Nghiên cứu xác định hàm lượng cacbon đen và bụi (PM10, PM2,5) tại một số nút giao thông của hà nội

Hiện nay, cacbon đen đã và đang dần nhận được sự quan tâm đặc biệt khi nhiều nghiên cứu và gần đây là Báo cáo về Cacbon đen của EPA 2012 đã chỉ ra rằng quá trình kiểm soát và giảm thiểu

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG CACBON ĐEN

VÀ BỤI (PM10, PM2,5) TẠI MỘT SỐ NÚT

GIAO THÔNG CỦA HÀ NỘI

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGUYỄN LÊ MINH PHƯƠNG

HÀ NỘI, NĂM 2019

GIAO THÔNG CỦA HÀ NỘI

NGUYỄN LÊ MINH PHƯƠNG

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

MÃ SỐ: 8440301 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN THỊ THU PHƯƠNG

HÀ NỘI, NĂM 2019

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn chính: TS Nguyễn Thị Thu Phương – Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Cán bộ chấm phản biện 1: TS Nguyễn Hùng Minh – Trung tâm quan trắc môi trường Miền Bắc – Tổng cục Môi trường

Cán bộ chấm phản biện 2: TS Trần Mạnh Trí – Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Ngày 19 tháng 04 năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bài luận văn này là thành quả thực hiện của bản thân tôi trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài vừa qua

Những kết quả thực nghiệm được trình bày trong luận văn này là trung thực do tôi và các cộng sự thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Thị Thu Phương Các kết quả nêu trong luận văn chưa đuợc công bố trong bất kỳ công trình nào của các nhóm nghiên cứu khác

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đã trình bày trong bản báo cáo này

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Lê Minh Phương

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này một cách hoàn chỉnh, lời đầu tiên với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Thị Thu Phương – người đã hướng dẫn, chỉ bảo tôi thực hiện thành công luận văn thạc sỹ này

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo khoa Môi trường cùng các thầy cô, bạn bè phòng Phân tích khoa Môi trường - trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã hết lòng ủng hộ, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, nguời thân và bạn

bè luôn mong muốn tôi hoàn thành tốt bài luận văn

Trong quá trình thực hiện luận văn dù đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi những thiết sót, vì vậy tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý Hội đồng, quý thầy cô và các bạn để luận văn của tôi được hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội ngày 02 tháng 05 năm 2019

Học viên

Nguyễn Lê Minh Phương

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về bụi 3

1.1.1 Định nghĩa 3

1.1.2 Phân loại 3

1.1.3 Tính chất 4

1.1.4 Tác động của bụi 4

1.2 Tổng quan về cacbon đen 5

1.2.1 Khái niệm, tính chất hạt cacbon đen 5

1.2.2 Nguồn phát sinh cacbon đen 8

1.2.3 Hiện trạng phát thải cacbon đen trên thế giới 12

1.2.4 Tác động của hạt cacbon đen 16

1.2.5 Các phương pháp xác định cacbon đen trong không khí 24

1.3 Tình hình nghiên cứu cacbon đen trong môi trường không khí 26

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 26

1.3.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam 27

1.4 Tổng quan khu vực nghiên cứu 27

1.4.1 Hiện trạng chất lượng không khí tại Hà Nội 27

1.4.2 Hiện trạng không khí tại các nút giao thông của Hà Nội 29

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 31

2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 31

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 31

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 31

2.2 Phương pháp nghiên cứu 31

2.3 Lựa chọn vị trí lấy mẫu 31

2.4 Phương pháp lấy mẫu và phân tích các loại bụi 32

2.4.1 Dụng cụ, thiết bị sử dụng 32

2.4.2 Quy trình lấy mẫu bụi 36

2.4.3 Quy trình phân tích bụi 36

2.5 Phương pháp phân tích BC trong các loại bụi 38

2.6 Lấy mẫu BC trong các loại bụi TSP, PM10 và PM2,5 tại các vị trí nghiên cứu 40

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

3.1 Kết quả hàm lượng các loại bụi tại vị trí quan trắc 42

3.2 Kết quả hàm lượng cacbon đen trong bụi TSP tại các vị trí lấy mẫu 44

3.3 Kết quả hàm lượng cacbon đen trong bụi PM10 tại các vị trí lấy mẫu 46

3.4 Kết quả hàm lượng cacbon đen trong bụi PM2,5 tại các vị trí lấy mẫu 48

3.5 Đánh giá tỷ lệ hàm lượng cacbon đen trong và giữa các loại bụi tại vị trí quan trắc… 52

3.6 Xây dựng quy trình lấy mẫu và phân tích cacbon đen trong bụi 54

3.6.1 Quy trình lấy mẫu cacbon đen 54

3.6.2 Quy trình phân tích cacbon đen 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

1 Kết luận 58

2 Kiến nghị 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

THÔNG TIN LUẬN VĂN

Họ và tên học viên: Nguyễn Lê Minh Phương

Lớp: CH3MT1 Khóa: Cao học 3A (2017 – 2019)

Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Thu Phương – Đại học Công nghiệp Hà Nội

Tên đề tài: “Nghiên cứu xác định hàm lượng cacbon đen và bụi (PM 10 , PM 2,5 ) tại một số nút giao thông của Hà Nội”.

nút giao Xuân Thuỷ - Phạm Hùng – Hồ Tùng Mậu – Phạm Văn Đồng

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AQI : Chỉ số chất lượng không khí

BC : Black Carbon (Cacbon đen)

CB : Carbon Black (Than đen)

CC : Controlled Combustion (Đốt có kiểm soát)

EC : Elemental Carbon (Cacbon nguyên tố) EPA : Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ

IPCC : Uỷ ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu KNK : Khí nhà kính

OC : Organic Carbon (Cacbon hữu cơ)

OB : Open Burning (Đốt ngoài trời)

PAHs : Hydrocarbon thơm đa vòng

PM : Particulate matter (Bụi)

POPs : Các hợp chất ô nhiễm hữu cơ bền

TSP : Tổng bụi lơ lửng

WHO : Tổ chức Y tế Thế giới

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng mô tả các nguồn phát thải BC và tỷ lệ (%) trong tổng phát thải 8

Bảng 1.2 Tỷ lệ OC/BC từ quá trình đốt cháy các nguồn nguyên/nhiên liệu 11

Bảng 1.3 Các đặc điểm khác nhau giữa cacbon đen và CO2 20

Bảng 2.1 Thông số và thiết bị lấy mẫu 32

Bảng 2.2 Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm 37

Bảng 2.3 Bảng mô tả vị trí lấy mẫu 40

Bảng 3.1 Kết quả hàm lượng các loại bụi tại vị trí quan trắc HN1 42

Bảng 3.2 Kết quả hàm lượng các loại bụi tại vị trí quan trắc HN2 43

Bảng 3.3 Kết quả hàm lượng BC trong bụi TSP tại hai vị trí 44

Bảng 3.4 Kết quả trung bình của TSP và BC tại hai vị trí quan trắc 45

Bảng 3.5 Hàm lượng BC trong PM10 tại các vị trí quan trắc 46

Bảng 3.6 Kết quả trung bình của PM10 và BC tại hai vị trí quan trắc 47

Bảng 3.7 Hàm lượng BC trong PM2,5 tại các vị trí quan trắc 48

Bảng 3.8 Kết quả trung bình của PM2,5 và BC tại hai vị trí quan trắc 49

Bảng 3.9 Hàm lượng BC trung bình 24h trong 03 dạng bụi tại hai vị trí quan trắc 51 Bảng 3.10 Hàm lượng BC trung bình 24h tại một số khu vực trên thế giới 51

Bảng 3.11 Bảng đánh giá tỷ lệ hàm lượng BC trong và giữa các loại bụi 52

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Hình ảnh về mặt cầu BC qua kính hiển vi điện tử độ phân giải cao 6

Hình 1.2 Hình ảnh của hạt muội điển hình Chúng bao gồm nhiều khối cầu muội 6

Hình 1.3 Thống kê tỷ lệ các nguồn phát thải BC trên toàn thế giới năm 2000 8

Hình 1.4 Kịch bản các yếu tố làm gia tăng phát thải cacbon đen theo các khu vực trên thế giới và theo nguồn phát thải từ 2000 đến 2030 13

Hình 1.5 Kịch bản sự gia tăng lượng phát thải BC ngành giao thông theo các khu vực trên thế giới từ 2000 đến 2030 13

