Tiến Sĩ Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật phân tích hạt nhân phối hợp với một số kỹ thuật phân tích hỗ trợ góp ph

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
NĂM 2013

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẤT vii
DANH MỤC CÁC BẢNG X
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐÒ THỊ xỉi
MỚ ĐẦU 1
1. Lý do chọn đề tài 1
2. Mục đích nghiên cứu của luận án 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3
3.1. Đối tượng nghiên cứu 3
3.2. Phạm vi nehiên cứu 4
4. Ý nghĩa khoa học cùa luận án 4
4.1. về phương pháp 4
4.2. Các kết quả cụ thể 4
5. Giá trị thực tiễn cùa luận án 5
6. Bố cục của luận án 5
CHƯƠNG 1. TỎNG QUAN VỀ Ô NHIẺM BỤI KHÍ 6
1.1. Đặc điểm, thành phần và tính chắt của ô nhiễm bụi khí PM10 6
1.1.1. Kích thước vầ Sự phàn bố theo kích thước của hạt bụi khí 6
1.1.2. Thành phần và tính chất của ồ nhiễm bụi khí PM10 8
1.1.3. Tác hại của ồ nhiễm bụi khí 11
1.2. Nguồn gốc của ô nhiễm bụi khí PMio 16
1.2.1. Nguồn gốc phát sinh 16
1.2.2. Bụi khí ở nông thôn và các vùng xa xồi 18
1.2.3. Bụi khí ở các đô thị 20
1.3. Nghiên cứu bụi khí PM10 trên thế siới 22
1.4. Nghiên cứu bụi khí PMio ở trong nước 27
1.5. Xu hướng nghiên cứu ô nhiễm bụi khí PM10 hiện nay 29
1.5.1. Nghiên cứu ô nhiễm bụi khí và ảnh hường đối với sức khoè 29
1.5.2. Nghiên cứu ô nhiễm bụi khí lan truyền tầm xa (LRT) 29
1.5.3. Nghiên cứu ô nhiễm bụi khí và Sự ảnh hường đến biến đổi khí hậu 29
1.6. Hạn chế trong nghiên cứu ô nhiễm không khí ờ nước ta và những vấn đề
luận án tập trung giải quyết 30
1.6.1. Nhùng hạn chế trong nghiên cứu ô nhiễm không khí ờ nước ta 30
1.6.2. Nhừng vấn đề luận án tập trung giải quyết 30
CHƯƠNG 2. Cơ SỚ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu 32
2.1. Phương pháp thu góp mẫu 32
2.1.1. Chọn vị trí thu góp mầu 32
2.1.2. Thiết bị thu góp mầu nhiều tầng 33
2.1.3. Thiết bị thu góp mầu theo quán tính 34
2.2. Một số kỹ thuật phân tích hạt nhân (NATs) 36
2.2.1. Kỹ thuật phân tích kích hoạt nơtrôn dụng Cụ (INAA) 37
2.2.2. Kỹ thuật phân tích huỳnh quang tia X phân tán theo năng lượng
(ED-XRFA) 43
2.2.3. Kỹ thuật phân tích phát xạ tia X tạo bởi chùm proton trên máy
gia tốc (PIXEA) 62
2.3. Một số kỹ thuật xử lý thống kê số liệu thực nghiệm 67
2.3.1. Phân tích tương quan và hồi qui tuyến tính nhiều biến (MLR) 67
2.3.2. Phân tích nhân tố theo thành phần chính (PCFA) 71
2.3.3. Phân tích thừa số ma trận dương (PMFA) 76
CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM, KÉT QUẢ NGHIÊN cứu VÀ THÀO LUẬN 82
3.1. Thu góp mầu bụi khí và xác định hàm lượng PM 82
3.1.1. Thu góp mẫu bụi khí 82
3.1.2. Xác định hàm lượng PM 82
3.1.3. Xác định hàm lượng BC 84
3.1.4. Biến trình ô nhiễm khí PM2.5, PM2.5.10 và Fi-BC ờ Hà Nội 84
3.2. Phân tích thành phần nguyên tố trong PM10 bằng kỹ thuật IN A A 86
3.2.1. Thiết lập các chế độ phân tích trong kỹ thuật INAA 86
3.2.2. Chuẩn bị mẫu phân tích và chiếu xạ mẫu trên LPƯHN 88
3.2.3. Đo phồ kích hoạt nơtron và tính toán hàm lượng nguyẽn tố 90
3.2.4. Xác định giới hạn phát hiện (LOD) trong kỹ thuật INAA 93
3.3. Phân tích thành phần nguyên tố trong PM10 bằng kỹ thuật ED-XRF 95
3.3.1. Phổ kế ED-XRFA 95
3.3.2. Sự ảnh hưởng của chân không đến cường độ bức xạ đặc trưng 96
