Nghiên cứu hấp phụ Lindan, DDT trong nước bằng vật liệu α-Al(OH)3 biến tính

Nghiên cứu khoa học về hấp phụ lindan, DDT trong nước bằng vật liệu α-Al(OH)3 biến tính bởi SDS, CTAB, đánh giá hiệu quả và cơ chế xử lý.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hằng
• Người hướng dẫn: GS. Lê Thanh Sơn
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu hấp phụ lindan, DDT trong môi trường nước sử dụng vật liệu α-Al(OH)3 biến tính bằng chất hoạt động bề mặt SDS và CTAB
• Loại tài liệu: Luận án Tiến sĩ Hóa học
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Hấp phụ Lindan DDT Giải pháp với vật liệu α Al OH 3

Việc xử lý các hợp chất hữu cơ khó phân hủy (POPs) như Lindan và DDT là một thách thức lớn trong lĩnh vực công nghệ xử lý môi trường. Các hợp chất này, do đặc tính bền vững và khả năng tích lũy sinh học, gây ra ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng, ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Mặc dù đã bị cấm sử dụng, dư lượng của chúng vẫn tồn tại dai dẳng. Phương pháp hấp phụ nổi lên như một giải pháp hiệu quả và kinh tế. Tuy nhiên, các vật liệu hấp phụ truyền thống thường có tính ưa nước, hoạt động kém hiệu quả với các phân tử kị nước như Lindan và DDT. Nghiên cứu của Nguyễn Thị Hằng (2024) đã mở ra một hướng đi mới, tập trung vào việc biến tính bề mặt vật liệu α-Al(OH)3 (nhôm hydroxide) bằng chất hoạt động bề mặt. Bằng cách thay đổi đặc tính bề mặt từ ưa nước sang kị nước, vật liệu α-Al(OH)3 biến tính hứa hẹn khả năng hấp phụ Lindan, DDT vượt trội, mang lại một công cụ mạnh mẽ để xử lý thuốc trừ sâu trong nước và bảo vệ môi trường sống.

1.1. Hiểm họa từ các hợp chất hữu cơ khó phân hủy POPs

Các hợp chất hữu cơ khó phân hủy (POPs), được định nghĩa trong Công ước Stockholm, là những hóa chất độc hại có khả năng tồn tại rất lâu trong môi trường. Chúng có đặc tính khó bị phân hủy bởi các quá trình quang hóa, hóa học hay sinh học. Do tính kị nước và ưa mỡ, POPs dễ dàng tích lũy trong các mô mỡ của sinh vật sống và khuếch đại nồng độ qua chuỗi thức ăn. Một đặc điểm nguy hiểm khác là khả năng phát tán xa khỏi nguồn phát thải thông qua không khí và dòng nước. Lindan và DDT là hai trong số các thuốc trừ sâu cơ clo (OCPs) điển hình thuộc nhóm POPs. Việc phơi nhiễm với chúng, dù ở nồng độ rất thấp, cũng có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng như rối loạn nội tiết, suy giảm miễn dịch, và thậm chí là ung thư. Do đó, việc tìm kiếm các vật liệu hấp phụ POPs hiệu quả là nhiệm vụ cấp bách.

1.2. Lindan và DDT Tác động dai dẳng đến môi trường nước

Lindan (C6H6Cl6) và DDT (C14H9Cl5) là hai loại thuốc trừ sâu từng được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp và y tế. Đặc tính chung của chúng là độ tan trong nước rất thấp nhưng lại dễ dàng hòa tan trong dung môi hữu cơ và chất béo. Điều này khiến chúng trở thành mối đe dọa thường trực cho các hệ sinh thái thủy sinh. Khi xâm nhập vào nguồn nước, chúng không dễ bị pha loãng hay phân hủy mà có xu hướng bám vào các hạt trầm tích hoặc tích tụ trong cơ thể sinh vật. Theo các nghiên cứu tại Việt Nam, việc phân tích dư lượng thuốc trừ sâu vẫn phát hiện sự tồn tại của Lindan và DDT trong nhiều mẫu đất, nước và trầm tích, đặc biệt là tại các khu vực kho bãi cũ. Sự hiện diện của chúng trong nước không chỉ đe dọa các loài thủy sinh mà còn tiềm ẩn nguy cơ xâm nhập vào chuỗi cung ứng nước sinh hoạt, đặt ra yêu cầu cấp thiết phải có giải pháp loại bỏ DDT khỏi môi trường nước một cách triệt để.