Hình 1.6 Cơ chế tác động trực tiếp của cacbon đen trong khí quyển 17

Hình 1.7 Cơ chế tác động gián tiếp của BC thông qua sự tương tác với đám mây 19 Hình 1.8 Quá trình xâm nhập của bụi vào hệ hô hấp 22

Hình 2.1 Thiết bị lấy mẫu bụi SIBATA LV – 20P 33

Hình 2.2 Thiết bị lấy mẫu bụi lưu lượng lớn SIBATA HV – 500R 34

Hình 2.3 Thiết bị lấy mẫu bụi lưu lượng lớn Staplex TSP - 2 35

Hình 2.4 Vị trí lấy mẫu trên bản đồ 40

Hình 3.1 Kết quả trung bình hàm lượng bụi TSP và BC tại hai vị trí 46

Hình 3.2 Kết quả trung bình hàm lượng bụi PM10 và BC tại hai vị trí 48

Hình 3.3 Kết quả trung bình hàm lượng bụi PM2,5 và BC tại hai vị trí 50

ô nhiễm môi trường không khí, đặc biệt tại các đô thị đã không còn là vấn đề riêng

lẻ của một quốc gia hay một khu vực mà nó đã trở thành vấn đề toàn cầu Sự gia tăng nồng độ các chất gây ô nhiễm như CO2, CH4, … trong không khí có thể gây ra hiệu ứng nhà kính, kéo theo đó là sự biến đổi nhiệt độ bề mặt trái đất, nước biển dâng, sự gia tăng mạnh cả về số lượng lẫn cường độ các hiện tượng khí hậu cực đoan và thiên tai Không những thế, ô nhiễm không khí còn có ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người, đặc biệt đối với đường hô hấp Các báo cáo của WHO đã cho thấy chất lượng không khí trên phạm vi toàn thế giới đang suy giảm trông thấy,

có tới 95% dân số thế giới đang hít thở không khí vượt chuẩn an toàn [1] và cứ 3 người tử vong thì 2 trường hợp xảy ra ở Đông Nam Á, còn lại ở Tây Thái Bình Dương [2] Trong đó, nồng độ bụi PM10, PM2,5 là các hạt ô nhiễm nguy hiểm nhất được hình thành chủ yếu từ khói do xe cộ thải ra, bụi bẩn từ các công trường, hoạt động đốt củi và than ở các hộ gia đình

Cacbon đen là một loại hạt vật chất vô định hình được tạo ra từ tất cả các quá trình đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch (như dầu diesel, than đá, …) hay đốt cháy sinh khối (rơm, rạ, ) [3] Nó là thành phần có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh nhất trong các hạt bụi mịn và có thời gian tồn tại khá ngắn trong bầu khí quyển Vì vậy, không chỉ có khả năng gây ra các tác động bức xạ trực tiếp hoặc gián tiếp vào sự thay đổi khí hậu toàn cầu, cacbon đen còn ảnh hưởng tiêu cực đến sức khoẻ con người Hiện nay, cacbon đen đã và đang dần nhận được sự quan tâm đặc biệt khi nhiều nghiên cứu và gần đây là Báo cáo về Cacbon đen của EPA (2012) đã chỉ ra rằng quá trình kiểm soát và giảm thiểu phát thải cacbon đen sẽ đem lại hiệu quả về mặt môi trường và kinh tế cao hơn so với CO2 trong thời điểm hiện tại [4]

Gần đây, quá trình phát thải cacbon đen ở Việt Nam đang nhận được sự chú

2

ý lớn do tốc độ gia tăng nhanh chóng của chúng Trong chưa đầy hai thập kỷ qua, Việt Nam đã trở thành một trong những quốc gia ô nhiễm không khí nghiêm trọng nhất khu vực châu Á [1] Hà Nội là thành phố lớn thứ hai ở Việt Nam với dân số 7,7 triệu người, trong đó có 3,2 triệu người sinh sống ở các quận nội thành Theo Chi cục Bảo vệ Môi trường (Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội), 70% lượng khói bụi gây ô nhiễm không khí tại Hà Nội là do hoạt động giao thông [5] Một số khu vực có nồng độ ô nhiễm bụi cao tập trung ở các quận như: Hà Đông, Hoàng Mai, Cầu Giấy và Từ Liêm

Mặc dù các tác động của sự gia tăng nhanh cacbon đen trong bầu khí quyển

là rất lớn tuy nhiên những kiến thức về nồng độ cabon đen hay hiện trạng, sự phân

bố của chúng tại các điểm nóng ô nhiễm vẫn chưa được thực hiện Xuất phát từ

thực tế trên, em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu xác định hàm lượng cacbon đen

và bụi (PM 10 , PM 2,5 ) tại một số nút giao thông của Hà Nội” để góp phần nâng cao

kiến thức cũng như bảo vệ sức khoẻ người dân trong bối cảnh biến đổi khí hậu và mối quan tâm về sức khoẻ cộng đồng đang đặc biệt được chú trọng

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định hàm lượng cacbon đen và bụi (TSP, PM10, PM2,5) ở một số nút giao thông tại Hà Nội

- Xác định tỷ lệ các loại bụi và tỷ lệ các bon đen trong các loại bụi

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về cacbon đen, các phương pháp xác định cacbon đen trong môi trường không khí xung quanh

- Lấy mẫu, xác định hàm lượng bụi (TSP, PM10, PM2,5) và cacbon đen trong các loại bụi tại hai nút giao thông trọng điểm trên địa bàn Hà Nội

- Đánh giá tỷ lệ các loại bụi và tỷ lệ cacbon đen trong các loại bụi

3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về bụi

1.1.1 Định nghĩa

Sol khí hay bụi (Particle matter - PM) đều là hỗn hợp động của các hạt ở dạng rắn hoặc lỏng, có kích thước nhỏ, phân tán rộng trong không khí Trong khí quyển Trái Đất, bụi có thể được sinh ra từ cả nguồn tự nhiên và nhân tạo như: đất mịn bị gió cuốn, muối thổi từ biển, các hạt được tạo ra từ quá trình đốt cháy, quá trình quang hoá, …

Do các nguồn tạo ra bụi rất đa dạng nên hình thái và thành phần của từng loại cũng rất khác nhau Chúng có thể chứa một hoặc nhiều các liên kết nguyên tố cacbon; ion vô cơ; các nguyên tố vi lượng; hợp chất từ vỏ trái đất; các hợp chất hữu

cơ hay sinh học [4]

1.1.2 Phân loại

Đường kính của bụi trong khí quyển có thể dao động từ vài nanomet đến hàng trăm micromet và đây chính là yếu tố quyết định đến chu kỳ tồn tại cũng như những tác động của chúng đến sức khoẻ con người, môi trường Loại bụi có đường kính động học bằng hoặc nhỏ hơn 2,5 μm (bụi PM2,5) được gọi là bụi mịn, ngược lại

là bụi thô Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng bụi PM2,5 có thể đi sâu vào phế nang gây viêm nhiễm đường hô hấp và làm tăng nguy cơ tử vong ở những người mắc bệnh ung thư phổi và bệnh tim [2]

Về trọng lượng, cacbon nguyên tố (Elemental carbon – EC) cùng với cacbon hữu cơ (Organic carbon – OC) là hai thành phần quan trọng, chiếm chủ yếu và được xác định bằng phương pháp quang nhiệt Trong đó, dạng cacbon có thể hấp thụ ánh sáng (Light-absorbing carbon – LAC) hay cacbon đen (Black carbon – BC) thường được coi là nhóm EC Tuy nhiên, trên thực tế, việc phân loại nhóm hạt còn phụ thuộc vào những đặc tính hoá học và vật lý được sử dụng khi đo các lớp bụi cacbon

Cụ thể, trong khi cacbon đen đại diện cho phần vật liệu cacbon hấp thụ ánh sáng ở tất cả các bước sóng [6] thì EC ở dạng chì hấp thụ phổ ánh sáng nhìn thấy được và không bị khử về CO2 khi nung nóng đến 800oC trong điều kiện trơ [7] Do đó, về

- Tính kết dính của bụi: Các hạt bụi có xu hướng kết dính vào nhau, hạt càng mịn thì chúng càng dễ bám vào bề mặt Với những hạt bụi có 60 – 70% số hạt bé hơn 10

µm thì rất dễ dẫn đến dính bết, còn bụi có nhiều hạt trên 10 µm thì dễ trở thành tơi xốp

- Độ mài mòn của bụi: Độ mài mòn của bụi được đặc trưng bằng cường độ mài mòn kim loại khi cùng vận tốc dòng khí và cùng nồng đô bụi Nó phụ thuộc vào độ cứng, hình dáng, kích thước, khối lượng hạt bụi

