ̣ch (T=20oC, độ ẩm =50%) trong 48h, tránh va đâ ̣p ma ̣nh để bu ̣i không rơi khỏi giấy lo ̣c và nhiễm bẩn. Sau đó cân các giấy lọc này. Và mang đi phân tích sớm nhất có thể.
Dữ liê ̣u thu đươ ̣c từ máy Qtrak đươ ̣c xuấ t máy tính bằ ng các phần mềm tương ứng.
Bước 5: Ghi chép đầy đủ thông tin vào biên bản lấy mẫu khí, phiếu điều tra các thơng số, đặc trưng của nơi lấy mẫu.
2.4. Xác đi ̣nh nồng đô ̣ các kim loa ̣i nă ̣ng bằng phương pháp quang phổ huỳnh quang tia X (XRF)
Hiện nay trên thế giới và ta ̣i Viê ̣t Nam, các kim loa ̣i nă ̣ng thường được xác đi ̣nh bằng các phương pháp như Quang phổ nguồn plasma cảm ứng cao tần kết nối khối phổ ICP-MS, Quang phổ hấ p thụ nguyên tử AAS, phương pháp quang phổ huỳnh quang tia X (XRF). Trong đề tài này tôi đã sử du ̣ng phương pháp quang phổ huỳnh quang tia X để xác đi ̣nh hàm lượng các kim loa ̣i có trong các mẫu bu ̣i thu được.
2.4.1. Giới thiê ̣u về XRF
Quang phổ huỳnh quang tia X (XRF) là một kỹ thuật phân tích nguyên tố với ứng dụng rộng rãi trong khoa học và công nghiệp. XRF dựa trên nguyên tắc rằng các nguyên tử riêng lẻ, khi được kích thích bởi một nguồn năng lượng bên ngồi, sẽ phát ra các photon tia X có năng lượng hoặc bước sóng đặc trưng. Bằng cách đếm số lượng photon của mỗi năng lượng phát ra từ một mẫu, các phần tử có mặt có thể được xác định và định lượng. XRF huỳnh quang tia X – là kĩ thuật quang phổ được ứng dụng chủ yếu trong các mẫu chất rắn, trong đó sự phát xạ tia X thứ cấp được sinh ra bởi sự kích thích các điện tử của mẫu bằng nguồn phát tia X. XRF có độ chính xác cao, có khả năng phân tích được nhiều nguyên tố và không làm mẫu bị phá hủy. Thiết bị XRF hiện đại có khả năng phân tích các mẫu rắn, lỏng và màng mỏng ở mức ppm. Việc phân tích nhanh chóng và q trình chuẩn bị mẫu dễ dàng hoặc khơng bắt buộc.
2.4.2. Cơ chế hoạt động của phương pháp XRF
Ng̀n phá t
- Sử dụng ống phóng tia X, cấu tạo gồm một buồng chân không áp suất cỡ 10-6 tới 10-8 mmHg, hai điện cực Anot và Catot.
- Khi chùm electeron phát ra từ Catot (bị đốt nóng) sẽ được gia tốc bởi điện trường giữa 2 điện cực trong buồng chân không tới và đập vào Anot (bia) và phát ra tia X.
- Tia X phát ra từ ống phóng gọi là tia X đặc trưng, cường độ tia X thay đổi tùy thuộc vào điện áp được đặt giữa 2 điện cực.
- Chùm tia X mang năng lượng lớn từ ống phóng tia X hoặc một nguồn phát xạ được chiếu vào Mẫu kiểm tra. Năng lượng này được nguyên tử hấp thụ gần như hoàn toàn, đủ để làm lớp điện tử trong cùng bay ra (Hiện tượng quang điện).
- Sự phát xạ lớp điện tử lớp trong cùng sẽ để lại một lỗ trống, làm cho nguyên tử ở một trạng thái không bền vững. Khi một nguyên tử ở trạng thái khơng bền vững, lớp điện tử lớp ngồi sẽ tự động nhảy lên chiếm chỗ…
- Năng lượng tia X phát ra được nguyên tử hấp thụ hoàn toàn, và đủ để làm cho lớp điện tử lớp trong cùng của nguyên tử bay ra (phát sáng – gọi là hiện tượng quang điện).
Nguyên lý cơ bản
- Ở chế độ cơ bản, nguyên tử được cấu tạo bởi nhân và các lớp Electron (điện tử) xung quanh (K, L, M, N).
Hình 2.7: Nguyên lý cơ bản của phương pháp XRF.
