Luận văn thạc sĩ hóa học nghiên cứu phân tích hydrocacbon đa vòng thơm pahs chứa trong bụi không khí trong nhà tại hà nội

Luận văn thạc sĩ hóa học phân tích hydrocacbon đa vòng thơm PAHs trong bụi không khí trong nhà tại Hà Nội, đánh giá mức độ ô nhiễm và tác động sức khỏe.

• Tác giả: Hà Thị Hồng
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Thu Hà
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Phân Tích Hydrocacbon Đa Vòng Thơm (PAHs) Trong Bụi Không Khí Trong Nhà Tại Hà Nội
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hydrocacbon đa vòng thơm PAHs

Hydrocacbon đa vòng thơm (PAHs) là các hợp chất hữu cơ cấu tạo từ hai hoặc nhiều vòng benzen, không chứa dị tố hoặc nhóm thế. Chúng được chia thành hai nhóm: nhóm có hai hoặc ba vòng (như phenanthrene, anthracene) và nhóm có bốn hoặc nhiều vòng (như chrysenes, benzo[k]fluoranthene). PAHs là chất gây ô nhiễm phổ biến, sinh ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, gỗ, và thuốc lá. Chúng có khả năng tích lũy sinh học, xâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp và tiêu hóa, gây nguy cơ ung thư và các bệnh lý khác. PAHs được phát hiện rộng rãi trong đất, nước, không khí, và thực phẩm, nhưng nghiên cứu về chúng trong bụi không khí trong nhà còn hạn chế.

1.1. Tính chất hóa lý của PAHs

PAHs là chất rắn không màu hoặc vàng nhạt, có mùi thơm đặc trưng. Chúng có áp suất hơi thấp, nhiệt độ sôi và nóng chảy cao, ít tan trong nước nhưng tan tốt trong dung môi hữu cơ. PAHs hấp thụ mạnh trong vùng tử ngoại và có tính phát huỳnh quang. Các tính chất vật lý của PAHs phụ thuộc vào số lượng và cấu trúc vòng benzen. Ví dụ, anthracene có nhiệt độ sôi 342°C, trong khi benzo(a)pyrene có nhiệt độ sôi lên đến 496°C.

1.2. Thành phần hóa học của PAHs

PAHs là hợp chất hữu cơ bền, cấu tạo từ các vòng benzen liên kết với nhau. Chúng có tính chất của hydrocacbon thơm, tham gia phản ứng thế, cộng, và oxy hóa. PAHs bị phân hủy quang học trong không khí, tạo thành các sản phẩm oxi hóa như quinon và endopeoxit. Một số PAHs được sử dụng trong công nghiệp sản xuất thuốc nhuộm, polyme, và dược phẩm. Tuy nhiên, các dẫn xuất của PAHs, như nitro-PAHs, có thể gây đột biến gen và nguy hiểm cho sức khỏe.

II. Mức nồng độ PAHs trong bụi không khí trong nhà

PAHs trong bụi không khí trong nhà có nguồn gốc từ các hoạt động như nấu ăn, hút thuốc, và sưởi ấm. Nồng độ PAHs thay đổi tùy thuộc vào điều kiện thông gió, tuổi nhà, và vị trí địa lý. Các nghiên cứu trên thế giới cho thấy, PAHs có khối lượng phân tử thấp (hai hoặc ba vòng) thường có nồng độ cao hơn trong nhà so với ngoài trời, trong khi PAHs có khối lượng phân tử cao (bốn vòng trở lên) thường cao hơn ngoài trời. Tại Hà Nội, nồng độ PAHs trong bụi trong nhà được đánh giá là đáng kể, đặc biệt ở các khu vực gần đường giao thông và khu công nghiệp.

2.1. Nghiên cứu trên thế giới

Tại Ả Rập Xê Út, nồng độ PAHs trong bụi trong nhà tăng gấp đôi trong thời gian dịch COVID-19, với phenanthrene chiếm tỷ lệ cao nhất (1590 ng/g). Tại Trung Quốc, nồng độ PAHs dao động từ 2,18 đến 14,20 µg/g, cao hơn 10% so với bụi ngoài trời. Ở Kuwait, tổng nồng độ PAHs trung bình là 1112 µg/kg, với PAHs có trọng lượng nặng chiếm 61%.