II. Thách thức trong việc xử lý thuốc trừ sâu tồn dư trong nước

Việc loại bỏ các hợp chất như Lindan và DDT khỏi môi trường nước đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Các phương pháp xử lý truyền thống thường tỏ ra kém hiệu quả hoặc không khả thi về mặt kinh tế. Ví dụ, xử lý sinh học gặp khó khăn vì các hợp chất hữu cơ khó phân hủy này có cấu trúc bền vững và có thể gây độc cho chính các vi sinh vật xử lý. Các phương pháp oxy hóa tiên tiến, mặc dù hiệu quả, lại đòi hỏi chi phí vận hành cao và kỹ thuật phức tạp, không phù hợp để áp dụng rộng rãi, đặc biệt tại các nước đang phát triển. Phương pháp hấp phụ được xem là lựa chọn tối ưu hơn, nhưng bản chất kị nước của Lindan và DDT lại là một trở ngại lớn. Hầu hết các vật liệu hấp phụ giá rẻ như oxit kim loại, bao gồm cả nhôm hydroxide (α-Al(OH)3), đều có bề mặt phân cực và ưa nước. Sự không tương thích về đặc tính bề mặt này dẫn đến lực tương tác yếu, làm cho khả năng hấp phụ và dung lượng hấp phụ tối đa rất thấp. Do đó, thách thức cốt lõi là làm thế nào để cải biến một vật liệu sẵn có, chi phí thấp để nó có thể "bắt giữ" hiệu quả các phân tử thuốc trừ sâu kị nước.

2.1. Hạn chế của các công nghệ xử lý môi trường hiện có

Nhiều công nghệ xử lý môi trường đã được nghiên cứu để giải quyết vấn đề ô nhiễm POPs. Phương pháp quang xúc tác có thể phân hủy hoàn toàn các hợp chất này, nhưng yêu cầu nguồn năng lượng (tia UV) và các chất xúc tác đắt tiền như TiO2. Keo tụ - tạo bông tỏ ra hiệu quả với các hạt lơ lửng và một số chất ô nhiễm vô cơ, nhưng khả năng loại bỏ các hợp chất hữu cơ hòa tan như Lindan và DDT rất hạn chế. Phương pháp xử lý sinh học, dù thân thiện với môi trường, lại có tốc độ phân hủy chậm và không hiệu quả với các phân tử có chứa nhiều nguyên tử clo bền vững. Mỗi phương pháp đều có những nhược điểm riêng về chi phí, hiệu quả hoặc tính phức tạp trong vận hành. Điều này thúc đẩy sự cần thiết phải phát triển một phương pháp mới kết hợp được hiệu quả cao, chi phí thấp và vận hành đơn giản, trong đó hấp phụ bằng vật liệu biến tính đang là một hướng đi đầy triển vọng.

2.2. Vì sao vật liệu hấp phụ thông thường kém hiệu quả

Nguyên nhân chính khiến các vật liệu hấp phụ thông thường thất bại trong việc xử lý thuốc trừ sâu trong nước như Lindan và DDT nằm ở sự khác biệt về bản chất phân cực. Vật liệu α-Al(OH)3 ở dạng tự nhiên có bề mặt được bao phủ bởi các nhóm hydroxyl (-OH), tạo nên một bề mặt ưa nước mạnh. Trong khi đó, Lindan và DDT là các phân tử không phân cực, có tính kị nước cao. Theo nguyên tắc "like dissolves like" (tương tự hòa tan tương tự), các phân tử kị nước có xu hướng tránh xa môi trường nước và bề mặt ưa nước. Do đó, lực hút giữa bề mặt α-Al(OH)3 và các phân tử thuốc trừ sâu là rất yếu, dẫn đến hiệu suất hấp phụ không đáng kể. Để khắc phục hạn chế này, cần một giải pháp can thiệp trực tiếp vào bề mặt của chất hấp phụ, thay đổi hoàn toàn đặc tính của nó để tạo ra ái lực mạnh với chất ô nhiễm mục tiêu.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu α Al OH 3 biến tính ưu việt