3.3.3. Xác định hệ số hấp thụ khối bằng phương pháp đo sự truyền qua 97
3.3.4. Xác định độ nhạy nguyên tố trong kỹ thuật ED-XRFA 99
3.3.5. Xác định hàm lượng nguyên tố hóa học trong ED-XRFA 101
3.3.6. Xác định giới hạn phát hiện trong kỹ thuật XRFA 103
3.4. Phân tích thành phần nguyên tố trong PM10 bằng kỹ thuật PIXEA 104
3.4.1. Phổ kế PIXEA ờ NUS 104
3.4.2. Xác định diện tích đỉnh đặc trưng và hàm lượng nguyên tố 106
3.4.3. Xác định giới hạn phát hiện trong kỹ thuật PIXEA mẫu PM10 108
3.5. Phân tích hàm lượns các ion hoà tan trong PMio bane kỹ thuật IC 110
3.6. QA và AC các kết quả phấn tích 113
3.6.1. Tương quan giừa các giá trị phê chuẩn và kết quà phân tích 113
3.6.2. Sự tương quan giữa các nguyên tố có cùng nguồn gốc 118
3.6.3. So sánh kết quả phân tích theo các phương pháp khác nhau 119
3.7. Xác định hệ số làm giàu của các nguyên tố trong PM2.5 và PM2.5-10- --121
3.8. Xác định các yếu tố tác động đến bụi khí PM2.5 và PM2.5.10 123
3.8.1. Các yếu tố khí tượng tác động đến bụi khí PM2.5 và PM2.5-10 123
3.8.2. Mô hình hồi qui PM2.5 & PM2.5-10 khí theo các yéu tố khí tượng 124
3.9. Mô hình ô nhiễm bụi khí PM2.5 và PM2.5-10 trong chế độ gió mùa ờ
Hà Nội giai đoạn 1999-2001 128
3.9.1. Các quĩ đạo lùi đặc trưng ảnh hường đến ô nhiễm bụi khí PM10
ờ Hà Nội 129
3.9.2. Các mò hình nguồn ố nhiễm bụi khí theo từng loại quĩ đạo 131
3.9.3. Bụi khí lan truyền tầm xa (LRT) và bụi khí tại chỗ (LB) 135
3.10. Mô hình ô nhiễm bụi khí PM2.5 và PM2.5.10 ờ thành thị và nông thôn Miền Bắc trong giai đoạn 2001-2002 136
3.10.1. So sánh thành phần hoá học cùa ô nhiễm bụi khí PM2.5 và PM2.5.10
ở thành thị và nống thổn 137
3.10.2. Mồ hình các nguồn ỏ nhiễm bụi khí ở thành thị, nổng thổn và
Sự đóng góp của chúng 139
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 145
Kết luận 145
Kiến nghị 149
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 150
Công bố quốc te 150
Công bố trong nước 152
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHÁO 153
Tài liệu tham khảo tiếng Việt 153
Tài liệu tham khảo tiếng Anh 154
PHỤ LỤC 162

MỞ ĐÀU
1. Lý do chọn đề tài
Môi tnrờng xung quanh chúng ta bao gồm không khí, đắt, nước, độne vật và thực vật. Trong quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, chúng ta không thề tránh khỏi các hoạt động phát triển kinh té xà hội mà ờ một mức độ nào đó có thể gây ra ô nhiễm cho môi trường xung quanh. Hơn nừa, các hoạt động bất thườne cùa thiên nhicn, tự nhicn chắng hạn như các trận bào cát, lù lụt, cháy rừng, độne đắt và núi lừa v.v. cũng gây ra ô nhiễm cho môi trường.
Trong tất cà các đối tượng môi trườne xung quanh chúne ta thì môi tnrờng không khí cằn phải được quan tâm đầu ticn vì nó được xcm là một đối tượng vật chắt đặc biệt quan trọne và rất cằn thiết đế duy trì sự sống. Chúng ta thườne xuycn phải hít thờ không khí ngay cà khi chúng ta đang ngủ. Ước tính lượng không khí trung bình mà chúng ta hít thờ mỗi ngày vào khoảng 11 m\ do đó nếu như không khí khône được trong sạch mà lại chứa nhiều chất độc hại thì chắc chấn rằng chúne sẽ xâm nhập sâu vào trong cơ the qua hệ thống hô hấp và sẽ gây ra nhừng hậu quà hét sức nehicm trọne cho sức khoe và tính mạng con người.
