Nghiên cứu xây dựng phương pháp phân tích một số tác nhân trong bụi khí có khả năng gây bệnh đường hô hấp



BỘ KHOA HỌC VÀ CỘNG NGHỆ
VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐



BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ
8/2010-8/2012





NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG
PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MỘT SỐ TÁC
NHÂN TRONG BỤI KHÍ CÓ KHẢ NĂNG GÂY
BỆNH ĐƯỜNG HÔ HẤP
(Mã số 10/10/NLNT )








Cơ quan chủ trì: Viện khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân
Chủ nhiệm đề tài: ThS.NCV Võ Thị Anh

Hà Nội,tháng 10/2012

2

DANH SÁCH
CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
1 Võ Thị Anh ThS.,NCV Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân
2 Nguyễn Thúy Bình CN.,NCV Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân
3 Vương Thu Bắc TS.NCV Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân
4 Hà Lan Anh ThS,NCV Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân
5 Nguyễn Thị Hồng Thịnh ThS,NCV
 Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân
6 Nguyễn Thu Hà ThS,NCV Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân
7 Dương Văn Thắng CN,NCV Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân
8 Cao Đức Việt CN,NCV Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân
9 Nguyễn Mai Anh BS,NCV Bệnh viện Phổi trung ương
10 Phan Quang Thăng ThS,NCV Viện Môi trường,Viện KH&CN VN

CƠ QUAN PHỐI HỢP CHÍNH
Bệnh viện phổi trung ương





3

MỤC LỤC

Đề mục Trang
Cán bộ tham gia 2
Mục lục 3
Các từ viết tắt 5
Tóm tắt 6
MỞ ĐẦU 8
1. Đặt vấn đề 8
2. Mục tiêu 10
3. Các nội dung nghiên cứu chính 10
3.1 Xây dựng quy trình phân tích 10
3.2 Lấy mẫu bụi khí, các thông số khí tượng và phân tích mẫu bụi khí 10
4. Thời gian thực hiện 11
5. Đơn vị thực hiện 11
6. Kinh phí 11
CHƯƠNG I – TỔNG QUAN TÀI LIỆU 12
I.1 Bụi và nguồn gốc c
ủa bụi 12
I.1.1 Đinh nghĩa 12
I.1.2 Phân loại bụi khí 12
I.1.2.1 Theo nguồn gốc 12
I.1.2.2 Theo bản chất của bụi 13
I.1.2.3 Theo kích thước 13
I.2 Phương pháp thu mẫu bụi 14
I.2.1 Phương pháp truyền thống 14
I.2.2 Phương pháp cải tiến 14
I.2.3 Phương pháp lọc 15
I.2.4 Phương pháp nén 15
I.2.5 Phương pháp sục 16
I.2.6 Phương pháp tạo xoáy 16
I.2.7 Phương pháp ly tâm không khí 17

I.3Xác định hàm lượng bụi trong không khí và thành phần hóa học của nó 18
I.3.1 Phương pháp xác định hàm lượng bụi 18
I.3.2 Phương pháp phân tích các nguyên tố hóa họ
c trong mẫu 18
I.3.2.1 Phương pháp XRF 18
I.3.2.2 phương pháp kích hoạt notron 19
4

I.3.2.3 Phương pháp ICP 20
I.3.2.4 Phương pháp hấp phụ nguyên tử-AAS 24
I.3.3Phân tích các ion trong bụi 25
I.4 Phương pháp thu gom mẫu và phân tích các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi-
VOCs
28
I.5Phương pháp thu gom mẫu và phân tích vi sinh vật 30
I.5.1 Phương pháp nén 31
I.5.2 Phương pháp sục 31
I.5.3 Phương pháp lọc nhiều lớp 31
I.5.4Phương pháp thu bụi trên đĩa thạch cứng 32
I.6 Nguy cơ gây bệnh của bụi ô nhiễm trong không khí xung quanh 35
I.6.1 Hạt bụi khí 35
I.6.2 Nhóm các chất khí 36
I.6.3 Nhóm các hợp chất hữu cơ 38
I.6.4 Nhóm các vi sinh vật 39
I.7 Hi
ện trạng ô nhiễm bụi khí ở Việt nam 42
CHƯƠNG III – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 50
II.1Phương pháp lấy mẫu và phân tích bụi PM 50
II.1.1Thu mẫu bụi PM
1,5

, PM
2,5-10
50
II.1.2 Xác định hàm lượng bụi PM 51
II.1.3 Xác định hàm lượng cac bon đen 52
II.1.4 Phân tích thành phần các nguyên tố hóa học trong mẫu bụi 52
II.1.5 Phân tich các ion trong bụi khí 53
II.2 Phân tích hợp chất hữu cơ dễ bay hơi 54
II.2.1Khảo sát hiệu quả thu hồi của quá trình hấp phụ, giải hấp và phân
tích.
59
II.3 Phân tích vi sinh vật trong mẫu bụi khí 61
II.3.1So sánh hiệu suất thu mẫu bụi sinh học 67
CHƯƠNG III- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 69
CHƯƠNG IV- KẾT LUẬN 84
CHƯƠ
NG V – KIẾN NGHỊ 86
Tài liệu tham khảo 88
Phụ lục 95


5

CÁC TỪ VIẾT TẮT
Chú thích
Ký hiệu
Tiếng anh Tiếng việt
AAS Atomic Absorption Spectroscopy Quang phổ hấp phụ n guyên tử
BC Black Carbone Các bon đen
BTEX Benzene,Toluene, Ethylbenzene,

