Nghiên cứu mức độ và phần đóng góp nguồn thải tới bụi nano trong không khí - Luận án TS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Thu Thủy NGHIÊN CỨU MỨC ĐỘ VÀ PHẦN ĐÓNG GÓP CỦA CÁC DẠNG NGUỒN THẢI CHÍNH TỚI NỒNG ĐỘ BỤI NANO TRONG KHÔNG KHÍ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Thu Thủy NGHIÊN CỨU MỨC ĐỘ VÀ PHẦN ĐÓNG GÓP CỦA CÁC DẠNG NGUỒN THẢI CHÍNH TỚI NỒNG ĐỘ BỤI NANO TRONG KHÔNG KHÍ Ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 9520320 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. Nghiêm Trung Dũng Hà Nội – 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nghiêm Trung Dũng. Các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố. Trong luận án có sử dụng một phần kết quả của đề tài cấp bộ “Nghiên cứu quan trắc bụi nano và xác định các dạng nguồn thải chính của chúng trong không khí” mã số B2016-BKA-28 và đã được chủ nhiệm đề tài cũng như các thành viên trong đề tài đồng ý.

Hà Nội ngày 29 tháng 07 năm 2019 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS. Nghiêm Trung Dũng Nguyễn Thị Thu Thủy LỜI CẢM ƠN Trước hết tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nghiêm Trung Dũng đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án này. Tác giả cũng chân thành cảm ơn Bộ Giáo dục & Đào tạo đã hỗ trợ một phần kinh phí cho việc thực hiện nghiên cứu này thông qua đề tài NCKH cấp bộ “Nghiên cứu quan trắc bụi nano và xác định các dạng nguồn thải chính của chúng trong không khí” mã số B2016-BKA-28. Tác giả cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn đối với Phòng Kiểm chuẩn Môi trường của Trung tâm Quan trắc Môi trường Miền Bắc trực thuộc Tổng cục Môi trường, số 556 Nguyễn Văn Cừ, Hà Nội đã tạo điều kiện và tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình phân tích khối lượng bụi.

Đặc biệt tác giả xin gửi lời cảm ơn đến GS.Kazuhiko Sekiguchi, các bạn sinh viên thuộc trường Đại học Saitama, Nhật Bản đã tạo điều kiện và hướng dẫn trong quá trình phân tích OC/EC và ion. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn GS. Kathryn Zimmermann tại bộ môn Hóa học, trường Đại học Georgia Gwinnett và chồng cô ấy - GS. Chris Reinhard tại Viện Khoa học Trái đất & Khí quyển, Viện Công nghệ Georgia đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá trình phân tích nguyên tố.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô trong Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường và Phòng Đào tạo, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận án. Bên cạnh đó, tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình học tập. Tác giả cũng xin được bày tỏ lòng cảm ơn tới sự giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm cũng như những lời khuyên quý giá của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp, đặc biệt là TS. Lý Bích Thủy trong quá trình học tập, nghiên cứu của mình.

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn gia đình và người thân về sự chia sẻ, động viên và tạo điều kiện trong suốt quá trình nghiên cứu. Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Thu Thủy ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. II MỤC LỤC .III DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT. V DANH MỤC BẢNG.

VII DANH MỤC HÌNH. VIII MỞ ĐẦU. Tổng quan về bụi nano. Giới thiệu và tính chất vật lý của bụi nano.

Nồng độ bụi nano trong không khí. Thành phần hóa học của bụi nano. Tác hại của bụi nano. Phương pháp nhận dạng nguồn thải.

Mô hình nơi tiếp nhận. Một số mô hình khí tượng. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam. Tình hình nghiên cứu bụi nano trên thế giới.

Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Lấy mẫu bụi. Những yêu cầu chính về việc lấy mẫu.

Quá trình thực nghiệm. Xác định thành phần hóa lý của bụi nano. Nồng độ khối lượng. Thành phần nguyên tố.

Thành phần ion. Thành phần OC và EC. Phân tích mẫu. Xử lý thống kê kết quả thực nghiệm.

So sánh dữ liệu. Hồi quy tuyến tính. Xác định phần đóng góp của các nguồn thải chính tới bụi nano. Chuẩn bị dữ liệu quan trắc cho phân tích PMF.

Xác định số nhân tố. Xác định ma trận trọng số nhân tố và ma trận điểm nhân tố. Một số thông tin bổ trợ. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN.

Độ tin cậy của kết quả thực nghiệm. Quá trình lấy mẫu. Quá trình phân tích. Dữ liệu cho mô hình đa biến.

Nồng độ bụi nano. Nồng độ khối lượng bụi nano. Nồng độ số lượng của bụi nano trong không khí. Một số đặc điểm khác nhau giữa nồng độ khối lượng của bụi nano và các dải bụi có kích thước lớn hơn.

Thành phần hóa học của bụi nano. Thành phần OC và EC. Thành phần ion hòa tan trong nước. Thành phần nguyên tố.

Tổng hợp thành phần hóa học của bụi nano và một số so sánh với bụi PM2,5 và PM10. Phần đóng góp của nguồn thải tới bụi nano trong không khí. Chuẩn bị dữ liệu. Kết quả chạy PMF.

