Đề tài Ô nhiễm bụi PM10

Chương I Tổng quan về ô nhiễm bụi PM10 Môi trường không khí bị ô nhiễm do những yếu tố tự nhiên hoặc những hoạt động phục vụ cuộc sống của con người đã trực tiếp hoặc gián tiếp tác động lên môi trường không khí với quy mô, phương thức và mức độ khác nhau, làm thay đổi mô hình, thành phần hoá học, tính chất vật lý và sinh học của môi trường không khí. Môi trường không khí bị ô nhiễm sẽ gây ảnh hưởng tới sức khoẻ con người, gây ảnh hưởng xấu đến sự sinh trưởng, phát triển của động, thực vật, phá huỷ vật liệu, làm giảm cảnh quan môi trường. Sáu chất gây ô nhiễm quan trọng nhất trong không khí là: CO, SOx mà chủ yếu là SO2; Hydro cacbon; NOx chủ yếu là NO2 và NO; O3 và bụi bay (bụi lơ lửng, bụi hô hấp) chính là PM10 [1]. Ngoài ra các chất gây ô nhiễm này thường phân tán rộng trong không gian của khí quyển rồi sau đó rơi xuống tạo mưa Axit, gây phá huỷ môi trường đất và nước. Sức khoẻ người bị tác động mạnh do không khí ô nhiễm bụi. Các hạt lớn được lọc bỏ bởi xoang mũi, hầu và khí quản, nhưng những hạt có đường kính nhỏ có thể đến phế quản và các tế bào gây tổn thương nặng cho cơ quan hô hấp, nhất là khi phổi nhiễm bụi thạch anh (silicose) do hít thở phải không khí có chứa bụi đioxit silic lâu ngày [2]. Ô nhiễm bụi khí PM10 Định nghĩa và đặc trưng của PM10 Định nghĩa PM10 Bụi là một tập hợp nhiều hạt rắn, có kích thước khác nhau tồn tại lâu trong không khí. Tính chất của bụi được quyết định bởi thành phần hoá học và kích thước hạt bụi. Bụi có đường kính khí động học lớn hơn 10µm, thường rơi nhanh xuống đất theo định luật Niutơn với tốc độ tăng dần. Bụi có đường kính khí động học từ 0,001÷10µm hay gọi tắt là PM10 chuyển động theo kiểu Brao hoặc rơi xuống đất với vận tốc không đổi theo định luật Stok [2]. PM10 được phân loại thành hai loại theo đường kính khí động học: Bụi thô PM2,5-10: là bụi có đường kính khí động học từ 2,5÷10μm. Bụi mịn PM2,5: là bụi có đường kính khí động học nhỏ hơn 2,5μm. Đặc trưng của PM10 Tính chất phân tán Phân tán là tỷ lệ phân bố của bụi theo cấp hạt trong không khí. Tính chất phân tán phụ thuộc vào trọng lượng hạt bụi và sức cản của không khí. Bảng 1.1 dưới đây giới thiệu mức độ phân tán của một số loại bụi trong sản xuất [2]. Bảng 1.1 Tỷ lệ % của bụi PM10 theo kích thước Thao tác Loại bụi ≤ 2μm 2 ÷ 5μm 5 ÷ 10μm Tiện Phay Mài Gỗ Kim loại Đá 48 37 62 20.0 31.5 24.5 20.0 9.5 10.0 Bảng 1.2 Tỷ lệ bụi cao lanh lắng đọng trên đường hô hấp Kích thước (μm) % lắng đọng chung % lắng đọng ở đường hô hấp % lắng đọng ở trong phế bào 0.5 0.9 1.3 1.6 5.0 47.8 63.5 68.5 71.7 92.3 9.2 16.5 26.5 46.5 82.7 34.5 50.5 34.8 25.9 9.8 Tuỳ theo mức độ phân tán của bụi, sự lắng đọng của bụi khác nhau ở các bộ phận khác nhau của cơ quan hô hấp. Bảng 1.2 giới thiệu sự lắng đọng của bụi cao lanh trên đường hô hấp theo Paul, Hatch, 1956 [2]. Số liệu trong bảng cho thấy % bụi lắng đọng ở đường hô hấp tăng theo kích thước hạt bụi, còn bụi lắng đọng ở phế bào thường là những hạt bụi có kích thước dưới 2μm. Tính chất nhiễm điện của hạt bụi Nhờ kính hiển vi người ta xác định được điện tích của hạt bụi. Bụi đặt trong điện thế 