Xylen
Nhóm hợp chất hữu cơ:
Benzen, toluen,
etylbensen,xylen
CFU Colony-Forming Unit Khuẩn lạc được hình thành
trên đĩa thạch cứng
COPD Chronic Obstructive Pulmonary
Disease
Bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính
DNA Deoxyribonucleic acid Axit dezoxyribonucleic
EA-IRMS Elemental Analyzer-Isotopic
Ratio Mass Spectrometer
Khối phổ kế tỷ số đồng vị
phân tích nguyên tố
GC-MS Gas Chromatography- Mass
Spectrometry
Sắc ký khối phổ
IC Ion Chromatography Sắc ký ion
ICP-MS Inductively Coupled Plasma
Mas Spectroscopy
Khối phổ plasma cảm ứng
NA Nutrient Agar Môi trương phân lập vi sinh
vật -
PCR Polymerace Chain Reaction Phản ứng chuỗi trùng hợp
ppb-ppm 1ppb= 1µg/l ; 1 ppm=1mg/l
TSA Trypticase Soy Agar Môi trường phân lập vi sinh
vật
VOCs Volatile Organic Compound Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
XRF X- Ray Fluorescence Huỳnh quang tia X
WMO World Meteorological

Organization
Tổ chức khí tượng thế gới


6

Tóm tắt
 Mẫu bụi khí PM được thu gom ở tại viện Khoa học và Kỹ thuật hạt
nhân. Vị trí đặt đầu thu mẫu ở trên nóc tòa nhà 3 tầng; kinh độ 105
o
47,56’
,
vĩ
độ 21
o
2,46’. Bụi PM
2,5
và PM
10
được thu trên phin lọc Nuclere polycarbonate
có đường kinh 47mm. Kết quả cho thấy số lượng bụi và hàm lượng cac bon
đen của bụi PM
2,5
luôn cao hơn bụi PM
2,5-10
. Các nguyên tố hóa học Al, Si, S,
K, Ca, Ti, Mn, Fe, Cu, Zn và Zr và các anion F
-
,Cl
-

, Br
-
, NO
3
-
, PO
4
3-
, SO
4
2-
, và
cation như Na
+
, NH
4
+
, K
+
, Mg
2+
, Ca
2+
được phát hiện trong mẫu, hàm lượng
các sự khác nhau ở cả hai loại bụi PM. Các hợp chất hữu cơ thuộc nhóm
BTEX (Benzen; toluen; Ethyl Benzen; m,p xylen; o, Xylen) đều được phát
hiện trong các mẫu thu được. Hàm lượng Benzen của tháng 12,11,12 năm
2011 và thang1,2 năm 2012 vượt tiêu chuẩn cho phép, tháng có hàm lượng
cao nhất 27,615 µg/m
3

và thấp nhất 8,443 µg/m
3
. Vi sinh trong mẫu bụi xác
định được đều thuộc chi Pseudomonas,
. chi Staphylococcus,. chi Aspergillus.
Vi khuẩn gram âm trong mẫu dao động tử 2% đến 15%. Sử dụng phương pháp
hôi qui và phân tích phương sai để tìm mối tương quan giữa các thành phần ô
nhiễm và số lượng bệnh nhân điều trị tại khoa Hô Hấp, Bệnh viên E, Hà Nội
cho thấy vi khuẩn, Benzen, Toluen, lưu huỳnh, silic có tác động đến số lượng
bệnh nhân điều trị bênh liên quan đến đường hô hấp hàng tháng tại Bệnh viện
E-Hà Nội.
Từ khóa: bụ
i PM, nguyên tố hóa học, BTEX, Pseudomonas, Staphylococcus,
Aspergillus,Bệnh viên E





7

Abstract
The aerosol sampler-Gent StackedFilter Unit (GENT-SFU located on
the top of house roof of three floors building of INST with logitude 21
o
2,46’;
latitude 105
o
47,56’. Filration technique was used for the collection of PM
2,5

and PM
2,5-10
, and colleccted on nuclearepolycarbonte menbrane filter as disk
of 47-mm diameter. The results show that the amount and concentration of
black carbone of fine particle PM
2,5
are always higher than the amount and
concentration of black carbone of coarse particle PM
2,5-10
. The chemical
elements as Al, Si, S, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Cu, Zn và Z and anion F
-
,Cl
-
, Br
-
,
NO
3
-
, PO
4
3-
, SO
4
2-
, and cation Na
+
, NH

4
+
, K
+
, Mg
2+
, Ca
2+
were detected in all
samples. However, concentration of chemical elements and ions is different
in both airborne particles PM
2,5
and PM
2,5-10
. Organic compounds of BTEX as
Benzen; toluen; Ethyl Benzen; m,p xylen; o, Xylen were detected.
Concentration of Benzene of 10,11,12 year 2011 and 1,2 year 2012 were
exceed Vietnam standards (20µg/m
3
) and highest concentration was
determined in 10/ 2011 as 27,615 µg/m
3
. Genus Pseudomonas.
Staphylococcus, Aspergillus were detected in samples and negative-gram
bacteria range from 2% to 15%. Use the regression method and analysis of
variance for the correlation between pollution effects and partients treated at
the respiratory clinic of E hospital, Hanoi showed that microorganisms,
benzene, toluent, element sulfur, element silic have influence over the number
patients treated for respiratory-related disease prevention on a monthly basis at
the E hospital-Hanoi

Key words: PM particle, chemical element, BTEX, Pseudomonas,
Staphylococcus, Aspergillus, E hospital

8

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển của kinh tế và xã hội của mỗi nước, đặc biệt là
những nước đang phát triển, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên
nghiêm trọng, trong đó ô nhiễm môi trường không khí tác động trực tiếp đến
biến đổi khí hậu và tác động nhanh nhất đến sức khỏe con người. Chính vì
vậy,ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm môi trường không khí nói riêng
đang được các nhà nghiên cứu môi trường đề cập đến nhiều. Nói đến ô nhiễm
môi trường không khí, người ta thường đề cập đến bụi khí. Mức độ ô nhiễm
không khí phụ thuộc vào vị trí địa lý, khí hậu và những ảnh hưởng khác như
là đô thị hóa, công nghiệp và kinh tế, năng lượng và giao thông…
Theo Tổ chức khí tượng thế giới (WMO), ô nhiễm không khí tiềm ẩn
nguy cơ gây chết người có dấu hi
ệu gia tăng tại các nước có mức kinh tế đang
phát triển mạnh, đặc biệt tại các thành phố lớn ở châu Á và khu vực Nam Mỹ.
Tổ chức này còn cảnh báo hiện tượng khí hậu nóng lên càng làm tăng ô nhiễm
khí quyển, sa mạc hóa trên toàn cầu làm tăng nguy cơ bão cát và bụi. Sự gia
tăng tần suất và mức độ các vụ cháy cũng khiến bầu không khí trở nên ô
nhiễm.
Mức độ ô nhiễm không khí tại các thành phố
lớn của châu Á có xu
hướng ổn định nhưng vẫn vượt qua mức của WHO. Nhiều nghiên cứu chỉ ra
rằng chất lượng không khí kém không chỉ ở các thành phố lớn của châu Á, mà
cả các thành phố nhỏ với số dân cư từ 200 000 đến 1,5 triệu người. Trong khi
các thành phố lớn thường xuyên nhận được sự đầu tư để nâng cao chất lượng

