Nghiên cứu phân tích mức độ ô nhiễm PAHs (Hydrocarbon thơm đa vòng) trong bụi tại Hà Nội

Nghiên cứu phân tích chi tiết mức độ ô nhiễm PAHs trong bụi đô thị Hà Nội. Đánh giá nguồn gây ô nhiễm và các rủi ro sức khỏe tiềm ẩn cho cộng đồng.

• Tác giả: Trần Công Quyết
• Người hướng dẫn: Hoàng Quốc Anh
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Nghiên cứu phân tích và đánh giá mức độ ô nhiễm Hydrocarbon Thơm Đa Vòng (PAHs) trong mẫu bụi tại khu vực đô thị ở Hà Nội
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. PAHs là gì và tại sao nó nguy hiểm cho môi trường Hà Nội

PAHs (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) hay hydrocarbon thơm đa vòng là một nhóm hợp chất hữu cơ có chứa nhiều vòng benzene liên kết với nhau. Những chất ô nhiễm này được tạo ra chủ yếu từ hoạt động đô thị như giao thông vận tải, đốt rác, và các quá trình công nghiệp. Tại Hà Nội, ô nhiễm PAHs đã trở thành một vấn đề sức khỏe công cộng quan trọng do tính độc tính cao và khả năng gây ung thư của chúng. Các hạt bụi đô thị chứa PAHs có thể lơ lửng trong không khí và xâm nhập vào đường hô hấp của con người, đặc biệt là ở những nhóm dân số dễ bị tổn thương như trẻ em và người cao tuổi.

1.1. Cấu trúc và phân loại PAHs

PAHs được phân loại dựa trên số lượng vòng benzen chứa trong phân tử. Những PAHs nguy hiểm nhất bao gồm benzo[a]pyrene, benzo[b]fluoranthene và chrysene. Những hợp chất này có tính ổn định cao, khó phân hủy và có xu hướng tích tụ trong các mô sống, gây ra những tác hại lâu dài cho sức khỏe.

1.2. Nguồn gốc PAHs trong bụi đô thị

Tại Hà Nội, nguồn PAHs chính bao gồm khí thải từ xe cơ giới, đốt rác, hoạt động công nghiệp và đốt than. Các hạt bụi mịn (PM2.5 và PM10) dễ dàng hấp phụ các phân tử PAHs, tạo thành một phương tiện vận chuyển cho những chất ô nhiễm này trong không khí đô thị.

II. Kết quả đánh giá mức độ ô nhiễm PAHs trong bụi Hà Nội

Các nghiên cứu gần đây về nồng độ PAHs trong bụi đô thị Hà Nội cho thấy mức độ ô nhiễm đáng lo ngại. Thông qua phương pháp phân tích sắc ký khí ghép nối khối phổ (GC/MS), các nhà khoa học đã xác định được nồng độ các hợp chất PAHs trong mẫu bụi thu thập từ nhiều vị trí khác nhau. Kết quả cho thấy một số khu vực gần các tuyến đường giao thông chính có nồng độ PAHs cao hơn so với các khu vực khác, phản ánh ảnh hưởng của lưu thông giao thông đối với ô nhiễm PAHs. Những dữ liệu này cung cấp cơ sở khoa học quan trọng để đánh giá rủi ro sức khỏe và lập kế hoạch quản lý chất lượng không khí cho thành phố.

2.1. Phương pháp phân tích PAHs trong mẫu bụi

Phương pháp sắc ký khí-khối phổ (GC/MS) là công cụ chủ yếu để xác định và định lượng PAHs. Quy trình bao gồm chiết PAHs từ mẫu bụi, xử lý dịch chiết bằng acid sulfuric đặc để loại bỏ các tạp chất, sau đó làm sạch trên cột chuyên dụng trước khi phân tích bằng GC/MS.

2.2. Các vị trí lấy mẫu và kết quả phân tích

Mẫu bụi được thu thập từ các khu vực đô thị chính của Hà Nội bao gồm các tuyến đường giao thông, khu dân cư và khu công nghiệp. Kết quả cho thấy nồng độ PAHs tổng dao động từ 10-100 ng/g, với benzo[a]pyrene là chất gây ô nhiễm chính, phản ánh tác động của hoạt động giao thông.

