Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Khoa học tự nhiên Môi trường Nghiên cứu xác định hàm lượng cacbon đen và bụi (pm10, pm2,5) tại một số nút gia...

Tài liệu Nghiên cứu xác định hàm lượng cacbon đen và bụi (pm10, pm2,5) tại một số nút giao thông của hà nội

.PDF
74
129
77

Mô tả:

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG CACBON ĐEN VÀ BỤI (PM10, PM2,5) TẠI MỘT SỐ NÚT GIAO THÔNG CỦA HÀ NỘI CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG NGUYỄN LÊ MINH PHƢƠNG HÀ NỘI, NĂM 2019 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG CACBON ĐEN VÀ BỤI (PM10, PM2,5) TẠI MỘT SỐ NÚT GIAO THÔNG CỦA HÀ NỘI NGUYỄN LÊ MINH PHƢƠNG CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG MÃ SỐ: 8440301 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THỊ THU PHƢƠNG HÀ NỘI, NĂM 2019 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Nguyễn Thị Thu Phương – Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội. Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Nguyễn Hùng Minh – Trung tâm quan trắc môi trường Miền Bắc – Tổng cục Môi trường Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Trần Mạnh Trí – Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 19 tháng 04 năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bài luận văn này là thành quả thực hiện của bản thân tôi trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài vừa qua. Những kết quả thực nghiệm được trình bày trong luận văn này là trung thực do tôi và các cộng sự thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thị Thu Phương. Các kết quả nêu trong luận văn chưa đuợc công bố trong bất kỳ công trình nào của các nhóm nghiên cứu khác. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đã trình bày trong bản báo cáo này. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Lê Minh Phƣơng LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này một cách hoàn chỉnh, lời đầu tiên với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Thị Thu Phương – người đã hướng dẫn, chỉ bảo tôi thực hiện thành công luận văn thạc sỹ này. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo khoa Môi trường cùng các thầy cô, bạn bè phòng Phân tích khoa Môi trường - trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã hết lòng ủng hộ, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, nguời thân và bạn bè luôn mong muốn tôi hoàn thành tốt bài luận văn. Trong quá trình thực hiện luận văn dù đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi những thiết sót, vì vậy tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý Hội đồng, quý thầy cô và các bạn để luận văn của tôi được hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội ngày 02 tháng 05 năm 2019 Học viên Nguyễn Lê Minh Phƣơng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Đặt vấn đề ...............................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................2 3. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................2 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN .....................................................................................3 1.1. Tổng quan về bụi ..................................................................................................3 1.1.1. Định nghĩa .........................................................................................................3 1.1.2. Phân loại ............................................................................................................3 1.1.3. Tính chất............................................................................................................4 1.1.4. Tác