Để giải quyết bài toán tương tác bề mặt, nghiên cứu đã tập trung vào phương pháp biến tính bề mặt vật liệu α-Al(OH)3. Cốt lõi của giải pháp là sử dụng các chất hoạt động bề mặt (HĐBM) như Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) và Cetyl Trimethylammonium Bromide (CTAB) để tạo ra một lớp phủ kị nước trên nền vật liệu ưa nước. Vật liệu nano α-Al(OH)3, một dạng của gibbsite tổng hợp, được chế tạo bằng phương pháp kết tủa đơn giản từ các tiền chất phổ biến. Sau khi tổng hợp, vật liệu được đặc trưng hóa một cách kỹ lưỡng để xác định cấu trúc tinh thể, hình thái và diện tích bề mặt. Quá trình biến tính được thực hiện dựa trên tương tác tĩnh điện giữa bề mặt nhôm hydroxide biến tính và các phân tử chất HĐBM. Kết quả là sự hình thành các cấu trúc mixen bề mặt, tạo ra một "lớp vỏ" hữu cơ với phần lõi kị nước. Lớp vỏ này hoạt động như một "cái bẫy" hiệu quả, thu hút và giữ chặt các phân tử Lindan và DDT từ pha nước, qua đó tăng cường đáng kể khả năng hấp phụ Lindan, DDT.

3.1. Quy trình tổng hợp và đặc trưng vật liệu hấp phụ

Vật liệu nano α-Al(OH)3 được tổng hợp trong phòng thí nghiệm thông qua phản ứng kết tủa giữa dung dịch Al(NO3)3 và NaOH. Quá trình này cho phép kiểm soát kích thước hạt và pha tinh thể của sản phẩm. Sau khi tổng hợp, các đặc trưng vật liệu hấp phụ được xác định bằng một loạt các kỹ thuật phân tích hiện đại. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) được dùng để xác nhận cấu trúc tinh thể của pha α-Al(OH)3 (bayerite). Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) cung cấp thông tin về hình thái, kích thước hạt nano. Phép đo BET được sử dụng để xác định diện tích bề mặt riêng và sự phân bố kích thước lỗ xốp, những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ. Việc đặc trưng hóa chi tiết này đảm bảo vật liệu nền có chất lượng đồng đều và phù hợp cho quá trình biến tính tiếp theo.

3.2. Cơ chế biến tính bề mặt vật liệu bằng SDS và CTAB

Quá trình biến tính bề mặt vật liệu α-Al(OH)3 tận dụng đặc tính điện tích bề mặt phụ thuộc vào pH của nó. Vật liệu α-Al(OH)3 có một điểm không mang điện (PZC) nhất định. Ở pH thấp hơn PZC, bề mặt vật liệu mang điện tích dương, do đó nó sẽ hút tĩnh điện các phân tử HĐBM anion như SDS (có đầu SO4-). Ngược lại, ở pH cao hơn PZC, bề mặt mang điện tích âm và sẽ hút các phân tử HĐBM cation như CTAB (có đầu N+). Khi các phân tử HĐBM bám lên bề mặt, các đuôi hydrocarbon kị nước của chúng sẽ hướng ra ngoài hoặc chụm vào nhau, tạo thành các cấu trúc gọi là ad-mixen (lớp kép). Cấu trúc này biến đổi hoàn toàn bề mặt từ ưa nước thành kị nước, tạo ra các vị trí lý tưởng cho việc hấp phụ các hợp chất hữu cơ khó phân hủy không phân cực như Lindan và DDT.

IV. Hướng dẫn tối ưu hóa quá trình hấp phụ Lindan và DDT

Để đạt được hiệu suất xử lý thuốc trừ sâu trong nước cao nhất, việc tối ưu hóa các điều kiện thí nghiệm là bước không thể thiếu. Nghiên cứu đã tiến hành khảo sát một cách hệ thống các yếu tố có thể ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ, bao gồm pH của dung dịch, thời gian tiếp xúc, liều lượng vật liệu hấp phụ và nồng độ muối nền (lực ion). Bằng cách thay đổi từng yếu tố trong khi giữ các yếu tố khác không đổi, các điều kiện tối ưu cho cả hai loại vật liệu biến tính SDS (SMAH) và CTAB (CMAH) đã được xác định. Dữ liệu thực nghiệm thu được từ các thí nghiệm cân bằng được phân tích bằng các mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich. Việc phân tích này không chỉ giúp xác định dung lượng hấp phụ tối đa mà còn cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cơ chế hấp phụ clo hữu cơ. Quá trình tối ưu hóa này đảm bảo vật liệu được khai thác hết tiềm năng, mang lại hiệu quả loại bỏ Lindan và DDT một cách hiệu quả và đáng tin cậy trong các điều kiện khác nhau.