III. Đánh giá rủi ro sức khỏe từ phơi nhiễm PAHs

Rủi ro phơi nhiễm PAHs đối với cộng đồng Hà Nội là một vấn đề sức khỏe công cộng nghiêm trọng. Những hợp chất PAHs, đặc biệt là benzo[a]pyrene, được Tổ chức Y tế thế giới (WHO) phân loại là chất gây ung thư. Khi con người hít vào bụi chứa PAHs, những chất này có thể xâm nhập vào phổi và được hấp thụ vào máu, gây ra các bệnh liên quan như ung thư phổi, bệnh tim mạch và những vấn đề về hô hấp. Trẻ em và người cao tuổi có rủi ro cao hơn do hệ miễn dịch yếu hơn. Các nghiên cứu về rủi ro sức khỏe từ PAHs ở Hà Nội cần được tiếp tục để xây dựng các biện pháp bảo vệ hiệu quả.

3.1. Tác hại sức khỏe của PAHs đối với người lớn

Người lớn phơi nhiễm lâu dài với PAHs trong không khí có nguy cơ cao mắc các bệnh liên quan đến hô hấp và tim mạch. Những chất này có khả năng gây biến đổi gen và tích tụ trong các mô, dẫn đến bệnh ung thư sau nhiều năm. Dữ liệu từ WHO cho thấy rủi ro ung thư phổi tăng đáng kể ở các khu vực có nồng độ PAHs cao.

3.2. Ảnh hưởng đến sức khỏe trẻ em

Trẻ em là nhóm dân số dễ bị tổn thương nhất vì hệ hô hấp còn đang phát triển. Phơi nhiễm PAHs trong giai đoạn non nớp có thể gây cản trở sự phát triển phổi, làm tăng tình trạng hen suyễn và các bệnh dị ứng đường hô hấp, ảnh hưởng lâu dài đến chất lượng sống.

IV. Giải pháp giảm thiểu ô nhiễm PAHs tại Hà Nội

Để giảm thiểu ô nhiễm PAHs trong bụi đô thị Hà Nội, cần phải thực hiện các giải pháp toàn diện bao gồm kiểm soát nguồn phát thải, cải thiện chất lượng không khí và nâng cao nhận thức công cộng. Quản lý giao thông hiệu quả như khuyến khích sử dụng phương tiện công cộng, tăng cường kiểm tra khí thải xe cơ giới và hiện đại hóa công nghệ động cơ là những biện pháp quan trọng. Đồng thời, cần tăng cường giám sát chất lượng không khí thường xuyên tại các điểm ô nhiễm hot spots để cung cấp thông tin cho cộng đồng. Tạo các khu vực xanh, trồng cây trong đô thị cũng giúp hạn chế sự lưu thông của bụi chứa PAHs. Cuối cùng, các chính sách pháp lý chặt chẽ và thực thi quyết liệt sẽ đóng vai trò then chốt.

4.1. Kiểm soát nguồn phát thải PAHs

Giảm phát thải từ giao thông là ưu tiên hàng đầu, bao gồm nâng cao tiêu chuẩn khí thải, khuyến khích sử dụng xe điện và nhiên liệu sạch. Cấm đốt rác ngoài trời, quản lý chặt chẽ các cơ sở công nghiệp gây ô nhiễm cũng là những biện pháp cần thiết để giảm nồng độ PAHs trong không khí thành phố.

4.2. Nâng cao nhận thức và bảo vệ sức khỏe cộng đồng

Công tác giáo dục sức khỏe công cộng về rủi ro từ PAHs là rất quan trọng. Các chiến dịch tuyên truyền cần hướng dẫn cộng đồng cách bảo vệ bản thân khi chất lượng không khí kém, sử dụng khẩu trang phù hợp và theo dõi các chỉ số chất lượng không khí hàng ngày để đưa ra quyết định thích hợp cho sức khỏe gia đình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung về PAHs 1. Công thức, cấu tạo và phân loại PAHs Các chất hydrocarbon thơm đa vòng (PAHs: polycyclic aromatic hydrocarbons) là các hợp chất hữu cơ có chứa ít nhất hai vong benzene và có thể gắn các nhóm thế khác [8]. Các hợp chất PAHs được hiểu là các hợp chất chỉ chứa hai loại nguyên tố là carbon và hydro.

