Nghiên cứu mức độ và phần đóng góp của các dạng nguồn thải chính tới nồng độ bụi nano trong không khí

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... II
MỤC LỤC ...............................................................................................................III
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................... V
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................. VII
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................. VIII
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 5
1.1. Tổng quan về bụi nano ...................................................................................... 5
1.1.1. Giới thiệu và tính chất vật lý của bụi nano ................................................... 5
1.1.2. Nồng độ bụi nano trong không khí ............................................................... 7
1.1.3. Thành phần hóa học của bụi nano ................................................................ 9
1.1.4. Tác hại của bụi nano ................................................................................... 11
1.2. Phương pháp nhận dạng nguồn thải ............................................................. 13
1.2.1. Mô hình nơi tiếp nhận ................................................................................ 13
1.2.2. Một số mô hình khí tượng .......................................................................... 20
1.3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam .................................... 21
1.3.1. Tình hình nghiên cứu bụi nano trên thế giới .............................................. 21
1.3.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam ............................................................ 29
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................. 31
2.1. Lấy mẫu bụi ..................................................................................................... 31
2.1.1. Những yêu cầu chính về việc lấy mẫu........................................................ 31
2.2.2. Quá trình thực nghiệm ................................................................................ 34
2.2. Xác định thành phần hóa lý của bụi nano..................................................... 40
2.2.1. Nồng độ khối lượng .................................................................................... 41
2.2.2. Thành phần nguyên tố ................................................................................ 42
2.2.3. Thành phần ion ........................................................................................... 43
2.2.4. Thành phần OC và EC ................................................................................ 44
2.3. QA/QC .............................................................................................................. 46
2.3.1. Lấy mẫu ...................................................................................................... 46

2.3.2. Phân tích mẫu ............................................................................................. 47
2.4. Xử lý thống kê kết quả thực nghiệm .............................................................. 47
2.4.1. So sánh dữ liệu ........................................................................................... 47
2.4.2. Hồi quy tuyến tính ...................................................................................... 48
iii


2.5. Xác định phần đóng góp của các nguồn thải chính tới bụi nano ................ 50
2.5.1. Chuẩn bị dữ liệu quan trắc cho phân tích PMF .......................................... 51
2.3.2. Xác định số nhân tố .................................................................................... 51
2.3.3. Xác định ma trận trọng số nhân tố và ma trận điểm nhân tố ...................... 52
2.6. Một số thông tin bổ trợ ................................................................................... 52
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................ 54
3.1. Độ tin cậy của kết quả thực nghiệm............................................................... 54
3.1.1. Quá trình lấy mẫu ....................................................................................... 54
3.1.2. Quá trình phân tích ..................................................................................... 57
3.1.3. Dữ liệu cho mô hình đa biến ...................................................................... 59
3.2. Nồng độ bụi nano ............................................................................................. 59
3.2.1. Nồng độ khối lượng bụi nano ..................................................................... 59
3.2.2. Nồng độ số lượng của bụi nano trong không khí ....................................... 64
3.2.3. Một số đặc điểm khác nhau giữa nồng độ khối lượng của bụi nano và các dải
bụi có kích thước lớn hơn. .................................................................................... 65
3.3. Thành phần hóa học của bụi nano ................................................................. 69
3.3.1. Thành phần OC và EC ................................................................................ 69
3.3.2. Thành phần ion hòa tan trong nước ............................................................ 77
3.3.3. Thành phần nguyên tố ................................................................................ 79
3.3.4. Tổng hợp thành phần hóa học của bụi nano và một số so sánh với bụi PM2,5
và PM10 ................................................................................................................. 84
3.4. Phần đóng góp của nguồn thải tới bụi nano trong không khí ..................... 87
3.4.1. Chuẩn bị dữ liệu ......................................................................................... 87

3.4.2. Kết quả chạy PMF ...................................................................................... 89
3.4.3. Nhận dạng nguồn thải và phần đóng góp ................................................... 93
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 105
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 108
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 109
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 124

iv


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Việt

Tiếng Anh

AAS

Phổ hấp thụ nguyên tử

Atomic Absorption Spectroscopy

ADE

Đường kính tương đương khí

Aerodynamic Diameter

động học

BC

Cacbon đen

Black Carbon

BDL

Dưới giới hạn phát hiện

Below Detection Level

CMB

Cân bằng khối lượng hóa học

Chemical Mass Balance

CPF

Hàm xác suất có điều kiện

Conditional Probability Funtion

EC

Cacbon nguyên tố

Elemetal Carbon

FA

Phân tích nhân tố

Factor Analysis

FID

Detetor ion hóa ngọn lửa

Flame Ionization Detector

WMO

Tổ chức khí tượng thế giới

Wolrd Meteorological Organization

HEI

Viện nghiên cứu sức khỏe

Heath Effects Institute

Hoa Kỳ
HUST

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hanoi University of Science and

Technology

IC

Sắc ký ion

Ion Chromatography

ICP-MS

Khối phổ - cảm ứng cao tần

Inductively coupled plasma mass

plasma

spectrometry

INAA

Phân tích kích hoạt neutron

Instrumental neutron activation analysis

Mc

Nồng độ khối lượng

Mass concentration

MV

Giá trị khuyết

Missing Values

OC

Cacbon hữu cơ

Organic Carbon

PAHs

Hydrocacbon thơm đa vòng

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons

giáp cạnh
PCA

Phân tích thành phần chính

Principal Component Analysis

PIXE

Phân tích phát xạ tia X

Particle-induced X-ray emission

PM

Bụi

Particulate Matter

PMF

Nhân tố hóa ma trận dương

Positive Matrix Factorization

v


QA

Đảm bảo chất lượng

Quality Assurance

QC

Kiểm soát chất lượng

Quality control

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

SOC

Cacbon hữu cơ thứ cấp

Secondary Organic Carbon

SVD

Phân tích giá trị riêng

Singular Value Decomposition

TC

Tổng cacbon

Total Carbon

TSP

Tổng bụi lơ lửng

Total Suspended Particulate

US EPA

Cục bảo vệ môi trường Hoa

United State

Kỳ
XRF

Huỳnh quang tia X

X-ray fluorescence

WHO

Tổ chức y tế thế giới

World Health Organization

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Phân loại nhóm bụi theo kích thước hạt..................................................... 6
Bảng 1.2. Nồng độ số lượng hạt bụi nano tại các môi trường khác nhau .................. 8
Bảng 1.3. Thành phần hóa học bụi nano tại một số môi trường khác nhau ............. 10
Bảng 2.1. Một số thiết bị lấy mẫu bụi nano ............................................................. 33
Bảng 2.2. Thông tin về địa điểm quan trắc............................................................... 36
Bảng 2.3. Bảng tổng hợp số lượng mẫu bụi ............................................................. 37
Bảng 2.4. Thông tin tóm tắt về các thông số khí tượng trong thời gian quan trắc ... 37
Bảng 3.1. So sánh nồng độ bụi nano với các nghiên cứu khác ................................ 62
Bảng 3.2. Tỷ lệ giữa bụi nano với các loại bụi kích thước lớn hơn ......................... 63
Bảng 3.3. Nồng độ số lượng bụi đo bằng thiết bị Nanoscan .................................... 64
Bảng 3.4. Phân bố kích thước hạt bụi của nghiên cứu này và một số nghiên cứu khác .... 65

