Xác định hàm lượng Cd, Pb trong đất, nước, cây trồng tại Đan Phượng, Hà Nội

Luận văn thạc sĩ phân tích hàm lượng Pb, Cd trong đất, nước, cây trồng tại Đan Phượng bằng phương pháp GF-AAS, đánh giá thực trạng ô nhiễm kim loại nặng.

• Tác giả: Đỗ Thị Ánh Tuyết
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Kim Dung
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Xác Định Hàm Lượng Cd, Pb Trong Đất, Nước Và Cây Trồng Tại Xã Đồng Tháp, Đan Phượng, Hà Nội Bằng Phương Pháp Hấp Thụ Nguyên Tử Không Ngọn Lửa (GF-AAS)
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Phương pháp GF AAS trong Xác định Kim loại Nặng

Phương pháp hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa (GF-AAS) là một kỹ thuật phân tích hiện đại được sử dụng rộng rãi để xác định hàm lượng Pb và Cd trong các mẫu môi trường như đất, nước và cây trồng. Đây là một trong những phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử tiên tiến nhất, cung cấp độ nhạy cao và độ chính xác tuyệt vời. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong việc phát hiện các kim loại nặng ở nồng độ rất thấp, giúp đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường. Luận văn của Đỗ Thị Ánh Tuyết tại Đại học Quốc gia Hà Nội đã áp dụng phương pháp này để nghiên cứu tại xã Đồng Tháp, Đan Phượng, Hà Nội. Kỹ thuật GF-AAS sử dụng một lò graphit để nguyên tử hóa mẫu, cho phép phân tích mẫu rắn, lỏng với khối lượng nhỏ và độ lặp lại cao.

1.1. Nguyên lý Hoạt động của GF AAS

GF-AAS hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ ánh sáng bởi các nguyên tử ở trạng thái bán kích thích. Mẫu được đưa vào một lò graphit được gia nhiệt lên tới hàng ngàn độ, làm nguyên tử hóa các phần tử. Một chùm ánh sáng từ bóng đèn cathode rỗng được phát ra ở bước sóng đặc thù cho Pb hoặc Cd, xuyên qua nguyên tử hóa mẫu. Lượng ánh sáng được hấp thụ tỷ lệ thuận với nồng độ của kim loại.

1.2. Ưu điểm của Phương pháp GF AAS

Phương pháp GF-AAS cung cấp nhiều lợi thế so với các kỹ thuật khác. Độ nhạy cao cho phép phát hiện nồng độ rất thấp của Cd và Pb, với giới hạn phát hiện thấp (ppb). Phương pháp này yêu cầu lượng mẫu nhỏ, tiết kiệm chi phí hóa chất. Độ chính xác và độ lặp lại cao đảm bảo kết quả đáng tin cậy. Ngoài ra, GF-AAS có khả năng loại trừ nhiễu nền hiệu quả hơn so với phương pháp flame AAS.

II. Tối ưu hóa Điều kiện Đo Phổ cho Pb và Cd

Để đạt được kết quả phân tích tốt nhất, các điều kiện đo phổ GF-AAS cần được tối ưu hóa cẩn thận. Luận văn đã tiến hành khảo sát nhiều yếu tố ảnh hưởng như độ rộng khe đo, nhiệt độ tro hóa, và nhiệt độ nguyên tử hóa. Việc chọn độ rộng khe đo thích hợp giúp cân bằng giữa độ nhạy và độ phân giải. Nhiệt độ tro hóa được tối ưu để loại bỏ các chất hữu cơ mà không làm mất mẫu, trong khi nhiệt độ nguyên tử hóa phải đủ cao để chuyển đổi hoàn toàn mẫu thành trạng thái nguyên tử. Các chất cải biến nền được sử dụng để giảm thiểu ảnh hưởng của thành phần mẫu đối với phép đo.

2.1. Khảo sát Độ rộng Khe Đo

Độ rộng khe đo là một tham số quan trọng trong phương pháp GF-AAS. Khe đo quá hẹp có thể giảm cường độ ánh sáng và làm giảm tín hiệu phân tích, trong khi khe đo quá rộng có thể làm giảm độ chọn lọc. Nghiên cứu đã khảo sát khoảng từ 0,5 đến 2,0 nm để tìm giá trị tối ưu cho cả Cd và Pb, đảm bảo tín hiệu mạnh với nhiễu nền thấp.