PAHs được chia làm hai nhóm: nhóm có chứa các hợp chất chất có khối lượng phân tử thấp là các chất có chứa vòng benzene nhỏ hơn 4 vòng, và nhóm chất có khối lượng phân tử cao là các PAHs có từ 4 vòng trong phân tử trở lên [48]. Các chất phổ biến trong nhóm này như naphthlane, benzo(a)pyrene (C20H12) [1]. Dựa vào những bằng chứng cho thấy ảnh hưởng của các chất nhóm PAHs đối với con người, USEPA (Cục bảo vệ môi trường Hoa Kỳ) đã có liệt kê công thức cấu tạo của 16 PAHs là các chất hữu cơ ưu tiên nhất được phân tích trong những điều kiện môi trường khác nhau. Tùy thuộc vào tính chất vật lý hóa học của chúng, PAHs tồn tại ở các dạng khí, hạt và giọt trong không khí để di chuyển linh hoạt trong không khí.

Sau đó, PAHs lắng xuống trong đất, bụi hoặc/và phân tán vào môi trường nước. Đất và bụi đường đóng vai trò là nơi hấp thụ trực tiếp của PAHs trong khí quyển gần khu mật độ giao thông cao và các nguồn đốt cháy khác. PAHs xuất hiện trong mọi nơi của môi trường và gây ảnh hưởng tới các loại sinh vật trong hệ sinh thái [16]. Vì vậy, các nghiên cứu rộng rãi đối với PAHs trong các nền môi trường khác nhau trên toàn thế giới và nhiều nơi được tiết lộ với mức độ phơi nhiễm PAHs rất cao.

PAHs thu hút sự chú ý thu hút sự chú ý đáng kể của các nhà nghiên cứu do liên tục gia tăng số người chết vì ung thư trên toàn thế giới [46]. 3 Naphthalenne Acenaphthylene Acenaphthene Fluorene Phenanthrene Fluoranthene Pyrene Anthracene Benzo(a)anthracene Chrysene Benzo(b)fluoranthene Benzo(k)fluoranthene Benzo(a)pyrene Dibenzo(a,h)anthracene Benzo (g,h,i) perylene Indeno (1,2,3-cd) pyrene Hình 1. Cấu trục phân tử của 16 PAHs điển hình 1. Tính chất vật lý của PAHs Năm 1976, hơn 100 PAHs được tìm thấy trong khí quyển đã đc công nhận, và vào năm 1981, trong khói thuốc lá, hơn 200 PAHs cũng đa xđược tìm thấy.

Nhiều PAHs chứa cùng số vòng nhưng sự khác biệt về cấu hình dẫn đến sự khác 4 biệt về đặc điểm của hợp chất. Cấu trúc phân tử của 16 PAHs được thể hiện trong hình 2 và tính chất vật lý của 16 PAHs được thể hiện trong Bảng 1. Đặc điểm điển hình của 16 PAHs là độ nóng chảy và điểm sôi cao (do đó chúng là chất rắn) và áp suất hơi thấp [18]. Áp suất hơi và khả năng hòa tan trong nước của PAHs có xu hướng giảm khi khối lượng phân tử tăng, ngược lại quá trình oxy hóa của PAHs giảm khí trọng lượng phân tử của chúng tăng (US EPA).

Dó đó, khả năng hòa tan trong nước của PAHs giảm đối với mỗi vòng bổ sung. PAHs hòa tan hiệu quả trong dung môi hữu cơ và có bản chất ưa dầu được đo bằng hệ số phân chia nước – octanol [11]. Tất cả các PAHs đều rắn có nhiệt độ sôi và nóng chảy cao. Mặc dù PAHs không hoạt động về mặt hóa học nhưng chúng dễ dàng liên kết với các hạt vật chất khác.

