Giám sát liên tục chất lượng không khí qua thành phần hạt bụi mịn và sol khí

Ô nhiễm không khí được Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) định nghĩa là «sự hiện diện trong không khí các tác nhân hóa học, vật lý hoặc sinh học làm thay đổi các tính chất tự nhiên của khí quyển» [1]. Sự thiết yếu phải giám sát mức độ ô nhiễm không khí công nghiệp vì ảnh hưởng của nó thông qua việc hít thở dẫn đến các vấn đề về hô hấp, bệnh tim, ung thư hay các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng khác. Mưa acid, mất mùa, hạn chế sự phát triển và năng suất cây trồng, cũng như gây hại cho môi trường hoang dã là những hậu quả có thể thấy được. Một vấn đề phổ biến trên toàn thế giới là có đến 99% dân số toàn cầu đang phải thở trong bầu không khí có chỉ số chất lượng vượt ngưỡng cho phép dựa trên hướng dẫn chất lượng của WHO [1,2]. Trong số các tác nhân gây ô nhiễm không khí, các hạt bụi mịn và sol khí là những thành phần cần được quan tâm đến. Bài viết này sẽ thảo luận về những tác nhân gây ô nhiễm không khí này và giới thiệu hai thiết bị được dùng để giám sát liên tục chất lượng không khí xung quanh.

Sự khác biệt giữa hạt bụi mịn và sol khí là gì?

Hình 1. So sánh kích thước của các hạt bụi. Theo tài liệu của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA) [3].

Hạt bụi mịn (PM) thường được định nghĩa là các hạt rắn nhỏ lơ lửng trong không khí, trong khi sol khí là những giọt sương nhỏ hoặc các hạt rắn tồn tại lơ lửng trong không khí trong thời gian dài. Cả hai tác nhân đều có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người, đặc biệt khi đường kính của hạt nhỏ hơn 2.5 µm (PM_2.5, Hình 1).

Sol khí và hạt bụi mịn được có nguồn gốc từ các hiện tượng tự nhiên như phun trào núi lửa, nhưng cũng có thể từ các hoạt động của con người như sản xuất công nghiệp và giao thông vận tải. Do đó, việc giám sát chất lượng không khí trong công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc nhận diện nguồn phát thải, hiểu rõ thành phần hóa học và xây dựng các chiến lược nhằm giảm thiểu phơi nhiễm.

Làm thế nào để phân tích hạt bụi min và sol khí?

Thông thường, quá trình phân tích hạt bụi và sol khí gồm hai bước: thu thập mẫu và phân tích. Để có được mẫu đại diện, cần sử dụng thiết bị và kỹ thuật lấy mẫu phù hợp.

Quá trình lấy mẫu thường sử dụng phương pháp lọc. Các hạt bụi mịn được giữ lại trên các tấm lọc, sau một khoảng thời gian nhất định sẽ được lấy ra để chiết tách bằng nước khử ion và phân tích tiếp theo [4]. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ phù hợp để xác định giá trị đo trong khoảng thời gian từ 24 giờ trở lên. Bên cạnh đó, phương pháp này khá cồng kềnh và thiếu chuẩn xác, khiến việc đo lường trực tuyến liên tục không khả thi.

Việc lấy mẫu liên tục thành phần sol khí rất thiết yếu trong việc nhận thức và giải quyết các vấn đề về chất lượng không khí. Dữ liệu theo thời gian thực cung cấp thông tin quan trọng về những thay đổi nhanh chóng trong thành phần sol khí, cho phép khắc phục kịp thời với các sự cố ô nhiễm và hỗ trợ nghiên cứu khoa học chính xác hơn về các quá trình trong khí quyển.

Để khắc phục những hạn chế của các phương pháp lấy mẫu truyền thống, cần có các công nghệ tiên tiến để phân tích sol khí liên tục. Các thiết bị lấy mẫu dùng hơi nóng như Metrohm AeRosol Sampler (MARS) và 2060 Monitor for AeRosols and Gases in Ambient Air (MARGA) (Hình 2) cho phép theo dõi liên tục và theo thời gian thực thành phần của sol khí. Những thiết bị này sử dụng các kỹ thuật tiên tiến để thu thập và phân tích sol khí, cung cấp dữ liệu giá trị cho việc đánh giá và nghiên cứu chất lượng không khí.

Hình 2. Việc chuẩn bị mẫu khí trực tuyến trở nên đơn giản hơn nhờ hệ thống 2060 MARGA (bên trái) hoặc MARS (bên phải) từ Metrohm Process Analytics.

