(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xác định hàm lượng cacbon đen và bụi (PM10, PM2,5) tại một số nút giao thông của Hà Nội

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


Các nguồn khí thải công nghiệp chủ yếu của BC bao gồm lò gạch, lò cốc
(chủ yếu từ ngành sản xuất sắt thép), lò hơi công nghiệp, dầu và khí đốt, đóng góp
khoảng 20% tổng lượng phát thải. Trung Quốc, Ấn Độ và Trung - Nam Mỹ là
những khu vực đóng góp chính vào khí thải công nghiệp BC. Tùy thuộc vào loại

nhiên liệu cháy, khí thải lò gạch sẽ sinh ra BC và các dạng hạt khác nhau như CO2,
CO, SO2 hay VOCs, NOx, kim loại nặng.
b. Đặc điểm của phát thải cacbon đen từ quá trình đốt ngoài trời và đốt có kiểm
soát
Nhìn chung, dù được phát sinh ở nguồn nào, cacbon đen cũng được hình
thành từ hai quá trình chính là: đốt ngoài trời (Open burning - OB) và đốt có kiểm
soát (Controlled combustion - CC). Tại các điều kiện đốt khác nhau các sản phẩm
phụ được tạo ra sẽ khác nhau, tuy nhiên trong khi quá trình OB tạo ra lượng bụi
nhiều hơn so với CC thì các hạt bụi từ quá trình CC lại chứa tỷ lệ cacbon đen cao
hơn [12].

 Đặc điểm của phát thải BC từ quá trình đốt có kiểm soát
BC thường được tạo ra trong khu vực giàu nhiên liệu, nơi nhiên liệu không
bị cháy hoàn toàn do khó có sự trộn lẫn lý tưởng giữa nhiên liệu và không khí bên
ngoài. Gần như tất cả quá trình đốt nhiên liệu rắn, nhiên liệu lỏng hay nhiễn liệu
hỗn hợp đều tạo cơ hội cho sự hình thành cacbon đen.
Sự hình thành BC do quá trình đốt có kiểm soát bị ảnh hưởng bởi một số
tham số như dạng nhiên liệu sử dụng, nhiệt độ ngọn lửa, thời gian lưu, và tỷ lệ C/O
[14].
Các loại nhiên liệu khác nhau tạo ra mức độ phát thải BC khác nhau: Khi đốt
cháy không hoàn toàn than đen mềm (than chứa bitum), ta thấy lượng BC được sinh
ra nhiều hơn so với than Anthracit - có ít hơn 10% hợp chất dễ bay hơi. Nhìn chung,
càng nhiều các chất dễ bay hơi trong nhiên liệu, BC càng dễ được sinh ra.
Tỷ lệ cân bằng của quá trình đốt cháy được định nghĩa là tỷ lệ giữa tỷ số
không khí/nhiên liệu thực tế với tỷ số không khí/nhiên liệu cân bằng. Nếu tỷ lệ cân
bằng nhỏ hơn 1, có nghĩa là không có đủ ôxy trong quá trình cháy, và các chất dễ
10


bay hơi không bị cháy hoàn toàn, do đó khả năng phát thải BC vào không khí là rất

cao.
Nhiệt độ của ngọn lửa cũng là một yếu tố quan trọng xác định tiềm năng
phát thải BC từ quá trình đốt. Tỷ lệ phản ứng tăng lên khi nhiệt độ tăng lên bởi khi
đó nhiên liệu đốt ở nhiệt độ cao, tạo ra ngọn lửa lớn, làm cho quá trình đốt cháy trở
nên ổn định hơn, và các chất dễ bay hơi được đốt cháy dễ dàng hơn.
Bên cạnh đó, thời gian cháy cũng là một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng
đến sự hình thành BC bởi nó liên quan đến mức độ triệt để trong quá trình đốt cháy,
thời gian cháy lâu hơn dẫn tới sự đốt cháy triệt để hơn. Do đó, hạt cacbon đen vốn
được hình thành trong vùng cháy không hoàn toàn ở giai đoạn đầu của quá trình đốt
sẽ bị đốt cháy trở lại và chuyển hoá hoàn toàn nếu ngọn lửa được duy trì liên tục.

 Phát thải BC từ quá trình đốt ngoài trời
Nguyên liệu từ quá trình OB bao gồm các bãi đất nông nghiệp, đồng cỏ, rừng
rụng lá và rừng thường xanh, hoặc sự thải bỏ chất thải cây trồng phục vụ mục đích
kích thích sự tăng trưởng thục vật, quản lý rừng hoặc giải phóng mặt bằng. Các
phân tử muội được tạo ra từ sinh khối OB có chứa tỷ lệ BC/OC thấp hơn rất nhiều
so với các hạt muội từ đốt cháy nhiên liệu. Các thử nghiệm đốt cháy sinh khối nông
nghiệp cho kết quả nếu hàm lượng bụi PM2,5 có trong khí thải chiếm tỷ lệ từ 50%
trở lên thì trong đó, thành phần lớn là OC, BC chỉ chiếm một phần nhỏ, (10% hoặc
ít hơn) [15].
Bảng 1.2. Tỷ lệ OC/BC từ quá trình đốt cháy các nguồn nguyên/nhiên liệu
TT

Quá trình OB

Tỷ lệ TB

Quá trình CC

Tỷ lệ TB

1.

Rơm rạ

4,8

Chất thải nông nghiệp

3,8

2.

Rừng

9,1

Chất thải động vật

3,6

3.

Đồng cỏ

7,1

Than đá

0,8

4.

Chất thải

1,3

Nhiên liệu diesel

0,4

5.

