Luận án Tiến sĩ Vật lý: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân để nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong không khí tại Hà Nội dùng chỉ thị rêu sinh học

Chia sẻ: Hương Hoa Cỏ Mới | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:143

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu phát triển và áp dụng phương pháp chỉ thị sinh học rêu và các kỹ thuật phân tích hạt nhân nguyên tử hiện đại INAA, PIXE trong nghiên cứu ô nhiễm KLN trong không khí tại khu vực Tp. Hà Nội.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân để nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong không khí tại Hà Nội dùng chỉ thị rêu sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ----------------------------- NGUYỄN HỮU QUYẾT ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HẠT NHÂN ĐỂ NGHIÊN CỨU Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG KHÔNG KHÍ TẠI HÀ NỘI DÙNG CHỈ THỊ RÊU SINH HỌC LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ HÀ NỘI – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ----------------------------- NGUYỄN HỮU QUYẾT ỨNG DỤNG KỸ THUẬT HẠT NHÂN ĐỂ NGHIÊN CỨU Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG KHÔNG KHÍ TẠI HÀ NỘI DÙNG CHỈ THỊ RÊU SINH HỌC LUẬN ÁN TIẾN SỸ Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân Mã số: 9.44.01.06 Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS. Lê Hồng Khiêm 2. PGS.TS. Phạm Đức Khuê Hà Nội – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi với sự hướng dẫn khoa học của GS.TS. Lê Hồng Khiêm và PGS.TS. Phạm Đức Khuê Các số liệu, kết quả được nêu trong luận án là trung thực và đã được sự đồng ý của các đồng tác giả trong các công trình khoa học đã công bố. Luận án không có sự sao chép, sử dụng bất hợp pháp kết quả, số liệu từ bất kỳ tài liệu hoặc công trình khoa học của các tác giả khác. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về các nội dung trình bày trong luận án này. Tác giả luận án NCS. Nguyễn Hữu Quyết
LỜI CẢM ƠN Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn là GS.TS. Lê Hồng Khiêm và PGS.TS. Phạm Đức Khuê đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm chuyên môn quý báu chuyên môn, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện bản luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn các thầy cô, các cán bộ tham gia giảng dạy và công tác tại Trung tâm Đào tạo Hạt nhân - Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ và hỗ trợ mọi thủ tục cần thiết cho tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu sinh và thực hiện luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo, các đồng nghiệp tại Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân, Viện Vật lý, Trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội đã động viên, giúp đỡ và tạo môi trường học tập, nghiên cứu và làm việc thân thiện, thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập, công tác và thực hiện luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn GS. Maria Frontasyeva và các đồng nghiệp tại Viện Liên hợp Nghiên cứu hạt nhân tại Dubna, Liên bang Nga; Trung tâm Gia tốc Cyclotron tại Morioka, Nhật Bản đã tận tình giúp đỡ, hỗ trợ và hợp tác hiệu quả trong việc thực hiện các thí nghiệm nghiên cứu của luận án. Tác giả cũng xin cảm ơn Nhiệm vụ Nghị định thư, mã số: NĐ.25. RU/17 do GS.TS Lê Hồng Khiêm làm chủ nhiệm, đã cho phép tác giả tham gia thực hiện nhiệm vụ và sử dụng một phần kết quả của nhiệm vụ cho bản luận án. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn hữu, người thân đã luôn động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tác giả trong đường học tập, nghiên cứu và công tác, tuy còn nhiều khó khăn, thách thức, nhưng cũng đã gặt hái được những thành quả nhất định. Bản luận án không tránh khỏi còn nhiều khiếm khuyết, thiếu sót, tác giả mong muốn nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô, đồng nghiệp và những người quan tâm, để tác giả tiếp tục hoàn thiện bản luận án. Hà Nội, ngày … tháng 12 năm 2021 Nghiên cứu sinh Nguyễn Hữu Quyết