4.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến động học hấp phụ

Nghiên cứu về động học hấp phụ là rất quan trọng để xác định tốc độ quá trình và thời gian cần thiết để đạt trạng thái cân bằng. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng hiệu suất loại bỏ Lindan và DDT tăng nhanh trong giai đoạn đầu và dần đạt đến trạng thái bão hòa. Yếu tố pH có ảnh hưởng lớn đến điện tích bề mặt của vật liệu hấp phụ và sự tồn tại của chất ô nhiễm, qua đó tác động trực tiếp đến hiệu quả xử lý. Liều lượng vật liệu hấp phụ cũng được tối ưu để đảm bảo loại bỏ tối đa chất ô nhiễm với lượng vật liệu sử dụng ít nhất. Ngoài ra, ảnh hưởng của lực ion (nồng độ muối nền) cũng được xem xét, vì nó có thể ảnh hưởng đến lớp điện tích kép và tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Các kết quả từ quá trình khảo sát này là cơ sở để xây dựng một quy trình xử lý hiệu quả trong thực tế.

4.2. Phân tích mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich

Đường đẳng nhiệt hấp phụ mô tả mối quan hệ giữa lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt vật liệu và nồng độ của nó trong dung dịch ở nhiệt độ không đổi. Dữ liệu thực nghiệm được khớp với hai mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich phổ biến. Mô hình Langmuir giả định rằng quá trình hấp phụ xảy ra trên một bề mặt đồng nhất với các vị trí hấp phụ riêng biệt (hấp phụ đơn lớp). Trong khi đó, mô hình Freundlich mô tả quá trình hấp phụ trên một bề mặt không đồng nhất (hấp phụ đa lớp). Việc xác định mô hình nào phù hợp hơn với dữ liệu thực nghiệm giúp làm sáng tỏ bản chất của quá trình hấp phụ. Các thông số thu được từ các mô hình này, chẳng hạn như hằng số Langmuir (liên quan đến năng lượng hấp phụ) và hằng số Freundlich (liên quan đến cường độ hấp phụ), cung cấp các thông tin định lượng quý giá về ái lực giữa vật liệu hấp phụ POPs và các phân tử thuốc trừ sâu.

V. Kết quả đột phá trong loại bỏ DDT khỏi môi trường nước

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả vượt trội của vật liệu α-Al(OH)3 biến tính trong việc hấp phụ Lindan, DDT. So với vật liệu α-Al(OH)3 chưa biến tính (gần như không có khả năng hấp phụ), cả hai vật liệu biến tính bằng SDS (SMAH) và CTAB (CMAH) đều cho thấy khả năng loại bỏ thuốc trừ sâu ấn tượng. Hiệu suất xử lý cao đã được ghi nhận trong các điều kiện tối ưu về pH và thời gian tiếp xúc. Đặc biệt, dung lượng hấp phụ tối đa của vật liệu mới cao hơn đáng kể so với nhiều loại vật liệu hấp phụ khác đã được báo cáo trong các tài liệu khoa học. Một trong những ưu điểm nổi bật của giải pháp này là khả năng ứng dụng thực tiễn, được thể hiện qua các thí nghiệm tái sinh vật liệu hấp phụ. Vật liệu sau khi sử dụng có thể được tái sinh bằng dung môi phù hợp và sử dụng lại nhiều lần mà không làm giảm đáng kể hiệu suất. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí vận hành mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của công nghệ xử lý môi trường, mở ra tiềm năng lớn cho việc xử lý nước thải công nghiệp chứa các chất ô nhiễm tương tự.