- Độ hút ẩm

- Độ dẫn điện và sự tích điện của lớp bụi: Dấu của các hạt bụi tích điện phụ thuộc vào phương pháp tạo thành, thành phần hóa học, cả những tính chất của vật chất mà chúng tiếp xúc

1.1.4 Tác động của bụi

Theo Health, tiếp xúc với các hạt mịn có thể gây ra các ảnh hưởng sức khỏe ngắn hạn như mắt, mũi, họng và phổi, ho, hắt hơi, sổ mũi và khó thở Nguyên nhân chính là do bụi PM2,5 cộng với khí CO hay SO2, NO2 gây kích ứng niêm mạc đồng thời cản trở hemoglobin kết hợp oxi khiến tế bào thiếu oxi dẫn đến suy giảm chức năng phổi và làm nặng thêm tình trạng bệnh hen và bệnh tim

Bụi siêu mịn khi tiếp xúc lâu dài gây gia tăng tỷ lệ viêm phế quản mãn tính, giảm chức năng phổi và tăng tỷ lệ tử vong do ung thư phổi và bệnh tim Ước tính rằng, PM2,5 tăng 10 µg/m3 thì số bệnh nhân cấp cứu vì bệnh cao huyết áp sẽ tăng 8%, các bệnh về tim mạch cũng tăng lên Do đó, những người có vấn đề về hô hấp

và tim, trẻ em và người già nhạy cảm với bụi bẩn cần cẩn thận để đề phòng biến chứng Đối với những người thường xuyên làm việc trong môi trường ngoài trời

1.2 Tổng quan về cacbon đen

1.2.1 Khái niệm, tính chất hạt cacbon đen

a Khái niệm

Cacbon đen là một dạng hạt cacbon vô định hình, được tạo ra từ sự đốt cháy không hoàn toàn các hợp chất có chứa cacbon Tuy nhiên, hiện nay chưa có định nghĩa hoá học nào được chấp nhận một cách rộng rãi để giải thích cho thuật ngữ

“cacbon đen” Vì vậy, có rất nhiều các định nghĩa được đề xuất bởi nhiều tác giả khác nhau, có người dựa vào các đặc tính hoá học và vật lý của chúng cũng có người dựa trên đặc tính hoạt động và các dữ liệu đo đạc được Cụ thể, hai tác giả

Andreae và Gelencsér (2006) xác định BC là "một dạng cacbon không tinh khiết với

cấu trúc gồm nhiều khối cầu nhỏ, được hình thành trong quá trình đốt cháy và trong động cơ đốt trong" (Hình 1.1) Mặt khác, trong Báo cáo công bố năm 2012,

Tổ chức Y tế thế giới (WHO)/Nhóm Công ước về các khía cạnh sức khoẻ do ô

nhiễm môi trường không khí gây ra đã xác định cacbon đen “là một thuật ngữ dùng

để mô tả cacbon theo phép đo khả năng hấp thụ ánh sáng”

BC luôn được phát thải ra ngoài cùng với một tập hợp các dạng hạt khác nhau như sulfur dioxide (SO2), nitrogen oxide (NOx), OC, … Tập hợp các chất này được gọi là muội (soot) Hỗn hợp muội khác nhau không những về thành phần mà còn ở tỷ lệ giữa OC và BC Đối với nguồn khí thải diesel thì tỷ lệ OC : BC trung bình vào khoảng 1 : 1; đối với nhiên liệu sinh học, tỷ lệ này xấp xỉ 4 : 1 và đạt tỷ lệ

9 : 1 khi đốt cháy sinh khối [8]

6

Hình 1.1 Hình ảnh về mặt cầu BC qua

kính hiển vi điện tử độ phân giải cao

Hình 1.2 Hình ảnh của hạt muội điển hình Chúng bao gồm nhiều khối cầu muội

- Chu kỳ tồn tại trong khí quyển của BC chỉ từ vài ngày đến vài tuần [4]

- Khả năng hấp thụ tất cả các bước sóng từ bức xạ mặt trời [6]: Phổ của bức

xạ mặt trời chiếu xuống Trái đất từ tia bức xạ tử ngoại có bước sóng nhỏ hơn 280nm đến bức xạ hồng ngoại có bước sóng dài tới 1000nm Tuy nhiên, bước sóng

UV ngắn hơn 280 nm được hấp thụ đáng kể khi đi qua tầng bình lưu Do đó, thuật

7

ngữ "hấp thụ tất cả các bước sóng bức xạ mặt trời" khi nói về cacbon đen tương

ứng với các bước sóng mặt trời có trong tầng đối lưu (trong khoảng 280 - 2500 nm)

Khi quá trình đốt cháy động cơ xảy ra, các khói đen chúng ta nhìn thấy là do

có chứa một lượng lớn cacbon đen, chúng hấp thụ tất cả các bước sóng của ánh sáng, gây ra sự xuất hiện màu đen Còn những đám khói do sự đốt cháy sinh khối thường có màu nâu, xanh hoặc xám bởi quá trình đốt cháy này tạo ra một lượng cacbon hữu cơ cao hơn cacbon đen Các hạt hữu cơ này không chỉ hấp thu một phần bước sóng ánh sáng nhất định mà còn có khả năng tán xạ dẫn đến màu nâu của khói [10]

- Chịu được lửa với nhiệt độ bốc hơi gần 4000oK[6]

- Không tan trong nước và các dung môi hữu cơ thông thường [6]

- Có cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn: Nhờ tính chất này, chúng hoạt động như những chất siêu hấp thụ trong môi trường không khí đối với các hợp chất POPs khác nhau như PCBs, PCDD / Fs và các polyphenolic khác [11] Sự vận chuyển POPs toàn cầu, tích tụ sinh học của POPs, quá trình lắng đọng POPs trong đất và trầm tích bị ảnh hưởng lớn bởi sự hấp thụ BC [12] Cacbon đen, than hoặc các vật liệu muội cũng được biết đến là những chất hấp thụ PAHs quan trọng nhất trong môi trường

c Phân biệt cacbon đen (BC) và than đen (CB)

Than đen là một loại nguyên liệu được tạo ra từ quá trình nhiệt phân sản phẩm dầu mỏ nặng như nhựa FCC, nhựa than đá, … và một lượng nhỏ từ dầu thực vật Ứng dụng thông thường nhất của than đen là bột màu và chất làm tăng độ bền của lốp xe, chất gia cường trong các sản phẩm cao su hoặc làm bột màu trong mực

in, sơn, nhựa Ví dụ: nó được thêm vào polypropylene bởi vì nó hấp thụ tia cực tím Than đen có nguồn gốc từ thực vật được sử dụng như một chất màu thực phẩm, ở Châu Âu được biết đến như một loại phụ gia E153

Than đen là một dạng cacbon vô định hình có tỷ lệ diện tích bề mặt/ thể tích lớn mặc dù tỷ lệ diện tích bề mặt/ thể tích của nó thấp so với dạng carbon hoạt tính

Nó khác với muội vì tỷ lệ diện tích bề mặt/ thể tích cao hơn và hàm lượng PAHs

8

thấp hơn đáng kể

1.2.2 Nguồn phát sinh cacbon đen

a Các nguồn phát thải cacbon đen

BC được phát thải ra môi trường thông qua cả nguồn tự nhiên (phun trào núi lửa, cháy rừng, ) và nhân tạo (công nghiệp, giao thông, …) Trong khi quá trình phát thải từ các nguồn tự nhiên là tự phát và ngẫu nhiên thì sự phát thải do con người gây ra thường mang tính chất phổ biến và liên tục

Hình 1.3 Thống kê tỷ lệ các nguồn phát thải BC trên toàn thế giới năm 2000

Nguồn: Lamarque & cs, 2010 [8] Bảng 1.1 Bảng mô tả các nguồn phát thải BC và tỷ lệ (%) trong tổng phát thải

25,1 % (4% từ hoạt động đốt

lò ở các nước đang phát triển)

Đốt ngoài trời (Gồm cả cháy rừng tự nhiên) Hoạt động sinh hoạt

9

nặng và xe tải hạng nhẹ, thiết bị xây dựng và xe nông nghiệp); động cơ xăng (xe ô tô, xe máy;

tàu và máy bay)

4 Công

nghiệp

Từ các nguồn cố định như lò gạch; nhà máy sản xuất sắt thép; nhà máy nhiệt điện; nồi hơi công nghiệp; đốt khí gas