động của bụi ...............................................................................................4 1.2. Tổng quan về cacbon đen .....................................................................................5 1.2.1. Khái niệm, tính chất hạt cacbon đen .................................................................5 1.2.2. Nguồn phát sinh cacbon đen .............................................................................8 1.2.3. Hiện trạng phát thải cacbon đen trên thế giới .................................................12 1.2.4. Tác động của hạt cacbon đen ..........................................................................16 1.2.5. Các phương pháp xác định cacbon đen trong không khí ................................24 1.3. Tình hình nghiên cứu cacbon đen trong môi trường không khí ........................26 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ..................................................................26 1.3.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam.................................................................27 1.4. Tổng quan khu vực nghiên cứu ..........................................................................27 1.4.1. Hiện trạng chất lượng không khí tại Hà Nội ...................................................27 1.4.2. Hiện trạng không khí tại các nút giao thông của Hà Nội ................................29 CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM ............................................................................31 2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu .........................................................................31 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu......................................................................................31 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu .........................................................................................31 2.2. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................31 2.3. Lựa chọn vị trí lấy mẫu ......................................................................................31 2.4. Phương pháp lấy mẫu và phân tích các loại bụi.................................................32 2.4.1. Dụng cụ, thiết bị sử dụng ................................................................................32 2.4.2. Quy trình lấy mẫu bụi .....................................................................................36 2.4.3. Quy trình phân tích bụi ...................................................................................36 2.5. Phương pháp phân tích BC trong các loại bụi ...................................................38 2.6. Lấy mẫu BC trong các loại bụi TSP, PM10 và PM2,5 tại các vị trí nghiên cứu ..40 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................42 3.1. Kết quả hàm lượng các loại bụi tại vị trí quan trắc ............................................42 3.2. Kết quả hàm lượng cacbon đen trong bụi TSP tại các vị trí lấy mẫu ................44 3.3. Kết quả hàm lượng cacbon đen trong bụi PM10 tại các vị trí lấy mẫu ...............46 3.4. Kết quả hàm lượng cacbon đen trong bụi PM2,5 tại các vị trí lấy mẫu ..............48 3.5. Đánh giá tỷ lệ hàm lượng cacbon đen trong và giữa các loại bụi tại vị trí quan trắc…. ........................................................................................................................52 3.6. Xây dựng quy trình lấy mẫu và phân tích cacbon đen trong bụi .......................54 3.6.1. Quy trình lấy mẫu cacbon đen ........................................................................54 3.6.2. Quy trình phân tích cacbon đen ......................................................................56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................58 1. Kết luận .................................................................................................................58 2. Kiến nghị ...............................................................................................................58 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC THÔNG TIN LUẬN VĂN Họ và tên học viên: Nguyễn Lê Minh Phương Lớp: CH3MT1 Khóa: Cao học 3A (2017 – 2019) Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Thu Phương – Đại học Công nghiệp Hà Nội. Tên đề tài: “Nghiên cứu xác định hàm lượng cacbon đen và bụi (PM10, PM2,5) tại một số nút giao thông của Hà Nội”. Tóm tắt Cacbon đen là một thành phần của bụi, được tạo ra từ sự đốt cháy không hoàn toàn các hợp chất có chứa cacbon, có ảnh hưởng mạnh mẽ tới khí hậu toàn cầu và sức khoẻ con người. Hà Nội hiện nay vẫn nằm trong top các thành phố ô nhiễm bụi mịn hàng đầu Châu Á. Do đó, luận văn được thực hiện với mục tiêu nâng cao kiến thức cũng như cung cấp bộ số liệu có giá trị thực tiễn nhằm giúp hạn chế và cải thiện tình trạng ô nhiễm không khí tại các nút giao thông của Thủ đô. Kết quả luận văn đã thu được giá trị 03 loại bụi (TSP, PM10, PM2,5) và hàm lượng cacbon đen tương ứng tại 02 điểm nóng giao thông là ngã tư Nguyễn Chí Thanh – La Thành và nút giao Xuân Thuỷ - Phạm Hùng – Hồ Tùng Mậu – Phạm Văn Đồng. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AQI : Chỉ số chất lượng không khí BC : Black Carbon (Cacbon đen) CB : Carbon Black (Than đen) CC : Controlled Combustion (Đốt có kiểm soát) EC : Elemental Carbon (Cacbon nguyên tố) EPA : Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ IPCC : Uỷ ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu KNK : Khí nhà kính OC : Organic Carbon (Cacbon hữu cơ) OB : Open Burning (Đốt ngoài trời) PAHs : Hydrocarbon thơm đa vòng PM : Particulate matter (Bụi) POPs : Các hợp chất ô nhiễm hữu cơ bền TSP : Tổng bụi lơ lửng WHO : Tổ chức Y tế Thế giới DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Bảng mô tả các nguồn phát thải BC và tỷ lệ (%) trong tổng phát thải .......8 Bảng 1.2. Tỷ lệ OC/BC từ quá trình đốt cháy các nguồn nguyên/nhiên liệu ...........11 Bảng 1.3. Các đặc điểm khác nhau giữa cacbon đen và CO2 ...................................20 Bảng 2.1. Thông số và thiết bị lấy mẫu ....................................................................32 Bảng 2.2. Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm ......................................37 Bảng 2.3. Bảng mô tả vị trí lấy mẫu .........................................................................40 Bảng 3.1. Kết quả hàm lượng các loại bụi tại vị trí quan trắc HN1 ..........................42 Bảng 3.2. Kết quả hàm lượng các loại bụi tại vị trí quan trắc HN2 ..........................43 Bảng 3.3. Kết quả hàm lượng BC trong bụi TSP tại hai vị trí ..................................44 Bảng 3.4. Kết quả trung bình của TSP và BC tại hai vị trí quan trắc .......................45 Bảng 3.5. Hàm lượng BC trong PM10 tại các vị trí quan trắc ...................................46 Bảng 3.6. Kết quả trung bình của PM10 và BC tại hai vị trí quan trắc......................47 Bảng 3.7. Hàm lượng BC trong PM2,5 tại các vị trí quan trắc ..................................48 Bảng 3.8. Kết quả trung bình của PM2,5 và BC tại hai vị trí quan trắc .....................49 Bảng 3.9. Hàm lượng BC trung bình 24h trong 03 dạng bụi tại hai vị trí quan