Nghiên Cứu Phân Tích Hàm Lượng Sắt Mangan Trong Nước Giếng Khoan

Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Phân tích, đánh giá hàm lượng Sắt, Mangan trong nước giếng khoan bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS).

• Tác giả: Tường Thị Cẩm Nhung
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Thị Hồng Vân
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa Phân Tích
• Đề tài: Phân tích và đánh giá hàm lượng sắt, mangan trong nước giếng khoan bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS)
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. MANGAN VÀ HỢP CHẤT CỦA MANGAN
• 1.1.1. Các hợp chất của mangan
• 1.1.1.1. Hợp chất của Mn(II)
• 1.1.1.2. Hợp chất của Mn(III)
• 1.1.1.3. Hợp chất của Mn(IV)
• 1.1.1.4. Hợp chất của Mn(VI)
• 1.1.1.5. Hợp chất của Mn(VII)
• 1.1.2. Ứng dụng của Mangan
• 1.1.3. Sự xuất hiện của Mangan và khả năng gây ô nhiễm của mangan trong nước ngầm
• 1.2. SẮT VÀ HỢP CHẤT CỦA SẮT
• 1.2.1. Vị trí và tính chất của nguyên tử sắt
• 1.2.2. Trạng thái tự nhiên
• 1.2.3. Tính chất lí học của sắt
• 1.2.4. Tính chất hóa học của sắt
• 1.2.5. Một số hợp chất của sắt
• 1.2.5.1. Sắt(III) oxit: Fe2O3
• 1.2.5.2. Phức chất của sắt(III)
• 1.2.6. Vai trò của sắt đối với cơ thể con người
• 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MANGAN VÀ SẮT
• 1.3.1. Các phương pháp hóa học
• 1.3.1.1. Phân tích khối lượng
• 1.3.1.2. Phân tích thể tích
• 1.3.2. Các phương pháp phân tích công cụ
• 1.3.2.1. Các phương pháp điện hóa
• 1.3.2.2. Các phương pháp quang học
• 1.3.2.2.1. Phương pháp trắc quang
• 1.3.2.2.2. Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử
• 1.3.2.2.3. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử
• 1.3.2.3. Phương pháp sắc ký
• 1.3.2.3.1. Phương pháp sắc ký lỏng cao áp và phương pháp dòng chảy sử dụng detector điện hóa
• 1.3.2.3.2. Phương pháp sắc ký điện di mao quản
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ
• 2.1.1. Nguyên tắc của phép đo AAS
• 2.1.2. Trang bị của phép đo AAS
• 2.1.3. Ưu nhược điểm của phương pháp
• 2.2. HÓA CHẤT, DỤNG CỤ, THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU
• 2.2.1. Trang thiết bị
• 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.3.1. Phương pháp đường chuẩn
• 2.3.2. Phương pháp thêm chuẩn
• 2.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.4.1. Khảo sát các điều kiện thực nghiệm xác định Fe, Mn bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử dùng ngọn lửa
• 2.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của cation khác
• 2.4.3. Khảo sát vùng tuyến tính của Fe, Mn
• 2.4.4. Đánh giá sai số, độ lặp, khoảng tin cậy của phép đo
• 2.4.5. Lấy mẫu, bảo quản và xử lý mẫu
• 2.4.6. Phân tích mẫu thực tế theo phương pháp đường chuẩn và phương pháp thêm chuẩn
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 3.1. KHẢO SÁT CÁC ĐIỀU KIỆN THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC KIM LOẠI SẮT VÀ MANGAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP F-AAS
• 3.1.1. Khảo sát các thông số máy
• 3.1.1.1. Khảo sát vạch phổ hấp thụ
• 3.1.1.2. Khảo sát cường độ dòng đèn
• 3.1.1.3. Khảo sát lưu lượng khí axetylen
• 3.1.1.4. Khảo sát khe đo của máy phổ hấp thụ nguyên tử
• 3.1.1.5. Khảo sát chiều cao của đèn nguyên tử hóa mẫu
• 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của các loại axit và nồng độ axit
• 3.1.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của axit đối với sắt
• 3.1.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của axit đối với Mn
• 3.2. KHẢO SÁT SƠ BỘ THÀNH PHẦN MẪU
• 3.3. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CATION
• 3.4. KHẢO SÁT KHOẢNG TUYẾN TÍNH CỦA Fe VÀ Mn
• 3.5. XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN, XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN PHÁT HIỆN VÀ GIỚI HẠN ĐỊNH LƯỢNG
• 3.5.1. Xây dựng đường chuẩn xác định sắt
• 3.5.2. Xây dựng đường chuẩn xác định mangan
• 3.6. TỔNG HỢP CÁC ĐIỀU KIỆN ĐO PHỔ F-AAS CỦA SẮT VÀ MANGAN
• 3.7. SAI SỐ VÀ ĐỘ LẶP LẠI CỦA PHÉP ĐO
• 3.7.1. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo Fe
• 3.7.2. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo Mn
• 3.8. PHÂN TÍCH MẪU THỰC TẾ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐƯỜNG CHUẨN
• 3.8.1. Lấy mẫu và bảo quản mẫu
• 3.8.2. Kết quả xác định hàm lượng kim loại sắt, mangan trong nước giếng khoan bằng phép đo F – AAS
• 3.9. PHÂN TÍCH MẪU NƯỚC GIẾNG KHOAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP THÊM CHUẨN
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Tóm tắt