Xăng

3,2

6.

Gỗ

4,0
Nguồn: Bice và cs., 2009 [16]

11


Bảng 1.2. thể hiện đặc trưng về tỷ lệ OC/BC từ các nguồn khác nhau, qua đó
ta thấy tỷ lệ trung bình về OC/BC giữa hai quá trình có sự khác biệt đáng kể. Hầu
hết các giá trị từ OB đều lớn hơn so với CC, thậm chí tỷ lệ OC gấp 9,1 lần so với

BC khi rừng bị cháy. Điều này càng củng cố cho nhận định quá trình đốt ngoài trời
tạo ra ít cacbon đen hơn so với sự đốt có kiểm soát.
1.2.3. Hiện trạng phát thải cacbon đen trên thế giới
a. Quy mô toàn cầu
Năm 2000, xấp xỉ 7.500 Gg/ năm BC đã được thải vào bầu khí quyển [8],
đây là năm gần đây nhất có giá trị kiểm kê khí thải nhất quán trên quy mô toàn cầu
do tại các nước đang phát triển, số liệu chi tiết về địa điểm và thời gian ước lượng
phát thải BC đều không đầy đủ. Các số liệu được thống kê theo ngành và vùng lãnh
thổ như sau: ba lục địa Châu Á (40%), Châu Phi (23%) và Châu Mỹ (12%) đóng
góp khoảng 75% tổng lượng khí thải BC toàn cầu. Các ngành phát thải chính ở các
nước đang phát triển là quá trình đốt cháy sinh khối mở và đốt nhiên liệu rắn, trong
khi ngành vận tải chiếm ưu thế ở các nước phát triển và ở Đông Á là ngành công
nghiệp than.
Ô nhiễm không khí có liên quan rất mật thiết với sự phát triển kinh tế, lượng
phát thải BC đã giảm dần trong nhiều thập kỷ qua ở những nước phát triển do các
quy định nghiêm ngặt về chất lượng không khí được ban hành [4]. Ngược lại, lượng
thải BC đang tăng lên nhanh chóng ở nhiều nước đang phát triển do chưa có hệ
thống kiểm soát chặt chẽ chất lượng không khí. Nếu các chính sách không được ban
hành kịp thời để kiểm soát sự phát thải thì chúng có thể sẽ tiếp tục tăng lên cùng với
tốc độ gia tăng công nghiệp hoá và đô thị hoá.

12


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
(Dựa vào Kịch bản phát thải A1B của IPCC)

Chỉ số tăng trưởng

CO
Cacbon đen

Nguồn: Jacobson và Street, 2009 [17]
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
(Dựa vào Kịch bản phát thải A1B của IPCC)
13


Nguồn: Jacobson và Street, 2009 [17]
Từ Hình 1.4 ta thấy, theo kịch bản A1B, yếu tố gia tăng phát thải BC từ quá
trình sử dụng nhiên liệu sinh học, sinh hoạt và sản xuất công nghiệp có giá trị nhỏ,
nằm trong khoảng 1 (tức không thay đổi). Còn sự gia tăng BC lớn xảy ra ở các lĩnh
vực kinh tế còn lại, đặc biệt là ngành giao thông – vận tải, sau đó đến ngành năng
lượng và đốt sinh khối ngoài trời.
Hình 1.5 cho thấy số liệu về các yếu tố gia tăng phát thải CO và BC cho tất
cả các khu vực trên thế giới trong ngành giao thông. Cụ thể, hầu hết số liệu ở các
khu vực thuộc Châu Phi và Châu Á đều cao hơn nhiều lần so với các khu vực ở
Châu Mỹ và Châu Âu. Trong đó, Đông Phi là vùng có khả năng phát thải ra lượng
BC cao nhất ở Châu Phi và thậm chí là toàn cầu; tại Châu Á, Nam Á và Đông Nam
Á là hai khu vực có giá trị gia tăng phát thải cao hơn các khu vực còn lại. Ngược lại,
Mỹ, Nhật Bản và Canada vốn là những quốc gia phát triển và có các quy định
nghiêm khắc trong bảo vệ môi trường, do đó kịch bản phát thải BC ở những nước
này là rất thấp.
b. Khu vực Nam Á, Đông Nam Á và dãy Himalaya
Tổng phát thải cả Nam Á và Đông Nam Á ước tính phát ra 1.560 Gg/ năm
[6]. Cho đến nay, nguồn phát thải BC lớn nhất ở hai khu vực này là việc sử dụng
nhiên liệu rắn tại khu vực dân cư (thông thường là sinh khối) để nấu ăn và sưởi ấm.
Ô nhiễm không khí trong hộ gia đình mà trong đó BC chiếm một tỷ lệ lớn đã dẫn

đến khoảng 1,3 triệu trường hợp tử vong sớm mỗi năm ở Nam Á, chủ yếu do mức
độ phát thải lớn và là khu vực có dân số đông thứ hai thế giới.
Lượng phát thải BC từ việc sử dụng nhiên liệu rắn hộ gia đình ở Ấn Độ cao
đến mức các thiết bị quan sát ô nhiễm không khí đã quan sát thấy các giá trị ô
nhiễm đạt đỉnh vào hai thời điểm trong ngày là thời điểm buổi sáng và buổi chiều
tối. Kết quả mô hình hóa cho thấy nếu giảm việc sử dụng nhiên liệu sinh khối ở khu
dân cư thì nồng độ BC tại Ấn Độ sẽ được giảm đáng kể. Các vụ cháy thảm thực vật
cũng là nguyên nhân chính gây ra sự biến đổi của lượng khí thải BC và ozon tại các
14