Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Ô nhiễm kim loại nặng 1. Khái niệm kim loại nặng Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều quan điểm về kim loại nặng, như: - Quan điểm phân loại theo tỉ trọng: cho rằng kim loại nặng là các kim loại có tỉ trọng (ký hiệu d) lớn hơn 5, bao gồm: Pb (d = 11,34), Cd ( d = 8,6), As (d = 5,72), Zn (d = 7,10) Co (d = 8,9), Cu (d = 8,96), Cr (d = 7,1), Fe (d = 7,87), Mn ( d = 7,44).Trong số các nguyên tố này có một số nguyên tố được coi là nguyên tố vi lượng cần cho dinh dưỡng của con người, cây trồng và sinh vật ở liều lượng thấp, ví dụ: Mn, Co, Cu, Zn, Fe….Tuy nhiên, với hàm lượng cao các nguyên tố này sẽ gây độc [53]. - Theo quan điểm độc học: kim loại nặng là các kim loại có nguy cơ gây nên các vấn đề về môi trường, bao gồm: Cu, Zn, Pb, Cd, Hg, Ni, Cr, Co, Vn, Ti, Fe, Mn, Ag, Sn, As, Se.
Có 4 nguyên tố được quan tâm nhiều là Pb, Cd, As và Hg. Bốn nguyên tố này gây độc cho sinh vật và con người kể cả ở liều lượng thấp [7]. Một định nghĩa khác cho rằng, kim loại nặng là những nguyên tố có đặc tính kim loại và có số nguyên tử lớn hơn 20. Các nguyên tố này thường ở dạng vết trong môi trường đất tự nhiên [43].
Các kim loại nặng phổ biến nhất là: Cd, Cr, Cu, Zn, Pb, Hg. Các KLN nói chung ở nồng độ cao là yếu tố cực kì độc hại đối với quá trình trao đổi chất của tế bào. Ô nhiễm KLN có thể dẫn đến mất cân bằng của các loài động, thực vật bậc cao, đặc biệt trong môi trường đất chứa hàm lượng KLN cao thực vật phát triển kém dẫn đến độ che phủ bề mặt thấp, hậu quả là các KLN từ đất sẽ xâm nhập vào nguồn nước mặt và nước ngầm [43]. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Tính độc hại của kim loại nặng Trong số 70 kim loại nặng tồn tại trong tự nhiên, chỉ có một số nguyên tố là các nguyên tố vi lượng (<10-4) như: Cu, Zn, Mn, B, Mo…Những nguyên tố này cần thiết cho cơ thể ở lượng rất nhỏ, cần dùng trong các chức năng trao đổi chất quan trọng cho cuộc sống. Đa số các kim loại nặng như Pb, Hg, Cd, As…không cần thiết cho sự sống, với đặc tính bền vững trong môi trường, khả năng gây độc ở liều lượng thấp và tích lũy lâu dài ở chuỗi thức ăn, những kim loại nặng này được xem như chất thải nguy hại tác động tiêu cực đến môi trường sống của sinh vật và con người. Kim loại nặng xâm nhập vào cơ thể người và sinh vật chủ yếu qua đường hô hấp, tiêu hóa và da. Chúng tác động đến gốc sulfate làm vô hiệu hóa các enzyme, gây cản trở sự chuyển hóa của các chất qua màng tế bào của người và sinh vật.
Độ độc của kim loại nặng không chỉ phụ thuộc vào bản thân kim loại mà nó còn liên quan đến hàm lượng trong đất, trong nước và các yếu tố hoá học, vật lý cũng như sinh vật. Trong tự nhiên kim loại nặng thường tồn tại ở dạng tự do, khi ở dạng tự do thì độc tính của nó yếu hơn so với dạng liên kết, ví dụ khi Cu tồn tại ở dạng hỗn hợp Cu - Zn thì độc tính của nó tăng gấp 5 lần khi ở dạng tự do [20]. Độc tính của KLN đối với sinh vật liên quan đến cơ chế oxy hóa và độc tính gen. Tác hại của KLN đối với động vật và con người là làm giảm chức năng của hệ thần kinh trung ương, giảm năng lượng sinh học, tổn hại đến cấu trúc của máu, phổi, thận, gan, và các cơ quan khác.
