Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật môi trường: Xác định nguồn phát tán và mối tương quan về sự phát thải PAHs trong tro bay của một số lò đốt

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:95

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn trình bày các nội dung chính sau: Xác định được hàm lượng PAHs trong tro bay của một số loại lò đốt (rác thải công nghiệp, sinh hoạt). - Xác định được nguồn phát tán và mối tương quan về sự phát thải PAHs trong tro bay của lò đốt rác thải công nghiệp và sinh hoạt.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật môi trường: Xác định nguồn phát tán và mối tương quan về sự phát thải PAHs trong tro bay của một số lò đốt

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực, chưa được sử dụng và hoàn toàn không có sự sao chép hoặc sử dụng kết quả của đề tài nghiên cứu khác. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn cũng như các thông tin trích dẫn trong luận văn đều có nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố. Tôi xin chịu trách nhiệm với công trình nghiên cứu này. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận văn Hoàng Minh Thắng
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS. Nguyễn Thị Huệ, TS. Lê Ngọc Anh – người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động viên, dành nhiều thời gian đọc bản thảo, đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến ThS. Vũ Văn Tú cùng các cán bộ Phòng Phân tích Chất lượng môi trường – Viện Công nghệ môi trường – Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam – đã giúp đỡ tôi thưc hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Công nghệ môi trường – Học viện Khoa học và Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập. Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để hoàn thiện luận văn này. Luận văn tốt nghiệp không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu từ phía các thầy, các cô trong hội đồng đánh giá, giáo viên phản biện và các thầy cô trong khoa để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nôi, ngày tháng năm 2021 Học viên Hoàng Minh Thắng
iii MỤC LỤC MỤC LỤC ......................................................................................................III DANH MỤC BẢNG ....................................................................................... V DANH MỤC HÌNH ..................................................................................... VII MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ........................................................................... 4 1.1. Tổng quan về PAHs ..........................................................................................4 1.1.1. Tính chất của PAHs ........................................................................ 4 1.1.2. Nguồn gốc phát sinh PAHs trong môi trường ................................ 8 1.1.3. Độc tính của PAHs và ảnh hưởng của PAHs đến môi trường sống 11 1.2. Hiện trạng phát thải PAHs trong các lò đốt chất thải....................................13 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................. 13 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước.................................................. 16 1.3. Các phương pháp xác định PAHs ..................................................................19 1.3.1. Phương pháp chiết tách hợp chất PAHs ....................................... 19 1.3.2. Một số phương pháp phân tích hàm lượng PAHs ......................... 