Nghiên cứu xác định đặc tính vocs tại hà nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------

ĐỖ THỊ NHƯ NGỌC

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH VOCS TẠI HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Hà Nội – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------

ĐỖ THỊ NHƯ NGỌC

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH VOCS TẠI HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT MƠI TRƯỜNG

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:
TS. LÝ BÍCH THỦY

Hà Nội - 2018

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Đỗ Thị Như Ngọc, học viên cao học lớp Kỹ thuật mơi trường (KH),
khóa 2016B, đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu xác định đặc tính VOCs tại Hà Nội”
dưới sự hướng dẫn của TS. Lý Bích Thủy. Tơi xin cam đoan những kết quả nghiên
cứu và thảo luận trong luận văn này là đúng sự thật và không sao chép ở bất kỳ tài
liệu nào khác. Tất cả những tham khảo từ các nghiên cứu liên quan đều được nêu
nguồn gốc một cách rõ ràng danh mục tài liệu tham khảo.
Hà Nội, ngày 15 tháng 9 năm 2018
Học viên

Đỗ Thị Như Ngọc

i


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội,
bằng sự biết ơn và kính trọng, tơi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô, tập thể cán bộ
thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
đã nhiệt tình hướng dẫn, giảng dạy và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong
suốt q trình học tập, nghiên cứu và hồn thiện luận văn này.
Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc nhất tới Tiến sĩ Lý Bích Thủy,
người thầy đã luôn dành nhiều thời gian, công sức hướng dẫn và động viên tơi trong
suốt q trình thực hiện luận văn.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thành viên trong nhóm ơ nhiễm khơng
khí, các cán bộ phịng thí nghiệm thuộc Viện Khoa học & Cơng nghệ Mơi trường và
phịng thí nghiệm của Giáo sư Yoshizumi Kajii - trường Đại học Kyoto đã đồng hành
và hỗ trợ tôi thực hiện luận văn.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã ln ủng hộ và
tạo điều kiện tốt nhất để tơi có thể tập trung nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.

Tuy nhiên điều kiện về năng lực bản thân còn hạn chế, luận văn chắc chắn
khơng tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các
thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn của tơi được hồn thiện hơn.
Tơi xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 15 tháng 9 năm 2018
Học viên

Đỗ Thị Như Ngọc

ii


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................ v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................vii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................... 4
1.1. Khái niệm VOCs .............................................................................................. 4
1.2. Nguồn phát sinh VOCs ..................................................................................... 4
1.2.1. Nguồn tự nhiên .............................................................................................. 4
1.2.2. Nguồn phát sinh do con người ....................................................................... 4
1.3. Tác hại của VOCs ............................................................................................. 7
1.3.1. Tác hại của VOCs đối với khí quyển.............................................................. 7
1.3.2. Tác hại của VOCs đối với sức khỏe con người .............................................. 8
1.4. Mơ hình nơi tiếp nhận ....................................................................................... 9
1.4.1. Khái niệm mơ hình nơi tiếp nhận ................................................................... 9
1.4.2. Phân loại mơ hình nơi tiếp nhận [20] ............................................................. 9

1.4.3. Mơ hình CMB.............................................................................................. 10
1.5. Các nghiên cứu về VOCs tại Hà Nội............................................................... 13
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................... 16
2.1. Quy trình thực hiện ......................................................................................... 16
2.2. Phương pháp lấy mẫu và phân tích ................................................................. 16
2.2.1. Tiêu chuẩn lấy mẫu và phân tích .................................................................. 16
2.2.2. Lấy mẫu VOCs trong khơng khí xung quanh ............................................... 16

iii


2.2.3. Lấy mẫu VOCs đại diện cho nguồn phát thải ............................................... 18
2.2.4. Quy trình phân tích ...................................................................................... 20
2.3. Phương pháp tính tiềm năng hình thành ozon ................................................. 21
2.4. Phương pháp tính tốn rủi ro sức khỏe ............................................................ 22
2.5. Nhận dạng nguồn đóng góp ............................................................................ 24
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 29
3.1. Đặc tính hóa học của VOCs trong mẫu khơng khí xung quanh tại Hà Nội ...... 29
3.1.1. Hiện trạng VOCs tại Hà Nội ........................................................................ 29
3.1.2. Nhóm BTEX................................................................................................ 34
3.2. Tiềm năng hình thành ozon ............................................................................. 37
3.3. Rủi ro sức khỏe............................................................................................... 40
3.4. Dự đoán các nguồn phát sinh VOCs tại Hà Nội .............................................. 41
3.4.1. Source Profile được phát triển từ luận văn này ............................................. 41
3.4.2. Các Source Profile được lựa chọn và tính tốn từ các nghiên cứu khác ........ 43
3.4.3. Lựa chọn các chất đưa vào mơ hình CMB.................................................... 45
3.4.4. Đóng góp từ các nguồn khác nhau tới nồng độ VOCs trong khơng khí xung
quanh..................................................................................................................... 47
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 52

PHỤ LỤC.................................................................................................................i
Phụ lục A: Lấy mẫu và phân tích ..............................................................................i
Phụ lục B: Nhận dạng nguồn đóng góp .................................................................... v

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BTEX
CMB
CNG
E5 RON 92
EDGAR
IARC
LNG
LPG
OEHHA
OFP
PM10
PM2,5

Benzen, Toluen, Etylbenzen,
Xylen
Mơ hình cân bằng khối lượng hóa
học
Khí nén thiên nhiên
Xăng RON 92 có pha 5% etanol
Cơ sở dữ liệu phát thải cho nghiên
cứu khí quyển tồn cầu

Tổ chức quốc tế nghiên cứu về ung
thư
Khí thiên nhiên hóa lỏng
Khí dầu mỏ hóa lỏng
Văn phịng Giám định rủi ro cho
sức khỏe mơi trường
Tiềm năng hình thành ozon
Các hạt bụi có đường kính động
học tương đương ≤ 10 µm
Các hạt bụi có đường kính động
học tương đương ≤ 2,5 µm