2.2. Khảo sát Nhiệt độ Nguyên tử hóa

Nhiệt độ nguyên tử hóa ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình chuyển đổi Cd và Pb từ trạng thái ion sang trạng thái nguyên tử. Nhiệt độ quá thấp không nguyên tử hóa hoàn toàn mẫu, dẫn đến tín hiệu yếu. Nhiệt độ quá cao có thể gây bay hơi mẫu trước khi nguyên tử hóa. Luận văn đã xác định nhiệt độ tối ưu khoảng 1600-1800°C cho Cd và 2100-2300°C cho Pb.

III. Ảnh hưởng của Ma trận Mẫu đối với Phép đo

Ma trận mẫu chứa nhiều cation và anion khác nhau có thể gây hiệu ứng cạnh tranh trong quá trình nguyên tử hóa, ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Luận văn đã khảo sát ảnh hưởng của các nhóm kim loại khác nhau như nhóm kiềm, kiềm thổ, cation hóa trị II và III. Các cation như K+, Na+, Ca2+, Mg2+ có thể tạo các hợp chất khó bay hơi, làm suy giảm tín hiệu Cd và Pb. Để giải quyết vấn đề này, các chất cải biến nền được thêm vào để tạo các hợp chất bay hơi dễ hơn với các cation can thiệp, từ đó bảo vệ Cd và Pb khỏi bị cạnh tranh.

3.1. Ảnh hưởng của Nhóm Kim loại Kiềm và Kiềm thổ

Nhóm kim loại kiềm (K+, Na+) và kiềm thổ (Ca2+, Mg2+) là những ion can thiệp chính trong phép đo GF-AAS. Chúng hình thành các hydroxide và oxide ổn định nhiệt, cạnh tranh với Cd và Pb trong quá trình nguyên tử hóa. Kết quả khảo sát cho thấy ở nồng độ cao, các cation này gây suy giảm tín hiệu đáng kể, nhất là đối với Cd nhạy cảm hơn với hiệu ứng ma trận.

3.2. Sử dụng Chất Cải biến Nền

Chất cải biến nền như Mg(NO3)2 giúp chuyển hóa các ion can thiệp thành các hợp chất bay hơi ở nhiệt độ thấp hơn so với Cd và Pb. Quá trình này được gọi là nguyên tử hóa riêng, cho phép Cd và Pb được nguyên tử hóa trong một môi trường sạch hơn. Luận văn xác định nồng độ tối ưu của chất cải biến nền để đạt hiệu suất thu hồi cao nhất (trên 95%).

IV. Kết quả Phân tích Hàm lượng Kim loại Nặng trong Mẫu Môi trường

Nghiên cứu đã phân tích hàm lượng Cd và Pb trong ba loại mẫu: nước bề mặt, đất và cây trồng tại xã Đồng Tháp, Đan Phượng, Hà Nội. Kết quả phân tích cho thấy nồng độ Pb dao động từ 0,5-2,5 µg/L trong nước, và nồng độ Cd thấp hơn, khoảng 0,1-0,8 µg/L. Trong mẫu đất, hàm lượng Pb cao hơn đáng kể, từ 20-150 mg/kg, phản ánh tích lũy lâu dài của kim loại nặng. Cây trồng hấp thụ Cd và Pb từ đất, với nồng độ phụ thuộc vào loại cây và tính chất đất. Các kết quả này được so sánh với tiêu chuẩn môi trường quốc tế để đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường.

4.1. Kết quả Phân tích Mẫu Nước

Mẫu nước bề mặt được lấy từ nhiều điểm xung quanh cơ sở sản xuất. Hàm lượng Pb trong nước dao động từ 0,5-2,5 µg/L, nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn WHO (10 µg/L). Tuy nhiên, Cd được phát hiện ở các vị trí gần công ty, với nồng độ cao nhất 0,8 µg/L. Sự phân bố không đều của kim loại nặng gợi ý nguồn phát thải cục bộ từ các hoạt động công nghiệp.

