Lấy mẫu phân tích mẫu khí

Thiết bị xác định lưu lượng dòng khí hình 7-2 và 7-3 thường được dùng nhất trong kỹ thuật lấy mẫu với bụi lơ lửng.. Nguyên tắc của kỹ thuật này là, tạo ra một sức hút hút dòng không khí

CHƯƠNG VII

LẤY MẪU VÀ PHÂN TÍCH MẪU KHÍ

Mẫu ô nhiễm khí tồn tại hai dạng mẫu đó là: mẫu nguồn, trong đó chứa đựng các chất ô nhiễm tại các nguồn đặc biệt; mẫu không khí xung quanh là mẫu khí trong đó chứa đựng các chất ô nhiễm phân tán khắp trên bề mặt trái đất Mẫu không khí xung quanh là đối tượng chính để nói tới trong chương này

PHẦN THỨ NHẤT: LẤY MẪU KHÔNG KHÍ XUNG QUANH

7.1 MỤC ĐÍCH CỦA LẤY MẪU KHÔNG KHÍ XUNG QUANH

Mục đích của việc lấy mẫu khí xung quanh nhằm kiểm soát chất lượng môi trường không khí, dựa trên một cơ sở chuẩn về chất lượng môi trường không khí Các trạm quan trắc môi trường sẽ lựa chọn và xác định các số liệu nếu chúng gần với các giá trị chuẩn Bởi vì các trạm quan trắc cấp nhà nước, cấp địa phương nếu cùng thực hiện biện pháp lấy mẫu theo phương pháp chuẩn, phân tích theo phương pháp chuẩn thì các số liệu này có thể dùng để so sánh được Về tổng quát, xác định các mẫu không khí xung quanh cung cấp cho ta một hệ thống số liệu, dùng làm các thông tin nền cho việc xác định lượng ô nhiễm và nguồn phát sinh ô nhiễm

7.2 TRÌNH TỰ CỦA VIỆC LẤY MẪU

Trình tự lấy mẫu dựa trên cơ sở mẫu chất ô nhiễm, kỹ thuật thu chất ô nhiễm, lựa chọn thiết bị (phụ thuộc vào kỹ thuật lấy mẫu) và phương pháp phân tích (có quan hệ với thiết bị sử dụng) Mẫu không khí xung quanh liên quan đến việc phân tích lưu lượng không khí đã thu vào khi lấy mẫu (m3) Thông qua lưu lượng không khí này mà

ta có thể xác định ra được lượng chất ô nhiễm có trong mẫu, lượng chất ô nhiễm được

xác định bằng đơn vị microgram (μg) Nồng độ chất ô nhiễm trong mẫu có trong mẫu thì được xác định bằng đơn vị microgram/mét khối (μg/m3)

7.2.1 Các nhân tố cần xem xét khi lấy mẫu

Vị trí đặt thiết bị

Lấy mẫu là điều cần phải quyết định đầu tiên, sau đó là xem xét tới khoảng thời

gian lấy mẫu dựa trên mục đích của việc kiểm tra Mục đích kiểm tra có thể là kiểm tra nồng độ trung bình trên một khu vực hay là nồng độ tức thời cao nhất của chất ô nhiễm trên một khu vực Mẫu lấy trong 24h thường dùng để xác định nồng độ trung bình của chất ô nhiễm, trái lại nồng độ tức thời có thể được nhận ra gián tiếp hoặc lấy một chuỗi các mẫu rồi chọn một giá trị thích hợp Các mẫu có thể lấy nối tiếp nhau theo từng giờ, hai giờ, có thể là dài hơn

Lúc này vị trí lấy mẫu, khoảng thời gian lấy mẫu đã được xác định thì công việc

tiếp theo là xem xét tới kích thước mẫu Nó phải luôn luôn đủ lớn cho mẫu có độ

chính xác hơn Ví dụ nơi mà chất ô nhiễm có nồng độ cao thì lấy mẫu trong thời gian 1h là đủ lượng chất ô nhiễm để có thể thống kê chính xác Ở những nơi có nồng độ ô nhiễm thấp thì mẫu cần thiết phải lấy mẫu quá 24h thì mới đủ lượng chất ô nhiễm để tính toán chính xác Điều này có nghĩa là phải thay đổi khoảng thời gian lấy mẫu cho

phù hợp Tiếp theo là tốc độ lấy mẫu cũng liên quan đến kích thước mẫu Tốc độ lấy

mẫu xác định dựa trên cơ sở thời gian tiếp xúc giữa thời gian tiếp xúc và vật liệu hấp thụ hoặc dung dịch thuốc thử hấp thụ để có thể tìm ra nồng độ chất hấp thụ Khi lưu lượng khí vào mẫu tăng, áp lực giảm, thuốc thử sẽ hấp thụ được nhiều hơn Thay đổi các tốc độ lấy mẫu khác nhau tới khi xác định được một tốc độ thích hợp

Một vài nhân tố khác cũng có thể cần xem xét tới Ví dụ nồng độ NO2 có liên quan tới các mẫu lấy SO2 gây trở ngại cho quá trình lấy mẫu, đòi hỏi phải tăng thêm thuốc thử Trình tự lấy mẫu NO2 theo Jacob-Hochheiser thì có hiệu quả kém hơn trình tự lấy mẫu theo Saltzman, nó thích hợp hơn trong việc ngăn chặn tác động làm nhạt màu Tuy nhiên, khi yếu tố màu sắc không quan trọng và yêu cầu phải có độ chính xác cao hơn khi lấy mẫu NO2 thì bắt buộc phải dùng các thiết bị theo trình tự

Saltzman Đơn vị dùng để trình bày kết quả thì phải theo từng phương pháp phân tích,

