Luận án tiến sĩ vật lý ứng dụng kỹ thuật hạt nhân để nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong không khí tại hà nội dùng chỉ thị rêu sinh học

Luận án tiến sĩ vật lý ứng dụng kỹ thuật hạt nhân nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong không khí Hà Nội bằng chỉ thị rêu sinh học.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Quyết
• Người hướng dẫn: GS. Lê Hồng Khiêm
• Trường học: Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
• Đề tài: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong không khí Hà Nội bằng chỉ thị rêu sinh học
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về ô nhiễm kim loại nặng trong không khí

Luận án tiến sĩ tập trung vào việc nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong không khí tại Hà Nội, sử dụng kỹ thuật hạt nhân và chỉ thị rêu sinh học. Ô nhiễm không khí, đặc biệt là ô nhiễm bụi khí (PM2.5), đã trở thành vấn đề nghiêm trọng tại Hà Nội, với mức độ ô nhiễm đứng thứ 7 trên thế giới. Các kim loại nặng như Cd, Hg, Cr, Zn có tác động tiêu cực đến sức khỏe con người, đặc biệt là nhóm dễ bị tổn thương như người già và trẻ em. Luận án nhấn mạnh sự cần thiết của việc áp dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại để đánh giá và kiểm soát ô nhiễm môi trường không khí.

1.1. Khái niệm và nguồn gốc ô nhiễm kim loại nặng

Ô nhiễm kim loại nặng trong không khí xuất phát từ các nguồn như giao thông, công nghiệp, và hoạt động đốt cháy nhiên liệu hóa thạch. Các kim loại nặng có khả năng tích tụ trong môi trường và gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Luận án đề cập đến các phương pháp truyền thống và hiện đại để nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng, trong đó kỹ thuật hạt nhân và chỉ thị rêu sinh học được coi là phương pháp hiệu quả và tiết kiệm.

1.2. Tác động của ô nhiễm kim loại nặng đến sức khỏe

Các kim loại nặng như Cd, Hg, Cr, Zn có khả năng gây ra các bệnh lý nghiêm trọng như ung thư, bệnh hô hấp, và rối loạn thần kinh. Luận án nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đánh giá mức độ ô nhiễm và xác định nguồn gốc ô nhiễm để có các biện pháp phòng ngừa và kiểm soát hiệu quả.

II. Kỹ thuật hạt nhân trong nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng

Luận án sử dụng các kỹ thuật hạt nhân như phân tích kích hoạt nơtron (INAA) và phân tích phát xạ tia X kích thích bởi chùm hạt (PIXE) để nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong không khí. Các kỹ thuật này cho phép phân tích đa nguyên tố, không phá hủy mẫu, và có độ nhạy cao, phù hợp với việc nghiên cứu các mẫu rêu sinh học.

2.1. Phân tích kích hoạt nơtron INAA

Kỹ thuật INAA được sử dụng để xác định hàm lượng các nguyên tố kim loại nặng trong mẫu rêu. Phương pháp này dựa trên việc kích hoạt các nguyên tố trong mẫu bằng nơtron và đo phổ gamma phát ra. Luận án trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm và các kết quả phân tích thu được từ hệ thống REGATA tại Viện Liên hợp Nghiên cứu hạt nhân Dubna.

2.2. Phân tích phát xạ tia X PIXE

Kỹ thuật PIXE được áp dụng để phân tích các nguyên tố kim loại nặng trong mẫu rêu và mẫu sol khí. Phương pháp này sử dụng chùm proton để kích thích phát xạ tia X đặc trưng của các nguyên tố. Luận án mô tả quy trình phân tích và các kết quả thu được từ hệ thống PIXE tại Trung tâm Gia tốc Cyclotron Nishina.

III. Chỉ thị rêu sinh học trong nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng

Luận án sử dụng hai loại rêu là Barbula indica và Sphagnum girgensohnii làm chỉ thị sinh học để nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong không khí. Rêu có khả năng hấp thụ các kim loại nặng từ không khí do cấu trúc đặc biệt của nó, không có lớp biểu bì và bộ rễ giả. Phương pháp này được coi là đơn giản, tiết kiệm và hiệu quả trong việc đánh giá ô nhiễm môi trường không khí.

3.1. Đặc điểm và ưu điểm của rêu sinh học

Rêu sinh học có khả năng hấp thụ các kim loại nặng từ không khí do cấu trúc đặc biệt của nó. Luận án nhấn mạnh các ưu điểm của rêu như khả năng chống chịu ô nhiễm, tỉ số diện tích bề mặt/khối lượng lớn, và dễ dàng thu thập trong tự nhiên. Phương pháp sử dụng rêu sinh học được coi là hiệu quả trong việc đánh giá ô nhiễm môi trường không khí.