Hình 3. MARS cho phép phân tích toàn diện mẫu không khí bằng IC, VA hoặc kết hợp cả hai.

Với thiết bị 2060 MARGA, mẫu khí và sol khí được lấy từ cùng một khối không khí và được tách ra bằng cách hòa tan chọn lọc trong nước. Dung dịch thu được sau mỗi giờ được phân tích bằng thiết bị sắc ký ion kết hợp với đầu dò độ dẫn điện. Quá trình tách này cho phép phát hiện các khí tự do và ion hiện diện trong sol khí, từ đó cung cấp thông tin tổng quan về chất lượng không khí.

MARS (Hình 3) được thiết kế chuyên biệt cho việc lấy mẫu sol khí. Về mặt phân tích hóa học, thiết bị MARS thường được kết nối với các thiết bị phân tích hóa học bên ngoài như thiết bị sắc ký ion (IC) để phân tích cation và anion, hoặc thiết bị điện hóa Voltammeter (VA). Cấu hình dạng mô đun này mang lại sự linh hoạt và khả năng thích ứng cao hơn, đáp ứng nhiều yêu cầu phân tích hơn so với thiết bị 2060 MARGA được tích hợp sẵn mô đun sắc ký ion để phân tích anion và cation bên trong.

Cả hai thiết bị (2060 MARGA và MARS) đều bao gồm bộ hấp thu khí (Wet Rotating Denuder «WRD» – Hình 4, bên trái), thiết bị thu mẫu sol khí dựa trên hiện tượng ngưng tụ hạt sau khi tăng kích thước (Steam-Jet Aerosol Collector «SJAC» – Hình 4, bên phải), cùng với các thiết bị bơm và điều khiển. Các thiết bị này áp dụng phương pháp chuyển đổi các hạt sol khí thành giọt sương trong môi trường hơi nước bão hòa. Sau khi được hóa hợp với nước, các giọt sương sẽ được đưa liên tục vào các van lấy mẫu hoặc cột làm giàu mẫu để phân tích.

Hình 4. Trái: Bộ hấp thu khí (WRD) giúp loại bỏ khí dễ dàng. Phải: Bộ thu sol khí bằng tia hơi nước nóng (SJAC) được tích hợp trong thiết bị MARS và 2060 MARGA.

MARS và 2060 MARGA – lựa chọn nào phù hợp?

Trong khi MARS được thiết kế chỉ để lấy mẫu sol khí, thì 2060 MARGA còn có thể xác định cả các khí tan trong nước. So với các bộ hấp thu khí truyền thống loại bỏ khí ra khỏi mẫu không khí trước bộ thu sol khí (bộ tăng kích thước giọt) thiết bị 2060 MARGA thu thập các khí này bằng WRD và được phân tích online. Ngược lại với khí, sol khí có tốc độ khuếch tán thấp nên vì thế đi qua WRD mà không bị cản trở.

Thiết bị 2060 MARGA có hai cấu hình: R (research, nghiên cứu) và M (monitoring, giám sát). Phiên bản 2060 MARGA R được thiết kế hỗ trợ cho các nghiên cứu dài hạn, chẳng hạn như nghiên cứu sự biến đổi chất lượng không khí theo mùa. Trong trường hợp không sử dụng, thiết bị sắc ký ion có thể được tháo rời và sử dụng cho các mục đích nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.

Đối với yêu cầu đặt máy cố định và giám sát chất lượng không khí 24/7, phiên bản 2060 MARGA M là lựa chọn phù hợp hơn.

**Bảng 1.** Sự khác biệt giữa khả năng phân tích của hệ thống MARGA 2060 và MARS.
	MARS	2060 MARGA
Kích cỡ mẫu	Mẫu không khí lớn: 0.5–1.0 m³/h	Mẫu không khí lớn: 0.5–1.0 m³/h
Loại chất gây ô nhiễm	Chỉ thích hợp để phân tích sol khí. Sol khí: Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, F^-, NH₄⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺	Analysis of aerosols and khí. Sol khí: Cl^-, NO₃^-, SO₄^2-, F^-, NH₄⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ Khí: HCl, HNO₃, HONO (HNO₂), SO₂, NH₃, HF
Loại chất gây ô nhiễm	MARS có thể đo được nhiều chất ô nhiễm khác nhau như ion sulfat, nitrat và amoni.	MARGA có thể đo được nhiều chất ô nhiễm khác nhau như ion sulfat, nitrat và amoni, cũng như các khí vết như sulfur dioxide và ammonia.
Phương pháp phân tích	Có thể kết hợp với nhiều kỹ thuật phân tích khác nhau (ví dụ: IC, VA....)	Hai hệ thống IC tích hợp
Phương pháp phân tích	Có thể sử dụng một hoặc nhiều kỹ thuật phân tích	Chỉ sử dụng một kỹ thuật phân tích
Độ phân giải thời gian	Giám sát không khí liên tục	Giám sát không khí liên tục
Phương pháp thu mẫu	SJAC	WRD SJAC
Kích thước (mm) (Rộng/Cao/Sâu)	660/605/605	2060 MARGA R: 660/930/605 2060 MARGA M: 660/1810/605
Mục đích sử dụng	Nghiên cứu	2060 MARGA R – Nghiên cứu 2060 MARGA M – Giám sát liên tục chuyên dụng