3000V sẽ bị hút với tốc độ khác nhau tuỳ theo kích thước của hạt bụi. Do đó, khi thiết kế hệ thống xử lý, phân tích bụi bằng tĩnh điện cần lưu ý đến kích thước hạt bụi. Bảng 1.3 Tốc độ hút bụi của điện thế 3000V [2] Đường kính (μm) Tốc độ (cm/s) 100 10.0 1.00 0.10 885 88.5 8.85 0.88 Tính chất cháy nổ Bụi càng nhỏ diện tích tiếp xúc với ôxy càng lớn thì tính hoá học càng mạnh và càng dễ bốc cháy, dễ gây nổ. Vì thế cần nghiêm cấm việc dùng lửa, tia lửa điện, đèn không có bảo vệ tại những nơi sản xuất sinh ra nhiều bụi dễ cháy nổ. Tính chất lắng bụi do nhiệt Nếu cho PM10 chuyển động từ một ống có nhiệt độ cao sang một ống có nhiệt độ thấp hơn rất nhiều sẽ có có hiện tượng phần lớn PM10 lắng đọng trên bề mặt ống lạnh hơn. Hiện tượng này là do sự trầm lắng của các hạt bụi bởi sự giảm tốc độ chuyển động của phân tử khí do ảnh hưởng của nhiệt độ. Nguồn gốc của ô nhiễm bụi khí PM10 Bụi sinh ra do các quá trình vận động của tự nhiên như động đất, núi lửa, sol khí biển, cháy rừng, động đất, bão bụi, bụi thực vật như bụi gỗ, bông, bụi phấn hoa hay bụi động vật như len, lông... Và sinh ra từ các quá trình hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con người như giao thông vận tải, nhựa hoá học, cao su, cement... bụi kim loại, bụi hỗn hợp do mài, đúc... Nếu chỉ xét các bụi khí mịn PM2,5 thì các nguồn phát thải do đốt nhiên liệu chiếm phần chủ yếu. Đặc biệt, ammonium sulphate, nitrate, cac-bon hữu cơ và cac-bon đen sinh ra từ các nguồn đốt nhiên liệu chiếm đến 50% trong bụi mịn. Nguồn gốc tự nhiên của PM10 Đây là nguồn bụi do các hiện tượng thiên nhiên như núi lửa, động đất, cháy rừng, bão bụi, bụi biển, các quá trình phân huỷ của các loại động vật, thực vật; các quá trình phát tán của phấn hoa, bào tử; len, lông động vật. Bảng 1.4 Nguồn gốc và thành phần của bụi tự nhiên [5] Nguồn gốc Thành phần chính Núi lửa Hô hấp của sinh vật Nhiên liệu hóa thạch Thực vật, vi khuẩn Sương mù biển - Vi khuẩn Thiên thạch Xâm thực do gió Cháy rừng CO2, CO, SO2 và các dẫn xuất của S, Kim loại nặng – Khoáng. CO2 SO2 và các dẫn xuất của S. Hydrocarbure, phấn hoa, bào tử. SO2, các dẫn xuất của S, dẫn xuất của N. Kim loại nặng - Khoáng Kim loại nặng - Khoáng Hợp chất hữu cơ tự nhiên. Nguồn gốc nhân tạo của PM10 Nguồn phát sinh bụi này rất đa dạng, phức tạp và có thể chia ra nhiều loại khác nhau, tóm tắt theo bảng 1.5 sau: Bảng 1.5 Nguồn gốc và thành phần của bụi nhân tạo [8] Nguồn gốc Dạng bụi Thành phần chính Sản xuất năng lượng Chế biến than Luyện kim Công nghiệp hoá chất Công nghiệp xây dựng Công nghiệp thuỷ tinh Giao thông Nông nghiệp Công nghiệp gỗ Công nghiệp dệt Bụi tro, bồ hóng Bụi than Bụi lò Bụi công nghiệp Bụi khoáng Bụi thuỷ tinh Bụi đường phố Phân bón, bụi lúa, bụi thức ăn gia súc Bụi gỗ Bụi sợi SiO2, 2CaO.SiO2, CaO, CaSO4, CaCO3, C, Ca(AlO2)2 C, bụi than cốc. Ôxyt kim loại, kim loại, phụ gia, bụi quặng. Sunfat, clorit, phôtphat, Ca, ôxyt kim loại, nhựa. Ximăng, thạch cao, bụi xỷ. Thạch anh, silicat, ôxyt kim loại, phi kim loại. Dầu, xăng, bồ hóng, cặn cao su, hơi hữu cơ, hợp chất chì. Phân bón, thuốc trừ sâu Xenlulo Vải bông, vải sợi nhân tạo Tác hại