5.1. Đánh giá dung lượng hấp phụ tối đa và hiệu suất xử lý

Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất loại bỏ DDT khỏi môi trường nước có thể đạt mức rất cao dưới các điều kiện tối ưu. Dữ liệu từ các mô hình đẳng nhiệt cho phép tính toán dung lượng hấp phụ tối đa (q_max). Giá trị này là một chỉ số quan trọng để đánh giá và so sánh hiệu năng của các loại vật liệu hấp phụ khác nhau. Vật liệu α-Al(OH)3 biến tính cho thấy giá trị q_max cạnh tranh, chứng tỏ đây là một vật liệu hấp phụ POPs hiệu năng cao. So sánh giữa hai vật liệu biến tính, SMAH và CMAH, cũng cung cấp cái nhìn sâu hơn về ảnh hưởng của loại chất hoạt động bề mặt đến khả năng hấp phụ đối với từng loại thuốc trừ sâu cụ thể. Những con số định lượng này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của phương pháp nghiên cứu.

5.2. Khả năng tái sinh vật liệu hấp phụ và ứng dụng thực tiễn

Tính kinh tế và bền vững của một quy trình hấp phụ phụ thuộc rất lớn vào khả năng tái sinh vật liệu hấp phụ. Các thí nghiệm tái sinh được thực hiện bằng cách rửa vật liệu đã bão hòa thuốc trừ sâu bằng các dung môi hữu cơ như ethanol để giải hấp các chất ô nhiễm. Kết quả cho thấy vật liệu SMAH và CMAH có thể trải qua nhiều chu trình hấp phụ - giải hấp mà vẫn duy trì được hiệu suất xử lý cao. Khả năng tái sử dụng này làm giảm đáng kể chi phí thay thế vật liệu và giảm thiểu lượng chất thải rắn phát sinh. Đây là một yếu tố then chốt, giúp công nghệ này không chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm mà còn có tiềm năng lớn để được áp dụng trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp thực tế, nơi mà chi phí vận hành luôn là một yếu tố được quan tâm hàng đầu.

VI. Tương lai của vật liệu nano nền nhôm trong xử lý nước

Thành công của nghiên cứu trong việc sử dụng vật liệu nano trên nền nhôm biến tính để hấp phụ Lindan, DDT đã mở ra một chương mới cho lĩnh vực xử lý ô nhiễm nước. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp một giải pháp cụ thể cho hai loại thuốc trừ sâu nguy hiểm mà còn chứng minh một nguyên tắc quan trọng: có thể tùy biến đặc tính bề mặt của các vật liệu chi phí thấp để xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm mà trước đây chúng không thể tương tác. Cơ chế hấp phụ clo hữu cơ được làm sáng tỏ cho thấy quá trình này chủ yếu dựa vào tương tác kị nước giữa các phân tử thuốc trừ sâu và lớp vỏ surfactant trên bề mặt vật liệu. Hướng đi này có tiềm năng rất lớn. Trong tương lai, các vật liệu nano trên nền nhôm có thể được biến tính bằng nhiều loại hợp chất hữu cơ khác nhau để nhắm đến một phổ rộng các chất ô nhiễm, từ các hợp chất dược phẩm, thuốc nhuộm công nghiệp đến các hydrocacbon thơm đa vòng, góp phần tạo ra các công nghệ xử lý môi trường tiên tiến, linh hoạt và bền vững.

6.1. Giải thích cơ chế hấp phụ clo hữu cơ trên vật liệu biến tính

Tổng kết lại, cơ chế hấp phụ clo hữu cơ như Lindan và DDT lên vật liệu α-Al(OH)3 biến tính là một quá trình phân bố. Các phân tử thuốc trừ sâu không phân cực, vốn không ưa môi trường nước, sẽ di chuyển từ pha lỏng vào "pha hữu cơ" được tạo ra bởi các đuôi hydrocarbon kị nước của lớp chất hoạt động bề mặt. Quá trình này được thúc đẩy bởi lực tương tác kị nước. Các phân tích phổ FT-IR và đo thế Zeta trước và sau khi hấp phụ đã cung cấp bằng chứng thực nghiệm cho cơ chế này. Sự thay đổi trong các pic phổ và giá trị thế Zeta xác nhận sự hiện diện của cả chất hoạt động bề mặt và thuốc trừ sâu trên bề mặt vật liệu nano trên nền nhôm, làm sáng tỏ bức tranh tương tác ở cấp độ phân tử.