20 1.4. Một số phương pháp đánh giá nguồn phát tán của PAHs trong tro bay ......23 CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........ 26 2.1. Đối tượng nghiên cứu .....................................................................................26 2.2. Thông tin vị trí lấy mẫu ..................................................................................26 2.2.1. Công ty TNHH sản xuất dịch vụ thương mại Môi trường xanh ..... 26 2.2.2. Công ty cổ phần công nghệ môi trường Green Việt Nam .............. 27 2.3. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất..........................................................................29 2.3.1. Thiết bị và dụng cụ ....................................................................... 29 2.3.2. Hóa chất
iv 30 2.4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................32 2.4.1. Phương pháp lấy mẫu ................................................................... 32 2.4.2. Phương pháp xử lý và phân tích mẫu............................................ 33 2.4.3. Phương pháp kiểm soát (QA/QC) ................................................. 34 2.4.4. Phương pháp xử lý số liệu ............................................................ 36 2.4.5. Mối tương quan của PAHs trong mẫu tro bay lò đốt .................... 36 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................ 38 3.1. Khảo sát các điều kiện tối ưu trong quá trình phân tích PAHs bằng GC/MS 38 3.1.1. Các điều kiện tối ưu trong quá trình phân tích mẫu ...................... 38 3.1.2. Đánh giá khoảng tuyến tính của phương pháp.............................. 40 3.1.3. Đánh giá độ lặp lại và độ thu hồi ................................................. 43 3.2. Hàm lượng PAHs trong mẫu tro bay .............................................................46 3.2.1. Thông tin về các mẫu được sử dụng để nghiên cứu....................... 46 3.2.2. Hàm lượng PAHs trong mẫu tro bay lò đốt rác thải công nghiệp . 47 3.2.3. Hàm lượng PAHs trong mẫu tro bay lò đốt rác thải sinh hoạt ...... 48 3.3. Nguồn phát tán và mối tương quan về sự phát thải PAHs trong tro bay của một số lò đốt .............................................................................................................51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 56 PHỤ LỤC ....................................................................................................... 63
v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của PAHs ..................................................... 6 Bảng 1.2. Khả năng gây ung thư, đột biến gen của một số PAHs .................. 12 Bảng 1.3. Tỷ lệ giữa các PAH và mối liên hệ với nguồn thải ........................ 24 Bảng 2.1. Thông tin về các lò đốt rác thải công nghiệp tại thời điểm lấy mẫu ......................................................................................................................... 27 Bảng 2.2. Thông tin về các lò đốt rác thải sinh hoạt tại thời điểm lấy mẫu ... 28 Bảng 2.3. Thông số chất chuẩn gốc PAHs...................................................... 30 Bảng 2.4. Thông tin về chất chuẩn đồng hành Z-014J ................................... 32 Bảng 3.1. Các chương trình nhiệt độ được khảo sát sử dụng ......................... 38 Bảng 3.2. Độ thu hồi của các PAHs trong hai mẫu chuẩn 25ppb và 100ppb . 44 Bảng 3.3. Thông tin của các mẫu tro bay sử dụng trong đề tài ...................... 46 Bảng 3.4. Hàm lượng tổng các PAHs trong hai loại tro thải và tỷ số đồng phân của PAHs theo công thức Fluh /( Fluh + Pyr) [46] .............................. 