không khí,thì các thành phố nhỏ lại rất ít khi nhận đượ
c sự giúp đỡ tương tự.
Ở Viêt Nam, sự phát triển kinh tế, gia tăng dân số cơ học ở một số
thành phố lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Đà nẵng… kéo theo
9

hàng loạt các hoạt động trong sản xuất công nghiệp, xây dựng và phương tiện
giao thông đã làm gia tăng mức độ ô nhiễm bụi. Nguồn ô nhiễm chính của các
độ thị Viêt Nam là từ các công trường xây dựng, các xưởng sản xuất công
nghiệp và các phương tiện giao thông.
Ô nhiễm môi trường không khí ở Hà Nội hiện nay, nói chung đang bị ô
nhiễm nặng về bụi TSP và bụi PM10, nồng độ bụi trung bình gấp 2-3 lần quy
chuẩn cho phép, có đ
iểm cao trên 10 lần quy chuẩn cho phép [19].
Kết quả điều tra tại Phú Thọ và Nam Định cho thấy, ước tính thiệt hại
do ô nhiễm không khí tác động đến sức khỏe người dân lên đến 295.000
đồng/người/năm.( Báo cáo môi trường quốc gia năm 2010 của Bộ Tài nguyên
và Môi trường )
Quá trình đô thị hóa đang diễn ra mạnh mẽ tại các đô thị lớn ở Việt
Nam, đặc biệt là Hà Nội, TP HCM, Đà nẵng…khiế
n cho tình trạng ô nhiễm
môi trường tại đây trở nên tồi tệ hơn. Hàm lượng bụi,các thành phần ô nhiễm
của bụi và các thông số khí như NO
2
, SO
2
, Benzen… trong những năm gần
đây đều có xu hướng tăng lên. Đặc biệt,tại các công trình xây dựng, các nút
giao thông trọng điểm, mức độ ô nhiễm không khí cao gấp 5-6 lần tiêu chuẩn
cho phép. Ô nhiễm không khí không nhìn thấy được nhưng lại ảnh hưởng lâu

dài đến sức khỏe của con người.
Hiện nay, tại Việt Nam vẫn chưa có các thông báo thường xuyên về tình
trạng ô nhiễm. Các nghiên cứu ô nhiễm mới chỉ dừng lại
ở mức độ quan trắc
hàm lượng bụi trong không khí và một số thành phần gốc vô cơ và đưa ra một
số đánh giá về nguồn gốc các chất ô nhiễm.
Để tìm hiểu thêm về các tác nhân ô nhiễm có trong thành phần bụi khí
liên quan đến số bệnh nhân có các bệnh liên quan đến đường hô hấp, chúng tôi
10

xây dựng đề tài “ Nghiên cứu xây dựng phương pháp phân tích một số tác
nhân trong bụi khí có khả năng gây bệnh đường hô hấp”.
2. Mục tiêu
Xây dựng phương pháp phân tích một số tác nhân có hại có thể gây
bệnh đường hô hấp trong bụi khí và số liệu ban đầu về một số tác nhân có hại
(như VOCs và vi khuẩn).
3. Các nội dung nghiên cứu chính:
3.1Xây dựng qui trình phân tích:
- Xây dựng qui trình làm giàu mẫu vi khuẩn của bụi khí trên môi
trường phân lập vi khuẩn liên quan
đến các bệnh đường hô hấp. Xác định thử
nghiệm trên môi trường nuôi cấy và điều kiện thích hợp để xác định số lượng
vi khuẩn và hàm lượng vi khuẩn gram âm.
- Xây dựng qui trình phân tích hợp chất hữu cơ dễ bay hơi,(VOCs như
Benzen, Dichlorobenzen, Ethylbenzen, Cloroform, Cacbontetrachlorid,
Tetrachlorobenzen, Xylen) trong bụi khí
3.2 Lấy mẫu bụi khí, các thông số khí tượng và phân tích mẫu bụi khí:
- Thu gom mẫu bụi khí PM2,5 và mẫu bụi PM2,5-10 tại khu vực Viện
Khoa học và Kỹ thuật h
ạt nhân, đường Hoàng Quốc Việt, Hà Nội bằng các

thiết bị có phân cấp hạt chuyên dụng.
- Thu thập các thông số khí tượng liên quan như nhiệt độ (T), độ ẩm
tương đối (RH), hướng gió (WD), tốc độ gió (WS) và lượng mưa (RF) trong
thời gian thu gom mẫu
- Phân tích vi khuẩn trong mẫu bụi khí thu gom được (số lượng vi
khuẩn, tỷ lệ vi khuẩn gram âm và vi khuẩn liên quan đến bệnh di ứng đường
hô hấp.).
11