6.2. Triển vọng ứng dụng trong công nghệ xử lý nước thải

Với chi phí chế tạo thấp, quy trình tổng hợp đơn giản, hiệu suất xử lý cao và khả năng tái sinh tốt, vật liệu α-Al(OH)3 biến tính có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Nó có thể được tích hợp vào các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp từ các ngành sản xuất thuốc trừ sâu, hóa chất, hoặc xử lý nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp ô nhiễm. Hơn nữa, nguyên lý biến tính bề mặt này có thể được mở rộng để phát triển các loại vật liệu hấp phụ chuyên biệt cho nhiều loại chất ô nhiễm hữu cơ kị nước khác. Sự thành công của nghiên cứu này là một bước tiến quan trọng, thúc đẩy việc tìm kiếm và phát triển các giải pháp xử lý nước hiệu quả, kinh tế và bền vững, góp phần giải quyết một trong những thách thức môi trường lớn nhất hiện nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 - Tổng quan: Giới thiệu chung về các hợp chất hữu cơ khó phân hủy (POPs), trong đó của 2 hợp chất được thực hiện nghiên cứu trong luận án là lindan và DDT; giới thiệu chung về vật liệu nano nhôm hydroxit, chất hoạt động bề mặt SDS, CTAB và phương pháp hấp phụ sử dụng vật liệu biến tính bằng chất hoạt động bề mặt. - Chương 2 - Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm: Giới thiệu chung về hóa chất, dụng cụ thí nghiệm, các phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm. - Chương 3 - Kết quả và thảo luận: Trình bày chi tiết các kết quả nghiên cứu đạt được của luận án, và thảo luận cụ thể các kết quả này. - Kết luận: Tóm tắt các kết quả chính đạt được của luận án, tính mới của luận án.

- Danh mục các công trình công bố. - Tài liệu tham khảo. Tổng quan về các hợp chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy (POPs) 1. Giới thiệu chung về các hợp chất POPs 1.

Các loại thuốc bảo vệ thực vật Thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) là các hóa chất hoặc các chất sinh học được sử dụng để tiêu diệt hoặc kiểm soát sâu bệnh. Các hóa chất này có thể do nhân tạo, hoặc có trong tự nhiên là dẫn xuất thực vật hoặc khoáng chất vô cơ tự nhiên, và thường được chia làm ba nhóm chính: thuốc diệt sâu bọ, thuốc diệt nấm và thuốc diệt cỏ. Thuốc bảo vệ thực vật được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Khoảng 80% thuốc bảo vệ thực vật được sử dụng trong nông nghiệp và chúng di chuyển trong môi trường bằng phương pháp bay hơi, chảy tràn, thẩm thấu, di chuyển theo chuỗi thực phẩm,.

Mặc dù các thuốc trừ sâu cơ clo (Organic Chlorinated Pesticide – OCP) đã bị cấm sử dụng ở nhiều quốc gia, dư lượng các hợp chất này vẫn tồn tại và gây ra tác động nghiêm trọng đến môi trường và hệ sinh thái [16]. Thuốc bảo vệ thực vật có thể được phân loại theo dịch hại cần kiểm soát (thuốc diệt cỏ, thuốc diệt khuẩn, thuốc diệt nấm, thuốc trừ sâu, và thuốc diệt chuột). Các nhóm của thuốc bảo vệ thực vật hữu cơ bao gồm cơ clo, cơ photpho, axetamit, cacbamat, triazol và triazin, neonicotinoit và pyrethroid [92]. Nhiều thuốc bảo vệ thực vật quan trọng đã được đưa vào danh sách các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy POPs.

Những loại thuốc bảo vệ thực vật tồn tại lâu trong môi trường và có hệ số phân chia octanol/nước cao khiến chúng có thể tồn tại trong mô giàu lipid của sinh vật và tích lũy sinh học lâu dài có thể gây ung thư. Một số chất dễ bay hơi được phát tán trong không khí đến những vị trí gây ô nhiễm môi trường. Vì các vấn đề về sức khỏe và môi trường, các hợp chất OCP không được phép sử dụng ở nhiều nước trên thế giới. Các đặc tính hóa học và vật lý của thuốc bảo vệ thực vật rất quan trọng vì chúng ảnh hưởng đến quá trình ứng dụng, hiệu quả và khả năng khắc phục tại chỗ.

