Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Xây dựng phương pháp đánh giá thành phần cation, anion của bụi mịn (pm2.5) tại Hà Nội trên sắc ký ion (IC)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:68

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Hóa học "Xây dựng phương pháp đánh giá thành phần cation, anion của bụi mịn (pm2.5) tại Hà Nội trên sắc ký ion (IC)" trình bày các nội dung chính sau: Xây dựng phương pháp phân tích thành phần cation (NH4 + , Na+ , K+ ) và 3 anion (NO3 - , SO4 2- , Cl- ), bước đầu xác định nguồn gốc ô nhiễm bụi PM2.5 tại Hà Nội.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Xây dựng phương pháp đánh giá thành phần cation, anion của bụi mịn (pm2.5) tại Hà Nội trên sắc ký ion (IC)

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Phạm Thị Hồng XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ THÀNH PHẦN CATION, ANION CỦA BỤI MỊN (PM2.5) TẠI HÀ NỘI TRÊN SẮC KÝ ION (IC) LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Hà Nội – 2021
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM VÀ ĐÀO TẠO KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Phạm Thị Hồng XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ THÀNH PHẦN CATION, ANION CỦA BỤI MỊN (PM2.5) TẠI HÀ NỘI TRÊN SẮC KÝ ION (IC) Chuyên ngành: Hoá phân tích Mã số: 8440118 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. PHAN QUANG THĂNG Hà Nội – 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu trong luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dựa trên những tài liệu, số liệu do chính tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu. Chính vì vậy các kết quả nghiên cứu đảm bảo trung thực và khách quan nhất. Đồng thời, kết quả này chưa từng xuất hiện trong bất kỳ một nghiên cứu nào. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực nếu sai sót tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, ngày 30 tháng 9 năm 2021 Tác giả Phạm Thị Hồng
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS. PHAN QUANG THĂNG, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình hướng dẫn và quan tâm giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô công tác tại Học Viện Khoa học và Công nghệ đã giúp đỡ tôi trong thời gian học tập tại trường. Tôi xin chân thành cảm ơn tới toàn thể cán bộ của Phòng phân tích độc chất môi trường, Viện Công nghệ Môi trường đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn Quỹ phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (Nafosted) đã tài trợ cho nghiên cứu này (mã số đề tài 104.04-2020.20). Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ và động viên để tôi có đủ nghị lực, quyết tâm hoàn thành luận văn. Hà Nội, ngày 30 tháng 9 năm 2021 Học viên Phạm Thị Hồng
iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ tiếng Anh Từ tiếng Việt AAS Atomic Absorbtion Phương pháp phổ hấp thụ Spectrometric nguyên tử AQI Air Quality Index Chỉ số chất lượng môi trường không khí BTNMT Bộ tài nguyên môi trường CV Coefficient of Variation Hệ số biến thiên DVB Divinylbenzene Divinylbenzene EC Elemental carbon Cacbon nguyên tố ELCR Excess Lifetime Cancer Nguy cơ ung thư vượt Risk mức EPI Environmental Chỉ số Hiệu suất Môi Performance Index trường EU European Union Liên minh châu âu GCMS Chromatography mass Sắc ký khí khối phổ spectrometry HCA Hydroxycitric Acid Dẫn xuất của acid citric HQ Hazrad quotient Hệ số nguy hiểm HULIS Humic-like substances Các chất giống như mùn IC Ion chromatography Sắc ký ion ICP Inductively coupled Phương pháp phổ nguyên plasma tử Plasma
iv IEC Ion Exclusion Sắc ký ion loại trừ chromatography IPC Ion chromatography Cặp sắc ký ion couple ISO International Tổ chức tiêu chuẩn hoá Organization quốc tế for Standardization LC Liquid chromatography Sắc ký lỏng LLOQ Lower limit of Giới hạn định lượng dưới quantification OC Organic carbon Cacbon hữu cơ PAHs Polycyclic hydrocarbon Hidrocacbon nhân vòng thơm PCA Main ingredient analysis Phân tích thành phần chính PCBs Polychlorinated biphenyl Hợp chất clo hữu cơ clo biphenyl PM Particlate Mater Bụi mịn QCVN Quy chuẩn Việt Nam Rt Retention Time Thời gian lưu SOA Secondary organic Sol khí hữu cơ thứ cấp aerosol TOC Total organic carbon Tổng cacbon hữu cơ VOC Volatile organic Hợp chất hữu cơ dễ bay compounds hơi
v World Health WHO Tổ chức Y tế Thế giới Organization Water-soluble organic Cacbon hữu cơ hòa tan WSOC carbon trong nước
