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 KHƠNG 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 KHƠNG KHÍ Ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 9520320 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nghiêm Trung Dũng Hà Nội – 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn PGS.TS Nghiêm Trung Dũng Các kết luận án trung thực chưa tác giả khác cơng bố Trong luận án có sử dụng phần kết đề tài cấp “Nghiên cứu quan trắc bụi nano xác định dạng nguồn thải chúng khơng khí” mã số B2016-BKA-28 chủ nhiệm đề tài thành viên đề tài đồng ý Hà Nội ngày 29 tháng 07 năm 2019 Người hướng dẫn khoa học PGS.TS Nghiêm Trung Dũng Tác giả luận án Nguyễn Thị Thu Thủy LỜI CẢM ƠN Trước hết tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nghiêm Trung Dũng tận tình bảo, hướng dẫn, giúp đỡ trình thực luận án Tác giả chân thành cảm ơn Bộ Giáo dục & Đào tạo hỗ trợ phần kinh phí cho việc thực nghiên cứu thông qua đề tài NCKH cấp “Nghiên cứu quan trắc bụi nano xác định dạng nguồn thải chúng khơng khí” mã số B2016-BKA-28 Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Phòng Kiểm chuẩn Mơi trường Trung tâm Quan trắc Môi trường Miền Bắc trực thuộc Tổng cục Môi trường, số 556 Nguyễn Văn Cừ, Hà Nội tạo điều kiện tận tình giúp đỡ tơi q trình phân tích khối lượng bụi Đặc biệt tác giả xin gửi lời cảm ơn đến GS.Kazuhiko Sekiguchi, bạn sinh viên thuộc trường Đại học Saitama, Nhật Bản tạo điều kiện hướng dẫn trình phân tích OC/EC ion Tác giả xin chân thành cảm ơn GS Kathryn Zimmermann môn Hóa học, trường Đại học Georgia Gwinnett chồng - GS Chris Reinhard Viện Khoa học Trái đất & Khí quyển, Viện Cơng nghệ Georgia nhiệt tình giúp đỡ q trình phân tích ngun tố Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy cô Viện Khoa học Công nghệ Môi trường Phòng Đào tạo, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận án Bên cạnh đó, tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện cho tác giả suốt trình học tập Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn tới giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm lời khuyên quý giá thầy cô bạn đồng nghiệp, đặc biệt TS Lý Bích Thủy trình học tập, nghiên cứu Tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình người thân chia sẻ, động viên tạo điều kiện suốt trình nghiên cứu Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Thu Thủy ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC BẢNG VII DANH MỤC HÌNH VIII MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan bụi nano 1.1.1 Giới thiệu tính chất vật lý bụi nano 1.1.2 Nồng độ bụi nano khơng khí 1.1.3 Thành phần hóa học bụi nano 1.1.4 Tác hại bụi nano 11 1.2 Phương pháp nhận dạng nguồn thải 13 1.2.1 Mơ hình nơi tiếp nhận 13 1.2.2 Một số mơ hình khí tượng 20 1.3 Tình hình nghiên cứu giới Việt Nam 21 1.3.1 Tình hình nghiên cứu bụi nano giới 21 1.3.