trắc 51 Bảng 3.10. Hàm lượng BC trung bình 24h tại một số khu vực trên thế giới ............51 Bảng 3.11. Bảng đánh giá tỷ lệ hàm lượng BC trong và giữa các loại bụi ..............52 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Hình ảnh về mặt cầu BC qua kính hiển vi điện tử độ phân giải cao ...........6 Hình 1.2. Hình ảnh của hạt muội điển hình. Chúng bao gồm nhiều khối cầu muội ...6 Hình 1.3. Thống kê tỷ lệ các nguồn phát thải BC trên toàn thế giới năm 2000..........8 Hình 1.4. Kịch bản các yếu tố làm gia tăng phát thải cacbon đen theo các khu vực trên thế giới và theo nguồn phát thải từ 2000 đến 2030............................................13 Hình 1.5. Kịch bản sự gia tăng lượng phát thải BC ngành giao thông theo các khu vực trên thế giới từ 2000 đến 2030 ...........................................................................13 Hình 1.6. Cơ chế tác động trực tiếp của cacbon đen trong khí quyển ......................17 Hình 1.7. Cơ chế tác động gián tiếp của BC thông qua sự tương tác với đám mây .19 Hình 1.8. Quá trình xâm nhập của bụi vào hệ hô hấp ...............................................22 Hình 2.1. Thiết bị lấy mẫu bụi SIBATA LV – 20P ..................................................33 Hình 2.2. Thiết bị lấy mẫu bụi lưu lượng lớn SIBATA HV – 500R ........................34 Hình 2.3. Thiết bị lấy mẫu bụi lưu lượng lớn Staplex TSP - 2 .................................35 Hình 2.4. Vị trí lấy mẫu trên bản đồ .........................................................................40 Hình 3.1. Kết quả trung bình hàm lượng bụi TSP và BC tại hai vị trí .....................46 Hình 3.2. Kết quả trung bình hàm lượng bụi PM10 và BC tại hai vị trí ....................48 Hình 3.3. Kết quả trung bình hàm lượng bụi PM2,5 và BC tại hai vị trí ...................50 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Không khí được tạo thành từ hỗn hợp chủ yếu gồm nitơ, oxy và là một trong những yếu tố cơ bản cho sự sống của con người, động vật và thực vật. Do đó vấn đề ô nhiễm môi trường không khí, đặc biệt tại các đô thị đã không còn là vấn đề riêng lẻ của một quốc gia hay một khu vực mà nó đã trở thành vấn đề toàn cầu. Sự gia tăng nồng độ các chất gây ô nhiễm như CO2, CH4, … trong không khí có thể gây ra hiệu ứng nhà kính, kéo theo đó là sự biến đổi nhiệt độ bề mặt trái đất, nước biển dâng, sự gia tăng mạnh cả về số lượng lẫn cường độ các hiện tượng khí hậu cực đoan và thiên tai. Không những thế, ô nhiễm không khí còn có ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người, đặc biệt đối với đường hô hấp. Các báo cáo của WHO đã cho thấy chất lượng không khí trên phạm vi toàn thế giới đang suy giảm trông thấy, có tới 95% dân số thế giới đang hít thở không khí vượt chuẩn an toàn [1] và cứ 3 người tử vong thì 2 trường hợp xảy ra ở Đông Nam Á, còn lại ở Tây Thái Bình Dương [2]. Trong đó, nồng độ bụi PM10, PM2,5 là các hạt ô nhiễm nguy hiểm nhất được hình thành chủ yếu từ khói do xe cộ thải ra, bụi bẩn từ các công trường, hoạt động đốt củi và than ở các hộ gia đình. Cacbon đen là một loại hạt vật chất vô định hình được tạo ra từ tất cả các quá trình đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch (như dầu diesel, than đá, …) hay đốt cháy sinh khối (rơm, rạ, ...) [3]. Nó là thành phần có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh nhất trong các hạt bụi mịn và có thời gian tồn tại khá ngắn trong bầu khí quyển. Vì vậy, không chỉ có khả năng gây ra các tác động bức xạ trực tiếp hoặc gián tiếp vào sự thay đổi khí hậu toàn cầu, cacbon đen còn ảnh hưởng tiêu cực đến sức khoẻ con người. Hiện nay, cacbon đen đã và đang dần nhận được