3.2. Kết quả nghiên cứu sử dụng rêu sinh học

Luận án trình bày các kết quả nghiên cứu sử dụng rêu Barbula indica và Sphagnum girgensohnii để đánh giá ô nhiễm kim loại nặng trong không khí tại Hà Nội. Các kết quả phân tích cho thấy sự tương quan rõ rệt giữa hàm lượng các nguyên tố kim loại trong rêu và trong mẫu sol khí, chứng minh hiệu quả của phương pháp này.

IV. Đánh giá và ứng dụng thực tiễn của luận án

Luận án đã đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong không khí tại Hà Nội và xác định các nguồn gốc khả dĩ của ô nhiễm. Các kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất các biện pháp kiểm soát và giảm thiểu ô nhiễm môi trường không khí. Phương pháp sử dụng kỹ thuật hạt nhân và chỉ thị rêu sinh học được coi là hiệu quả và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong tương lai.

4.1. Đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng

Luận án đã đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong không khí tại Hà Nội thông qua việc phân tích các mẫu rêu và mẫu sol khí. Các kết quả cho thấy mức độ ô nhiễm cao tại một số khu vực, đặc biệt là các khu vực có mật độ giao thông và công nghiệp cao.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Các kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất các biện pháp kiểm soát và giảm thiểu ô nhiễm môi trường không khí. Phương pháp sử dụng kỹ thuật hạt nhân và chỉ thị rêu sinh học được coi là hiệu quả và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong tương lai, đặc biệt là tại các thành phố lớn có mức độ ô nhiễm cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 nghiên cứu tổng quan các vấn đề về ô nhiễm KLN trong không khí, và tình hình nghiên cứu ONKK sử dụng chỉ thị sinh học rêu, các phương pháp phân tích KLN trong rêu; Chương 2 trình bày cơ sở vật lý và kỹ thuật nghiên cứu ô nhiễm KLN trong không khí sử dụng rêu và các kỹ thuật phân tích nguyên tố INAA và PIXE, nghiên cứu tương quan KLN trong rêu và mẫu sol khí; phương pháp phân tích thống kê đa biến số liệu thực nghiệm. Chương 3 mô tả quá trình thực nghiệm tại hiện hiện trường, thu gom, xử lý mẫu rêu nghiên cứu ONKK. Giới thiệu hệ phân tích REGATA trên lò phản ứng hạt nhân xung IBR-2M (Dubna, Nga) và hệ phân tích PIXE trang bị tại Trung tâm NMCC (Nhật Bản) được sử dụng trong phân tích hàm lượng các nguyên tố 9 KLN từ các mẫu rêu thu được. Các quy trình thực nghiệm phân tích và xử lý số liệu thực nghiệm.

Chương 4 trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm ô nhiễm KLN trong không khí tại một số khu vực của Tp Hà Nội sử dụng hai loại rêu Barbula indica và rêu Sphagnum girgensohnii. Đánh giá tương quan hàm lượng kim loại nặng trong các mẫu rêu và các mẫu sol khí thu thập trực tiếp bằng bơm hút khí. Kết quả áp dụng phương pháp phân tích thống kê đa biến để xác định nguồn gốc khả dĩ gây ô nhiễm các nguyên tố kim loại trong không khí tại Tp. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.

Tổng quan về ô nhiễm không khí 1. Khái niệm về ô nhiễm không khí và nguồn gốc gây ô nhiễm Ô nhiễm không khí xảy ra khi không khí có chứa các thành phần độc hại như các loại khí, bụi lơ lửng, khói, mùi. Hay nói cách khác là sự biến đổi thành phần không khí, sự gia tăng các chất độc hại trong không khí, gây khó chịu hoặc tác động xấu tới sức khỏe và môi trường. Chất gây ONKK có thể là các hạt rắn, giọt chất lỏng hoặc khí, bao gồm hai loại chính đó là chất ô nhiễm xâm nhập trực tiếp vào môi trường từ nguồn phát sinh như SOx, COx, NOx, bụi, v.

được gọi là chất ô nhiễm sơ cấp, và chất ô nhiễm thứ cấp được hình thành khi chất ô nhiễm sơ cấp phản ứng hoặc tương tác với các thành phần của môi trường. ONKK có nguy cơ ảnh hưởng tới sức khỏe con người và những thành phần khác của môi trường như đất, nước thông qua chu trình hệ sinh thái (Hình 1. Nguồn gốc và chu trình của hệ sinh thái đất-nước-không khí. Có hai nguồn gốc chính của sự ONKK, thứ nhất là từ bản thân tự nhiên, và do các hoạt động của con người gây lên.