Bảng 3.5. Tỷ lệ giữa nồng độ của các dải bụi theo mùa và địa điểm ....................... 66
Bảng 3.6. So sánh nồng độ OC và EC của bụi nano với các nghiên cứu khác ........ 70
Bảng 3.7. Tỷ lệ OC/EC trong nghiên cứu này và một số nghiên cứu khác ............. 72
Bảng 3.8. Nồng độ SOC được tính toán dựa vào tỷ lệ OC/EC nhỏ nhất ................. 74
Bảng 3.9. Nồng độ char - EC và soot - EC và tỷ lệ của chúng ................................ 75
Bảng 3.10. So sánh nồng độ ion với một số nghiên cứu khác ................................. 77
Bảng 3.11. Nồng độ thành phần nguyên tố của bụi nano (ng/m3) ........................... 81
Bảng 3.12. So sánh thành phần nguyên tố trong nghiên cứu này và các nghiên cứu
khác (ng/m3) ............................................................................................................. 82
Bảng 3.13. Thành phần hóa học bụi nano ................................................................ 84
Bảng 3.14. Nồng độ char - EC và soot - EC (µg/m3) và tỷ lệ của chúng ................. 86
Bảng 3.15. Mô tả thống kê việc phân tích số liệu của bụi nano phục vụ cho PMF . 87
Bảng 3.16. Ma trận kết quả F của mô hình PMF ..................................................... 90
Bảng 3.17. Ma trận kết quả G của mô hình PMF ..................................................... 91
Bảng 3.18. Hệ số hồi quy ......................................................................................... 93
Bảng 3.19. Ma trận trọng số nhân tố ........................................................................ 93
Bảng 3.20. Phần đóng góp của các nguồn thải ......................................................... 94
Bảng 3.21. Ma trận điểm nhân tố và nồng độ bụi nano ......................................... 101

vii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Phân bố nồng độ khối lượng theo kích thước bụi ...................................... 6
Hình 1.2. Phân bố nồng độ số lượng hạt theo kích thước bụi .................................... 7
Hình 1.3. Nồng độ số lượng bụi nano tại một số môi trường khác nhau ................... 7
Hình 1.4. Thành phần hóa học của bụi nano tại Los Angeles mùa đông năm 1996 11
Hình 1.5. Sự lắng đọng toàn bộ và cục bộ của bụi trong hệ hô hấp ......................... 12
Hình 1.6. Tác hại đến sức khỏe của bụi nano ........................................................... 12
Hình 1.7. Biểu diễn không gian ba chiều của dữ liệu............................................... 15

Hình 1.8. Biểu diễn mối quan hệ của các biến khi quay trục ................................... 15
Hình 1.9. Mô phỏng những bộ nguồn có thể phù hợp với dữ liệu ........................... 16
Hình 1.10. Số lượng các bài báo khoa học theo thời gian từ các tạp chí khác nhau, dữ
liệu được thu thập từ Scopus bằng cách sử dụng từ khóa “bụi siêu mịn” ................ 22
Hình 1.11. Phân bố của các nghiên cứu ảnh hưởng phơi nhiễm ngắn hạn của bụi nano
tới sức khỏe............................................................................................................... 27
Hình 2.1. Vị trí đặt đầu lấy mẫu thích hợp ............................................................... 32
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của bộ va chạm kiểu tầng .............................................. 33
Hình 2.3. Địa điểm lấy mẫu tại Hà Nội .................................................................... 36
Hình 2.4. Thiết bị mấy mẫu bụi nano (a), cartridge (b), sợi SUS (c), giấy lọc (d) .. 38
Hình 2.5. Kế hoạch phân tích mẫu ........................................................................... 40
Hình 2.6. Sắc đồ của cation đại diện của mẫu bụi.................................................... 43
Hình 2.7. Sắc đồ của cation và anion đại diện của mẫu bụi ..................................... 44
Hình 2.8. Phương pháp xác định thành phần cacbon ............................................... 44
Hình 2.9. Phổ đồ phân tích OC và EC ...................................................................... 45
Hình 2.10. Mô hình hồi quy tuyến tính và các đại lượng liên quan đến mô hình .... 48
Hình 2.11. Giản đồ quá trình phân tích PMF ........................................................... 50
Hình 3.1. Tương quan về nồng độ bụi nano giữa Model 26A57C (mới) và Model
25A137F (cũ) ............................................................................................................ 55
Hình 3.2. Tương quan về nồng độ OC, EC, TC, cation và anion của bụi nano được
lấy bởi hai thiết bị Model 26A57C và Model 25A137F .......................................... 56
Hình 3.3. Tương quan giữa tổng khối lượng các chất phân tích được và khối lượng
bụi ............................................................................................................................. 57
Hình 3.4. Tương quan giữa kết quả phân tích SO42- và NH4+ .................................. 58
Hình 3.5. Cân bằng ion ............................................................................................. 58
Hình 3.6. Nồng độ bụi nano theo mùa và vị trí quan trắc ........................................ 60
viii


Hình 3.7. Nồng độ PM0,1, PM2,5 và PM10 theo thời gian trong mùa mưa (a) và mùa

khô (b)....................................................................................................................... 61
Hình 3.8. Mối tương quan về nồng độ giữa bụi nano với các loại bụi có kích thước
lớn hơn ...................................................................................................................... 63
Hình 3.9. Các loại hướng khối khí (quỹ đạo lùi 3 ngày) đặc trưng lan truyền tới Hà
Nội tại độ cao 300 – 500 m trong giai đoạn quan trắc ............................................. 67
Hình 3.10. Nồng độ bụi của các dải kích thước khác nhau theo hướng khối khí .... 68
Hình 3.11. Nồng độ OC và EC của bụi nano theo mùa và vị trí quan trắc .............. 69
Hình 3.12. Phần trăm đóng góp của từng loại cacbon trong tổng lượng cacbon của
bụi nano (n =80) ....................................................................................................... 71
Hình 3.13. Mối tương quan giữa OC và EC của bụi nano, PM2,5 và PM10 trong hai
mùa và hai địa điểm .................................................................................................. 73
Hình 3.14. Mối tương quan giữa Char - EC và Soot - EC với EC của bụi nano .... 76
Hình 3.15. Mối tương quan giữa EC và K+ của bụi nano trong 4 đợt lấy mẫu ........ 78
Hình 3.16. Nồng độ thành phần nguyên tố của bụi nano ......................................... 80
Hình 3.17. Sự biến thiên của các chỉ số IM và IS theo số nguồn ............................. 89
Hình 3.18. Phân bố trọng số nhân tố và CPF của nguồn thứ cấp ............................. 94
Hình 3.19. Phân bố trọng số nhân tố và CPF của nguồn động cơ chạy xăng .......... 96
Hình 3.20. Phân bố trọng số nhân tố và CPF của nguồn động cơ diesel ................. 97
Hình 3.21. Phân bố trọng số nhân tố và CPF của nguồn đốt sinh hoạt và dịch vụ .. 98
Hình 3.22. Phân bố trọng số nhân tố và CPF của nguồn công nghiệp ..................... 99
Hình 3.23. Phân bố trọng số nhân tố và CPF của nguồn bụi đất, bụi đường ......... 100
Hình 3.24. Tương quan giữa nồng độ bụi quan trắc và tính theo mô hình ............ 103
Hình 3.25. Phần đóng góp bụi của các nguồn thải tại Bách Khoa, Hà Nội ........... 104

ix


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài luận án
Bụi nano hay bụi siêu mịn (nanoparticles hay ultrafine particles) là những hạt