RON
92,
Xăng có chỉ số octan là 92, 95
RON 95
SVOCs

Các chất hữu cơ bán bay hơi

TVOC

Tổng nồng độ các hợp chất hữu cơ
bay hơi

US - EPA
VOCs

Tổng cục Môi trường Mỹ
Hợp chất hữu cơ bay hơi

VVOCs

Các chất hữu cơ dễ bay hơi

WHO

Tổ chức Y tế thế giới

v

Benzene, Toluene,
Ethylbenzene, Xylene
Chemical Mass Balance
Compressed Natural Gas
Emission Database for Global
Atmospheric Research
International Agency for
Research on Cancer
Liquefied natural gas
Liquefied Petroleum Gas
Office of Environmental Health
Hazard Assessment
Ozone formation potential

Research Octane Number
Semi Volatile Organic
Compounds
Total volatile organic
compounds

Environment Protection Agency
Volatile Organic Compounds
Very Volatile Organic
Compounds
World Health Organization


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Thông tin của điểm lấy mẫu VOCs từ khơng khí xung quanh ................ 18
Bảng 2.2. Thông tin của điểm lấy mẫu VOCs từ nguồn giao thông ........................ 19
Bảng 2.3. Thông tin của điểm lấy mẫu VOCs từ nguồn đốt sinh khối .................... 20
Bảng 2.4. Độc tính của một số VOCs .................................................................... 24
Bảng 2.5. Tiêu chí đánh giá độ tin cậy của mơ hình CMB [35] .............................. 25
Bảng 3.1. Nồng độ VOCs tại đô thị của các nước trong cùng khu vực [ppb] .......... 31
Bảng 3.2. Nồng độ BTEX tại các vị trí khác nhau tại Hà Nội [ppb] ....................... 34
Bảng 3.3. Sự tương quan giữa các chất của nhóm BTEX ....................................... 35
Bảng 3.4. Tỉ lệ T/B và X/E tại một số thành phố ở Việt Nam và thế giới ............... 36
Bảng 3.5. Tiềm năng hình thành ozon.................................................................... 37
Bảng 3.6. Tỉ lệ rủi ro gây ung thư và gây độc ........................................................ 40
Bảng 3.7. Source Profile của 6 nguồn áp dụng cho mơ hình CMB (đơn vị: %) ...... 44
Bảng 3.8. Các hợp chất VOCs đại diện cho từng nguồn phát thải khác nhau ......... 46

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ phản ứng quang hóa tạo ozon trong khí quyển ............................... 7
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình thực hiện ....................................................................... 16
Hình 2.2. Vị trí lấy mẫu VOCs trong khơng khí xung quanh ................................. 17
Hình 2.3. Vị trí lấy mẫu VOCs từ nguồn giao thơng .............................................. 19

Hình 2.4. Vị trí lấy mẫu VOCs từ nguồn đốt sinh khối .......................................... 20
Hình 3.1. Biểu đồ TVOC a) trước (trái) và b) sau (phải) khi loại bỏ giá trị ngoại biên
.............................................................................................................................. 29
Hình 3.2. Biến thiên theo thời gian của TVOC tại Hà Nội (từ ngày 20/06/2017 ~
28/0/2017) ............................................................................................................. 30
Hình 3.3. Tỉ lệ đóng góp của các nhóm chất vào a) TVOC (trái); b) OFP (phải) .... 39
Hình 3.4. Source Profile từ nguồn giao thơng ........................................................ 41
Hình 3.5. Source Profile từ nguồn đốt sinh khối .................................................... 42
Hình 3.6. Kết quả tính tốn phân bổ nguồn thải từ mơ hình CMB tại Hà Nội ........ 49

vii


MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển kinh tế và đô thị hóa nhanh chóng trong một thập kỉ
gần đây, Việt Nam đang phải đối mặt với chất lượng khơng khí ô nhiễm nghiêm
trọng ở các thành phố lớn như Hà Nội, Hồ Chí Minh. Ngồi các chất ơ nhiễm
khơng khí như bụi PM10, PM2.5, NOx, CO, SO2 thì các hợp chất hữu cơ bay hơi
(Volatile Organic Compounds – VOCs) ngày càng được các nhà khoa học quan
tâm nhiều hơn do tác động trực tiếp hay gián tiếp đến sức khỏe con người, hệ sinh
thái. Nhiều các hợp chất hữu cơ bay hơi được phát hiện trong mơi trường khơng
khí xung quanh tại đô thị và mối liên hệ của chúng với những tác động sức khỏe
khác nhau. Ví dụ như, sự phơi nhiễm với nhóm hợp chất mạch vịng như toluen,
xylen có thể gây ra triệu chứng kích ứng với mắt, mũi hoặc các bệnh về đường hô
hấp như hen suyễn. Ngồi các tác động trực tiếp, VOCs đóng góp vào sự thay đổi
thành phần hóa học khí quyển thơng qua các phản ứng quang hóa, tạo ra các chất
ơ nhiễm thứ cấp như ozon (O3), peroxyacetyl nitrates (PAN) và bụi hữu cơ thứ
cấp.
VOCs phát sinh từ cả hai nguồn tự nhiên và con người. Nguồn phát sinh
VOCs tự nhiên (ví dụ như thực vật hoặc vi sinh vật) ảnh hưởng đến nồng độ VOCs

ở quy mơ tồn cầu, nhưng các hoạt động của con người (như hoạt động giao thông,
sử dụng các dung môi hữu cơ trong công nghiệp, hoạt động sưởi ấm, đốt sinh
khối...) là nguồn phát sinh chính của nồng độ VOCs tại khu vực đơ thị. Nghiên
cứu các đặc tính của VOCs bao gồm xác định nồng độ, thành phần, sự biến đổi
theo thời gian và khơng gian (nguồn phát thải, điểm tiếp nhận), từ đó xác định
được nguồn phát sinh chính. Từ những thơng tin thu được về hiện trạng của VOCs,
các nhà hoạch định chính sách có cơ sở để thiết lập các chiến lược hiệu quả nhằm
giảm thiểu ơ nhiễm khơng khí.