Chúng bao gồm thành phần hóa học, cấu trúc hóa học, tính dễ bay hơi (nhiệt độ nóng chảy, điểm sôi, áp suất hơi, hằng số Henry), thời gian bán hủy trong môi trường ứng 15 dụng, hệ số phân chia octanol/nước (Kow), hệ số hấp phụ đất (Kd) và độ khuếch tán trong cả không khí và nước. Nhiều giá trị có thể được tìm thấy trong các tài liệu đã xuất bản cho nhiều loại thuốc trừ sâu. Các hợp chất POPs Các hợp chất POPs là những hợp chất hóa học có nguồn gốc từ tự nhiên (tạo thành do hoạt động của núi lửa hoặc cháy rừng) hoặc nhân tạo (được tạo ra do các hoạt động công nghiệp của con người). Các hợp chất POPs bền vững trong môi trường, khó bị phân hủy bởi các quá trình quang hóa, hóa học và sinh học.

Các hợp chất POPs có khả năng tích tụ sinh học qua chuỗi thức ăn, lưu trữ trong thời gian dài, có khả năng phát tán xa từ các nguồn phát thải và tác động xấu đến sức khỏe con người và hệ sinh thái [61]. Do liên kết cacbon – clo rất bền vững với quá trình thủy phân và càng nhiều nhóm chức clo thì càng khó bị phân hủy sinh học và phân hủy quang hóa. Ở nồng độ thấp, các hợp chất POPs trong môi trường được vận chuyển trong môi trường nước và khí quyển ở khoảng cách khá xa do đặc tính bán bay hơi của chúng [50]. Nhìn chung, các hợp chất POPs có thể được chia thành hai loại, đó là các hợp chất POPs hình thành có chủ định và không chủ định.

Những hợp chất POP tạo thành có chủ định là sản phẩm mong muốn bởi các phản ứng hóa học khác nhau, có sự tham gia của nguyên tố clo. Những chất này là các phân tử hữu cơ liên kết với các nguyên tử clo, tính ưa mỡ, độc tính thần kinh cao, và chúng được gọi là các hợp chất organochlorine (OC). Ví dụ về OC là các loại thuốc trừ sâu clo hóa, chẳng hạn như DDT và polychlorinated biphenyls (PCBs). Những chất này có thể được chia thành hai loại là hóa chất công nghiệp và thuốc trừ sâu cơ clo (OCP) [35, 42].

Trong số các loại hóa chất BVTV nhóm hữu cơ khó phân hủy, DDT được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất, tiếp đến là lindan và chỉ thấy một số ít các loại hóa chất khác như aldrin, dieldrin,… [5]. Sự phân bố các hợp chất POPs trong môi trường Các hợp chất POPs phát sinh từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, giao thông, chúng có thể phân bố vào đất, nước, không khí, sau đó đi vào chuỗi thức ăn và tích tụ lại trong cơ thể động vật và con người theo mô hình tại Hình 1. Phát tán chất ô Không khí nhiễm đi xa Nguồn phát sinh hợp chất - Hơi nước; POPs: Nước - Mưa; Công - Tuyết; ` nghiệp - Các hạt rắn Nông nghiệp Giao thông Đất Nước và trầm tích Chuỗi thức ăn: cá, động vật biển có vú Hình 1.1: Sự phân bố của các hợp chất POPs trong các thành phần môi trường Do nhiều các hợp chất POPs không phân cực và có độ bay hơi thấp hoặc trung bình nên chúng dễ dàng di chuyển trong cả môi trường nước và không khí. Các hợp chất POPs vận chuyển vào môi trường theo các cách sau [85]: - Bay hơi hòa tan trong hơi nước hoặc bị hấp phụ vào các hạt lơ lửng trong không khí; - Hòa tan vào nước hoặc hấp phụ vào các hạt lơ lửng trong nước sông, hồ, đại dương; - Tập trung trong các mô của chim di cư và động vật.

Ô nhiễm nước sông và các hồ nước ngọt bởi các hợp chất POPs bị ảnh hưởng rất lớn bởi chế độ thủy văn và sự có mặt của các hạt rắn lơ lửng. Thông thường sau mưa bão hoặc ngập lụt, mức độ ô nhiễm cao được ghi nhận do các hạt rắn lơ lửng tăng cao. Nồng độ các hợp chất POPs trong các sông và hồ thường cao ở các nước đang phát triển. Ví dụ, DDT và các đồng phân, cũng như HCH ở nồng độ lên tới 0,1 17 mg/L là những chất thường được tìm thấy nhất trong các mẫu nước mặt.

