Tài liệu Phương pháp quan trắc, lấy mẫu và phân tích các chất độc trong không khí 2005 docx

PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC, LẤY MẪU VÀ PHÂN TÍCH CÁC CHẤT ĐỘC TRONG KHÔNG KHÍ 1.Phương pháp lấy mẫu 1.1.Địa điểm và vị trí lấy mẫu Trước hết cần phải điều tra nơi phát sinh ra hơi, khí độc

PHƯƠNG PHÁP QUAN TRẮC, LẤY MẪU VÀ PHÂN TÍCH

CÁC CHẤT ĐỘC TRONG KHÔNG KHÍ

1.Phương pháp lấy mẫu

1.1.Địa điểm và vị trí lấy mẫu

Trước hết cần phải điều tra nơi phát sinh ra hơi, khí độc ở đâu, trạng thái tồn tại của chất độc (thể rắn, lỏng hoặc khí…), nguồn hơi khí thải phát sinh ra từ khâu nào: chuẩn bị nguyên liệu, quá trình sản xuất, các chất trung gian, tạp chất hay sản phẩm…

Địa điểm và vị trí lấy mẫu phải được chọn trên cơ sở khoa học và

có hệ thống theo đúng như yêu cầu của nội dung khảo sát như giám sát chất lượng môi trường, kiểm tra quy trình sản xuất hoặc việc tuân thủ pháp luật môi trường hay đánh giá tác động có hại của hoạt động sản xuất đến sức khoe cộng đồng và môi trường Chẳng hạn như, khi đánh giá tác động môi trường của một hoạt động sản xuất nào đó, địa điểm lấy mẫu cần phải đặt giữa khu vực chất độc bay ra, nơi đi lại và làm việc của công nhân, đồng thời cần phải tránh các hệ thống thong hơi, cửa sổ

Khoảng cách từ địa điểm lấy mẫu có thể là 10, 50 hoặc 100m so với nguồn phát thải, nếu xét thấy cần xác định mức độ ô nhiễm do nguồn gây ra

Vị trí của các điểm lấy mẫu được chọn bằng việc sử dụng mạng lưới đối xứng cực với nguồn nằm ở trung tâm Độ lệch cho phép đối với các vị trí đã chọn theo cách có hệ thống cũng được xác định Trong các khu vực có địa hình phức tạp, vị trí các điểm lấy mẫu được xác định chủ yếu theo các điều kiện phát tán cục bộ và phải xem xét cẩn thận trước khi định vị trí lấy mẫu Trong các khu vực như vậy một cuộc nghiên cứu với qui mô nhỏ đã được tiến hành trước khi lựa chọn lần cuối vị trí các điểm lấy mẫu

Nói chung, việc lựa chọn các địa điểm quan trắc và lấy mẫu cần phải tuân thủ các nguyên tắc sau:

-Nếu đánh giá ảnh hưởng của các khu công nghiệp đến chất lượng môi trường không khí thì các địa điểm quan trắc được chọn phải là các khu công

-Địa điểm phải phản ánh được chất lượng không khí từ các hoạt động công nghiệp Muốn vậy, cần phải xét đến 2 yếu tố là không gian và thời gian:

+Với yếu tố không gian: sử dụng mạng lưới đối xứng với nguồn nằm ở trung tâm, xem xét vị trí của các cơ sở sản xuất trong 1 khu công nghiệp để chọn địa điểm đặt mẫu, đồng thời phải chú ý đến địa hình để tránh các tác động của địa hình (tức là tìm hiểu cả các điều kiện phát tán)

+Với yếu tố thời gian: quan trắc theo mùa và các ốp như thế nào đó để có thể phán ánh đúng nhất ảnh hưởng của khu công nghiệp đến chất lượng không khí