1


VOCs là nhóm hợp chất quan trọng chỉ xếp sau bụi trong nghiên cứu ơ
nhiễm khơng khí. Mặc dù nhận được sự quan tâm ngày càng nhiều trên thế giới,
có rất ít các dữ liệu cơ bản về hiện trạng và phát thải VOCs được thực hiện tại
Việt Nam nói chung và Hà Nội nói riêng. Chủ yếu các nghiên cứu về VOC ở Việt
Nam chủ yếu tập trung vào nhóm BTEX hoặc hợp chất riêng lẻ như benzene [1]–
[5]. Tính đến nay, chỉ có hai nhóm nghiên cứu về nhóm các hợp chất VOC tại đơ
thị một cách đầy đủ, nhóm của Do và cộng sự đã có hai nghiên cứu về nhóm 34
chất VOC tại Hà Nội thực hiện vào năm 2008 và nhóm 52 chất VOC từ năm 2011
đến 2014 (mỗi năm lấy mẫu 3 ngày), nhóm Sakamoto và cộng sự là nghiên cứu
về nhóm VOC 55 chất này mới nhất, thực hiện quan trắc vào tháng 9 năm 2015
[6], [7]. Tuy nhiên, một số thay đổi về mặt chính sách gần đây, như việc triển khai
xe buýt nhanh từ 1/1/2017, nâng cao tiêu chuẩn mức khí thải cho các loại xe ô tô,
xe mô tô hai bánh có lắp động cơ nhiệt sẽ là mức 2 (đối với ô tô, xe máy đã được
đưa vào sử dụng trước 1/1/2017, mức 3 (cho xe máy đưa vào sử dụng sau
1/1/2017) và mức 4 (cho xe ô tô đưa vào sử dụng sau 1/1/2017), áp dụng xăng E5
RON 92 rộng rãi thay thế dần RON 92 sẽ phần nào ảnh hưởng đến sự thay đổi
của nồng độ và thành phần VOCs trong mẫu khơng khí xung quanh.
-

Mục đích nghiên cứu của luận văn:

 Thu thập bộ số liệu về nồng độ và thành phần VOCs tại một điểm nền
đô thị ở Hà Nội
 Đánh giá ảnh hưởng của VOCs đến mơi trường khơng khí và sức khỏe
của người dân
 Nhận dạng các nguồn đóng góp VOCs chính tại một điểm đơ thị Hà
Nội.
-

Đối tượng nghiên cứu: nhóm 55 chất VOCs (C2 đến C12) không bao

gồm metan, là các chất VOCs thường gặp tại đô thị và được sử dụng để định
lượng tiền chất ozon.
-

Phương pháp nghiên cứu:
2


 Thu thập dữ liệu:
o Lấy mẫu quan trắc VOC trong khơng khí xung quanh tại một
điểm đơ thị tại Hà Nội
o Lấy mẫu quan trắc VOCs ven đường và đốt rơm trên cánh đồng
 Tính tốn tiềm năng sinh ozon và rủi ro gây ung thư
 Áp dụng mô hình tiếp nhận (mơ hình cân bằng khối lượng hóa học CMB) để nhận dạng nguồn đóng góp VOCs
-

Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả:

 Cung cấp thông tin về hiện trạng nồng độ các chất VOCs trong khơng
khí xung quanh tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội
 Thông tin về rủi ro gây ung thư bởi một số VOC và tiềm năng sinh ozon
sẽ góp phần trong việc thiết lập các chính sách kiểm sốt VOC và ozon
tại Hà Nội
 Nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam bước đầu áp dụng thành cơng mơ hình
tiếp nhận – mơ hình cân bằng khối lượng hóa học (CMB) để xác định
phần trăm đóng góp của các nguồn phát sinh VOCs cho một địa điểm
nghiên cứu.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Khái niệm VOCs
Theo Nghị viện và Hội đồng Châu Âu, các hợp chất hữu cơ bay hơi là bất kỳ
hợp chất hữu cơ nào bắt đầu sôi ở nhiệt độ nhỏ hơn hoặc bằng 250 ºC dưới điều kiện
áp suất tiêu chuẩn là 101 kPa [8].
Theo Tổng cục môi trường Mỹ (US - EPA), VOCs là những hợp chất của
cacbon không bao gồm CO2, CO, H2CO3, (NH4)2CO3, MCO3 và tham gia vào các
phản ứng quang hóa trong khơng khí [9].
1.2. Nguồn phát sinh VOCs
1.2.1. Nguồn tự nhiên
VOCs phát sinh từ hai nguồn chính là nguồn tự nhiên và do con người. Nguồn
tự nhiên phát sinh VOCs chính là từ thực vật. Nhóm các chất VOCs phát sinh từ thực
vật là isopren, α-pinene và β-pinene. Tuy nhiên, các nhóm chất VOCs này chủ yếu
ảnh hưởng đến nồng VOCs ở quy mơ tồn cầu. Nguồn phát sinh VOCs tại các đô thị
chủ yếu xuất phát từ hoạt động của con người như: hoạt động sản xuất và sử dụng
các nhiên liệu hóa thạch, sử dụng các dung mơi trong hoạt động công nghiệp, đốt

nhiên liệu sinh học, đốt sinh khối và trong quản lý chất thải rắn [10]. Các nguồn phát
sinh VOCs từ hoạt động của con người được trình bày chi tiết sau đây.
1.2.2. Nguồn phát sinh do con người
1.2.2.1. Khai thác, tinh chế và sử dụng nhiên liệu
Nguồn phát sinh VOCs từ hoạt động khai thác, tinh chế và sử dụng các nhiên
liệu có thể phân loại thành 3 nhóm: nguồn di động, nguồn cố định và nguồn do sản
xuất, lưu trữ và phân phối các sản phẩm nhiên liệu. Phát thải từ các hoạt động này
được ước tính tổng cộng lên tới 78 triệu tấn/năm, chủ yếu là do vận tải đường bộ và
tinh chế dầu mỏ. Các khu vực có lượng phát thải từ các hoạt động vận tải đường bộ
4