Tiếp xúc với KLN trong thời gian dài có thể ảnh hưởng mãn tính đến thể chất, cơ và quá trình thoái hóa hệ thần kinh dẫn đến biểu hiện các bệnh Parkinson, bệnh teo cơ, bệnh đa xơ cứng…Hơn nữa KLN còn làm tăng các tương tác dị ứng và gây nên đột biến gen, cạnh tranh với các kim loại cần thiết trong cơ thể ở các vị trí liên kết sinh hóa và phản ứng như các kháng sinh giới hạn rộng chống lại cả vi khuẩn có lợi và có hại. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tác động của kim loại nặng đến các bộ phận của cơ thể người Bộ phận vùng Nguyên tố Các tác động +Hệ thần kinh trung ương Hg2+ +Hư hại não: Giảm chức năng sinh lý Pb2+ của nơtron +Hệ thần kinh ngoại vi Hg2+ -Đi lại và phản xạ không bình thường Pb2+ -Tác động đến nơtron ngoại vi As -Bệnh thần kinh ngoại vi +Hệ bài tiết Hg2+ -Bệnh thận, bệnh đường tiết niệu As -Rối loạn đường tiết niệu +Gan As -Bệnh sơ gan +Hệ thống máu Pb -Kìm hãm sinh tổng hợp của máu Cd -Thiếu máu nhẹ As -Thiếu máu +Miệng, tóc, đường hô Hg2+ -Viêm miệng hấp As -Loét, lên nhọt, hói đầu Hg -Gây tác động đến cuống phổi Se -Sưng hoặc viêm đường hô hấp +Xương Cd -Nhuyễn xương Se -Mục răng +Hệ thống tim mạch Cd, As -Mỡ tim +Hệ thống sinh sản Hg, As -Sảy thai +Phổi, da, tuyến tiết niệu Cd, As -Ung thư 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Ô nhiễm chì (Pb) Chì (tên Latin là Plumbum, gọi tắt là Pb) là nguyên tố hóa học nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev; số thứ tự nguyên tử là 82; khối lượng nguyên tử bằng 207,2; nóng chảy ở 327, 4oC; sôi ở 1725oC; khối lượng riêng bằng 11,34 g/cm3.
Chì là nguyên tố màu xám xanh, rất mềm, có thể cắt bằng dao. Là nguyên tố KLN có khả năng linh động kém, có thời gian bán phân hủy trong đất từ 800-6000 năm. Chì là nguyên tố độc hại đối với con người và hầu hết các sinh vật. Sự có mặt của chì làm giảm hoạt động của vi sinh vật đất, gây rối loạn quá trình tuần hoàn nitơ trong đất [1, 4].
Sự phân bố - dạng tồn tại của chì trong môi trường Sự phân bố - dạng tồn tại của chì trong đất * Chì (Pb): là nguyên tố kim loại nặng có khả năng linh động kém, có thời gian bán phân huỷ trong đất từ 800 - 6000 năm. Theo thống kê của nhiều tác giả hàm lượng chì trong đất trung bình từ 15 – 25 ppm [13]. Chì thường nằm ở dạng phức chất bền với các anion (CO32-; Cl¯; SO32-; PO43-) ở trong đất. Hàm lượng chì bị hấp phụ trao đổi chiếm tỷ lệ nhỏ (< 5%) tổng hàm lượng chì có trong đất.
Chì cũng có khả năng kết hợp với các chất hữu cơ hình thành các chất dễ bay hơi như (CH3)4Pb. Trong đất chì có tính độc cao, hạn chế hoạt động của các vi sinh vật và tồn tại khá bền vững dưới dạng phức hệ với các chất hữu cơ [13]. Chì trong đất có khả năng thay thế ion K+ trong các phức hệ hấp phụ có nguồn gốc hữu cơ hoặc khoáng sét. Khả năng hấp thu chì tăng dần theo thứ tự sau [13]: Montmorillonit < Axit humic < Kaolinit < Allophane < Ôxyt Sắt Theo các nhà khoa học Mỹ, chì trong đất được chia thành 10 dạng bao gồm: hòa tan trong nước, trao đổi, có khả năng bị thay thế bởi bạc, cacbonat, dạng dễ khử, tạo phức với chất hữu cơ, kết hợp với oxit Fe ở dạng vô định hình, kết hợp với oxit Fe ở 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com dạng tinh thể, dạng sulfit….Dạng không tan của Pb bao gồm: Pb(OH)2, PbCO3, PbS, PbO, Pb3(PO4)2, Pb5(PO4)3OH, PbSO4, Pb4O(PO4)2 [2].