để có thể so sánh với các tập hợp dữ liệu khác Những phương pháp lấy mẫu và những phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm thì chỉ giới hạn với từng kỹ thuật lấy mẫu

7.2.2 Các bước chuẩn bị lấy mẫu

Yếu tố nền tảng cho lấy mẫu là chuẩn bị thiết bị lấy mẫu, đó là thiết bị hướng dòng khí, thiết bị đo lưu tốc và máy móc thu mẫu với một thiết bị phát hiện chất ô nhiễm, đây là bộ phận chính mang về phân tích trong phòng thí nghiệm Dòng khí chuyển động có lưu tốc sẽ kéo theo sự chuyển động của các chất ô nhiễm vào trong dòng khí, đi tới máy thu mẫu chúng sẽ bị giữ lại trong mẫu Một vài ví dụ về các dòng khí chuyển động do các máy hút bụi, các quạt thổi thóc, làm di chuyển chất lỏng, hút chân không Trên đây là hai nhiệm vụ cơ bản của dòng khí chuyển động

Việc chuẩn bị cho lấy mẫu nhất thiết phải có thiết bị đo lưu lượng (lưu lượng kế), nhằm xác định khối lượng khí đi vào mẫu trong khoảng thời gian lấy mẫu Thiết bị này phải có độ chính xác cao chấp nhận như là kích thước chuẩn

Máy lấy mẫu có nhiều loại khác nhau, nhưng hầu hết đều được thiết kế để có thể vừa lấy được mẫu khí vừa tính toán ra lượng chất ô nhiễm có trong mẫu

7.3 LẤY MẪU BỤI

Chất ô nhiễm được phân loại ra gồm ô nhiễm bụi và ô nhiễm khí Thiết bị và kỹ thuật lấy mẫu với từng loại khác nhau và được xem xét cụ thể cho từng trường hợp Lấy mẫu bụi là vấn đề xem xét trong phần này

Các tính chất vật lý như kích cỡ, mật độ, trọng lực của các hạt bụi là khác nhau Những tính chất liên quan đến thời gian chúng tồn tại trong khí quyển và lựa chọn phương pháp lấy mẫu bụi Nếu bụi trôi tự do trong không khí thì gọi là bụi lơ lửng, nếu bụi bị lắng tách ra khỏi không khí nhờ trọng lực thì gọi là bụi lắng Ví dụ, muội sinh từ đốt dầu chúng có kích thước rất nhỏ, mật độ thấp nên chúng tồn tại lơ lửng trong không khí một thời gian dài Như vậy khi mục đích lấy mẫu là lấy bụi lơ lửng thì phương pháp lấy phải theo phương pháp lấy bụi lơ lửng Phấn hoa cũng là một loại bụi có mật độ thấp, chúng có khuynh hướng được giữ lại trong khí quyển Tro tàn và bụi khi phát tán vào trong khí quyển, chúng có kích thước và mật độ lớn nên sẽ luôn luôn lắng xuống Bởi vậy cũng có thể phân loại chúng thuộc loại bụi lắng Có hai loại bụi khác cũng được xác định đó là bụi chất phóng xạ, như là các hạt beta và bụi tổng cộng là lượng bụi đo đạc với tất cả các loại bụi

Kỹ thuật lấy mẫu phụ thuộc vào loại bụi cần lấy mẫu, nghĩa là sau khi xác định

ra loại bụi cần kiểm tra rồi mới quyết định tới kỹ thuật lấy mẫu dựa trên đó và lựa

chọn thiết bị lấy mẫu Trong một vài trường hợp có vài thiết bị có thể thực hiện được với từng kỹ thuật một Sau khi đã lựa chọn được kỹ thuật cụ thể thì sẽ biết được các thiết bị sẽ dùng Những cách thực hiện thường xuyên được sử dụng sẽ được thảo luận tới sau, còn những cách khác thì chỉ được liệt kê ra mà thôi Từ hình (7-1) đến (7-13) trình bày những thiết bị lấy bụi, bảng (7-1) liệt kê ra những cách lấy bụi thường dùng

a Kỹ thuật hút

Kỹ thuật này thường dùng để lấy những mẫu bụi lắng (bụi bị tách ra khỏi khí quyển do tác động của trọng lực) Thiết bị lấy mẫu dùng cho kỹ thuật này tương tự như thiết bị lấy mẫu có đầu lấy bụi Thiết bị này rẻ tiền, dễ sử dụng và yêu cầu khi phân tích chỉ là xác định trọng lượng Thiết bị đầu lấy mẫu bụi thường dùng để xác định nồng độ bụi trung bình trên một khu vực nào đó, nhưng không thể xác định được giá trị tức thời cao nhất tốt như những phương pháp khác Thêm vào đó nữa là, chỉ lấy một mẫu bụi nhỏ mà lại làm đại diện cho cả một khối không khí rộng lớn Trong vài trường hợp, khi phân tích mẫu bụi còn có một lượng bụi tăng thêm là do tác động cơ học lên bụi đất gần vị trí lấy mẫu và nước mưa (chúng hình thành, ngưng tụ xung quanh các hạt bụi), bụi nặng do giao thông, bụi phân tán trong khí quyển bởi gió và những luồng khí Những tác động này gián tiếp làm ảnh hưởng tới kết quả phân tích mẫu bụi

Đầu lấy mẫu bụi có thể có tạo hình cố định hoặc có thể được dán bằng giấy bóng kính bao xung quanh vật chất hút bụi và bao xung quanh là lớp màng nhầy dính bụi Nhưng hầu hết là chúng được chế tạo ở dạng đầu thu bụi (xem hình 8-1 đối tượng có màu đỏ sáng) Kích thước đầu thu cỡ khoảng 8,5 inch, cao và có chứa nước để thu bụi