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... 1 DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ 3 DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. 5 MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 7 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ..................................................... 11 1.1. Tổng quan về ô nhiễm không khí ............................................................. 11 1.1.1. Khái niệm về ô nhiễm không khí và nguồn gốc gây ô nhiễm............ 11 1.1.2. Ô nhiễm không khí khu vực Tp. Hà Nội ............................................ 12 1.1.3. Hậu quả của ô nhiễm không khí ......................................................... 15 1.1.4. Các phương pháp nghiên cứu ô nhiễm không khí ............................. 17 1.2. Nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng sử dụng chỉ thị sinh học ................... 19 1.2.1. Kim loại nặng và sự ảnh hưởng tới sức khỏe con người ................... 19 1.2.2. Sự phát tán của kim loại nặng trong môi trường................................ 21 1.2.3. Nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong không khí sử dụng chỉ thị sinh học rêu .................................................................................................. 23 1.2.4 Tình hình nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong không khí sử dụng chỉ thị sinh học rêu ....................................................................................... 29 1.3. Một số phương pháp phân tích kim loại nặng trong rêu .......................... 39 1.3.1. Các kỹ thuật phân tích hạt nhân nguyên tử ........................................ 39 1.3.2. Các kỹ thuật phân tích nguyên tố khác .............................................. 41 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ VẬT LÝ VÀ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG TRONG KHÔNG KHÍ SỬ DỤNG RÊU ........................... 43 2.1. Kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron - gamma trễ (INAA) ....................... 43 2.1.1. Cơ sở vật lý của kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron ........................ 43 2.1.2. Phương pháp xác định hàm lượng nguyên tố trong INAA ................ 47 2.1.3. Hiệu chính và đánh giá sai số trong phương pháp INAA .................. 48 2.2. Kỹ thuật phân tích phát xạ tia X gây bởi proton (PIXE) .......................... 51 2.2.1. Cơ sở vật lý của kỹ thuật phân tích PIXE .......................................... 51 2.2.2. Phổ tia X đặc trưng ............................................................................. 54 2.2.3. Phương pháp xác định hàm lượng các nguyên tố có trong mẫu ........ 55 2.2.4. Giới hạn phát hiện trong phân tích PIXE ........................................... 58
2.3. Phương pháp nghiên cứu tương quan hàm lượng các KLN trong rêu và mẫu sol khí ....................................................................................................... 59 2.4. Phân tích số liệu sử dụng các phương pháp thống kê............................... 59 2.4.1. Phương pháp phân tích thành phần chính (PCA) ............................... 61 2.4.2. Phương pháp phân tích nhân tố (FA) ................................................. 62 2.4.3. Phương pháp phân tích nhóm (CA) ................................................... 63 2.4.4. Phương pháp xử lý thống kê đa biến (MCA) ..................................... 63 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG KIM LOẠI NẶNG TRONG MẪU RÊU BẰNG KỸ THUẬT HẠT NHÂN ............................................................. 65 3.1. Thiết kế thực nghiệm, lựa chọn và chuẩn bị mẫu rêu ............................... 65 3.1.1. Xác định khu vực khảo sát ô nhiễm không khí .................................. 65 3.1.2. Thu thập và xử lý mẫu đối với rêu Barbula indica ............................ 66 3.1.3. Thu thập và xử lý mẫu đối với rêu Sphagnum girgensohnii .............. 67 3.1.4. Thiết kế thí nghiệm nghiên cứu tương quan hàm lượng KLN trong mẫu rêu và mẫu sol khí ................................................................................ 70 3.2. Hệ phân tích kích hoạt nơtron INAA tại Viện JINR, Dubna ................... 71 3.2.1. Lò phản ứng xung IBR-2 ................................................................... 71 3.2.2. Hệ REGATA dùng trong phân tích kích hoạt nơtron ........................ 74 3.2.3. Phần mềm ghi nhận và xử lý phổ gamma Genie 2000 ...................... 77 3.2.4. Phần mềm xác định hàm lượng nguyên tố “Concentration” ............. 79 3.2.5. Mẫu chuẩn trong phân tích kích hoạt ................................................. 