19%

Ta có Hình 1.3 và Bảng 1.1 mô tả mức độ phát thải cacbon đen toàn cầu năm

2000 (7.500 Gg/ năm) [6] theo sáu loại nguồn khác nhau Có thể thấy tổng số BC bị chi phối chủ yếu bởi bốn hoạt động lớn là đốt ngoài trời; nấu ăn sưởi ấm trong khu vực dân cư; công nghiệp và giao thông vận tải (bốn ngành này chiếm hơn 95% tổng lượng phát thải) Trong đó, khoảng 36% tổng lượng phát thải toàn cầu là từ đốt sinh

lộ thiên, trong khi phát thải từ hoạt động sinh hoạt đóng góp hơn 25% Ở các nước đang phát triển, phần lớn lượng khí thải sinh hoạt đến từ đun nấu bằng đốt cháy sinh khối, phân hoặc than [13]

Trong đó, quá trình đốt cháy sinh khối lộ thiên chiếm tỷ lệ lớn nhất trong tổng lượng phát thải BC toàn cầu, lớn hơn bất kỳ ngành nào khác và ảnh hưởng đến gần 340 triệu ha đất mỗi năm [4] Quá trình này diễn ra phổ biến rộng rãi trên toàn thế giới cho mục đích dọn đất phục vụ canh tác, chuyển đổi đất rừng sang đất nông nghiệp hay loại bỏ thảm thực vật khô nhằm kích thích năng suất nông nghiệp

Do gần một nửa dân số thế giới hiện nay vẫn thiếu khả năng tiếp cận với năng lượng hiện đại mà chỉ dựa vào các nhiên liệu đốt rắn gồm gỗ, than củi, dư lượng nông nghiệp, … để phục vụ mục đích sinh hoạt như nấu ăn, sưởi ấm nên tỷ lệ

từ hoạt động này chiếm khá cao trong tổng lượng phát thải BC toàn cầu, khoảng 21%

Lĩnh vực giao thông vận tải thường là nguồn phát thải lớn nhất ở các nước phát triển Theo ước tính toàn cầu, khoảng 94 % lượng phát thải BC có liên quan đến vận tải đường bộ (với 86% từ động cơ diesel, 7% từ động cơ xăng) và phần còn lại từ vận tải đường thủy [6]

10

Các nguồn khí thải công nghiệp chủ yếu của BC bao gồm lò gạch, lò cốc (chủ yếu từ ngành sản xuất sắt thép), lò hơi công nghiệp, dầu và khí đốt, đóng góp khoảng 20% tổng lượng phát thải Trung Quốc, Ấn Độ và Trung - Nam Mỹ là những khu vực đóng góp chính vào khí thải công nghiệp BC Tùy thuộc vào loại nhiên liệu cháy, khí thải lò gạch sẽ sinh ra BC và các dạng hạt khác nhau như CO2,

CO, SO2 hay VOCs, NOx, kim loại nặng

b Đặc điểm của phát thải cacbon đen từ quá trình đốt ngoài trời và đốt có kiểm soát

Nhìn chung, dù được phát sinh ở nguồn nào, cacbon đen cũng được hình thành từ hai quá trình chính là: đốt ngoài trời (Open burning - OB) và đốt có kiểm soát (Controlled combustion - CC) Tại các điều kiện đốt khác nhau các sản phẩm phụ được tạo ra sẽ khác nhau, tuy nhiên trong khi quá trình OB tạo ra lượng bụi nhiều hơn so với CC thì các hạt bụi từ quá trình CC lại chứa tỷ lệ cacbon đen cao hơn [12]

 Đặc điểm của phát thải BC từ quá trình đốt có kiểm soát

BC thường được tạo ra trong khu vực giàu nhiên liệu, nơi nhiên liệu không

bị cháy hoàn toàn do khó có sự trộn lẫn lý tưởng giữa nhiên liệu và không khí bên ngoài Gần như tất cả quá trình đốt nhiên liệu rắn, nhiên liệu lỏng hay nhiễn liệu hỗn hợp đều tạo cơ hội cho sự hình thành cacbon đen

Sự hình thành BC do quá trình đốt có kiểm soát bị ảnh hưởng bởi một số tham số như dạng nhiên liệu sử dụng, nhiệt độ ngọn lửa, thời gian lưu, và tỷ lệ C/O [14]

Các loại nhiên liệu khác nhau tạo ra mức độ phát thải BC khác nhau: Khi đốt cháy không hoàn toàn than đen mềm (than chứa bitum), ta thấy lượng BC được sinh

ra nhiều hơn so với than Anthracit - có ít hơn 10% hợp chất dễ bay hơi Nhìn chung, càng nhiều các chất dễ bay hơi trong nhiên liệu, BC càng dễ được sinh ra

Tỷ lệ cân bằng của quá trình đốt cháy được định nghĩa là tỷ lệ giữa tỷ số không khí/nhiên liệu thực tế với tỷ số không khí/nhiên liệu cân bằng Nếu tỷ lệ cân bằng nhỏ hơn 1, có nghĩa là không có đủ ôxy trong quá trình cháy, và các chất dễ

sẽ bị đốt cháy trở lại và chuyển hoá hoàn toàn nếu ngọn lửa được duy trì liên tục

 Phát thải BC từ quá trình đốt ngoài trời

Nguyên liệu từ quá trình OB bao gồm các bãi đất nông nghiệp, đồng cỏ, rừng rụng lá và rừng thường xanh, hoặc sự thải bỏ chất thải cây trồng phục vụ mục đích kích thích sự tăng trưởng thục vật, quản lý rừng hoặc giải phóng mặt bằng Các phân tử muội được tạo ra từ sinh khối OB có chứa tỷ lệ BC/OC thấp hơn rất nhiều

so với các hạt muội từ đốt cháy nhiên liệu Các thử nghiệm đốt cháy sinh khối nông nghiệp cho kết quả nếu hàm lượng bụi PM2,5 có trong khí thải chiếm tỷ lệ từ 50% trở lên thì trong đó, thành phần lớn là OC, BC chỉ chiếm một phần nhỏ, (10% hoặc

12

Bảng 1.2 thể hiện đặc trưng về tỷ lệ OC/BC từ các nguồn khác nhau, qua đó

ta thấy tỷ lệ trung bình về OC/BC giữa hai quá trình có sự khác biệt đáng kể Hầu hết các giá trị từ OB đều lớn hơn so với CC, thậm chí tỷ lệ OC gấp 9,1 lần so với

BC khi rừng bị cháy Điều này càng củng cố cho nhận định quá trình đốt ngoài trời tạo ra ít cacbon đen hơn so với sự đốt có kiểm soát

1.2.3 Hiện trạng phát thải cacbon đen trên thế giới

a Quy mô toàn cầu

Năm 2000, xấp xỉ 7.500 Gg/ năm BC đã được thải vào bầu khí quyển [8], đây là năm gần đây nhất có giá trị kiểm kê khí thải nhất quán trên quy mô toàn cầu

do tại các nước đang phát triển, số liệu chi tiết về địa điểm và thời gian ước lượng phát thải BC đều không đầy đủ Các số liệu được thống kê theo ngành và vùng lãnh thổ như sau: ba lục địa Châu Á (40%), Châu Phi (23%) và Châu Mỹ (12%) đóng góp khoảng 75% tổng lượng khí thải BC toàn cầu Các ngành phát thải chính ở các nước đang phát triển là quá trình đốt cháy sinh khối mở và đốt nhiên liệu rắn, trong khi ngành vận tải chiếm ưu thế ở các nước phát triển và ở Đông Á là ngành công nghiệp than

Ô nhiễm không khí có liên quan rất mật thiết với sự phát triển kinh tế, lượng phát thải BC đã giảm dần trong nhiều thập kỷ qua ở những nước phát triển do các quy định nghiêm ngặt về chất lượng không khí được ban hành [4] Ngược lại, lượng thải BC đang tăng lên nhanh chóng ở nhiều nước đang phát triển do chưa có hệ thống kiểm soát chặt chẽ chất lượng không khí Nếu các chính sách không được ban hành kịp thời để kiểm soát sự phát thải thì chúng có thể sẽ tiếp tục tăng lên cùng với tốc độ gia tăng công nghiệp hoá và đô thị hoá

13

Hình 1.4 Kịch bản các yếu tố làm gia tăng phát thải cacbon đen theo các khu vực

trên thế giới và theo nguồn phát thải từ 2000 đến 2030 (Dựa vào Kịch bản phát thải A1B của IPCC)