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 29 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 2.1 Lấy mẫu bụi 31 2.1.1 Những yêu cầu việc lấy mẫu 31 2.2.2 Quá trình thực nghiệm 34 2.2 Xác định thành phần hóa lý bụi nano 40 2.2.1 Nồng độ khối lượng 41 2.2.2 Thành phần nguyên tố 42 2.2.3 Thành phần ion 43 2.2.4 Thành phần OC EC 44 2.3 QA/QC 46 2.3.1 Lấy mẫu 46 2.3.2 Phân tích mẫu 47 2.4 Xử lý thống kê kết thực nghiệm 47 2.4.1 So sánh liệu 47 2.4.2 Hồi quy tuyến tính 48 iii 2.5 Xác định phần đóng góp nguồn thải tới bụi nano 50 2.5.1 Chuẩn bị liệu quan trắc cho phân tích PMF 51 2.3.2 Xác định số nhân tố 51 2.3.3 Xác định ma trận trọng số nhân tố ma trận điểm nhân tố 52 2.6 Một số thông tin bổ trợ 52 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 54 3.1 Độ tin cậy kết thực nghiệm 54 3.1.1 Quá trình lấy mẫu 54 3.1.2 Q trình phân tích 57 3.1.3 Dữ liệu cho mô hình đa biến 59 3.2 Nồng độ bụi nano 59 3.2.1 Nồng độ khối lượng bụi nano 59 3.2.2 Nồng độ số lượng bụi nano khơng khí 64 3.2.3 Một số đặc điểm khác nồng độ khối lượng bụi nano dải bụi có kích thước lớn 65 3.3 Thành phần hóa học bụi nano 69 3.3.1 Thành phần OC EC 69 3.3.2 Thành phần ion hòa tan nước 77 3.3.3 Thành phần nguyên tố 79 3.3.4 Tổng hợp thành phần hóa học bụi nano số so sánh với bụi PM2,5 PM10 84 3.4 Phần đóng góp nguồn thải tới bụi nano khơng khí 87 3.4.1 Chuẩn bị liệu 87 3.4.2 Kết chạy PMF 89 3.4.3 Nhận dạng nguồn thải phần đóng góp 93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 109 PHỤ LỤC 124 iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 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 Below Detection Level CMB Cân 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 lửa Flame Ionization Detector WMO Tổ chức khí tượng 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 Inductively ICP-MS Khối phổ - cảm ứng cao tần 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 Organic Carbon PAHs Hydrocacbon thơm đa vòng Polycyclic Aromatic Hydrocarbons giáp cạnh PCA Phân tích thành phần Principal Component Analysis PIXE Phân tích phát xạ tia X Particle-induced X-ray PM Bụi emission Particulate Matter PMF Nhân tố hóa ma trận dương Positive Matrix Factorization v QA Đảm QC Kiểm QCVN Quy SOC Cacb SVD Phân TC Tổng TSP Tổng US EPA Cục b Kỳ XRF Huỳn WHO Tổ ch vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Phân loại nhóm bụi theo kích thước hạt Bảng 1.2 Nồng độ số lượng hạt bụi nano môi trường khác Bảng 1.3 Thành phần hóa học bụi nano số mơi trường khác .10 Bảng 2.1 Một số thiết bị lấy mẫu bụi nano 33 Bảng 2.2 Thông tin địa điểm quan trắc 36 Bảng 2.3 Bảng tổng hợp số lượng mẫu bụi 37 Bảng 2.4 Thông tin tóm tắt thơng số khí tượng thời gian quan trắc 37 Bảng 3.1 So sánh nồng độ bụi nano với nghiên cứu khác 62 Bảng 3.2 Tỷ lệ bụi nano với loại bụi kích thước lớn 63 Bảng 3.3 Nồng độ số lượng bụi đo thiết bị Nanoscan 64 Bảng 3.4 Phân bố kích thước hạt bụi nghiên cứu số nghiên cứu khác 65 Bảng 3.5 Tỷ lệ nồng độ dải bụi theo mùa địa điểm 66 Bảng 3.6 So sánh nồng độ OC EC bụi nano với nghiên cứu khác 70 Bảng 3.7 Tỷ lệ OC/EC nghiên cứu số nghiên cứu khác .72 Bảng 3.8 Nồng độ SOC tính tốn dựa vào tỷ lệ OC/EC nhỏ 74 Bảng 3.9 Nồng độ char - EC soot - EC tỷ lệ chúng 75 Bảng 3.10 So sánh nồng độ ion với số nghiên cứu khác 77 Bảng 3.11 Nồng độ thành phần nguyên tố bụi nano (ng/m ) 81 Bảng 3.12 So sánh thành phần nguyên tố nghiên cứu nghiên cứu khác (ng/m ) 82 Bảng 3.13 Thành phần hóa học bụi nano 84 