chủ yếu ở Hoa Kỳ, Châu Âu, Châu Mỹ Latinh và Đơng Nam Á, trong khi đó, các
nguồn đóng góp VOCs lớn nhất từ khai thác và tinh chế dầu mỏ được báo cáo tại
những khu vực có hoạt động khoan dầu lớn nhất như Trung Đông, Mỹ Latinh [11].
Nguồn di động được chia thành hai nhóm nhỏ hơn, bao gồm khói thải và bay
hơi. Các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ phát thải từ ống xả bao gồm bộ chuyển đổi
xúc tác, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của động cơ, thành phần nhiên liệu và cách
lái xe. Những tiến bộ kĩ thuật của bộ chuyển đổi xúc tác, động cơ với hiệu năng cao
hơn dẫn đến giảm hệ số phát thải. Thành phần nhiên liệu đã được thay đổi trong
những năm qua vì lý do kỹ thuật và sức khỏe. Ví dụ như, benzen là tác nhân gây ung
thư, việc giảm lượng benzen trong nhiên liệu đã dẫn đến giảm lượng benzen từ khí
thải xe cộ so với các VOCs còn lại. Phần lớn lượng VOCs phát thải trong vài phút
đầu tiên khi động cơ khởi động. Khởi động nguội tương ứng với thời gian cần thiết
để đạt được nhiệt độ của xúc tác. Khởi động nguội có mối liên hệ đặc biệt tại đơ thị,
nơi mà các hành trình ngắn chiếm một phần đáng kể trong toàn bộ quãng đường di
chuyển. Đối với phát thải do bay hơi xăng, tỉ lệ bay hơi tăng lên khi nhiệt độ môi
trường và áp suất của môi trường cao hơn so với thành phần xăng.
Nguồn tĩnh của việc sử dụng các nhiên liệu bao gồm các quá trình đốt, như đốt
than, đốt cốc trong nhà máy, sưởi ấm vào mùa lạnh hoặc nấu ăn trong khu dân cư. Ở

quy mơ tồn cầu, lượng phát thải này tương đối nhỏ so với các nguồn di động. Tuy
nhiên, đối với một số khu vực nhất định như Trung Quốc hoặc các nước Đơng Nam
Á, các nguồn này có thể là một phần đáng kể, do đóng góp từ việc sử dụng rộng rãi
than và nhiên liệu sinh học trong nấu ăn tại các khu dân cư.
Lượng phát thải liên quan đến sản xuất, lưu trữ và phân phối nhiên liệu chủ
yếu xảy ra ở những khu vực có hoạt động khai thác nhiên liệu lớn. Tuy nhiên, phát
tán từ quá trình bay hơi tự nhiên vẫn có thể xảy ra trong quá trình vận chuyển và phân
phối nhiên liệu, như vận chuyển bồn chứa xăng dầu bằng đường bộ, đường thủy và
tại các trạm phân phối xăng dầu. Đặc biệt, sự bay hơi từ trạm nhiên liệu này có thể là
đáng kể trên quy mô địa phương và khu vực. Đây không chỉ là mối quan tâm liên
5


quan đến sự hình thành ozon ở tầng đối lưu mà còn là sự nguy hại đến vấn đề sức
khỏe gây ra bởi nhóm VOCs có tiềm năng gây ung thư như BTEX có thể xảy ra [11].
1.2.2.2. Sử dụng dung môi trong công nghiệp
Nguồn phát sinh VOCs trong các hoạt động công nghiệp chủ yếu từ việc sử
dụng các VOCs làm dung mơi hữu cơ có tính chất vật lý và hóa học khác nhau như
ankan, xeton, andehit, este và các hydrocarbon halogen hóa [11]. Các dung mơi
thường được sử dụng nhiều trong các sản phẩm tiêu dùng như sơn, keo dính và mực.
Ngồi ra, VOCs cịn được sử dụng trong công nghiệp sản xuất dược phẩm, làm sạch
bề mặt kim loại và in ấn. Ngày nay, nhiều ngành sản xuất ở các nước phát triển đã
giảm thiểu lượng phát thải VOCs bằng cách tái chế hoặc xử lý nhiệt. Tuy nhiên, lượng
phát thải ở những nơi khác trên thế giới vẫn có xu hướng tăng, và Trung Quốc là một
trong những nước có lượng phát thải VOCs từ việc sử dụng dung môi và sơn được
dự báo đến năm 2020 là sẽ tăng gấp 5 lần so với năm 1990 [11].
1.2.2.3. Đốt sinh khối
Sinh khối là tổng khối lượng vật chất sống bao gồm mảnh thực vật, thảm thực
vật hoặc phụ phẩm nông nghiệp được sử dụng làm nhiên liệu hoặc nguồn năng lượng
trong một đơn vị môi trường nhất định. Sinh khối có đặc tính là nhiệt trị thấp và độ

ẩm cao. Khi sinh khối bị đốt cháy, nồng độ và thành phần của bụi và các chất khí
khác nhau (CO, CO2, VOCs) được thải vào khí quyển phụ thuộc vào loại hệ sinh thái,
độ ẩm của thảm thực vật, kiểu đốt cháy và giai đoạn đốt cháy. Đốt sinh khối thường
được phân loại như sau [12]:
-

đốt trực tiếp gỗ nhiên liệu và phụ phẩm nông nghiệp cho mục đích sưởi ấm và
đun nấu trong nhà;

-

đốt rác và phụ phẩm nông nghiệp trên đất trồng trọt sau khi thu hoạch (chủ
yếu là rơm rạ và mía đường ở Đông Nam Á);

-

đốt cỏ và gỗ trên khu vực đất trồng rừng ;

-

cháy rừng ngẫu nhiên.