Nguồn: Jacobson và Street, 2009 [17] Hình 1.5 Kịch bản sự gia tăng lượng phát thải BC ngành giao thông theo các khu

14

Nguồn: Jacobson và Street, 2009 [17]

Từ Hình 1.4 ta thấy, theo kịch bản A1B, yếu tố gia tăng phát thải BC từ quá trình sử dụng nhiên liệu sinh học, sinh hoạt và sản xuất công nghiệp có giá trị nhỏ, nằm trong khoảng 1 (tức không thay đổi) Còn sự gia tăng BC lớn xảy ra ở các lĩnh vực kinh tế còn lại, đặc biệt là ngành giao thông – vận tải, sau đó đến ngành năng lượng và đốt sinh khối ngoài trời

Hình 1.5 cho thấy số liệu về các yếu tố gia tăng phát thải CO và BC cho tất

cả các khu vực trên thế giới trong ngành giao thông Cụ thể, hầu hết số liệu ở các khu vực thuộc Châu Phi và Châu Á đều cao hơn nhiều lần so với các khu vực ở Châu Mỹ và Châu Âu Trong đó, Đông Phi là vùng có khả năng phát thải ra lượng

BC cao nhất ở Châu Phi và thậm chí là toàn cầu; tại Châu Á, Nam Á và Đông Nam

Á là hai khu vực có giá trị gia tăng phát thải cao hơn các khu vực còn lại Ngược lại,

Mỹ, Nhật Bản và Canada vốn là những quốc gia phát triển và có các quy định nghiêm khắc trong bảo vệ môi trường, do đó kịch bản phát thải BC ở những nước này là rất thấp

b Khu vực Nam Á, Đông Nam Á và dãy Himalaya

Tổng phát thải cả Nam Á và Đông Nam Á ước tính phát ra 1.560 Gg/ năm [6] Cho đến nay, nguồn phát thải BC lớn nhất ở hai khu vực này là việc sử dụng nhiên liệu rắn tại khu vực dân cư (thông thường là sinh khối) để nấu ăn và sưởi ấm

Ô nhiễm không khí trong hộ gia đình mà trong đó BC chiếm một tỷ lệ lớn đã dẫn đến khoảng 1,3 triệu trường hợp tử vong sớm mỗi năm ở Nam Á, chủ yếu do mức

độ phát thải lớn và là khu vực có dân số đông thứ hai thế giới

Lượng phát thải BC từ việc sử dụng nhiên liệu rắn hộ gia đình ở Ấn Độ cao đến mức các thiết bị quan sát ô nhiễm không khí đã quan sát thấy các giá trị ô nhiễm đạt đỉnh vào hai thời điểm trong ngày là thời điểm buổi sáng và buổi chiều tối Kết quả mô hình hóa cho thấy nếu giảm việc sử dụng nhiên liệu sinh khối ở khu dân cư thì nồng độ BC tại Ấn Độ sẽ được giảm đáng kể Các vụ cháy thảm thực vật cũng là nguyên nhân chính gây ra sự biến đổi của lượng khí thải BC và ozon tại các

15

khu vực của châu Á, đặc biệt là ở dãy Himalaya phía Nam và vùng đồng bằng phía

c Khu vực Đông Á và Thái Bình Dương

Mỗi năm khu vực này đóng góp khoảng 1.870 Gg khí thải BC [6] - phần lớn

từ Trung Quốc, nhiều hơn bất kỳ vùng lãnh thổ nào trên thế giới Đông Á là khu vực duy nhất mà quá trình đốt than công nghiệp tạo ra tỷ lệ đáng kể trong tổng khí thải BC khu vực do tốc độ tăng trưởng kinh tế nhanh và thiếu kiểm soát khí thải

Do lượng BC từ vùng này có thể di chuyển với khoảng cách dài, chúng có thể có tác động đáng kể đến các vùng lạnh Himalayan và Bắc Cực Ngoài ra, do tình trạng dân số cao, các tác động của BC đến sức khoẻ cộng đồng cho thấy kết quả tiêu cực hơn so với các khu vực khác Tuy nhiên nhờ có sự hiện diện của các công nghệ

- kỹ thuật hiện đại ngày nay mà Đông Á trở thành khu vực lý tưởng để thực hiện các biện pháp giảm nhẹ phát thải BC Các nghiên cứu đã phát hiện ra rằng việc thực hiện các biện pháp giảm nhẹ BC tại Đông Á sẽ tránh hàng trăm nghìn cái chết sớm

do ô nhiễm không khí ngoài trời và tiết kiệm được hàng triệu tấn năng suất cây trồng từ ô nhiễm ozon

d Khu vực Châu Phi

Các nguồn phát thải ở Châu Phi ước tính đóng góp khoảng 1.690 Gg/ tổng lượng BC hàng năm [6] Nguồn phát thải BC lớn nhất ở châu Phi là cháy rừng với tổng diện tích đất rừng bị đốt cháy hàng năm dao động từ 121 đến 168 triệu ha [4], tiếp theo là quá trình sử dụng nhiên liệu rắn để nấu ăn và sưởi ấm Có khoảng 465.000 người chết sớm mỗi năm có liên quan đến sử dụng bếp nấu trong nhà ở khu vực tiểu vùng Sahara Châu Phi

Tốc độ tăng dân số nhanh, tỷ lệ xe chạy bằng dầu diesel cao cùng với sự thiếu bảo dưỡng động cơ, chất lượng nhiên liệu kém và điều kiện khí hậu đặc trưng

đã góp phần gây ô nhiễm không khí nghiêm trọng tại nhiều đô thị ở châu lục này

Và tình trạng ô nhiễm ở Châu Phi dự kiến sẽ tiếp tục tăng nhanh chóng trong những thập niên tới do sự tăng trưởng nhanh của các trung tâm đô thị Kết quả là tỷ lệ tử

16

vong sớm do ô nhiễm không khí cũng sẽ tăng lên Tuy nhiên, dự báo tác động bức

xạ của BC ở châu Phi đang gặp phải nhiều thách thức do hiện tượng khí tượng phức tạp, sai số trong mô hình hóa khí quyển và sự hiểu biết kém về lượng khí thải khu vực này

e Khu vực Mỹ La – tinh và Bắc Mỹ

Lượng phát thải hai khu vực này lần lượt là 1,150 và 380 Gg / năm [6] Quá trình đốt cháy lộ thiên, đặc biệt là cỏ và rừng cây là nguyên nhân lớn nhất gây ra sự phát thải BC ở Mỹ Latinh Các nghiên cứu cho thấy các sông băng ở dãy núi Andes

đã bị tan chảy trong ba thập niên qua do hiện tượng biến đổi khí hậu và làm hạn chế lượng nước sẵn có trong khu vực để sản xuất nước, thủy lợi và thủy điện [18] Do

đó, đốt cháy sinh khối để nấu ăn, sưởi ấm cũng là một nguồn sinh ra BC đáng kể

Khối lượng phát thải BC tại Bắc Mỹ thấp hơn so với các khu vực khác chủ yếu là do các quy định nghiêm ngặt về chất lượng bụi được thực hiện ở Hoa Kỳ trong vài thập kỷ qua Tuy nhiên, Hoa Kỳ vẫn phát thải lượng khí thải BC nhiều gấp đôi so với cả Canada và Mexico [4], chủ yếu từ vận tải diesel, các ngành công nghiệp và hệ thống sưởi ấm dân cư Tại California, các chính sách đã được ban hành để giảm phát thải diesel, dẫn đến lượng phát thải BC bề mặt đã giảm gấp đôi

từ năm 1989 đến 2008

1.2.4 Tác động của hạt cacbon đen

a Tác động của cacbon đen đến khí hậu toàn cầu

 Cơ chế tác động của BC

BC ảnh hưởng đến hệ thống khí hậu thế giới thông qua một số cơ chế khác nhau dưới dây, các cơ chế này được liệt kê theo mức độ hiểu biết hiện nay:

i) Cơ chế hấp thụ trực tiếp bức xạ mặt trời đến;

ii) Cơ chế làm tối bề mặt tuyết và băng, làm giảm tỷ lệ albedo tức độ phản xạ bức xạ mặt trời thấp, gây ra xu hướng gia tăng tốc độ tan chảy băng tuyết;

iii) Cơ chế thay đổi số lượng và thành phần của các hạt nhỏ mà hơi nước ngưng tụ, ảnh hưởng đến tuổi thọ, độ phản xạ và tính ổn định của các đám mây [4], [6], [19]