51 Bảng 4.1. Hàm lượng PAHs trong mẫu trắng, n-hexan (ppb) ........................ 63 Bảng 4.2. Hàm lượng các PAHs trong mẫu chuẩn 25ppb .............................. 65 Bảng 4.3. Hàm lượng các PAHs trong mẫu chuẩn 100ppb ............................ 66 Bảng 4.4. Hàm lượng các PAHs trong mẫu TB1.1 + std 50ppb..................... 67 Bảng 4.5. Hàm lượng PAHs trong mẫu tro bay lò đốt rác thải công nghiệp (ppb) ................................................................................................................ 68 Bảng 4.6. Hàm lượng PAHs trong mẫu tro bay lò đốt rác thải sinh hoạt (ppb) ......................................................................................................................... 68 Bảng 4.7. Hệ số phát thải PAHs trong tro bay của một số lò đốt CTCN ....... 70 Bảng 4.8. Hệ số phát thải PAHs trong tro bay của một số lò đốt CTSH ........ 70 Bảng 4.9. Hàm lượng PAHs trong mẫu tro bay lò đốt rác thải công nghiệp (µg/kg) ............................................................................................................. 71
vi Bảng 4.10. Hàm lượng PAHs trong mẫu tro bay lò đốt rác thải sinh hoạt (µg/kg) ............................................................................................................. 73
vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Công thức cấu tạo của một số PAHs................................................. 4 Hình 1.2. Sự phân bố thành phần PAHs có trong bụi khí thải từ lò đốt chất thải ................................................................................................................... 18 Hình 1.3. Sơ đồ cấu tạo của thiết bị GC/MS................................................... 22 Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý lò đốt rác thải ....................................................... 29 Hình 3.1. Mối tương quan giữa diện tích pic và nồng độ Naphthlene ........... 40 Hình 3.2. Mối tương quan giữa diện tích pic và nồng độ Fluorene ................ 41 Hình 3.3. Mối tương quan giữa diện tích pic và nồng độ Benzo (a) athracene ......................................................................................................................... 41 Hình 3.4. Mối tương quan giữa diện tích pic và nồng độ Acenaphthylene .... 42 Hình 3.5. Mối tương quan giữa diện tích pic và tổng nồng độ PAHs ............ 42 Hình 3.6. Hàm lượng các PAHs trên nền mẫu trắng n-hexan ........................ 43 Hình 3.7. Hiệu suất thu hồi của mẫu chuẩn 25ppb và 100 ppb (%) ............... 45 Hình 3.8. Hàm lượng PAHs trong mẫu TB1.1 thêm chuẩn 50ppb ................. 46 Hình 3.9. Hàm lượng PAHs trong mẫu tro bay lò đốt rác thải công nghệp ... 47 Hình 3.10. Tỷ lệ các loại PAHs trong tro bay lò đốt rác công nghệp (%) ...... 48 Hình 3.11. Hàm lượng PAHs trong mẫu tro bay lò đốt rác thải sinh hoạt ..... 49 Hình 3.12. Tỷ lệ các loại PAHs trong tro bay lò đốt rác sinh hoạt (%) .......... 50 Hình 3.13. Hệ số phát thải PAHs trong tro bay của một số lò đốt rác công nghiệp .............................................................................................................. 53 Hình 3.14. Hệ số phát thải PAHs trong tro bay của một số lò đốt rác sinh hoạt ......................................................................................................................... 54 Hình 4.1. Quy trình chiết mẫu PAHs trong tro bay bằng phương pháp chiết soxhlet ............................................................................................................. 74 Hình 4.2. Quy trình làm sạch sử dụng cột silicagel ........................................ 75