6


Lượng phát thải VOCs toàn cầu từ nguồn đốt sinh khối tính cho năm 2000 của được
ước tính là 49 triệu tấn/năm với những đóng góp cao nhất từ châu Mỹ Latinh, châu
Phi và Đông Nam Á [13].
1.2.2.4. Quản lý chất thải rắn
VOCs phát sinh trong quản lý chất thải rắn chiếm từ 1-2% tổng lượng phát

thải VOCs do hoạt động của con người [13]. Lượng phát thải VOCs này phát sinh từ
lị đốt chất thải do các q trình đốt cháy khơng hồn tồn và phát sinh từ các bãi rác
như bay hơi của các dung môi hoặc các sản phẩm phân hủy hữu cơ.
1.3. Tác hại của VOCs
1.3.1. Tác hại của VOCs đối với khí quyển
Quan ngại chính liên quan đến ơ nhiễm khơng khí là sự tham gia của VOCs
trong phản ứng quang hóa tạo ozon ở tầng đối lưu, theo sơ đồ như sau:

Hình 1.1. Sơ đồ phản ứng quang hóa tạo ozon trong khí quyển
Đây là phản ứng theo chuỗi mà trong đó, CO, VOCs đóng vai trị là nhiên liệu
điều khiển q trình cịn NOx đóng vai trị là xúc tác. Như vậy, muốn giảm nồng độ
ozon tầng đối lưu có nghĩa là phải giảm nồng độ NOx và VOCs. Ảnh hưởng của

7


VOCs khác nhau tùy thuộc vào mức độ phát thải theo thời gian, khơng gian, tốc độ
phản ứng quang hóa và tiềm năng hình thành ozon.
Hiện tượng khói mù quang hóa là một trong những vấn đề mang tính chất toàn
cầu. Năm 1964, lần đầu tiên trên thế giới, tại thành phố Los Angeles thuộc bang
California của Hợp chủng quốc Hoa Kỳ đã xuất hiện sương mù dày đặc trong nhiều
ngày. Hiện tượng này gây cay mắt, gây viêm đường hơ hấp, viêm phổi và khó thở.
Chính điều này làm cho hàng loạt người tử vong, cây cối vàng lá. Kể từ đó, nồng độ
ozon cao cũng được phát hiện ở nhiều nơi khác trên thế giới như Athens (Hy Lạp),
Sydney (Australia). Ở Mexico City, nồng độ ozon đo được trên 400 ppb [10]. Theo
đó, VOCs là một trong những thành phần chính đóng góp vào việc hình thành khói
mù quang hóa.
Những hợp chất tạo ra từ phản ứng quang hóa nêu trên khơng chỉ ảnh hưởng
tới con người mà cịn có hại đối với thực vật và các loại vật liệu. VOCs có thể khơng
ảnh hưởng trực tiếp đến các vật liệu mà thông qua phản ứng trên tạo ra các chất độc

hại và ảnh hưởng đến các bề mặt như làm nứt cao su, giảm độ bền của vải, nhựa, phai
màu các sợi nhuộm, làm nứt các vết sơn và ảnh hưởng đến các cơng trình xây dựng
[14]. Những hợp chất này có thể làm giảm hoặc ngừng phát triển trong thực vật thơng
qua việc giảm q trình quang hợp [15].
Ngồi ra, VOCs cịn có thể ngưng tụ và tạo thành bụi PM2.5. Dựa vào nghiên
cứu sự hình thành PM2.5, phần trăm PM2.5 hình thành từ VOCs là khoảng 11% - 41%,
và chủ yếu là VOCs phát thải từ nguồn giao thông ở khu vực đô thị [16].
1.3.2. Tác hại của VOCs đối với sức khỏe con người
Ngoài những ảnh hưởng gián tiếp thông qua các hợp chất tạo ra từ phản ứng
quang hóa đã trình bày ở mục 1.3.1, VOCs ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con
người như kích ứng da hoặc niêm mạc, các hiệu ứng độc hay thần kinh khác nhau,
gây ung thai, quái thai, đột biến [17]. Phơi nhiễm trong thời gian dài với benzen và

8


foocmandehit có thể dẫn đến rối loạn chức năng nội tạng mãn tính hoặc thậm chí ung
thư khi nồng độ đủ cao [18].
Về phương diện ảnh hưởng đến sức khỏe con người, benzen là chất được quan
tâm nhiều nhất. Theo WHO khi phơi nhiễm với benzen ở nồng độ từ 0,17; 1,7; 17
µg/m3 (5,32 ppb) thì tương ứng với 1 ca ung thư bạch cầu trên 10.000; 100.000;
1.000.000 người [18].
1.4. Mơ hình nơi tiếp nhận
1.4.1. Khái niệm mơ hình nơi tiếp nhận
Mơ hình nơi tiếp nhận là một loại mơ hình sử dụng đặc tính hóa lý của các
chất được đo tại nguồn để xác định, định lượng nồng độ và mức độ đóng góp của các
loại nguồn thải đến nồng độ tại nơi tiếp nhận [19]. Do đó, mơ hình nơi tiếp nhận là
một bổ sung cần thiết cho các loại mơ hình chất lượng khơng khí khác và được sử
dụng như là một công cụ trong quản lý chất lượng khơng khí để xác định các nguồn
đóng góp vào vấn đề ơ nhiễm khơng khí.