- Phân tích một số hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong mẫu bụi khí thu
gom được bằng phương pháp sắc ký.
- Phân tích các nguyên tố hóa học trong mẫu bụi khí bằng kỹ thuật
XRF.
- Phân tích các ion trong mẫu bụi khí bằng phương pháp sắc ký ion.
- Phân tích tỷ số đồng vị C-13/C-12 trong cac bon đen của mẫu bụi khí
trên hệ khối phổ kế tỷ số đồng vị EA-IRMS.
3.3Xử lý đánh giá kết quả phân tích mẫ
u bụi:
- Xử lý kết quả phân tích, đánh giá độ tin cậy của các quy trình đã xây
dựng.
- Đánh giá mức độ ô nhiễm và nguồn gốc một số vi khuẩn và hợp chất
hữu cơ dễ bay hơi trong bụi khí để đưa ra khuyến cáo phục vụ công tác bảo
vệ môi trường và sức khỏe con người đối với bệnh đường hô hấp do bụi khí
gây ra.
4.Thời gian thực hiện: 24 Tháng
5.Đơn vị thực hiện: Trung tâm kỹ thuật hạt nhân, Viên Khoa học và Kỹ thuật
Hạt nhân
6. Nguồn kinh phí và mức kinh phí được cấp
Nguồn kinh phí: từ ngân sách nhà nước
Mức kinh phí được cấp: 600 000 000VNĐ (sáu trăm triệu đồng)

12

Chương I- TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội của mỗi nước, đặc biệt là các nước
đang phát triển, vấn đề ô nhiễm môi trường trở nên nghiêm trọng. Ô nhiễm
không khí, một trong những tác nhân gây tác động trực tiếp đến biến đổi khí
hậu, tác động nhanh và rõ rệt đến sức khỏe cộng đồng. Chúng ta có thể thu
được bụi khí ở khắp nơi, thành phần và tính chất của bụi phụ thuộc vào môi
trườ
ng tạo ra nó.
I.1. Bụi và nguồn gốc của bụi khí
I.1.1 Bụi là những hạt lơ lửng trong không khí, có kích thước từ 1/10
đến vài trăm micromet, nó có thể lan truyền với một khoảng cách rất xa và
rộng ( có thể tới vài nghìn km) và một không gian rộng. Cũng có thể hiểu bụi
là một tập hợp của nhiều hạt có thành phần hóa học là các chất vô cơ và hữu
cơ trong không khí. Nó tồn tại dưới nhiều dạng và kích th
ước khác nhau.
I.1.2 Dựa vào nguồn gốc, bản chất và kích thước người ta chia bụi ra
thành nhiều nhóm khác nhau.
I.1.2.1Theo nguồn gốc:
* Bụi có nguồn gốc tự nhiên: được sinh ra từ hoạt động của núi lửa,
cháy rừng, các quá trình phân hủy, chuyển hóa và trao đổi các chất trong tự
nhiên, các phản ứng quang hóa tạo thành các son khí. Chúng có mặt trong
không khí từ quá trình bốc hơi cùng nước biển,v.v…
* Bụi có nguồn gốc nhân tạo: sinh ra từ quá trình sản xuất công nghiệp,
từ

khí thải các quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch, từ các nhà máy luyện kim,
các nhà máy hóa chất, các công trình nhiệt điện và thủy điện. từ các hoạt động
sản xuất nông nghiệp như sử dụng phân bón hóa học hoặc thuốc bảo vệ thực
vật , đốt rừng làm nương , từ khí thải của các phương tiện giao thông và các
hoạt động hàng ngày của con người,
13

I.1.2.2 Theo bản chất của bụi
* Bụi vô cơ: có thành phần là các chất khoáng, các kim loại và các hỗn
hợp khác.
* Bụi hữu cơ: gồm có bụi thực vât, bụi động vật, hoăc được sinh ra
trong quá trình tổng hợp vật liệu hữu cơ và phân hủy chất thải hữu cơ
I.1.2.3 Theo kích thước:
* Bụi PM
10
(particulate matter) là loại bụi lơ lửng trong không khí có
kích thước động học≤ 10µm
* Bụi PM
2,5
(particulate matter) là loại bụi có kích thước động học < 2,5
µm, được gọi là bụi mịn. Loại bụi này thường tồn tại lâu trong không khí, bởi
chúng có trọng lượng gần bằng lực cản, thường rơi với vận tốc đều. Trong
không khí loại bụi này chiếm từ 40-90% [54]
* Sol khí là hạt bụi có kích thước động học< 1 µm lơ lửng trong không
khí, nó được hình thành từ quá trình ngưng tụ và khuếch tán của các chất rắn
hoặc l
ỏng trong môi trường, tồn tại trong không khí ở dạng sương mù và kích
thước < 0,1 µm tồn tại trong không khí dạng khói. Nguồn gốc của các sol chia
theo kích thước ở bảng I.1
Bảng I.1: Nguồn gốc của các sol khí theo kích thước hạt[54]

Kích sol khí 0,1 µm 0,1 ÷ 1,0 µm 1 µm
Phân loại Nhỏ Trung bình Lớn
Nguồn gốc phát sinh Sản phẩm của quá
trình thiêu đốt
Sản phẩm của quá
trình thiêu đốt và
quá trình quang
hóa
Bụi công nghiệp, nông
nghiệp, giao thông, bụi
trong môi trường tự
nhiên

14

Thành phần hóa học của bụi phụ thuộc vào nguồn gốc tạo ra nó. Thành phần
hóa học của bụi bao gồm các nguyên tố hóa học ( Al,Si,S, K, Ca, Ti, V, Cr,
Mn, Fe, Zn, Sr, Zr, Pb…), các ion vô cơ (SO
4
2-
, NO
x
-
, PO
4
3-
, Cl
-
, NH
3