2.2. Nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu về PAHs trong bụi không khí còn hạn chế. Một số nghiên cứu tập trung vào PAHs trong đất, nước, và thực phẩm. Tuy nhiên, việc đánh giá PAHs trong bụi không khí trong nhà tại Hà Nội cho thấy nồng độ đáng kể, đặc biệt ở các khu vực đô thị và gần khu công nghiệp. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc giám sát và kiểm soát ô nhiễm PAHs.

III. Tác động của PAHs đến sức khỏe con người

PAHs trong bụi không khí trong nhà có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Chúng xâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp, tiêu hóa, và tiếp xúc da, gây kích ứng mắt, đường hô hấp, và tăng nguy cơ ung thư. PAHs có khả năng tích lũy sinh học, đặc biệt nguy hiểm đối với trẻ em và người già. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, phơi nhiễm lâu dài với PAHs có thể dẫn đến suy giảm khả năng sinh sản và tổn thương thai nhi.

3.1. Nguy cơ ung thư

Một số PAHs, như benzo(a)pyrene, được xếp vào nhóm chất gây ung thư nhóm 1 theo IARC. Chúng có thể gây đột biến gen và phát triển các bệnh ung thư phổi, da, và bàng quang. Nồng độ PAHs trong bụi không khí trong nhà tại Hà Nội được đánh giá là có nguy cơ cao đối với sức khỏe, đặc biệt ở các khu vực đô thị.

3.2. Tác động đến trẻ em

Trẻ em là đối tượng dễ bị ảnh hưởng bởi PAHs do hệ miễn dịch chưa hoàn thiện và thói quen tiếp xúc với bụi. Phơi nhiễm PAHs có thể gây ra các vấn đề về hô hấp, suy giảm nhận thức, và tăng nguy cơ ung thư. Các nghiên cứu tại Hà Nội cho thấy, nồng độ PAHs trong bụi trong nhà có thể tương đương với việc tiêu thụ thực phẩm bị ô nhiễm.

IV. Phương pháp phân tích PAHs trong bụi không khí

Phương pháp phân tích PAHs trong bụi không khí trong nhà bao gồm các bước thu thập mẫu, chiết tách, và định lượng bằng GC/MS. Quy trình này đảm bảo độ chính xác và độ nhạy cao, giúp xác định nồng độ PAHs một cách hiệu quả. Các nghiên cứu tại Hà Nội sử dụng phương pháp này để đánh giá mức độ ô nhiễm PAHs và nguồn gốc phát thải.

4.1. Chiết tách và phân tích

Quá trình chiết tách PAHs từ mẫu bụi sử dụng dung môi hữu cơ như dichloromethane. Sau đó, mẫu được phân tích bằng GC/MS để định lượng các hợp chất PAHs. Phương pháp này cho phép xác định nồng độ PAHs với độ chính xác cao và giới hạn phát hiện thấp.

4.2. Đánh giá rủi ro sức khỏe

Kết quả phân tích PAHs được sử dụng để đánh giá nguy cơ rủi ro sức khỏe thông qua các chỉ số như liều lượng tiêu thụ hàng ngày (EDI) và chỉ số nguy cơ ung thư (ILCR). Các nghiên cứu tại Hà Nội cho thấy, nồng độ PAHs trong bụi trong nhà có thể gây ra nguy cơ ung thư đáng kể, đặc biệt ở trẻ em.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về các hydrocacbon đa vòng thơm Hydrocacbon thơm đa vòng (PAHs – Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) là các hợp chất hữu cơ được cấu tạo từ hai hay nhiều nhân benzen nối trực tiếp với nhau, không chứa các dị tố hay mang theo nhóm thế gắn vào tạo thành các hợp chất hữu cơ bền, trong phân tử chứa nguyên tố cacbon và hydro. Theo cấu tạo hydrocacbon thơm đa vòng thường được chia làm hai nhóm gồm: - Nhóm có hai hoặc ba vòng cấu trúc (ví dụ: phenanthrene, anthracene, fluoranthene, fluorene,. ) - Nhóm có bốn hoặc năm, sáu vòng trong cấu trúc (Chrysenes, Benzo[k]fluoranthene, Benzo[k]fluoranthene, Pyrene, …).