vi DANH MỤC BẢNG Bảng 3. 1. Khảo sát sự phân tách anion của pha động với nồng độ khác nhau ......................................................................................................................... 28 Bảng 3. 2 Kết quả độ phân giải peak R tại các nồng độ khảo sát ................... 28 Bảng 3. 3 Độ phân giải các peak khi sử dụng CH3SO3H ở nhiệt độ 40ºC ..... 31 Bảng 3. 5 Dung dịch của các anion chất chuẩn .............................................. 34 Bảng 3. 6 Dung dịch của các Cation chất chuẩn............................................. 35 Bảng 3. 7 Thống kê phân tích các ion trong mẫu bụi các ngày trong tháng 5- 2021 ................................................................................................................. 35 Bảng 3. 8 Khối lượng trung bình bụi PM2.5 và nồng độ khối lượng các ion (µg/ m3) của một số thành phố trên thế giới ........................................................... 42 Bảng 3. 9 Kết quả đánh giá rủi ro của nồng độ bụi PM2.5 đối với con người . 45
vii DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1 Phân tách các ion hoặc các phân tử phân cực ................................. 11 Hình 1. 2 Hình ảnh trao đổi cation và anion ................................................... 12 Hình 1. 3 Thành phần cột trao đổi ion được cấu tạo hợp chất polymer hữu cơ ......................................................................................................................... 13 Hình 1. 4 Cấu trúc cationit .............................................................................. 15 Hình 3. 1 Xu hướng nồng độ PM2.5 tại Hồ Chí Minh và Hà Nội trong giai đoạn 2016–2020. Nồng độ trung bình hàng tháng không theo mùa của PM2.5 ....... 25 Hình 3. 2 Sự thay đổi theo thời gian về nồng độ trung bình của PM2.5 tại Hồ Chí Minh và Hà Nội trong giai đoạn 2016–2020 .................................................. 26 Hình 3. 3 Mối tương quan của thời gian lưu anion khi tốc độ dòng thay đổi ......... 29 Hình 3. 4 Mối tương quan của thời gian lưu cation khi tốc độ dòng thay đổi ........ 32 Hình 3. 5 Khảo sát hiệu quả tách chiết cation và anion trong bụi bằng siêu âm ......................................................................................................................... 33 Hình 3. 6 Tỷ lệ thành phần 6 ion trong mẫu bụi PM2.5 ................................... 36 Hình 3. 7 Sự biến thiên nồng độ bụi PM2.5 ngày và đêm ................................ 37 Hình 3. 8 Sự biến thiên nồng độ ion NH4+ ngày và đêm ............................... 38 Hình 3. 9 Sự biến thiên nồng độ ion K+ ngày và đêm ................................... 38 Hình 3. 10 Biến thiên nồng độ ion Na+ ngày và đêm...................................... 39 Hình 3. 11 Biến thiên nồng độ ion SO4 2- ngày và đêm................................... 39 Hình 3. 12 Biến thiên nồng độ ion Cl- ngày và đêm ...................................... 40 Hình 3. 13 Biến thiên nồng độ ion NO3- ngày và đêm .................................... 41 Hình 3. 14 Thành phần các ion trong bụi PM2.5 tại các thành phố trên thế giới ......................................................................................................................... 43 Hình 3. 15 Tỷ lệ thành phần 3 ion NH4+, NO3-, SO42- tại 2 thành phố lớn Hà Nội- Việt Nam, Thường Châu-Trung Quốc [34]biến đổi theo ngày và đêm . 44
viii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 .TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU................................................... 3 1.1 VẤN ĐỀ Ô NHIỄM PM2.5 TRONG KHÔNG KHÍ .................................... 3 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU BỤI PM2.5 TRONG NƯỚC VÀ NGOÀI NƯỚC................................................................................................................ 6 1.2.1 Tình hình nghiên cứu bụi PM2.5 trên thế giới .......................................... 6 1.2.2 Tình hình nghiên cứu bụi PM2.5 trong nước ............................................ 9 1.3 PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ ION ............................................................... 10 1.3.1. Sắc ký ion .............................................................................................. 10 1.3.2. Nguyên tắc sắc ký ion ........................................................................... 11 1.3.3. Bản chất của quá trình sắc ký ion ......................................................... 11 1.3.4. Chất trao đổi ion (ionit) ......................................................................... 12 1.3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến sắc ký ion ................................................... 16 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............. 18 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU .................................................................. 18 2.2. THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT ...................................................................... 18 2.2.1 Thiết bị ................................................................................................... 18 2.2.2 Hoá chất.................................................................................................. 18 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................ 19 2.3.1 Phương pháp lấy mẫu và xử lý mẫu bụi. ............................................... 19 2.3.2 Phương pháp thu thập dữ liệu ................................................................ 20 2.3.3 Phương pháp phân tích sắc ký ion – IC ................................................. 20 2.3.4 Phương pháp xử lý số liệu và phân tích thống kê .................................. 21 2.3.5 Phương pháp đánh giá độ rủi ro tới sức khỏe con người ...................... 22 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 24