Nguyên nhân gây ONKK ở thời kỳ đầu tiên, khi mà các hoạt động công nghiệp chưa phát triển mạnh mẽ, đó là do các hiện tượng tự nhiên gây ra như: núi lửa, cháy rừng, bão bụi, hay quá trình phân huỷ, thối rữa xác động – thực vật tự nhiên, v., đây là những nguyên nhân khách quan nên rất khó dự báo và ngăn chặn. Khi núi lửa phun trào sẽ tạo ra những nham thạch nóng và nhiều khói bụi giàu sunfua, mêtan và những loại khí khác, dưới tác dụng của gió nó sẽ lan toả 11 đi rất xa, từ đó gây ONKK trên diện rộng. Bên cạnh sự phun trào của núi lửa thì các đám cháy rừng, đám cháy đồng cỏ, quá trình bão bụi, quá trình nước biển bốc hơi cũng tạo ra nhiều bụi và khí lan truyền rộng vào môi trường. Ngoài ra, các quá trình phân huỷ xác động - thực vật tự nhiên cũng phát thải nhiều chất khí, các phản ứng hoá học giữa những khí tự nhiên hình thành các khí sunfua, nitrit, các loại muối, v.

Các loại bụi và khí này đều gây ONKK. Có thể nói nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng như hiện nay phần lớn đều do các hoạt động của con người tạo ra từ những hoạt động đơn giản như nấu nướng, giao thông vận tải cho đến những hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp. Sự ONKK do các hoạt động sản xuất công nghiệp được tạo ra khi ngành công nghiệp thải các khí, các dạng hơi, khói mù v. vào khí quyển.

Các ngành công nghiệp khác nhau sản sinh ra các chất ONKK khác nhau. Ví dụ, công nghiệp luyện kim tạo ra các chất ô nhiễm như SO 2, CO, HCN, phenol, NH3,. Ở sản xuất vật liệu xây dựng, nhiệt điện các chất ONKK chính là bụi, khí SO2, CO, NOx,. Công nghiệp hoá chất và luyện kim màu, khí thải đặc trưng là tính độc hại của các hơi axit, các hợp chất hữu cơ bay hơi VOCs, florua, xyanua,.

Xử lý đốt các chất thải đô thị và chất thải y tế cũng là nguồn gây ONKK đáng kể. Thành phần của các chất gây ONKK gồm có tro, bụi, các chất khí như SO 2, NO2, CO, HCl, HF. Ngoài ra còn phải kể đến các KLN như: Cu, Zn, Cr, As, Cd, Hg, Pb; các chất độc như: dioxin, furan,. và ô nhiễm đáng kể về mùi.

Giao thông cũng là một trong những nguồn gây ONKK chính, có thể chiếm đến 50% ONKK tại các thành phố lớn. Khí CO là nguồn gây ONKK chủ yếu được tạo ra do giao thông. ONKK cũng được tạo ra do các hoạt động sản xuất trong nông nghiệp, từ hoá chất bảo vệ thực vật, việc phân huỷ chất thải nông nghiệp trong đồng ruộng, ao hồ cũng tạo ra các chất ô nhiễm như mêtan (CH 4), Hydro Sulfua (H2S), thói quen đốt rơm rạ cũng là nguồn gây ONKK đáng kể. Ngoài ra, các hoạt động đun nấu sử dụng nhiên liệu như than, củi cũng tạo ra các khí độc hại gây ô nhiễm cục bộ trong hộ gia đình và các hộ xung quanh.

Ô nhiễm không khí khu vực Tp. Hà Nội Hà Nội là thủ đô của Việt Nam tiếp giáp các tỉnh Thái Nguyên và Vĩnh Phúc về phía bắc, Tỉnh Hà Nam và Hòa Bình về phía nam, Bắc Giang, Bắc Ninh và Hưng Yên về phía đông, và Hòa Bình và Phú Thọ về phía tây Tp. Hà Nội là một trong hai trung tâm kinh tế hàng đầu của cả nước. Do nhiều nguyên nhân, bầu 12 không khí Tp.

Hà Nội đang ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt là ô nhiễm do bụi gây ra (Hình 1. Thực trạng ONKK Tp. Hà Nội đầu năm 2021 [2]. Trong thời gian gần đây, vấn đề ONKK ở Tp.

Hà Nội càng trở thành mối quan tâm đặc biệt của dư luận khi Tp. Hà Nội được nêu tên trong các bảng xếp hạng về những thành phố/thủ đô ô nhiễm nhất thế giới. Theo báo cáo của tổ chức quốc tế IQAir vào năm 2019, Tp. Hà Nội đã trở thành thủ đô có mức độ ô nhiễm bụi khí (PM2.5) nghiêm trọng thứ 7 trên thế giới, thậm chí còn trên cả Bắc Kinh, với mức PM2.5 trung bình là 46,9.