80 3.2.6. Tối ưu hóa thời gian chiếu, phơi và đo mẫu kích hoạt....................... 82 3.3. Hệ phân tích PIXE .................................................................................... 86 3.3.1. Hệ phân tích PIXE tại Trung tâm Gia tốc Cylotron Nishina. ............ 86 3.3.2. Phần mềm phân tích phổ PIXE – GUPIX .......................................... 88 3.3.3. Xử lý số liệu trong phân tích phổ PIXE ............................................. 90 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 92 4.1. Kết quả nghiên cứu ô nhiễm không khí sử dụng rêu Barbula indica và phân tích INAA ................................................................................................ 92 4.1.1. Kết quả phân tích các mẫu rêu Barbula indica tại khu vực Tp. Hà Nội và một số vùng lân cận ................................................................................. 92 4.1.2. Kết quả phân tích thống kê số liệu thực nghiệm đối với các mẫu rêu Barbula indica............................................................................................... 93
4.2. Kết quả nghiên cứu ô nhiễm không khí sử dụng rêu Sphagnum girgensohnii và phân tích PIXE ..................................................................... 104 4.2.1. Kết quả phân tích mẫu rêu Sphagnum girgensohnii tại Tp. Hà Nội 104 4.2.2. Kết quả phân tích thống kê đối với các mẫu rêu Sphagnum girgensohnii ................................................................................................ 106 4.3. Kết quả nghiên cứu tương quan kim loại nặng trong mẫu rêu và trong mẫu sol khí. ............................................................................................................ 114 4.3.1. Kết quả phân tích KLN và một số nguyên tố khác trong các mẫu rêu bằng kỹ thuật INAA ................................................................................... 114 4.3.2. Kết quả phân tích KLN và một số nguyên tố khác trong các phin lọc bằng kỹ thuật PIXE .................................................................................... 114 4.3.3. Tương quan hàm lượng trung bình của các nguyên tố kim loại trong mẫu rêu và mẫu sol khí .............................................................................. 115 4.4. Bản đồ phân bố không gian của các nguyên tố kim loại nặng trong không khí................................................................................................................... 117 KẾT LUẬN ....................................................................................................... 120 DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ CỦA NCS LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .... 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 125
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết Tiếng Anh Tiếng Việt tắt Atomic Absorption Phương pháp phổ hấp thụ AAS Spectroscopy nguyên tử AES Atomic Emission Spectroscopy Phát xạ nguyên tử CF Contamination Factor Hệ số nhiễm bẩn CV Coefficient of variation Hệ số biến thiên High Purity Germanium Đầu dò bán dẫn Ge siêu tinh HPGE Detector khiết International Atomic Energy Cơ quan Năng lượng nguyên tử IAEA Agency Quốc tế Inductively Coupled Plasma ICP-MS Khối phổ Plasma cảm ứng Mass Spectroscopy Inductively Coupled Plasma - ICP-OES Khối phổ phát xạ nguyên tử Optical Emission Spectrometry Instrumental Neutron ctivation Phân tích kích hoạt nơtron dụng INAA Analysis cụ Joint Institute For Nuclear Viện Liên hợp Nghiên cứu Hạt JINR Research nhân k0 Standardization Method of Phương pháp chuẩn hóa k0 k0-NAA Nơtron Activation Analysis trong phân tích kích hoạt nơtron KLN Kim loại nặng LOD Limit Of Detection Giới hạn phát hiện MCA Mutilchannel Analyzers Bộ phân tích đa kênh NAA Neutron Activation Ananysis Phân tích kích hoạt nơtron Nishina Memorial Cyclotron Trung tâm gia tốc Cyclotron NMCC Center Nishina 1
ONKK Ô nhiễm không khí PCA Principal Component Analysis Phương pháp thành phần chính Partical Induced X-ray Phương pháp phân tích phát xạ PIXE Emission tia X kích thích bởi chùm hạt Tổng các hạt bụi lơ lửng có PM2.5 đường kính khí động học nhỏ hơn hoặc bằng 2,5 µm Tổng các hạt bụi lơ lửng có PM10 đường kính khí động học nhỏ hơn hoặc bằng 10 µm QCVN Quy chuẩn Việt Nam RAF Relative Cumulative Factor Hệ số tích lũy tương đối SDD Silicon Drift Detetor Đầu dò bán dẫn Silic loại SDD TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam Tổng các hạt bụi có đường kính TSP khí động học nhỏ hơn hoặc bằng 100 µm Total Reflection X Phân tích huỳnh quang tia X TXRF ray Fluorescence Analysis phản xạ toàn phần WHO World Health Organization Tổ chức Y tế thế giới XRF X ray fluorescence Phân tích huỳnh quang tia X 2