ix 3.1. XU HƯỚNG NỒNG ĐỘ BỤI MỊN PM2.5 CỦA HÀ NỘI VÀ HỒ CHÍ MINH TỪ NĂM 2016 – 2020 ......................................................................... 24 3.2. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐIỀU KIỆN PHÂN TÍCH TỐI ƯU TRÊN THIẾT BỊ SẮC KÝ ION ................................................................................. 27 3.2.1 Khảo sát nồng độ pha động và tốc độ pha động rửa giải anion cần phân tích qua cột anion Simpark SA2 ..................................................................... 27 3.2.2. Khảo sát điều kiện tối ưu thiết lập các thông số cho phương pháp phân tích cation ........................................................................................................ 30 3.3 KẾT QUẢ TỐI ƯU ĐIỀU KIỆN LẤY MẪU VÀ TÁCH CHIẾT MẪU BỤI PM2.5 ........................................................................................................ 32 3.3.1. Kết quả khảo sát quy trình tách chiết, làm sạch mẫu ............................ 32 3.3.2 Xây dựng đường chuẩn, định lượng và sự phù hợp của phương pháp .......... 33 3.4 PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ THÀNH PHẦN BỤI MỊN (PM2.5) ................. 35 3.4.1. Nồng độ thành phần 6 cation và anion trong bụi mịn PM2.5 ................. 35 3.4.2. So sánh đánh giá nồng độ các cation và anion trong bụi mịn PM2.5 ở Hà Nội và các thành phố khác trên thế giới.......................................................... 41 3.5 ĐÁNH GIÁ RỦI RO CỦA NỒNG ĐỘ BỤI PM2.5 TÁC ĐỘNG TỚI SỨC KHỎE CON NGƯỜI....................................................................................... 44 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 47 1. KẾT LUẬN ............................................................................................. 47 2. KIẾN NGHỊ............................................................................................. 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 49
1 MỞ ĐẦU Theo số liệu báo cáo mới nhất tháng 1/2019 của tổ chức y tế thế giới WHO thì trên thế giới hàng năm có 4,2 triệu người chết lên quan đến các bệnh về ô nhiễm môi trường không khí và 91% dân số thế giới phải sống trong điều kiện, chất lượng không khí có nồng độ bụi mịn vượt quá tiêu chuẩn của WHO (10 µg/m3). Trong khi đó ở Châu Âu nghiên cứu chỉ ra rằng 800000 người chết hàng năm do liên quan đến ô nhiễm không khí mà nguyên nhân chủ yếu là do bụi PM2.5 và Ozon [1]. PM2.5 là một trong những tác nhân gây nên nhiều loại bệnh và làm suy giảm sức khỏe của con người, nó là đối tượng nghiên cứu liên quan đến tỷ lệ chết ở trẻ em, người già ở nhiều thành phố trên thế giới [2-4]. Ngoài các thành phần trực tiếp tạo ra bụi PM2.5 như các chất hữu cơ, khí thải từ hoạt động công nghiệp và giao thông thì ô nhiễm thứ cấp cũng là nguyên nhân quan trọng làm tăng nồng độ PM2.5 trong không khí. Các nghiên cứu về thành phần chất ô nhiễm trong bụi PM2.5 trong những năm gần đây được quan tâm và nghiên cứu. Khi phân tích được nồng độ các thành phần hữu cơ, vô cơ chứa anion, cation, và muội than đen, phương pháp phân tích thành phần chính (PCA) thường được sử dụng để tìm ra nguồn gốc gây ô nhiễm. Thành phần và nguồn gốc ô nhiễm bụi PM2.5 được làm rõ sẽ giúp các cơ quan quản lý nhà nước ban hành các chính sách phù hợp làm giảm mức độ ô nhiễm PM 2.5. Để đánh giá rủi ro ảnh hưởng đến sức khỏe con người, khi nồng độ bụi mịn PM 2.5 trong không khí ở ngoài trời tăng lên thì sẽ làm cho không khí bị mờ đi và tầm nhìn bị giảm trông giống như sương mù. Bụi mịn PM 2.5 có thể dễ dàng xâm nhập vào cơ thể con người thông qua đường hô hấp và gây nên một số bệnh nguy hiểm như đột quỵ, tim mạch, ung thư… Người thường xuyên phải tiếp xúc với bụi mịn có thể gặp phải các vấn đề về sức khỏe như hắt hơi, sổ mũi, khó thở, khô mắt… Khi tiếp xúc lâu dài thì sẽ làm gia tăng tỷ lệ giảm chức năng phổi, viêm phế quản mãn tính và tăng tỷ lệ tử vong do ung thư phổi và bệnh tim ở người bệnh. Theo thống kê thì mỗi năm, bụi mịn có thể tăng 10 μg/m3, đồng nghĩa với việc số bệnh nhân cấp cứu vì bệnh cao huyết áp sẽ tăng 8% và các bệnh về tim mạch cũng tăng lên đáng kể. Ngoài những mối nguy hiểm kể trên thì bụi mịn PM2.5 còn được mệnh danh là sát thủ có thể thúc đẩy, làm đẩy nhanh quá trình tiến triển của bệnh xơ gan và làm tăng nguy cơ mắc bệnh chuyển hóa và rối loạn chức năng gan, góp phần vào sự phát triển của bệnh tiểu đường.