viii Hình 4.3. Sắc ký đồ tổng của hỗn hợp 16 PAHs tại nồng độ 1 ppb ............... 76 Hình 4.4. Sắc ký đồ tổng của hỗn hợp 16 PAHs tại nồng độ 25 ppb ............. 76 Hình 4.5. Sắc ký đồ tổng của hỗn hợp 16 PAHs tại nồng độ 50 ppb ............. 77 Hình 4.6. Sắc ký đồ tổng của hỗn hợp 16 PAHs tại nồng độ 100 ppb ........... 77 Hình 4.7. Sắc ký đồ tổng của hỗn hợp 16 PAHs tại nồng độ 500 ppb ........... 78 Hình 4.8. Sắc ký đồ tổng của hỗn hợp 16 PAHs trong mẫu TB1.1 ................ 78 Hình 4.9. Sắc ký đồ tổng của hỗn hợp 16 PAHs trong mẫu TB1.2 ................ 79 Hình 4.10. Sắc ký đồ tổng của hỗn hợp 16 PAHs trong mẫu TB2.1 .............. 79 Hình 4.11. Sắc ký đồ tổng của hỗn hợp 16 PAHs trong mẫu TB2.2 .............. 80 Hình 4.12. Sắc ký đồ tổng của hỗn hợp 16 PAHs trong mẫu TB3.1 .............. 80 Hình 4.13. Sắc ký đồ tổng của hỗn hợp 16 PAHs trong mẫu TB3.2 .............. 81 Hình 4.14. Sắc ký đồ tổng của hỗn hợp 16 PAHs trong mẫu TB4.1 .............. 81 Hình 4.15. Sắc ký đồ tổng của hỗn hợp 16 PAHs trong mẫu TB4.2 .............. 82 Hình 4.16. Sắc ký đồ tổng của hỗn hợp 16 PAHs trong mẫu TB5.1 .............. 82 Hình 4.17. Sắc ký đồ tổng của hỗn hợp 16 PAHs trong mẫu TB5.2 .............. 83 Hình 4.18. Hình ảnh một số trang thiết bị trong phòng thí nghiệm ................ 84 Hình 4.19. Hình ảnh nguồn rác đầu vào mà mẫu tro bay tại một số lò đốt .... 85
ix DANH MỤC VIẾT TẮT Chữ Tên tiếng Việt Tên tiếng Anh hoặc tên khoa học viết tắt Hiệp hội các nhà hóa phân Association of Official Analytical AOAC tích chính thống Chemists Ministry of Natural Resources and BTMT Bộ Tài nguyên Môi trường Environment CTCN Chất thải công nghiệp Industrial waste CTNH Chất thải nguy hại Hazardous waste CTR Chất thải rắn Solid waste CTSH Chất thải sinh hoạt Domestic waste Sắc ký khí – quang khối Gas chromatography – Mass GC/MS phổ spectrometry High Performance Liquid HPLC Sắc ký lỏng hiệu năng cao Chromatography Liên minh Quốc tế về Hóa International Union of Pure and IUPAC học cơ bản và Hóa học ứng Applied Chemistry dụng mnguyên liệu Khối lượng rác đem đốt - mthải Khối lượng tro bay Fly ash weight KCN Khu công nghiệp Industrial zone Phương pháp chiết lỏng LLE Liquid – Liquid extraction lỏng Hiđrôcacbon thơm đa PAHs Polycyclic Aromatic Hydrocarbons vòng
x Chữ Tên tiếng Việt Tên tiếng Anh hoặc tên khoa học viết tắt PBDEs Polybrom diphenyl ete Polybrominated diphenyl ethers Phương pháp phân tích PCA Principal components analysis thành phần chính Hợp chất hữu cơ đa vòng PCBs Polychlorinated biphenyls thơm có chứa Clo Hợp chất hữu cơ khó phân POPs Persistant Organic Pollutants hủy QA Đảm bảo chất lượng Quality Assurance QC Kiểm soát chất lượng Quality Control QCVN Quy chuẩn Việt Nam National Technical Reguilation R% Độ thu hồi Recovery RSD Độ lệch chuẩn tương đối Relative standard deviation SD Độ lệch chuẩn Standard Deviation SPE Phương pháp chiết pha rắn Solid - Phase Extraction TB Tro bay Fly ash TLC Sắc ký lớp mỏng Thin layer chromatography