bụi có đường kính khí động học (AED) ≤ 100 nm (PM0,1). Bụi nano trong không khí
có thể được sinh ra bởi rất nhiều quá trình khác nhau kể cả trong tự nhiên lẫn trong
các hoạt động của con người, nhưng nguồn chủ yếu là hoạt động giao thông, nấu ăn,
sưởi ấm, hút thuốc [1].
Nguy cơ tiềm ẩn của bụi nano lên sức khỏe con người rất khác so với các dải
bụi có kích thước lớn hơn (như PM10 và/hoặc PM2,5) bởi khi được hít vào chúng lắng
đọng rất mạnh trên tất cả các vùng của cơ quan hô hấp nhờ cơ chế khuếch tán. Các
hạt bụi nano ảnh hưởng mạnh hơn và độc hơn các bụi khác (như PM10 và/hoặc PM2,5)
do có tổng diện tích bề mặt riêng lớn hơn, có thể hấp phụ nhiều độc tố (như kim loại
nặng, PAH, dioxin, vi sinh vật gây bệnh truyền nhiễm vv…) hơn [2, 3]. Kích thước
nhỏ của bụi nano tạo điều kiện cho việc hấp thu vào các tế bào, sau đó di chuyển vào
các tế bào biểu mô và nội mô rồi xâm nhập vào hệ tuần hoàn, hệ bạch huyết để tới
các vị trí rất nhạy cảm như tủy xương, hạch bạch huyết, lá lách, tim. Ngoài ra, bụi
nano còn có thể xâm nhập vào hệ thần kinh trung ương. Đặc biệt, khi các hạt bụi nano
được tích điện, chúng có thể gây ra những tác động lớn hơn tới sức khỏe con người
bởi khả năng tích tụ trong phổi của chúng tăng lên 5-6 lần so với các hạt không tích
điện có cùng kích thước [2].
Ngoài ảnh hưởng tới sức khỏe, các hạt bụi nano cũng đã được chứng minh là
có tác động đáng kể đến môi trường bởi chúng có thể ảnh hưởng tới tính chất hóa học
và quang học của khí quyển, thay đổi quá trình hình thành mây phản xạ và hấp thụ
năng lượng bức xạ và gây nên những biến đổi trong hệ thống thời tiết - khí hậu và
góp phần làm biến đổi khí hậu [4].
Chính vì vậy, những nghiên cứu về bụi nano trong không khí và “hành vi” của
chúng trong môi trường đã tăng lên đáng kể trong những năm gần đây tại các nước
phát triển. Tuy nhiên, tại Việt Nam - một trong những nước có nồng độ bụi trong
không khí ở mức cao [5, 6] - các nghiên cứu về bụi mới chỉ dừng lại với bụi PM2,5.
Cho đến thời điểm tác giả thực hiện nghiên cứu này (2014), trong kho dữ liệu mở vẫn
chưa thấy có một nghiên cứu nào ở Việt Nam về bụi nano và phần đóng góp của các
loại nguồn thải tới nồng độ của chúng trong không khí, mặc dù những nghiên cứu
theo hướng này hết sức quan trọng về cả ý nghĩa khoa học lẫn ý nghĩa thực tiễn (công

tác bảo vệ môi trường).
1


Hiện nay, trên thế giới cũng chưa có ngưỡng chuẩn của bụi nano. Tuy nhiên,
với những bằng chứng về tác động tiềm tàng của bụi nano tới sức khỏe và con người,
rất có thể tiêu chuẩn về bụi nano sẽ được đề cập đến trong thời gian tới. Bằng chứng
là, tại Hoa Kỳ, tiêu chuẩn về tổng bụi lơ lửng được đề cập đến vào lần đầu tiên năm
1971 trong “Tiêu chuẩn chất lượng không khí ngoài trời”. Đến năm 1987, cục bảo vệ
môi trường Hoa Kỳ đã thay thế tổng bụi lơ lửng bằng tiêu chuẩn PM10. Do sự tác
động tiềm ẩn của các hạt mịn hơn, chỉ 10 năm sau (1997) Hoa Kỳ đã một lần nữa sửa
tiêu chuẩn về bụi bằng cách đưa thêm tiêu chuẩn PM2,5 vào để quản lý chất lượng
không khí. Cũng tương tự, ở châu Âu, PM10 lần đầu tiên được cho vào văn bản chính
thống năm 1999 nhưng đến năm 2005, tiêu chuẩn PM2,5 được đề cập đến trong quản
lý môi trường [7]. Ngay tại hội thảo về bụi siêu mịn năm 2015 tại Hoa Kỳ, các nhà
khoa học cũng như cơ quan quản lý môi trường Hoa Kỳ đã thảo luận về chính sách
liên quan đến bụi nano. Tuy nhiên, do các thông tin về mối liên quan giữa sức khỏe
và bụi nano còn hạn chế nên chưa thể đưa ra được một tiêu chuẩn riêng biệt cho loại
bụi này. Khi có đủ các thông tin đáp ứng các yêu cầu của cơ quan bảo vệ môi trường
Hoa Kỳ, vấn đề xây dựng tiêu chuẩn bụi nano sẽ được xem xét dựa trên các cơ sở
khoa học [8]. Và để có các cơ sở khoa học đó, cần phải nghiên cứu một cách đầy đủ
về bụi nano trong không khí.
Vì vậy, đề tài “ Nghiên cứu mức độ và phần đóng góp của các dạng nguồn
thải chính tới nồng độ bụi nano trong không khí” đã được lựa chọn nhằm khởi
động, thúc đẩy hướng nghiên cứu mới này ở Việt Nam, góp phần vào công tác đào
tạo và bảo vệ môi trường không khí ở nước ta.

2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu
• Xác định mức độ bụi nano trong không khí và đặc trưng lý hóa của chúng

• Nhận dạng và xác định phần đóng góp của các dạng nguồn chính tới nồng độ
nano trong không khí
Đối tượng nghiên cứu
• Bụi nano trong không khí ngoài trời
• Mô hình nhân tố hóa ma trận dương (PMF)
Phạm vi nghiên cứu
• Khu vực nghiên cứu: Hai vị trí tại Hà Nội, trong đó một ở khu vực trung tâm
thành phố, được coi là chịu tác động tổng hợp của các loại nguồn thải. Vị trí còn lại
2


nằm ở rìa của khu vực nội thành, giáp với ngoại thành và được kỳ vọng là chịu tác
động rõ hơn của hoạt động giao thông.
• Thời gian nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong hai mùa (mùa mưa và
mùa khô)
• Nhận dạng và xác định phần đóng góp của các dạng nguồn nguồn thải chính
tới bụi nano: Chỉ thực hiện cho một mùa và một địa điểm (Mùa khô tại vị trí chịu tác
động tổng hợp của các loại nguồn thải).

3. Các đóng góp mới của luận án
• Về phương pháp
- Lần đầu tiên phương pháp quan trắc bụi nano được nghiên cứu và áp dụng
thành công tại Việt Nam với quy mô toàn diện từ quy trình lấy mẫu bụi, quy trình
phân tích các đặc trưng lý hóa đến nhận dạng và xác định phần đóng góp của từng
dạng nguồn thải tới nồng độ bụi nano trong không khí.
- Lần đầu tiên mô hình nơi tiếp nhận nhân tố hóa ma trận dương (PMF) được áp
dụng để nhận dạng được các nguồn đóng góp vào bụi nano.
• Về kết quả cụ thể
- Cung cấp bộ dữ liệu đồng bộ đủ dài cho nghiên cứu, đánh giá chất lượng không
khí tại Hà Nội, đặc biệt là bụi nano, bao gồm:

o Nồng độ bụi của các dải kích thước bụi >10; 2,5 – 10; 1 – 2,5; 0,5 – 1; 0,1 –
0,5 và < 0,1 µm
o Thành phần OC và EC của bụi PM0,1; PM2,5 và PM10
o Thành phần ion của bụi PM0,1; PM2,5 và PM10: 9 ion
o Thành phần nguyên tố của bụi PM0,1: 22 nguyên tố
- Đã xác định được tỷ lệ khối lượng và tương quan giữa nồng độ bụi nano với
các dải kích thước lớn hơn.
- Đã nhận diện được các dạng nguồn thải chính và xác định được phần đóng
góp của chúng tới nồng độ bụi nano trong không khí.
- Đã bước đầu thiết lập được bộ hồ sơ nguồn thải (source profile) của bụi nano
tại Hà Nội bằng mô hình PMF dựa trên bộ số liệu thực nghiệm thu được.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Luận án đã hoàn thiện, bổ sung cơ sở khoa học cho việc xác định mức độ bụi
nano, thành phần hóa học và phần đóng góp của các dạng nguồn thải vào nồng độ bụi
nano trong không khí. Qua đó, luận án đã góp phần vào việc triển khai nghiên cứu về
bụi nano trong không khí tại Việt Nam.
- Bộ số liệu về nồng độ bụi nano và thành phần hóa học của chúng, phân bố
kích thước hạt, phần đóng góp của các dạng nguồn thải chính tới nồng độ bụi nano
3