2 Nghiên cứu tại Hà Nội cho thấy mối liên quan giữa bệnh đường hô hấp ở trẻ em với ô nhiễm bụi. Nghiên cứu thực hiện từ tháng 9/2010 đến 9/2011, số liệu nồng độ bụi PM10, PM2.5 và PM1 được đo đạc, đánh giá mối tương quan với số liệu bệnh nhân nhập viện tại bệnh viện nhi Trung Ương, kết quả cho thấy trong cùng thời gian phơi nhiễm khi nồng độ PM10, PM2.5 và PM10 tăng lên 10 µg/m3 thì số trẻ mắc bệnh tăng lần lượt là 1,4; 2,2 và 2,5%. Từ kết quả này cho chúng ta thấy nồng độ bụi càng nhỏ, nguy cơ gây ra các bệnh đối với trẻ em càng lớn. Nghiên cứu cũng cho thấy không có sự khác biệt về giới tính của bệnh nhân, tuy nhiên số lượng trẻ sơ sinh mắc bệnh nhiều hơn là trẻ em trong độ tuổi nghiên cứu từ 0-5 tuổi [5]. Bụi mịn có đường kích nhỏ hơn 2,5 µm (PM2.5) trong không khí ngày càng thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học và cơ quan quản lý của Việt Nam nói chung và thế giới nói riêng. Nguồn gốc của bụi mịn PM2.5 có thể được phát sinh từ phát thải trực tiếp hoặc sinh ra do ô nhiễm thứ cấp hay do sự lan truyền các chất ô nhiễm trong không khí đưa bụi từ nơi này đến nơi khác. Thành phần hóa học trong bụi mịn PM2.5 gồm các cation, anion, kim loại, hợp chất hữu cơ, sol khí[6, 7]... Để phân tích được các thành phần kim loại trong bụi, thiết bị AAS, ICP thường được sử dụng, các thành phần hữu cơ như PAHs, PCBs sẽ dùng thiết bị GCMS, còn các ion hòa tan trong nước phổ biến nhất là sử dụng sắc ký ion (IC). Xử lý mẫu cho phân tích các ion trên IC có ưu điểm là không tốn thời gian và chi phí thấp vì không cần đến dung môi hóa chất để tách chiết. Qua đánh giá tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy, nghiên cứu về thành phần, đặc tính và nguồn phát thải của bụi PM 2.5 đã được thực hiện nhiều ở trên thế giới. Tuy nhiên, nghiên cứu về thành phần các cation, anion trong bụi PM2.5 ở Việt Nam vẫn còn hạn chế, đặc biệt là khu vực Hà Nội, nơi tập trung đông dân cư, có nhiều hoạt động giao thông, các công trình xây dựng,... Đề tài nghiên cứu này thực hiện sẽ tập trung giải quyết vấn đề sau: Xây dựng phương pháp đánh giá thành phần cation, anion của bụi PM 2.5 tại Hà Nội trên sắc ký ion (IC). Do vậy, mục tiêu của đề tài là xây dựng phương pháp phân tích thành phần cation (NH4+, Na+, K+) và 3 anion (NO3-, SO42-, Cl-), bước đầu xác định nguồn gốc ô nhiễm bụi PM2.5 tại Hà Nội.
3 Chương 1 .TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 VẤN ĐỀ Ô NHIỄM PM2.5 TRONG KHÔNG KHÍ PM là một chất gây ô nhiễm không khí, bao gồm hỗn hợp các hạt rắn và hạt lỏng, chúng lơ lửng trong không khí. Chỉ số PM thường được dùng để đề cập đến các hạt có đường kính nhỏ hơn 10 μm (PM10) và nhỏ hơn 2,5 μm (PM2.5). Những hạt này thường được gọi chung là bụi mịn, bụi siêu mịn có kích thước nhỏ hơn 1 μm. Theo đó, bụi mịn PM2.5 là loại bụi mịn có đường kính nhỏ hơn 2,5 μm. Nguồn gốc của bụi mịn chủ yếu sinh ra từ khí thải giao thông (các loại xe cơ giới nhất là xe chạy bằng dầu diesel), nhà máy công nghiệp, nhà máy điện, công trường xây dựng, khói do đốt rác, đốt gỗ, phấn hoa, chất thải công trùng,… Tác hại của bụi PM2.5 : Bụi siêu mịn 2,5 ảnh hưởng trực tiếp tới tất cả mọi người. Trong đó, bụi mịn ảnh hưởng nghiêm trọng tới những người lớn tuổi và trẻ em. Do hệ miễn dịch chưa phát triển đầy đủ, trẻ em chịu tác động nhiều nhất của ô nhiễm không khí. Cùng một nồng độ khí ô nhiễm hít phải, lượng chất trực tiếp đi vào cơ thể trẻ em có thể cao gấp 2 lần người lớn. Gây dị ứng: Ở mức độ nhẹ nhất, bụi PM2.5 mang theo vi khuẩn bám vào bề mặt của cơ thể. Gây cảm giác ngứa ngáy, khó chịu, dị ứng. Một số trường hợp nặng hơn sẽ gây đau mắt, viêm mũi, các bệnh về tai mũi họng. Theo thống kê của Bộ Y tế, hiện nay ô nhiễm không khí chính là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các bệnh về tai, mũi, họng. PM2.5 gây suy giảm hệ miễn dịch: Bụi PM2.5 có thể hấp thụ chất độc, đồng thời mang theo vi khuẩn và virus ngoài môi trường. Theo đó, khi xâm nhập vào cơ thể chúng lại thải độc tố ngấm vào cơ thể làm suy giảm hệ miễn dịch. Gây viêm phổi, tắc nghẽn phổi mãn tính: Bụi PM2.5 có xâm nhập vào cơ thể người thông qua hoạt động hít thở. Sau đó, chúng theo đường dẫn khí, bám và tích tụ vào khí quản và bề mặt phổi. Theo thời gian, lượng bụi này tích tụ càng nhiều, gây ảnh hưởng càng lớn tới phổi. Đặc biệt PM2.5 có kích thước siêu nhỏ có thể xâm nhập sâu. Khi lượng bụi tích tụ đủ lớn sẽ có thể dẫn đến tử vong.