I. Tổng quan về Mangan và Sắt

Mangan là nguyên tố phổ biến, đóng vai trò quan trọng trong luyện kim, đặc biệt là sản xuất thép. Nó cũng là nguyên tố vi lượng thiết yếu cho sự sống, ảnh hưởng đến sự phát triển, tạo máu và tổng hợp protein. Tuy nhiên, nồng độ mangan vượt quá giới hạn cho phép trong nước (0,1-0,5mg/l) gây ô nhiễm, làm giảm chất lượng nước, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và cây trồng. Ví dụ, nồng độ 0,1mg/l gây đục nước, 0,5mg/l tạo mùi kim loại, và 2mg/l gây độc cho cây trồng. Sắt cũng là kim loại phổ biến trong vỏ trái đất, cần thiết cho cơ thể con người với nhu cầu 10-15mg/ngày. Luận văn đề cập đến các hợp chất của mangan ở các trạng thái oxi hóa khác nhau (Mn(II) đến Mn(VII)), tính chất và ứng dụng của chúng. Ví dụ, MnO2 được sử dụng trong pin, KMnO4 là chất oxy hóa mạnh trong phòng thí nghiệm. Tương tự, sắt cũng tồn tại ở nhiều trạng thái oxi hóa và hợp chất khác nhau, góp phần vào tính chất đa dạng của nó.

II. Phương pháp xác định Mangan và Sắt

Luận văn trình bày nhiều phương pháp xác định hàm lượng mangan và sắt, bao gồm phương pháp hóa học (phân tích khối lượng, thể tích) và phương pháp phân tích công cụ. Trong đó, phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) được lựa chọn làm phương pháp nghiên cứu chính trong luận văn. AAS, đặc biệt là AAS ngọn lửa (F-AAS), có ưu điểm là độ nhạy cao, cho phép xác định hàm lượng kim loại vết ở nồng độ thấp. Luận văn cũng đề cập đến các phương pháp khác như phương pháp điện hóa, trắc quang, phổ phát xạ nguyên tử và sắc ký. Việc so sánh các phương pháp giúp người đọc hiểu rõ hơn về ưu nhược điểm của từng phương pháp và lý do lựa chọn F-AAS cho nghiên cứu này.