trong không khí là cơ sở khoa học để tiếp tục triển khai các nghiên cứu sâu rộng hơn
về bụi nano ở Việt Nam. Đồng thời, đây cũng là cơ sở khoa học định hướng hoạt
động quản lý chất lượng không khí về vấn đề bụi ở Hà Nội.
- Kết quả về tỷ lệ khối lượng giữa bụi nano với bụi PM2,5 và bụi PM10, một mặt
cho phép đánh giá, ước lượng mức độ bụi nano dựa vào nồng độ bụi PM2,5 và bụi
PM10 trong điều kiện đo đạc bụi nano còn khó khăn, tốn kém; mặt khác, là cơ sở cho
việc xem xét các chính sách liên quan đến xây dựng quy chuẩn bụi nano ở nước ta.
- Tỷ lệ OC/EC, char - EC/soot - EC có thể được sử dụng như chỉ thị nguồn thải,

cho phép nhận dạng sơ bộ các dạng nguồn thải trong điều kiện không có đầy đủ dữ
liệu.
- Dựa trên bộ số liệu thu được, luận án đã bước đầu xây dựng được bộ hồ sơ
nguồn thải của bụi nano tại Hà Nội từ mô hình PMF. Đây là bộ hồ sơ nguồn thải đầu
tiên của bụi nano tại Việt Nam, có thể áp dụng trong các nghiên cứu khác về nhận
dạng và xác định phần đóng góp của các dạng nguồn thải chính tới nồng độ bụi nano
trong không khí khi không có điều kiện lấy mẫu trong thời gian dài.

5. Bố cục của luận án
Luận án gồm 107 trang, 28 bảng, 47 hình, 151 tài liệu tham khảo và 54 trang
phụ lục. Luận án bao gồm các phần chính sau: Mở đầu (4 trang), Chương 1 – Tổng
quan (26 trang), Chương 2 – Phương pháp nghiên cứu (23 trang), Chương 3 – Kết
quả nghiên cứu và bàn luận (51 trang) và Kết luận (3 trang)

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về bụi nano
1.1.1. Giới thiệu và tính chất vật lý của bụi nano
Tính chất vật lý của bụi thường được tập trung nghiên cứu bao gồm: khối
lượng, số lượng hạt, diện tích bề mặt, phân bố kích thước và hình thái học, vv.. [9].
Đặc trưng quan trọng đầu tiên của bụi cần đề cập là kích thước hạt bụi. Đặc trưng này
có tác động rất lớn tới hành vi của chúng trong không khí cũng như ảnh hưởng lý hóa
của chúng tới môi trường. Kích thước hạt cũng ảnh hưởng lớn tới sức khỏe con người,
đặc biệt là đối với hệ hô hấp bởi ba lý do. Thứ nhất, kích thước ảnh hưởng tới sự lắng
đọng của hạt bụi trong hệ hô hấp của con người, nghĩa là quyết định vị trí lắng đọng
tại các vùng hô hấp. Các hạt bụi có kích thước lớn thường lắng đọng tại các cơ quan
hô hấp trên, trong khi các hạt bụi nhỏ hơn lắng đọng tại các cơ quan hô hấp dưới, sâu
hơn bên trong. Với những hạt có đường kính nhỏ hơn 20 nm, sự lắng đọng là lớn

nhất. Thứ hai, kích thước hạt quyết định diện tích bề mặt tiếp xúc với các mô tế bào.
Diện tích tiếp xúc càng lớn thì ảnh hưởng của bụi tới các cơ quan càng lớn. Cuối
cùng, kích thước hạt còn ảnh hưởng tới tốc độ làm sạch hạt. Sau khi lắng đọng tại các
phế nang, chỉ 20% bụi có kích thước nhỏ bị loại bỏ, trong khi đối với các hạt có kích
thước lớn hơn 500 µm, sự loại bỏ lên tới 80% [2].
Do các hạt có rất nhiều hình dạng khác nhau nên hành vi động học của chúng
thường được thể hiện dưới dạng đường kính của một hình cầu lý tưởng còn gọi là
đường kính khí động học (aerodynamic diameter - AED). ADE của một hạt bụi được
định nghĩa là đường kính của hạt bụi hình cầu có khối lượng riêng 1g/cm3 và có tính
chất khí động học tương đương với hạt bụi đang xét. AED thường được sử dụng để
phân loại bụi theo kích thước. Cho đến nay, có rất nhiều thuật ngữ liên quan đến kích
thước hạt được sử dụng để mô tả bụi trong khí quyển. Trong khi các nhà độc học
thường phân loại thành bụi siêu mịn, mịn, và thô thì các cơ quan quản lý như Tổ chức
Y tế Thế giới (WHO), Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA) và Liên minh châu
Âu (EU) sử dụng các thuật ngữ PMx trong đó PM chỉ hạt bụi (particulate matter) còn
chỉ số x thể hiện kích thước hạt bụi. US EPA đã phân loại các nhóm (phân đoạn) bụi
theo kích thước hạt như trong Bảng 1.1 [10].
5


Bảng 1.1. Phân loại nhóm bụi theo kích thước hạt
STT

Nhóm bụi

Kích thước hạt bụi

1

Bụi siêu mịn

AED ≤ 0,1 µm

2

Bụi mịn

0,1 µm < AED ≤ 2,5 µm

3

Bụi thô

2,5 µm < AED ≤ 10 µm

4

Bụi siêu thô

AED > 10 µm

Sự phân bố nồng độ khối lượng (mass concentration) các loại bụi được thể
hiện trong Hình 1.1 [10]

Hình 1.1. Phân bố nồng độ khối lượng theo kích thước bụi
Những nghiên cứu đầu tiên không sử dụng thuật ngữ “bụi nano”
(nanoparticles) mà sử dụng thuật ngữ “bụi siêu mịn” (ultrafine particles) để chỉ các
hạt có kích thước nhỏ hơn 100 nm. Ngày nay, thuật ngữ này vẫn còn được sử dụng
trong khoa học môi trường và khoa học khí quyển. Tuy nhiên, từ thập niên 90 của thế
kỷ XX, thuật ngữ “bụi nano” trở nên phổ biến, dần thay thế thuật ngữ “bụi siêu mịn”

và nhanh chóng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực trong y học, khoa học và kỹ thuật
vật liệu. Những hạt bụi này có thể sinh ra từ cả nguồn tự nhiên lẫn nhân tạo, trong đó
nguồn nhân tạo là chủ yếu [10]. Bụi nano có thời gian lưu từ vài phút tới vài ngày tùy
thuộc các điều kiện cụ thể. Khuếch tán là cơ chế chiếm ưu thế trong việc loại bỏ các
hạt bụi nano trong khí quyển bởi kích thước của chúng rất nhỏ [11].
Mặc dù bụi nano có nồng độ khối lượng rất nhỏ (Hình 1.1), song chúng lại
chiếm ưu thế về nồng độ số lượng (number concentration, Hình 1.2) [11]. Nghiên cứu
tại Atlanta (thuộc bang Geogia của Hoa Kỳ) cho thấy, mặc dù chỉ chiếm hơn 20%
6


nồng độ khối lượng, các hạt bụi có kích thước nhỏ hơn 100 nm chiếm tới 89% nồng
độ số lượng.