Ở những vùng có thời tiết ấm, amoni clorua hấp thụ vào trong nước có tác dụng làm ngăn cản sự phát triển của các loài tảo, một yếu tố cũng góp phần tăng thêm lượng bụi vào trong khí quyển Trong thời tiết mùa đông, rượu đẳng propyl dùng làm chất chống lạnh, ngăn chặn khả năng tạo thành đá, đây là một yếu tố làm ngăn cản các chất ô nhiễm hấp thụ vào trong nước

Đầu thu bụi được xúc rửa sạch, sau đó đưa vào sấy khô, cân lên theo đơn vị miligram Từ lượng khí cần thiết để lấy mẫu tính toán ra được diện tích diện tích của pittong Khoảng thời gian lấy mẫu chuẩn là 30 ngày, kết quả được tính toán theo đơn

vị mg/m3/30 ngày

b Kỹ thuật lọc

Kỹ thuật này dùng để thu các hạt bụi lơ lửng trong không khí mà không lắng đọng Các hạt bụi chuyển động theo dòng khí nhờ sức hút của thiết bị (ví dụ như máy hút bụi) và những hạt bụi được giữ lại nhờ một tấm lọc xốp Kỹ thuật lọc này cũng có thể dùng để lấy những mẫu bụi phóng xạ Thiết bị xác định lưu lượng dòng khí (hình 7-2 và 7-3) thường được dùng nhất trong kỹ thuật lấy mẫu với bụi lơ lửng Thiết bị này đặt trong một cái hộp nhằm tránh sự lắng đọng của các bụi lắng, một bơm với lưu lượng cao hút và kéo theo các hạt bụi lơ lửng và tại tấm lọc xốp bụi được giữ lại không khí sạch thoát ra ngoài Thiết bị đo lưu lượng được thiết kế chính xác theo quy chuẩn, nhằm xác định chính xác lượng không khí hút vào trong thời gian lấy mẫu (có thể là 24h) Với những mẫu có khả năng lọc không khí với lưu lượng lớn thì lấy trong thời gian ngắn hơn Xác định được trọng lượng bụi thông qua trọng lượng tấm lọc trước và sau lấy mẫu, tính theo đơn vị là microgram (μg) Nồng độ bụi có trong không khí thì tính theo đơm vị microgram/m3 (μg/m3)

c Kỹ thuật dùng giấy lọc

Đây là một phương pháp lọc khác dùng để thu các mẫu bụi lơ lửng Nó thích hợp nhất trong việc thu các mẫu bụi nhỏ mịn hoặc là những vật chất bẩn

Hình 7.1 Đầu lấy bụi và đèn pero chì Hình 7.2 Hộp hút khí với lưu lượng

Thiết bị này đặc biệt thuận lợi bởi vì nó tự động đưa ra các con số có thể đọc được trong một ngày, ước tính khá chính xác lượng chất bẩn Nó cũng có thể lấy những mẫu với những khoảng thời gian khác nhau do con người chọn lựa (hình 7-4 cho thấy thiết bị khi chưa gắn mẫu)

Kỹ thuật lấy mẫu dùng giấy lọc bao gồm một bơm dùng để hút dòng khí có chứa bụi, sau khi đi qua tấm lọc bằng các sợi xenlulo bụi được giữ lại Bơm này tự động

họat động theo một chế độ do người sử dụng cài đặt, thông thường là 2h, sau đó chuyển vị trí và lấy mẫu tiếp Đồng hồ bấm giờ trong thiết bị có thể chạy hơn 24h Đọc giá trị hiển thị trên thiết bị đo lưu tốc hoặc thiết bị đo tỷ trọng (xem phương pháp hấp thụ bụi bằng bức xạ trong chương sau)

d Kỹ thuật quán tính

Kỹ thuật này dùng để lấy mẫu với tổng số bụi có trong không khí Nguyên tắc của kỹ thuật này là, tạo ra một sức hút hút dòng không khí ô nhiễm vào trong thiết bị, trong đó có đặt các vật cản trên đường đi của dòng khí Những vật cản này làm cho dòng khí bị đổi hướng, nhưng các hạt bụi thì theo quán tính vẫn chuyển động theo hướng cũ và chúng va vào các vật cản Nếu trên bề mặt vật cản này có chất dính, các hạt bụi va chạm và sẽ bị giữ lại trên bề mặt vật cản

Hình 7.3 Máy hút khí có lưu lượng cao và bộ lọc có thiết bị ghi

Hình 7.4 Máy lấy mẫu dùng giấy

Các vật cản này sau đó được nhúng vào trong chất lỏng và các hạt bụi đã thu được lắng đọng vào trong chất lỏng Nếu thiết bị quán tính này được thiết kế các

đường dẫn hình tròn, dòng khí chuyển động nhanh các hạt bụi có xu hướng chuyển động rời xa tâm hơn, như vậy ngoài tác động của lực quán tính chúng còn chịu tác động của lực ly tâm, hiệu quả thiết bị sẽ cao hơn

Thông thường thiết bị lấy mẫu kiểu quán tính được dùng để lấy mẫu với từng loại bụi khác nhau có trong không khí Mẫu Durham dùng biện pháp bôi vazolin lên bề mặt kính vật của kính hiển vi để thu phấn hoa, sau đó dùng ngay kính hiển vi này để xem xét hiệu quả Mẫu roto quay (hình 7.5.) và mẫu kiểu bẫy bào tử Hirst (hình 7.6) dùng để lấy mẫu với các dạng bào tử, phấn hoa, bằng cách đặt thiết bị ngược theo chiều gió và có thể dùng phương pháp như lấy các chất ô nhiễm có trọng lượng