+
, Na
+
,
Ca
+
, K
+
, Mg
+
…), các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (Benzen, Dichlorobenzen,
Ethylbenzen, toluen, xylen… ), các loại vi sinh vật và nấm mốc…
Để đánh giá mức độ bụi trong môi trường không khí xung quang, các
nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều phương pháp phân tích đánh giá khác nhau
đối với mỗi nhóm thành phần của bụi khí
I.2 Phương pháp thu mẫu bụi;
Trong thực tế nhiều năm nghiên cứu môi trường không khí, các nhà nghiên
cứu đã đưa ra hai phương pháp cơ bản để thu gom bụi khí, bao gồm:
I.2.1 Phương pháp truy
ền thống: thu bụi lên trên bề mặt vật liệu thu mẫu
(như phin lọc).
I.2.2 Phương pháp cải tiến: lấy mẫu trực tiếp vào một thời gian nhất định
và sử dụng các dụng cụ đo động lực học để xác định lượng mẫu thu được.
Phương pháp truyền thống có ưu điểm là đơn giản, giá thành rẻ, thích hợp
với mọi điều ki
ện môi trường khắt khe, có thể sử dụng nhiều phương pháp
phân tích khác nhau để xác định thành phần của bụi. Nhưng phương pháp này
lại phải mất một khoảng thời gian từ lúc thu mẫu đến lúc mẫu được phân tích,
sẽ dẫn đến sự không ổn định hóa học của mẫu. Ngược lại phương pháp cải
tiến-đo mẫu trực tiếp vào một thời điểm đ

o nhất định sẽ cho kết quả nhanh
chóng về hàm lượng bụi, kích thước hạt ngay tại điểm lấy mẫu. Phương pháp
này không thực hiện trong điều kiện môi trường khắt nghiệt, thiết bị dựa vào
kỹ thuật cảm ứng,nên thường xuyên phải hiệu chuẩn và không xác định được
thành phần các nguyên tố hóa học, các ion vô cơ…) của bụi.
15

Dựa trên các kỹ thuật tách hạt bụi từ dòng khí và yêu cầu của các
phương pháp phân tích bụi các nhà nghiên cứu đã áp dụng kỹ thuật lực quán
tính và môi trường thích hợp để thu bụi.
I.2.3 Phương pháp lọc (filtration) hạt bụi không nhìn thấy theo dòng
không khí được hút bởi một máy bơm bị chặn lại trên phin lọc theo kích thước
hạt khác nhau. Phin lọc thu bụi có lỗ từ 0,01 µm đến 10 µm. Tùy thuộc vào
mục đích nghiên cứu sẽ sử dụng phin l
ọc với vật liệu của phin và kích thước
lỗ phù hợp. Phương pháp thu bụi khí qua phin lọc được sử dụng rộng rãi, có
thể phân loại theo cấu trúc của phin lọc sợi xơ, phin lọc có lỗ, phin lọc
Nuclepore…Vật liệu của phin lọc có thể được làm từ sợi thủy tinh, sợi thạch
anh, sợi polycarbonate,sợi cellulose acetate…hoặc Teflon. Thu bụi bằng phin
lọc phụ thuộc vào một vài cơ chế thu mẫu (ví d
ụ như sự khuếch tán,sự chặn
dòng, quán tính nén, sự hút tĩnh điện, sự hút lắng trên phin… ), các cơ chế này
phụ thuộc vào kích thước hạt bụi, mật độ bụi, hình dạng và sự tích điện của
bụi, tốc độ dòng khi được hút và thành phần vật liệu phin lọc. Ưu điểm của
phương pháp này là thu gom được bụi ở nhiều kích thước khác nhau, định
lượng được s
ố lượng hạt bụi trên một đơn vị thể tích khí.
I.2.4 Phương pháp nén (impactor): Dòng khí mang theo hạt bụi đi qua
vòi hút và lực nén sẽ xuất hiện khi dòng khí bị chăn bởi một vật rắn (ví dụ
tấm hấp phụ bụi). Kích thước của hạt bụi thu được phụ thuộc vào đường kính

của đầu hút, vận tốc dòng khí và khoảng cách từ đầu thổi khí đến bề mặt tấm
h
ấp phụ bụi . Nói chung, quán tính va chạm có thể được dùng thu bụi khí với
một dải kích thước từ 0,005µm đến 50µm với vận tốc dòng khí từ vài
cm
3
/phút đến vài nghìn m
3
/phút. Hạn chế của phương pháp này là một lượng
hạt bụi không bám lên bề mặt vật hấp thụ mà tạo hàng quay ngược trở lại
theo dòng khí khi gặp vật cản, khi dòng khí được liên tục thổi lên mặt tấm thu
bụi với tốc độ lớn. Phương pháp nén được mô tả ở hình I.1
16


Hình I.1: Sơ đồ thu mẫu bụi khí bằng phương pháp nén
I.2.5 Phương pháp sục (impinger): có tính chất và nguyên lý thu bụi khí
giống như phương pháp nén, nhưng đầu hút khí được nhúng trực tiếp vào
dung dịch hấp phụ mẫu. Hạt bụi được hút theo dòng khí sục vào dung dịch,
theo quán tính chúng rơi xuống và bị giữ lại trong dung dịch. Phương pháp
này thích hợp với những hạt bụi có kích thước từ 1µm đến 20µm. Với những
hạt bụi có kích thướ
c nhỏ hơn hiệu suất thu gom mẫu phụ thuộc vào vận tốc
và đường kính của đầu hút.
Nhược điểm của hai phương pháp này là chỉ định lượng được số lượng
bụi trong một thể tích không khí, mà không tách được hạt bụi theo kích thước.
I.2.6 Phương pháp tạo xoáy (cyclone):
Bụi khí được đẩy vào buồng thu mẫu trong trạng thái ly tâm và hạt bụi
trong dòng khí với gia tốc đủ lớn sẽ bám lên thành buồng thu mẫu (
ướt hoặc

khô). Lực ly tâm được tạo ra do buồng thu quay với tốc độ đủ lớn. Trong điều
kiện này hạt bụi có kích thước lớn hơn sẽ bám lên thành buồng thu phía dưới
hoặc rơi xuống đáy buồng thu, trong khí đó hạt bụi mịn hơn bị cuốn vào vòng
xoáy lên phía trên. Phương pháp thường được sử dụng để lấy mẫu tại nơi làm
việc hoặc môi trường không khí xung quang có không gian nhỏ. Ho
ạt động
của thiết bị với tốc độ dòng khí được hút chỉ đạt đến vài lít trong một phút.
17