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Nguồn gốc và chu trình của hệ sinh thái đất-nước-không khí...........11 Hình 1.2. Thực trạng ONKK Tp. Hà Nội đầu năm 2021..................................13 Hình 1.3. Biểu đồ xếp hạng ô nhiễm bụi khí PM2.5 tại các thủ đô và quốc gia trên thế giới năm 2020.......................................................................14 Hình 1.4. ONKK tại Tp. Hà Nội do các phương tiện giao thông.....................15 Hình 1.5. Hình ảnh một trạm quan trắc môi trường không khí tại Tp.Hà Nội.17 Hình 1.6. Ảnh hưởng của một số KLN đến sức khỏe con người.....................20 Hình 1.7. Mô hình khái niệm cho cơ chế mà các nguyên tố KLN có thể được tích tụ trong rêu cùng với phạm vi ảnh hưởng. ................................22 Hình 1.8. Ảnh chụp của các loại rêu được sử dụng để chỉ thị ô nhiễm KLN trong không khí ở Nga (a) và ở Việt Nam (b,c)................................27 Hình 1.9. Các quốc gia tham gia là thành viên và quan sát viên của Viện JINR Dubna tham gia vào chương trình nghiên cứu ô nhiễm KLN trong không khí sử dụng chỉ thị sinh học rêu.............................................30 Hình 2.1. Sơ đồ mô tả các quá trình của phản ứng bắt nơtron sử dụng trong INAA.................................................................................................43 Hình 2.2. Phổ năng lượng của nơtron trong lò phản ứng..................................44 Hình 2.3. Quá trình phát tia X đặc trưng và electron Auger: (a,b) quá trình phát electron quang điện và tạo ra lỗ trống; (c,d) Quá trình phát xạ tia X đặc trưng và electron Auger..............................................................51 Hình 2.4 Sơ đồ dịch chuyển năng lượng giữa các mức...................................52 Hình 2.5. Phổ PIXE của mẫu rêu ghi nhận bằng đầu dò Si(Li) với tấm lọc Mylar dày 500 µm.............................................................................53 Hình 3.1. Các địa điểm lấy mẫu rêu Barbula indica tại Tp. Hà Nội.................64 Hình 3.2. Vị trí các địa điểm treo túi rêu Sphagnum girgensohnii tại khu vực Tp. Hà Nội.........................................................................................64 Hình 3.3. Hình ảnh mẫu rêu Barbula indica được thu thập..............................65 Hình 3.4. Các giai đoạn chuẩn bị mẫu rêu để phân tích INAA: (a) Cân mẫu rêu với mỗi phần khoảng 0.3g; (b) chuẩn bị những cốc đựng mẫu bằng lá nhôm cho chiếu dài; (c) những túi đựng mẫu bằng plastic cho chiếu ngắn và cốc đựng mẫu bằng lá nhôm để chiếu dài............................66 3
Hình 3.5. Ảnh chụp rêu Sphagnum girgensohnii sử dụng trong nghiên cứu.....66 Hình 3.6. Hình ảnh mẫu rêu Sphagnum girgensohnii sau khi được phơi khô...67 Hình 3.7. Hình ảnh các túi rêu Sphagnum girgensohnii được chuẩn bị............67 Hình 3.8. Quy trình chuẩn bị mẫu trong phân tích PIXE..................................68 Hình 3.9. Các khay đựng mẫu rêu dùng trong phân tích PIXE.........................68 Hình 3.10. Dùng máy bơm để hút khí và tro túi rêu ngoài trời để lấy mẫu....................................................................................................70 Hình 3.11. Sơ đồ khối của lò phản ứng hạt nhân IBR2 – JINR..........................70 Hình 3.12. Sơ đồ bố trí các kênh nghiên cứu xung quanh lò phản ứng hạt nhân IBR-2...............................................................................................72 Hình 3.13. Phổ năng lượng nơtron của hai kênh chiếu Ch1 và Ch2 tại lò phản ứng xung IBR-2...............................................................................73 Hình 3.14. (a) Sơ đồ khối xử lý tín hiệu trong hệ REGATA; (b) Một số hình thực tế của hệ REGATA bao gồm hệ thống vận chuyển khí nén, mâm xoay, hệ thay mẫu tự động và hệ phổ kế gamma...................74 Hình 3.15. Kích thước nguồn chuẩn và đường chuẩn hiệu suất của hệ REGATA thu từ thực nghiệm được sử dụng trong phân tích hàm lượng các nguyên tố KLN có trong mẫu rêu........................................................................................... ……76 Hình 3.16. Giao diện phần mềm Genie 2000 và phổ gamma