The nhưng, bầu không khí mà chúng ta đang hít thở hàng ngày từ lâu đà bị ô nhiễm và ngày càng bị ô nhiễm nghicm trọng bời nhiều nguycn nhân khác nhau. Chất thài từ các nhà máy, xí nghiệp, hoạt động siao thông vận tải, công trình xây dime và từ các khu đô thị v.v. đà và đane làm cho bầu không khí ngày càne bị vấn đục, hạn chc tằm nhìn, gây ra mưa xít, hiệu ứng nhà kính, làm cho con người cảm thấy ngột ngạt khó thờ, dỗ bị đau yéu, phiền muộn do hít thờ phải bụi, khói, các khí độc và thậm chí dần đến tử vong. Hơn thế nừa, nhiều nehicn cửu gằn đây còn cho thấy ô nhiễm không khí là tác nhân chính làm thay đồi khí hậu toàn cầu - một trong nhừng vấn đề quan tâm hàng đầu của nhân loại hiện nay.
Mặc dù ô nhiềm không' khí đà được biết đcn từ rắt lâu, nhưng phải đcn thế kỳ XX và đặc biệt là trong mấy thập ký gần đây con người mới nhận thức được mối nguy hại khủne khiếp của nó sau một số thảm họa do chúng gây ra [60]. Đầu ticn có thề kế đến là thảm họa xảy ra vào tháng 12/1930 ờ thung lũng Mcuse (Bi). Thảm
hoạ này đà làm cho hàng trăm người ngà bệnh và hơn 60 người bị thiệt mạng. Nguyên nhân xảy ra là do hiện tượng nghịch nhiệt đà kìm hàm sự phát tán khí thải từ các khu công nghiệp trong thời gian 3 ngày. Hiện tượng tương tự lại xảy ra ngay sau đó vào tháng 1/1931 và kéo dài trong thời gian 9 ngày đà làm cho 592 người trong vùng Manchester và Salford của nước Anh bị thiệt mạng. Vào năm 1948, gần 7000 người của thị tran nho Donora của Pennsylvania cùng đà ngã bệnh do khí thải phát ra từ các nhà máy hoá chất và sản xuất thép bao phù trong 4 ngày. Tang tóc hơn nừa là vào tháng 12/1952 khói bụi đã bao phù toàn bộ thành phố London đcn hơn 10 ngày đã làm cho hơn 4000 người thiệt mạng. Tháng 1/1956, 1000 người nừa đã bị tử vong cũng trong tình huống tương tự.
Các thảm họa này đà đánh thức sự quan tâm sâu sắc của toàn nhân loại về hiểm họa cùa ô nhiỗm không khí. Hàng loạt công trình nghiên cứu đà và đang được thực hiện trong hơn 50 năm qua ờ nhiều nước trên thế giới nhằm tìm hiếu bản chất, nguôn gôc và tác hại của các chât ô nhiêm trong không khỉ đôi với sức khoẻ. Trên cơ sở đó vạch ra các ch inh sách, biện pháp ngăn chặn và giảm thiêu các chât ô nhiễm, bảo vệ môi tnrờng sống cho con ngirời. Ớ các nước tiên tiến ô nhiỗm không khí đà giảm thiểu khá nhiều từ vài thập ký gần đây nhờ có nhừng hiểu biết ấy. Tuy nhiên ô nhiềm không khí lại đang có chiều hướng gia tăng ở nhiều nước kém phát triển đang trong quá trình công nghiệp hoá.
Mặc dù các nhà khoa học đà thu được khá nhiều thành tựu trong thời gian qua song hiện nay ô nhiềm không khí vẫn đang là một vắn đề ô nhiềm môi trường hết sức nghiêm trọng không nhừng ở các thành phố lớn, các trune tâm công nghiệp, thương mại hoặc giao thông vận tải mà còn ờ cả các vùng nông thôn xa xôi nừa.
Do tính chắt đa dạng và phức tạp của các yếu tố ô nhiễm trong môi trường không khí và sự tác động qua lại giừa các hệ sinh thái trong môi trường, ncn đô giải quyết bài toán ô nhiễm bụi khí đòi hỏi phải có sự tham gia của nhiều ngành khoa học, nhiều kỹ thuật phân tích khác nhau nhằm thu thập một cách đầy đủ nhất các thông tin tiềm an trong mẫu phân tích từ đó mới có thể hiểu rõ được bản chắt của ô nhiễm bụi khí. Trong số các kỹ thuật phân tích có thể áp dụng đế nghicn cứu ô nhiễm bụi khí thì các kỹ thuật phân tích hạt nhân (Nuclear Analytical Techniques - NATs) thế hiện được nhiều ưu thế vượt trội nhờ khà năng phân tích đồng thời đa nguyên tố, độ nhạy và độ chính xác cao, khà năng phân tích các mầu có khối lượng nhò với độ lặp lại tốt và không đòi hòi áp dụng các qui trình xử lý mẫu quá phức tạp. Nhờ các ưu thế này mà NATs cung cắp được các số liệu về hàm lượng các nguyên tố hoá học rất phong phú và đàm bảo chắt lượng cho các mô hình thống kê toán học trong nghiên cứu các nguồn gây ô nhiễm bụi khí.