Hình 1.2. Phân bố nồng độ số lượng hạt theo kích thước bụi
1.1.2. Nồng độ bụi nano trong không khí
Thông thường, bụi nano có hai cách biểu diễn nồng độ: Nồng độ số lượng hoặc
nồng độ khối lượng. Do có khối lượng rất nhỏ và khó xác định chính xác, trong các
nghiên cứu trước đây thường sử dụng nồng độ số lượng thay vì nồng độ khối lượng.
Nồng độ số lượng bụi nano trong một số môi trường được thể hiện trong Hình 1.3
[4].

Hình 1.3. Nồng độ số lượng bụi nano tại một số môi trường khác nhau
Nồng độ số lượng bụi nano dao động rất lớn từ 102 đến 107 hạt/cm3, tùy thuộc
vào điều kiện môi trường và mức độ phát thải. Tuy nhiên, nồng độ số lượng bụi nano
tại môi trường nền thường thấp hơn 10 đến 100 lần tại vùng đô thị [7]. Nhìn chung,
7


nồng độ số lượng bụi nano cao nhất ở khu đô thị, đặc biệt là những nơi gần đường

giao thông [4, 12]. Tuy nhiên, cũng phải lưu ý rằng, kể cả ở những vùng xa xôi, không
có các hoạt động phát thải nhân tạo, cũng vẫn có bụi nano sinh ra từ các nguồn tự
nhiên. Khi môi trường tự nhiên không chịu tác động của con người thì nồng độ này
được coi như là nồng độ nền (natural background). Nồng độ bụi nano tại các môi
trường nền cũng rất khác nhau, bởi tốc độ hình thành và loại bỏ chúng trong các điều
kiện khác nhau là khác nhau. Nồng độ bụi nano ở vùng biển khoảng 102 – 103 hạt/cm3,
trong khi đó, tại nông thôn lục địa và vùng rừng, giá trị này vào khoảng 103 – 104
hạt/cm3. Morawska và cộng sự tổng hợp 71 nghiên cứu về nồng độ bụi nano tại các
môi trường khác nhau bao gồm cả môi trường nền và môi trường nông thôn. Kết quả
tóm tắt được trình bày trong Bảng 1.2 [10, 13].
Bảng 1.2. Nồng độ số lượng hạt bụi nano tại các môi trường khác nhau
Vị trí quan trắc

Số lượng nghiên cứu

Nồng độ ước tính (103 hạt/cm3)
Trung bình

Trung vị

Môi trường nền sạch
(clean background)

5

2,6

3,2

Môi trường nông thôn

8

4,8

2,9

Môi trường nền đô thị

4

7,3

8,1

Môi trường đô thị

24

10,8

8,8

Đường hẻm

7

42,1

39,3

Lề đường

18

48,2

34,6

Trên đường

2

71,5

47,0

Đường hầm

3

167,7

99,1

Các tác giả đã chỉ ra rằng, giá trị nồng độ bụi trung bình của môi trường nền
sạch và môi trường nông thôn tương ứng khoảng 2,6 x 103 hạt/cm3 và 4,8 x 103
hạt/cm3. Các giá trị này nhỏ hơn rất nhiều so với vùng đô thị, đặc biệt là những nơi
có các hoạt động giao thông. Giao thông được xem như là nguyên nhân chính trong
việc phát thải bụi nano tại các vùng đô thị [10, 14]. Do được cho là nguyên nhân

chính phát sinh bụi nano trong khí quyển, nồng độ số lượng bụi nano ven đường của
38 nghiên cứu khác đã được Kumar và cộng sự (2014) khảo sát. Kết quả từ 42 thành
phố trên thế giới cho thấy nồng độ trung bình của tất cả các thành phố là 0,44 ± 0,51
x 105 hạt/cm3 trong đó các thành phố thuộc châu Á có nồng độ trung bình cao nhất là
1,17 ± 1,04 x 105 hạt/cm3 và các nước thuộc châu Âu có nồng độ trung bình thấp nhất
với giá trị 3,15 ± 1,60 x 104 hạt/cm3. Hai thành phố có nồng độ trung bình lớn nhất
8


tại châu Á là thành phố Delhi (Ấn Độ) và Shanghai (Trung Quốc), với giá trị lần lượt
là 3,08 x 105 hạt/cm3 và 1,20 x 105 hạt/cm3 [15].
Không giống như nồng độ số lượng, các nghiên cứu về nồng độ khối lượng
bụi nano hạn chế hơn. Tổng hợp một số nghiên cứu cho thấy, nồng độ khối lượng bụi
nano dao động trong khoảng 0,49 – 4,6 µg/m3 tùy vào đặc điểm vị trí quan trắc. Nồng
độ thấp được ghi nhận tại châu Âu và môi trường nền trong khi nồng độ cao được tìm
thấy tại ven đường và khu đô thị tại Hoa Kỳ và Trung Quốc [16-24]. Nghiên cứu gần
đây nhất tại Hoa Kỳ cũng cho thấy nồng độ bụi nano thường trên 2 µg/m3 trong mùa
hè tại các thành phố chính của Hoa Kỳ như Los Angeles, San Francisco, Houston,
Miami, và New York [14].
1.1.3. Thành phần hóa học của bụi nano
Cho đến nay, sự hiểu biết về bụi nano vẫn còn rất nhiều hạn chế bởi một số lý
do chính sau. Thứ nhất, do khối lượng của các hạt bụi này rất nhỏ nên cần phải có
những thiết bị phân tích có độ chính xác cao và đắt tiền. Lý do thứ hai là thành phần
hóa học của bụi có sự khác nhau rất lớn theo cả thời gian lẫn không gian [11]. Tuy
nhiên, mặc dù có sự khác nhau đó, nhưng thành phần chính của bụi nano có thể kể
đến là thành phần nguyên tố, ion vô cơ , cacbon cacbon nguyên tố (Elemental Carbon,
EC) và cacbon hữu cơ (Organic Carbon, OC) [9].
Các hợp chất hữu cơ được xem là thành phần chính của bụi nano. Cass và cộng
sự đã nghiên cứu thành phần hóa học của bụi nano tại 7 thành phố phía bắc bang
Califonia, Hoa Kỳ. Kết quả cho thấy, hợp chất cacbon hữu cơ chiếm cao nhất với

50% (dao động từ 32% tới 67%), sau đó là các oxit kim loại với 14% (1-26%), cacbon
nguyên tố 8,7% (3,5 – 17,5%), sunphat 8,2% (1-18%), nitrat 6,8% (0-19%), amoni
3,7% (0-9%), Na+ 0,6% (0-2%) và Cl- 0,5% (0-2%). Các kim loại phổ biến nhất trong
bụi nano là Fe, Ti, Cr, Zn và Ce [16]. Nghiên cứu tại Los Angeles, Hoa Kỳ năm 1998
của Hughes và Cass cũng cho thấy thành phần chủ yếu của bụi nano là EC và OC,
dao động trong khoảng 46-62%. Các kết quả nghiên cứu này cũng phù hợp với các
nghiên cứu của Geller và cộng sự (2002) [25], Kim và cộng sự (2002) [18] và Sardar
(2005) [26], về sự chiếm ưu thế của OC tại phía bắc Californina, Hoa Kỳ. Tuy nhiên,
nghiên cứu của Miguel và cộng sự (2004), lại thấy rằng có tới 43% thành phần bụi
nano là EC trong khi OC chỉ chiếm 24% [27]. Tại phía Nam California, nghiên cứu
của Herner và cộng sự (2005 và 2006) cho thấy tới 98% khối lượng bụi nano là cacbon
đen (BC) và OC [28-30]. Sự khác nhau về EC và OC là do sự khác nhau về địa điểm
quan trắc, thời gian quan trắc. Tuy nhiên, OC và BC gần như là thành phần chính
trong hầu hết các nghiên cứu được tham khảo.
9