của mẫu rêu......77 Hình 3.17. Cấu trúc (a) và giao diện (b) của phần mềm “Concentration”........78 Hình 3.18. (a) Bố trí hình học chiếu mẫu; (b) Hình ảnh thực tế hệ PIXE; (c) Hình ảnh thiết bị gia tốc tại Trung tâm NMCC...............................84 Hình 3.19. Giao diện phần mềm GUPIX dùng trong phân tích phổ PIXE.......86 Hình 4.1. Lược đồ Scree plot xác định số thành phần chính của tập số liệu. 96 Hình 4.2. Biểu đồ 3D điểm hệ số của nguyên tố được điều tra thu được từ kết quả phân tích thành phần chính PCA trong không gian tạo ra bởi các nhân tố......................................................................................98 Hình 4.3. Tương quan giữa hàm lượng của các nguyên tố kim loại trong mẫu rêu và mẫu khí ở cùng một vị trí và trong cùng một thời gian lấy mẫu................................................................................................113 Hình 4.4. Bản đồ phân bố hàm lượng của các kim loại nặng độc hại Cd, Hg, Cr, Zn trên địa bàn Tp. Hà Nội.....................................................115 4
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các nguồn yếu tố đóng góp vào thành phần các KLN trong rêu......28 Bảng 2.1. Một số đồng vị dùng chuẩn năng lượng và hiệu suất trong PIXE ...56 Bảng 2.2. Phân loại mức độ ô nhiễm theo hệ số ô nhiễm CF............................59 Bảng 3.1. Thông số thông lượng của kênh chiếu xạ Ch1 và Ch2.....................72 Bảng 3.2. Các giá trị đo lường và chứng nhận cho các nguyên tố khác nhau (μg.g-1) và sai số của chúng (%) được sử dụng cho mục đích kiểm soát chất lượng của kết quả INAA....................................................79 Bảng 3.3. Thời gian chiếu - phơi - đo tối ưu và các đỉnh gamma dùng để phân tích.....................................................................................................80 Bảng 3.4. Thông tin về các đồng vị thời gian sống ngắn đo được sau khi chiếu xạ 3 phút............................................................................................83 Bảng 3.5. Thông tin về các đồng vị thời gian sống dài đo được sau khi chiếu xạ 10 ngày..............................................................................................83 Bảng 4.1. Hàm lượng trung bình các nguyên tố KLN trong các mẫu rêu thu thập tại khu vực Tp. Hà Nội được phân tích bằng INAA.................90 Bảng 4.2. Thống kê mô tả các nguyên tố phân tích trong mẫu rêu...................92 Bảng 4.3. Hệ số tương quan Pearson của các nguyên tố KLN trong các mẫu rêu thu thập ở vùng Hà Nội.....................................................................94 Bảng 4.4. Số liệu hàm lượng trong các mẫu rêu được phân tích cùng với hệ số tải và phương sai trích của 5 nhân tố phân tích.................................97 Bảng 4.5. Điểm nhân tố tại các địa điểm lấy mẫu.............................................99 Bảng 4.6. So sánh giá trị trung bình hàm lượng (mg.kg-1) các nguyên tố KLN được phát hiện trong các mẫu rêu ở Hà Nội và các giá trị đo ở các thành phố khác ở Châu Âu..............................................................102 Bảng 4.7. Các thông số chính của thống kê mô tả...........................................104 Bảng 4.8. Giá trị các hệ số tích lũy tương đối (RAF), hệ số ô nhiễm (CF) và mức độ ô nhiễm đối các nguyên tố KLN trong các mẫu rêu trong không khí Tp. Hà Nội......................................................................106 5
Bảng 4.9. Hệ số tương quan Pearson giữa hàm lượng nguyên tố KLN trong các mẫu rêu ở Tp. Hà Nội.............................................................109 Bảng 4.10. Kết quả phân tích nhân tố: giá trị Eigen, độ biến thiên, tích lũy của các nhân tố và trọng số nhân tố đối với mỗi nguyên tố............... 110 Bảng 4.11. Hàm lượng trung bình (ppm) của các nguyên tố KLN trong các mẫu rêu..........................................................................................111 Bảng 4.12. Hàm lượng trung bình (ppm) của các nguyên tố KLN trong các mẫu phin lọc khí............................................................................112 6