17

Báo cáo AR5 của IPCC (2014) dù đều chỉ ra những kết quả tác động nhất định, nhưng trong khi các kiến thức về cơ chế tương tác bức xạ của BC cho thấy độ tin cậy cao, thì cơ chế tương tác với đám mây và cơ chế tác động của BC trên băng, tuyết vẫn còn nhiều nội dung cần được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn [19]

Cơ chế tác động trực tiếp

Các hạt BC hấp thụ ánh sáng mặt trời và làm nóng không khí do sự chuyển hoá năng lượng bị hấp thụ thành nhiệt năng Quá trình làm ấm khí quyển này khác với các khí nhà kính như CO2 khi chúng cho phép ánh sáng mặt trời đi qua rồi hấp thụ nhiệt bức xạ của Trái Đất và phát lại lượng nhiệt đó vào bầu khí quyển Do đó,

BC có khả năng hấp thụ năng lượng lớn hơn CO2 gấp nhiều lần Ước tính một ounce BC có thể hấp thụ năng lượng bức xạ lớn hơn một ounce CO2 khoảng một triệu lần [17] Tuy nhiên, lượng phát thải CO2 cao hơn BC gấp 3000 lần và thời gian tồn tại trong khí quyển của nó lâu hơn 2.500 lần so với BC nên CO2 vẫn được coi là nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng ấm lên toàn cầu Khi các phân tử BC tồn tại lâu trong khí quyển, chúng được bao phủ bởi các loại hợp chất hoá học khác nhau làm gia tăng kích thước hạt và do đó các photon có trong ánh sáng mặt trời sẽ dễ dàng xảy ra va chạm với phân tử BC và bị hấp thụ Cơ chế làm ấm Trái Đất của BC

và CO2 được biểu diễn như sau:

Hình 1.6 Cơ chế tác động trực tiếp của cacbon đen trong khí quyển

Nguồn: John Bachman, 2009 [10]

Bức xạ hồng ngoại tỏa ra từ Trái Đất Bức xạ hồng ngoại giải phóng từ CO 2 , BC

Cacbon đen Khí nhà kính

18

Mặt trời phát ra các tia bức xạ theo mọi hướng (1), khoảng một nửa lượng bức xạ sẽ được hấp thụ bởi bề mặt Trái Đất, làm cho nó nóng lên và giãn nở ra; khoảng 1/5 được hấp thụ vào khí quyển và phần còn lại bị phản xạ bởi bề mặt trái đất, bầu khí quyển và các đám mây Khi bề mặt Trái Đất nóng lên, chúng sẽ toả nhiệt (hay bức xạ hồng ngoại) ra bên ngoài (3) Hầu hết bức xạ hồng ngoại từ bề mặt được hấp thụ bởi các khí nhà kính và các đám mây, sau đó lại được các tác nhân này giải phóng trở lại làm nóng bầu khí quyển và bề mặt trái đất (4) Trong khi

đó, các hạt cacbon đen sẽ hấp thụ trực tiếp ánh sáng mặt trời đến và phản xạ lại đồng thời, qua đó làm nóng bầu khí quyển (5)

Quá trình làm nóng trong thực tế rất phức tạp do trong thành phần không khí gồm rất nhiều hỗn hợp các hạt khác nhau như chất hữu cơ, sulfat (sulfur dioxide),

và nitrat (từ nitrogen oxides), nhờ đó tình trạng ấm lên do khí nhà kính và cacbon đen gây ra được giảm thiểu một phần nhờ sự tán xạ ánh sáng từ các hạt này Quá trình tán xạ diễn ra làm giảm cường độ ánh sáng mặt trời chiếu tới bề mặt trái đất được gọi là cơ chế “làm mát” Do đó, tỷ lệ tương đối giữa cacbon đen với các thành phần hạt còn lại là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá tác động của các nguồn gây cháy đối với khí hậu Có thể nói, các nguồn có tỷ lệ BC/OC cao hơn có

xu hướng làm nóng toàn cầu mạnh hơn

Cơ chế tác động gián tiếp

Cacbon đen và các hạt từ quá trình đốt cũng có thể tham gia vào một số cơ chế "gián tiếp" gây ra hiện tượng làm mát hoặc làm ấm khí quyển cũng như sự phân phối lại mưa và tuyết thông qua khả năng tương tác với các đám mây Trong đó, các hạt có thể hòa tan trong nước như sulfat gây ra ảnh hưởng lớn hơn so với các hạt ít hòa tan như cacbon đen và hạt hữu cơ Quá trình tác động diễn ra như sau:

Bầu khí quyển

Bề mặt Trái Đất

19

Hình 1.7 Cơ chế tác động gián tiếp của BC thông qua sự tương tác với đám mây

Nguồn: John Bachman (2009) [10]

Đám mây chưa bị ô nhiễm được tạo ra nhờ hơi nước bốc hơi, gặp lạnh và ngưng tụ trong không khí, hình thành nên những hạt mây tự nhiên, có kích thước trung bình Khi BC được hình thành, chúng sẽ thay thế các hạt trên xâm nhập vào quá trình tạo thành mây, qua đó làm giảm kích thước và số lượng của các giọt mây, làm tăng độ phản xạ và kéo dài tuổi thọ của đám mây nhưng cũng gây ra hiện tượng sụt giảm lượng mưa Tuy nhiên, với đặc tính hấp thụ rất mạnh, BC sẽ dần dần làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của các giọt mây Do đó, sự phóng thích bức xạ hấp thụ có thể làm cho đám mây co lại (tăng hiệu ứng ấm lên) Cuối cùng, BC sau khi rơi xuống theo mưa, được cố định, lắng đọng trên tuyết hoặc băng, sẽ hấp thụ ánh sáng mặt trời, kéo theo sự tan chảy, để lộ các bề mặt tối hơn bên dưới và tiếp tục hấp thụ ánh sáng mặt trời mạnh mẽ

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tác động của BC

Vị trí địa lý và độ cao là hai yếu tố quyết định ảnh hưởng sự tác động của BC đến khí hậu toàn cầu Với kích thước nhỏ, các hạt bụi tinh bao gồm cả BC có thể được vận chuyển ra xa nguồn thải hàng nghìn dặm, thậm chí đến các khu vực như Bắc Cực Khi BC được phát tán hoặc lan truyền sang các bề mặt có độ phản chiếu cao như băng, tuyết và sa mạc, mức độ tác động của chúng đến sự hấp thụ bức xạ mặt trời trong không khí sẽ lớn hơn Nếu không có BC, một lượng lớn ánh sáng mặt trời sẽ phản chiếu trên bề mặt băng tuyết và quay trở lại không gian bầu khí quyển

Do đó, bất kỳ sự hấp thụ hay phản xạ ánh sáng nào của bụi trên các bề mặt này cũng

sẽ dẫn đến sự ấm lên lớn hơn là sự hấp thụ ánh sáng của bụi trên các bề mặt thông thường Cơ chế này giải thích tại sao các nghiên cứu trước đây đã tìm ra những ảnh hưởng của BC thường bùng nổ hơn ở vùng Bắc Cực và các vùng núi cao khác

Ngoài ra, các hiệu ứng bức xạ của BC còn phụ thuộc mạnh mẽ vào độ cao Nghiên cứu của Ban -Weiss và cs (2011) cho thấy trong khi BC tại các vĩ độ thấp (nơi mà hầu hết BC trong thực tế được sinh ra) làm nóng bề mặt đáng kể, thì BC ở

vĩ độ cao (tầng bình lưu hoặc trên tầng đối lưu) có thể làm giảm nhiệt độ bề mặt

20

[20] Bên cạnh đó, tương tự như hiện tượng các hạt BC có thể lắng đọng trên băng tuyết, BC cũng có thể tích tụ dưới dạng lơ lửng trong các đám mây, giúp tăng khả năng hấp thụ cả bức xạ mặt trời đến và đi

Sự khác nhau giữa cacbon đen và khí nhà kính

Sự khác biệt giữa BC và KNK được tóm tắt trong bảng dưới đây, nhưng đáng kể nhất là thời gian tồn lưu trong khí quyển Những khác biệt này có liên quan trực tiếp tới mức độ ảnh hưởng của BC đến khí hậu và làm rõ tính hiệu quả của hoạt động giảm nhẹ BC so với giảm nhẹ CO2