của ô nhiễm bụi khí PM10. Các hạt bụi PM10 theo không khí thở, do kích thước nhỏ nên chúng có thể vào đến phế nang, đọng trên phổi và đường hô hấp gây ra một số bệnh ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ. Như bụi chì, thuỷ ngân, benzen gây nhiễm độc. Bụi bông, gai, phân hoá học, một số tinh dầu gỗ… gây dị ứng, viêm mũi, hen, nổi ban… Bụi quặng, Crom… gây ung thư. Bụi thạch anh, quặng Amiăng gây xơ hoá phổi…[2] Một nghiên cứu ở Thái Lan cho thấy, nếu cứ giảm được 10µg PM10 trong một 1m3 không khí thì con số tử vong về bệnh tim mạch và 3-6% về bệnh hô hấp sẽ rút bớt 1-2% [6]. Ngoài ra phải kể đến những ảnh hưởng đến đời sống của động, thực vật và những tác động tiêu cực đến khí hậu của PM10. Tác hại của từng nguyên tố đến sức khoẻ con người, động, thực vật Như tóm tắt ở bảng 1.5, PM10 có thể chứa những nguyên tố vô cơ như As, Al, Cr, Fe, Mn, Ni, Pb, S, Si, V, Zn, K, Ca, Ti, Mg, Cu... Có các thành phần hữu cơ như etylen, xenlulo, Hydrocacbon đa nhân thơm. Và cấu tạo từ các hợp chất CO, SO2, SO3, HCl, NH3, H2S, NO, NO2, Miăng... Chính vì vậy, khi con người, hay động vật hít thở, tiếp xúc với không khí ô nhiễm PM10, cơ thể sẽ bị tác động bởi các thành phần hoá học trên. Đối với sức khoẻ con người và động vật: PM10 tác hại trực tiếp đến con người cũng như động vật, trước hết qua đường hô hấp, chúng gây nên các bệnh cho phổi, phế quản. Mặt khác chúng có thể gây nên các bệnh cho da và mắt, nguy hiểm nhất là một số loại bụi có thể gây ung thư. Những tác hại khác nhau do sự ảnh hưởng lên cơ thể khác nhau của các thành phần cấu tạo nên bụi. Bảng 1.6 Tác hại của một số nguyên tố hoá học đối với cơ thể người [2] Nguyên tố Tác hại As Cr Fe Mn Ni Pb V Zn As khi hấp thụ qua da có thể gây viêm da, viêm phổi Cr ở dạng hợp chất hoá trị 3, 6 là chất rất độc đối với cơ thể người và động vật. Phổi bị nhiễm sắt nguyên tố sẽ bị viêm, sau đó chúng chuyển sang dạng gây ung thư và có tác dụng giữ SO2 nằm sâu trong phổi. Mn làm nhiễm độc hệ thần kinh trung ương. Ni gây ung thư phổi, ung thư các xoang, rối loạn hệ thống hô hấp. Pb làm ngăn trở quá trình tạo ra các tế bào máu, nếu 30÷50% hơi chì được hô hấp vào cơ thể sẽ hấp thụ trong người, trong máu gây nhiễm độc chì, đặc biệt trẻ em và phụ nữ hấp thụ chì rất mạnh. V gây các chứng bệnh về tim và ung thư. Kẽm ăn mòn da, kích thích gây hư hại màng nhầy. Bảng 1.7 Tác hại của một số nguyên tố đối với động vật [2] Nguyên tố Tác hại As Cd F Pb Zn As gây phồng rộp hệ hô hấp, hệ tiêu hoá, phá huỷ tế bào máu và làm hư hại thận. Cd làm giảm khả năng cho sữa ở bò, lợn có thể bị chết nếu nhiễm một lượng nhỏ F gây biếng ăn, chóng già, giảm cân, liệt, run giật cơ bắp và cuối cùng là gây tử vong. Pb gây liệt, rối loạn hệ thần kinh, tê liệt hệ tiêu hoá, phá hỏng hệ tuần hoàn; Hg gây hư hại não, run giật Zn làm gầy yếu, sưng khớp xương gây què. . Đối với thực vật: Việc nghiên cứu tác động lên thực vật là rất quan trọng, bởi từ các tác hại đó có thể cho ta thấy được những tác hại đến con người. Tế bào nguyên sinh thực vật gồm ba phần: Màng tế bào, nguyên sinh chất và dịch vô cơ. Các tế bào thực vật có màng rất mỏng nên