Bảng 3.14 Nồng độ char - EC soot - EC (µg/m ) tỷ lệ chúng 86 Bảng 3.15 Mô tả thống kê việc phân tích số liệu bụi nano phục vụ cho PMF 87 Bảng 3.16 Ma trận kết F mơ hình PMF 90 Bảng 3.17 Ma trận kết G mơ hình PMF 91 Bảng 3.18 Hệ số hồi quy 93 Bảng 3.19 Ma trận trọng số nhân tố 93 Bảng 3.20 Phần đóng góp nguồn thải 94 Bảng 3.21 Ma trận điểm nhân tố nồng độ bụi nano 101 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Phân bố nồng độ khối lượng theo kích thước bụi Hình 1.2 Phân bố nồng độ số lượng hạt theo kích thước bụi Hình 1.3 Nồng độ số lượng bụi nano số mơi trường khác .7 Hình 1.4 Thành phần hóa học bụi nano Los Angeles mùa đơng năm 1996 11 Hình 1.5 Sự lắng đọng tồn cục bụi hệ hô hấp 12 Hình 1.6 Tác hại đến sức khỏe bụi nano 12 Hình 1.7 Biểu diễn khơng gian ba chiều liệu 15 Hình 1.8 Biểu diễn mối quan hệ biến quay trục 15 Hình 1.9 Mơ nguồn phù hợp với liệu 16 Hình 1.10 Số lượng báo khoa học theo thời gian từ tạp chí khác nhau, liệu thu thập từ Scopus cách sử dụng từ khóa “bụi siêu mịn” 22 Hình 1.11 Phân bố nghiên cứu ảnh hưởng phơi nhiễm ngắn hạn bụi nano tới sức khỏe 27 Hình 2.1 Vị trí đặt đầu lấy mẫu thích hợp 32 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý va chạm kiểu tầng 33 Hình 2.3 Địa điểm lấy mẫu Hà Nội 36 Hình 2.4 Thiết bị mẫu bụi nano (a), cartridge (b), sợi SUS (c), giấy lọc (d) 38 Hình 2.5 Kế hoạch phân tích mẫu 40 Hình 2.6 Sắc đồ cation đại diện mẫu bụi 43 Hình 2.7 Sắc đồ cation anion đại diện mẫu bụi 44 Hình 2.8 Phương pháp xác định thành phần cacbon 44 Hình 2.9 Phổ đồ phân tích OC EC 45 Hình 2.10 Mơ hình hồi quy tuyến tính đại lượng liên quan đến mơ hình 48 Hình 2.11 Giản đồ q trình phân tích PMF 50 Hình 3.1 Tương quan nồng độ bụi nano Model 26A57C (mới) Model 25A137F (cũ) 55 Hình 3.2 Tương quan nồng độ OC, EC, TC, cation anion bụi nano lấy hai thiết bị Model 26A57C Model 25A137F 56 Hình 3.3 Tương quan tổng khối lượng chất phân tích khối lượng bụi 57 2- + Hình 3.4 Tương quan kết phân tích SO4 NH4 58 Hình 3.5 Cân ion 58 Hình 3.6 Nồng độ bụi nano theo mùa vị trí quan trắc 60 viii Phụ lục F2 Dữ liệu độ không chắn đầu vào cho mơ hình PMF (tiếp) Ngày Co Ni Cu 4/11 0.00086 0.00083 0.00100 5/11 0.00086 0.00083 0.00083 6/11 0.00086 0.00084 0.00083 7/11 0.00086 0.00078 0.00092 8/11 0.00086 0.00080 0.00082 9/11 0.00086 0.00086 0.00086 10/11 0.00086 0.00081 0.00084 12/11 0.00086 0.00083 0.00097 14/11 0.00086 0.00082 0.00096 16/11 0.00086 0.00079 0.00083 17/11 0.00086 0.00082 0.00084 18/11 0.00086 0.00079 0.00099 19/11 0.00086 0.00079 0.00085 20/11 0.00086 0.00082 0.00090 21/11 0.00087 0.00084 0.00091 22/11 0.00086 0.00080 0.00089 23/11 0.00086 0.00080 0.00086 24/11 0.00086 0.00081 0.00089 25/11 0.00087 0.00079 0.00090 26/11 0.00086 0.00078 0.00084 27/11 0.00087 0.00085 0.00088 29/11 0.00087 0.00079 0.00089 30/11 0.00086 0.00082 0.00087 1/12 0.00086 0.00081 0.00085 2/12 0.00087 0.00081 0.00090 4/12 0.00086 0.00080 0.00083 5/12 0.00086 0.00079 0.00083 6/12 0.00086 0.00085 0.00087 163 Ngày Co Ni Cu 7/12 0.00088 0.00081 0.00086 8/12 0.00086 0.00080 0.00086 10/12 0.00086 0.00078 0.00088 11/12 0.00086 0.00080 0.00083 12/12 0.00086 0.00087 0.00084 13/12 0.00086 0.00080 