sự quan tâm đặc biệt khi nhiều nghiên cứu và gần đây là Báo cáo về Cacbon đen của EPA (2012) đã chỉ ra rằng quá trình kiểm soát và giảm thiểu phát thải cacbon đen sẽ đem lại hiệu quả về mặt môi trường và kinh tế cao hơn so với CO2 trong thời điểm hiện tại [4]. Gần đây, quá trình phát thải cacbon đen ở Việt Nam đang nhận được sự chú 1 ý lớn do tốc độ gia tăng nhanh chóng của chúng. Trong chưa đầy hai thập kỷ qua, Việt Nam đã trở thành một trong những quốc gia ô nhiễm không khí nghiêm trọng nhất khu vực châu Á [1]. Hà Nội là thành phố lớn thứ hai ở Việt Nam với dân số 7,7 triệu người, trong đó có 3,2 triệu người sinh sống ở các quận nội thành. Theo Chi cục Bảo vệ Môi trường (Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội), 70% lượng khói bụi gây ô nhiễm không khí tại Hà Nội là do hoạt động giao thông [5]. Một số khu vực có nồng độ ô nhiễm bụi cao tập trung ở các quận như: Hà Đông, Hoàng Mai, Cầu Giấy và Từ Liêm. Mặc dù các tác động của sự gia tăng nhanh cacbon đen trong bầu khí quyển là rất lớn tuy nhiên những kiến thức về nồng độ cabon đen hay hiện trạng, sự phân bố của chúng tại các điểm nóng ô nhiễm vẫn chưa được thực hiện. Xuất phát từ thực tế trên, em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu xác định hàm lượng cacbon đen và bụi (PM10, PM2,5) tại một số nút giao thông của Hà Nội” để góp phần nâng cao kiến thức cũng như bảo vệ sức khoẻ người dân trong bối cảnh biến đổi khí hậu và mối quan tâm về sức khoẻ cộng đồng đang đặc biệt được chú trọng. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xác định hàm lượng cacbon đen và bụi (TSP, PM10, PM2,5) ở một số nút giao thông tại Hà Nội. - Xác định tỷ lệ các loại bụi và tỷ lệ các bon đen trong các loại bụi. 3. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về cacbon đen, các phương pháp xác định cacbon đen trong môi trường không khí xung quanh. - Lấy mẫu, xác định hàm lượng bụi (TSP, PM10, PM2,5) và cacbon đen trong các loại bụi tại hai nút giao thông trọng điểm trên địa bàn Hà Nội. - Đánh giá tỷ lệ các loại bụi và tỷ lệ cacbon đen trong các loại bụi. 2 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về bụi 1.1.1. Định nghĩa Sol khí hay bụi (Particle matter - PM) đều là hỗn hợp động của các hạt ở dạng rắn hoặc lỏng, có kích thước nhỏ, phân tán rộng trong không khí. Trong khí quyển Trái Đất, bụi có thể được sinh ra từ cả nguồn tự nhiên và nhân tạo như: đất mịn bị gió cuốn, muối thổi từ biển, các hạt được tạo ra từ quá trình đốt cháy, quá trình quang hoá, …. Do các nguồn tạo ra bụi rất đa dạng nên hình thái và thành phần của từng loại cũng rất khác nhau. Chúng có thể chứa một hoặc nhiều các liên kết nguyên tố cacbon; ion vô cơ; các nguyên tố vi lượng; hợp chất từ vỏ trái đất; các hợp chất hữu cơ hay sinh học [4]. 1.1.2. Phân loại Đường kính của bụi trong khí quyển có thể dao động từ vài nanomet đến hàng trăm micromet và đây chính là yếu tố quyết định đến chu kỳ tồn tại cũng như những tác động của chúng đến sức khoẻ con người, môi trường. Loại bụi có đường kính động học bằng hoặc nhỏ hơn 2,5 μm (bụi PM2,5) được gọi là bụi mịn, ngược lại là bụi thô. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng bụi PM2,5 có thể đi sâu vào phế nang gây viêm nhiễm đường hô hấp và làm tăng nguy cơ tử vong ở những người mắc bệnh ung thư phổi và bệnh tim [2]. Về trọng lượng, cacbon nguyên tố (Elemental carbon – EC) cùng với cacbon hữu cơ (Organic carbon – OC) là hai thành phần quan trọng, chiếm chủ yếu và được xác định bằng phương pháp quang nhiệt. Trong đó, dạng cacbon có thể hấp thụ ánh sáng (Light-absorbing carbon – LAC) hay cacbon đen (Black carbon – BC) thường được coi là nhóm EC. Tuy nhiên, trên