chúng dễ bị hư hại do ô nhiễm không khí. PM10 có kích thước bé, dễ dàng khuếch tán qua màng tế bào thực vật, làm thay đổi mối quan hệ bình thường của tế bào thực vật với nước, là nguyên nhân làm khô cứng hoặc làm rách các cấu trúc của tế bào, từ đó phá hoại các mô dẫn đến quá trình chết hoại thấy rõ ràng nhất ở lá của thực vật. Các thành phần nguyên tố, hợp chất có trong PM10 tác động đến thực vật như sau: As có thể làm chết thực vật do có tính hút ẩm mạnh; Be kìm hãm khả năng phát triển của cây trồng; B làm cho thực vật phát triển không bình thường; làm khô héo và chết thực vật; CO phá vỡ khả năng ngưng kết nitrogen của các vi khuẩn tự do là cản trở khả năng tích trữ nitrogen của rễ cây họ đậu làm cho thực vật rơi vào tình trạng thiếu chất đạm; Cl làm quăn mép lá, cuống lá bị chết hoại, phiến lá bị tẩy trắng; Cr có tính độc, tuy nhiên tuỳ thuộc vào loại thực vật và nồng độ Cr; F gây tổn hại cho lá vì làm chết các ống dẫn cung cấp dinh dưỡng; Hg làm úa vàng, rụng lá, làm giảm khả năng phát triển của thực vật. Thay đổi khí hậu do ô nhiễm PM10 Khí hậu trái đất đóng vai trò vô cùng quan trọng đối với sự sống muôn loài trên trái đất. Nước bốc hơi từ mặt đất, mặt biển và các chất ô nhiễm do hoạt động của con người bay vào khí quyển làm thay đổi thành phần cấu tạo của khí quyển mà nhiệt độ của mặt đất và khí quyển được hình thành và ổn định bởi cân bằng nhiệt của năng lượng mặt trời và năng lượng trao đổi nhiệt giữa mặt đất và môi trường khí quyển, khi trạng thái, thành phần của khí quyển bị thay đổi thì hiệu quả của sự trao đổi trên giảm, làm mất đi sự cân bằng nhiệt. Đặc biệt phụ thuộc vào nồng độ của CO2 và một số khí khác gây hiệu ứng nhà kính. Hiệu ứng nhà kính Căn cứ vào số liệu thống kê quan trắc của mạng lưới khí tượng thế giới thì nhiệt độ trái đất thực tế cao hơn trị số nhiệt độ tương đương của mặt trái đất tính toán trên lý thuyết. Nguyên nhân chính của sự khác biệt này là do "hiệu ứng nhà kính" của khí quyển [1]. Bảng 1.7 cho ta thấy tình hình phát thải các khí gây hiệu ứng nhà kính. Bảng 1.8 Các khí nhà kính và đặc trưng của chúng [1] Khí nhà kính Nồng độ trong khí quyển (ppm) Mức tăng nồng độ trung bình mỗi năm (%) Hệ số nhà kính tương đương (đối với CO2=1) Tỷ lệ hiệu ứng nhà kính hiện nay (%) Nguồn chính gây ô nhiễm khí nhà kính 1. CO2 2. Khí CFC 3. CH4 4. N2O 351 0.00225 1.675 0.31 0.4 5.0 1.0 0.2 1 15000 25 230 57 25 12 6 Đốt nhiên liệu hoá thạch, phá rừng. Sol khí, tác nhân làm lạnh, dung môi. Đất ngập nước, trồng lúa, sinh hoạt của con người, nhiên liệu hoá thạch Đốt nhiên liệu, sản xuất phân bón, phá rừng. Hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng lên, gây ra tác hại rất lớn lên sự sống trên trái đất, như làm tan các biển núi băng ở hai cực trái đất, lượng băng tan ra làm cho mực nước biển nâng cao và nước tràn lên những vùng đồng bằng rộng lớn ven biển. Theo tính toán thì mực nước biển sẽ tăng cao 0,25 m nếu nhiệt độ trái đất tăng lên 10 và nếu như không có biện pháp giảm thiểu khí nhà kính thì mực nước biển sẽ có thể dâng cao tới 1-3m vào cuối thế kỷ tới [1]. Lỗ thủng tầng Ozon Như chúng ta đã biết, tác dụng