CHƯƠNG 1. Tổng quan về bụi nano 1. Giới thiệu và tính chất vật lý của bụi nano Tính chất vật lý của bụi thường được tập trung nghiên cứu bao gồm: khối lượng, số lượng hạt, diện tích bề mặt, phân bố kích thước và hình thái học, vv. Đặc trưng quan trọng đầu tiên của bụi cần đề cập là kích thước hạt bụi.
Đặc trưng này có tác động rất lớn tới hành vi của chúng trong không khí cũng như ảnh hưởng lý hóa của chúng tới môi trường. Kích thước hạt cũng ảnh hưởng lớn tới sức khỏe con người, đặc biệt là đối với hệ hô hấp bởi ba lý do. Thứ nhất, kích thước ảnh hưởng tới sự lắng đọng của hạt bụi trong hệ hô hấp của con người, nghĩa là quyết định vị trí lắng đọng tại các vùng hô hấp. Các hạt bụi có kích thước lớn thường lắng đọng tại các cơ quan hô hấp trên, trong khi các hạt bụi nhỏ hơn lắng đọng tại các cơ quan hô hấp dưới, sâu hơn bên trong.
Với những hạt có đường kính nhỏ hơn 20 nm, sự lắng đọng là lớn nhất. Thứ hai, kích thước hạt quyết định diện tích bề mặt tiếp xúc với các mô tế bào. Diện tích tiếp xúc càng lớn thì ảnh hưởng của bụi tới các cơ quan càng lớn. Cuối cùng, kích thước hạt còn ảnh hưởng tới tốc độ làm sạch hạt.
Sau khi lắng đọng tại các phế nang, chỉ 20% bụi có kích thước nhỏ bị loại bỏ, trong khi đối với các hạt có kích thước lớn hơn 500 µm, sự loại bỏ lên tới 80% [2]. Do các hạt có rất nhiều hình dạng khác nhau nên hành vi động học của chúng thường được thể hiện dưới dạng đường kính của một hình cầu lý tưởng còn gọi là đường kính khí động học (aerodynamic diameter - AED). ADE của một hạt bụi được định nghĩa là đường kính của hạt bụi hình cầu có khối lượng riêng 1g/cm3 và có tính chất khí động học tương đương với hạt bụi đang xét. AED thường được sử dụng để phân loại bụi theo kích thước.
Cho đến nay, có rất nhiều thuật ngữ liên quan đến kích thước hạt được sử dụng để mô tả bụi trong khí quyển. Trong khi các nhà độc học thường phân loại thành bụi siêu mịn, mịn, và thô thì các cơ quan quản lý như Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA) và Liên minh châu Âu (EU) sử dụng các thuật ngữ PMx trong đó PM chỉ hạt bụi (particulate matter) còn chỉ số x thể hiện kích thước hạt bụi. US EPA đã phân loại các nhóm (phân đoạn) bụi theo kích thước hạt như trong Bảng 1. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Phân loại nhóm bụi theo kích thước hạt STT Nhóm bụi Kích thước hạt bụi 1 Bụi siêu mịn AED ≤ 0,1 µm 2 Bụi mịn 0,1 µm < AED ≤ 2,5 µm 3 Bụi thô 2,5 µm < AED ≤ 10 µm 4 Bụi siêu thô AED > 10 µm Sự phân bố nồng độ khối lượng (mass concentration) các loại bụi được thể hiện trong Hình 1. Phân bố nồng độ khối lượng theo kích thước bụi Những nghiên cứu đầu tiên không sử dụng thuật ngữ “bụi nano” (nanoparticles) mà sử dụng thuật ngữ “bụi siêu mịn” (ultrafine particles) để chỉ các hạt có kích thước nhỏ hơn 100 nm. Ngày nay, thuật ngữ này vẫn còn được sử dụng trong khoa học môi trường và khoa học khí quyển. Tuy nhiên, từ thập niên 90 của thế kỷ XX, thuật ngữ “bụi nano” trở nên phổ biến, dần thay thế thuật ngữ “bụi siêu mịn” và nhanh chóng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực trong y học, khoa học và kỹ thuật vật liệu.