4.2. Kết quả Phân tích Mẫu Đất và Cây trồng

Đất chứa hàm lượng Pb cao hơn nước từ 40-200 lần, với nồng độ vượt quá tiêu chuẩn quy định tại một số địa điểm. Cây trồng như rau xanh và lúa hấp thụ Cd và Pb từ đất, tạo ra mối nguy hiểm cho sức khỏe con người qua chuỗi thực phẩm. Mối tương quan mạnh giữa nồng độ kim loại nặng trong đất và cây trồng được xác định thông qua phân tích thống kê.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trên thế giới và Việt Nam 1. Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng trên thế giới Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của đô thị hóa và các khu công nghiệp, vấn đề ô nhiễm kim loại nặng ngày càng trở nên nghiêm trọng. Khói bụi từ nhà máy và phương tiện giao thông làm ô nhiễm bầu khí quyển.

Nước thải từ các nhà máy, khu dân cư làm ô nhiễm nguồn nước và chúng là nguyên nhân của việc tích tụ quá mức kim loại nặng trong đất, nước và ảnh hưởng lên cây trồng, cơ thể sinh vật… Theo Thomas (1986), các nguyên tố kim loại nặng như Cu, Hg, Cd, Pb, Zn, As… thường chứa trong bể thải của các ngành luyện kim màu, sản xuất ô tô. Khi nước thải chứa 13 mg Cu/l; 10 mg Pb/l; 1 mg Zn/l đã gây ô nhiễm đất nghiêm trọng. Ở các nước Đan Mạch, Ailen, Anh hàm lượng Pb cao hơn 100 mg/kg đã phản ánh tình trạng ô nhiễm Pb [65] Kết quả điều tra ở 53 thành phố, thị xã ở Anh nhiều vùng đất cho thấy Pb tổng số vượt trên 200 ppm, ở nhiều vùng công nghiệp đã vượt quá 500 ppm [5]. Các hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, khai khoáng làm ô nhiễm môi trường đất và cả môi trường nước, từ nước bề mặt đến nước ngầm.

Ở Pakistan, người ta cũng phát hiện nồng độ đáng kể của kim loại nặng trong nước và các cặn lắng ở vùng ven bờ khu vực sông Indus [55] Ở Nhật Bản đất bị ô nhiễm Hg và Cd rất nghiêm trọng. Từ 1953-1967 trên toàn bộ đất canh tác, Nhật Bản đã sử dụng hơn 6800 tấn Hg, hàm lượng Hg trong gạo từ 0,02ppm (1946) tăng lên 0,15ppm (1966). Trong khi đó theo tiêu chuẩn vệ sinh quy định về hàm lượng Hg trong lương thực không được vượt quá 0,02ppm. Vì vậy người dân ở đây đã bắt đầu ngừng và hạn chế bón Hg.

Bên cạnh đó, tại tỉnh Toyana thuộc khu vực đầu nguồn sông Jinsu, hàm lượng Cd trong lúa được trồng ở khu vực này cao hơn gấp 10 lần so với trồng lúa ở khu vực khác. Nguyên nhân là môi trường đất bị nhiễm độc bởi nước thải của mỏ khoáng sản Shinkou (tinh luyện kẽm). Cho tới 1992 Đỗ Thị Ánh 3 Trường ĐH Khoa học tự Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Hóa phân tích mới giải độc khoảng 36% diện tích đất trồng bị ô nhiễm, chi phí làm sạch và chi phí bồi thường tổn thất nông nghiệp lên đến 19 triệu USD/năm[2],[55] Các chất thải từ những hoạt động công nghiệp, nông nghiệp, khai khoáng…không chỉ làm ô nhiễm môi trường đất mà còn làm ô nhiễm cả các con sông, biển. Phân tích các mẫu bùn cống rãnh người ta thu được kết quả KLN ở bảng 1.1: Trị số trung bình KLN trong bùn cống rãnh thành phố Đơn vị: ppm Bùn cống rãnh Al Fe Mn Cu Zn Pb Ni Cd Cr Hg Bùn cống rãnh 7280 2370 150 565 2220 520 100 28 1040 5 thành phố Bùn nhà máy dệt - - - 394 864 129 63 4 2490 - Bùn nhà máy - - - 81 255 29 18 2 117 - rượu Bùn nhà máy - - - 53 122 42 119 2 81 - chế biến gỗ Bùn cống rãnh ở - - - 800 3000 700 80 - 250 - Anh Hye-Sook Lim và các cộng sự [44] đã đánh giá sự ô nhiễm các kim loại nặng ở vùng mỏ Songcheon, Hàn Quốc.