Hình 7.5 Thiết bị roto quay

Hình 7.6 Thiết bị bẫy bào tử Hirst

Mẫu Andersen (hình 7.7) là thiết bị dùng để thu những vi khuẩn hoặc những bụi vũ trụ khác, nó có cấu trúc gồm 8 đĩa thép không gỉ, thiết kế giả như hệ thống hô hấp của con người, các hạt bụi thu được ở đây dùng để kiểm chứng lại sự xâm nhập của các hạt bụi vào trong hệ thống hô hấp của con người, qua phế quản đi tới các túi phổi Mẫu thu Cascade Impactor dùng thu tổng bụi có kích thước nhỏ Thu mẫu bằng màng dính, màng dính bao phủ lên một bình, đưa vào trong một luồng gió thu tổng tất cả các bụi và phương pháp đếm bụi dùng để phân tích bụi từ phương pháp màng dính

Một số thiết bị dùng trong kỹ thuật va chạm quán tính là Greenburg-smith

impinger (hình 7.7 bên trái) và Midget impinger (hình 7.7 ở giữa)

Greenburg-smith impinger là một xylanh thủy tinh, bên trong lồng một ống thủy

tinh nhỏ đồng tâm Ở đầu ống nhỏ này có những cái vòi nhỏ và impinger cấu trúc

thủy tinh này được nhận chìm trong một dung dịch hấp thụ lỏng Nó giữ lại tất cả các bụi bẩn, khói, hơi, khí hòa tan và bụi không tan có kích thước lớn hơn 2μm

Hình 7.7 Greenberg-Smith impinger, midget impinger, mẫu cyclon

Kỹ thuật lấy mẫu quán tính còn có sử dụng tới loại cyclon, nó có thể thu được những bụi có kích thước lớn hơn 5μ (hình 7.7 bên phải)

e Kỹ thuật lắng

Đây là kỹ thuật sử dụng quá trình lắng do tác dụng của nhiệt và điện Kỹ thuật

lắng do nhiệt như sau: gia nhiệt cho dòng khí có chứa các bụi phóng xạ bởi quá trình

trao đổi nhiệt đối lưu, dòng khí này chuyển động tới một bề mặt được làm lạnh, các phần tử trong dòng khí sẽ va chạm vào bề mặt đã được làm lạnh này Các hạt bụi có

kích thước từ 0,01μ đến 10μ bị dính lên bề mặt lạnh này Kỹ thuật lắng do điện là

dùng năng lượng điện tác động lực lên các hạt bụi, làm cho chúng bị tách ra khỏi dòng không khí bám lên bề mặt thu bụi Kỹ thuật này có hiệu quả tốt khi thu những bụi nhỏ mịn, bụi hóa học và bụi chất phóng xạ Các hạt bụi có kích cỡ từ 0,01μ đến 10μ thiết bị này đều thu được Tuy nhiên thiết bị này lại không dùng được khi có mặt các khí ô nhiễm, bởi vì quá trình gia nhiệt và tác dụng của nguồn điện đều làm tăng khả năng gây hại của các khí ô nhiễm

Thiết bị lấy mẫu bụi theo kỹ thuật lắng bao gồm: thiết bị lắng điện (hình 7.8) dùng thu bụi và dùng trong nghiên cứu về loại và tính chất của các bụi phóng xạ, thiết

bị lắng nhiệt (hình 7.9) Các thiết bị lấy bụi tổng quát xem trong bảng 7.1

Hình 7.8 Thiết bị lắng điện (phải) Hình 7.9 Thiết bị lắng nhiệt (trái)

Bảng 7.1: Thiết bị lấy mẫu bụi

Thiết bị lấy mẫu Kỹ thuật

Đầu lấy bụi (h 7-1) Hút, 30

Máy hút khí (h 7-2 7-3)

Lọc 24 giờ

Bụi lơ lửng (gồm cả bụi vô cơ, hữu cơ, chất phóng xạ)

Trọng lực

Giấy lọc bụi (h7-4)

Lọc 24 giờ Bụi lơ lửng (bụi đất) Đo lưu lượng (h7-3),

đo trọng lượng Mẫu Durham, Roto

quay (h 7.5), bẫy bào tử

Hirst (h7.6)

Va chạm Phấn hoa, bào tử Đếm

Greenberg-Smith

Mẫu cyclon (h 7.7) Va chạm Bụi > 5 micron Trọng lực Lắng tĩnh điện (h 7.8) Lắng Bụi phóng xạ Nghiên cứu loại

7.4 LẤY MẪU KHÔNG KHÍ

Như trên đã nói, chất ô nhiễm không khí được phân ra thành bụi và khí độc Trong phần tiếp sau đây sẽ đề cập tới các kỹ thuật và thiết bị thường dùng cho việc lấy mẫu khí độc

7.4.1 Kỹ thuật và thiết bị lấy mẫu

Bốn kỹ thuật cơ bản của việc lấy mẫu các khí thải là hấp thụ, hấp phụ, cô đặc và hút mẫu

a Phương pháp hấp thụ

Phương pháp hấp thụ là quá trình làm cho dòng không khí có chứa các khí ô nhiễm được đưa vào tiếp xúc với các hóa chất lỏng, tại đó xảy ra phản ứng hấp thụ tạo ra dạng chất rắn hoặc lỏng (không còn là khí) Dung dịch hóa chất dùng thích ứng với các khí cần thu mẫu Trong kỹ thuật này, điều quan trọng nhất là phải xác định cho được tất cả các khí ô nhiễm đi vào tiếp xúc với dung dịch hóa chất hấp thụ và mức độ hấp thụ chất ô nhiễm trong khoảng thời gian lấy mẫu Xác định cho thích hợp thì thu mẫu mới đạt hiệu quả cao