Dưới đây là so sánh kết quả nhằm xác định mối tương quan nào giữa việc lấy mẫu sol và phân tích dùng thiết bị 2060 MARGA và MARS. Từ kết quả lấy mẫu và phân tích sol khí từ thiết bị 2060 MARGA được cho là chính xác [5], có mối tương quan tốt cho thấy rằng thiết bị MARS cũng đo sol khí với độ chính xác tương tự.

Các biểu đồ dưới đây thể hiện kết quả phân tích sol khí trong không khí xung quanh tại Schiedam, Hà Lan, được đo từ ngày 6–9 tháng 6 năm 2022 bằng cả hai hệ thống 2060 MARGA và MARS sử dụng thiết bị sắc ký ion (Hình 5). Thiết bị 2060 MARGA có chu kỳ đo là 60 phút (chu kỳ thông thường), trong khi thiết bị MARS có chu kỳ đo là 30 phút. Dữ liệu cho thấy xu hướng tương đồng đối với cả hai hệ thống, nhưng vì MARS tạo ra dữ liệu gấp đôi nên số lượng dữ liệu nồng độ sol khí trên thiết bị MARS nhiều hơn so với 2060 MARGA. Nếu dữ liệu của MARS được điều chỉnh về chu kỳ 60 phút bằng cách sử dụng phương pháp trung bình động, thì lượng dữ liệu nồng độ sol khí từ MARS và 2060 MARGA cung cấp là tương đương.

Hình 5. Thử nghiệm so sánh cho thấy kết quả của các thông số chất lượng không khí khác nhau được đo bằng 2060 MARGA (trên) và MARS (dưới).

Kết luận

Việc giám sát ô nhiễm không khí là cấp thiết vì giúp chúng ta nhận thức sự hiện diện và mức độ các tác nhân ô nhiễm trong bầu không khí mà chúng ta thở. Tiếp xúc với không khí ô nhiễm có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe, các bệnh về đường hô hấp, tim mạch và thậm chí là ung thư.Không khí ô nhiễm còn góp phần gây hại cho môi trường bằng cách tạo ra mưa acid, làm suy giảm tầng ozone và góp phần vào biến đổi khí hậu. Tầm quan trọng của việc đo chất lượng không khí bằng các thiết bị như 2060 MARGA hoặc MARS từ Metrohm Process Analytics là cần thiết để hiểu được tác động của các tác nhân ô nhiễm khác nhau và xây dựng các chiến lược hiệu quả nhằm giảm thiểu sự phơi nhiễm. Bằng cách đó, chúng ta có thể hướng tới việc xây dựng môi trường sống lành mạnh và bền vững hơn.

References

[1] World Health Organization. Air pollution - Overview. https://www.who.int/health-topics/air-pollution (accessed 2025-02-06).

[2] WHO Global Air Quality Guidelines: Particulate Matter (‎PM_2.5 and PM₁₀)‎, Ozone, Nitrogen Dioxide, Sulfur Dioxide and Carbon Monoxide; World Health Organization: Geneva, 2021. https://www.who.int/publications/i/item/9789240034228

[3] US EPA. Particulate Matter (PM) Basics. https://www.epa.gov/pm-pollution/particulate-matter-pm-basics (accessed 2025-02-06).

[4] Wang, D.; Jiang, J.; Deng, J.; et al. A Sampler for Collecting Fine Particles into Liquid Suspensions. Aerosol Air Qual. Res. 2020, 20 (3), 654–662. DOI:10.4209/aaqr.2019.12.0616

[5] Läubli, M. Air Monitoring by Ion Chromatography – a Literature Reference Review, 2018. https://www.metrohm.com/en/products/a/ir_m/air_monitoring_icv2.html