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội và quá trình đô thị hóa thì lượng rác thải ngày càng gia tăng. Rác thải đang là vấn đề lớn có tính chất toàn cầu, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sống và sức khỏe con người nếu không được xử lý triệt để. Nếu chỉ sử dụng bãi chôn lấp rác thì không thể đáp ứng được. Công nghệ xử lý chất thải rắn (CTR) hiện nay đang sử dụng phổ biến là thiêu đốt, phương pháp này cho hiệu quả về kinh tế và xử lý triệt để hơn các công nghệ chôn lấp, ủ phân compost. Lò đốt chất thải ra đời và ngày càng được áp dụng rộng rãi do có một số ưu điểm nổi bật so với các công nghệ khác như: giảm được 90-95% thể tích và khối lượng chất thải, tái sử dụng năng lượng và cần diện tích nhỏ so với với chôn lấp rác. Tại Việt Nam, vấn đề đốt chất thải cũng đang được quan tâm do khối lượng CTR và CTR nguy hại từ các nguồn thải công nghiệp, sinh hoạt ngày càng gia tăng. Tuy nhiên, lò đốt rác thải tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây ô nhiễm môi trường và độc hại với sức khỏe con người. Các nghiên cứu cho rằng lò đốt rác thải được xem như là nguồn ô nhiễm thứ cấp do nó phát thải nhiều chất ô nhiễm như hơi axit, các kim loại, PCDDs/Fs (Poly-chlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans), PCB...vào môi trường [1] thông qua nhiều con đường khác nhau như phát tán vào không khí hoặc ngấm xuống đất. Trong các nguồn phát thải, khí thải được coi là con đường phát thải nhiều nhất [2]. Tro đáy, tro bay là một trong những chất thải được tạo ra từ lò đốt chất thải công nghiệp, sinh hoạt [3-6]. Chất thải này chứa một số kim loại hay chất hữu cơ nhân thơm điển hình như PAHs có hàm lượng tuy thấp nhưng độc tính cao. PAHs (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons – Hydrocarbon thơm đa vòng) là một nhóm hợp chất hữu cơ có thể gây ung thư và đột biến gen [7]. Đã có một số nghiên cứu về sự tồn tại của PAHs trong mẫu CTR đầu ra của lò đốt chất thải rắn sinh hoạt trong những năm gần đây, tuy nhiên các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào sự tồn tại của PAHs trong tro xỉ (tro đáy lò). Cho đến nay, tại Việt Nam chưa có công bố khoa học về PAHs trong tro bay lò đốt rác thải. Ngoài ra, các phương pháp xử lý PAHs trong khí thải và
2 chất thải còn nhiều hạn chế, biện pháp chủ yếu vẫn là kiểm soát tại nguồn để giảm sự phát tán. Để kiểm soát sự phát thải PAHs và giảm tác động của chúng đối với con người và môi trường, thì việc xác định các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần PAHs trong các chất thải là rất cần thiết. Do đó, đề tài “Xác định nguồn phát tán và mối tương quan về sự phát thải PAHs trong tro bay của một số lò đốt” được nghiên cứu. 2. Mục tiêu của đề tài Hướng nghiên cứu của đề tài nhằm tập trung giải quyết những vấn đề sau: - Xác định được hàm lượng PAHs trong tro bay của một số loại lò đốt (rác thải công nghiệp, sinh hoạt). - Xác định được nguồn phát tán và mối tương quan về sự phát thải PAHs trong tro bay của lò đốt rác thải công nghiệp và sinh hoạt. 3. Đối tượng và nội dung nghiên cứu ❖ Đối tượng nghiên cứu: - Nghiên cứu hàm lượng các hợp chất PAHs trong tro bay của lò đốt rác thải công nghiệp, lò đốt rác thải sinh hoạt. - Nghiên cứu về nguồn phát tán và mối tương quan của PAHs trong tro bay lò đốt rác. ❖ Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Điều tra, khảo sát về nguồn phát thải PAHs - Thu thập tài liệu về sự phát thải PAHs trong môi trường trên thế giới và Việt Nam từ các lò đốt rác thải sinh hoạt, công nghiệp. - Điều tra, khảo sát về các loại lò đốt (đốt rác sinh hoạt, công nghiệp,...) ở một số tỉnh khu vực phía Bắc (Hải Phòng và Hải Dương). - Các phương pháp xác định PAHs trong tro thải. - Một số phương pháp xác định nguồn phát tán và mối tương quan của PAHs trong tro bay lò đốt. Nội dung 2: Lấy mẫu thực tế và phân tích mẫu