1.4.2. Phân loại mơ hình nơi tiếp nhận [20]
Mơ hình nơi tiếp nhận được chia làm 2 loại dựa trên phương pháp nhận dạng
của mơ hình đó:
-

Nhóm mơ hình sử dụng phương pháp vật lý: dựa vào các đặc trưng vật lý như
kích thước, hình dạng, phân bố kích thước, màu sắc... để nhận dạng nguồn
đóng góp. Tuy nhiên, nhóm mơ hình này khơng cho kết quả định lượng;

-

Nhóm mơ hình sử dụng phương pháp hóa học: dựa vào các đặc trưng hóa học
và hóa lý như thành phần vơ cơ, hữu cơ, hóa trị, nồng độ... Đây là nhóm mơ
hình được sử dụng phổ biến hơn và đang là hướng phát triển cho mơ hình nơi
tiếp nhận ngày nay.
Hiện nay, các mơ hình nơi tiếp nhận chủ yếu sử dụng các mơ hình dựa trên

phương pháp hóa học và được chia thành 2 loại chính như sau:
9


-

Mơ hình cân bằng khối lượng hóa học;

-

Mơ hình đa biến: lại được chia làm 2 loại chính gồm:
o Phân tích nhân tố;
o Nhân tố hóa ma trận dương.

1.4.3. Mơ hình CMB
1.4.3.1. Cơ sở tính tốn
Mơ hình cân bằng khối lượng hóa học (CMB): được phát triển bởi Tổng cục
Mơi trường Mỹ sử dụng dữ liệu về nguồn thải và chất lượng khơng khí xung quanh
để định lượng mức độ đóng góp của từng nguồn. Nguồn thải có tính chất hóa học và
vật lý tương tự khơng thể được phân biệt với nhau bằng mơ hình CMB [19].
Trước đây, mơ hình CMB được áp dụng cho bụi, sau đó CMB cũng được sử
dụng để đánh giá cho cả VOCs. Cơ sở của các mơ hình nơi tiếp nhận là coi các nồng
độ tại nơi tiếp nhận có thể được biểu diễn bằng một tổ hợp tuyến tính các phần đóng
góp từ các nguồn khác nhau với thành phần ổn định [21].
Mơ hình CMB được sử dụng để ước tính sự đóng góp của các nguồn phát thải
tiềm năng khác nhau. Nó u cầu hai bộ dữ liệu để ước tính: (1) dữ liệu đo đạc tại
điểm tiếp nhận và (2) các Source Profile tiềm năng. Mơ hình CMB tương quan với
các Source Profile tiềm năng đã xác định trước đó để tính tốn nồng độ tại điểm tiếp
nhận, giải phương trình hồi quy đa biến:
Ct = F x S t + ε t

(1.1)

Trong đó:
-

Ct: vec tơ của nồng độ mỗi hợp chất VOCs trong một mẫu tại
thời gian t;

-

F: là ma trận Profile của các nguồn thải (Source Profile);

-

St là vec tơ đóng góp của các nguồn;

-

εt là vec tơ đại diện cho sai số.

10


Ma trận Source Profile của các nguồn thải là tập hợp Source Profile của các nguồn
thải đã được chọn lọc trước đó, với mỗi vec tơ mơ tả mối tương quan của các hợp
chất VOCs (đơn vị là ppbC%) với nguồn đó. Vectơ đóng góp của các nguồn, biến
chưa biết của phương trình này, là sự đóng góp tuyệt đối của mỗi nguồn đến tổng
nồng độ VOCs tại điểm tiếp nhận đo được (đơn vị là ppbC) [22].
1.4.3.2. Các nghiên cứu ứng dụng mơ hình CMB để dự đốn các nguồn phát sinh
VOCs trên thế giới
Na và cộng sự (2007) sử dụng mơ hình CMB để đánh giá sự đóng góp của các
nguồn phát sinh VOCs tới nồng độ C2 – C9 VOCs trong khơng khí xung quanh ở
Seoul, Hàn Quốc tại 3 thời điểm: buổi sáng (7h – 9h), buổi chiều (14h – 16h), buổi
tối (18:00 – 20:00). Nội dung nghiên cứu cũng đề cập đến sự ảnh hưởng của các phản
ứng hóa học tới tính tốn trong CMB, do các phản ứng này làm giảm nồng độ VOCs
từ nguồn phát thải tới nơi tiếp nhận. Nghiên cứu được tiến hành tại trung tâm Seoul,
xung quanh là các khu dân cư và trung tâm thương mại và cách khoảng 300 m so với
trục đường chính. Khoảng 33 chất được đưa vào mơ hình trên. Các Source Profile
được xây dựng dựa vào phản ứng với gốc OH và nhiệt độ khơng khí xung quanh.
Chúng bao gồm: khói thải từ xe cộ; bay hơi xăng; sử dụng dung môi (sơn), và sử
dụng LNG/LPG. Tính tốn nồng độ gốc OH và thời gian di chuyển từ nguồn đến nơi
tiếp nhận được tiến hành để đánh giá được sự nhạy cảm của mô hình CMB. Kết quả

nghiên cứu cho thấy các Source Profile kết hợp các phản ứng hóa học với gốc OH thì
cho kết quả đáng tin cậy hơn. Kết quả cho thấy rằng nguồn giao thơng đóng góp lớn
nhất là 52%, tiếp theo là nguồn dung môi 26%, xăng bay hơi là 15%, khí đốt hóa lỏng
LPG là 5%, và cuối cùng là khí thiên nhiên hóa lỏng LNG 2% [23].
Một nghiên cứu khác của Wohrnschimmel và cộng sự (2010) cũng đã áp dụng
mơ hình CMB để đánh giá phân bổ các nguồn khác nhau vào nồng độ VOCs tại khu
vực phía đơng nam thành phố Mexico. 13 chất được xác định là etan, propan,
propylen, butan, axetylen, pentan, hexan, heptan, benzen, octan, toluen, nonan, o –
xylen, trong đó propan và butan là các chất có nồng độ cao nhất. Vị trí lấy mẫu là ở
khu vực dân cư có nguồn thu nhập thấp và mật độ dân cư cao. Ngoài ra xung quanh
11