4 PM 2.5 xâm nhập vào máu gây nhồi máu cơ tim: Nghiên cứu mới nhất của khoa tim mạch bệnh viện Nhân dân thuộc đại học Bắc Kinh cũng đã chia sẻ những tác hại của PM2.5 như sau: “Trong khoảng thời gian ngắn bụi mịn PM2.5 có thể khiến chỗ tắc mạch máu bình thường không nghiêm trọng đột nhiên bị vỡ, tạo ra nghẽn mạch, gây nên nhồi máu cơ tim cấp tính”. Thực trạng ô nhiễm: Tình trạng ô nhiễm không khí toàn cầu đã lên tới mức báo động. Cũng theo WHO, từ năm 2016, ô nhiễm không khí đã làm trên 4,2 triệu người chết sớm. Trong số này 91% ở các nước nghèo đông dân thuộc Đông Nam Á và Tây Thái Bình Dương. Trong báo cáo thường niên năm 2018, Viện Health Effects Institute (HEI) ghi nhận, hơn 95% dân số thế giới đang phải hít thở bầu không khí ô nhiễm, trên 60% phải sống ở những khu vực không đáp ứng được tiêu chuẩn cơ bản nhất của WHO. Theo đó, ô nhiễm môi trường không khí gây tử vong cao. Riêng Trung Quốc và Ấn Độ đã chiếm tới 50% số ca tử vong do ô nhiễm không khí toàn cầu. Trong năm 2016, Trung Quốc có 1,1 triệu người chết vì ô nhiễm không . Cho dù nhận thức về môi trường sống và ô nhiễm không khí được cải thiện, song tình hình vẫn trầm trầm trọng hơn khi 2/3 dân số thế giới phải hứng chịu nạn ô nhiễm khủng khiếp tại Châu Á, Trung Đông và Châu Phi với chỉ số hạt bụi PM2.5 cao trên mức 35 µg/m3 không khí. Dân số tăng lên quá nhanh và các nỗ lực giảm thiểu ô nhiễm không khí không theo kịp là nguyên nhân chủ yếu của tình trạng này. Dữ liệu của WHO còn cho thấy, 97% thành phố ở các nước thu nhập thấp và trung bình với dân số từ 100.000 người không đáp ứng được tiêu chuẩn chất lượng không khí sạch, đã trở thành gánh nặng của hệ thống y tế toàn cầu. Theo tổ chức Giám sát chất lượng không khí (AirVisual) và Tổ chức Hòa bình xanh (Greenpeace), vào năm 2018, Gurugram là thành phố có mức độ ô nhiễm nặng nhất thế giới. 18 trong số 20 thành phố ô nhiễm nhất trên thế giới thuộc các nước Nam Á. Tại Australia, khói từ hơn 150 đám cháy hoành hành ở cả bờ Đông và bờ Tây đã bủa vây thành phố Sydney, khiến chất lượng không khí nơi đây xuống thấp trầm trọng. Châu Âu cũng không phải là ngoại lệ. Năm 2017,
5 Bulgaria là nước thành viên đầu tiên của Liên minh châu Âu (EU) bị tòa án châu Âu kết tội không tuân thủ các quy định về đảm bảo chất lượng không khí. Ô nhiễm không khí là vấn đề được nhắc đến từ cả gần 100 năm trước tại Anh, song đến nay London vẫn luôn là một trong những thành phố ô nhiễm hàng đầu mặc dù đã có nhiều giải pháp tiếp cận nhằm khắc phục vấn đề . Trong báo cáo thường niên về chỉ số hiệu suất môi trường (The Environmental Performance Index-EPI) do tổ chức môi trường Mỹ thực hiện, Việt Nam đứng trong nhóm 10 nước ô nhiễm không khí hàng đầu Châu Á. Đáng lưu ý là tổng lượng bụi ở Hà Nội và TP Hồ Chí Minh đều liên tục tăng cao, khiến chỉ số chất lượng không khí (AQI) luôn ở mức báo động. Theo GreenID, từ năm 2016, chỉ số AQI trung bình của Hà Nội đã lên tới 121 với nồng độ bụi PM2.5 gấp trên 2 lần tiêu chuẩn quốc gia (25 µg/m3) và 5 lần so với khuyến nghị từ WHO (10 µg/m3). Tương tự, AQI trung bình và nồng độ bụi PM2.5 ở thành phố Hồ Chí Minh (Tp.HCM) cũng cao hơn nhiều so với tiêu chuẩn quốc gia và gấp 3 lần khuyến nghị của tổ chức WHO. Thời gian gần đây,Tổng cục Môi trường Việt nam cho biết, từ 13 đến 20 tháng 3 năm 2020, Thủ đô Hà Nội đã có 4 trên 7 ngày bị ô nhiễm bụi mịn PM2.5, nhiều ngày AQI đã vượt giới hạn cho phép của tiêu chuẩn Quốc gia QCVN 05:2013/BTNMT. Kết