Tổng quan nghiên cứu

Vi nhựa, được định nghĩa là các hạt nhựa có kích thước nhỏ hơn 5 mm, đã trở thành một vấn đề môi trường nghiêm trọng toàn cầu. Ước tính Việt Nam thải ra khoảng 0,28 - 0,73 triệu tấn nhựa mỗi năm vào môi trường biển, đứng thứ tư thế giới về lượng phát thải nhựa. Vi nhựa có thể xâm nhập vào chuỗi thức ăn biển, gây nguy hại cho sinh vật và con người. Nghiên cứu xác định thành phần vi nhựa trong trầm tích bờ biển là cần thiết để hiểu rõ nguồn gốc và tác động của chúng.

Luận văn tập trung vào việc sử dụng phương pháp quang phổ Raman để xác định thành phần vi nhựa trong trầm tích bãi biển Đà Nẵng. Phương pháp này được lựa chọn do tính đơn giản, nhanh chóng và độ chính xác cao so với các kỹ thuật truyền thống như phổ UV, phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), nhiệt lượng quét vi sai (DSC) hay phân tích nhiệt độ (TGA). Nghiên cứu thực hiện trong phạm vi trầm tích bờ biển Đà Nẵng, với mục tiêu cung cấp dữ liệu khoa học về đặc điểm thành phần vi nhựa, góp phần nâng cao nhận thức và hỗ trợ quản lý ô nhiễm vi nhựa tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết quang phổ Raman, một kỹ thuật phân tích dựa trên hiện tượng tán xạ không đàn hồi của photon khi tương tác với phân tử. Quang phổ Raman phản ánh sự thay đổi tính phân cực của liên kết phân tử trong quá trình dao động, cho phép xác định cấu trúc và thành phần hóa học của mẫu vật.

Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Thuyết cổ điển về tán xạ Raman: Mô tả sự dao động của momen lưỡng cực điện và sự thay đổi tính phân cực phân tử khi bị kích thích bởi ánh sáng laser, tạo ra các thành phần tán xạ Rayleigh, Stokes và phản Stokes.
  • Thuyết lượng tử về tán xạ Raman: Giải thích quá trình chuyển đổi năng lượng qua trạng thái ảo, cho phép ước tính cường độ phổ và quy tắc lựa chọn dao động phân tử.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: Raman shift (dịch chuyển Raman), dao động phân tử, chế độ dao động (kéo căng, biến dạng), laser kích thích (Ar-ion, Nd:YAG, laser diode), máy đơn sắc (đơn, đôi, ba), detector CCD, và kỹ thuật kính hiển vi Raman.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mẫu trầm tích bờ biển thu thập tại các điểm khác nhau dọc bờ biển Đà Nẵng. Mẫu được lấy ở hai tầng sâu 0-5 cm và 5-10 cm, với thể tích khoảng 700 cm³ mỗi vị trí. Tổng cộng khoảng 10 g trầm tích khô được phân tích cho mỗi điểm.

Quy trình xử lý mẫu gồm: sấy khô ở 55°C trong 72 giờ, xử lý bằng H2O2 30% để loại bỏ chất hữu cơ, sàng lọc qua lưới 300 µm, tách vi nhựa bằng dung dịch NaCl (d=1,18 g/ml) theo phương pháp lắng trọng lực, lọc qua giấy lọc sợi thủy tinh kích thước 1,6 µm, bảo quản và quan sát dưới kính hiển vi chuyên dụng.

Phân tích phổ Raman được thực hiện bằng máy quang phổ Raman với nguồn laser kích thích phù hợp (bước sóng 532 nm hoặc 785 nm), sử dụng hệ thống máy đơn sắc đôi hoặc ba kết hợp detector CCD để thu nhận phổ. Phân tích phổ giúp xác định chính xác loại vi nhựa dựa trên phổ Raman chuẩn của các loại nhựa phổ biến như polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyethylene terephthalate (PET), polyvinyl chloride (PVC), và các loại khác.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng một năm, bao gồm thu thập mẫu, xử lý, phân tích và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố vi nhựa trong trầm tích bờ biển Đà Nẵng: Mật độ vi nhựa được xác định dao động trong khoảng từ vài chục đến hơn 100 hạt vi nhựa trên 10 g trầm tích khô, với sự khác biệt rõ rệt giữa các điểm thu mẫu và tầng sâu. Tầng 0-5 cm có mật độ vi nhựa cao hơn khoảng 20% so với tầng 5-10 cm.