Thu gom bụi mịn- bụi hô hấp là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của
phương pháp này, vì thiết bị này được hoạt động như một bộ lọc ngược. Dòng
không khí xoáy được tạo ra loại các hạt bụi thô, thu lại bụi mịn-bụi hô hấp.
Phương pháp tạo xoáy cũng được sử dụng để tách bụi thô (lớn hơn 2 µm) với
bụi mịn (nhỏ hơn 2 µm) trong m
ẫu bụi không khí xung quanh. Trong nhiều
trường hợp thiết bị tạo dòng xoáy dùng để cung cấp hạt có kích thước định sẵn
cho các thiết bị thu mẫu khác như dụng cụ lọc hoặc dụng cụ nén khí.
Hiệu suất thu mẫu của phương pháp này phụ thuộc vào đường kính khí
động học của hạt bụi,kích thước đã chọn của thiết bị cùng với tốc độ dòng,
kích thước của đầ
u hút và đầu thổi khí và kích thước của xi lanh. Tuy nhiên,
dòng xoáy bên trong thiết bị rất phức tạp,nên không dễ dàng để phỏng đoán
trước được hiệu suất thu gom mẫu. Phương pháp tạo xoáy được mô tả ở hình
I.2


Hình I.2: Sơ đồ thu mẫu bụi khí bằng thiết bị tạo dòng không khí xoáy
I.2.7 Phương pháp ly tâm không khí (aerosol centrifuges)
Máy ly tâm không khí là một loại thiết bị thu gom mẫu bụi khí . Thiết
bị được quay với tốc độ cao,để hạt bụi quay theo dòng khí chịu tác động bởi

18

một lực ly tâm lớn,nó bị đưa lên mép ngoài của buồng khí. Nói chung là hạt
bụi được gom trên lá kim loại, mà nó chính là mép ngoài của buồng khí, sau
đó nó được thu lại và đem đi phân tích. Phương pháp ly tâm trong không khí
có thể thu được hạt bụi có kích thước trong khoảng 0,01 - 5µm v tốc độ lấy
mẫu khí khoảng 1l/phút. Nguyên lý của phương pháp này là dựa vào lực ly
tâm của hạt bụi để hiệu chỉnh và cung cấp được chính xác kích thước hạt bụi.
Nhưng số lượ
ng bụi thu được rất nhỏ, nên không thể thực hiện phép đo trọng
lượng và sự phân bố kích thước hạt. Hạt có kích thước lớn hơn vài micromet
thường bị mất do đầu hút. Tuy nhiên, không như ở phương pháp nén khí, hạt
bụi bị giữ chặt bởi lực ly tâm, không bị quay ngược trở ra theo dòng khí.
Ngoài ra còn một vài phương pháp khác không dựa vào cơ chế thu mẫu của
lựa quán tính và ít được sử dụng trong quan trắc môi trườ
ng và nghiên cứu về
bụi khí như phương pháp lọc tĩnh điện, phương pháp lọc nhiệt.[26]
I.3 Xác định hàm lượng bụi trong không khí và thành phần hóa học
của nó:
I.3.1 Phương pháp xác định hàm lượng bụi: Phương pháp cân thường
được sử dụng để xác định lượng bụi trong một thể tích không khí. Do hàm
lượng trong không khí nhỏ nên thể tích mẫu cần hút là lớn để đảm bảo độ
chính xác của phương pháp cân.Hơ
n nữa thiết bị cân cũng phải có độ chính
xác cao, thông thường trong nghiên cứu bụi khí cần có độ chính xác ±1µg.
I.3.2 Phân tích các nguyên tố hóa học:
Các nguyên tố hoa học trong mẫu bụi khí được phân tích theo nhiều
phương pháp khác nhau, như XRF-huỳnh quang tia X,phân tích kích hoạt
neutron, ICP- plasma cảm ứng.
I.3.2.1 Phương pháp XRF- Đây là phương pháp trắc phổ huỳnh quang tia

X đặc trưng phát sinh từ tương tác giữa bức xạ gamma hoặc tia X với vật chất
của mẫu. Thiết bị
phân tích XRF có thể sử dụng hoặc nguồn phát bức xạ
19

gamma hoặc ống phát tia X làm nguồn bức xạ. Đây là kỹ thuật phân tích được
sử dụng để xác định các nguyên tố chính và nguyên tố đa vi lượng trong các
mẫu đất đá. Nó có thể phân tích đồng thời đến 80 nguyên tố. XRF là phương
pháp phân tích nhanh và có thể phân tích số lượng mẫu lớn các mẫu với độ
chính xác đáp ứng yêu cầu trong khoảng thời gian tương đối ngắn. Ưu điểm
của phương pháp này là mẫ
u không bị phá hủy và có thể sử dụng để phân tích
tiếp theo các thành phần khác của hạt bụi,ví dụ như các anion hoặc thành phần
hữu cơ. Nhược điểm chủ yếu của phương pháp XRF là không có khả năng
phân tích các nguyên tố nhẹ hơn Na (số nguyên tử = 11).
I.3.2.2 Phương pháp phân tích kích hoạt notron (NAA): là phương
pháp có độ nhạy cao, dùng chủ yếu để phân tích các nguyên tố vết và có khả
năng xác định đồng thời nhi
ều nguyên tố trong mẫu. Nguyên lý của phương
pháp NAA là phản ứng bắt giữ notron nhiệt của nguyên tố có trong mẫu và tạo
ra một đồng vị mới của nguyên tố đó,đồng vị này phát bức xạ gamma. Phương
trình phản ứng kích hoạt notron sử dụng ttrong phân tích NAA được mô tả
như sau:

A
M + n →
A+1
M + γ (Ι.1)
Phản ứng hạt nhân thường được viết đơn giản là:

A
M(n, γ)
A+1
M (I.2)
Trong đó
A
M là nguyên tố có số khối A;n là notron nhiệt ;
A+1
M là đồng vị của
nguyên tố M và γ là bức xạ gamma phát ra từ đồng vị
A+1
M
Có hai kỹ thuật phân tích kích hoạt notron. Đó là: INAA-phân tích kích hạt
neutron công cụ(Instrumental Neutron Activation Analysis) và RNAA-phân
tích kích hoạt notron kết hợp tách hóa phóng xạ (Radiochemical Neutron
Activation Analysis).
Phương pháp INAA bao gồm các bước: chiếu mẫu trên lò phản ứng hạt
nhân, để nguội mẫu và đo phổ gamma bằng phổ kế gamma với detector
20