PAHs là những hợp chất hữu cơ ngày càng được quan tâm bởi các nhà khoa học và nhà quản lý vì những mối nguy cơ gây độc cho con người và hệ sinh thái. Phần lớn chúng được sinh ra do các hoạt động của con người, nên nếu không có nhận thức đúng đắn và giảm thiểu sự phát thải thì con người phải đối mặt với nguy cơ rủi ro ảnh hưởng tới sức khỏe ngày càng cao, đặc biệt là tại các đô thị lớn. Chúng rất phổ biến trong các thành phần môi trường, bền và có cấu trúc đa dạng. PAHs có khả năng tích lũy sinh học nên đi vào các chuỗi thức ăn, có thể xâm nhập vào cơ thể con người, và động vật qua đường ăn uống và hít thở.

PAHs bị hạn chế vì những lý do sau: - Luật pháp ở các thị trường lớn trên khắp thế giới hạn chế sự hiện diện của các PAH trong thành phẩm. - Một số PAH có thể rất độc đối với sinh vật thủy sinh, và khi ở cao hơn một mức phơi nhiễm nhất định có thể gây ra các tác dụng bất lợi lâu dài trong môi trường thủy sinh. 4 - PAHs khi cao hơn các mức nồng độ nhất định, phơi nhiễm lâu dài đối với một số PAH có thể dẫn đến phát triển các bệnh ung thư đối với con người. - Một số PAH, khi ở cao hơn các mức phơi nhiễm nhất định, có thể làm suy giảm khả năng sinh sản của người hoặc gây ra tổn hại cho thai nhi.

- Hít phải PAH trong không khí có thể gây kích ứng mắt, đường hô hấp [4]. - PAH được phát hiện rộng rãi trong đất, nước thải công nghiệp, trầm tích đáy biển, không khí, thịt và hải sản. Tuy nhiên, có rất ít nghiên cứu đã được thực hiện để đánh giá mức độ ô nhiễm PAHs trong bụi, đặc biệt là trong bụi trong nhà có thể dễ dàng trở thành vật mang các chất ô nhiễm, trực tiếp hoặc gián tiếp bằng cách con người hít thở hoặc nuốt phải và gây ra nhiều loại bệnh. Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy bụi không khí trong nhà ảnh hưởng nghiêm trọng đối với con người khi tiếp xúc với PAHs [2].

Quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa nhanh chóng đã góp phần gây ra ô nhiễm PAHs nghiêm trọng đối với những thành phố đông dân cư. Các ban ngành đang không ngừng cống hiến cho công cuộc xây dựng kinh tế bằng cách phát triển ngành công nghiệp, nhưng thách thức về môi trường sau đó sẽ ngày càng rõ ràng. Sự phơi nhiễm qua đường tiêu hóa và hít phải bụi trong nhà có thể tương đương với việc tiêu thụ thực phẩm tương ứng, đặc biệt là đối với trẻ em [3]. Nồng độ PAH trọng lượng phân tử thấp (hai hoặc ba vòng) thường cao hơn trong nhà so với ngoài trời, trong khi PAH có trọng lượng phân tử cao (bốn vòng hoặc lớn hơn), nồng độ PAH ở ngoài trời cao hơn trong nhà.

Điều này cho thấy nồng độ PAH bị chi phối bởi nhiều nguồn khác nhau. Tỷ lệ Indoor (I): Outdoor (O) của các PAH riêng lẻ thay đổi từ 0,3 đến 10,5; I: O của BaP (Benzo (a) pyrene) được sử dụng làm chất đánh dấu cho sự tiếp xúc toàn bộ PAHs gây ung thư dao động từ 0,09-3,34. Sự khác biệt về tỷ lệ này cho thấy sự dao động đáng kể, đặc biệt là những nơi có người hút thuốc, nấu ăn, sưởi ấm, điều kiện khí hậu và khả năng thông gió.1: Quá trình di chuyển của bụi không khí trong nhà 1. Tính chất hóa lý của PAHs 1.

Tính chất vật lý của PAHs PAHs là các chất rắn không màu, màu trắng hoặc vàng nhạt ở nhiệt độ phòng. Chúng thường bám vào vật chất dạng hạt (ví dụ như bồ hóng, hạt bụi. PAHs có mùi thơm, độ thơm và vị thơm cũng khác nhau đối với các PAH khác nhau, tùy thuộc vào từng đoạn mạch của vòng thơm, theo quy tắc Clar [5]. Tính chất thơm này chịu ảnh hưởng của số và vị trí các vòng thơm mà có cấu tạo giống vòng benzen.

Ngoài ra, PAHs có áp suất hơi thấp, giảm dần theo khối lượng phân tử tăng, có nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy cao. Ngoại trừ naphtalen, các PAH rất ít tan trong nước, độ tan giảm dần khi khối lượng phân tử tăng dần, nhưng tan tốt trong các dung môi hữu cơ vì chúng có tính ưa mỡ/béo cao. Các PAH có khả năng hấp thụ rất lớn trong vùng tử ngoại ở nhiều dải hấp thụ khác nhau và mỗi vòng (benzen) chỉ hấp thụ trong một dải bước sóng duy nhất. Đặc điểm này thường được ứng dụng để định tính PAHs.

Hầu hết các phân tử PAHs đều có đặc tính phát huỳnh quang và tính bán dẫn. Thông thường PAHs hấp thụ yếu tia hồng ngoại có bước sóng nằm trong khoảng 7-14µm. Một số tính chất vật lý của PAHs được chỉ ra trong bảng 1.1: Tính chất vật lý của một số hợp chất PAHs STT PAH Ký CTPT, Màu Nhiệt độ Nhiệt độ nóng hiệu [KLPT] (g/mol) sôi (°C) chảy (°C) 1 Anthracene Ant C14H10 Không 216,4 342 [178] màu 2 Benzo (a) BaA C18H12 Không 160,7 400 anthracene [228] màu 3 Benzo (a) pyrene BaP C20H12 Hơi 178,1 496 [252] vàng 4 Benzo (b) BbF C20H12 Không 168,3 481 fluoranthene [252] màu 5 Benzo (g,h,i) BghiP C22H12 Vàng 278,3 545 perylene [276] nhạt 6 Benzo (k) BkF C20H12 Vàng 215,7 480 fluoranthene [252] nhạt 7 Chrysene Chr C18H22 Không 253,8 448 [228] màu 8 Dibenzo (a, h) DahA C22H14 Không 266,6 524 anthracene [278] màu 9 Fluoranthene Flt C16H10 Vàng 108,8 375 [202] nhạt 10 Fluorene Flu C13H10 Trắng 115 295 [166] 11 Indeno (l, 2,3- IcdP C22H12 Vàng 163,3 536 c,d) pyrene [276] 12 Phenanthrene Phe C14H10 Không 100,5 340 [178] màu 13 Pyrene Pyr C16H10 Không 150,4 393 [202] màu 14 Naphthalene Naph C10H8 Trắng 81 217,9 [128] 15 Acenaphthylene Acy C12H8 Vàng 92 280 [152] 16 Acenaphthene Ace C12H10 Trắng 95 279 [154] 7 Fluorene (Flu) Phenanthrene (Phe) Anthracene (Ant) Fluoanthene (Flt) Pyrene (Pyr) Benzo (a) Chrysene (Chr) Benzo (b) anthracene (BaA) fluoranthene (BbF) Benzo (k) Benzo (a) pyrene Dibenz (a,h) anthracene Acenaphthylene fluoranthene (BkF) (BaP) (DbahA) (Acy) Indeno (1,2,3-c,d) Benzo (g,h,i) Naphthalene (Naph) Acenaphthene (Ace) pyrene (IcdP) perylene (BghiP) Hình 1.2: Công thức hóa học của 16 PAHs 1. Thành phần hóa học của PAHs PAHs là một nhóm lớn các hợp chất hữu cơ có hai hoặc nhiều vòng thơm (benzen) hợp nhất.