Với những lý do trên đây, tác già đà lựa chọn đề tài luận án ‘"Nghiên cihỉ ứng dụng kỹ thuật phân tích hạt nhàn phoi hợp với một sổ kỳ thuật phân tích hỗ trợ góp phần giài quyết bài toán ỏ nhiễm bụi khỉ PM]"

2. Mục đích nghiên cứu của luận án
✓ Xác định bàn chất của ô nhiễm bụi khí PM2.5, PM2.5-10 và sự tác động của các yếu tố khí tượng đến mức độ ô nhiềm, nhận diện các nguồn gây ô nhiễm và định lượng phần đóng góp cùa chúng.
^ Góp phần tạo cơ sờ khoa học cho công tác quàn lý hiệu quà chất lượng môi trường không khí nói chung, bụi khí PM10 nói riêng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đồi tượng nghiên cửu:
s Bụi khí PM2.5 và PM2.5-10 (thường được gọi chung là bụi khí PM10 - bụi khí có đường kính khí động lực của các hạt bụi nhò hơn lOịam. Loại bụi khí này rất dề dàng xâm nhập vào cơ thế qua hệ thống hô hấp và gây tác hại trực tiếp đến sức khoè con người).
s Các kỹ thuật phân tích hạt nhân: INAA (Instrumental Neutron Activation Analysis), XRF (X-Ray Fluorescence Analysis) và PIXE (Proton Induced X-ray Emission Analysis) xác định đặc trưng cùa bụi khí PM2.5. PM2.5-10; Kỹ thuật phân tích hồ trợ: IC (sắc ký ion).
✓ Các mô hình thống kê tiên tiến: PCFA (Principle Component Factor Analysis) và PMFA (Positive Matrix Factorization Analysis).
VTBẩc
3.2. Phạm vi nghiên cứu :
s Bụi khí PM2.5 và PM2.5-10 ở Hà Nội và Lục Nam (Bắc Giang).
✓ Các kỹ thuật phân tích hạt nhân và IC: Tập trung vào các kỳ thuật xác định hàm lượng các nguyên tố hóa học chù yếu và hàm lượng các ion hòa tan (bao gồm Anion và Cation).
✓ Các mô hình thống kê tiên tiến: Tập trung vào xử lý số liệu thực nghiệm xác định các yếu tố khí tượng tác động đến bụi khí PM10, hệ số làm giàu của các nguyên tố hóa học, nhận diện các nguồn ô nhiễm (bao gồm cả ô nhiềm do lan truyền tầm xa) và định lượng phần đóng góp của chúng.
4. Ý nghĩa khoa học của luận án
4.1. về phương pháp
s Thiết lặp được phương pháp luận nghiên cứu ô nhiềm bụi khí PM10 và
triền khai áp dụng thành công ở Việt Nam bao gồm: kỹ thuật thu góp mẵu phân lặp theo kích thước hạt kỳ thuật xác định hàm lượng PM: kỹ thuật phân tích thành phần nguyên tố, thành phần ion hoà tan; kỳ thuật xử lý thông kê các số liệu thực nghiệm và tính toán các quĩ đạo lan truyền xa.
✓ Nghiên cứu áp dụng thành công mô hình thống kê tiên tiến PCFA và PMFA trong nghicn cứu nhận diện nguồn gây ô nhiễm (gồm cả nguồn do lan truyền tầm xa), xác định sự đóng góp của các nguồn thành phần.
✓ Xác định được các yếu tố khí tượng tác động đcn mức độ ô nhiềm bụi khí PM2.5 và PM2.5.10 trong không khí.
4.2. Các kết quả cụ thể
s Lần đầu tiên xây dựng được biến trình ô nhiễm bụi khí PM2.5, PM2.5.10 và Fi-BC (carbon đcn trong bụi mịn PM2.5) trong 10 năm liên tục ở Hà Nội.
✓ Lần đầu tiên xây dựng được cơ sở dừ liệu 7 năm liên tục (2002-2008) về hàm lượng ô nhiỗm bụi khí PM2.5, PM2.5.10 và thành phần hoá học của chúng ở Hà Nội (hơn 20 000 dừ liệu).