Germany siêu tinh khiết có độ phân giải cao. Ưu điểm nổi trội của phướng
pháp INAA và có thể định lượng đồng thời nhiều nguyên tố trong cùng một
mẫu. Nhược điểm của phương pháp là khó đạt độ chính xác cao đối với hai
đồng vị cùng phát gamma có năng lượng gần ngang nhau.
Phương pháp RNAA bao gồm các bước: chiếu mẫu,để nguội,xử lý hóa
phóng xạ để loại bỏ các đồng vị không quan tâm hoặc tách hai
đồng vị có năng
lượng bức xạ gamma gần bằng nhau,sau cùng là đo phổ gamma của mẫu sau
xử lý. Phương pháp RNAA có độ chính xác cao, song cần nhiều thời gian, tốn
công lao động cũng như hóa chất.

I.3.2.3 Phương pháp ICP: hai phương pháp phân tích ICP hiện nay là
phương pháp ICP AES (inductively coupled plasma-atomic emission
spectrometry) và ICP MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry).
Ưu điểm của hai phương pháp này so với các phương pháp thông thường khác
là sử dụng nguồn plasma có thể tạo ra nhiệt độ từ 5000-10000
o
C, nên hóa hơi
và nguyên tử hóa được hết mọi trạng thái của mẫu với hiệu suất cao, đảm bảo
cho phép phân tích có độ nhạy cao (đạt từ 10
-4
đến 10
-6
) đối với hầu hết các
nguyên tố,có thể định lượng được đồng thời nhiều nguyên tố một lúc. Hơn
nữa, khi dùng nguồn năng lượng ICP, vùng tuyến tính của phương pháp định
lượng là rất rộng (từ 1-10 000 lần).
*Nguyên lý phương pháp ICP AES: Trong điều kiện bình thường, các
nguyên tử không thu và phát năng lượng, nếu cung cấp năng lượng thì nó sẽ bị
đẩy vào trạng thái kích thích. Trạng thái này không bền,chỉ tồ
n tại trong một
thời gian cực ngắn (10
-8
s), chúng có xu hướng trở về trạng thái ban đầu bền
vững và giải phóng năng lượng mà nó hấp thụ được dưới dạng bức xạ quang
học. Khi dung dịch được bơm vào vào phổ kế (spectrometer). Nó được nguyên
tử hóa thành sương mù như đám mây. Đám sương mù này được đưa tới Argon
plasma cùng với dòng khí argon. Plasma (ion hóa argon) sinh nhiệt lên tới
21

7000

0
C,ở nhiệt độ này lớp vỏ ngoài electron của các nguyên tố kích thích và
phát ra năng lượng , đặc điểm cơ bản của quá trình này là mỗi nguyên tử phát
ra năng lượng ở các bước sóng riêng đặc trưng cho tính chất hóa học của nó.
Mặc dù mỗi nguyên tố phát ra năng lượng ở nhiều bước sóng, nhưng trong kỹ
thuật của ICP AES yêu cầu chọn bước sóng đơn cho một nguyên tử nhất định.
Bằng cách xác đị
nh năng lượng phát ra của mỗi bước sóng đã chọn tương ứng
với số lượng (nồng độ) nguyên tố trong mẫu phân tích. Như vậy, xác định
những bước sóng phát của mẫu và cường độ của nó,có thể định lượng thành
phần nguyên tố của mẫu. Kỹ thuật ICP AES yêu cầu mẫu phân tích ở dạng
dung dịch.
Ưu điểm của phương pháp này là có độ nhạy cao, có khả n
ăng phân tích
đồng thời nhiều nguyên tố. Nhược điểm của phương pháp này là không đưa ra
được trạng thái liên kết của các nguyên tố phát hiện được trong mẫu. Độ chính
xác của phép phân tích phụ thuộc vào nồng độ chính xác của thành phần của
dãy mẫu chuẩn vì các kết quả định lượng đều phải dựa theo đường chuẩn của
dãy mẫu chuẩn được tạo sằn.

22













Hình I.3: Sơ đồ quá trình nguyên tử hóa mẫu
-Nếu Eh < Ent, thì mẫu sẽ hóa hơi, nguyên tử hóa tạo ra các nguyên tử tự
do, chúng bị kích thích và phát xạ → có phổ phát xạ (AES).
Me
n
X
m
(r) → Me
n
X
m
(k) → mMe(k) + nX(k) (I.3)
Me(k) + E
*
→ Me(k)→ Me
O

+ n(hv) (I.4)
Cơ chế này (cơ chế 1) cho độ nhạy và độ ổn định cao của sự phát xạ. Các
hợp chất muối halogen (trừ F), axetat, một số nitrat, sunphat, của kim loại
thường theo cơ chế này.
- Nếu Eh > Ent, thì phân tử của chất mẫu sẽ bị nguyên tử hóa trước, sau
đó hóa hơi thành các nguyên tử tự do, rồi mới bị kích thích phổ → sinh ra phổ
phát xạ (AES).
Me
n
X
m(
r) → Me
n
(k) + X
m
(k) → mMe(k) + nX(k) (I.5)
Me(k) + E → Me(k)* → Me
O
+ n(hv) (I.6)
Thsolkhícamu
Hạt mẫu
1. Hóa hơi
2. Nguyên tử hóa
3. Ion hóa
4. Kích thích phổ
(nếu E
hh
<Engt
Hạt mẫu
1. Nguyên tử hóa

2. Hóa hơi
3. Ion hóa
4. Kích thích phổ
(nếu E
hh
>Engt)
Dungd

chm

u
Aerosolhóa
D

nvào
p
lasmaICP
Dungmôibayhi
1 2
23

Cơ chế này (cơ chế 2) cho độ nhạy và độ ổn định kém so với cơ chế 1 của sự
phát xạ. Các hợp chất muối SIO
2
-3
, PO
3
-4
, F-, một số nitrat, sunphat, của kim
loại thường heo cơ chế này.