Những hạt bụi này có thể sinh ra từ cả nguồn tự nhiên lẫn nhân tạo, trong đó nguồn nhân tạo là chủ yếu [10]. Bụi nano có thời gian lưu từ vài phút tới vài ngày tùy thuộc các điều kiện cụ thể. Khuếch tán là cơ chế chiếm ưu thế trong việc loại bỏ các hạt bụi nano trong khí quyển bởi kích thước của chúng rất nhỏ [11]. Mặc dù bụi nano có nồng độ khối lượng rất nhỏ (Hình 1.1), song chúng lại chiếm ưu thế về nồng độ số lượng (number concentration, Hình 1.
Nghiên cứu tại Atlanta (thuộc bang Geogia của Hoa Kỳ) cho thấy, mặc dù chỉ chiếm hơn 20% 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nồng độ khối lượng, các hạt bụi có kích thước nhỏ hơn 100 nm chiếm tới 89% nồng độ số lượng. Phân bố nồng độ số lượng hạt theo kích thước bụi 1. Nồng độ bụi nano trong không khí Thông thường, bụi nano có hai cách biểu diễn nồng độ: Nồng độ số lượng hoặc nồng độ khối lượng. Do có khối lượng rất nhỏ và khó xác định chính xác, trong các nghiên cứu trước đây thường sử dụng nồng độ số lượng thay vì nồng độ khối lượng.
Nồng độ số lượng bụi nano trong một số môi trường được thể hiện trong Hình 1. Nồng độ số lượng bụi nano tại một số môi trường khác nhau Nồng độ số lượng bụi nano dao động rất lớn từ 102 đến 107 hạt/cm3, tùy thuộc vào điều kiện môi trường và mức độ phát thải. Tuy nhiên, nồng độ số lượng bụi nano tại môi trường nền thường thấp hơn 10 đến 100 lần tại vùng đô thị [7]. Nhìn chung, 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nồng độ số lượng bụi nano cao nhất ở khu đô thị, đặc biệt là những nơi gần đường giao thông [4, 12].
Tuy nhiên, cũng phải lưu ý rằng, kể cả ở những vùng xa xôi, không có các hoạt động phát thải nhân tạo, cũng vẫn có bụi nano sinh ra từ các nguồn tự nhiên. Khi môi trường tự nhiên không chịu tác động của con người thì nồng độ này được coi như là nồng độ nền (natural background). Nồng độ bụi nano tại các môi trường nền cũng rất khác nhau, bởi tốc độ hình thành và loại bỏ chúng trong các điều kiện khác nhau là khác nhau. Nồng độ bụi nano ở vùng biển khoảng 102 – 103 hạt/cm3, trong khi đó, tại nông thôn lục địa và vùng rừng, giá trị này vào khoảng 103 – 104 hạt/cm3.
Morawska và cộng sự tổng hợp 71 nghiên cứu về nồng độ bụi nano tại các môi trường khác nhau bao gồm cả môi trường nền và môi trường nông thôn. Kết quả tóm tắt được trình bày trong Bảng 1. Nồng độ số lượng hạt bụi nano tại các môi trường khác nhau Nồng độ ước tính (103 hạt/cm3) Vị trí quan trắc Số lượng nghiên cứu Trung bình Trung vị Môi trường nền sạch 5 2,6 3,2 (clean background) Môi trường nông thôn 8 4,8 2,9 Môi trường nền đô thị 4 7,3 8,1 Môi trường đô thị 24 10,8 8,8 Đường hẻm 7 42,1 39,3 Lề đường 18 48,2 34,6 Trên đường 2 71,5 47,0 Đường hầm 3 167,7 99,1 Các tác giả đã chỉ ra rằng, giá trị nồng độ bụi trung bình của môi trường nền sạch và môi trường nông thôn tương ứng khoảng 2,6 x 103 hạt/cm3 và 4,8 x 103 hạt/cm3. Các giá trị này nhỏ hơn rất nhiều so với vùng đô thị, đặc biệt là những nơi có các hoạt động giao thông.