  2. Thành phần hóa học của vi nhựa: Phổ Raman cho thấy các loại vi nhựa chủ yếu gồm polypropylene (PP) chiếm khoảng 35%, polyethylene (PE) chiếm 30%, polystyrene (PS) chiếm 15%, polyethylene terephthalate (PET) chiếm 10%, và các loại khác như polyvinyl chloride (PVC), polylactide acid (PLA) chiếm phần còn lại. Tỷ lệ này phản ánh nguồn gốc từ hoạt động nhân sinh như nuôi trồng thủy sản, khai thác và rác thải sinh hoạt.

  3. Hình dạng và kích thước vi nhựa: Quan sát dưới kính hiển vi cho thấy vi nhựa tồn tại chủ yếu dưới dạng sợi và mảnh vụn, với đường kính sợi trung bình khoảng 50-300 µm. Sự đa dạng về hình dạng và kích thước ảnh hưởng đến khả năng tích tụ và tác động sinh học.

  4. Hiệu quả của phương pháp quang phổ Raman: Phương pháp cho kết quả nhanh chóng, độ nhạy cao, có thể phân biệt chính xác các loại vi nhựa khác nhau dựa trên phổ đặc trưng. So với các phương pháp truyền thống, Raman giảm thời gian phân tích xuống còn khoảng 1/3 và không cần xử lý mẫu phức tạp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân mật độ vi nhựa cao ở tầng mặt trầm tích có thể do sự tích tụ trực tiếp từ nguồn thải trên bờ và dòng chảy ven biển. Thành phần vi nhựa chủ yếu là PP và PE phù hợp với các nghiên cứu quốc tế tại các vùng biển tương tự, cho thấy tính phổ biến của các loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng trong sinh hoạt và công nghiệp.

So sánh với nghiên cứu tại các khu vực như sông Thames (Anh) với mật độ vi nhựa lên đến 124 sợi/L trong trầm tích, kết quả tại Đà Nẵng cho thấy mức độ ô nhiễm vi nhựa tương đối cao, phản ánh áp lực môi trường từ hoạt động kinh tế ven biển.

Việc sử dụng phổ Raman giúp khắc phục hạn chế của các phương pháp khác như phổ UV hay DSC, đặc biệt trong việc phân biệt các loại nhựa có cấu trúc tương tự. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố tỷ lệ các loại vi nhựa và bảng so sánh mật độ vi nhựa theo tầng sâu và vị trí thu mẫu, giúp minh họa rõ ràng xu hướng phân bố và thành phần.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát vi nhựa ven biển: Thiết lập hệ thống quan trắc định kỳ tại các bãi biển trọng điểm nhằm theo dõi mật độ và thành phần vi nhựa, giúp đánh giá hiệu quả các biện pháp quản lý môi trường. Thời gian thực hiện: hàng năm. Chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường, các viện nghiên cứu.

  2. Áp dụng rộng rãi phương pháp quang phổ Raman: Khuyến khích các trung tâm nghiên cứu và phòng thí nghiệm môi trường sử dụng phổ Raman để phân tích vi nhựa, nâng cao độ chính xác và rút ngắn thời gian phân tích. Thời gian: trong 2 năm tới. Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu.

  3. Tuyên truyền nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chiến dịch giáo dục về tác hại của vi nhựa và cách giảm thiểu sử dụng nhựa dùng một lần, góp phần giảm nguồn thải vi nhựa ra môi trường. Thời gian: liên tục. Chủ thể: các tổ chức phi chính phủ, chính quyền địa phương.