Khi phân tích kỹ lưỡng hơn thành phần hữu cơ, Miguel và cộng sự (2004) thấy
rằng phenanthrene/fluoranthene và benzo[a]anthracene/indeno[1,2,3-cd]pyrene
chiếm tỷ lệ cao trong nhóm PAHs tại bắc California, Hoa Kỳ [27]. Nhóm chất này có
sự đóng góp từ nguồn đốt nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là phát thải từ giao thông sử
dụng xăng và dầu diesel. Tại Saitama, Nhật Bản nghiên cứu của Kawanaka và cộng
sự năm 2004 đã cho thấy PAHs nằm trong khoảng từ 3- 30 ng/m3, trong đó từ 3 – 6%
PAHs được tìm thấy trong bụi nano.
Fine và cộng sự (2004) [31] khảo sát sự đóng góp từ các nguồn đun nấu và đốt
củi bằng cách sử dụng levoglucosan và cholesterol như là chỉ thị về nguồn gốc hữu
cơ cho các hoạt động này. Kết quả cho thấy, nồng độ của chúng rất thấp, với
levoglucosan thường là dưới ngưỡng phát hiện mặc dù có một mẫu bụi nano có nồng
độ levoglucosan lên tới 50 ng/m3. Nồng độ cholesterol cũng rất thấp (< 0,2 ng/m3)
cho thấy rằng, hoạt động đun nấu không có đóng góp gì đáng kể vào bụi nano tại bắc

California trong thời gian quan trắc.
Trong khi đó, nghiên cứu tại bang Houston lại cho thấy, thành phần chiếm ưu
thế trong bụi nano tại đây lại là silic, trung bình 70% (60% ở các hạt có kích thước
35-50nm). Thông thường Si là thành phần chính trong hạt bụi thô có nguồn gốc từ vỏ
Trái đất. Sự xuất hiện thành phần Si trong kích thước hạt nano cho thấy, rất có thể
phản ứng Si trên hạt bụi nano đã xảy ra tại tầng đối lưu. Ngoài Si, thành phần bụi
nano tại Houston còn có các hợp chất cacbon (bao gồm một số loại amin béo), sắt,
kali và nhôm [11]. Nghiên cứu của Chen và cộng sự năm 2009 về thành phần bụi
nano tại ba điểm tại Đài Loan cũng cho thấy sự khác nhau về thành phần hóa học tại
ba môi trường khác nhau (Bảng 1.3) [23].
Bảng 1.3. Thành phần hóa học bụi nano tại một số môi trường khác nhau
Thành phần (%)

Ven đường

Đường hầm

OC

38,7

31,4

30,4

EC

16,1

27,8

13,0

Ion

23,3

3,0

11,5

Nguyên tố

11,3

11,6

7,9

Thành phần khác

10,6

26,2

37,2

Rừng

Qua các nghiên cứu này cho thấy, thành phần hóa học của bụi nano có sự khác

nhau rất lớn tùy theo vị trí không gian. Thậm chí cùng tại một địa điểm, nhưng thành
phần hóa học vẫn có thể thay đổi theo thời gian. Sự khác nhau này có thể diễn ra theo
mùa (giữa mùa mưa và mùa khô) thậm chí theo tuần, theo ngày (Hình 1.4) [32].
10


Hình 1.4. Thành phần hóa học của bụi nano tại Los Angeles mùa đông năm
1996
1.1.4. Tác hại của bụi nano
Khi hít thở, dòng khí chứa bụi sẽ đi vào hệ hô hấp như được minh họa trong
Hình 1.5. Khi hít vào, không khí sẽ đi qua khoang mũi hoặc miệng, sau đó đi qua yết
hầu hoặc cổ họng rồi đi vào thanh quản và khí quản trên. Tất cả các cơ quan đó thuộc
đường dẫn khí trên ngực. Từ khí quản, khí sẽ đi qua hai phế quản hình ống để dẫn
xuống phổi trái và phổi phải. Bên trong phổi, phế quản lại chia ra thành các tiểu phế
quản. Cuối tiểu phế quản là các phế nang - những túi siêu nhỏ chứa các mạch máu,
là nơi trao đổi khí diễn ra [33].
Không giống với cơ chế lắng đọng nhờ trọng lực như các hạt có kích thước
lớn, bụi nano thường lắng đọng nhờ cơ chế khuếch tán. Hình 1.5 cho thấy bụi nano
lắng đọng hiệu quả nhất trong tiểu phế quản và phế nang trong khi các hạt có kích
thước lớn hơn (1 – 10 µm) ưu tiên lắng đọng trên dường dẫn khí trên ngực và phế
quản. Một lượng lớn các hạt có kích thước rất nhỏ (1 – 15 nm) cũng lắng đọng tại
đường dẫn khí trên bao gồm cả mũi. Xác suất lắng đọng của bụi nano trong phế nang
đạt đỉnh trong dải kích thước 20 – 30 nm [33].
Bụi hô hấp ở các kích thước khác nhau sẽ bị loại bỏ tại các vùng hô hấp khác
nhau bằng cả cơ chế vật lý và hóa học. Nếu các hạt trong phổi không được làm sạch,
11


chúng có thể bị lưu giữ trong thời gian dài và tích lũy trong các mô đường hô hấp.
Đã có những nghiên cứu chỉ ra rằng sự loại bỏ bụi nano là chậm hơn và không hiệu

quả bằng các hạt có đường kính lớn hơn [33].

Hình 1.5. Sự lắng đọng toàn bộ và cục bộ của bụi trong hệ hô hấp
Bên cạnh tác động đối với hệ hô hấp, bụi nano còn được cho là có tác hại khác
với bụi lớn hơn ở khả năng xâm nhập qua da và khả năng dịch chuyển của chúng vào
máu. Sau đó chúng có thể tấn công não, tủy xương, lá lách, tim, cật (Hình 1.6)… [2,
10, 33].

Hình 1.6. Tác hại đến sức khỏe của bụi nano
12


1.2. Phương pháp nhận dạng nguồn thải
Nhận dạng nguồn thải và xác định phần đóng góp (source apportionment) của
các dạng nguồn này tới nồng độ bụi trong không khí là bước cần thiết trong việc thiết
kế chương trình và chiến lược quản lý chất lượng không khí [34]. Kiểm kê phát thải
(tiếp cận từ trên xuống) hoặc kết hợp giữa kiểm kê phát thải với mô hình phát tán
(dispersion modeling) thường được dùng như là một công cụ để có được thông tin về
phần đóng góp của nguồn thải. Hướng tiếp cận mô hình khuếch tán yêu cầu dữ liệu
phát thải đầu vào chính xác để dự đoán nồng độ chất ô nhiễm trong môi trường. Do
đó, trong trường hợp thiếu dữ liệu đầu vào, hướng tiếp cận từ trên xuống không còn
đáng tin cậy. Bên cạnh đó, kiểm kê phát thải thường bỏ qua sự thay đổi nhất thời hoặc
những thông tin về ô nhiễm thứ cấp trong khí quyển. Điều này dẫn đến hướng tiếp
cận này không đáp ứng đủ cho việc quản lý chất lượng không khí trong một số trường
hợp cụ thể [35].
Để bổ sung cho hướng tiếp cận từ trên xuống, hướng tiếp cận từ dưới lên đánh
giá phần đóng góp nguồn thải dựa vào tính chất vật lý và hoá học của các loại chất ô
nhiễm, đặc biệt là bụi, được đo đạc tại nguồn thải và nơi tiếp nhận. Hướng tiếp cận
này thường được thực hiện bằng mô hình nơi tiếp nhận (receptor modeling). Mô hình
nơi tiếp nhận thiết lập một tập hợp các nguồn thải và sự đóng góp của chúng dựa vào

dữ liệu đo đạc và những kiến thức về thành phần của nguồn thải. Kết quả đầu ra là
phần trăm đóng góp của các nguồn thải tới nồng độ chất ô nhiễm. Những trường hợp
như vậy đặc biệt hữu ích khi kiểm kê nguồn thải không sẵn có. Mô hình nơi tiếp nhận
được sử dụng rộng rãi trên thế giới để nhận dạng nguồn thải bụi trong khí quyển [36,
37].
1.2.1. Mô hình nơi tiếp nhận
Lý thuyết cơ bản của tất cả mô hình nơi tiếp nhận dựa trên định luật bảo toàn
khối lượng. Giả thiết trong mô hình nơi tiếp nhận là bộ dữ liệu nguồn (source profiles)
không thay đổi trong suốt thời gian phát thải tới khi chất ô nhiễm được đo tại nơi tiếp
nhận. Nếu có p nguồn tồn tại và không có sự tương tác hoặc bất kỳ quá trình tạo thành
cũng như loại bỏ nào giữa các chất trong khí quyển, tổng khối lượng của một chất ô
nhiễm ở nơi tiếp nhận x sẽ là tổng của các nguồn riêng rẽ gk
𝑝

x = ∑𝑘=1 𝑔𝑘

(1.1)