quả tính toán chỉ số AQI tại các trạm quan trắc cũng cho thấy, chất lượng không khí nhiều ngày ở mức kém (AQI từ 101 đến 150) và xấu (từ 151 đến 200). Xét tới yếu tố thời tiết các nhà phân tích đều nhận thấy, những ảnh hưởng rõ rệt của thời tiết đến chất lượng không khí. Nhiều tuần lễ đã có tới 3 ngày ngày trời âm u, sương mù nặng, nhiệt độ giữa ngày và đêm chênh lệch khá lớn và giá trị thông số PM2.5 quan trắc được cũng tăng . Nguồn bụi ô nhiễm ở các đô thị lớn hầu hết là từ khí thải giao thông, công trình xây dựng, đường sá và sản xuất công nghiệp và hoạt động sinh hoạt của con người. Mức độ ô nhiễm của Hà Nội chỉ sau New Delhi (Ấn Độ), là nơi ô nhiễm không khí hàng đầu thế giới với nồng độ bụi PM2.5 lên tới 124 µg/m3 không khí. Đối với khu vực nông thôn, mức độ ô nhiễm chủ yếu bị tác động cục bộ bởi các hoạt động sản xuất của các làng nghề, hoạt động xây dựng, đốt rơm rạ, rác thải và đun nấu.
6 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU BỤI PM2.5 TRONG NƯỚC VÀ NGOÀI NƯỚC 1.2.1 Tình hình nghiên cứu bụi PM2.5 trên thế giới Các nghiên cứu về bụi PM2.5 đã được nhiều công trình trên thế giới đề cập đến. Các điểm nóng về ô nhiễm bụi mịn trên thế giới có thể kế đến như Bắc Kinh - Trung Quốc, Bombay - Ấn Độ, Kathmandu – Bangladesh ... các nghiên cứu này thường tập trung đến phân tích thành phần hóa học trong bụi, sau đó áp dụng các phương pháp thống kê và mô hình nguồn phát thải để tìm ra mối liên hệ giữa nồng độ bụi, thành phần bụi với nguồn phát thải. Một số nghiên cứu về các điểm nóng ô nhiễm này như: sự lan truyền bụi trong không khí [8, 9], hoặc xu thế nồng độ bụi trong thời gian dài thường từ 5 năm đến 10 năm [10, 11]. Một hướng nghiên cứu khác để cập đến ô nhiễm thứ cấp hình thành từ các muối vô cơ dưới dạng các sol khí làm gia tăng nồng độ PM 2.5. Các ion này thường được gọi là các ion hòa tan (F-, Cl-, NO3-, SO42-, Na+, NH4+, Mg2+, Ca2+...), phát thải vào không khí do sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, hoạt động của con người và cả tự nhiên [7, 12, 13]. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô hình WRF-CAMx (Weather Research & Forecasting Mode - Comprehensive Air Quality model with Extensions) để đánh giá sự liên quan đến đóng góp của khí NH3 đến hàm lượng bụi PM2.5. Kết quả cho thấy NH3 đóng góp từ 31% đến 40% vào sự hình thành lên cation NH4+ và lượng cation này chiếm 10% trong thành phần bụi PM2.5. Đồng thời nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, mặc dù hoạt động công nghiệp ít thải ra NH3 nhưng lại là nguồn chính phát thải ra NH4+ trong không khí [2, 14]. Hai mô hình RSM (Response Surface Model) và CMAQ (Community Multiscale Air Quality Model) được phát triển bởi EPA đã được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của sự phát thải khí NH3 lên sol khí vô cơ (Inorganic Aerosol) ở phía tây Trung Quốc [4, 15]. Kết quả của nghiên cứu này chỉ ra rằng NH3 đóng góp từ 8-11% vào nồng độ bụi PM2.5 trong khi đó SO2 (9-11%) và NOx (5-11%). Tuy nhiên, sự ảnh hưởng đến nồng độ bụi PM2.5 là không tuyến tính do các tiền chất ô nhiễm luôn có xu hướng dịch chuyển từ nơi có nồng độ cao về nơi có nồng độ thấp. Kết quả nghiên cứu này cũng cho thấy từ năm 1990 – 2005 lượng NH3 đã tăng lên 90%, kèm theo đó thì lượng NO3- và SO42- cũng