MỞ ĐẦU Ô nhiễm không khí là hiện tượng gia tăng hàm lượng của các chất độc hại trong không khí. Chất lượng không khí tác động lớn đến sức khỏe con người, đặc biệt là đối với những người có thu thập thấp và thuộc nhóm dễ bị ảnh hưởng như người già và trẻ em. Theo ước tính của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), tiếp xúc với không khí bị ô nhiễm gây ra 6,5 triệu trường hợp chết sớm trên toàn thế giới. Gần 90% các trường hợp này xảy ra ở các nước có mức thu nhập thấp và trung bình, và khoảng gần hai phần ba tại khu vực châu Á Thái Bình Dương. Đã có nhiều bằng chứng từ các nghiên cứu dịch tễ học tại Châu Á chỉ ra sự tác hại đối với sức khỏe và hậu quả lâu dài của ô nhiễm không khí (ONKK). Theo báo cáo của tổ chức quốc tế IQAir năm 2019, Việt Nam đứng thứ 15 trong danh sách các quốc gia và vùng lãnh thổ có chất lượng không khí tồi tệ nhất thế giới và đứng thứ hai trong khu vực Đông Nam Á sau Indonesia năm 2019. Hà Nội đã trở thành thủ đô có mức độ ô nhiễm bụi khí (PM2.5) nghiêm trọng đứng thứ 7 trên thế giới, thậm chí còn trên cả Bắc Kinh, với mức PM2.5 trung bình là 46,9 µg.m-3 [1], trong khi nồng độ theo Quy chuẩn KTQG về chất lượng không khí xung quanh là 25 µg.m-3. Nếu không có các biện pháp ứng phó hiệu quả, chất lượng không khí dự kiến sẽ tiếp tục xấu đi trong tương lai do ảnh hưởng của việc tăng trưởng nhanh các hoạt động kinh tế gây ô nhiễm. Để kiểm soát chất lượng của không khí ở các thành phố lớn như Hà Nội, Tp. Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng,...nhà nước đã đầu tư thiết lập các trạm quan trắc kiểm soát chất lượng không khí tự động. Mạng lưới quan trắc tăng gần gấp đôi từ năm 2019 đến năm 2020, tăng từ 54 hệ thống các trạm trên 4 thành phố lên 118 trạm trên 24 thành phố [2]. Tuy nhiên để thiết lập được hệ thống đầy đủ các trạm quan trắc chất lượng không khí tự động cần một lượng lớn kinh phí đầu tư thiết bị và vận hành các trạm quan trắc. Ngoài ra, cần có những chuyên gia giàu kinh nghiệm, am hiểu về thiết bị và phương pháp đo để thường xuyên hiệu chỉnh các đặc trưng của những cảm biến lắp đặt trong trạm. Theo khuyến cáo của Liên Hợp Quốc, với các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam, bên cạnh việc sử dụng các trạm quan trắc tự động, nên kết hợp các phương pháp khác nhau để kiểm soát chất lượng không khí. Hiện nay, phương pháp truyền thống để nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng (KLN) trong không khí là hút khí vào các phin lọc dùng máy bơm. Hàm lượng 7
KLN trong các phin lọc sau đó được phân tích bằng các thiết bị phân tích có độ nhạy cao. Tuy nhiên, phương pháp này cũng tốn kém và khó triển khai trên diện rộng trong một thời gian dài vì phải dùng các bơm hút khí công suất lớn. Ngoài ra, phương pháp này chỉ cho phép xác định ô nhiễm KLN trong khoảng thời gian hút mẫu khí. Do vậy, số liệu ô nhiễm KLN trong không khí không đại diện cho một khoảng thời gian dài (vài tháng hoặc hàng năm). Để khắc phục những nhược điểm này, một trong những phương pháp đơn giản, tiết kiệm là sử dụng thực vật làm chỉ thi sinh học, trong đó rêu được sử dụng phổ biến hơn cả. Phương pháp này đã và đang được triển khai rộng rãi để nghiên cứu ô nhiễm KLN trong không khí ở nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là ở Châu Âu. Người ta đã quan sát được mối tương quan rõ rệt giữa hàm lượng các nguyên tố kim loại trong không khí và trong cây rêu. Ưu điểm đặc biệt của cây rêu là: (1) bộ rễ của rêu là bộ rễ giả nên nó không hấp thụ các chất dinh dưỡng từ đất. Các chất dinh dưỡng chỉ được hấp thụ từ không khí; (2) rêu không có lớp biểu bì như những thực vật bậc cao nên khả năng hấp thụ các nguyên tố kim loại rất cao; (3) rêu có khả năng chống chịu ô nhiễm tốt. Điều này có nghĩa nó có thể tích tụ các nguyên tố KLN với hàm lượng rất cao; (4) rêu có tỉ số diện tích bề mặt/khối lượng rất lớn nên khả năng hấp thụ kim loại từ không khí cao và (5) rêu có thể thu thập trong tự nhiên, dễ dàng lấy mẫu và chế tạo mẫu. Do tính đa dạng và phức tạp của các yếu tố ô nhiễm môi trường không khí và sự tác động qua lại giữa các hệ sinh thái trong môi trường, nên giải quyết bài toán ô nhiễm bụi khí đòi hỏi phải có sự tham gia của nhiều ngành khoa học, sử dụng nhiều kỹ thuật phân tích khác nhau nhằm thu thập đầy đủ thông tin trong mẫu phân tích được lấy từ những địa điểm mang tính chất đại diện cần quan tâm. Trong số các kỹ thuật phân tích áp dụng để nghiên cứu ô nhiễm bụi khí thì các kỹ thuật hạt nhân như kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtron (INAA) hay phân tích phát xạ tia X kích thích bởi chùm hạt (PIXE) thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội như: (1) phân tích đa nguyên tố trong cùng một lần chiếu, có thể xác định đồng thời hàm lượng của nhiều nguyên tố có mặt trong mẫu cần phân tích; (2) phân tích hạt nhân là phương pháp phân tích không phá hủy mẫu; (3) cho độ nhạy cao, đáp ứng được nhu cầu phân tích các nguyên tố KLN trong các mẫu rêu; (4) thời gian phân tích nhanh [3, 4]. 8