thực tế, việc phân loại nhóm hạt còn phụ thuộc vào những đặc tính hoá học và vật lý được sử dụng khi đo các lớp bụi cacbon. Cụ thể, trong khi cacbon đen đại diện cho phần vật liệu cacbon hấp thụ ánh sáng ở tất cả các bước sóng [6] thì EC ở dạng chì hấp thụ phổ ánh sáng nhìn thấy được và không bị khử về CO2 khi nung nóng đến 800oC trong điều kiện trơ [7]. Do đó, về 3 nguyên tắc, có thể hiểu tất cả EC là BC nhưng tất cả BC không nhất thiết là EC. 1.1.3. Tính chất - Độ phân tán các phân tử: nếu cùng một khối lượng thì các hạt bụi sẽ lắng với vận tốc khác nhau, hạt càng gần với dạng hình cầu thì nó lắng càng nhanh. Các kích thước lớn nhất và nhỏ nhất của một khối hạt bụi đặc trưng cho khoảng phân bố độ phân tán của chúng. - Tính kết dính của bụi: Các hạt bụi có xu hướng kết dính vào nhau, hạt càng mịn thì chúng càng dễ bám vào bề mặt. Với những hạt bụi có 60 – 70% số hạt bé hơn 10 µm thì rất dễ dẫn đến dính bết, còn bụi có nhiều hạt trên 10 µm thì dễ trở thành tơi xốp. - Độ mài mòn của bụi: Độ mài mòn của bụi được đặc trưng bằng cường độ mài mòn kim loại khi cùng vận tốc dòng khí và cùng nồng đô bụi. Nó phụ thuộc vào độ cứng, hình dáng, kích thước, khối lượng hạt bụi. - Độ hút ẩm. - Độ dẫn điện và sự tích điện của lớp bụi: Dấu của các hạt bụi tích điện phụ thuộc vào phương pháp tạo thành, thành phần hóa học, cả những tính chất của vật chất mà chúng tiếp xúc. 1.1.4. Tác động của bụi Theo Health, tiếp xúc với các hạt mịn có thể gây ra các ảnh hưởng sức khỏe ngắn hạn như mắt, mũi, họng và phổi, ho, hắt hơi, sổ mũi và khó thở. Nguyên nhân chính là do bụi PM2,5 cộng với khí CO hay SO2, NO2 gây kích ứng niêm mạc đồng thời cản trở hemoglobin kết hợp oxi khiến tế bào thiếu oxi dẫn đến suy giảm chức năng phổi và làm nặng thêm tình trạng bệnh hen và bệnh tim. Bụi siêu mịn khi tiếp xúc lâu dài gây gia tăng tỷ lệ viêm phế quản mãn tính, giảm chức năng phổi và tăng tỷ lệ tử vong do ung thư phổi và bệnh tim. Ước tính rằng, PM2,5 tăng 10 µg/m3 thì số bệnh nhân cấp cứu vì bệnh cao huyết áp sẽ tăng 8%, các bệnh về tim mạch cũng tăng lên. Do đó, những người có vấn đề về hô hấp và tim, trẻ em và người già nhạy cảm với bụi bẩn cần cẩn thận để đề phòng biến chứng. Đối với những người thường xuyên làm việc trong môi trường ngoài trời 4 như cảnh sát giao thông còn có khả năng bị các triệu chứng hô hấp và suy giảm chức năng phổi như viêm xoang ở người lớn và bệnh hô hấp ở trẻ sơ sinh. Các bà mẹ tiếp xúc lâu ngày có thể bị sảy thai, sinh non, dị tật bẩm sinh và tử vong. Bụi còn được mệnh danh là "sát thủ âm thầm" bởi nó có thể thúc đẩy bệnh xơ gan và làm tăng nguy cơ mắc bệnh chuyển hóa và rối loạn chức năng gan. PM2,5 gây ra kháng insulin, viêm và góp phần vào sự phát triển của bệnh tiểu đường.Ngoài ra, bụi mịn còn tấn công vào phế nang, vượt qua vách ngăn khí - máu để đi vào hệ tuần hoàn và gây bệnh, ảnh hưởng đến hệ thống thần kinh. 1.2. Tổng quan về cacbon đen 1.2.1. Khái niệm, tính chất hạt cacbon đen a. Khái niệm Cacbon đen là một dạng hạt cacbon vô định hình, được tạo ra từ sự đốt cháy không hoàn toàn các hợp chất có chứa cacbon. Tuy nhiên, hiện nay chưa có định nghĩa hoá học nào được chấp nhận một cách rộng rãi để giải thích cho thuật ngữ “cacbon đen”. Vì vậy, có rất nhiều các định nghĩa được đề xuất bởi nhiều tác giả khác nhau, có người dựa vào các đặc tính hoá học và vật lý của chúng cũng có người dựa trên đặc tính hoạt động và các dữ liệu đo đạc được. Cụ thể, hai tác giả Andreae và Gelencsér (2006) xác định BC là "một dạng cacbon không tinh khiết với cấu trúc gồm nhiều khối cầu nhỏ, được hình thành trong quá trình đốt cháy và trong động cơ đốt trong" (Hình 1.1). Mặt khác, trong