7 tăng lên khoảng 50-60%. Vì vậy, các biện pháp làm giảm nồng độ bụi PM2.5 cần phải thực hiện đồng bộ giảm NH3, SO2 và NOx . Năm 2013, Abdus Salam và nhóm nghiên đã tiến hành lấy mẫu bụi PM2.5 tại nóc tòa Khundkur Mukarram Hussain Khoa học, Đại học Dhaka, Bangladesh trong 2 tháng (1/2013 và 2/2013). Mẫu PM2.5 đã được thu thập trên thạch anh bộ lọc sợi vào ban ngày và ban đêm. Các ion hòa tan trong nước (sunfat, nitrat, photphat, clorua, bromua, natri, kali và canxi) được phân tích bằng Sắc ký ion (Model 881, Metrohm Ltd., Thụy Sĩ) và quang kế ngọn lửa (Model PFP7, Jenway, Anh). Kết quả cho thấy khối lượng PM2.5 trung bình là 136,1μg/m3 vào ban ngày và 246,8 μg/m3 vào ban đêm với tổng khối lượng trung bình là 191,4 μg/m3. Nồng độ PM2.5 vào ban đêm cao gấp đôi so với ban ngày do nhiệt độ môi trường thấp với lượng khí thải cao từ các phương tiện vận tải hạng nặng. Tổng nồng độ trung bình của sunfat, nitrat, photphat, bromua, clorua, natri, kali và canxi lần lượt là 5,30; 7,75; 0,62, 0,16; 1,19; 1,30; 8,11 và 3,09 μg/m3. Nồng độ của các ion hòa tan trong nước vào ban đêm cao hơn nhiều so với ban ngày ngoại trừ nitrat, bromua và kali. Các thành phần ion hòa tan trong nước ở Dhaka đóng góp khoảng 15% khối lượng PM2.5. Phân tích tỷ lệ cho thấy natri và clorua chủ yếu từ muối biển. Kali có nhiều nguồn khác nhau ngoài đốt sinh khối. Sunfat và nitrat chủ yếu có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch. Đây là nghiên cứu đầu tiên về sự biến đổi ngày và đêm của các loài ion hòa tan trong nước ở các chất dạng hạt mịn PM2.5 ở Bangladesh[16]. Một số địa điểm ở Lạc Dương, Trịnh Châu và Bình Sơn ở Hà Nam, Trung Quốc đã được chọn để khảo sát các thành phần hóa học của vật chất dạng hạt mịn PM2.5 trong nghiên cứu của Nan Jiang, Yue Guo và các cộng sự năm 2016. Tổng cộng 165 mẫu PM2.5 từ ba địa điểm đã được thu thập từ tháng 10 năm 2014 đến tháng 7 năm 2015. Các ion vô cơ hòa tan trong nước, cacbon nguyên tố và cacbon hữu cơ, và các nguyên tố khác trong PM2.5 được phân tích bằng sắc ký ion, máy phân tích cacbon, và tương ứng là khối phổ plasma ghép cảm ứng. Kết quả cho thấy nồng độ trung bình hàng năm của PM 2.5 ở ba địa điểm này cao hơn đáng kể so với tiêu chuẩn chất lượng không khí xung quanh quốc gia của Trung Quốc. Nồng độ PM2.5 trung bình theo mùa thay đổi với nồng độ PM2.5 thấp nhất vào mùa hè. Trong số các địa điểm này, nồng độ ion SO 42– và NH4+ cao nhất được quan sát thấy ở Lạc Dương với nồng độ NO 3– cao nhất
8 được phát hiện ở Trịnh Châu. Các ion SO42–, NO3– và NH4+ xuất hiện dưới dạng (NH4)2SO4 và NH4NO3. Đối với sự thay đổi theo mùa, nồng độ Al, Fe và Ca cao nhất đã được quan sát thấy vào mùa xuân ở Pingdingshan và mùa thu ở Trịnh Châu và Lạc Dương [17, 18]. Trong một nghiên cứu công bố gần đây năm 2020, Seokwon Kang và nhóm cộng sự đã nghiên cứu đặc trưng của cacbon hữu cơ hòa tan trong nước (WSOC) và các thành phần ion của PM2.5 từ tháng 4 đến tháng 6/2016 tại đảo Baengnyeong. Nghiên cứu sử dụng thiết bị lấy mẫu hạt thành chất lỏng (PILS) kết hợp với máy phân tích tổng cacbon hữu cơ (TOC) và sắc ký ion (IC). Nồng độ trung bình PM2.5 trong nghiên cứu này là 23,8 ± 16,7 µg/m3, và giá trị trung bình của nồng độ WSOC là 1,6 ± 1,5 µg/m3. Các hợp chất ion tăng 3,8%, tạo ra bởi các phản ứng hóa học và phát thải từ nguồn chính trong khu vực đô thị gần đó [19]. Nghiên cứu Hui-hui Zhang và các đồng nghiệp năm 2018, các mẫu PM2.5 được thu thập vào mùa đông và mùa hè tại Hàng Châu, Trung Quốc. Tính chất và thành phần hóa học của PM2.5 được phân tích nhằm mục đích chỉ ra độc tính của PM2.5 đối với tế bào phế quản