1.2 Chiều cao lấy mẫu không khí và chiều cao điểm đo

Chiều cao lấy mẫu không khí và chiều cao điểm đo được chọn ngẫu nhiên hoặc hệ thống so với một chiều cao qui chiếu đã được chọn ngẫu nhiên Nói chung tại các điểm lấy mẫu, các điểm đo phải cao trên mặt đất 3 mét, nhưng không nhất thiết phải áp dụng trong những khu vực có nhà cao tầng hoặc nơi mà nhiệm vụ khảo sát có qui định các mức cao khác Cụ thể các cuộc điều tra về mức độ ô nhiễm không khí ở đường giao thông thì việc lấy mẫu cần được tiến hành ở chiều cao hít thở (thông thường chỉ dưới 2 mét hoặc thậm chí thấp hơn

để xác định các mức ô nhiễm không khí đối với đối tượng là trẻ em)

Khi tiến hành ở các khu vực có tỉ lệ phần trăm các nhà cao tầng lớn, có nhiều người sống ở những độ cao khác nhau mà khi đo ô nhiễm không khí ở mức cao 3 mét không cho kết quả đại diện thì cần thiết sắp xếp để nơi lấy mẫu được đặt ở các độ cao khác nhau Điều này đặc biệt quan trọng khi các nhà cao tầng như vậy ở gần kề các nguồn thải chính

Độ cao điểm đo và chiều cao lấy mẫu phải phản ánh được tác động của ô nhiễm không khí do hoạt động công nghiệp đến chất lượng không khí phải thoả mãn các điều kiện sau:

+không gần nguồn thải

+không bị ảnh hưởng của địa hình

+phản ánh đúng nồng độ nền của khu vực (chú ý đến yếu tố nhà cao tầng, dân cư và chiều cao ống khói)

1.3.Nguyên tắc lấy mẫu

Việc lấy mẫu khí và bụi cần phải được thực hiện theo đúng tiêu chuẩn pháp quy, mỗi địa điểm nên lấy hai mẫu song song cách nhau 20 cm Chẳng hạn việc thu các mẫu bụi và khí nên thực hiện theo TCVN 5973-1995 và ISO

9359-1998

Đồng thời với việc thu mẫu, nhóm nghiên cứu cần phải quan trắc và đo đạc các yếu tố vi khí hậu Việc lấy mẫu và phân tích được tiến hành theo đúng tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6152-1996, tiêu chuẩn của Bộ Y tế - 52 TCN

354-89 và các tiêu chuẩn phân tích khí của Nhật Bản JIS Z-8808, K-0095, K-0096

Với bụi: dùng thiết bị thu bụi có lưu lượng 30-40 lít/phút, hoặc thiết bị thu bụi có lưu lượng cực lớn (> 1000 lít/phút) để thu và xác định hàm lượng bụi trong các khu dân cư, đô thị và không khí xung quanh nói chung, cũng như để xác định hàm lượng kim loại, chất hữu cơ, sol khí… có mặt trong khí quyển Ngoài ra có thể sử dụng thiết bị đo nhanh để phân tích bụi phục vụ cho việc lập công thức hiệu chỉnh, đánh giá nhanh môi trường và thực hiện chương trình giám sát ô nhiễm không khí

Kỹ thuật đơn giản nhất để lấy một mẫu khí là bơm không khí có chất độc vào trong một dụng cụ có thể tích xác định, hoặc thông thường là hút không khí

có chất độc qua dụng cụ thu giữ (phin lọc hoặc ống hấp thụ) Các thiết bị thu giữ chất độc thường có tốc độ bơm từ 0,25 đến 2,50 lít/phút

Với CO: có thể sử dụng dung dịch hấp thụ hoặc lấy mẫu khí về phòng thí nghiệm để phân tích

Với các khí khác như NOx, SOx và O3 dùng dung dịch hấp thụ riêng cho mỗi loại, thu mẫu và đưa về phân tích trong phòng thí nghiệm

Nhìn chung, việc xác định các thông số được thực hiện theo các TCVN tương ứng cho từng chất và phân tích theo Standard Methods của nhà xuất bản American Public Health Association, Washington, DC 20005

1.4 Vận chuyển và bảo quản mẫu

Khi lấy mẫu bằng dụng cụ chứa, dụng cụ này phải được giữ trong các hộp

thời gian đi thu gom trong các thiết bị làm mát hoặc trong nước đá và tránh những tác động làm sai lệch hàm lượng độc tố có mặt trong mẫu (ví dụ, tránh ánh sáng mặt trời khi thu mẫu để phân tích ozôn)