3 - Lấy 10 mẫu tro bay tại 05 lò đốt rác thải công nghiệp và rác thải sinh hoạt trên địa bàn Hải Dương và Hải Phòng. - Xử lý mẫu, phân tích và tính toán hàm lượng PAHs trên thiết bị GC/MS. Nội dung 3: Đánh giá mối tương quan về sự phát thải PAHs trong tro bay. - Tính toán hệ số phát thải PAHs trong tro bay lò đốt. - Xác định mối tương quan về sự phát thải PAHs trong tro bay lò đốt rác thải công nghiệp, sinh hoạt. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Kết quả của đề tài sẽ đưa ra được mức độ nhiễm PAHs trong tro bay một số lò đốt chất thải. Từ mối tương quan về sự phát thải này sẽ giúp cho các nhà quản lý điều chỉnh các tiêu chuẩn phát thải, chính sách về phát thải chúng ra môi trường.
4 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về PAHs 1.1.1. Tính chất của PAHs PAHs là những hydrocacbon thơm đa vòng được cấu tạo từ một số nhân benzen nối trực tiếp với nhau, trong phân tử chứa nguyên tố carbon và hydro. Theo cấu tạo PAHs được chia làm hai nhóm: PAHs phân tử lượng thấp có hai hoặc ba vòng cấu trúc (naphthalene, acenaphthen, acenaphthylen, fluoren, phenanthren, và anthracen), PAHs phân tử lượng cao có bốn, năm hoặc sáu vòng trong cấu trúc (fluoranthen, pyren, benzo(a)anthracen, chrysen, benzo(b) flouranthen, benzo(k)fluoranthen, benzo(a)pyren và dibenzo(a,h)anthracen). Hình 1.1 thể hiện công thức cấu tạo của một số PAHs. Hình 1.1. Công thức cấu tạo của một số PAHs
5 Có hàng trăm PAHs riêng rẽ được phát thải vào môi trường không khí trong quá trình cháy không hoàn toàn hoặc nhiệt phân các chất hữu cơ. Khoảng 90% PAHs phát thải do hoạt động của con người là từ hoạt động công nghiệp, giao thông, các thiết bị đun nấu trong gia đình và quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch [8]. Trong số những PAHs phát sinh từ phương tiện giao thông, có nhiều PAHs là các chất gây ung thư, đột biến gen đối với con người theo quy định của Cơ quan quốc tế nghiên cứu về bệnh ung thư và Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ [7,9]. Tùy vào tính chất vật lý và hóa học của từng chất mà PAHs có thể tồn tại trong không khí ở pha khí hoặc hấp phụ trên các hạt bụi. Những PAHs có cấu trúc phân tử ít hơn 4 vòng benzene được tìm thấy nhiều ở pha khí, trong khi đó các PAHs có cấu trúc phân tử nhiều hơn 4 vòng benzene là các chất có khả năng gây ung thư, đột biến gen cao đa số hấp phụ trên các hạt bụi [10]. Đáng chú ý nhất trong nhóm này là benzo(a)pyren (C20H12). a. Tính chất vật lý Các PAHs nguyên chất là chất rắn không màu, màu trắng, hoặc vàng nhạt ở nhiệt độ phòng và có mùi thơm, tuy nhiên mùi thơm khác nhau tùy thuộc từng đoạn mạch của vòng thơm. Tính chất thơm này chịu ảnh hưởng của số và vị trí các vòng thơm mà có cấu tạo giống vòng benzen. Ngoài ra, PAHs có áp suất hơi thấp, giảm dần theo khối lượng phân tử tăng, có nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy cao. Ngoại trừ naphtalen, các PAHs rất ít tan trong nước, độ tan giảm theo khối lượng phân tử tăng, nhưng tan tốt trong dung môi hữu cơ thân dầu. Các phân tử PAHs có khả năng hấp thụ quang phổ trong vùng tử ngoại rất lớn ở nhiều dải hấp thụ khác nhau và mỗi vòng chỉ hấp thụ trong một dải bước sóng duy nhất. Đặc điểm này thường được ứng dụng để định tính PAHs. Hầu hết các phân tử PAHs đều có đặc tính phát huỳnh quang và tính bán dẫn. Thông thường PAHs hấp thụ yếu tia hồng ngoại có bước sóng nằm trong khoảng 7-14 μm. Một số tính chất vật lý của các PAH được cho trong bảng 1.1.