PAHs trở nên nhạy cảm khi được hấp thụ trên bề mặt bụi và bị phân hủy ở nhiệt độ cao (50 oC) và quá trình phân hủy các chất dễ dàng hơn khi có mặt của tia cực tím và ánh sáng khả kiến. Quá trình oxy hóa quang hóa là một trong những con đường chính của quá trình phân hủy PAHs và tạo ra chất chuyển hóa thứ cấp của chúng trong khí quyển [13]. Tính chất vật lý của 16 PAHs Khối Điểm Áp suất Độ hòa Điểm sôi Hợp chất Ký hiệu lượng bay hơi o bay hơi tan C (đv.C) o C kPa (mg/L) Naphthalene Nap 128,18 80,2 218 1,1x10-2 3,93 Acenaphthylene Acy 152,20 92-93 265-280 3,9x10-3 3,93 Acenaphthene Ace 154,20 90-96 278-279 2,1x10-3 1,93 Fluorene Flu 166,23 116-118 293-295 8,7x10-5 1,68-1,98 Phenanthrene Phe 178,24 96-101 339-340 2,3x10-5 1,2 Anthracene Ant 178,24 216-219 340 36x10-6 0,076 Fluoranthene Flt 202,26 107-111 375-393 6,5x10-7 0,2-2,6 Pyrene Pyr 202,26 150-156 360-404 3,1x10-6 0,077 Benzo(a)anthracene BaA 228,30 157-167 435 1,5x10-8 0,01 Chrysene Chr 228,30 252-256 441-448 5,7x10-10 0,0028 5 Khối Điểm Áp suất Độ hòa Điểm sôi Hợp chất Ký hiệu lượng bay hơi o bay hơi tan C (đv.C) o C kPa (mg/L) Benzo(b)fluoranthene Bb/jF 252,32 167-168 481 6,7x10-8 0,0012 Benzo(k) fluoranthene BkF 252,32 198-217 480-471 2,1x10-8 0,00076 Benzo(a)pyrene BaP 252,32 177-179 493-496 7,3x10-10 0,0023 Dibenzo(a,h)anthracene DA 278,35 266-270 524 1,3x10-11 0,0005 Benzo(g,h,i) perylene IP 276,34 275-278 525 1,3x10-11 0,00026 Indeno(1,2,3-cd)pyrene BP 276,34 162-163 530 Ca. Nguồn gốc của PAHs PAHs có thể được tạo thành từ nguồn tự nhiên và nguồn nhân tạo.

Nguồn tự nhiên có thể từ hiện tượng núi lửa phun trào, quy trình hình thành đất đá, cháy rừng, tạo trầm tích. Tuy nhiên, nguồn PAHs chính trong khí quyển lại bắt nguồn từ hoạt động sinh sống của con người. PAHs là sản phẩm đốt cháy không hoàn toàn các loại nhiên liệu (xăng, dầu diesel…) trong động cơ các phương tiện giao thông [30]. Ngoài ra việc đốt rác, các hoạt động sinh hoạt trong nhà (hút thuốc lá, sưởi ấm và đun nấu bằng mùn cưa, than hoa, than tổ ông, gỗ…) đốt rác và các quá trình công nghiệp (nhiệt điện, sử dụng nhiên liệu…) cũng góp phần đáng kể vào phát thải PAHs [15].

Sau khi xâm nhập vào khí quyển, PAHs có thể tồn tại ở pha khí hoặc hấp phụ lên các hạt bụi lơ lửng. PAHs có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua thức ăn (do khói thải chứa PAHs từ việc đun nấu quyện vào thức ăn), nước uống khí thở hoặc qua da khi tiếp xúc trực tiếp với chất của nhóm này. PAHs hấp thụ trên các hạt bụi mịn có thể xâm nhập sâu vào trong phổi gây ung thư và đột biến gen. Tính độc của mỗi chất chất trong họ PAHs lại phù thuộc vào công thức cấu tạo của chúng.

Nếu các chất chứa từ 2 đến 3 vòng benzene thì khả năng gây ung thư và đột biến gen khá yếu. Trong khi đó, với các PAHs chứa từ 4 đến 5 vòng benzene trở lên thì khả năng gây ung thư và đột biến gen là tương đối mạnh [7]. Cặn dầu chứa PAHs được thêm vào cao su và plastic dưới dạng chất làm mềm hoặc chất pha loãng và có thể được tìm thấy trong cao su, nhựa, sơn mài và lớp phủ. PAHs được tìm thấy trong để ngoài của giày dép và trong bột nhão in ấn để 6 in màn hình.

PAHs là thành phần như những tạp chất trong thuốc nhuộm bột đen. Chúng cũng có thể hình thành từ phản ứng phân hủy nhiệt của các vật liệu tái chế trong quá trình tái xử lý. Naphthalene thường hiện diện dưới dạng tạp chất từ các nguyên liệu thô chất lượn thấp được dùng như các chất trung gian trong sản xuất các chất phân tán thuốc nhuộm đẹt may và có thể tìm thấy được trong sản phẩm dệt may [37]. Sự phân bố của PAHs trong môi trường 1.