Luận án với đề tài: " Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân để nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong không khí tại Hà Nội dùng chỉ thị rêu sinh học", tập trung vào hai mục tiêu chính sau: (1) Nghiên cứu phát triển và áp dụng phương pháp chỉ thị sinh học rêu và các kỹ thuật phân tích hạt nhân nguyên tử hiện đại INAA, PIXE trong nghiên cứu ô nhiễm KLN trong không khí tại khu vực Tp. Hà Nội. (2) Đánh giá được mức độ ô nhiễm và xác định được nguồn gốc khả dĩ của ô nhiễm các nguyên tố KLN trong không khí tại một số khu vực của Tp. Hà Nội. Trong luận án này, hai loại rêu là Barbula indica và Sphagnum girgensohnii được sử dụng để nghiên cứu mức độ ONKK và đánh giá ô nhiễm KLN trong không khí bằng phương pháp thụ động và chủ động tại một số khu vực được lựa chọn thuộc địa phận Tp. Hà Nội và một số khu vực lân cận. Bằng việc sử dụng các hệ phân kích hoạt REGATA tại Viện Liên hợp Nghiên cứu hạt nhân (Dubna, Nga) và hệ phân tích PIXE tại Trung tâm Gia tốc Cylotron Nishina (Nhật Bản), thông qua việc áp dụng phương pháp phân tích thống kê đa biến các kết quả phân tích KLN và một số nguyên tố khác tích tụ trong các mẫu rêu sẽ đề xuất nguồn gốc khả dĩ của ô nhiễm các nguyên tố trong không khí tại Tp. Hà Nội. Sự tương quan giữa hàm lượng của các nguyên tố KLN trong các mẫu rêu và mẫu sol khí thu thập bằng các bơm hút khí cũng sẽ được nghiên cứu, đánh giá. Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương: Chương 1 nghiên cứu tổng quan các vấn đề về ô nhiễm KLN trong không khí, và tình hình nghiên cứu ONKK sử dụng chỉ thị sinh học rêu, các phương pháp phân tích KLN trong rêu; Chương 2 trình bày cơ sở vật lý và kỹ thuật nghiên cứu ô nhiễm KLN trong không khí sử dụng rêu và các kỹ thuật phân tích nguyên tố INAA và PIXE, nghiên cứu tương quan KLN trong rêu và mẫu sol khí; phương pháp phân tích thống kê đa biến số liệu thực nghiệm. Chương 3 mô tả quá trình thực nghiệm tại hiện hiện trường, thu gom, xử lý mẫu rêu nghiên cứu ONKK. Giới thiệu hệ phân tích REGATA trên lò phản ứng hạt nhân xung IBR-2M (Dubna, Nga) và hệ phân tích PIXE trang bị tại Trung tâm NMCC (Nhật Bản) được sử dụng trong phân tích hàm lượng các nguyên tố 9
KLN từ các mẫu rêu thu được. Các quy trình thực nghiệm phân tích và xử lý số liệu thực nghiệm. Chương 4 trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm ô nhiễm KLN trong không khí tại một số khu vực của Tp Hà Nội sử dụng hai loại rêu Barbula indica và rêu Sphagnum girgensohnii. Đánh giá tương quan hàm lượng kim loại nặng trong các mẫu rêu và các mẫu sol khí thu thập trực tiếp bằng bơm hút khí. Kết quả áp dụng phương pháp phân tích thống kê đa biến để xác định nguồn gốc khả dĩ gây ô nhiễm các nguyên tố kim loại trong không khí tại Tp. Hà Nội. 10
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về ô nhiễm không khí 1.1.1. Khái niệm về ô nhiễm không khí và nguồn gốc gây ô nhiễm Ô nhiễm không khí xảy ra khi không khí có chứa các thành phần độc hại như các loại khí, bụi lơ lửng, khói, mùi. Hay nói cách khác là sự biến đổi thành phần không khí, sự gia tăng các chất độc hại trong không khí, gây khó chịu hoặc tác động xấu tới sức khỏe và môi trường. Chất gây ONKK có thể là các hạt rắn, giọt chất lỏng hoặc khí, bao gồm hai loại chính đó là chất ô nhiễm xâm nhập trực tiếp vào môi trường từ nguồn phát sinh như SOx, COx, NOx, bụi, v.v. được gọi là chất ô nhiễm sơ cấp, và chất ô nhiễm thứ cấp được hình thành khi chất ô nhiễm sơ cấp phản ứng hoặc tương tác với các thành phần của môi trường. ONKK có nguy cơ ảnh hưởng tới sức khỏe con người và những thành phần khác của môi trường như đất, nước thông qua chu trình hệ sinh thái (Hình 1.1). Hình 1.1. Nguồn gốc và chu trình của hệ sinh thái đất-nước-không khí. Có hai nguồn gốc chính của sự ONKK, thứ nhất là từ bản thân tự nhiên, và do các hoạt động của con người gây lên. Nguyên nhân gây ONKK ở thời kỳ đầu tiên, khi mà các hoạt động công nghiệp chưa phát triển mạnh mẽ, đó là do các hiện tượng tự nhiên gây ra như: núi lửa, cháy rừng, bão bụi, hay quá trình phân huỷ, thối rữa xác động – thực vật tự nhiên, v.v., đây là những nguyên nhân khách quan nên rất khó dự báo và ngăn chặn. Khi núi lửa phun trào sẽ tạo ra những nham thạch nóng và nhiều khói bụi giàu sunfua, mêtan và những loại khí khác, dưới tác dụng của gió nó sẽ lan toả 11