6 Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của PAHs Nhiệt Độ tan CTPT, Nhiệt độ trong Viết Tên gọi KLPT Màu độ sôi nóng nước ở tắt (g/mol) (oC) chảy 25oC (oC) (µg/L) C10H8 Naphthalene Naph Trắng 81 217,9 3,17.104 128 C12H8 Không Acenaphthylene Acy Vàng 92-93 280 152 tan C12H10 Acenaphthene Ace Trắng 95 279 3,93.103 154 C13H10 Fluorene Flu Trắng 115 295 1,98.103 166 C14H10 Không Phenanthrene Phe 100,5 340 1,29.103 178 màu C14H10 Không Anthracene Ant 216,4 342 73 178 màu C16H10 Vàng Fluoranthene Fluh 108,8 375 260 202 nhạt C16H10 Không Pyrene Pyr 150,4 393 135 202 màu C18H12 Không Benzo (a)anthracen BaA 160,7 400 14 228 màu C18H12 Không Chrysene Chr 253,8 448 2,0 228 màu
7 Nhiệt Độ tan CTPT, Nhiệt độ trong Viết Tên gọi KLPT Màu độ sôi nóng nước ở tắt (g/mol) (oC) chảy 25oC (oC) (µg/L) C20H12 Không Benzo(b)fluoranthene BbF 168,3 481 1,2 252 màu C20H12 Vàng Benzo(k)fluoranthene BkF 215,7 480 0,76 252 nhạt C20H12 Hơi Benzo(a)pyrene BaP 178,1 496 3,8 252 vàng C22H14 Không 0,5 Dibenzo(a,h)anthracene DahA 266,6 524 278 màu (27oC) C22H12 Vàng Benzo(g,h,i)perylene BghiP 278,3 545 0,26 276 nhạt C22H12 Indeno(1,2,3c,d)pyrene IcdP Vàng 163,6 536 62 276 b. Tính chất hóa học Các PAHs tương đối trơ về hoá học. Do được cấu tạo từ những vòng benzen nên PAHs có tính chất của hydrocacbon thơm: chúng có thể tham gia phản ứng thế, phản ứng cộng và phản ứng oxy hóa. Ngoài ra, chúng bị phân hủy quang học trong không khí, tạo thành nhiều sản phẩm oxi hóa, bao gồm quinon và endopeoxit. Nhiều hợp chất quinon đã được tìm thấy trong bụi khí đô thị và được xem là sản phẩm của quá trình quang phân. PAHs có thể hình thành các dẫn xuất nitơ, sunfinic và axit sunfonic, phản ứng với ozon và gốc hydroxyl trong không khí. Việc tạo thành hợp chất nitro – PAHs rất quan trọng vì các hợp chất này có thể có hoạt tính sinh học và gây đột biến gen. Một số PAHs được sử dụng để sản
8 xuất thuốc nhuộm, polyme, thuốc bảo vệ thực vật, trong công nghiệp dược phẩm [11,12]. Phản ứng oxy hóa bởi oxy không khí với xúc tác bởi ảnh mặt trời xảy ra chậm. Đây là một phản ứng phân hủy quan trọng trong quá trình phân hủy PAHs. Những phản ứng này gây ra bởi oxygen đơn nguyên tử (O), gốc hydroxyl (OH), ozon và những chất tương tự trong môi trường. Hai tác nhân chính trong môi trường không khí đô thị là gốc OH và ozon, ngược lại oxygen đơn nguyên tử trở nên chiếm ưu thế hơn trong tiến trình hóa học phân hủy PAHs trong môi trường nước. Những phản ứng này sinh ra hợp chất oxy hóa phát tán ra khí quyển và hấp thụ trên các hạt bụi. Nhiều hợp chất quinon bao gồm cả BaP-1,6; BaP-3,6; BaP- 6; BaP-12 dione đã được tìm thấy trong bụi không khí đô thị và được xem là sản phẩm của quá trình quang phân. Nhiều PAHs biến đổi trong nước do ảnh hưởng của ánh sáng, những oxygen đơn nguyên tử cũng đóng vai trò quan trọng trong những phản ứng này. Sản phẩm của phản ứng ozon hóa trong dung dịch nước cũng có thể được đặc biệt quan tâm do việc sử dụng ozon làm sạch nước thải. Thời gian tiếp xúc ngắn cũng đủ loại bỏ một phần đáng kể PAHs hiện diện trong dung dịch. Do sự tham dự của phản ứng quang hóa, cần thiết phải bảo quản mẫu khỏi ánh sáng, các phản ứng hình thành dẫn xuất với NOx tạo thành Nito – PAHs sẽ gây nguy hiểm nhiều hơn nhiều. 1.1.2. Nguồn gốc phát sinh PAHs trong môi trường Quá trình hình thành các hợp chất PAHs trong môi trường có nhiều nguyên nhân, tuy nhiên PAHs được phát thải từ hai nguồn chính: nguồn tự nhiên và do hoạt động của con người a. Nguồn tự nhiên PAHs có thể được phát thải từ các quá trình tự nhiên như cháy rừng, núi lửa phun trào [7]. Tại nhiều nơi, cháy rừng và núi lửa phun là hai nguồn phát thải chính PAHs vào môi trường. Tại Canada, mỗi năm cháy rừng phát thải khoảng 200 tấn PAHs và núi lửa phun phát thải khoảng 1,2-1,4 tấn benzo(a)pyrene [13].