Khi lấy mẫu bằng ống hấp thụ xong cần phải chứa mẫu vào trong các bình chứa mẫu bằng thủy tinh, có nút nhám, dung tích từ 25-50 ml Việc vận chuyển phải đảm bảo an toàn cho mẫu, tránh đổ vỡ, làm lẫn lộn và mẫu bị trộng lẫn vào nhau; đồng thời cũng cần phải bảo quản lạnh mẫu trong quá trình di chuyển Mẫu nên chuyển về phòng thí nghiệm càng sớm càng tốt và bảo quản trong ngăn mát của tủ lạnh Tiến hành phân tích ngay (nếu có thể)

Nói chung, mẫu có thể được phép lưu giữ, nhưng thời gian lưu giữ không nên quá 3 tháng Quá 3 tháng, nếu không có điều gì trở ngại, lập biên bản để hủy mẫu

2 Yêu cầu khoa học về chất lượng số liệu

Chất lượng số liệu quan trắc môi trường được đánh giá qua các mặt sau:

Độ chính xác

Độ chính xác của số liệu được đánh giá thông qua khả năng phản ánh đúng thực tế đến mức độ nào Điều này phụ thuộc vào trang thiết bị máy móc, qui trình, qui phạm quan trắc, xử lý bảo quản mẫu và trình độ chuyên môn của người thực hiện

Tính đồng nhất của số liệu

Tính đồng nhất của số liệu là đòi hỏi bắt buộc để có thể so sánh hơn kém giữa các số liệu Điều này rất quan trọng trong trường hợp cần nghiên cứu sự biến đổi theo không gian và thời gian của một yếu tố môi trường nào đó Để đảm bảo tính đồng nhất của số liệu cần phải:

- Thống nhất phương pháp đo đạc Hiện nay một số yếu tố môi trường có thể có nhiều loại máy đo, và mỗi máy có một phương pháp đo riêng của mình

- Thống nhất qui trình, qui phạm quan trắc Các yếu tố này thay đổi theo không gian và thời gian, do đó không thống nhất vị trí quan trắc và thời điểm lấy mẫu sẽ cho các kết quả khác nhau

Trên thực tế, chúng ta không thể đặt trạm quan trắc và lấy mẫu ở tất cả mọi điểm; do vậy chỉ chọn một số điểm nhất định mà từ đó có thể khống chế cho toàn bộ khu vực Vấn đề đặt ra là cần tìm được một hệ thống điểm đo sao cho số điểm là ít nhất mà vẫn đảm bảo yêu cầu trên Tuỳ theo các điều kiện cho phép, mà chúng ta có thể giải quyết vấn đề này theo các phương pháp sau:

Phân tích tương quan

Trong trường hợp đã có một lượng số liệu về môi trường đủ lớn, được thu thập từ một mạng lưới đều khắp, thì chúng ta có thể chọn hệ thống tối ưu bằng phương pháp phân tích tương quan Nội dung của phương pháp này là tìm mức

độ quan hệ của các yếu tố môi trường thu được từ các trạm đã có bằng thống kê,

từ đó tìm ra các trạm thừa, các trạm thiếu trong hệ thống trạm đã có

Đây là phương pháp tốt nhất, song không mấy thuận lợi nếu công tác mạng lưới mới trong giai đoạn ban đầu

Nghiên cứu cơ chế tác động

Các yếu tố môi trường thường xuyên biến đổi theo không gian và thời gian dưới tác động của các điều kiện tự nhiên Ví dụ trong không khí các chất gây ô nhiễm biến đổi dưới tác dụng của gió, độ ẩm, v.v Mỗi một nhân tố tác động tạo nên một bức tranh môi trường tương ứng

Các chất ô nhiễm di chuyển do hoàn lưu gió trên cao thường phân bố đều

và bao gồm một không gian rộng lớn, còn do gió ở tầng thấp các chất ô nhiễm thường thu nhỏ phân bố quanh nguồn thải Nếu nắm được cơ chế tác động cho phép định ra được một hệ thống trạm hợp lý