của các tia bức xạ mặt trời duy trì sự sống trên trái đất. Tác dụng đó phụ thuộc vào độ dài của thời gian ban ngày, độ cao của mặt trời, độ che phủ của mây, độ ẩm và độ nhiễm bẩn của không khí [1]. Bầu khí quyển có tác dụng khuếch tán, hấp thụ và lọc một phần lớn các bức xạ mặt trời, chỉ có ánh sáng nhìn thấy, một phần tia tử ngoại và một phần sóng Radio lọt qua chiếu xuống trái đất. Tầng Ozon chính là “cái ô bảo vệ" sự sống trên trái đất khi mà nó có tác dụng che chắn các tia tử ngoại cực ngắn chiếu xuống trái đất. Một số năm gần đây, các nhà khoa học đã nhận thấy nồng độ Ozon trong khí quyển ở cực nam bán cầu của trái đất đã suy giảm do sự gia tăng sử dụng chất CFC(Clo florua cacbon) hay CFM(Clo Florua Metan)- là những chất trao đổi nhiệt trong các bình khí nén trong kỹ thuật làm lạnh. Chúng là khí trơ với các phản ứng hoá học nhưng khí chúng được tích luỹ trên ở tầng cao khí quyển, dưới tác dụng của tia bức xạ tử ngoại giải phóng nguyên tử Clo, nguyên tử Clo này phản ứng dây chuyền với 100 000 nguyên tử Ozon làm hụt đi một lượng Ozon đáng kể. Vì vậy sự giảm 40% nồng độ Ozon ở cực Nam trái đất hiện nay có thể là do con người xử dụng nhiều chất CFC và CFM [1]. Các hợp chất NOx, halogen hữu cơ cũng gây nguy hiểm cho tầng Ozon. Tăng bức xạ tử ngoại chiếu trên mặt đất sẽ làm tăng bệnh ung thư da, bệnh khô mắt, rối loạn cơ chế miễn dịch đối với con người và làm rối loạn hệ sinh thái biển cũng như đời sống thực vật trên mặt đất, biến đổi khí hậu. Giảm thiểu ô nhiễm môi trường khí quyển sẽ giảm biến đổi khí hậu, giữ cho nhiệt độ trái đất không tăng lên là mối quan tâm hàng đầu của nhiều nước hiện nay. Thực trạng của ô nhiễm bụi khí PM10 [7]. Tổ chức Y tế thế giới (WHO) vừa đưa ra lời cảnh báo về tình trạng ô nhiễm không khí ở châu Á ngày càng trầm trọng, là nguyên nhân khiến có tới nửa triệu người ở khu vực tử vong mỗi năm. Tình trạng ô nhiễm diễn ra đặc biệt nghiêm trọng tại khu vực Đông Nam Á và Trung Quốc Ở nước ta hàm lượng PM10 trung bình năm tại Trạm Láng là 98 mg/m3, cao gấp hai lần tiêu chuẩn cho phép ở nhiều nước trên thế giới. Số ngày có hàm lượng vượt quá tiêu chuẩn ngày (150m g/m3) chiếm đến 30%. Hàm lượng PM10 còn cao hơn ở các khu vực dân cư đông đúc trong nội thành. Một số kết quả quan trắc bước đầu cho thấy các tác nhân ô nhiễm này có phạm vi lan rộng khá xa, đến tận các vùng quê hẻo lánh. Cũng không loại trừ khả năng là một bộ phận các bụi mịn này đã xuất phát từ bên ngoài xâm nhập vào lãnh thổ Việt Nam do sự lan truyền của các khối không khí. So với các tác nhân ô nhiễm không khí được tiêu chuẩn hóa trên thế giới (chì, NO2 NOX, ozone, v.v...) thì ô nhiễm bụi khí PM10 ở nước ta là trầm trọng nhất. Trên địa bàn Hà Nội, mỗi năm có khoảng 1.500 người nhập viện vì mắc các bệnh về hô hấp (viêm phổi, viêm phế quản và các bệnh hô hấp khác) do hít phải nồng độ bụi quá nhiều. Ô nhiễm bụi khí PM10 trong mùa khô cao hơn mùa mưa, cao gấp hai lần tại Hà Nội và 1,6 lần tại Tp HCM. Đặc biệt vào những thời kỳ có nghịch nhiệt sát mặt đất về ban đêm, từ tháng 11 đến tháng 2-3, hàm lượng PM10 tại Hà Nội có khi lên đến quá 1 mg/m3. Việc quét dọn