Bảng 1.3 Các đặc điểm khác nhau giữa cacbon đen và CO 2

3 Khả năng bức

xạ trực tiếp

Hấp thụ tất cả các bước sóng của bức xạ mặt trời

Chỉ hấp thụ bức xạ tia hồng ngoại

4 Sự tương tác với

đám mây

Quá trình tương tác với đám mây có thể dẫn đến hiệu tượng làm ấm hoặc làm mát

7 Axit hoá Không tác động đến quá

trình axit hoá đại dương

Là nguyên nhân chính gây axit hoá đại dương

Trong khi các KNK có tuổi thọ khí quyển dài cho phép chúng hoà trộn với nhau trong bầu khí quyển và tiếp tục hấp thụ năng lượng trong nhiều thập niên hoặc nhiều thế kỷ thì BC sẽ được loại bỏ khỏi bầu khí quyển trong khoảng thời gian ngắn chỉ từ vài ngày tới vài tuần nhờ mưa hoặc sự lắng đọng bề mặt Do thời gian tồn tại ngắn hạn nên các tác động của chúng vào quá trình làm mất cân bằng năng lượng của trái đất cũng được giảm nhẹ

21

Do là một thành phần điển hình có trong bụi PM2,5, BC liên quan trực tiếp đến một loạt các tác động đối với sức khoẻ cộng đồng Điều này cũng phân biệt nó với các KNK khi ảnh hưởng đến sức khoẻ con người của KNK chủ yếu thông qua các tác động của biến đổi khí hậu

Nhờ đặc điểm dễ bị loại bỏ khỏi bầu khí quyển, việc giảm phát thải BC có thể đem lại hiệu quả ngay lập tức trong quá trình làm chậm lại tốc độ biến đổi khí hậu, đặc biệt đối với các vùng dễ bị tổn thương như Bắc cực và dãy Himalaya Trong khi nếu tập trung giảm phát thải các khí nhà kính, khí hậu cần một khoảng thời gian đáp ứng rất dài vì nồng độ KNK trong khí quyển - kết quả của quá trình tích lũy lượng khí thải trong quá khứ và hiện tại - vẫn tương đối ổn định trong suốt hàng thế kỷ qua Ngược lại, chúng ta vẫn phải lưu ý rằng thời gian tồn tại ngắn hạn của BC cũng đồng nghĩa với việc giảm phát thải BC sẽ ít ảnh hưởng đến sự thay đổi nhiệt độ vốn đã bị biến đổi do KNK từ trước đó Vì vậy, chỉ có cách giảm thiểu KNK mới có thể ngăn ngừa sự thay đổi khí hậu lâu dài Tuy nhiên, để tránh quá trình nhiệt độ tiếp tục tăng cao và đạt tới ngưỡng, các hành động, kế hoạch giảm thiểu BC trong tương lai vẫn có tính cấp thiết và quan trọng đặc biệt nhằm góp phần làm giảm sự nóng lên của Trái Đất

b Tác động đến sức khoẻ con người

 Cơ chế tác động thông qua bụi của BC đến sức khoẻ

Một số nghiên cứu dịch tễ học đã khoanh nhóm BC như là một trong các chỉ

số về ô nhiễm không khí bụi Do BC là thành phần chính trong khối lượng PM2,5nên những tác động quan sát được của BC trong các nghiên cứu sức khoẻ cũng tương tự như những quan sát cho PM2,5 và một số thành phần PM khác (như niken,

22

vanadium)

Hình 1.8 Quá trình xâm nhập của bụi vào hệ hô hấp

Nguồn: Zala Jenko Pražnikar và Jure Pražnikar, (2011) [21]

Sau khi bị hít phải, phần lớn bụi thô (PM10) lắng đọng trong vùng mũi, vùng họng và thanh quản, PM5 được lắng đọng trong khí quản, còn các hạt mịn và cực mịn (PM2,5 – 0,1), do kích thước siêu vi của chúng, đi vào sâu vào phổi, trong ống dẫn

và túi phổi

Mức độ ô nhiễm không khí và tỉ lệ tử vong do mắc các bệnh hô hấp có mối quan hệ mật thiết với nhau, đặc biệt là mối tương quan giữa ô nhiễm không khí đô thị (đặc biệt là giao thông đường bộ) tới các triệu chứng hô hấp ở trẻ em Nồng độ bụi càng cao thì xu hướng gia tăng các bệnh hô hấp dị ứng và hen phế quản càng lớn Các nghiên cứu trước đây đã khẳng định rằng ô nhiễm không khí có thể tạo điều kiện thuận lợi cho sự xâm nhập của các chất gây dị ứng vào tế bào hệ miễn dịch, từ đó làm tăng sự nhạy cảm của đường thở

Tuy nguy cơ các vấn đề về tim mạch liên quan đến ô nhiễm không khí hạt mịn có thể nhỏ hơn so với các nguy cơ truyền thống như hút thuốc lá, béo phì, tiểu đường nhưng tính chất của sự ô nhiễm không khí khiến mức độ và quy mô bị ảnh hưởng lại rộng hơn nhiều lần [22] Do đó các tác động của bụi đến hệ tim mạch tuy

ít nhưng sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ cộng đồng

 Tác động trực tiếp của cacbon đen đến sức khoẻ con người

Nghiên cứu gây chú ý nhất liên quan đến tim mạch trong những năm gần đây

là sự phơi nhiễm BC trong thời gian lâu dài có thể ảnh hưởng lớn đến hệ thống mạch máu trong cơ thể [23] Nghiên cứu mới này đã chỉ ra có tồn tại một mối tương quan giữa các hạt BC trong môi trường xung quanh với sự sụt giảm hệ thống mạch máu Các tác giả nhận thấy rằng sự gia tăng nồng độ BC trung bình có liên quan đến các phản ứng gây ra hiện tượng suy giảm mạch máu trong nhóm bệnh nhân mắc bệnh tiểu đường

Một số nghiên cứu sau khi thí nghiệm độc tính của BC trên động vật và nhận thấy rằng BC có thể gây ra ảnh hưởng đến rối loạn nhịp tim, co bóp tim và phản

23

ứng kích ứng oxy hóa, cung cấp một bằng chứng sinh học xác đáng chứng minh những tác động lâu dài của BC đến vấn đề tim mạch [24], [25] Gan & cs (2011)đã thực hiện một nghiên cứu đoàn hệ dựa trên các trường hợp bệnh nhân tử vong hoặc phải nhập viện do bệnh mạch vành đối với toàn bộ 450.000 người dân ở Vancouver (Canada) Với cùng nồng độ trên 1 μg/m3, và tương đồng về giới tính, độ tuổi, tình trạng sức khoẻ cũng như điều kiện sống, tỷ lệ rủi ro tử vong vì bệnh tim mạch vành

do BC gây ra (RR 1.06) cao gấp 10 lần so với PM2,5 (RR 1.006) [25]

Năm 2010, Clark và cs tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của việc tiếp xúc với

ô nhiễm không khí xung quanh đến tử cung của phụ nữ có thai Kết quả cho thấy, trong năm đầu tiên khi chào đời, đứa bé có nguy cơ bị mắc bệnh hen suyễn bẩm sinh và tỷ lệ tăng nguy cơ mắc bệnh hen suyễn do phơi nhiễm BC vào khoảng 14% [26] Bên cạnh đó, một nghiên cứu của Suglia và cs (2008)cũng thống kê rằng nồng

độ BC cao trong không khí có liên quan đến suy giảm chức năng nhận thức, trí tuệ

và khả năng ghi nhớ đối với trẻ em (nghiên cứu thực hiện trên đối tượng có độ tuổi trung bình = 9,7 tuổi) [27]

Từ đó, ta thấy nồng độ BC trong môi trường xung quanh là nguyên nhân gây nên các tác động lớn đến sức khoẻ con người và sinh vật, từ các triệu chứng cận lâm sàng (như thay đổi huyết áp, rối loạn nhịp tim, …) đến các triệu chứng bệnh chuyên sâu cần cấp cứu và điều trị lâu dài

c Một số tác động khác của các bon đen

 Giảm tầm nhìn

BC nói riêng và các hạt ô nhiễm trong không khí là tác nhân chính gây ra sự suy giảm tầm nhìn, hay gọi là hiện tượng “Sương khói” ở các đô thị lớn Tương tự như cách mà các hạt BC ảnh hưởng đến sự cân bằng bức xạ của Trái đất bằng cách tán xạ hoặc hấp thụ bức xạ mặt trời, chúng ảnh hưởng đến số lượng và chất lượng ánh sáng mà mắt người nhận được Và trong điều kiện độ ẩm thấp, BC và OC là hai thành phần có khả năng ảnh hưởng lớn nhất đến tầm nhìn so với các dạng bụi hạt khác Với mỗi đơn vị khối lượng, hiệu suất BC hấp thụ lớn hơn hiệu suất OC tán xạ ánh sáng gấp 2,5 lần [4]

