Mã số N2111: Giải pháp quan trắc, lấy mẫu ô nhiễm không khí không cần bơm hút (passive sampler) — Sở Khoa học và Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh

So với các phương pháp lấy mẫu chủ động và phương pháp tự động thì lấy mẫu thụ động có nhiều ưu điểm, nhờ đó mà trở thành phương pháp phổ dụng trong quan trắc môi trường không khí cũng như môi trường nước.

Thực trạng sản xuất

Ô nhiễm không khí đang là vấn đề nan giải của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Theo Báo cáo thường niên về chỉ số môi trường (The Environmental Performance Index - EPI) do tổ chức Môi trường Mỹ thực hiện, Việt Nam là một trong 10 nước ô nhiễm môi trường không khí hàng đầu Châu Á. Tiêu biểu là ô nhiễm bụi (PM 10, PM 2.5 gây bệnh hô hấp và tim mạch), và các hợp chất hữu cơ bay hơi, đặc biệt là benzene - chất gây ung thư. Thực tế đó yêu cầu các địa phương thiết lập mạng lưới quan trắc để giám sát, cảnh báo sớm về hiện trạng, diễn biến mức độ ô nhiễm, nguồn ô nhiễm. Các dữ liệu thu được là cơ sở để các cơ quan quản lý nhà nước ban hành các chính sách phù hợp nhằm giảm ô nhiễm, cải thiện môi trường sống. Lấy mẫu ô nhiễm không khí trên diện rộng, phân tích, đánh giá chất lượng không khí và xác định nguồn gây ô nhiễm là bước đầu tiên trong quản lý chất lượng môi trường không khí.

Phương pháp lấy mẫu ô nhiễm khí bằng bơm hút là phương pháp xưa nhất (được áp dụng từ sau thế chiến thứ hai), tiêu tốn rất nhiều công sức, và chỉ cho dữ liệu thời gian ngắn, thường là 1 giờ. Phương pháp khác là đo tự động, cho số liệu liên tục. Tuy nhiên, cả hai phương pháp lấy mẫu ô nhiễm khí bằng bơm hút và đo tự động đều có chi phí cao, đòi hỏi người vận hành phải được đào tạo bài bản, kèm theo nhiều yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt, lại không thể áp dụng cho mạng lưới quan trắc diện rộng.

Quan trắc môi trường không khí là bắt buộc cho mọi thành phố, thị xã, tỉnh. Tần suất quan trắc phụ thuộc vào cấp độ phân loại hành chính. Hiện Việt Nam vẫn áp dụng chủ yếu phương pháp lấy mẫu bằng bơm. Do hàm lượng ô nhiễm không khí là đại lượng thay đổi theo thời gian, không gian và phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết, nên lấy mẫu rời rạc không phản ánh đúng hiện trạng chất lượng môi trường. Ví dụ benzene và NO2 cao vào các giờ giao thông cao điểm, SO2 cao vào lúc bắt đầu sản xuất, ozone lại cao nhất vào giữa trưa. Do đó, để đơn thuần theo dõi xu hướng tăng giảm ô nhiễm theo năm, nồng độ trung bình năm thường được tính từ trung bình 12 tháng, trung bình tháng tính từ trung bình ngày (ít nhất 10 ngày/tháng), trung bình ngày từ trung bình giờ (ít nhất 3 lần trong ngày). Như vậy để có trung bình tháng phải lấy mẫu và phân tích 30 lần. Trong quan trắc phơi nhiễm trong môi trường lao động, ca làm việc là 8 giờ, nếu lấy mẫu bằng bơm thì phải lấy đến 8 mẫu (do mỗi giờ lấy 1 mẫu).

*Kích thước mẫu hấp thu thụ động Lanwatsu rất nhỏ, chỉ bằng đồng xu.*

TS. Trần Thị Ngọc Lan cho biết, phương pháp lấy mẫu thụ động không cần bơm ra đời vào những năm 1990 và được thương mại hóa khoảng 15 năm gần đây, trở thành phương pháp quy chuẩn trong quan trắc môi trường tại Mỹ, Nhật và châu Âu, là công cụ cực kỳ quan trọng trong quản lý môi trường ở các quốc gia tiên tiến.

Mẫu hấp thu thụ động Lanwatsu do TS. Trần Thị Ngọc Lan phối hợp cùng các nhà khoa học Nhật Bản nghiên cứu chế tạo (Đại học KHTN – ĐHQG TP.HCM, Đại học Tổng hợp Osaka, Viện Sức khỏe cộng đồng Osaka). Mẫu đã được áp dụng trong nhiều dự án như “Lắng đọng acid ở Đông Á” và “Bảo vệ di sản văn hóa ở Đông Á trong điều kiện khí quyển bị acid hóa” (Cơ quan Hỗ trợ Phát triển Khoa học Nhật Bản chủ trì), “Ô nhiễm benzene do khí thải xe máy” (Bộ Khoa học và Công nghệ), “Phát triển đô thị thân thiện với môi trường và khí hậu tại Đà Nẵng” (Cơ quan Hợp tác Quốc tế Đức chủ trì), cùng mạng lưới quan trắc không khí 54 điểm ở Đà Nẵng từ năm 2011 đến nay.

Mẫu hấp thu Lanwatsu dùng để quan trắc nhiều thông số như SO2, NO2, NO, O3, NH3; các acid formic, acetic, propanionic; và các hợp chất hữu cơ bay hơi (Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene, Acetone, MEK…) trong không khí trong nhà, ngoài trời, và phơi nhiễm. Người quan trắc dễ dàng theo dõi nồng độ trung bình theo ca, ngày, tuần, tháng của các thông số quan trắc mà không tốn nhiều chi phí.