Để giúp cho việc thu mẫu đạt kết quả cao, những vấn đề sau đây cần phải xem

xét: Quá trình sủi bọt trong thiết bị, dòng không khí có chứa chất ô nhiễm đi qua dung dịch hấp thụ, phần lớn các khí có sự tiếp xúc giữa chất khí và chất lỏng Kích cỡ thích

hợp của thiết bị hoặc nói cách khác tỷ lệ lưu lượng khí lấy mẫu phải thích hợp, nhằm

mục đích tạo cho dòng khí và dung dịch hấp thụ có đủ thời gian tiếp xúc, dung dịch

hấp thụ có thể giữ lại hết các chất ô nhiễm Nồng độ dung dịch hấp thụ là xác định

trên cơ sở nồng độ các chất ô nhiễm cần hấp thụ Bởi vậy nếu xét tới khía cạnh an toàn, khi có quá nhiều chất phản ứng ở trong dung dịch hấp thu, chúng sẽ hấp thụ tất cả các chất ô nhiễm kể cả chất ô nhiễm nặng nếu chúng gặp, độ chính xác của việc lấy mẫu giảm đi Thời gian tiếp xúc giữa khí ô nhiễm và dung dịch hấp thụ rất ngắn, bởi vậy nồng độ dung dịch hấp thụ phải đủ để xảy ra phản ứng hấp thụ ngay lập tức Một loại thiết bị cũng sử dụng theo nguyên tắc hấp thụ cho nhiều loại khí đồng

thời, loại này tương tự như loại Sủi bọt 24 h (Twenty-fuor hour bubble) (hình 7.10)

Loại thiết bị lấy mẫu này được thiết kế để lấy đồng thời 5 loại khí khác nhau, dùng 5 loại dung dịch hấp thụ ứng với 5 loại khí ô nhiễm cần thu với từng thiết bị sủi bọt Một bơm hút khí vào đồng thời 5 dung dịch hấp thu, với các đường vào ra khác nhau Lưu lượng của dòng khí có thể kiểm soát được bằng cách điều chỉnh miệng hút khí vào Một thiết bị nhiệt tĩnh học luôn luôn gia nhiệt để tạo ra độ ổn định nhiệt cho dòng khí vào mẫu Nhờ việc sử dụng dụng cụ sủi bọt và dung dịch hấp thụ thích hợp với từng loại khí, các mẫu có thể lấy được là SO2, NO2, H2S, NH3 và Aldehyd Kết quả sau phân tích được tính theo đơn vị μg/m3

Một thiết bị khác cũng sử dụng nguyên lý hấp thụ là thiết bị sử dụng mẫu mắc nối tiếp, nó bao gồm nhiều thiết bị sủi bọt khác nhau Một thiết bị chọn đúng có 12 thiết bị sủi bọt, nó có thể lấy mẫu nối tiếp với các khoảng thời gian nối tiếp nhau (một mẫu lấy trong 2h, sau đó chuyển sang thiết bị sủi bọt khác, lấy mẫu cho toàn thiết bị trong 24h) Thiết bị lấy mẫu này có thể cho ta giá trị tức thời cao nhất chính xác của khí ô nhiễm Hình 7.10 cũng cho thấy một vài kiểu ống hấp thụ thủy tinh của thiết bị lấy mẫu trên Những ống thủy tinh này chế tạo dạng sủi bọt nhỏ nhằm cung cấp khí cho quá trình hấp thụ Chúng hoàn toàn khác với với kiểu impinger ống lồng dùng để thu mẫu bụi

Dùng đèn Pero chì (hình 7-1) để định lượng nồng độ khí sulfur dioxit trong khí quyển là phương pháp đơn giản nhất trong kỹ thuật hấp thụ Trong kỹ thuật hấp thụ khí ô nhiễm, khả năng hấp thụ bằng chất rắn ít hơn so với khả năng hấp thụ bằng chất lỏng Các khâu sứ hình trụ được bao quanh bởi một màng mỏng các dung dịch hấp thụ pero chì Pero chì phản ứng với sulfur dioxit tạo ra dạng chì sunfat Tổng lượng sunfat chì sau khi thí nghiệm 30 ngày được cân xác định trọng lượng hoặc định lượng bởi tác động đổi màu của dung dịch hấp thu

Các biểu hiện qua quan sát thiết bị theo nguyên tắc hấp thụ sẽ được đề cập tiếp trong chương sau

b Phương pháp hấp phụ

Phương pháp hấp phụ lấy mẫu dựa trên nguyên tắc; bề mặt các chất rắn có tác dụng hút và giữ các khí trên nó Lượng chất khí ô nhiễm được hấp phụ liên quan đến diện tích bề mặt chất hấp phụ, mức độ duy trì áp suất và nhiệt độ dòng khí lấy mẫu (hai nhân tố này có ảnh hưởng tới lưu lượng và nồng độ), đặc điểm lý học và hóa học của chất hấp phụ đã được dùng Các chất hấp phụ khác nhau sẽ được thảo luận trong phần tiếp

Hình 8.15: Mẫu nối tiếp - Hình 7.15 trang 110 Hình 7.10 Ống thủy tinh sủi bọt hoặc hấp thụ

• Cacbon hoạt tính

Đây là loại than được tạo ra từ hạt quả đào, vỏ quả dừa… là những vật chất tốt nhất dùng làm chất hấp phụ Các hydrocacbon bám trên bề mặt than hoạt tính chịu tác dụng oxy hóa bởi tác dụng hoạt hóa của chúng Các quá trình oxy hóa này được thử nghiệm thường xuyên với sự gia nhiệt ứng với từng khoảng nhiệt độ khác nhau ứng với các khoảng thời gian dài Một vài loại khí luôn bị hấp thụ bởi bề mặt than hoạt tính là NH3, NOx, CO và CO2

• Lưới phân tử (a molecular seive)

Đây là chất tổng hợp bởi natri hoặc canxi không có alumin, chúng từng được dùng để hấp phụ CO2, H2S, SO2, NH3 và ecetylen