24

 Thiệt hại mùa màng

Do sản lượng cây trồng có tính nhạy cảm với lượng ánh sáng mặt trời nhận được, trong khi BC và các hạt trong không khí khác góp phần làm giảm lượng bức

xạ nhiệt trực tiếp của mặt trời xuống bề mặt Trái Đất nên đã gây ra thiệt hại cây trồng ở một số khu vực trên thế giới Chameides và cs, (1999) và Auffhammer và cs (2006) lần lượt phát hiện rằng chính quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch và sinh khối là nguyên nhân gây ra tình trạng giảm năng suất thu hoạch lúa ở Ấn Độ và Trung Quốc [28], [29]

 Ăn mòn kim loại

Vật liệu xây dựng (kim loại, đá, xi măng và sơn) luôn trải qua một quá trình phong hóa tự nhiên do phải tiếp xúc với một loạt các yếu tố môi trường như: gió, độ

ẩm, biến động nhiệt độ, ánh sáng mặt trời, … Sự lắng đọng của bụi cũng liên quan mạnh mẽ đến các thiệt hại về chất lượng vật liệu hay làm suy giảm thẩm mỹ công trình bởi chúng thúc đẩy tốc độ ăn mòn kim loại, làm giảm nước sơn và lớp bao phủ, kéo theo sự xuống cấp các vật liệu xây dựng

1.2.5 Các phương pháp xác định cacbon đen trong không khí

Nhờ đặc điểm trơ và bền trong nhiệt độ cao, BC có thể di chuyển từ chu trình khí – sinh quyển vào chu trình địa chất, hay từ tốc độ lan truyền cao sang tốc độ lan truyền thấp Vì vậy, chúng có khả năng hiện diện ở tất cả các dạng môi trường khác nhau, kéo theo sự phát triển đa dạng các phương pháp xác định BC gồm: phương pháp quang học, phương pháp hoá học, phương pháp nhiệt hay sự kết hợp giữa các phương pháp trên như oxi hoá hoá học – nhiệt (Chemical-Thermal Oxidation – CTO), nhiệt quang học, phân tích phổ và vết phân tử, … [30] Do đó, để lựa chọn được phương pháp phân tích thích hợp, ta cần dựa vào dạng nguồn phát thải và mục đích nghiên cứu cụ thể

Đối với môi trường không khí, hai phương pháp được sử dụng phổ biến nhất trong các thí nghiệm hiện nay là phân tích nhiệt - quang học (Thermal - Optical Analysis – TOA) và phương pháp quang học (Optical Method)

a Phương pháp phân tích nhiệt – quang học

25

TOA là phép đo được nghiên cứu, xây dựng từ năm 1982 bằng cách kết hợp một quy trình hiệu chỉnh quang học trong phân tích nhiệt [31] Ta tiến hành thu bụi vào bộ lọc thạch anh, bộ lọc sau đó được làm nóng trong môi trường trơ và oxi hoá trong môi trường có chứa oxi để làm bay hơi các hợp chất cacbon Phần cacbon bay hơi sẽ được đo bằng một trong hai kỹ thuật là: truyền quang (Thermal Optical Transmittance – TOT) và phản xạ quang (Thermal Optical Reflectance – TOR) Trong khi TOT được biết đến là Phương pháp 5040 thuộc Viện Quốc gia về An toàn và Sức khoẻ Lao động Mỹ (NIOSH), xác định nồng độ BC thông qua quá trình

đo độ truyền ánh sáng thì TOR được phát triển bởi mạng lưới Quan trắc liên ngành đối với các môi trường trực quan được bảo vệ (Interagency Monitoring of Protected Visual Environments – IMPROVE), xác định BC bằng cách đo độ phản xạ của bộ lọc Hàm lượng BC được xác định bởi phương pháp TOA sẽ phụ thuộc rất lớn vào giá trị nhiệt độ trong suốt quá trình phân tích và nếu tỷ lệ hàm lượng BC/OC trong mẫu là rất nhỏ thì độ tin cậy và độ chính xác của phương pháp không cao [15]

b Phương pháp quang học

Hiện nay, đo quang là phương pháp tối ưu hơn cả nhờ khả năng xác định hàm lượng BC mà không cần phải phá hủy mẫu và không tốn quá nhiều chi phí, lại tận dụng tính chất hấp thụ mạnh của BC trên tất cả các bước sóng

Aethalometer là thiết bị được sử dụng phổ biến nhất trong phân tích BC bằng phương pháp quang học Bởi vì hầu hết các hạt trong không khí, ngoại trừ BC, hấp thụ rất yếu ánh sáng ở vùng cận hồng ngoại, do đó Aethalometer được thiết kế để phát hiện BC bằng cách chiếu một chùm sáng tới có = 880 nm qua hai bộ lọc, sau

đó tiến hành so sánh cường độ truyền ánh sáng giữa chúng Tuy nhiên, BC trong mẫu có thể sẽ tạo ra hiệu ứng tán xạ phức tạp với chùm tia tới, dẫn đến sai sót trong quy trình xác định hàm lượng [30]

Phương pháp xác định chỉ số Khói đen (Black Smoke Index) là một trong những phương pháp sớm nhất ở Châu Âu dùng để đánh giá ô nhiễm không khí theo vật chất hạt PM [32] Tuy nhiên việc ứng dụng phép đo này nhằm phân tích cacbon đen trong không khí chỉ mới được thực hiện gần đây, bằng cách xác định khả năng

26

phản xạ quang khi ánh sáng đi qua bụi PM thu được trên bộ lọc, và quy đổi thành chỉ số Khói đen theo đơn vị g/m3 Độ phản xạ ánh sáng được đo bằng thiết bị EEL M43D Smokestain Reflectometer (SSR) Digital

1.3 Tình hình nghiên cứu cacbon đen trong môi trường không khí

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Tại Trung Quốc, tác giả Lou Shujuan và cs (2005) đã chỉ ra rằng 82,16% cacbon đen tồn tại trong các hạt aerosol với đường kính nhỏ hơn 2,5μm ở khu vực Bắc Kinh Đồng thời có sự liên quan mạnh mẽ giữa hàm lượng BC và hướng gió, khi gió Nam xuất hiện sẽ ghi nhận giá trị BC cao, và ngược lại khi gió Tây Bắc chiếm ưu thế [33] Bên cạnh đó, nghiên cứu của Lili Tang và cs tại Nam Kinh (2010)cho thấy nồng độ cacbon đen có mối tương quan thuận với nồng độ SO2,

NO2, HNO2 và nồng độ BC dao động trong khoảng từ 1,1 đến 19,41 µg/m3 [34]

Năm 2012, nhóm nghiên cứu Janez Zibert – Trường Đại học Primorska của Slovenia đã công các số liệu về nồng độ bụi PM10 và cacbon đen trong môi trường không khí xung quanh Nghiên cứu đã sử dụng phần mềm thống kê để đánh giá số liệu và chỉ ra mức nồng độ cao nhất của PM10 ở khoảng 208 µg/m3 vào những ngày cuối tháng 4, đầu tháng 5 Tuy nhiên, phương pháp lấy mẫu và phân tích hàm lượng

PM10 và cacbon đen chưa được chỉ rõ trong nghiên cứu này [35]

Nhóm nghiên cứu của Giovanni Invernizzi đưa ra phương pháp đo nhanh cacbon đen và các loại bụi PM10, PM2,5 và PM1 tại các khu vực gần nhau nhưng có mật độ giao thông khác nhau của thành phố Milan, Italia Kết quả thu được cho thấy trong khi hàm lượng các loại bụi không có sự chênh lệch nhiều thì hàm lượng cacbon đen trung bình trong cùng một ngày tại các vị trí có cường độ giao thông khác nhau lại có sự khác biệt đáng kể [36] Trên cơ sở đó, ta có thể coi phép đo cacbon đen như một công cụ hữu hiệu để đánh giá ô nhiễm từ tác động của hoạt động giao thông lên các khu đô thị

Nghiên cứu về cacbon đen và PM2,5 tại các điểm nóng về phát thải động cơ diesel ở Hàn Quốc ghi nhận hàm lượng từ 8 đến 65 μg/m3 đối với PM2,5 và từ 1,8 đến 6,3 μg/m3 đối với BC tại các điểm lấy mẫu [37] Trong phạm vi 500m từ điểm