Báo cáo công bố năm 2012, Tổ chức Y tế thế giới (WHO)/Nhóm Công ước về các khía cạnh sức khoẻ do ô nhiễm môi trường không khí gây ra đã xác định cacbon đen “là một thuật ngữ dùng để mô tả cacbon theo phép đo khả năng hấp thụ ánh sáng”. BC luôn được phát thải ra ngoài cùng với một tập hợp các dạng hạt khác nhau như sulfur dioxide (SO2), nitrogen oxide (NOx), OC, … Tập hợp các chất này được gọi là muội (soot). Hỗn hợp muội khác nhau không những về thành phần mà còn ở tỷ lệ giữa OC và BC. Đối với nguồn khí thải diesel thì tỷ lệ OC : BC trung bình vào khoảng 1 : 1; đối với nhiên liệu sinh học, tỷ lệ này xấp xỉ 4 : 1 và đạt tỷ lệ 9 : 1 khi đốt cháy sinh khối [8]. 5 Hình 1.1. Hình ảnh về mặt cầu BC qua Hình 1.2. Hình ảnh của hạt muội điển kính hiển vi điện tử độ phân giải cao hình. Chúng bao gồm nhiều khối cầu muội Nguồn: Pósfai và cs., 1999 [9] b. Tính chất Các tính chất nổi bật của BC gồm: - Hình dạng và kích cỡ của BC rất khác nhau tùy thuộc vào loại nhiên liệu, quá trình đốt cháy, quá trình hình thành của khối khí. BC bắt nguồn từ những quả cầu nhỏ, có kích thước từ 0,001 đến 0,005 micromet (μm), kết hợp với nhau để tạo thành những hạt có kích thước lớn hơn (0,1 đến 1 μm). Các hạt trong dải này có kích thước tương tự với bước sóng phát ra từ mặt trời, làm cho chúng đặc biệt hiệu quả trong tán xạ hoặc hấp thụ các bước sóng [6]. Kích thước hạt đặc trưng cũng làm cho nó trở thành một thành phần quan trọng của phân lớp nhỏ (dưới 100 nanomer) như PM2,5. Nhờ kích thước hiển vi, BC có thể dễ dàng phân tán trong bầu khí quyển hay xâm nhập vào cơ thể con người qua đường hô hấp. - Chu kỳ tồn tại trong khí quyển của BC chỉ từ vài ngày đến vài tuần [4]. - Khả năng hấp thụ tất cả các bước sóng từ bức xạ mặt trời [6]: Phổ của bức xạ mặt trời chiếu xuống Trái đất từ tia bức xạ tử ngoại có bước sóng nhỏ hơn 280nm đến bức xạ hồng ngoại có bước sóng dài tới 1000nm. Tuy nhiên, bước sóng UV ngắn hơn 280 nm được hấp thụ đáng kể khi đi qua tầng bình lưu. Do đó, thuật 6 ngữ "hấp thụ tất cả các bước sóng bức xạ mặt trời" khi nói về cacbon đen tương ứng với các bước sóng mặt trời có trong tầng đối lưu (trong khoảng 280 - 2500 nm). Khi quá trình đốt cháy động cơ xảy ra, các khói đen chúng ta nhìn thấy là do có chứa một lượng lớn cacbon đen, chúng hấp thụ tất cả các bước sóng của ánh sáng, gây ra sự xuất hiện màu đen. Còn những đám khói do sự đốt cháy sinh khối thường có màu nâu, xanh hoặc xám bởi quá trình đốt cháy này tạo ra một lượng cacbon hữu cơ cao hơn cacbon đen. Các hạt hữu cơ này không chỉ hấp thu một phần bước sóng ánh sáng nhất định mà còn có khả năng tán xạ dẫn đến màu nâu của khói [10]. - Chịu được lửa với nhiệt độ bốc hơi gần 4000oK [6]. - Không tan trong nước và các dung môi hữu cơ thông thường [6]. - Có cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn: Nhờ tính chất này, chúng hoạt động như những chất siêu hấp thụ trong môi trường không khí đối với các hợp chất POPs khác nhau như PCBs, PCDD / Fs và các polyphenolic khác [11]. Sự vận chuyển POPs toàn cầu, tích tụ sinh học của POPs, quá trình lắng đọng POPs trong đất và trầm tích bị ảnh hưởng lớn bởi sự hấp thụ BC [12]. Cacbon đen, than hoặc các vật liệu muội cũng được biết đến là những chất hấp thụ PAHs quan trọng nhất trong môi trường. c. Phân biệt cacbon đen (BC) và than đen (CB) Than đen là một loại nguyên liệu được tạo ra từ quá trình nhiệt phân sản phẩm dầu mỏ nặng như nhựa FCC, nhựa than đá, … và một lượng nhỏ từ dầu thực vật. Ứng dụng thông thường nhất của than đen là bột màu và chất làm tăng độ bền của lốp xe, chất gia cường trong các sản phẩm cao su hoặc làm bột màu trong mực in, sơn, nhựa. Ví dụ: nó