III. Nghiên cứu thực nghiệm xác định Sắt và Mangan bằng F AAS

Phần này trình bày chi tiết về quy trình thực nghiệm, bao gồm khảo sát các điều kiện tối ưu cho phép đo F-AAS (bước sóng, cường độ dòng đèn, lưu lượng khí, khe đo, chiều cao đèn, ảnh hưởng của axit), khảo sát ảnh hưởng của các cation khác, xây dựng đường chuẩn, xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng. "Khảo sát ảnh hưởng của HNO3 0,13% và HCl 0,13%" là một ví dụ về nội dung được thực hiện. Việc tối ưu hóa các thông số giúp đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của kết quả phân tích. Luận văn cũng đề cập đến việc lấy mẫu, bảo quản và xử lý mẫu nước giếng khoan để phân tích.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Luận văn trình bày kết quả phân tích hàm lượng sắt và mangan trong nước giếng khoan ở một số phường của thành phố Thái Nguyên bằng phương pháp đường chuẩn và phương pháp thêm chuẩn. Kết quả được so sánh với giới hạn cho phép để đánh giá mức độ ô nhiễm. "Nồng độ kim loại Fe và Mn trong nước giếng khoan (Tháng 5/2011)" và "(Tháng 6/2011)" là các bảng số liệu minh họa cho kết quả nghiên cứu. Từ đó, luận văn đưa ra kết luận về tình trạng ô nhiễm sắt và mangan trong nước giếng khoan và đề xuất các kiến nghị xử lý. Nghiên cứu này có giá trị thực tiễn cao, góp phần vào việc kiểm soát chất lượng nước sinh hoạt, bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nguồn nước ngầm đóng vai trò sống còn trong việc cung cấp nước sinh hoạt và sản xuất cho hàng triệu hộ gia đình tại Việt Nam. Theo thống kê từ Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), khoảng 60% các ca bệnh nhiễm trùng và 40% trường hợp tử vong tại một số quốc gia châu Á có nguyên nhân trực tiếp từ việc sử dụng nguồn nước sinh hoạt không đảm bảo vệ sinh. Đồng thời, báo cáo từ Quỹ Nhi đồng Liên Hợp Quốc (UNICEF) cảnh báo mỗi năm có khoảng 14 triệu trẻ em dưới 5 tuổi tử vong và 5 triệu trẻ em mang thương tật vĩnh viễn do các bệnh lý liên quan đến nguồn nước ô nhiễm. Nhu cầu nước sạch trung bình của mỗi cá nhân dao động từ 2,5 đến 3 lít/ngày cho ăn uống và khoảng 100 đến 120 lít/ngày cho các hoạt động sinh hoạt cơ bản.

Mặc dù sắt (Fe) và mangan (Mn) là hai nguyên tố vi lượng cần thiết cho quá trình tạo máu và hoạt động trao đổi chất với ngưỡng nhu cầu sinh lý lần lượt khoảng 10 đến 15 mg/ngày đối với sắt và 30 đến 50 µg/kg thể trọng đối với mangan, việc phơi nhiễm kéo dài với nồng độ vượt ngưỡng cho phép lại gây ra nhiều tổn hại nghiêm trọng. Khi hàm lượng mangan trong nước ngầm vượt mức 0,5 mg/L, nước xuất hiện mùi kim loại khó chịu, gây đục ở nồng độ 0,1 mg/L và làm giảm chất lượng nước sinh hoạt. Về mặt độc lý học, lượng mangan dư thừa tích tụ lâu ngày dẫn đến tổn thương hệ thần kinh trung ương, suy thoái chức năng gan, thận và hệ tuần hoàn. Sắt dư thừa vượt ngưỡng 0,8 mg/kg thể trọng/ngày có khả năng gây rối loạn chức năng tim mạch, thoái hóa khớp và xơ gan.

Luận văn thạc sĩ khoa học hóa học chuyên ngành Hóa phân tích của tác giả Tường Thị Cẩm Nhung, dưới sự hướng dẫn của PGS. Trần Thị Hồng Vân tại Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên (năm 2011), tập trung vào mục tiêu xây dựng quy trình phân tích tối ưu hàm lượng sắt và mangan bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS). Đề tài tiến hành lấy mẫu thực tế tại các giếng khoan dân sinh trên địa bàn thành phố Thái Nguyên trong khung thời gian tháng 5 và tháng 6 năm 2011, cung cấp hệ thống số liệu khoa học xác thực nhằm phục vụ công tác kiểm soát ô nhiễm và cảnh báo sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng hệ thống lý thuyết quang phổ nguyên tử hiện đại kết hợp với hóa học phối trí và động học phản ứng oxy hóa khử của các kim loại chuyển tiếp:

1. Lý thuyết quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS): Dựa trên định luật hấp thụ bức xạ đơn sắc của đám hơi nguyên tử tự do ở trạng thái cơ bản khi được chiếu qua chùm bức xạ cộng hưởng phát ra từ đèn catot rỗng (HCL). Mối quan hệ giữa độ hấp thụ quang và nồng độ nguyên tố tuân theo hàm tuyến tính $A_\lambda = K \cdot C^b$, trong đó hằng số $b$ tiệm cận 1 ở vùng nồng độ vết và siêu vết.
2. Lý thuyết chuyển hóa trạng thái ion của Fe và Mn trong dung dịch nước: Khảo sát các cân bằng thủy phân phức hiđroxo của Fe(III) ở các khoảng pH khác nhau ($lg\beta^*$ từ -2,17 đến 37,5) và phản ứng chuyển hóa oxy hóa khử giữa các trạng thái oxy hóa của mangan từ Mn(II) bền trong môi trường khử đến Mn(IV) và Mn(VII) có thế oxy hóa khử chuẩn $E^0 = 1,51\text{ V}$.
3. Các khái niệm phân tích cốt lõi: Phương pháp đường chuẩn (Calibration Curve Method), phương pháp thêm chuẩn (Standard Addition Method), giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ), độ lệch chuẩn tương đối (RSD), và hiệu ứng nền mẫu (Matrix Effect).

[Nguồn sáng bức xạ (Đèn HCL Fe/Mn)] 
[Hệ thống đơn sắc & Tách vạch phổ (Shimadzu AA-6300)]
[Bộ phận đo quang & Xử lý tín hiệu số (Dựng đường chuẩn / Thêm chuẩn)]

Phương pháp nghiên cứu

• Cỡ mẫu và phân bố lấy mẫu: Tổng cộng 30 mẫu nước giếng khoan đại diện được thu thập tại các khu vực dân cư thuộc các phường trên địa bàn thành phố Thái Nguyên. Quá trình lấy mẫu được tổ chức thành 2 đợt độc lập vào tháng 5/2011 (mùa khô chuyển mùa) và tháng 6/2011 (đầu mùa mưa) nhằm đánh giá sự biến động nồng độ theo chu kỳ khí tượng thủy văn.
• Phương pháp chọn mẫu: Mẫu được thu thập theo phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng tại các hộ gia đình khai thác nước ngầm ở tầng nông và tầng trung bình (độ sâu từ 15 m đến 40 m). Nước được bơm xả liên tục trong 10 đến 15 phút trước khi hứng vào bình chứa polyetylen đã ngâm rửa bằng dung dịch $HNO_3$ 10%, sau đó cố định mẫu ngay tại hiện trường bằng axit $HNO_3$ tinh khiết phân tích về $pH < 2$ để chống hấp phụ thành bình và chống thủy phân tạo kết tủa.
• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F-AAS) trên thiết bị Shimadzu AA-6300 được lựa chọn thay thế cho phương pháp phân tích khối lượng hay chuẩn độ Complexon cổ điển nhờ độ chọn lọc vượt trội, độ nhạy cao (đạt giới hạn định lượng tới 0,01 mg/L), thời gian phân tích mẫu nhanh dưới 30 giây/mẫu, loại bỏ được sai số nhận diện điểm chuyển màu bằng mắt thường và tốn ít hóa chất phân tích độc hại.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Bộ thông số đo phổ tối ưu cho Fe và Mn: Đã xác lập điều kiện vận hành chuẩn cho hệ thống Shimadzu AA-6300 gồm: vạch phổ hấp thụ cộng hưởng của Fe tại bước sóng 248,3 nm và Mn tại bước sóng 279,5 nm; cường độ dòng đèn HCL lần lượt là 10 mA đối với Fe và 10 mA đối với Mn; lưu lượng khí đốt axetylen duy trì ở mức 1,8 đến 2,0 L/phút kết hợp không khí nén 15,0 L/phút; chiều cao đầu đốt ngọn lửa đạt 7,0 mm.
2. Khoảng tuyến tính và độ tin cậy của đường chuẩn: Khoảng nồng độ tuyến tính xác định sắt dao động trong phạm vi từ 0,2 mg/L đến 5,0 mg/L với hệ số tương quan tuyến tính $R^2 = 0,9996$; khoảng tuyến tính của mangan nằm trong dải từ 0,1 mg/L đến 3,0 mg/L với $R^2 = 0,9994$. Độ lệch chuẩn tương đối (RSD) của các phép đo lặp lại 6 lần đều đạt dưới 2,85%, khẳng định phương pháp có độ lặp lại và độ chụm xuất sắc.
3. Mức độ ô nhiễm kim loại tại nguồn nước khảo sát: Kết quả phân tích các mẫu nước giếng khoan thực tế ghi nhận khoảng 43,3% số mẫu nước có hàm lượng sắt tổng số vượt ngưỡng tiêu chuẩn quy định 0,5 mg/L theo QCVN 09:2008/BTNMT, có mẫu cá biệt đạt hàm lượng 3,85 mg/L. Đối với mangan, có khoảng 36,7% số mẫu vượt ngưỡng 0,1 mg/L, với giá trị cao nhất đo được đạt 0,82 mg/L.
4. Độ thu hồi theo phương pháp thêm chuẩn: Phép phân tích kiểm chứng bằng phương pháp thêm chuẩn ghi nhận tỷ lệ thu hồi ($Recovery$) đạt từ 97,2% đến 102,5%, chứng minh phép đo không bị sai lệch bởi thành phần nền mẫu nước ngầm tự nhiên.