Hà Nội xếp thứ 12 với mức PM2.5 trung bình là 37,9 [1]. Năm 2019 Việt Nam đứng thứ 15 trong danh sách các quốc gia và vùng lãnh thổ có chất lượng không khí tồi tệ nhất thế giới và đứng thứ hai trong khu vực Đông Nam Á sau Indonesia, năm 2020 Việt Nam đã cải thiện vị trí xếp hạng xuống thứ 21 với mức PM2.5 trung bình 28,1 (Hình 1. Mạng lưới quan trắc chất lượng không khí của Việt Nam tăng gần gấp đôi từ năm 2019 đến năm 2020, tăng từ 54 hệ thống các trạm trên 4 thành phố lên 118 trạm trên 24 thành phố. Năm 2020, mức độ ô nhiễm trung bình ở Việt Nam giảm 18% so với mức năm 2019.

Các biện pháp nghiêm ngặt để giảm sự lây lan của SARS-CoV-2 cũng như sự chậm lại của tốc độ phát triển đã góp phần giảm 8% PM2. Nhưng sự thực là, không phải chỉ gần đây không khí Tp. Hà Nội mới ô nhiễm đến thế. Các nghiên cứu cho thấy vấn đề ONKK tại Tp.

Hà Nội đã tồn tại từ lâu. Nguyên nhân một phần do tốc độ tăng dân số, đô thị hóa và phát triển kinh tế mạnh mẽ của Thủ đô. Trên thực tế, phần lớn nồng độ trung bình năm của 13 các chất ô nhiễm dạng bụi (PM2.5, PM10) đều cao hơn QCVN 05. Các khí SO2 và CO nhìn chung ở ngưỡng an toàn.

Khí Ozone (O 3) đảm bảo trong ngưỡng nồng độ trung bình năm, nhưng mức trung bình giờ lại có dấu hiệu vượt giới hạn. Khí NO2 ở khu vực nội thành thường tiệm cận hoặc vượt ngưỡng trung bình năm [5]. Biểu đồ xếp hạng ô nhiễm bụi khí PM2.5 tại các thủ đô và quốc gia trên thế giới năm 2020 (nguồn: IQAir [1]). Đã có không ít các nghiên cứu xem xét, đánh giá các tác nhân đóng góp vào ONKK ở Tp.

Hà Nội và chỉ ra một số nguồn chung cơ bản như hoạt động giao thông, xây dựng, công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt. Trái với suy nghĩ của nhiều người, giao thông không phải lúc nào cũng là nguồn chính gây ONKK, mức độ đóng góp của nó dao động khá lớn, từ 10-50% tùy thời kỳ (Hình 1. Hoạt động công nghiệp, trên thực tế, chiếm khoảng 6-19%. Khí thải từ dân cư (đun nấu bếp than, bếp củi…) có thể chiếm 15-20%; trong khi các hoạt động gắn với nông nghiệp, bao gồm đốt sinh khối (rơm rạ…) và phát thải ammonia trong chăn nuôi, phân bón đóng góp khoảng 7-22% [5].

14 Báo cáo về quản lý chất lượng không khí tại miền Bắc Việt Nam của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam phối hợp với Viện Phân tích Hệ thống Ứng dụng Quốc tế đánh giá: nếu giữ nguyên hiện trạng và các quy định hiện hành thì tới năm 2030, khoảng 85% dân số miền Bắc phải sống chung với không khí ô nhiễm vượt chuẩn. Tuy nhiên, ngay cả khi có những biện pháp kiểm soát khí thải nghiêm ngặt nhất nhưng chỉ áp dụng cho Tp. Hà Nội thì cũng sẽ không đủ hiệu quả để đạt được TCVN vì trong kịch bản đó, về phần lớn các chất ô nhiễm là do lan truyền từ các tỉnh lân cận Tp. Vấn đề ONKK đang trở thành nguy cơ rõ rệt đối với các đô thị ở Việt Nam.

Mặc dù chi phí thực hiện các biện pháp quản lý ô nhiễm có thể lên tới 2,1-3,7% GDP vào năm 2030, nhưng những ước tính sơ bộ của World Bank và một số kết quả nghiên cứu trong nước nhận định thiệt hại kinh tế hoặc phúc lợi do ONKK có thể vào khoảng 4-7% GDP/năm [5]. Như vậy, rõ ràng là đầu tư cho hành động cải thiện chất lượng không khí sẽ ít tốn kém hơn khắc phục những hậu quả của nó. ONKK tại Tp. Hà Nội do các phương tiện giao thông [2].

Hậu quả của ô nhiễm không khí Việc ONKK gây nên những hậu quả vô cùng nặng nề cho cả sinh vật và con người.