PAHs trong không khí Không khí là môi trường quan trọng mà PAHs có thể phân tán vào, không khí chứa phần lớn PAHs từ môi trường dẫn đến PAHs có mặt khắp mọi nơi trong môi trường. PAHs được phát thải vào khí quyển chủ yếu từ đốt cháy không hoàn toàn từ các chất hữu cơ [6]. Quy trình đốt cháy có thể tự nhiên hoạc nhân tạo. PAHs có xu hướng được tìm thấy cao hơn trong môi trường đô thị so với môi trường nông thôn, bởi vì hầu hết các nguồn PAHs đều nằm trong hoặc gần trung tâm đô thị.

Sau khi được phân tán vào khí quyển, PAHs được tìm thấy trong hai pha riêng biệt, một là pha hơi và một là pha rắn mà trong các PAHs được hấp thụ vào các vật chất dạng hạt [7]. Chất hữu cơ kỵ nước với áp suất hơi thấp, chẳng hạn như PAHs, hấp thụ các hạt khí quyển dễ dàng hơn các chất có áp suất hơi cao hơn, chẳng hạn như benzene. Sự thay đổi áp suất hơi của các hợp chất PAHs khác nhau làm cho các PAHs riêng lẻ phân bố ở các nồng độ khác nhau trong pha hơi [7]. Mối quan hệ giữa áp suất hơi và trọng lượng phân tử của các PAHs điển hình được đưa ra trong hình 3 [13].

Như được hiển thị trong hình này, benzo(a)pyrene áp suất hơi thấp nhất và naphthalene áp suất hơi cao nhất. Ngoài ra, mối tương quan giữa áp suất hơi và trọng lượng phân tử khá tốt với hệ số tương quan là 0,9017 [6]. PAHs với áp suất hơi thấp hơn (ví dụ, Benzo(a) pyrene) sẽ có xu hướng hấp thụ các hạt, trong khi các PAHs có áp suất hơn cao hơn naphthalene) sẽ có xu hướng liên kết với pha hơi. Kết quả là, sự phân bố tương đối của PAHs trong hai giai đoạn sẽ khác nhau đối với một mẫu khí.

Đó là nhận định của “Viện nghiên cứu năng lượng điện (EPRI)” [10] đối với các mẫu không khí thu thập từ Portland, Oregon rằng có hai sự khác biệt giữa nồng độ PAH 7 trong pha hơi và pha hạt. Đầu tiên, tổng nồng độ PAHs trong pha hơi (741 ng/m3) cao hơn nhiều so với PAHs hạt (12 ng/m3). Thứ hai, trọng lượng phân tử thấp hơn, PAHs áp suất hơi cao hơn được phát hiện trong pha hơn trong khi trọng lượng phân tử cao hơn, PAHs áp suất hơi thấp thì không có. Ngược lại, pha hơi có nồng độ thấp hơn nhiều so với giai đoạn pha hạt khi trọng lượng phân tử PAHs cao [28].

Có một mối tương quan đáng chú ý được tìm thấy giữa lượng bụi trong không khí và nồng độ PAHs trong pha hạt [6]. Vì thế nồng độ PAHs trong không khí tăng vào mùa hè hoặc nói chung ở các vùng nhiệt đới, trong khi PAHs dạng pha hạt chiếm ưu thế trong mùa đông hoặc nói chung vùng Bắc Cực [36]. Trong khi đó, độ ẩm có ảnh hưởng đến hấp phụ PAHs lên các pha hạt [16]. Hơn thế nữa, khả năng hấp phụ PAHs còn phù thuộc vào dạng lơ lửng hạt (Ví dụ: bồ hóng, bụi, tro bay, phấn hoa…) [20].

PAHs sẽ được thu thập trên bộ lọc hoặc chất hấp thụ, sau đó sẽ thực hiện phương pháp triết để triết. Việc phát hiện PAHs và các dẫn xuất của chúng có thể được thực hiện bởi kỹ thuật GC-MS. Đó là kỹ thuật đáng tin cậy để xác định nồng độ PAHs và các dẫn xuất của chúng [9]. PAHs trong đất PAHs trong khí quyển liên tục có quá trình lắng đọng xuống bề mặt trái đất dưới dạng khô hoặc ướt.