Một vài thuận lợi của nguyên tắc hấp phụ dựa trên nguyên tắc hấp thụ là:

1/ Chất ô nhiễm có thể được phát hiện nhanh nhờ tác động làm thay đổi màu sắc; 2/ Các mẫu thu được có thể được vận chuyển ở dạng rắn;

3/ Nó có thể thu được tốt các loại khí dễ bay hơi;

4/ Chúng có thể thực hiện lấy mẫu trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau;

5/ Có thể hấp thụ tốt các chất ô nhiễm khi ở nồng độ cao

Hộp thử nghiệm khí trong vũ trụ (A universal tester kit)

Đây là sản phẩm của công ty Mine Safety Appliance, sử dụng nguyên lý hấp thụ để có thể phát hiện nhanh ra các khí độc, hơi, khói, bụi Mẫu đơn giản của thiết bị là một bơm pittông dùng để hút không khí cần lấy mẫu vào các thiết bị chỉ thị hoặc ống phát hiện nhanh hoặc các tấm giấy lọc có thấm các loại hóa chất dùng để phát hiện

chất ô nhiễm Để khẳng định chắc chắn tính độc của các hợp chất có thể dùng biện pháp gia nhiệt với từng nhiệt độ khác nhau, bằng cách này phát hiện ra tính độc hóa học ứng với từng nhiệt độ, ở đây tính độc ứng với từng nồng độ các hợp chất có liên quan tới tính độc nguyên thủy của chúng Nhiệt cung cấp cho thiết bị ở đây cung cấp bởi bình điện nhiệt phân (hình 7.11)

Hình 7.11 Thiết bị nhiệt phân

Một thí nghiệm chuẩn dùng cho việc phát hiện CO là dùng ống phát hiện nhanh, trong ống phát hiện nhanh có chứa silica gen được thấm nhiễm bởi dung dịch H2SO4, alumin molypden, sulfat paladi hòa tan Không khí có chứa CO đi nhanh qua ống, màu sẽ nhanh chóng chuyển từ màu vàng sang màu xanh thẫm, lượng CO được xác định bởi việc so sánh với các cột màu (thiết bị phát hiện CO hấp phụ, hình 7.12)

Làm lạnh hoặc ngưng tụ mẫu

Là phương pháp dùng thể thu thập khí hydrocacbon, hơi chất phóng xạ và các chất không tan hoặc không bay hơi khác Chất ô nhiễm không khí tồn tại ở dạng khí có thể bị “bẫy” hoặc tách ra khỏi không khí nhờ phương pháp làm lạnh hoặc ngưng tụ Bẫy nói ở đây có nghĩa là thu các chất ô nhiễm hoặc tách chất ô nhiễm ra khỏi dòng khí

Máy móc dùng cho quá trình làm lạnh hoặc ngưng tụ như sau: Không khí lấy mẫu được hút vào một hộp đã được làm lạnh từ trước, nếu nhiệt độ trong hộp thấp hơn hoặc bằng với nhiệt độ ngưng tụ của các khí, chúng sẽ chuyển sang dạng lỏng Những chất lỏng hoặc chất ngưng tụ này được đựng trong hộp, ngay tại nơi chúng đã bị

chuyển từ dạng khí sang dạng lỏng Quá trình lấy mẫu dựa trên nguyên tắc làm lạnh này, nếu muốn thu thập một vài loại khí trong cùng một thời gian thì ta phải dùng nhiều hộp lấy mẫu cùng một lúc

Hình 7.12 Thiết bị hấp thụ phát hiện CO

Một loại thiết bị lấy mẫu đặc biệt gồm có 5 cái bẫy thủy tinh được nối liền với nhau bởi các khớp nối có joăng bao kín Những bẫy này có cấu trúc là những bình cổ dài, nơi chứa các khí theo trật tự dòng khí đi vào: Bình (1) được làm lạnh bởi chất tải lạnh là dung dịch nước muối ở nhiệt độ -16oC, các bình (2,3 và 4) được làm lạnh làm khô bởi khí CO2 và aceton hoặc methyl cellosolve giữ cho nhiệt độ ở mức -80oC và bình 5 là bình dùng để thu nitro lỏng được giữ ở nhiệt độ -195oC Dòng khí được hút vào bẫy này (những bình cổ dài) nhờ một bơm hút Sau khi lấy mẫu xong để chuẩn bị phân tích thì phải sấy nóng mẫu lên, các khí trở về dạng gốc của nó, sau đó được phân tích bởi tia hồng ngoại hoặc sắc ký khí

Trong phương pháp lấy mẫu kiểu ngưng tụ thì vấn đề quan trọng nhất là vấn đề các tinh thể nước đá sẽ bít kín những hộp lấy mẫu Để tránh hiện tượng này, đầu vào của những bình được chế tạo loe đường kính ra 2 inch và dài ra 2 inch nữa Ở những chỗ đầu vào, đầu ra của các bình cổ dài hoặc các ống nối, chỗ uốn cong được thiết kế bán kính rộng ra Cũng như vậy tại những vị trí cao thì được làm khô sẽ giảm bớt được các vấn đề này Giữ cho các dung dịch hoạt động được, thiết bị hoạt động được thì việc quản lý và vận hành là một vấn đề không nhỏ

Lấy mẫu tức thời (Grab sampling)