Phương pháp tính toán trên mô hình

Các chất gây nhiễm bẩn di chuyển và biến đổi được miêu tả bằng các phương trình toán học nhờ sự giúp đỡ của máy tính điện tử cho phép giải được các bài toán đó Các kết quả tính toán trên mô hình tuy chưa đạt đến mức chính xác cao do các khó khăn về dữ kiện, số liệu đưa vào, tuy vậy kết quả tính theo

mô hình sẽ cho được một bức tranh tổng quát về tình trạng và mức độ ô nhiễm khu vực nghiên cứu

Trên bức tranh tổng quát đó cho phép định ra được một mạng lưới kiểm soát được môi trường trong vùng được tính Thiết lập hệ thống trạm quan trắc bằng cách tính toán trên mô hình thường được sử dụng khi vùng nghiên cứu hẹp như một thành phố, một đoạn sông chẳng hạn Trong thực tế hiện nay không cho phép sử dụng chỉ một trong ba phương pháp trên, mà tuỳ theo khả năng mà dùng phương pháp này hay phương pháp kia

Theo dõi liên tục theo thời gian

Hiện nay môi trường trường thường xuyên thay đổi, do đó một trong những nhiệm vụ đặt ra cho công tác mạng lưới là thu được các dãy số liệu mà từ

đó đánh giá được biến đổi theo thời gian Vấn đề là đặt ra được các thời điểm quan trắc sao cho khoảng cách giữa các thời điểm đó (còn gọi là chu kỳ quan trắc) không quá nhỏ hoặc quá lớn mà vẫn cho phép xác định được một cách gần đúng các yếu tố môi trường ở bất kỳ thời điểm nào

Tính hoàn chỉnh đồng bộ

Hiện nay để đánh giá tác động môi trường người ta thường không đánh giá tác động của từng yếu tố riêng mà sẽ dùng chỉ tiêu tổng hợp P:





 n

i io

i

C

C P

1

Trong đó Ci là nồng độ của yếu tố môi trường thứ i, Cio là nồng độ cho phép của yếu tố đó Để đánh giá tác động bằng chỉ tiêu tổng hợp bắt buộc phải quan trắc đồng thời nhiều yếu tố của môi trường Mặt khác yếu tố môi trường lại chịu sự chi phối mạnh mẽ của các điều kiện tự nhiên khác Do vậy ngoài quan trắc các yếu tố môi trường còn cần phải quan trắc các yếu tố tự nhiên có liên quan Ví dụ trong quan trắc môi trường không khí còn phải quan trắc gió, nhiệt độ, độ ẩm, v.v.,

Tính đặc trưng (đại diện) của số liệu

Số liệu thu được tại trạm sẽ mất hết ý nghĩa nếu nó không đặc trưng cho

cả một vùng xung quanh trạm Độ lớn của vùng phụ thuộc vào đặc điểm tự nhiên của khu vực Để đảm bảo tính đặc trưng, vị trí đặt trạm phải thể hiện sao

cho môi trường tại đó tương tự như môi trường chung cho toàn khu vực cần được quan trắc

Trong quan trắc môi trường không khí nền, điểm quan trắc phải ở xa các nguồn thải địa phương

       2

1 1 2

2 2

1 2

r

(1) Trong đó fi là nồng độ tương đối tổng cộng của yếu tố môi trường i tại 2 điểm không gian - thời gian r1,t1và r2,t2

Khoảng cách giữa cặp trạm được xem là tối ưu nếu hàm cấu trúc (1) đạt cực đại tại khoảng cách r r2 r1 ứng với khoảng thời gian  = t2 - t1

Nếu tính khả biến của các yếu tố môi trường thoả mãn tính chất của trường ngẫu nhiên đồng nhất thì sơ đồ khoảng cách tối ưu giữa các cặp trạm được minh hoạ bằng các đường tròn đồng tâm

Kết quả tính toán

Tính toán các giá trị hàm cấu trúc đối với môi trường không khí được tiến hành trên máy vi tính COMPAQ PRESARIO 4506