- Khi bắn tia X mang năng lượng lớn vào mẫu – nguyên tử: Mức năng lượng này lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết các lớp electron cấu tạo nên nguyên tử, xảy ra hiện tượng điện tử các lớp điện tử bao quanh nhân K, M.. bị bắn ra. Do bị trống nên các photon lớp kế tiếp nhảy lại để lấp các lỗ trống mà Photon bị đẩy ra ngoài. Sự chuyển dịch các photon mang năng lượng này sẽ phát ra năng lượng - phát sáng gọi là hiện tượng Huỳnh quang. Suy nghĩ đơn giản như sau: Mỗi một
nguyên tố khi phát xạ sẽ có một phổ khác nhau, và cường độ màu sẽ đặc trưng cho hàm lượng của ngun tố trong mẫu.Từ đó sẽ định tính và định lượng được ngun tố có trong mẫu phân tích. Chính vì vậy, các nhà khoa học đã chế tạo ra máy quang phổ huỳnh quang tia XRF, với ứng dụng xác định hàm lượn, thành phần nguyên tố kim loại, phi kim tồn tại trong mẫu.
2.4.3. Ứng dụng của phương pháp quang phổ huỳnh quang tia X
Định tính định lượng nhanh chóng các nguyên tố, thành phần có trong mẫu như: Mẫu rắn, mẫu lỏng, bột…. Cụ thể như trong lĩnh vực luyện kim, hóa chất: Kiểm sốt chất lượng nguyên vật liệu, chất lượng của sản phẩm; công nghiệp sơn: phân tích thành phần của sơn; thực phẩm: xác định các kim loại nặng có trong thực phẩm như (trong sản phẩm, trong hộp đựng mẫu, trong sữa….).
Ưu điểm của phương pháp quang phổ huỳnh quang tia X:
+ Ưu điểm nổi bật của phương pháp đo này là thời gian phân tích rất nhanh, chỉ một phép đo trong khoảng thời gian 15 phút đã đồng loạt cho ra hàm lượng của tất cả các nguyên tố, đặc biệt khi thành phần nguyên tố có hàm lượng thấp.
+ Q trình phân tích đơn giản, dễ dàng mà khơng làm phá hủy mẫu.
Nhược điểm: Chi phí đầu tư máy đắt đỏ, và khơng phân tích các nguyên tố khí như: H, He, Li, Be. Chỉ phân tích được các nguyên tố cài sẵn trong máy rồi.
Máy quang phổ huỳnh quang tia X tôi đã sử du ̣ng trong nghiên cứu của mình đó là máy quang phổ huỳnh quang tia X JSX 1000S của hãng Jeol Nhâ ̣t Bản. Máy quang phổ huỳnh quang tia X model JSX-1000S, phân tích nguyên tố nhanh chóng, dễ dàng bằng thao tác trên màn hình cảm ứng. Máy được trang bị các chức năng để phân tích định tính và định lượng thông thường (phương pháp FP, phương pháp đường chuẩn) cũng như sàng lọc các yếu tố RoHS. Các chế độ máy được tùy chỉnh dễ dàng do đó đáp ứng được nhiều nhu cầu phân tích.
Máy quang phở huỳnh quang tia X JSX 1000S hoa ̣t đô ̣ng đơn giản: + Màn hình hoạt động như máy tính bảng hoặc điện thoại thông minh. + Chỉ cần đặt mẫu vào đúng vị trí, chạm vào màn hình, máy sẽ hoạt động. + Có hỗ trợ điều khiển bằng bàn phím và chuột.
Hình 2.8: Máy quang phổ huỳnh quang tia X.
2.4.4. Đảm bảo và kiểm soát chất lượng của phép phân tích
Giới hạn phát hiện (LOD) được tính tốn thơng qua việc đo nồng độ các kim loại trên 10 giấy lọc tinh khiết của nhà sản xuất và lấy ba lần độ lệch chuẩn của các giá trị nồng độ đo được. Giới hạn đo (LOQ) được xác định bằng 10 lần độ lệch chuẩn của các giá trị nồng độ đo được như đã trình bày. Các giá trị LOD, LOQ được đưa ra trong bảng 2.2.
Rủi ro nhiễm bẩn của các mẫu giấy lọc tinh khiết khi mang ra thực nghiệm ngoài hiện trường được xác định bằng việc so sánh với các giá trị nồng độ kim loại đo được trong phịng thí nghiệm và ngồi hiện trường trên cùng giấy lọc. Các kết quả phân tích giấy lọc cho thấy độ nhiễm bẩn bởi các kim loại nhỏ hơn 10% hàm lượng của chúng trong mẫu bụi thu được.
Độ chính xác của phép đo được kiểm tra thường xuyên bằng cách phân tích một lượng chính xác cac chất tiêu chuẩn đa nguyên tố NIST chứa một lượng chính xác các chất tiêu chuẩn các ngun tố trong mẫu bụi trong khơng khí xung quanh (NIST 1648) và trong nhà (NIST 2584) của Viện tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ. Hầu hết các nguyên tố được phân tích đều cho tỉ lệ thu hồi rất tốt (từ 80% đến 120%).