Lấy mẫu tức thời là một kỹ thuật khác dùng để lấy mẫu không khí bị ô nhiễm Lấy mẫu tức thời là lấy mẫu ở điểm thời gian nào đó đặc biệt, với khoảng thời gian lấy mẫu khoảng từ vài giây đến 1 phút Một mẫu tức thời có thể dùng làm đại diện cho một tập hợp các mẫu khác khi nguồn lấy mẫu là không thay đổi Những mẫu này được dùng để xác định các khí có trong thành phần không khí (mẫu khí chứa những chất ô nhiễm) và xác định xem nồng độ các chất ô nhiễm ngay tại thời điểm lấy mẫu Kỹ thuật lấy mẫu tức thời có tác dụng khi mà những chất ô nhiễm có liên quan không bị hấp thụ bởi chất lỏng hoặc mức độ chịu hấp phụ chậm Hơn nữa dung dịch hấp thụ lại phải đặt trong dụng cụ lấy mẫu và mẫu thu được có thể trở nên bão hòa với dung dịch hấp thụ trước khi đuợc phân tích

Hầu hết những mẫu lấy theo kỹ thuật này thường được sử dụng với những thiết bị nhỏ và không yêu cầu về trình độ, kinh nghiệm của người lấy mẫu trong những phần công việc

Có nhiều loại thiết bị lấy mẫu tức thời có sẵn Một loại là túi plastic đã xì hơi đặt

trong một cái hộp với một cái ống vươn ra ngoài hộp Mẫu được lấy bằng cách hút không khí từ trong túi ra, đưa túi tới nơi lấy mẫu mở ra cho không khí được hút vào trong túi mẫu đã được lấy

Đôi khi phương pháp dùng ống tiêm tạo ra lỗ trên bề mặt chất rắn dùng để thu những lượng khí ô nhiễm nhỏ Một loại thiết bị khác là bình hút cổ dài (hình 7.13) thích hợp với khóa vòi và đầu hút Trong cách thu mẫu này, dung dịch có khả năng hấp thụ chất ô nhiễm cũng là vấn đề đáng nói tới, khi nói tới thiết bị lấy mẫu bằng bình cổ dài Những bình này sau khi được hút khí ra (ngoài hay trong phòng thí nghiệm) cho tới áp suất bay hơi của dung dịch hấp thu, nhiệt độ và áp suất trong bình được ghi chép lại sau đó khóa vòi lại

Hình 7.13 Bình hút cổ dài

Khi bình cổ dài mở ra, dòng khí được hút vào trong bình Để tránh gãy vỡ hư hỏng, bình lấy mẫu phải đặt trong hộp bảo vệ bên trong bọc xốp hoặc là bằng bông thủy tinh tránh va chạm mạnh

Một thiết bị khác được dùng như là một thiết bị làm sạch hoặc thiết bị trao đổi khí (hình7.14) với một ống hình trụ có khóa ở hai đầu Khi cả hai khóa ở cả hai đầu đều mở, một dòng không khí được hút vào thiết bị Đóng khóa hai đầu lại ta chứa được mẫu khí mang về

Hình 7.14 Thiết bị trao đổi khí

Một thiết bị khác trong kỹ thuật lấy mẫu tức thời là thiết bị trao đổi vị trí của chất lỏng (hình 7.15) Một bình đứng có chứa chất lỏng dùng làm chất trao đổi vị trí với khí Chất lỏng được tháo ra khỏi bình nhờ van ở đáy bình, không khí bên ngoài được hút vào ở van ở phía trên đỉnh bình thay thế vào vị trí mà chất lỏng vừa được rút ra Việc lựa chọn chất lỏng dùng để thay thế (nước, nước muối, thủy ngân hoặc là chất lỏng đã hòa tan bão hòa với khí lấy mẫu) được chọn dựa trên tính chất của khí cần lấy mẫu Với yêu cầu là khí lấy mẫu không có bất kỳ một phản ứng nào với chất lỏng dùng làm chất thay thế vị trí

Hình 7.15 Thiết bị lấy mẫu bằng phương pháp dời chỗ chất lỏng

Kỹ thuật lấy mẫu tức thời thì chỉ yêu cầu dùng các thiết bị nhỏ và yêu cầu về trình tự lấy mẫu không cao Nó thích hợp với cách lấy mẫu quan trắc liên tục (sẽ đề cập trong phần kế tiếp) khi mà mức độ hấp thụ các chất ô nhiễm là chậm Một điều bất lợi trong kỹ thuật lấy mẫu này là khối lượng chất ô nhiễm có mặt trong mẫu không nhiều, đôi khi nó không đạt tới ngưỡng có thể phát hiện ra chất ô nhiễm

Thiết bị lấy mẫu, kỹ thuật thu mẫu, những chất ô nhiễm có thể thu được, phương pháp phân tích các mẫu khí được trình bày trong bảng 7.2

Thiết bị dùng khi quan trắc liên tục (CM)

Đây là một tập hợp các thiết bị có khả năng lấy mẫu và phân tích mẫu tự động, nó có thể cung cấp nhiều các thông số với nhiều khí ô nhiễm khác nhau Tuy nhiên, các thiết bị này lại dùng hầu hết với các khí ô nhiễm Trình tự của kỹ thuật lấy mẫu bao gồm các công việc chuẩn bị như việc thăm dò, thuốc thử hấp thụ, thiết bị phát hiện bằng khuếch đại điện, dụng cụ đo lưu lượng và máy ghi

Bảng 7.2 Thiết bị lấy mẫu khí

Thiết bị lấy mẫu Kỹ thuật lấy mẫu Chất ô nhiễm thu

được

Phương pháp phân tích

Thiết bị sủi bọt

formaldehyde, aldehyde béo, olefin

Phân tích hóa học, so màu, quang phổ

Ống phát hiện

nhanh và ống chỉ

thị

Hấp phụ bởi tính hoạt hóa của than hoạt tính, silica gen, alumin hoạt tính, lưới phân tử