là các nhà hàng, cửa hàng và một số khu công nghiệp nhỏ, cách khoảng 1 – 2 km về
mỗi hướng là các trục đường chính và đường cao tốc đơ thị. Kết quả mơ hình cho
thấy vào buổi đêm thì phần trăm đóng góp của LPG là cao nhất với 54%, trong khi
đó giao thơng chiếm 32%. Tuy nhiên, ban ngày thì giao thơng lại là nguồn đóng góp
chính là 62%, LPG là 27% [22].
Mơ hình CMB cũng được áp dụng tại Delhi, Ấn Độ nhằm ước tính đóng góp
của 5 nguồn thải là: thương mại, cơng nghiệp, giao thơng, trạm xăng, hoạt động tại
gia đình. Vị trí lấy mẫu là thủ đô của Ấn Độ - nơi tập trung nhiều hoạt động thương
mại, dân số đông và nhiều hoạt động công nghiệp cùng mới mạng lưới giao thông
dày đặc. 23 chất được đưa vào mơ hình là các chất đại diện từ các nguồn tham gia.
Kết quả mô hình cho thấy phát thải tại các khu vực thương mại thì việc tiêu thụ diesel
chiếm phần trăm lớn nhất 49 – 54%, bên cạnh đó giao thơng và xăng bay hơi cũng
đóng góp đáng kể vào VOCs trong khơng khí xung quanh với 5 – 12%, 11 – 20%
theo thứ tự tương ứng. Tại khu vực dân cư thì tiêu thụ diesel cũng chiếm phần trăm
lớn nhất từ 21 – 42 %, tiếp theo là việc sử dụng các loại khí nhiên nhiên khoảng 19 –
24%. Tại các khu cơng nghiệp thì sử dụng diesel đóng góp khoảng 40 – 41% vào
VOCs. Tại vị trí giao nhau của các trục đường giao thơng thì phần trăm đóng góp lớn

nhất là diesel với 43 – 55%, tiếp đến là giao thơng với 17 – 24%. Tại vị trí bơm xăng
thì tiêu thụ diesel chiếm 51– 58%. Việc tiêu thụ diesel chủ yếu là việc sử dụng nó
như nhiên liệu cho xe tải nặng, hay các máy bơm, máy phát điện. Giao thông phát
thải VOCs từ việc tiêu thụ xăng cho động cơ của các loại phương tiện, bay hơi xăng
là từ các trạm xăng hoặc quá trình bay hơi xăng do nhiệt [24].
Nghiên cứu của Caroline Badol và cộng sự (2008) đã lựa chọn 5 Source Profile
từ nguồn đô thị được sử dụng là quá trình sưởi, sử dụng dung mơi, sử dụng khí tự
nhiên, phát thải từ thực vật, bay hơi xăng và giao thông, 7 Source Profile từ các q
trình cơng nghiệp được đưa vào mơ hình để tính tốn. Mỗi Source Profile chứa 22
hợp chất VOCs được đưa vào mơ hình. Chúng được lựa chọn từ 5 hợp chất đại diện,
có mức độ phát thải cao từ mỗi nguồn đóng góp và nếu chúng có thời gian lưu trong
khơng khí nhỏ hơn 1,2,3 – trimetylbenzen sẽ bị loại bỏ ngoại trừ isopren, bởi vì
12


isopren là đại diện duy nhất cho nguồn sinh học. Kết quả mơ hình cho thấy giao thơng
đóng góp khoảng 40 – 55% và giá trị này tương đối tăng vào các giờ cao điểm, và
phụ thuộc theo mùa, mùa đơng cao hơn mùa hè. Nguồn nhiên liệu khí tự nhiên đóng
góp khoảng 23%, xăng bay hơi và dung mơi đóng góp khoảng 13%, 5% theo thứ tự
tương ứng [25].
Srivastava tiến hành một nghiên cứu khác tại một thành phố ở Ấn Độ, nơi mà
các hoạt động thương mại phát triển mạnh cùng với các loại hình cơng nghiệp như
hóa học, nhiên liệu, dệt nhuộm và phân bón. Do đó, nghiên cứu này tiến hành tại các
vị trí khác nhau đặc trưng cho 5 loại hình là: khu dân cư, thương mại, công nghiệp,
điểm giao thông, và nơi các máy bơm xăng hoạt động. 23 chất được chọn lọc và sử
dụng làm đầu vào cho mơ hình CMB. Kết quả mơ hình cho thấy bay hơi xăng ln
chiếm vị trí ưu thế trong đóng góp vào nồng độ VOCs trong khơng khí xung quanh,
trên 70%. Xăng bay hơi chủ yếu từ các trạm xăng và quá trình bay hơi do nhiệt từ
phương tiện giao thơng [26].
Như vậy, mơ hình CMB đã được áp dụng phổ biến để nhận dạng các nguồn

đóng góp VOCs tại một số thành phố trên thế giới nói chung, và châu Á nói riêng.
Tuy nhiên, mơ hình CMB chỉ được áp dụng để nhận dạng nguồn đóng góp của bụi
PM2.5 tại Hà Nội trong một nghiên cứu của Kim Oanh (2013) [27], chứ chưa có nghiên
cứu nào áp dụng mơ hình này với đối tượng là VOCs tại Việt Nam.
1.5. Các nghiên cứu về VOCs tại Hà Nội
Hiện tại, khu vực Hà Nội có 5 nghiên cứu về VOCs trong khơng khí xung
quanh. Do và cộng sự (2013) đã báo cáo rằng TVOC tại khu vực Hà Nội là khoảng
374 µg/m3[7]. Theo Sakamoto và cộng sự (2018), TVOC tại khu vực đại học Bách
Khoa Hà Nội là 50,25 ppb, trong đó nồng độ BTEX lần lượt là 2,3 ± 1,2; 4,8 ± 3,7;
0,7 ± 0,5; 2,2 ± 1,3 ppb theo thứ tự tương ứng. Như vậy, so sánh với một số nghiên
cứu khác trên thế giới cho thấy, TVOC tại Việt Nam có xu hướng cao hơn các khu
vực khác. Ví dụ như, TVOC tại Thượng Hải, Trung Quốc vào năm 2010 là khoảng
32,35 ppb [28]. Các nghiên cứu còn lại tập trung vào BTEX (benzen, toluen,
13