Nhận dạng nguồn thải và phần đóng góp. 93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 105 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

124 iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh AAS Phổ hấp thụ nguyên tử Atomic Absorption Spectroscopy ADE Đường kính tương đương khí Aerodynamic Diameter động học BC Cacbon đen Black Carbon BDL Dưới giới hạn phát hiện Below Detection Level CMB Cân bằng khối lượng hóa học Chemical Mass Balance CPF Hàm xác suất có điều kiện Conditional Probability Funtion EC Cacbon nguyên tố Elemetal Carbon FA Phân tích nhân tố Factor Analysis FID Detetor ion hóa ngọn lửa Flame Ionization Detector WMO Tổ chức khí tượng thế giới Wolrd Meteorological Organization HEI Viện nghiên cứu sức khỏe Heath Effects Institute Hoa Kỳ HUST Đại học Bách Khoa Hà Nội Hanoi University of Science and Technology IC Sắc ký ion Ion Chromatography ICP-MS Khối phổ - cảm ứng cao tần Inductively coupled plasma mass plasma spectrometry INAA Phân tích kích hoạt neutron Instrumental neutron activation analysis Mc Nồng độ khối lượng Mass concentration MV Giá trị khuyết Missing Values OC Cacbon hữu cơ Organic Carbon PAHs Hydrocacbon thơm đa vòng Polycyclic Aromatic Hydrocarbons giáp cạnh PCA Phân tích thành phần chính Principal Component Analysis PIXE Phân tích phát xạ tia X Particle-induced X-ray emission PM Bụi Particulate Matter PMF Nhân tố hóa ma trận dương Positive Matrix Factorization v QA Đảm bảo chất lượng Quality Assurance QC Kiểm soát chất lượng Quality control QCVN Quy chuẩn Việt Nam SOC Cacbon hữu cơ thứ cấp Secondary Organic Carbon SVD Phân tích giá trị riêng Singular Value Decomposition TC Tổng cacbon Total Carbon TSP Tổng bụi lơ lửng Total Suspended Particulate US EPA Cục bảo vệ môi trường Hoa United State Kỳ XRF Huỳnh quang tia X X-ray fluorescence WHO Tổ chức y tế thế giới World Health Organization vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Phân loại nhóm bụi theo kích thước hạt. Nồng độ số lượng hạt bụi nano tại các môi trường khác nhau. Thành phần hóa học bụi nano tại một số môi trường khác nhau.

Một số thiết bị lấy mẫu bụi nano. Thông tin về địa điểm quan trắc. Bảng tổng hợp số lượng mẫu bụi. Thông tin tóm tắt về các thông số khí tượng trong thời gian quan trắc.

So sánh nồng độ bụi nano với các nghiên cứu khác. Tỷ lệ giữa bụi nano với các loại bụi kích thước lớn hơn. Nồng độ số lượng bụi đo bằng thiết bị Nanoscan. Phân bố kích thước hạt bụi của nghiên cứu này và một số nghiên cứu khác.

Tỷ lệ giữa nồng độ của các dải bụi theo mùa và địa điểm. So sánh nồng độ OC và EC của bụi nano với các nghiên cứu khác. Tỷ lệ OC/EC trong nghiên cứu này và một số nghiên cứu khác. Nồng độ SOC được tính toán dựa vào tỷ lệ OC/EC nhỏ nhất.

Nồng độ char - EC và soot - EC và tỷ lệ của chúng. So sánh nồng độ ion với một số nghiên cứu khác. Nồng độ thành phần nguyên tố của bụi nano (ng/m3). So sánh thành phần nguyên tố trong nghiên cứu này và các nghiên cứu khác (ng/m3).

Thành phần hóa học bụi nano. Nồng độ char - EC và soot - EC (µg/m3) và tỷ lệ của chúng. Mô tả thống kê việc phân tích số liệu của bụi nano phục vụ cho PMF. Ma trận kết quả F của mô hình PMF.

Ma trận kết quả G của mô hình PMF. Hệ số hồi quy. Ma trận trọng số nhân tố. Phần đóng góp của các nguồn thải.

Ma trận điểm nhân tố và nồng độ bụi nano. 101 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1. Phân bố nồng độ khối lượng theo kích thước bụi. Phân bố nồng độ số lượng hạt theo kích thước bụi.

Nồng độ số lượng bụi nano tại một số môi trường khác nhau. Thành phần hóa học của bụi nano tại Los Angeles mùa đông năm 1996 11 Hình 1. Sự lắng đọng toàn bộ và cục bộ của bụi trong hệ hô hấp. Tác hại đến sức khỏe của bụi nano.

Biểu diễn không gian ba chiều của dữ liệu. Biểu diễn mối quan hệ của các biến khi quay trục. Mô phỏng những bộ nguồn có thể phù hợp với dữ liệu. Số lượng các bài báo khoa học theo thời gian từ các tạp chí khác nhau, dữ liệu được thu thập từ Scopus bằng cách sử dụng từ khóa “bụi siêu mịn”.

Phân bố của các nghiên cứu ảnh hưởng phơi nhiễm ngắn hạn của bụi nano tới sức khỏe. Vị trí đặt đầu lấy mẫu thích hợp. Sơ đồ nguyên lý của bộ va chạm kiểu tầng. Địa điểm lấy mẫu tại Hà Nội.

Thiết bị mấy mẫu bụi nano (a), cartridge (b), sợi SUS (c), giấy lọc (d). Kế hoạch phân tích mẫu. Sắc đồ của cation đại diện của mẫu bụi. Sắc đồ của cation và anion đại diện của mẫu bụi.

Phương pháp xác định thành phần cacbon. Phổ đồ phân tích OC và EC. Mô hình hồi quy tuyến tính và các đại lượng liên quan đến mô hình. Giản đồ quá trình phân tích PMF .