3.Thiết bị và cách lấy mẫu khí

3.1 Thiết bị lấy mẫu khí

Để xác định hàm lượng SO2 trong không khí, trước hết cần phải thu một thể tích chính xác không khí và làm sao để cho khí SO2 được hấp thụ một cách định lượng hoàn toàn vào một thể tích chất lỏng xác định Mẫu đã thu được đem xác định lượng khí SO2 đã hấp thụ bằng một phương pháp tiêu chuẩn và từ đó tính được hàm lượng SO2 trong không khí nơi lấy mẫu

Các môi trường hấp thụ và một vài điều kiện lấy mẫu có thể thay đổi tùy thuộc vào phương pháp xác định

Vì khí SO2 rất dễ phản ứng và phản ứng khá nhanh với các chất hấp thụ được chọn, cho nên thiết bị chỉ cần tối đa 2 bình hấp thụ mắc nối tiếp là bảo

đảm hấp thụ hoàn toàn Trình tự tổng quát sắp xếp thiết bị được mô tả như trên hình 1

Đầu hút Bộ lọc bụi Bình hấp thụ Bình bảo vệ TB đo Máy bơm

Hình 1 Hệ thống thiết bị lấy mẫu khí

Nguyên tắc hoạt động của thiết bị là: không khí được hút vào từ miệng hút, qua bộ lọc bụi để tránh sự cản trở cho phương pháp xác định (bụi tan hoặc tồn tại lơ lửng trong dung dịch hấp thụ) Không khí tiếp tục đi qua các bình hấp thụ đã chứa sẵn chất lỏng hấp thụ phù hợp, sau đó qua bình bảo vệ, qua thiết bị

đo lưu lượng khí rồi qua máy bơm và ra ngoài

Đầu hút thường được làm bằng nhựa PTFE, PP hay thủy tinh và khi lắp thì đặt quay miệng xuống Để tránh nước mưa hay tác động khác, người ta thường lắp thêm một phễu chụp quay xuống cùng chiều

Bộ lọc bụi gồm giá lọc và màng lọc Giá lọc có thể sử dụng những bộ thông thường có bán trên thị trường hoặc thường đi cùng với máy bơm chuyên dụng cho việc lấy mẫu khí Màng lọc phải được làm từ vật liệu trơ đối với khí lưu huỳnh dioxit và không hút ẩm Quá trình lọc qua bộ lọc phải đạt hiệu quả cao (99%) đối với các hạt bụi lớn hơn 0,3 m Bộ lọc phải đảm bảo đủ độ thông khí để không ảnh hưởng tới việc lấy mẫu khí Vật liệu làm màng lọc có thể dùng là sợi polystyren hoặc vật liệu trơ khác nhưng không nên dùng bông hay vải thủy tinh

Bình hấp thụ thường là hình trụ có thể làm bằng thủy tinh, PS, PP hay PTFE tuỳ thuộc vào yêu cầu của phương pháp Bình phải có nắp/nút kín, có một ống dẫn khí vào và có đầu phân phối khí phù hợp đặt ở vị trí gần sát đáy bình và một ống dẫn khí ra có miệng đặt ở phía trên của bình (cần chú ý để tránh được

việc làm mất dung dịch hấp thụ ở dạng sol khí) Trong khi lấy mẫu có thể sử dụng 1 hoặc 2 bình hấp thụ mắc nối tiếp nhau

Bình bảo vệ được dung chủ yếu để tránh sự xâm nhập của dung dịch hấp thụ vào làm hại máy bơm cũng như thiết bị đo Hiện nay các máy bơm chuyên dụng thường gắn liền với bình bảo vệ và thiết bị đo lưu lượng

Trong trường hợp phải lắp thiết bị đo lưu lượng khí rời, thì phải lưu ý không được sử dụng loại lưu lượng kế làm bằng vật liệu dễ ăn mòn

Các ống nối phải được làm bằng vật liệu trơ đối với khí SO2 và không làm bẩn mẫu khí cũng như dung dịch hấp thụ Ống PTFE là tốt nhất song thường cứng, khó thao tác Trong trường hợp này phải cần đến các đầu nối làm sẵn PE mềm hoặc silicon rất tiện cho công việc này