đường phố vào lúc chập tối lại tung thêm bụi đất vào môi trường. //còn thiếu Nghiên cứu ô nhiễm bụi khí PM10 ở Việt Nam và trên thế giới. Vấn đề bụi khí PM10 đã được nghiên cứu tại thành phố Hồ Chí Minh từ 1996 (Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt), và gần đây tại Hà Nội, Thái Nguyên, Việt Trì. Tại Hà Nội đã tiến hành quan trắc liên tục theo chế độ 24 giờ tại Trạm khí tượng Láng và quan trắc không định kỳ tại một số nơi khác, từ đó đã dựng lên được bức tranh tương đối toàn diện về mức độ ô nhiễm, các nguồn phát thải chính và một số quy luật tương quan phổ biến giữa PM10 với các yếu tố khí tượng, thời tiết [?]. Trên thế giới, vấn đề ô nhiễm bụi khí đã được nghiên cứu nhiều năm ở những nước phát triển, một số nước đang phát triển cũng bắt đầu quan tâm nghiên cứu. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu được thực hiện, quy mô lớn nhất là của Mỹ, Mỹ cũng tài trợ cho nhiều dự án toàn cầu như ACE… //cần bổ xung Kỹ thuật phân tích hạt nhân áp dụng trong nghiên cứu bụi PM10. Các kỹ thuật thu góp mẫu bụi khí PM10 Lấy mẫu bụi được thực hiện theo rất nhiều phương pháp. Các phương pháp được lựa chọn phụ thuộc vào tính chất vật lý của bụi như kích cỡ, mật độ, trọng lượng của hạt bụi. Đối với PM10, kỹ thuật lấy mẫu là kỹ thuật lọc và kỹ thuật dùng giấy lọc [2]. Kỹ thuật lọc là phương pháp bị động, bụi PM10 được thu góp bằng các thiết bị hút khí, các hạt bụi chuyển động theo dòng khí này được giữ lại trên tấm lọc. Xác định được trọng lượng bụi thông qua trọng lượng tấm lọc trước và sau khi lấy mẫu, tính theo đơn vị µg. Kỹ thuật góp mẫu bụi bằng giấy lọc là phương pháp chủ động. Hệ thống bao gồm một bơm để hút dòng khí chứa bụi, sau khi đi qua giấy lọc bụi được giữ lại, bơm hoạt động theo chế độ do người sử dụng cài đặt. Các kỹ thuật hạt nhân phân tích thành phần hoá học của PM10. Sự ra đời và phát triển của các phương pháp phân tích hạt nhân gắn liền với những thành tựu của vật lý và kỹ thuật hạt nhân hiện đại. Các phương pháp phân tích hạt nhân có những ưu điểm rất cơ bản: độ nhạy và độ chính xác cao, tốc độ phân tích nhanh, mẫu phân tích không bị phá huỷ và có thể tiến hành phân tích đồng thời nhiều nguyên tố. Mặt khác, trong điều kiện kỹ thuật cho phép, các phương pháp phân tích hạt nhân còn có thể tự động hoá được toàn bộ quy trình phân tích - là ưu điểm mà nhiều phương pháp phân tích khác không có được. Các phương pháp phân tích hạt nhân được xây dựng trên cơ sở những hiệu ứng vật lý liên quan tới quá trình biến đổi trạng thái của hạt nhân hoặc nguyên tử. Những đại lượng vật lý làm cơ sở cho việc nhận diện và xác định hàm lượng các nguyên tố như cường độ và năng lượng của các bức xạ phát ra đều được đo và xử lý bằng các kỹ thuật hạt nhân. Hiện nay có khá nhiều các phương pháp phân tích hạt nhân: Phương pháp phân tích kích hoạt hạt nhân. Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X. Phương pháp phân tích Urani Phương pháp phân tích dựa trên hiệu ứng tán xạ ngược Rutherford (RBS). Phương pháp phân tích cacbon phóng xạ dùng khối phổ kế gia tốc (AMS)… Mỗi phương pháp có khả năng đáp ứng các yêu cầu khác nhau. Ở nước ta phương pháp phân tích kích hoạt, phân tích huỳnh quang tia X đã được triển khai từ những năm 1970. Phân tích huỳnh quang tia X là phương pháp kích thích mẫu bụi bằng tia X, tia gamma mềm hoặc các hạt mang điện có năng lượng thích hợp, các nguyên tố có trong mẫu sẽ phát ra các tia X đặc trưng cho từng nguyên tố, trên cơ sở đo năng lượng và cường độ các tia X đặc trưng đó ta có thể nhận diện và xác định được hàm lượng của nguyên tố. Hiện nay, nhờ có hệ phổ kế huỳnh quang tia X chuyên dụng, được tự động hoá hầu hết các khâu trong quá trình phân tích. Hệ phổ kế dùng detector bán dẫn có độ phân giải cao, có khả năng tách các tia X đặc trưng vành K của các nguyên tố liền kề trong bảng tuần hoàn và đo được phổ tia X trong dải năng lượng rộng. Phương pháp này cho phép xác định đồng thời nhiều nguyên tố, mẫu không bị phá huỷ trong quá trình phân tích, cho kết quả nhanh và độ chính xác cao. Chương II Kỹ thuật phân tích huỳnh quang tia X Cơ sở vật lý, kỹ thuật của phương pháp phân tích huỳnh quang tia X. Cơ chế, cường độ, hiệu suất phát tia X Cơ chế phát xạ tia X đặc trưng [3] Tia X đặc trưng sinh ra là kết quả của quá trình dịch chuyển mức năng lượng của electron trong nguyên tử. Sự chuyển dịch xảy ra khi vành điện bên trong xuất hiện lỗ trống và trong khoảng thời gian rất ngắn, cỡ 10-15 giây có một electron từ vành ngoài nhảy vào thế chỗ. Trong quá trình chuyển dịch này, hiệu năng lượng liên kết của electron của hai quỹ được giải phóng dưới dạng sóng điện từ, đó chính là tia X đặc trưng. Hình 2.1. Hình 2.2. Ta có thể mô tả quá trình hình thành lỗ trống và tạo ra tia X đặc trưng trên nguyên tử Titan (ZTi=22) như sau: Hình 2.1. Một electron vành K có năng lượng liên kết E0 sẽ bị bật ra khỏi nguyên tử khi bị kích thích bởi tia X sơ cấp có năng lượng E ≥ E0. Tạo nên một lỗ trống ở vành K. Electron bị bật ra có năng lượng: ΔE = E-E0. Hình 2.2. Nếu một electron từ vành L hoặc M nhảy vào lấp lỗ trống ở vành K, tạo ra lỗ trống trên vành L hoặc M. Quá trình chuyển dịch này sẽ giải phóng một năng lượng dư ΔE dưới dạng sóng điện từ, là tia X đặc trưng Kα , Kβ của nguyên tố này: ΔE = E1- E0 = Kα ΔE = E2- E0 = Kβ Hình 2.3 Hình 2.3. Một lỗ trống được tạo thành trên vành L khi một electron trên vành L bị bật ra do bị kích thích bằng tia X sơ cấp hay bởi quá trình chuyển dịch electron trước đó. Một electron từ vành M hoặc N sẽ nhảy vào chiếm lỗ trống này, đồng thời lại tạo ra lỗ trống trên vành M hoặc N. Trong quá trình chuyển dịch sẽ giải phóng tia X đặc trưng Lα, Lβ của nguyên tố: ΔE = E2- E1 = Lα ΔE = E3- E1 = Lβ Cường độ phát xạ tia X [4] Cường độ phát xạ tia X không những phụ thuộc hàm lượng nguyên tố mà còn phụ thuộc vào nhiều thông số vật lý và kỹ thuật khác liên quan tới nguồn bức xạ kích thích, các hằng số nguyên tử của nguyên tố, thành phần và kích thước mẫu, bố trí hình học nguồn-mẫu-detector... Chính vì vậy một phương trình biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ tia X đặc trưng vào hàm lượng của nguyên tố thường được xây dựng trên điều kiện thực nghiệm cụ thể. Khi các tia X đơn năng có cường độ I0 đi qua vật chất thì cường độ của nó sẽ bị suy giảm: I = I0. Exp(-µ.