đi rất xa, từ đó gây ONKK trên diện rộng. Bên cạnh sự phun trào của núi lửa thì các đám cháy rừng, đám cháy đồng cỏ, quá trình bão bụi, quá trình nước biển bốc hơi cũng tạo ra nhiều bụi và khí lan truyền rộng vào môi trường. Ngoài ra, các quá trình phân huỷ xác động - thực vật tự nhiên cũng phát thải nhiều chất khí, các phản ứng hoá học giữa những khí tự nhiên hình thành các khí sunfua, nitrit, các loại muối, v.v. Các loại bụi và khí này đều gây ONKK. Có thể nói nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng như hiện nay phần lớn đều do các hoạt động của con người tạo ra từ những hoạt động đơn giản như nấu nướng, giao thông vận tải cho đến những hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp... Sự ONKK do các hoạt động sản xuất công nghiệp được tạo ra khi ngành công nghiệp thải các khí, các dạng hơi, khói mù v.v... vào khí quyển. Các ngành công nghiệp khác nhau sản sinh ra các chất ONKK khác nhau. Ví dụ, công nghiệp luyện kim tạo ra các chất ô nhiễm như SO 2, CO, HCN, phenol, NH3,... Ở sản xuất vật liệu xây dựng, nhiệt điện các chất ONKK chính là bụi, khí SO2, CO, NOx,... Công nghiệp hoá chất và luyện kim màu, khí thải đặc trưng là tính độc hại của các hơi axit, các hợp chất hữu cơ bay hơi VOCs, florua, xyanua,... Xử lý đốt các chất thải đô thị và chất thải y tế cũng là nguồn gây ONKK đáng kể. Thành phần của các chất gây ONKK gồm có tro, bụi, các chất khí như SO 2, NO2, CO, HCl, HF. Ngoài ra còn phải kể đến các KLN như: Cu, Zn, Cr, As, Cd, Hg, Pb; các chất độc như: dioxin, furan,.... và ô nhiễm đáng kể về mùi. Giao thông cũng là một trong những nguồn gây ONKK chính, có thể chiếm đến 50% ONKK tại các thành phố lớn. Khí CO là nguồn gây ONKK chủ yếu được tạo ra do giao thông. ONKK cũng được tạo ra do các hoạt động sản xuất trong nông nghiệp, từ hoá chất bảo vệ thực vật, việc phân huỷ chất thải nông nghiệp trong đồng ruộng, ao hồ cũng tạo ra các chất ô nhiễm như mêtan (CH 4), Hydro Sulfua (H2S), thói quen đốt rơm rạ cũng là nguồn gây ONKK đáng kể. Ngoài ra, các hoạt động đun nấu sử dụng nhiên liệu như than, củi cũng tạo ra các khí độc hại gây ô nhiễm cục bộ trong hộ gia đình và các hộ xung quanh. 1.1.2. Ô nhiễm không khí khu vực Tp. Hà Nội Hà Nội là thủ đô của Việt Nam tiếp giáp các tỉnh Thái Nguyên và Vĩnh Phúc về phía bắc, Tỉnh Hà Nam và Hòa Bình về phía nam, Bắc Giang, Bắc Ninh và Hưng Yên về phía đông, và Hòa Bình và Phú Thọ về phía tây Tp. Hà Nội là một trong hai trung tâm kinh tế hàng đầu của cả nước. Do nhiều nguyên nhân, bầu 12
không khí Tp. Hà Nội đang ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt là ô nhiễm do bụi gây ra (Hình 1.2). Hình 1.2. Thực trạng ONKK Tp. Hà Nội đầu năm 2021 [2]. Trong thời gian gần đây, vấn đề ONKK ở Tp. Hà Nội càng trở thành mối quan tâm đặc biệt của dư luận khi Tp. Hà Nội được nêu tên trong các bảng xếp hạng về những thành phố/thủ đô ô nhiễm nhất thế giới. Theo báo cáo của tổ chức quốc tế IQAir vào năm 2019, Tp. Hà Nội đã trở thành thủ đô có mức độ ô nhiễm bụi khí (PM2.5) nghiêm trọng thứ 7 trên thế giới, thậm chí còn trên cả Bắc Kinh, với mức PM2.5 trung bình là 46,9. Năm 2020, Tp. Hà Nội xếp thứ 12 với mức PM2.5 trung bình là 37,9 [1]. Năm 2019 Việt Nam đứng thứ 15 trong danh sách các quốc gia và vùng lãnh thổ có chất lượng không khí tồi tệ nhất thế giới và đứng thứ hai trong khu vực Đông Nam Á sau Indonesia, năm 2020 Việt Nam đã cải thiện vị trí xếp hạng xuống thứ 21 với mức PM2.5 trung bình 28,1 (Hình 1.3) [1]. Mạng lưới quan trắc chất lượng không khí của Việt Nam tăng gần gấp đôi từ năm 2019 đến năm 2020, tăng từ 54 hệ thống các trạm trên 4 thành phố lên 118 trạm trên 24 thành phố. Năm 2020, mức độ ô nhiễm trung bình ở Việt Nam giảm 18% so với mức năm 2019. Các biện pháp nghiêm ngặt để giảm sự lây lan của SARS-CoV-2 cũng như sự chậm lại của tốc độ phát triển đã góp phần giảm 8% PM2.5 vào năm 2020. Nhưng sự thực là, không phải chỉ gần đây không khí Tp. Hà Nội mới ô nhiễm đến thế. Các nghiên cứu cho thấy vấn đề ONKK tại Tp. Hà Nội đã tồn tại từ lâu. Nguyên nhân một phần do tốc độ tăng dân số, đô thị hóa và phát triển kinh tế mạnh mẽ của Thủ đô. Trên thực tế, phần lớn nồng độ trung bình năm của 13