của con người. Các ion dung dịch nước được phân tích bằng sắc ký ion. Một phần tư của mỗi bộ lọc mẫu được cắt thành nhiều mảnh và cho vào ống ly tâm làm sạch với 20 ml nước siêu tinh khiết. Sau đó, các ống này được đặt trong bể nước siêu âm trong 1 giờ. Dung dịch chiết xuất được lọc qua bộ lọc kích thước 0,22 m và được phân tích bằng Sắc ký ion đa chức năng ICS-3000 (Dionex ICS-3000, Thermo Scientific, USA) để kiểm tra 8 ion hòa tan trong nước (Cl-, SO42-, NO3- , Na+, NH4+, K+, Mg2+ và Ca2+). Kết quả cho thấy trong cả mùa đông và mùa hè, các hợp chất chính trong các mẫu PM2.5 là các ion hòa tan trong nước, đặc biệt là SO42−, NO3- và NH4+, tiếp theo là các thành phần hữu cơ, trong khi các kim loại nặng có mặt ở mức thấp hơn [20, 21] Năm 2019, tác giả Li Bai và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu đặc điểm của các ion tồn tại trong PM2.5 trong nhà khi diễn ra Lễ hội mùa xuân ở thành phố Trường Xuân, được phân tích bằng phương pháp sắc ký ion. Kết quả cho thấy các thành phần ion chính hòa tan trong nước trong giai đoạn trong nhà và không đốt cháy là SO42- và Ca2+, và nồng độ của Na+, K+, Mg2+, F-, Cl- NO3- tăng trong thời điểm pháo hoa và pháo. Mối tương quan giữa NH 4+ và SO42-
9 trong thời kỳ phóng điện và không đốt cháy lớn hơn mối tương quan giữa NH4+ và NO3-, NH4+ được ưu tiên kết hợp với SO42-, và các ion thứ cấp là chủ yếu ở dạng (NH4)2SO4 và NH4NO3. Phân tích cụm và phân tích tương quan chỉ ra rằng các nguồn ion hòa tan trong nước trong PM2.5 trong nhà trong Lễ hội mùa xuân có thể được phân thành bốn loại. Nguồn đốt sinh khối, nguồn khí thải ô tô,nguồn phát thải nhiệt điện than và bụi đất [20]. Năm 2019, Alex Huamán và các cộng sự tiến hành xác định nồng độ PM2.5 và các nguyên tố vi lượng, các ion hòa tan trong nước trong các mẫu được thu thập bên trong khu vực Thủ đô Huancayo. PM2.5 được xác định bằng phương pháp trọng lượng, và mười lăm nguyên tố vi lượng, và bảy ion hòa tan trong nước được phát hiện bằng phương pháp khối phổ plasma ghép cảm ứng (ICP – MS), IC, tương ứng. Kết quả cho thấy nồng độ trung bình hàng năm của nồng độ khối lượng PM2.5 dao động từ 3,4 đến 36,8 µg /m3(16,6 ± 6,8 µg/m3) tại các trạm giám sát. PCA và HCA đã minh họa rằng các nguồn nguyên tố vết quan trọng nhất có nguồn gốc từ nguồn gốc tự nhiên (đất tái huyền phù) và các nguồn phương tiện (đốt nhiên liệu, mài mòn lốp xe, mài mòn các thành phần của ô tô)[22, 23]. Trong nghiên cứu về đặc điểm nồng độ của các ion hòa tan trong nước trong khí quyển vật chất hạt PM2.5 ở thành phố Thẩm Dương của BAI Xue-yu từ 4/2018 đến 1/2019. Phân tích tương quan đã được thực hiện trên các thành phần bằng máy sắc ký ion ICS - 5000. Kết quả cho thấy ion SO42- và NO3- trong nồng độ PM2.5 tại thành phố Thẩm Dương. Ba vị trí ion NH4+ chiếm tổng số cao hơn nồng độ ion lần lượt chiếm 35,2%; 34,7% và 11,6%. Người ta thấy rằng do địa hình và khí hậu độc đáo của Thẩm Dương, mùa xuân ô nhiễm nghiêm trọng hơn. Phân tích tương quan cho thấy các dạng ion hòa tan chính trong PM2.5 ở Thẩm Dương, thành phố là NH4NO3, KNO3, MgSO4, CaSO4, v.v.[24] 1.2.2 Tình hình nghiên cứu bụi PM2.5 trong nước Nhóm nghiên cứu của GS Nghiêm Trung Dũng, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã sử dụng cảm biến đo bụi PM2.5 của hãng Panasonic để đánh giá đặc tính của bụi theo thời gian. Sau 1 năm đo nồng độ bụi tại Hà Nội từ tháng 7/2016 đến 6/2017, kết quả thu được từ cảm biến có hệ số tương quan tốt