Theo chu trình tuần hoàn, các hợp chất POPs, cụ thể là hóa chất bảo vệ thực vật tồn tại trong môi trường đất sẽ rò rỉ ra sông ngòi theo các mạch nước ngầm hay do quá trình rửa trôi, xói mòn khiến hóa chất BVTV phát tán ra môi trường nước. Mặt khác, khi sử dụng thuốc BVTV, nước có thể bị ô nhiễm nặng nề do con người đổ hóa chất tồn dư, chai lọ chứa hóa chất, nước súc rửa xuống thủy vực, điều này đặc biệt nghiêm trọng khi các nông trường, vườn tược lớn nằm kề sông bị phun thuốc xuống ao hồ. Hóa chất BVTV đi vào môi trường nước thông qua nhiều cách khác nhau như cuốn trôi từ những cánh đồng có phun thuốc trừ sâu, hoặc do đổ hóa chất BVTV thừa sau khi đã sử dụng, phun thuốc trực tiếp xuống những ruộng lúa nước để trừ cỏ, trừ sâu bệnh [85]. Nước biển là nơi tiếp nhận cuối cùng của các nguồn ô nhiễm thông qua các dòng hải lưu, các chất ô nhiễm được vận chuyển trên toàn cầu.

Nhìn chung, hàm lượng các chất ô nhiễm ở vùng nước biển ven bờ lớn hơn ở vùng xa bờ do bị ô nhiễm bởi các dòng thải từ hoạt động xả nước thải, đặc biệt là nước thải công nghiệp và nước sông ngòi, trong khi các nguồn gây ô nhiễm ở vùng biển xa bờ chủ yếu do sự lắng đọng của không khí. Sự hiện diện của các hóa chất kỵ nước bền trong nước biển rất quan trọng do khả năng tích tụ sinh học thông qua lưới thức ăn. Nồng độ cao của DDT trong vùng nước biển ven bờ được ghi nhận ở Nam Mĩ. DDT và HCH trong nước biển ven bờ được ghi nhận dao động trong khoảng từ hàng chục đến hàng trăm mg/L [85].

Các hợp chất POPs tồn tại dưới dạng hơi trong khí quyển hoặc liên kết với bề mặt của các hạt bụi. Rất nhiều các hợp chất POPs có khả năng bay hơi và thăng hoa, ngay cả hóa chất có khả năng bay hơi ít như DDT cũng có thể bay hơi vào không khí, đặc biệt trong điều kiện khí hậu nóng ẩm, DDT có thể vận chuyển đến những nơi khoảng cách xa. Các hợp chất này được tích tụ trên mặt đất thông qua quá trình lắng đọng của các hạt bụi hoặc thông qua mưa. Đất là nơi tích tụ các hợp chất hữu cơ không phân cực và phân cực.

Hàm lượng của các hợp chất này thay đổi từ không thể 18 phát hiện được ở một số vị trí đến lên tới hàng trăm mg/kg. Hàm lượng HCH cũng thay đổi trong phạm vi rộng phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn ô nhiễm. Trầm tích là nơi tích tụ các thuốc trừ sâu cơ clo ít tan trong nước. Hàm lượng lớn nhất của DDT lên tới hàng ngàn mg/kg được tìm thấy trong trầm tích tại các sông ở Ấn Độ [85].

Các mô của chim và động vật di cư thường chứa các chất ô nhiễm với nồng độ cao do khả năng tích lũy sinh học cao. Để tránh điều kiện thời tiết khắc nghiệt, chim và các động vật di cư từ Bắc xuống Nam và ngược lại. Mặc dù, lượng chất ô nhiễm trong các mô không cao lắm nhưng hậu quả có thể là đáng kể, đặc biệt là đối với các sinh vật sống tiêu thụ chim và động vật di cư, ví dụ như các thợ săn bắn và săn chim. Thông thường những nơi các loài chim đi qua, ví dụ tại Bắc cực, chúng sẽ để lại các hợp chất ô nhiễm đã được tích tụ trong cơ thể [85].