  4. Phát triển công nghệ xử lý rác thải nhựa: Đầu tư nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tái chế, xử lý rác thải nhựa hiệu quả, hạn chế sự phân hủy tạo vi nhựa thứ cấp. Thời gian: 3-5 năm. Chủ thể: Bộ Khoa học và Công nghệ, doanh nghiệp công nghệ môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu môi trường biển: Sử dụng dữ liệu và phương pháp phân tích để nghiên cứu ô nhiễm vi nhựa, phát triển các giải pháp giảm thiểu tác động.

  2. Cơ quan quản lý môi trường: Áp dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy định về quản lý rác thải nhựa và bảo vệ môi trường biển.

  3. Doanh nghiệp công nghệ môi trường: Tham khảo kỹ thuật quang phổ Raman trong phát triển thiết bị phân tích vi nhựa và công nghệ xử lý rác thải.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành vật lý chất rắn, hóa học môi trường: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về ứng dụng quang phổ Raman trong phân tích vật liệu polymer và vi nhựa.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp quang phổ Raman có ưu điểm gì so với các phương pháp khác trong phân tích vi nhựa?
    Phổ Raman cho phép xác định thành phần vi nhựa nhanh chóng, không phá hủy mẫu, có độ nhạy cao và khả năng phân biệt các loại nhựa có cấu trúc tương tự. Ví dụ, các dao động yếu trong phổ hồng ngoại lại có thể mạnh trong phổ Raman, giúp phát hiện chính xác hơn.

  2. Vi nhựa trong trầm tích bờ biển có ảnh hưởng như thế nào đến môi trường và con người?
    Vi nhựa có thể bị sinh vật biển nuốt phải, gây tử vong hoặc tích tụ các chất ô nhiễm hữu cơ độc hại, ảnh hưởng đến chuỗi thức ăn và sức khỏe con người. Các hạt vi nhựa cũng có thể gây viêm và stress oxy hóa khi xâm nhập vào cơ thể.

  3. Làm thế nào để thu thập và xử lý mẫu trầm tích để phân tích vi nhựa?
    Mẫu trầm tích được thu tại các điểm khác nhau và tầng sâu khác nhau, sấy khô, xử lý bằng H2O2 để loại bỏ chất hữu cơ, sàng lọc qua lưới 300 µm, tách vi nhựa bằng dung dịch NaCl và lọc qua giấy lọc sợi thủy tinh trước khi phân tích.

  4. Các loại vi nhựa phổ biến trong trầm tích bờ biển là gì?
    Các loại vi nhựa phổ biến gồm polypropylene (PP), polyethylene (PE), polystyrene (PS), polyethylene terephthalate (PET), và polyvinyl chloride (PVC), chiếm phần lớn thành phần vi nhựa trong trầm tích.

  5. Có thể áp dụng phương pháp quang phổ Raman cho các mẫu vi nhựa có kích thước rất nhỏ không?
    Có, với kỹ thuật kính hiển vi Raman, có thể phân tích các mẫu vi nhựa có kích thước nhỏ đến vài micromet, giúp nghiên cứu chi tiết các hạt vi nhựa siêu nhỏ trong môi trường.

Kết luận

  • Luận văn đã cung cấp dữ liệu khoa học về mật độ và thành phần vi nhựa trong trầm tích bờ biển Đà Nẵng, với mật độ vi nhựa tầng mặt cao hơn tầng sâu khoảng 20%.
  • Phương pháp quang phổ Raman được chứng minh là kỹ thuật hiệu quả, nhanh chóng và chính xác trong xác định thành phần vi nhựa.
  • Thành phần vi nhựa chủ yếu là các loại nhựa nhiệt dẻo phổ biến như PP, PE, PS, PET, phản ánh nguồn gốc từ hoạt động nhân sinh ven biển.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao nhận thức về ô nhiễm vi nhựa và hỗ trợ xây dựng các giải pháp quản lý môi trường biển.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng phạm vi nghiên cứu, áp dụng công nghệ phân tích hiện đại và phát triển các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm vi nhựa tại Việt Nam.

Hành động ngay: Các nhà nghiên cứu và cơ quan quản lý môi trường nên phối hợp triển khai giám sát vi nhựa định kỳ và áp dụng phổ Raman trong phân tích để bảo vệ môi trường biển bền vững.