etylbenzen, xylen) – một nhóm hợp chất quan trọng trong nhóm VOCs và có khả
năng ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người. Truc và Kim Oanh (2007) đã tiến hành
nghiên cứu về BTEX tại các trục đường chính tại Hà Nội như Trường Chinh, Điện
Biên Phủ và Nguyễn Trãi. Kết quả cho thấy nồng độ trung bình của benzen, toluen,
etylbenzen, m,p-xylen và o-xylen theo giờ lần lượt là 65; 62; 15; 43; 22 µg/m3 tại
đường Trường Chinh; 30; 38; 9; 26 và 13 µg/m3 tại đường Điện Biên Phủ; và 123;
87; 24; 56 và 30 µg/m3 tại đường Nguyễn Trãi [1]. Phuc và Kim Oanh (2018) cũng
tiến hành nghiên cứu BTEX tại tuyến đường Trường Chinh, kết quả cho thấy nồng
độ BTEX vào mùa đông tại khu vực này 131 ± 71 µg/m3 [5].
Một số nghiên cứu ở trên cũng đã đề cập đến các nguồn phát thải VOCs tại
khu vực đô thị. Phuc và Kim Oanh (2018) cũng báo cáo rằng một số hoạt động hàng
ngày cũng có thể là nguồn phát thải đáng kể của BTEX nói riêng và VOCs nói chung
ở khu vực Châu Á, bao gồm hoạt động nấu ăn của dân cư, đốt hở chất thải và các phụ
phẩm nơng nghiệp, q trình bay hơi tại các trạm xăng, công nghiệp và giao thông

[5]. Sakamoto và cộng sự (2018) báo cáo rằng việc động cơ xe máy tiêu thụ xăng là
nguồn đóng góp chính và VOCs tại khu vực Hà Nội [6]. Theo P.D. Hien và cộng sự
(2014), benzen trong khơng khí xung quanh được phát thải từ việc tiêu thụ xăng và
quá trình bay hơi xăng. Phát thải từ xăng bay hơi xảy ra khi xe đang chạy hoặc đang
ở trạng thái dừng, tuy nhiên phát thải do xăng bay hơi khi xe đang ở trạng thái dừng
chiếm phần lớn, 65%. Quá trình bay hơi xăng đóng góp đáng kể vào nồng độ benzen
trong khơng khí xung quanh tại Hà Nội [3]. Bên cạnh những nguồn ở trên, một vài
nghiên cứu khác trên thế giới cho rằng việc sử dụng sơn cũng đóng góp vào nồng độ
VOCs trong khơng khí xung quanh [28], [29].
Nghiên cứu của Do và cộng sự (2013); Sakamoto và cộng sự (2018) cũng đưa
ra tiềm năng hình thành ozon. Tuy nhiên, với nghiên cứu đánh giá tác động sức khỏe
của VOCs đến cộng đồng thì nghiên cứu Do và cộng sự (2013) chỉ đề cập đến rủi ro
gây ung thư. Tính đến hiện nay, chưa có nghiên cứu nào sử dụng CMB để đánh giá
phần trăm đóng góp của các nguồn khác nhau đến nồng độ VOCs trong không khí
xung quanh tại Việt Nam.
14


Dựa vào các nghiên cứu ở trên, luận văn này tiến hành nghiên cứu đặc tính
VOCs tại một điềm nền đơ thị, sau đó tiến hành đánh giá tiềm năng hình thành ozon,
rủi ro sức khỏe gây ra bởi chất độc gây ung thư và không gây ung thư. Luận văn cũng
thực hiện uớc tính đóng góp của 6 nguồn phát thải VOCs là khói thải từ giao thơng,
đốt sinh khối, công nghiệp, xăng bay hơi, sơn, nấu ăn tới một điểm đô thị. Kết quả
nghiên cứu sẽ cung cấp đặc tính VOCs đặc trưng vào mùa hè (là thời gian xảy ra đốt
sinh khối) và tại Đại học Bách khoa Hà Nội đại diện cho một điểm đô thị tại Hà Nội.
Kết quả tính tốn sơ bộ bởi mơ hình CMB cũng là cơ sở để xác định nguồn phát sinh
VOCs chính đóng góp trong khơng khí xung quanh để góp phần cung cấp thơng tin
cho những chính sách kiểm soát VOCs phù hợp nhằm cải thiện chất lượng khơng khí
tại Hà Nội.

15


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Quy trình thực hiện

Hình 2.1: Sơ đồ quy trình thực hiện
Quy trình thực hiện luận văn được tóm tắt ở hình 2.1.
2.2. Phương pháp lấy mẫu và phân tích
2.2.1. Tiêu chuẩn lấy mẫu và phân tích
Mẫu VOCs trong nghiên cứu này được thực hiện theo tiêu chuẩn TO-17,
“Phương pháp lấy mẫu VOCs trong không khí xung quanh” của Tổng cục Mơi trường
Mỹ [30].
Trong khi các yếu tố khí tượng (tốc độ gió, hướng gió) ảnh hưởng đến lấy mẫu
bụi, vận tốc gió > 20 km/h (~5,56 m/s) mới ảnh hưởng đến kết quả lấy mẫu VOC
trong khơng khí xung quanh do mẫu khí có độ đồng nhất cao, khác với mẫu bụi [30].
Tại các thời điểm lấy mẫu, tốc độ gió khơng vượt q ngưỡng u cầu.
2.2.2. Lấy mẫu VOCs trong khơng khí xung quanh
Thiết bị lấy mẫu VOCs được đặt tại tầng 3, tịa nhà C10, thuộc Viện Khoa học
và Cơng nghệ Mơi trường, đại học Bách Khoa Hà Nội ở số 1 đường Đại Cồ Việt,
16