Tương tự, nồng độ khối lượng của một chất j sẽ là
𝑝

𝑥𝑖𝑗 = ∑𝑘=1 𝑔𝑖𝑘 𝑓𝑘𝑗

(1.2)

Trong đó: gik là tỷ trọng đóng góp vào biến thứ i trong nguồn k; fkj phần đóng góp
của nguồn thứ k vào mẫu thứ j; xij là nồng độ của nguyên tố thứ i trong mẫu j [35].
13

Tùy thuộc vào thông tin yêu cầu về nguồn ô nhiễm, các mô hình nơi tiếp nhận
khác nhau sẽ được cân nhắc lựa chọn trong việc nhận dạng và xác định phần đóng
góp của các dạng nguồn thải chính tới nồng độ bụi trong không khí.
Mô hình cân bằng khối lượng hóa học (CMB)
Khi thông tin về số lượng và thành phần của từng nguồn đã biết, chỉ yêu cầu
sự đóng góp của mỗi nguồn và từng mẫu, mô hình cân bằng khối lượng hóa học
(CMB) có thể được sử dụng. CMB là mô hình tiếp nhận cơ bản, sử dụng tính chất
hóa lý của bụi tại nguồn và nơi tiếp nhận để nhận dạng và định lượng đóng góp nguồn
tới nơi tiếp nhận. Ý tưởng cơ bản của CMB là thành phần chất ô nhiễm từ các nguồn
khác nhau đủ khác biệt để có thể xác định được sự đóng góp của chúng từ nồng độ
các chất có trong mẫu từ một vị trí tiếp nhận. CMB yêu cầu thông tin về số nguồn
cũng như thành phần nguồn (source profile) fkj trong một vùng nghiên cứu nào đó
[35]. Mô hình nơi tiếp nhận CMB lần đầu tiên được áp dụng bởi Winchester và
Nifong (1971), Hidy và Friedlander (1972), và Kniep (1973). Ứng dụng của CMB và
các mô hình khác được tóm tắt bởi Hopke và Dattner (1982), Pace (1986), Watson
(1989), Gordon (1980, 1988) và Hopke (1985) [38]. Mô hình CMB đã được sử dụng
rộng rãi để xác định phần đóng góp của bụi PM10 và PM2,5 như tại thung lũng San
Joaquin (California, Hoa Kỳ - 2019) [39], thung lũng Brahmaputra (Ấn Độ - 2018)
[40], Genoa (Italia – 2018) [41], Tianjin và Jinan (Trung Quốc - 2018), Busan (Hàn
Quốc - 2017) [42]... Việc áp dụng kỹ thuật này cho bụi nano gặp những thách thức
lớn bởi thông tin về bộ hồ sơ nguồn thải cho loại bụi này còn khá hiếm [43]. Vì vậy,
mới chỉ có một vài nghiên cứu sử dụng mô hình này cho bụi nano, nơi mà bộ hồ sơ
nguồn thải có sẵn, ví dụ như nghiên cứu của Xue và cộng sự (2018) tại bang California
[3]. Do sự thiếu hụt về bộ hồ sơ nguồn thải nên chưa có công bố nào sử dụng mô hình
CMB tại Việt Nam trong nhận dạng và xác định phần đóng góp của bụi trong không
khí. Đây cũng là lý do không thể sử dụng CMB trong nghiên cứu này mà cần đến mô
hình đa biến. Các phương pháp phân tích dữ liệu đa biến được sử dụng để giải quyết
vấn đề này nói chung được gọi là phân tích nhân tố (Factor Analysis).
Phân tích nhân tố (FA)
Phân tích nhân tố có thể được giải thích đơn giản bằng ví dụ như sau. Giả sử

có một số mẫu được thu thập tại khu vực lề đường và gần nhà máy sản xuất thép.
Trong các mẫu này, ba thông số Cu, Cr và Br được phân tích. Bộ dữ liệu này có thể
được thể hiện trong không gian ba chiều như trong Hình 1.7. Tập hợp các điểm này
có thể quan sát được như một đám mây [44].
14


Hình 1.7. Biểu diễn không gian ba chiều của dữ liệu
Tuy nhiên, theo giả thiết ta chỉ có hai nguồn phát thải. Vấn đề tiếp theo là xác
định chiều thực của dữ liệu và mối quan hệ giữa các biến. Đó là mục tiêu của phân
tích nhân tố. Trong trường hợp này, các mối quan hệ giữa các biến có thể được quan
sát bằng phép quay trục. Khi trục Cr không còn trong hình, ta có thể thấy mối quan
hệ giữa Pb và Br như trong Hình 1.8. Bây giờ, tập hợp các điểm dữ liệu lại gần như
một đường thẳng biểu hiện mối quan hệ tuyến tính giữa Pb và Br trong nguồn giao
thông. Giá trị Cr được phân bố theo chiều dọc và độc lập với hai nguyên tố còn lại.
Trong trường hợp này, phân tích nhân tố có thể tìm ra được hai nguồn và cung cấp
mối quan hệ giữa chì và brom [44].

Hình 1.8. Biểu diễn mối quan hệ của các biến khi quay trục
Phân tích thành phần chính (PCA)
Dạng phổ biến nhất của phân tích nhân tố và phân tích thành phần chính.
Phương pháp này thường rất sẵn có trong các gói phân tích thống kê. Kết quả của
15


PCA thường được tính toán bằng cách sử dụng phân tích vecto riêng của ma trận
tương quan. Tuy nhiên, có một số vấn đề khi sử dụng phương pháp này. Mô hình
PCA dựa trên chuỗi n mẫu trong đó có m thông số được phân tích. Vì vậy, phương
trình (1.2) được viết lại dưới dạng ma trận như sau :
X = GF + E

(1.13)
Ma trận X có thể được viết dưới dạng sau theo phương pháp phân tích giá trị
riêng SVD (singular value decompostion):
̅𝑆̅𝑉̅′ + 𝐸
𝑋 = 𝑈𝑆𝑉 ′ = 𝑈
(1.14)
̅ và 𝑉̅ là các cột đầu tiên của ma trận U và V. Ma trận U và V là
Trong đó, 𝑈
các ma trận trực giao, được tính toán từ phương pháp phân tích vectơ riêng, vectơ giá
trị của ma trận XX’ và X’X. Vấn đề ở đây là phải tối thiểu E trong vế phải của phương
trình (8). Phương pháp bình phương tối thiểu có thể giúp ta thực hiện được bài toán
đó.
𝑄 = ∑ ∑2𝑒𝑖𝑗 = ∑ ∑(𝑥𝑖𝑗 − ∑ 𝑓𝑖𝑘 𝑔𝑘𝑗 ) ∑(𝑥𝑖𝑗 − ∑ 𝑓𝑖𝑗 𝑔𝑖𝑗 )2
(1.15)
Vấn đề có thể được giải quyết, tuy nhiên nó không cho ra duy nhất một kết
quả. Bởi khi quay trục, ta có thể tìm ta được nhiều mối quan hệ giữa các biến. Ma
trận trên có thể được viết dưới dạng:
X = GTT-1F
(1.16)
Trong đó: T là ma trận chuyển. Sự chuyển đổi được gọi là phép quay để tìm
ra các giá trị gần đúng với thực tế. Nếu không có thêm thông tin, sẽ có rất nhiều ma
trận T thỏa mãn. Để làm rõ vấn đề này, chúng ta có thể xem xét ví dụ về hai nguyên
tố sau, Fe và Si, được thể hiện trong hình 1.9 sau [44].