Các mẫu đất, nước, thực vật… xung quanh khu mỏ được thu thập, xử lí sau đó đem xác định hàm lượng kim loại nặng bằng ICP-AES và ICP- MS. Hàm lượng As và Hg trong đất trồng cao hơn rất nhiều so với giới hạn cho phép, kết quả As cao nhất là 626mg/kg và Hg là 4,9mg/kg. Hàm lượng cao nhất trong cây trồng As là 33 mg/kg và Hg: 3,8 mg/kg (trong củ hành), Cd: 0,87mg/kg và Zn: 226mg/kg (trong rễ rau diếp), Cu: 16,3 mg/kg (trong lá cây vừng). Điều này được giải Đỗ Thị Ánh 4 Trường ĐH Khoa học tự Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Hóa phân tích thích do cây trồng trên vùng đất đó đã bị ô nhiễm As và các kim loại nặng.

Mặt khác, hàm lượng cao nhất của As, Cd và Zn được tìm thấy trong nước suối-nguồn nước uống chủ yếu của khu vực này lần lượt là: 0,71 mg/L, 0,19 mg/L và 5,4 mg/L, cao hơn rất nhiều so với giới hạn. Giao thông cũng là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm kim loại nặng, ở Châu Âu người ta ước tính có khoảng 76% tổng lượng Pb thoát ra môi trường là do xăng Pb làm nhiên liệu [58]. Nghiên cứu nước mưa chảy từ đường cao tốc một số vùng Tây Nam Scotland A.Neill và Olley [54] cho thấy rằng do ảnh hưởng của hoạt động giao thông các chất thải ra từ các động cơ đốt trong của các phương tiện tham gia giao thông chính là nguồn gây nhiễm kim loại nặng cho nước mặt. Oluwole và các cộng sự đã đánh giá mức độ nhiễm kim loại nặng trên lá rau cạnh đường quốc lộ bằng phương pháp F-AAS với hàm lượng Cu, Cd, Zn, Pb nằm trong khoảng lần lượt là 0,3944 -1,6559; 0,0854 -0,2563; 1,8028 – 6,2267 và 0,0856 – 2,104 (mg/kg) [63].

Hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng ở Việt Nam Cũng như nhiều nước đang phát triển khác trên thế giới, Việt Nam đang đối đầu với những vấn đề gay cấn do tài nguyên thiên nhiên bị suy thoái và sự xuống cấp của chất lượng môi trường. Sự chuyển đổi từ một nền kinh tế sản xuất tập trung sang một nền kinh tế theo hướng thị trường đã đẩy nhanh sự tăng trưởng kinh tế. Nền kinh tế tăng trưởng tương đối nhanh nhiều khu đô thị, khu công nghiệp được mở ra nhưng đồng thời nước ta cũng đang phải đối mặt với một số vấn đề nghiêm trọng về môi trường. Với sự phát triển của giao thông vận tải, công, nông nghiệp ô nhiễm môi trường nước ta tập trung chủ yếu ở các khu công nghiệp, xung quanh các cơ sở sản xuất hay các khu dân cư tập trung đông đúc như Hà Nội, Tp.

Hồ Chí Minh, Hải Phòng…Riêng Hà Nội theo số liệu năm 1996 đã có tới 300 nhà máy, xí nghiệp cỡ trung bình và lớn, hàng chục viện nghiên cứu, phòng thí nghiệm mỗi ngày thải ra khoảng 320.000 m3 Đỗ Thị Ánh 5 Trường ĐH Khoa học tự Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Hóa phân tích nước thải, nước thải theo dòng chảy ngấm vào đất làm tích lũy kim loại nặng trong nước, trong đất. Hoàng Đắc Lực đã nghiên cứu mức độ nhiễm kim loại nặng trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt ở khu vực sông Tô Lịch gần đập Thanh Liệt cho thấy mức độ tích lũy kim loại nặng trong bùn, trầm tích lớn hơn nhiều trong nước. Hàm lượng Cd trong nước vẫn ở giới hạn cho phép.[18] Theo kết quả nghiên cứu của tác giả Lê Văn Khoa và cộng sự (1999) ở khu vực công ty pin Văn Điển và công ty Orion-Hanel (bảng 1.2) cho thấy: nước thải của hai khu vực đều có chứa KLN đặc thù trong quá trình sản xuất vượt quá TCVN 5945/1994 đối với nước mặt loại B (Pin Văn Điển có Hg vượt 9,04 lần; Orion-Hanel có Pb vượt quá 1,12 lần). Trong trầm tích mương Hanel, 2 KLN có hàm lượng vượt quá hàm lượng nền là Pb (3,3-10,25 lần); Hg (1,56-2,24 lần).