9 Trong dầu thô hàm lượng trung bình của PAHs là 2,8% [14]. Những vụ tràn dầu và hoạt động khai thác chế biến dầu mỏ là nguồn chủ yếu phát sinh PAHs trong môi trường nước. Quá trính đốt cháy các chất hữu cơ tạo ra PAHs và phát tán vào môi trường qua bụi thải hoặc cặn dư. PAHs còn có thể được hình thành tự nhiên bằng nhiều hình thức: nhiệt phân các chất hữu cơ ở nhiệt độ cao, sự trầm tích các chất hữu cơ ở nhiệt độ và và thấp để hình thành nhiên liệu, và từ quá trình tổng hợp sinh học trực tiếp từ vi khuẩn và thực vật. PAHs có thể được tổng hợp từ sinh vật. Nhiều hợp chất dạng này tương tự như PAHs vì chúng có chứa những nhóm thế oxygene, nitrogene, hoặc lưu huỳnh. Theo các công trình công bố, tổng lượng PAHs sinh ra do phiêu sinh thực vật biển lên đến 2.700 tấn/năm [15]. b. Nguồn gốc nhân tạo Các hoạt động của con người là nguyên nhân chủ yếu gây phát thải PAHs vào trong không khí. Nguồn này gồm các dạng chính sau: Quá trình sản xuất công nghiệp: phát thải từ quá trình này là không đáng kể. Chỉ một số ít PAHs được sản xuất vì mục đích thương mại bao gồm: naphthalen, acenaphthene, fluorene, anthracene,... Các PAHs này được dùng để sản xuất thuốc nhuộm, chất màu, các chất hoạt động bề mặt và thuộc da, thuốc trừ sâu,... Trong đó, sản phẩm công nghiệp quan trọng nhất là napthalene. Nó được sử dụng trực tiếp làm chất chống gián, nấm, côn trùng, mối mọt trong tủ quần áo. Các sản phẩm PAHs trên có thể được chế biến từ than, nhựa than đá. Naphthalene có thể được phân tách từ quá trình nhiệt phân cặn dầu, olefin... Quá trình sản xuất và sử dụng các sản phẩm của than đá và dầu mỏ: Quá trình hóa lỏng hoặc khí hóa than đá, tinh chế dầu, nhựa than đá, nhựa rải đường từ các loại nhiên liệu hóa thạch có thể sinh ra một lượng lớn PAHs. Quá trình cháy không hoàn toàn bao gồm việc sử dụng nhiên liệu than đá,
10 than tổ ong,...để đun nấu và phục vụ các mục đích của các hộ gia đình; các nguồn công nghiệp và giao thông,... Trong đó, các quá trình công nghiệp bao gồm: sản xuất điện đốt than, dầu, các lò đốt rác thải, sản xuất nhôm, sắt, thép. Nguồn giao thông sử dụng nhiên liệu xăng, dầu, động cơ diesel cũng đóng góp một phần lớn vào sự phát thải PAHs vào không khí. Lượng PAHs được phát thải vào không khí từ các dạng nguồn này có sự dao động lớn và phụ thuộc vào một số yếu tố như loại nhiên liệu, điều kiện đốt. Quá trình sản xuất nông nghiệp: Sự bay hơi các loại hóa chất bảo vệ thực vật sử dụng trong nông nghiệp là nguồn chính phát thải PAHs vào môi trường. Ngoài ra còn do quá trình rang sấy nguyên liệu, đốt rơm rạ, thân cây họ đậu… Tại Trung Quốc, lượng PAHs phát sinh từ đốt rơm rạ ước tính 110 - 126 tấn/năm và từ đốt thân cây họ đậu phát thải từ 13- 26 tấn/năm [13]. Lượng PAHs phát thải vào không khí từ hoạt động nông nghiệp dao động rất lớn, phụ thuộc vào một số yếu tố như loại nhiên liệu, điều kiện đốt và các biện pháp kiểm soát được ứng dụng. Tại Bắc Kinh (Trung Quốc), khí thải giao thông, đặc biệt là khói phát sinh từ phương tiện sử dụng động cơ diesel và khói từ bếp lò đốt than trong hộ gia đình là những nguồn đóng góp chính vào nồng độ PAHs ở quốc gia này [13]. Còn ở Mexico, các kết quả khảo sát cho thấy khói thải từ giao thông và từ lò đốt gỗ, đốt rác là các nguồn quan trọng phát sinh PAHs [13]. Tại Việt Nam kết quả nghiên cứu về hệ số phát thải PAHs của một số chất đốt thường được sử dụng cho thấy hệ số phát thải PAHs của mùn cưa > gỗ > than tổ ong > than đá > than hoa. c. Phát tán PAHs trong môi trường Hầu hết các PAHs có mặt trong môi trường được hình thành từ các quá trình đốt cháy không hoàn toàn các hợp chất hữu cơ ở nhiệt độ cao, các hoạt động sinh hoạt và công nghiệp. PAHs không tồn tại riêng lẻ trong môi trường không khí mà được hấp thu trên các hạt bụi lơ lửng có kích thước trung bình lớn hơn 10µm. Trong môi trường nước, PAHs phát tán qua quá trình tổng hợp sinh học,