0.00083 14/12 0.00086 0.00081 0.00082 15/12 0.00086 0.00080 0.00084 16/12 0.00086 0.00081 0.00082 17/12 0.00086 0.00080 0.00083 18/12 0.00087 0.00078 0.00086 19/12 0.00087 0.00082 0.00089 20/12 0.00086 0.00084 0.00090 21/12 0.00086 0.00080 0.00084 22/12 0.00086 0.00079 0.00085 24/12 0.00086 0.00082 0.00086 25/12 0.00086 0.00082 0.00085 26/12 0.00086 0.00079 0.00086 27/12 0.00086 0.00081 0.00086 28/12 0.00090 0.00135 0.00088 29/12 0.00086 0.00078 0.00089 30/12 0.00086 0.00081 0.00086 164 PHỤ LỤC G: THÔNG TIN CỦA MỘT SỐ NGHIÊN CỨU SO SÁNH SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN Nghiên cứu Loại bụi Năm lấy mẫu Mơ tả vị trí lấy mẫu Hien, 2004 PM2,5 19992001 Mẫu lấy viên tâm khí tượng thủy Quốc (trạm Hà Nội, Việt Nam Cohen, 2010 PM2,5 20012008 Mẫu lấy viên tâm khí tượng thủy Quốc (trạm Nghiên cứu Loại bụi Năm lấy mẫu Mơ tả vị trí lấy mẫu Hà Nội, Việt Nam Co, 2010 PM2,5 2002- Mẫu lấy 2007 khu vực Gia Lâm, Hà Nội Nghiên cứu Loại bụi Năm lấy mẫu Hai, 2013 PM2,5 12/20 06 – 02/20 07 167 Mẫu lấy viên ĐHKHTN ĐHQGHN Nghiên cứu Loại bụi Năm lấy mẫu Mơ tả vị trí lấy mẫu Kuwaya ma, 2013 PM0,1 10/20 09 – 11/20 10 Mẫu lấy tòa nhà Ban khí Canifornia, Hoa Kỳ Gugams etty, 2012 PM0,1 511/20 11 Mẫu lấy tòa nhà trường học Fu Jen Catholic, Nghiên cứu Loại bụi Năm lấy mẫu Mô tả vị trí lấy mẫu Shinjung, New Taipei, Đài Loan Cass, PM0,1 2000 169 1/199 địa điểm 611/19 97 Caniforina Nghiên cứu Loại bụi Năm lấy mẫu Mô tả vị trí lấy mẫu Pakkane PM0,1 12/19 địa điểm 965/199 Phần Lan: địa điểm khu đô thị địa điểm nông thôn n, 2001 170 Nghiên cứu Loại bụi Năm lấy mẫu Mơ tả vị trí lấy mẫu Mbengu PM0,1 1- Mẫu lấy 2/201 tồn nhà tiều học (6m), thành Grande Synthe công Dunkirk, Pháp 1- Mẫu lấy 12/20 08 địa điểm: ven e, 2014 Chen, 2010 PM0,1 hầm rừng Nghiên cứu Loại bụi Năm lấy mẫu Mơ tả vị trí lấy mẫu trường học quốc gia Taiwan Lin, 2015 PM0,1 5/201 1– Mẫu lấy ba địa 10/20 điểm: 13 - Nóc tầng trung Xin-Xing (ZS) Nghiên cứu Loại bụi Năm lấy mẫu tầng Nóc Đại học FuJen (SJ) Nóc tầng tiểu Tatung (ZD) Kim, 2002 PM0,1 9/200 0– Mẫu lấy 6/200 điểm CA: nguồn diesel nguồn nhận hướng gió Nghiên cứu Loại bụi Năm lấy mẫu Lu, PM0,1 12/20 Mẫu lấy 2011 071/200 điểm: tòa nhà 11 tầng trung tâm quan trắc mơi trường Sanghai (XJH) - Jiading: Nóc tầng tòa nhà trường 174 tòa Nghiên cứu Loại bụi Năm lấy mẫu Mơ tả vị trí lấy mẫu đại Sanghai Lin, 2005 PM0,1 175 24/200 Mẫu lấy ven đường thành phố nam Loan, cách cổng đại học 8m cách đường (đường rộng 20m), PHỤ LỤC H: XÁC NHẬN ĐỒNG Ý CHO PHÉP SỬ DỤNG KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI 176 ... việc xác định mức độ bụi nano, thành phần hóa học phần đóng góp dạng nguồn thải vào nồng độ bụi nano khơng khí Qua đó, luận án góp phần vào việc triển khai nghiên cứu bụi nano khơng khí Việt Nam... tiêu nghiên cứu • Xác định mức độ bụi nano khơng khí đặc trưng lý hóa chúng • Nhận dạng xác định phần đóng góp dạng nguồn tới nồng độ nano khơng khí Đối tượng nghiên cứu • Bụi nano khơng khí ngồi... bụi nano xem xét dựa sở khoa học [8] Và để có sở khoa học đó, cần phải nghiên cứu cách đầy đủ bụi nano khơng khí Vì vậy, đề tài “ Nghiên cứu mức độ phần đóng góp dạng nguồn thải tới nồng độ bụi