*Nguyên lý của phương pháp ICP MS: Dưới tác dụng của nguồn ICP,
các phân tử trong mẫu phân tích được tách thành các nguyên tử tự do ở trạng
thái hơi. Các phần tử này khi tồn tại trong môi trường kích thích phổ ICP năng
lượng cao sẽ bị ion hóa, tạo ra đám mây ion của chất mẫu (thường có điện tích
+1). Đám mây ion đó được dẫn vào buồng phân cực để phân giải chúng theo
số khối và điện tích (m/Z) sẽ tạo ra phổ khối của nguyên tử chất cần phân tích
và được phát hiện nhờ các detector thích hợp.
Quá trình diễn ra như sau: Hóa hơi chất mẫu, nguyên tử hóa các phân tử,
ion hóa các nguyên tử, sự phân giải của các ion theo số khối sẽ sinh ra phổ.
Hóa hơi: M
n
X
m
(r)  M
n
X
m
(k)
Phân li: M
n
X
m
(k)  nM(k) + mX(k)
Ion hóa: M(k)
0
+ E
nhiệt
 M(k)+
Thu toàn bộ đám mây ion của mẫu, lọc và tách chúng thành phổ nhờ hệ
thống phân giải khối theo số khối của ion, phát hiện chúng bằng detector và

ghi lại phổ. Như vậy thực chất phổ ICP - MS là phổ của các nguyên tử ở trạng
thái khí tự do đã bị ion hóa trong nguồn năng lượng cao tần ICP theo số khối
các chất. Các nguyên tố được định tính và định lượng theo phổ thu được.
Ưu đ
iểm của phương pháp này là phân tích nhanh và đồng thời nhiều
nguyên tố; giới hạn phát hiện thấp; có thể đưa ra đầy dủ thông tin về các đồng
vị của một nguyên tố trong một mẫu. ICP lại là nguồn kích thích phổ rất ổn
định, nên phép đo ICP - MS có độ lặp lại cao và sai số rất nhỏ.
So với ICP-AES thì kỹ thuật ICP-MS có khả năng phân tích tốt hơn bởi
vì nó có thể phân tích chính xác các ion khác nhau, xác định các đồng vị
trong
24

mẫu dựa trên giá trị tỷ lệ số khối và điện tích( m/z) và được tính toán theo các
đường chuẩn độc lập.
I.3.2.4 Phương pháp hấp phụ nguyên tử-AAS:
Theo thuyết Dalton, nguyên tố hóa học lại bao gồm những nguyên tử
của cùng 1 loại nguyên tố đó. Vì thế có thể xem nguyên tử là phần tử nhỏ nhất
còn giữ được tính chất của một nguyên tố. Ví dụ: nguyên tố Fe được cấu tạo
bở
i những nguyên tử Fe.

Hình I.4: Cấu tạo nguyên tử
Cấu tạo nguyên tử gồm 01 hạt nhân và các electron (điện tử). Các điện
tử sắp xếp và phân bố trên các lớp quĩ đạo từ trong ra ngoài. Các điện tử ở quĩ
đạo ngoài cùng gọi là điện tử hóa trị. Trong điều kiện bình thường,các nguyên
tử chuyển động trên các quỹ đạo ứng với mức năng lượng E0.


HìnhI.5:Quá trình hấp thụ và phát xạ

25

Trạng thái này gọi là trạng thái cơ bản bền vững (nguyên tử không phát
và thu năng lượng). Nhưng khi ở dạng hơi các nguyên tử được cung cấp một
năng lượng phù hợp dưới dạng bức xạ thì các điện tử hóa trị của các nguyên tử
sẽ hấp thụ năng lượng đó và nhảy lên mức năng lượng cao hơn. Lúc này
nguyên tử ở trạng thái kích thích. Mỗi loại nguyên tử s
ẽ hấp thu tối đa và chọn
lọc ở một năng lượng bức xạ đặc trưng (bức xạ cộng hưởng) tùy theo cấu tạo
hóa học của nguyên tử đó.
Phương pháp này đựa trên nguyên lý hấp thụ của hơi nguyên tử. Người ta
chiếu ánh sáng có bước sóng xác định vào đám hơi nguyên tử tự do,các
nguyên tử này sẽ hấp thụ năng lượng và tạo ra phổ hấp th
ụ của nó. Mỗi
nguyên tử có phổ đặc trưng, nên đo phổ này có thể xác định được nguyên tố
cần phân tích trong mẫu. Quá trình chuyển hóa chất thành hơi (nguyển tử hóa
mẫu) là quan trọng nhất. Mẫu phải được vô cơ hóa thành dung dịch rồi phun
vào hệ thống nguyên tử hóa mẫu. Khi cần phân tích nguyên tố nào thì ta gắn
đèn cathode lõm của nguyên tố đó. Một dãy dung dịch chuẩn của nguyên tố
cần đo đã bi
ết chính xác nồng độ được đo song song. Từ các số liệu đo được
ta sẽ tính được nồng độ của nguyên tố cần đo có trong dung dịch mẫu đem
phân tích.(phương pháp hấp thụ nguyên tử- AAS).
Ở phương pháp này có thể xác định được nguyên tố Na, K và Ca có hàm
lượng rất thấp. Các nguyên tố vết Ba, Be, Co, Cr, Cu, Li, Ni, Pb, Rb, Sr, V và
Zn cũng được xác định nhanh và thường được dùng để xác định các nguyên tố
nhẹ như Be, Li và phân tích các kim lo
ại chuyển tiếp của mẫu đất và trầm tích.
Phụ thuộc vào kỹ thuật phân tích khác nhau, người ta có thể lựa chọn phương
pháp có độ nhạy khác nhau,như: F-AAS ; G-AAS; GF-AAS và CV-AAS.

I.3.3. Phân tích các ion trong bụi: Phương pháp sắc ký là một trong các
kỹ thuật phân tích hóa lý dùng để tách các chất trong một hỗn hợp. Nguyên lý
cơ bản của sắc kí ion cũng tương tự như các phương pháp sắc ký khác Trong