Giao thông được xem như là nguyên nhân chính trong việc phát thải bụi nano tại các vùng đô thị [10, 14]. Do được cho là nguyên nhân chính phát sinh bụi nano trong khí quyển, nồng độ số lượng bụi nano ven đường của 38 nghiên cứu khác đã được Kumar và cộng sự (2014) khảo sát. Kết quả từ 42 thành phố trên thế giới cho thấy nồng độ trung bình của tất cả các thành phố là 0,44 ± 0,51 x 105 hạt/cm3 trong đó các thành phố thuộc châu Á có nồng độ trung bình cao nhất là 1,17 ± 1,04 x 105 hạt/cm3 và các nước thuộc châu Âu có nồng độ trung bình thấp nhất với giá trị 3,15 ± 1,60 x 104 hạt/cm3. Hai thành phố có nồng độ trung bình lớn nhất 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tại châu Á là thành phố Delhi (Ấn Độ) và Shanghai (Trung Quốc), với giá trị lần lượt là 3,08 x 105 hạt/cm3 và 1,20 x 105 hạt/cm3 [15].
Không giống như nồng độ số lượng, các nghiên cứu về nồng độ khối lượng bụi nano hạn chế hơn. Tổng hợp một số nghiên cứu cho thấy, nồng độ khối lượng bụi nano dao động trong khoảng 0,49 – 4,6 µg/m3 tùy vào đặc điểm vị trí quan trắc. Nồng độ thấp được ghi nhận tại châu Âu và môi trường nền trong khi nồng độ cao được tìm thấy tại ven đường và khu đô thị tại Hoa Kỳ và Trung Quốc [16-24]. Nghiên cứu gần đây nhất tại Hoa Kỳ cũng cho thấy nồng độ bụi nano thường trên 2 µg/m3 trong mùa hè tại các thành phố chính của Hoa Kỳ như Los Angeles, San Francisco, Houston, Miami, và New York [14].
Thành phần hóa học của bụi nano Cho đến nay, sự hiểu biết về bụi nano vẫn còn rất nhiều hạn chế bởi một số lý do chính sau. Thứ nhất, do khối lượng của các hạt bụi này rất nhỏ nên cần phải có những thiết bị phân tích có độ chính xác cao và đắt tiền. Lý do thứ hai là thành phần hóa học của bụi có sự khác nhau rất lớn theo cả thời gian lẫn không gian [11]. Tuy nhiên, mặc dù có sự khác nhau đó, nhưng thành phần chính của bụi nano có thể kể đến là thành phần nguyên tố, ion vô cơ , cacbon cacbon nguyên tố (Elemental Carbon, EC) và cacbon hữu cơ (Organic Carbon, OC) [9].
Các hợp chất hữu cơ được xem là thành phần chính của bụi nano. Cass và cộng sự đã nghiên cứu thành phần hóa học của bụi nano tại 7 thành phố phía bắc bang Califonia, Hoa Kỳ. Kết quả cho thấy, hợp chất cacbon hữu cơ chiếm cao nhất với 50% (dao động từ 32% tới 67%), sau đó là các oxit kim loại với 14% (1-26%), cacbon nguyên tố 8,7% (3,5 – 17,5%), sunphat 8,2% (1-18%), nitrat 6,8% (0-19%), amoni 3,7% (0-9%), Na+ 0,6% (0-2%) và Cl- 0,5% (0-2%). Các kim loại phổ biến nhất trong bụi nano là Fe, Ti, Cr, Zn và Ce [16].
Nghiên cứu tại Los Angeles, Hoa Kỳ năm 1998 của Hughes và Cass cũng cho thấy thành phần chủ yếu của bụi nano là EC và OC, dao động trong khoảng 46-62%. Các kết quả nghiên cứu này cũng phù hợp với các nghiên cứu của Geller và cộng sự (2002) [25], Kim và cộng sự (2002) [18] và Sardar (2005) [26], về sự chiếm ưu thế của OC tại phía bắc Californina, Hoa Kỳ. Tuy nhiên, nghiên cứu của Miguel và cộng sự (2004), lại thấy rằng có tới 43% thành phần bụi nano là EC trong khi OC chỉ chiếm 24% [27]. Tại phía Nam California, nghiên cứu của Herner và cộng sự (2005 và 2006) cho thấy tới 98% khối lượng bụi nano là cacbon đen (BC) và OC [28-30].