được thêm vào polypropylene bởi vì nó hấp thụ tia cực tím. Than đen có nguồn gốc từ thực vật được sử dụng như một chất màu thực phẩm, ở Châu Âu được biết đến như một loại phụ gia E153. Than đen là một dạng cacbon vô định hình có tỷ lệ diện tích bề mặt/ thể tích lớn mặc dù tỷ lệ diện tích bề mặt/ thể tích của nó thấp so với dạng carbon hoạt tính. Nó khác với muội vì tỷ lệ diện tích bề mặt/ thể tích cao hơn và hàm lượng PAHs 7 thấp hơn đáng kể. 1.2.2. Nguồn phát sinh cacbon đen a. Các nguồn phát thải cacbon đen BC được phát thải ra môi trường thông qua cả nguồn tự nhiên (phun trào núi lửa, cháy rừng, ....) và nhân tạo (công nghiệp, giao thông, …). Trong khi quá trình phát thải từ các nguồn tự nhiên là tự phát và ngẫu nhiên thì sự phát thải do con người gây ra thường mang tính chất phổ biến và liên tục. Nguồn phát thải cacbon đen toàn cầu năm 2000 Công nghiệp 25% Giao thông 19% Năng lượng 19,3% Khác 35,5% 0,7% 0,5% Đốt ngoài trời (Gồm cả cháy rừng tự nhiên) Hoạt động sinh hoạt Hình 1.3. Thống kê tỷ lệ các nguồn phát thải BC trên toàn thế giới năm 2000 Nguồn: Lamarque & cs, 2010 [8] Bảng 1.1. Bảng mô tả các nguồn phát thải BC và tỷ lệ (%) trong tổng phát thải TT 1. 2. 3. Nguồn Chi tiết Tỷ lệ Hoạt động Các vụ cháy rừng tự nhiên và cháy rừng do con đốt ngoài người gây ra, cháy đồng cỏ và đốt chất thải 35,5 % trời nông nghiệp. Hoạt động sinh hoạt Đốt cháy nhiên liệu rắn (than và sinh khối) 25,1 % (4% từ ngoài trời hoặc các lò nấu thô sơ để nấu ăn và hoạt động đốt sưởi ấm, thắp đèn dầu chiếu sáng; bếp lò để lò ở các nước sưởi ấm không gian (chủ yếu ở các nước đang đang phát phát triển). triển) Giao thông Động cơ diesel sử dụng trong các phương tiện 19,3 % vận tải giao thông đường bộ (bao gồm xe tải hạng 8 TT Nguồn Chi tiết Tỷ lệ nặng và xe tải hạng nhẹ, thiết bị xây dựng và xe nông nghiệp); động cơ xăng (xe ô tô, xe máy; tàu và máy bay) 4. Công nghiệp Từ các nguồn cố định như lò gạch; nhà máy sản xuất sắt thép; nhà máy nhiệt điện; nồi hơi công 19% nghiệp; đốt khí gas. Ta có Hình 1.3 và Bảng 1.1 mô tả mức độ phát thải cacbon đen toàn cầu năm 2000 (7.500 Gg/ năm) [6] theo sáu loại nguồn khác nhau. Có thể thấy tổng số BC bị chi phối chủ yếu bởi bốn hoạt động lớn là đốt ngoài trời; nấu ăn sưởi ấm trong khu vực dân cư; công nghiệp và giao thông vận tải (bốn ngành này chiếm hơn 95% tổng lượng phát thải). Trong đó, khoảng 36% tổng lượng phát thải toàn cầu là từ đốt sinh lộ thiên, trong khi phát thải từ hoạt động sinh hoạt đóng góp hơn 25%. Ở các nước đang phát triển, phần lớn lượng khí thải sinh hoạt đến từ đun nấu bằng đốt cháy sinh khối, phân hoặc than [13]. Trong đó, quá trình đốt cháy sinh khối lộ thiên chiếm tỷ lệ lớn nhất trong tổng lượng phát thải BC toàn cầu, lớn hơn bất kỳ ngành nào khác và ảnh hưởng đến gần 340 triệu ha đất mỗi năm [4]. Quá trình này diễn ra phổ biến rộng rãi trên toàn thế giới cho mục đích dọn đất phục vụ canh tác, chuyển đổi đất rừng sang đất nông nghiệp hay loại bỏ thảm thực vật khô nhằm kích thích năng suất nông nghiệp. Do gần một nửa dân số thế giới hiện nay vẫn thiếu khả năng tiếp cận với năng lượng hiện đại mà chỉ dựa vào các nhiên liệu đốt rắn gồm gỗ, than củi, dư lượng nông nghiệp, … để phục vụ mục đích sinh hoạt như nấu ăn, sưởi ấm nên tỷ lệ từ hoạt động này chiếm khá cao trong tổng lượng phát thải BC toàn cầu, khoảng 21%. Lĩnh vực giao thông vận tải thường là nguồn phát thải lớn nhất ở các nước phát triển. Theo ước tính toàn cầu, khoảng 94 % lượng phát thải BC có liên quan đến vận tải đường bộ (với 86% từ động cơ diesel, 7% từ động cơ xăng) và phần còn lại từ vận tải đường thủy [6]. 9
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan