Chương 1 trình bày tổng quan về việc đánh giá ô nhiễm không khí từ xa và giới thiệu các hệ thống quan trắc môi trường từ xa bằng quang phổ kế biến đổi Fourier hồng ngoại cả trong và ngoài nước. Đồng thời đặt ra bài toán về việc điều khiển vị trí quan trắc cho các hệ thống này. TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TỪ XA Bước vào thế kỷ XXI, vấn đề bảo vệ môi trường và chống biến đổi khí hậu toàn cầu đã và đang là chủ đề nóng được quan tâm nhiều nhất trong những năm gần đây. Sự phát triển kinh tế xã hội nói chung, đặc biệt là phát triển công nghiệp sẽ dẫn đến gia tăng nhanh chóng các loại khí độc hại thải ra môi trường.
Các loại khí độc hại thường xuyên được thải ra từ các nhà máy trong các khu công nghiệp, từ các phương tiện giao thông như máy bay, tàu thủy, xe cộ, từ các khu khai thác chế biến dầu khí, khai khoáng. Để đánh giá ô nhiễm không khí có thể dùng các loại sensor (đốt xúc tác, điện hóa, bán dẫn…), các phương pháp này có giá thành rẻ, tuy nhiên chỉ đo trực tiếp trên mẫu, không có khả năng đo xa. Phương pháp đo xa sử dụng quang phổ kế biến đổi Fourier hồng ngoại FTIRS (Fourier Transform Infrared Spectrometer) cho phép phát hiện và xác định các đám mây ô nhiễm trong bầu khí quyển và kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng tại các nước phát triển như Đức, Nhật Bản với các sản phẩm đã được thương mại hóa. Kỹ thuật đo xa với phép biến đổi Fourier hồng ngoại FTIR (Fourier Transform Infrared) được sử dụng ngày càng nhiều để phát hiện và xác định các chất khí ô nhiễm trong môi trường.
So với các phương pháp phát hiện tại các điểm lấy mẫu truyền thống, phương pháp phát hiện từ xa bằng FTIRS[8] có nhiều ưu điểm: - Phổ quát để phát hiện các phân tử đa nguyên tử. - Phân tích nhanh các hỗn hợp nhiều thành phần. - Giám sát thời gian thực lượng khí thải ở một khoảng cách nhất định. - Diện tích lấy mẫu lớn, không cần chuẩn bị mẫu và xử lý.
- Cảm biến không bị bẩn trong quá trình đo. - Hoạt động đơn giản và ít phải bảo trì. Do vậy, các hệ thống đo xa bằng hồng ngoại sử dụng trong điều kiện ngoài trời (kỹ thuật đo đường dẫn mở) để phát hiện các chất gây ô nhiễm không khí đã và đang được các nhà khoa học phát triển trong thời gian gần đây. Kỹ thuật đo đường dẫn mở có thể được chia thành hai loại: thụ động và tích cực.
Các kỹ thuật đo đường dẫn mở tích cực (sử dụng nguồn phát hồng ngoại) là khá giống với các cấu hình cổ điển của 5 một phòng thí nghiệm quang phổ FTIR và thường được sử dụng cho nghiên cứu ô nhiễm môi trường không khí, trong khi đó kỹ thuật đo xa thụ động FTIR ít được biết đến trong cộng đồng các nhà khoa học phân tích. Do độ nhạy cao và tính di động của các quang phổ kế FTIRS hiện đại, số lượng các ứng dụng giám sát vùng và điều khiển quá trình ngày càng tăng. NGHIÊN CỨU VỀ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG TỪ XA 1. Nghiên cứu trên thế giới Tình hình nghiên cứu Hiện nay, tại các nước phát triển ở châu Âu (điển hình là Đức) đã nghiên cứu, chế tạo các hệ thống giám sát, đánh giá phát hiện từ xa các nguồn khí thải độc hại được phát ra từ các nhà máy hóa chất, các đường ống dẫn khí gas, các khu vực có nguy cơ ô nhiễm cao và đã đưa vào ứng dụng từ nhiều năm nay.
Một dự án tại CHLB Đức với sự tài trợ của quỹ nghiên cứu, giáo dục liên bang (German Federal Ministry of Education and Research) phối hợp với hãng Bruker Optics, văn phòng liên bang về phòng chống thiên tai (Federal Office of Civil Protection and Disaster Assistance) và cơ quan phòng cháy chữa cháy Hamburg đã nghiên cứu và triển khai dự án nghiên cứu, thiết kế hệ thống phát hiện, đánh giá từ xa các loại khí thải độc hại để trang bị cho thanh tra môi trường, cảnh sát phóng cháy chữa cháy, lực lượng phản ứng nhanh tại các thành phố lớn như Berlin, Hamburg, Magdeburg và Mannheim từ năm 2006. Các mẫu thiết bị SIGIS, SIGIS 2 (Scanning Infrared Gas Imaging System), HYGAS (Hyperspectral imaging remote sensing systems for identification and visualisation of hazardous clouds) đã và đang đưa vào ứng dụng tại Đức từ nhiều năm nay. Các thành phần khí thải mà hệ thống có thể phát hiện và đánh giá được: các loại khí phát ra từ các nhà máy hóa chất Ethanol, NH3, SF6, SO2; gas rò rỉ từ các đường ống dẫn gas; các thành phần khí xả CO, CO2, NOx từ các động cơ như máy bay từ các cảng hàng không, bến xe, bến tàu; đám mây khói từ các đám cháy, núi lửa. Cấu trúc hệ thống quan trắc từ xa Hệ thống quan trắc từ xa có kết cấu được biểu diễn như ở Hình 1.2, bao gồm phần chính là máy đo phổ chuyển đổi Fourier ảnh hồng ngoại FTIRS sử dụng giao thoa kế kiểu Michelson (Michelson Interferometer) của hãng Bruker optics (model OPAG 22), thiết bị quét gồm gương được điều khiển quay để quét vùng cần giám sát (xem Hình 1.
Camera hồng ngoại hay loại video camera thường được dùng để chụp ảnh nền trợ giúp cho việc định vị. Hệ thống điều khiển và thu thập DSP, phần phân tích, nhận dạng và đánh giá các đám mây khí thải độc hại bao gồm 2 card DSP và phần mềm chạy trên nền Windows và phân tích ảnh trong thời gian thực. Hệ thống gửi kết quả về trung tâm giám sát môi trường, phòng cháy chữa cháy hay lực lượng phản ứng nhanh. Trang bị của hệ thống trên các phương tiện lưu động hoặc cố định tại một vị trí cần giám sát.
6 model SIGIS 2 model compact based on Bruker RAPID Hình 1. Kết cấu bên ngoài thiết bị mẫu của hệ thống quan trắc từ xa Hình 1. Kết cấu bên trong của thiết bị mẫu SIGIS 2 7 Hình 1. Giao thoa kế kiểu Michelson Các sản phẩm thương mại Đa số các hệ thống thương mại đều có giá rất cao, như SIGIS 2 giá xấp xỉ 300.000 USD, trong đó riêng máy đo phổ chuyển đổi Fourier ảnh hồng ngoại FTIRS sử dụng giao thoa kế kiểu Michelson của hãng Bruker optics (model OPAG 22) đã có giá 70.
Theo khảo sát, phần giao thoa kế chiếm giá thành cao nhất trong toàn bộ hệ thống, giá thấp nhất cũng đến 90. SIGIS 2 hiện nay được đưa vào ứng dụng ở Đức, Đan Mạch, Áo, Ý, Tiệp Khắc. Ngoài SIGIS, SIGIS 2, năm 2011, hãng Bruker còn có dòng sản phẩm hiện đại cao cấp như HI 90 (Hyperspectral Imaging System HI 90) cho phép nhận dạng đánh giá các đám mây khí thải độc hại từ khoảng cách vài km với độc nhạy rất cao và tốc độ xử lý rất nhanh (xem Hình 1. Hiện nay trên thị trường còn có một số sản phẩm khác như: Cerberus (Infrared remote sensing system for monitoring of emissions of volcanoes), HYGAS (Hyperspectral Sensor for Analysis of Gases in the Atmosphere), GASCAM (Gas Camera).
Lắp đặt HI 90 tại một khu công nghiệp 8 1. Nghiên cứu của Viện VIELINA Tình hình nghiên cứu Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa (VIELINA) tiền thân là Viện nghiên cứu Kỹ thuật Điện tử trực thuộc Tổng cục Điện tử và Kỹ thuật tin học (cơ quan thuộc Hội đồng Bộ trưởng) được thành lập ngày 29 tháng 01 năm 1985 theo Nghị định số 20/HĐBT của Hội đồng Bộ trưởng (nay là Chính phủ). Viện là cơ quan nghiên cứu, triển khai khoa học và công nghệ đầu ngành trong lĩnh vực điện tử, tin học, tự động hóa trực thuộc Bộ Công Thương. Với triển vọng đóng góp vào việc thực hiện các mục tiêu phát triển ngành công nghiệp môi trường theo đề án “Phát triển ngành công nghiệp môi trường Việt Nam đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”, nhóm nghiên cứu của Viện VIELINA – Bộ Công Thương đã tiến hành đề xuất và thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống phát hiện và giám sát các loại khí độc hại thải ra môi trường bằng phương pháp phân tích phổ hồng ngoại”[2] nhằm tạo ra hệ thống giám sát môi trường sử dụng quang phổ kế biến đổi Fourier hồng ngoại FTIRS đặt tên là VISRAM (Vietnam System for Remote Atmospheric Monitoring - Hệ thống quan trắc môi trường không khí từ xa của Việt Nam).
Hệ thống VISRAM có thể phát hiện và đánh giá được các loại khí: Ethanol, NH3, SOx, khí đốt, CO, CO2, NOx có phổ hấp thụ nằm trong vùng hồng ngoại giữa với số sóng nằm trong khoảng 3500 cm-1 đến 680 cm-1 tương ứng với các bước sóng từ 2,9 µm đến 14 µm, phạm vi giám sát là 500m. Thiết bị mẫu VISRAM 9 - Tổ chức chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá (VIELINA) – Bộ Công Thương - Chủ nhiệm đề tài: TS. Ngô Văn Sỹ, Giám Đốc Trung Tâm Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hoá Miền Trung (VIELINA-CR). - Các tổ chức phối hợp chính thực hiện đề tài: Sở Tài Nguyên Môi Trường Thành Phố Đà Nẵng.
Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Trung Trung Bộ. - Mục tiêu của đề tài: Làm chủ công nghệ phát hiện và xác định các loại khí thải độc hại dựa trên công nghệ phân tích phổ hồng ngoại (FTIR). Làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo thiết bị phân tích giám sát các loại khí độc hại thải ra môi trường bằng phương pháp phân tích phổ hồng ngoại. Chế tạo, tích hợp hệ thống phân tích giám sát các loại khí độc hại thải ra môi trường bằng phương pháp phân tích phổ hồng ngoại.
- Đây là đề tài rất mới ở Việt Nam, ngay cả ở nước ngoài cũng chỉ nghiên cứu và thương mại trong vòng vài năm gần đây. Đề tài là sự kết hợp liên ngành kỹ thuật đo lường môi trường, kỹ thuật hóa phân tích dùng phương pháp phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier với kỹ thuật xử lý tín hiệu số cộng với kỹ thuật phần mềm nhằm biến các thiết bị trong phòng thí nghiệm thành các thiết bị phân tích, đánh giá ngoài hiện trường với thời gian phân tích, đánh giá rất nhanh đáp ứng nhu cầu trực tuyến của thu thập dữ liệu môi trường ngày nay. - Thời gian thực hiện: đề tài được thực hiện từ đầu năm 2014, dự kiến nghiệm thu đề tài vào cuối năm 2016.