PAH trọng lượng phân tử thấp (hai hoặc ba vòng) xuất hiện trong khí quyển chủ yếu ở pha hơi, trong khi các PAH (năm vòng trở lên) phần lớn liên kết với các hạt. PAH trọng lượng phân tử trung gian (bốn vòng) được phân chia giữa pha hơi và hạt, phụ thuộc vào nhiệt độ. Các PAHs tương đối trơ về mặt hóa học do được cấu tạo từ những vòng benzen nên PAHs có tính chất của hydrocacbon thơm. Chúng có thể tham gia phản ứng thế, 8 phản ứng cộng và phản ứng oxy hóa.

Ngoài ra, chúng bị phân hủy quang học trong không khí, tạo thành nhiều sản phẩm oxi hóa, bao gồm quinon và endopeoxit. Nhiều hợp chất quinon đã được tìm thấy trong bụi đô thị và được xem là sản phẩm của quá trình quang phân. PAHs có thể hình thành các dẫn xuất nito, sunfinic và axit sunfonic, phản ứng với ozon và gốc hydroxyl trong không khí. Việc tạo thành hợp chất nito- PAHs là rất nghiêm trọng vì các hợp chất này có thể có hoạt tính sinh học và gây đột biến gen.

Một số PAHs được sử dụng để sản xuất thuốc nhuộm, polyme, thuốc bảo vệ thực vật, trong công nghiệp dược phẩm [6]. Mức nồng độ PAHs chứa trong bụi không khí trong nhà trên thế giới và tại Việt Nam 1. Mức nồng độ PAHs chứa trong bụi không khí trong nhà trên thế giới Tại Ả Rập Xê Út, từ tháng 3 đến tháng 7 năm 2020, dưới sự bùng phát, lây lan của dịch bệnh do Covit-19 gây ra, mọi người bị giới hạn trong nhà, hầu hết các hoạt động hàng ngày của họ đều diễn ra ở trong nhà của mình, dẫn đến chất lượng môi trường thấp hơn. Các mẫu bụi được thu thập tại các hộ gia đình (n=40), xác định được nồng độ PAHs cao hơn gấp hai lần so với báo cáo trước đây.

Trong đó, PAH có khối lượng phân tử thấp (hai hoặc bốn vòng thơm) và Phenanthrene (Phe) góp mặt đáng kể với nồng độ 1590 ng/g. Mặc dù PAH có khối lượng phân tử lớn (5-6 vòng thơm) được phát hiện với nồng độ thấp hơn nhưng cũng đóng góp hơn 90% trong các hợp chất PAHs gây ung thư [7]. Tại tỉnh Tây Nam, Trung Quốc, nồng độ các PAH dao động từ 2,18µg/g đến 14,20µg/g với giá trị trung bình là 6,78µg/g, nồng độ được tìm thấy nhiều trong các mỏ quặng, thành phố, thị trấn và làng mạc. Nồng độ trung bình của các PAH cao hơn 10% so với bụi chứa trong không khí ngoài trời.

Nguy cơ gây ung thư gia tăng khi con người tiếp xúc với bụi PAHs trong nhà ở mỏ quặng, thành phố, thị trấn và làng mạc là 6,02.10-6 đối với trẻ em và 5,81.10-6 đối với người lớn [3]. 9 Tại các vùng nông thôn Đông Bắc, Trung Quốc, do nhiệt độ mùa đông thấp, nhiên liệu đốt cháy được sử dụng rộng rãi để sưởi ấm và nấu ăn, dẫn đến nồng độ PAH tăng trong nhà tại các khu vực ở nông thôn trong thời gian sưởi ấm và đe dọa đến sức khỏe con người [3]. Hydrocacbon thơm đa vòng (PAHs) là sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy. Chúng là những chất gây ô nhiễm phổ biến ở các nước sản xuất dầu vì quá trình xử lý nhiên liệu hóa thạch tạo ra PAH kết hợp với bụi.

Các hạt bụi trong không khí có chứa PAH được vận chuyển vào nhà trong các cơn bão bụi, thường xảy ra ở các nước sản xuất dầu khô cằn. Tại Kuwait, tổng nồng độ PAHs trung bình là 1112 ±347 µg/kg và nằm trong khoảng từ 450 đến 2242 µg/kg. Các PAH có trọng lượng nặng (4-6 vòng benzen) chiếm 61% tổng nồng độ PAHs [8].