3.2 Lấy mẫu khí (TCVN 5978-1995)

Nơi lấy mẫu (nơi đặt thiết bị lấy mẫu) cần phải tránh tiếp xúc với nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp hay trực tiếp bị ánh nắng mặt trời chiếu trong thời gian dài Đầu hút khí phải được đặt sao cho tránh xa được mọi chướng ngại vật (kể

cả thiết bị lấy mẫu), ít nhất là 1 m và cao ít nhất 1,5 m (thường là cao 3m) trên một vùng rộng, có bề mặt bằng phẳng Vị trí lấy mẫu cần phải chọn sao cho đại diện được cho một vùng địa lý Số điểm lấy mẫu cần thiết phải bao trùm được vùng đã định theo mục đích và yêu cầu của công việc và đồng thời cũng là đối tượng cho các chỉ tiêu khác có liên quan trong công việc khảo sát và đánh giá

Sau khi chọn vị trí và lắp đặt xong thiết bị thì tiến hành điền dung dịch hấp thụ vào các bình hấp thụ (chú ý bình hấp thụ phải được tráng rửa sạch sẽ và tốt nhất là đã được sấy khô trước khi sử dụng) Thể tích dung dịch hấp thụ cần được đong chính xác với một lượng tùy thuộc vào yêu cầu của phương pháp cũng như yêu cầu về thời gian lấy mẫu (thường là từ 10 cho đến 150 ml) Bật máy bơm và điều chỉnh nhanh tốc độ hút khí chính xác phù hợp với yêu cầu của phép đo Thông thường lưu lượng khí qua bình hấp thụ là từ 0,5 đến 2,0 lít/phút

Sau thời gian cần thiết, tắt máy bơm, chuyển một cách định lượng toàn bộ dung dịch sau hấp thụ vào chai đựng mẫu rồi đem bảo quản hoặc chuyển ngay

về phòng thí nghiệm để phân tích Chai đựng mẫu có dung tích thông thường từ

50 ml đến 500 ml có nắp/nút kín tuyệt đối và thường được làm bằng vật liệu như vật liệu để làm bình hấp thụ

4 Phân tích mẫu

4.1 Phân tích xác định hàm lượng khí SO 2 trong không khí

Khí SO2 được xem là khí thải độc hại nguy hiểm nhất không phải vì độc tính của nó cao nhất mà vì lượng thải của nó là lớn nhất từ rất nhiều nguồn khác nhau Do vậy mà việc phân tích, kiểm tra nồng độ khí SO2 trong khí quyển thường được quan tâm nhiều và có nhiều phương pháp được sử dụng để xác định nó

Đối với mỗi dải hàm lượng SO2 khác nhau, người ta đều có những phương pháp phù hợp cho độ tin cậy cao Dưới đây là một số phương pháp thông dụng

4.1.1 Xác định SO 2 bằng phương pháp TCM-PARAROSANILIN

(TCVN 5971-1995; ISO 6767:1990)

a Nguyên lý

Khí SO2 khi hấp thụ vào dung dịch tetracloro thủy ngân (tetracloromercurat - TCM) sẽ tạo thành phức chất diclorosulfito thủy ngân Người ta cho thêm dung dịch axit sulfamic vào dung dịch mẫu để phá hủy hết các ion nitrit từ không khí bị hấp thụ theo vào mẫu Tiếp đó, thêm dung dịch pararosanilin hydroclorua đã axit hóa vào mẫu cùng với dung dịch formaldehit

sẽ biến phức trên thành axit pararosanilin-metyl-sunfonic có màu tím thẫm Phức này có cực đại hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 550 nm Dùng máy trắc quang hay UV-VIS spectrophotometer để đo độ hấp thụ quang sẽ xác định được hàm lượng SO2 có trong mẫu thông qua đường chuẩn

Đường chuẩn có thể xây dựng từ hỗn hợp khí SO2 chuẩn với cách tạo axit mang màu như đã trình bày ở trên; hoặc có thể dùng dung dịch sulfit mới được pha và đã được chuẩn lại bằng phương pháp chuẩn độ oxi hóa khử hay chuẩn độ điện thế để xây dựng đường chuẩn