Phần lớn các hợp chất của chì đều ít tan. Các anion có ảnh hưởng nhiều nhất đến tính tan của chì là CO32-, OH-, S2-, PO42- và SO42-. Ở môi trường đất trung tính hoặc kiềm, chì dễ kết tủa ở dạng Pb(OH)2. Nếu trong đất có chứa photphat hòa tan thì Pb(OH)2 sẽ dần dần chuyển thành Pb3(PO4)2 hay các photphat khó tan khác như plumbogumit PbAl3H(OH)6(PO4)2.
Các hợp chất này xác định trực tiếp mức nồng độ linh động của Pb trong dung dịch đất [3]. Sự phân bố - dạng tồn tại của chì trong nước Trong nước chì thường tồn tại ở 3 dạng là hoà tan, lơ lửng ở dạng keo và phức chất. Tính năng của hợp chất chì được xác định chủ yếu thông qua độ tan. Tính tan của chì phụ thuộc vào pH, khi pH tăng thì tính tan giảm.
Ngoài ra tính tan của chì còn phụ thuộc vào các yếu tố như hàm lượng các ion khác và điều kiện ôxy-hoá khử trong nước. Chì thường tồn tại ở dạng keo trong nước mặt sử dụng cho sản xuất nông nghiệp (pH 7) và ít tồn tại ở dạng keo trong nước sinh hoạt (pH 6). Nhờ tác dụng ngoại lực của chất hữu cơ mà các phức keo của Pb ở dạng Pb(CH3)32+ ; Pb(CH3)4 và Pb(CH3)22+ thường lắng đọng ở bùn cặn đáy, Pb trong nước tự nhiên chủ yếu tồn tại dưới dạng hoá trị +2 [7]. Nguồn ô nhiễm Chì được thải ra từ mỏ quặng chì, cơ sở sản xuất pin, ắc quy, chất dẻo tổng hợp, sơn, thuốc nổ, mực in, bột màu… Chì tích đọng trong xương và hồng cầu gây rối loạn tủy xương, đau khớp, viêm thận, liệt, thần kinh… Nhiễm độc chì có thể gây tử vong cho người thậm chí chỉ với liều lượng nhỏ.
7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong tự nhiên, chì là nguyên tố vi lượng có trong thành phần của vỏ trái đất. Hàm lượng chì trong vỏ trái đất khoảng 13,0 µg/g [2]. Chì tồn tại trong khoảng 84 khoáng chất, điển hình là galen PbS, ngoài ra còn có cernsute PbCO3, cunglesite PbSO4…Tuy nhiên, nguồn phát sinh tự nhiên này chỉ gây ô nhiễm một lượng không đáng kể. Chính các hoạt động nhân tạo của con người mới là những nguồn chủ yếu nhất phát thải chì ra ngoài môi trường, gây tình trạng ô nhiễm và nhiễm độc chì.
Trong tổng lượng chì phát sinh ra ngoài môi trường, chì từ các hoạt động nhân tạo chiếm tới 95% [2]. Chì được sử dụng hầu như ở mọi lĩnh vực trong đời sống con người, do đó nguồn gây ô nhiễm chì xảy ra trên diện rộng ở hầu hết loại hình sản xuất và sinh hoạt của xã hội. Sau đây là một số những nguồn chính gây ô nhiễm chì [2, 43]. Trong công nghiệp Công nghiệp khai khoáng và luyện kim là nguồn phát thải chì lớn nhất.
Không chỉ riêng ngành khai thác và tinh chế chì, mà nhiều ngành khai thác và tinh chế các kim loại khác cũng phát sinh chất thải chứa chì.