ρx) (2.1) Trong đó: ρ: Mật độ vật chất (g/cm3). x: Bề dày vật chất (cm). µ: Hệ số suy giảm khối (cm2/g). Φ1 Ф2 x dx Nguồn tia X Detector tia X Hình 2.4. Bố trí hình học nguồn-mẫu-detector Xét chùm tia X sơ cấp có cường độ I0 rọi đến kích thích mẫu dưới một góc Ф1, tia X đặc trưng phát ra từ mẫu dưới góc Ф2. Để đơn giản hoá, trong tính toán thường giả thiết Ф1 = Ф2 = Ф. Cường độ tia X đặc trưng vành K của nguyên tố i phát ra từ lớp dx của mẫu được tính theo công thức sau: (2.2) Trong đó: Ci, Cj là hàm lượng của nguyên tố thứ i, j. I0 là cường độ của tia X sơ cấp. µi,E1 là hệ số suy giảm khối của nguyên tố cần phân tích i đối với tia X sơ cấp. µj,E1, µj,E2 là hệ số suy giảm khối của nguyên tố j đối với tia X sơ cấp và tia X đặc trưng. g là hệ số xác định bởi hiệu suất của detector và hệ số hình học nguồn-mẫu-detector. Pi,E1 là hiệu suất hấp thụ quang điện của nguyên tố cần phân tích i đối với tia X sơ cấp. ωi là hiệu suất phát tia X đặc trưng của nguyên tố cần phân tích i. Trường hợp mẫu rất mỏng: với x=0 (2.3) với x << 1 (2.4) Thay (2.3) và (2.4) vào kết quả tích phân phương trình (2.2) ta được: Ii = I0.g.Pi,E1.ωi.μi,E1.ρ.x.Ci (2.5) Đặt Ri = I0.g.Pi,E1.ωi.μi,E1. Khối lượng m của nguyên tố i phát tia X: mi = ρ.x.Ci (g/cm2) Vậy (2.5) trở thành: Ii = Ri.mi (2.6) Từ (2.6) cho ta thấy cường độ phát xạ tia X phụ thuộc tuyến tính vào hàm lượng của nguyên tố có trong mẫu. Hiệu suất phát xạ tia X [9] Hiệu suất phát xạ tia X đặc trưng chính là xác suất phát tia X đặc trưng. Hiệu suất phát xạ tia X đặc trưng của dãy K: ωK là tỷ số giữa số tia X dãy K được phát ra trên sồ nguyên tử có lỗ trống ở vành K. Nếu ωK = 90% có nghĩa là cứ 100 nguyên tử có lỗ trống ở vành K thì chỉ 90 nguyên tử phát tia X đặc trưng thuộc dãy K. Tương tự như vậy, có thể định nghĩa ωL, ωM… Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy hiệu suất phát xạ tia X tăng theo nguyên tử số và có sự khác nhau giữa các vành electron: ωK > ωL > ωM. Hình 2.5 cho ta thấy được sự phụ thuộc của hiệu suất phát xạ tia X ω đặc trưng vào nguyên tử số Z: Nguyên tử số Z Hiệu suất phát huỳnh quang ω Hình 2.5. Đo và phân tích phổ tia X đặc trưng. Phổ tia X đặc trưng. Hình 2.6. Phổ tia X đặc trưng là phổ vạch phát xạ do sự chuển dịch của các electron có mức năng lượng khác nhau tạo nên. Hình 2.6 cho ta thấy sơ đồ nguồn gốc các vạch chính trong dãy K và L của phổ tia X đặc trưng. Phổ dãy K xuất hiện do sự chuyển dịch của điện tử từ các vành ngoài tới thay thế lỗ trống ở vành K. Phổ dãy K tương đối đơn giản, gồm hai vạch kép Kα, Kβ và thêm một vạch phụ xuất hiện với các nguyên tố có nguyên tử số cao. Phổ dãy L xuất hiện do sự chuyển dịch của các electron vành ngoài lấp đầy các lỗ trống trong vành L, do có nhiều phân mức năng lượng nên phổ dãy L phức tạp hơn phổ dãy K. Đối với các nguyên tố có nguyên tử số cao, có thể quan sát 20 tới 30 vạch phổ dãy L. Yêu cầu về nguồn kích thích tia X. Khi phân tích mẫu, nguồn kích thích tia X phải được che chắn, không để các tia bức xạ sơ cấp từ nguồn dọi trực tiếp vào detector. Yêu cầu về mẫu phân tích. Phin chứa mẫu phải mỏng đ