Những chất không hòa tan hoặc không bay hơi: NH3, H2S,

tan và không bay hơi, HC, khí phóng

Dùng quang phổ, tia hồng ngoại

xạ hoặc sắc ký khí Bình hút cổ dài

Lấy mẫu tức thời Chỉ thu được một số

lượng nhỏ các khí ô nhiễm - mùi

Nhiều phương pháp có thể áp dụng

Một vài thiết bị tiên tiến nhất hiện nay không cần thiết phải sử dụng thuốc thử, bơm hút hoặc là những ống thủy tinh dễ vỡ, mà thay thế bằng các thiết bị điện Những thiết bị dùng trong việc quan trắc liên tục (CM) nhìn chung là đắt hơn nhiều so với những thiết bị lấy mẫu đã thảo luận trước đó Tuy nhiên, tại những nơi mà có khả năng sẽ xảy ra ô nhiễm không khí trầm trọng thì có thể bố trí riêng hệ thống dự báo ô nhiễm không khí Ở một vài thành phố lớn các thiết bị CM được lắp đặt như một hệ thống đèn báo động, khi nồng độ chất ô nhiễm đạt tới nức độ cao chúng tự động báo động Những nguồn phát sinh ô nhiễm khi đó phải giảm bớt hoặc phải chấm dứt hoạt động, cho tới khi nồng độ chất ô nhiễm giảm tới mức phục hồi lại được Một vài loại chất ô nhiễm mà thiết bị CM có thể phát hiện được bao gồm HC (hydrocacbon), CO,

CH4, SO2, nitro oxid, ozon, H2S, aldehyde và tổng các ôxit

Việc phân tích HC từ trước đây là dùng phương pháp xác định tổng HC (tất cả các HC có trong mẫu) nhờ kỹ thuật tác dụng ion hoá của ngọn lửa Kỹ thuật này thích

hợp là do chúng tập trung các tia hồng ngoại (NDIR), bởi vì với metan khi có nồng độ

từ 0-1 ppm và cao hơn là đủ để chúng có độ nhạy cao với tác dụng tia hồng ngoại Lấy tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí làm chuẩn để xác định ra tổng HC (khi không có hoặc ít metan) có trong không khí bằng phương pháp sắc ký khí, phương pháp sắc ký khí theo Beckman Model CG 6800 (hình 7.16) là phương pháp thường dùng nhất Thiết bị Model CG 6800 có thể xác định được ba loại chất ô nhiễm là CO,

CH4 và tổng HC có nồng độ từ 0-1 ppm với từng yếu tố hợp thành Thiết bị này có con số chính xác với tất cả những yếu tố mà chúng phân tích được Thiết bị được thiết kế các nút điều chỉnh phía trước, kích cỡ phù hợp thuận lợi cho việc quan sát và vận hành

Để quan tâm tới việc xác định nồng độ CO, cần phải chuẩn phương pháp xác định CO bằng NDIR theo tiêu chuẩn chất lượng môi trường không khí Phương pháp Beckman Model 315 BL hoặc Mine Safety Appliance Company LIRA (hình 7.17) là hai ví dụ của việc phân tích CO bằng NDIR Đặc biệt, một phương pháp tương đương

với NDIR là phương pháp sắc ký khí có tác dụng ion hóa nhờ ngọn lửa, nhằm phát hiện ra sự metan hóa của CO thành CH4 Phương pháp dùng Beckman Model CG

6800 cũng có thể dùng cho CO như đã nói trước đó

Phương pháp Beckman còn có một số thiết bị phân tích điện học như: Model 906A (đo SO2), 908 (đo tổng ozon), 909 (đo NO) và 910 (đo NO2) Những thiết bị này có đặc trưng là thiết kế để đo đạc, quan trắc không khí bao quanh Tất cả những loại này về cơ bản được thiết kế và vận hành tương tự như đa số các máy lọc khác và việc phân tích cũng dựa trên các biểu hiện bên ngoài như so màu, kích cỡ hạt … (Model

908 phân tích tổng oxid xem hình 7.18) Những thiết bị này không sử dụng tới thuốc thử, bơm hút, thiết bị dễ vỡ và các thành phần phức tạp khác

Hình 7.16 Sắc ký khí (Model 6800)

Technicon Air Monitor IV (hình 7.19), thiết bị mà dùng kỹ thuật so màu, nó được tạo ra bởi những chất dẻo, bởi vậy thời gian dành cho việc duy tu sửa chữa, bảo quản không nhiều và chúng có thể sắp xếp lại cho thích hợp với việc đo đạc các khí SO2,

NO2, NOx, H2S, F, aldehyde hoặc tổng oxid Bảng 7-3 liệt kê một số các thiết bị dùng cho CM (thiết bị dùng cho việc quan trắc liên tục)

7.4.2 Quá trình phân tích

Quá trình phân tích nhằm làm sáng tỏ được các thông số về bụi, khí ô nhiễm như phân loại, xác định nồng độ chất ô nhiễm, định lượng mức độ gia tăng chất ô nhiễm, định lượng các tính chất đặc trưng của chất ô nhiễm, từ đó ghi chép tính toán và đánh giá mức độ ô nhiễm

Hình 7.17 Phân tích bằng tia hồng ngoại (LIRA-Mine)

Nồng độ

Nồng độ của các chất có tác dụng làm giảm khả năng hòa tan thêm hoặc bốc hơi của vật chất Nồng độ có thể được thay đổi bằng cách thay đổi áp suất tác dụng lên khí ô nhiễm, khi đó có thể làm tăng khả năng bốc hơi hoặc hấp thụ chất phóng xạ hoặc làm giảm khả năng bay hơi của chất hòa tan, làm cho nồng độ các chất bẩn tăng lên thuận lợi cho việc phân tích Trong một vài thí dụ thì việc xác định nồng độ có thể từ các mẫu hoặc việc phân loại Với lưu lượng cao có thể cho tập hợp các mẫu, khi đó cho các nồng độ khác nhau