Hình 1.9. Mô phỏng những bộ nguồn có thể phù hợp với dữ liệu
Trong trường hợp này, bộ dữ liệu thật nằm đâu đó trong khoảng hai đường
thẳng nét liền (đường thẳng bao tất cả các điểm và gốc tọa độ). Tóm lại, nếu không
có thêm thông tin thì source profile không xác định được một cách đầy đủ.
16

PCA cũng được sử dụng khá phổ biến trong nhận dạng và xác định phần đóng
góp của các dạng nguồn chính tới nồng độ bụi PM10 và PM2,5 trong không khí như
tại Dehi (Ấn Độ - 2019) [45], Athens (Hy Lạp 2019) [46], Xinxiang (Trung Quốc –
2019) [47], các thành phố thuộc châu Âu (2018) như Amsterdam và Wijk aan Zee
(Hà Lan), Antwerp (Bỉ), Leicester (Anh) và Lille (Pháp) [41], Busan (Hàn Quốc 2017) [42], thung lũng Brahmaputra (Ấn Độ - 2018) [40]. Cũng có một vài nghiên
cứu về PCA đối với bụi nano như nghiên cứu của Lin (2005) tại Đài Loan [19], Herner
(2005) tại thung lũng San Joaquin (California, Hoa Kỳ - 2005) [28], RogulaKozłowska tại Zabrze (Ba Lan – 2015) [48]. Tại Việt Nam, cũng chỉ có một vài
nghiên cứu sử dụng kỹ thuật này trong nhận dạng nguồn thải của bụi TSP, PM10 và
PM2 tại TP. Hồ Chí Minh (1999, 2001) [49, 50] hay bụi PM2,5 tại Bắc Ninh và Hải
Dương (2006) [51].
Phương pháp PCA thường được sử dụng khá phổ biến so với các dạng mô
hình khác (đứng đầu tiên trong các nghiên cứu tại châu Âu trong những năm 2000)
bởi sử dụng đơn giản và có nhiều phần mềm có khả năng phân tích kỹ thuật này [52].
Tuy nhiên, PCA cũng tồn tại nhiều nhược điểm như sau: (i) chúng có thể tạo ra kết
quả âm (không hợp lý trong phân tích môi trường), (ii) kích thước dữ liệu có thể dẫn
đến sai số trong quá trình phân tích (Paatero và Tapper), (iii) PCA cần đến phép quay
mở rộng trong khi những kỹ thuật quay hoàn toàn phù hợp vẫn chưa được tìm ra; (iv)
PCA không thể giải quyết được những dữ liệu khuyết và dữ liệu dưới giới hạn phát
hiện (vấn đề thường xảy ra trong đo lường môi trường) [44]. Bởi những nhược điểm
đã đề cập phía trên, phương pháp này không được lựa chọn trong nghiên cứu. Để
khắc phục những nhược điểm trên của PCA, một phương pháp khác đã được phát
triển có tên gọi là mô hình nhân tố hóa ma trận dương (PMF).
Nhân tố hóa hóa ma trận dương (PMF)
a) Cơ sở toán học
Trong PMF, bất cứ ma trận đầu vào X của dữ liệu quan trắc có n hàng và m
cột trong đó n đại diện cho số mẫu lấy theo thời gian 24 giờ và m đại diện cho số chỉ
tiêu, từ đó có thể phân tích ma trận X ra thành 2 ma trận G(n,p) và F(p,m) và một
phần dư của ma trận X được gọi là E, khi đó p được gọi là số các chất đã được phân
tích:

X= GF + E
17


Biểu thức trên cũng giống như trong PCA. Tuy nhiên, PCA chỉ tập trung vào
giải quyết tổng bình phương các số dư. Hơn thế nữa, việc chuẩn hoá các cột đã đưa
ra một sự biến đổi không chính xác (Paatero và Tapper, 1993). Các mẫu có nồng độ
cao có xu hướng trội hơn trong các phân tích này, trong khi các chất có nồng độ thấp
gần như bị bỏ qua. Ngược lại, mô hình PMF tập trung vào thông tin từ tất cả các mẫu
(ở tất cả các nồng độ khác nhau). Bình thường các chất có nồng độ cao thường có độ
lệch chuẩn tuyệt đối khá lớn. Do đó, hệ số trọng lượng khi tính toán thường cao hơn
so với các mô hình không quan tâm đến trọng lượng mẫu (như PCA). Điều này được
thực hiện bằng cách lấy trọng số bình phương của phần dư với sự hiện diện của nghịch
đảo bình phương độ lệch chuẩn của các số liệu đầu vào như sau:
𝑝

𝑒𝑖𝑗 = 𝑥𝑖𝑗 − 𝑥̂ = 𝑥𝑖𝑗 − ∑𝑘=1 𝑔𝑖𝑘 𝑓𝑘𝑗

(1.17)

Trong đó, i = 1,…, n ; j = 1,…, m; k,…, p
Bài toán phải được đặt ra là tối thiểu hàm Q (E) như sau:
𝑒𝑖𝑗

𝑛
Q(E) = ∑𝑚
𝑖=1 ∑𝑗=1 [ ]

2

(1.18)

𝑠𝑖𝑗

Trong đó, sij là độ không đảm bảo của biến thứ i trong mẫu thứ j. Một trong
những khía cạnh quan trọng trong sử dụng PMF là lựa chọn độ không đảm bảo. Bài
toán đặt ra ở đây là tối thiểu hóa Q(E) với ràng buộc là G và F là không âm [35]. Có
hai phiên bản PMF là PMF2 và PMF3 trong đó PMF2 ứng dụng trong ma trận số liệu
hai chiều và PMF3 ứng dụng trong ma trận số liệu ba chiều. PM2 được áp dụng rộng
rãi trong ô nhiễm khí quyển. Phiên bản mới nhất được sử dụng hiện tại là EPA-PMF
version 5.0. Phiên bản này có thể download trực tiếp từ website của Cục bảo vệ môi
trường Hoa Kỳ (htpp:// />b) Mô hình PMF2
Trong PMF2, ràng buộc không âm được đặt ra bằng cách sử dụng hàm giới
hạn (penalty function) trong hàm mở rộng 𝑄̅. Hàm mở rộng 𝑄̅ được định nghĩa như
sau:
̅ (𝐸, 𝐺, 𝐹) = 𝑄(𝐸) + 𝑃(𝐺) + 𝑃 (𝐹) + 𝑅 (𝐺) + 𝑅 (𝐹)
𝑄
𝑝

𝑚

𝑚

𝑝

𝑝

𝑛

𝑒𝑖𝑗 2

= ∑ ∑ [ ] − 𝛼 ∑ ∑ 𝑙𝑜𝑔𝑔𝑖𝑘 − 𝛽 ∑ ∑ log 𝑓𝑘𝑗
𝑠𝑖𝑗
𝑖=1 𝑘=1
𝑚

𝑖=1 𝑘=1

𝑘=1 𝑗=1

𝑝

+ 𝛾 ∑ ∑ 𝑔𝑖𝑘 2
𝑖=1 𝑘=1
𝑝 𝑛

+ 𝛿 ∑ ∑ 𝑓𝑘𝑗 2

(1.19)

𝑘=1 𝑗=1

18