Ưu điểm công nghệ

1. Không cần bơm: Các khí ô nhiễm tự động đi vào bộ lấy mẫu (passive sampler – mẫu hấp thu thụ động), bị bắt giữ ở phần hấp thu (giấy tẩm, than, polymer…), sau đó được phân tích trong phòng thí nghiệm.

2. Bộ lấy mẫu được tái sử dụng sau khi thay phần hấp thu.

3. Là phương pháp duy nhất đáp ứng yêu cầu đo nồng độ trung bình dài ngày.

4. Không cần hiệu chỉnh, cho kết quả chính xác, ít dao động do thời gian hay thời tiết, có thể lấy lượng khí lớn mà không cần lo lắng về thoát khí như lấy mẫu bằng bơm.

5. Không đòi hỏi kỹ thuật viên có tay nghề.

6. Giảm chi phí lấy mẫu và phân tích.

7. Lấy mẫu song song với làm giàu và làm sạch mẫu.

8. Đơn giản, gọn nhẹ: 7 gam/dụng cụ lấy mẫu.

9. Không cần điện, không gây ồn, nên áp dụng mọi nơi, kể cả nơi rừng sâu, biển đảo.

10. Cho phép quan trắc nhiều nơi, nhiều chất cùng lúc.

11. Chi phí thấp, chỉ bằng 10-15% so với phương pháp lấy mẫu bằng bơm, do công lấy mẫu và số mẫu để xác định phơi nhiễm hay trung bình tháng giảm xuống dưới 10%.

Tuy nhiên, mẫu hấp thu thụ động có nhược điểm là không đo được nồng độ tức thời.

Giải pháp công nghệ

Mẫu hấp thu thụ động Lanwatsu áp dụng nguyên lý khuếch tán từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp trong môi trường tĩnh. Hộp lấy mẫu có đáy kín và miệng hở, ngăn cách với môi trường bằng tấm cách ly bằng Teflon hoặc lưới thép có lỗ cực nhỏ, tạo môi trường tĩnh do gió không thể vào trong hộp.

Khí ô nhiễm vào hộp qua tấm cách ly và khuếch tán từ nắp hộp đến đáy hộp, bị bắt giữ ngay lập tức trên pha hấp thu ở đáy hộp. Nói cách khác, ô nhiễm tự đi đến pha hấp thu và được làm giàu tại đó mà không cần bơm hút.

Lượng ô nhiễm bị bắt giữ tỉ lệ thuận với thời gian lấy mẫu và độ ô nhiễm không khí.

Cấu tạo mẫu hấp thu rất đơn giản.

Quy trình thao tác

Bước 1: Chuẩn bị mẫu hấp thu

Mẫu hấp thu Lanwatsu được cung cấp đã có sẵn pha hấp thu, bảo quản trong bao zip nhôm hàn kín, khi tái sử dụng cần nạp lại pha hấp thu.

Pha hấp thu giấy được giữ trong vial kín khí đặt trong bao zip nhôm (ảnh trái), còn pha hấp thu rắn được giữ trong ống thủy tinh hàn kín (ảnh phải).

Cách nạp pha hấp thu khi tái sử dụng được mô tả dưới đây:

Bước 2: Treo mẫu

Mở bao, lấy mẫu hấp thu ra và kẹp lên giá treo mẫu. Ghi nhận thời điểm (ngày giờ phút) và địa điểm treo mẫu.

Sau khi đủ thời gian phơi mẫu (1 ca làm việc, 1 ngày, 1 tuần hoặc 1 tháng tùy theo nhu cầu), lấy mẫu cho vào bao. Miết kỹ. Ghi nhận thời điểm (ngày giờ phút) thu mẫu.

Lưu ý: Giá treo mẫu ngoài trời có tác dụng che mưa nắng, được cố định trên cột, cây… bằng vít hay dây rút nhựa. Giá treo mẫu trong nhà và phơi nhiễm cho phép gắn, treo lên tường, kính, dây, tủ; hay cổ áo, ngực áo, túi áo, mũ…

Bước 3: Phân tích mẫu

Mẫu được phân tích trong phòng thí nghiệm.

Mở mẫu. Lấy pha hấp thu cho vào ống nghiệm. Thêm nước, hay CS2 (lấy mẫu ô nhiễm hữu cơ). Chờ 1 giờ, thỉnh thoảng lắc mạnh. Định lượng bằng trắc quang (NO2, NH3, NOx), IC hay GC.

Bước 4: Tính nồng độ

Nồng độ ô nhiễm Co được tính từ khối lượng ô nhiễm ma (mg) trên pha hấp thu, hệ số chuyển đổi nồng độ K (ppb.h/mg), và thời gian lấy mẫu t (phút) như sau:

Hệ số chuyển đổi nồng độ K được cho sẵn cho mỗi loại khí. K thường được tính bằng ppb.h/mg. Thời gian lấy mẫu được tính bằng phút.

Ví dụ: Hệ số K cho mẫu hấp thu Ozone là 169 ppb.h/mg. Giả sử khối lượng ion NO3- tìm thấy trên giấy tẩm trong mẫu hấp thu O3 lấy mẫu 2 tuần (336 h) ở nhiệt độ 25oC là 13.7 mg. Nồng độ O3 sẽ là:

Với mẫu hấp thu thụ động Lanwatsu, dù đo trung bình tháng hay phơi nhiễm theo ca thì chỉ cần duy nhất một mẫu.