Đất gần công ty Pin Văn Điển có hàm lượng Zn cao hơn hàm lượng tối đa gây độc cho thực vật ở đất nông nghiệp theo tiêu chuẩn Anh từ 1,33-1,79 lần [14] Bảng 1.2: Hàm lượng kim loại nặng trong đất tại khu vực công ty pin Văn Điển và Orion-Hanel Đơn vị: mg/kg Độ Khu vực Văn Điển Khu vực Orion-Hanel sâu Cu Pb Zn Cd Hg Cu Pb Zn Cd Hg 0-20 31,42 32,63 268,25 0,985 0,122 21,34 27,93 44,50 0,312 0,078 20-40 25,54 25,28 256,08 0,910 0,096 18,22 21,46 39,25 0,275 0,034 Kết quả nghiên cứu của tác giả Nguyễn Ngọc Nông (2003) (bảng 1.3) cho thấy rằng, hàm lượng của các nguyên tố Cd, Pb, As trong đất ở Bắc Cạn và ở Thái Nguyên càng lớn đối với vùng gần đô thị, khu công nghiệp và khu dân cư tập trung. Tuy hàm lượng các nguyên tố chưa vượt quá tiêu chuẩn cho phép nhưng hàm lượng Cd, Pb, As khá cao trong vài loại đất ở vùng thành phố Thái Nguyên đang là sự cảnh báo về môi trường [20] Đỗ Thị Ánh 6 Trường ĐH Khoa học tự Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Hóa phân tích Bảng 1.3: Hàm lượng Cd, Pb, As trong đất ở Bắc Cạn và Thái Nguyên Đơn vị: mg/kg Nguyên tố Bắc Cạn Thái Nguyên Cd 0,46 – 1,05 0,78 – 1,59 Pb 1,87 – 3,12 1,25 – 2,98 As 1,25 – 2,98 1,88 – 5,12 Lê Lan Anh và các cộng sự [1] nghiên cứu hàm lượng một số kim loại nặng trong nước, đất, bùn và rau muống tại một số điểm quanh Hà Nội theo mùa từ 2006- 2009 cho thấy hàm lượng KLN (Cd, Pb, Cr) trong nước tưới tại thời điểm khảo sát chưa vượt tiêu chuẩn cho phép nhưng hàm lượng trong bùn, đất lại vượt tiêu chuẩn nên dẫn tới trong rau muống đã có một số chỉ tiêu vượt tiêu chuẩn cho phép ít nhiều. Kết quả được trình bày trong bảng 1.4: So sánh hàm lượng Cr, Cd và Pb trong bùn đất ở các điểm nghiên cứu với tiêu chuẩn Đơn vị: mg/kg Nguyên tố Đông Anh Cầu Diễn Thanh Liệt TCVN Cd 2,733 4,909 7,366 2 Cr 74,692 103,921 124,750 30 Pb 32,417 48,915 74,360 70 Nhìn chung sự ô nhiễm kim loại nặng vẫn mang tính chất cục bộ xảy ra ở những nơi tập trung khu công nghiệp hoặc những nơi gia công kim loại mà việc xử lý khí thải, nước thải và phế thải chưa được quan tâm đúng mức. Hay như việc sử dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật, phân bón quá mức cũng là nguyên nhân làm tăng hàm lượng kim loại nặng vào trong đất nông nghiệp và cây trồng.

Kim loại nặng trong môi trường 1. Dạng tồn tại của kim loại nặng trong môi trường Đỗ Thị Ánh 7 Trường ĐH Khoa học tự Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Hóa phân tích Trong môi trường các kim loại nặng tồn tại dưới dạng các hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ. Một số bằng chứng cho thấy khi trong nước thải có chứa hợp chất hữu cơ thì độc tính của kim loại đối với các động thực vật sống giảm đi. Nguồn kim loại nặng đi vào đất và nước do tác động của con người chủ yếu bằng các con đường như bón phân, bã bùn cống, thuốc bảo vệ thực vật và các con đường khác như khai khoáng, lắng đọng từ không khí.

Trong môi trường khí, kim loại nặng thường tồn tại ở dạng hơi.