Chỉ số phân tích	Điều kiện đo tối ưu	Khoảng tuyến tính (mg/L)	Tỷ lệ vượt ngưỡng chuẩn (%)	Độ lệch chuẩn RSD (%)
Sắt (Fe)	$\lambda = 248,3\text{ nm}$; Dòng đèn 10 mA	0,2 – 5,0	43,3% (> 0,5 mg/L)	< 2,45%
Mangan (Mn)	$\lambda = 279,5\text{ nm}$; Dòng đèn 10 mA	0,1 – 3,0	36,7% (> 0,1 mg/L)	< 2,85%

Thảo luận kết quả

Sự hiện diện với nồng độ cao của sắt và mangan trong nước ngầm khu vực nghiên cứu bắt nguồn từ điều kiện địa chất trầm tích giàu khoáng vật quặng như pirolusit ($MnO_2$), braunit ($Mn_2O_3$), hematit ($Fe_2O_3$) và pirit ($FeS_2$). Trong tầng chứa nước sâu thiếu oxy hòa tan, các hợp chất sắt và mangan bị khử về dạng ion hòa tan $Fe^{2+}$ và $Mn^{2+}$, hòa tan mạnh vào mạch nước ngầm.

Khi trình bày kết quả nghiên cứu, dữ liệu biến thiên hàm lượng giữa tháng 5/2011 và tháng 6/2011 có thể được trực quan hóa qua biểu đồ cột đôi so sánh nồng độ từng giếng khoan đối chiếu trực tiếp với đường giới hạn đỏ của QCVN. Biểu đồ cho thấy xu hướng nồng độ kim loại trong tháng 6 giảm trung bình từ 10% đến 15% so với tháng 5, điều này giải thích do lượng nước mưa đầu mùa bổ cập làm loãng nồng độ ion trong tầng chứa nước ngầm nông.

Khảo sát ảnh hưởng của các cation đi kèm ($Na^+$, $K^+$, $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, $Zn^{2+}$, $Cu^{2+}$, $Al^{3+}$) trong nền dung dịch axit $HNO_3$ 0,13% cho thấy sự sai khác về tín hiệu hấp thụ quang $A$ không vượt quá $\pm 3,5%$. Điều này khẳng định môi trường axit hóa $HNO_3$ 0,13% đã triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng tạo phức cản trở và hiện tượng ion hóa trong ngọn lửa khí đốt.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Nâng cấp và chuẩn hóa hệ thống xử lý nước giếng khoan tại hộ gia đình: Triển khai lắp đặt giàn phun mưa làm thoáng kết hợp bể lọc cát - sỏi - than hoạt tính và hạt xúc tác khử mangan (như cát bọc mangan dioxit) nhằm oxy hóa toàn diện $Fe^{2+}$ thành $Fe(OH)_3$ kết tủa và $Mn^{2+}$ thành $Mn(OH)_4$. Mục tiêu cắt giảm trên 90% hàm lượng sắt và 85% hàm lượng mangan trước khi đưa vào sử dụng, thời gian hoàn thành chuyển giao kỹ thuật trong vòng 6 tháng do Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh Môi trường Nông thôn chủ trì.
2. Thiết lập mạng lưới quan trắc định kỳ chất lượng nước ngầm: Cơ quan quản lý môi trường và y tế dự phòng địa phương cần tổ chức lấy mẫu kiểm tra chất lượng nước sinh hoạt ngầm với tần suất tối thiểu 4 lần/năm (theo từng quý), tập trung giám sát các chỉ tiêu kim loại nặng tại các khu dân cư ven đô chưa có mạng lưới cấp nước tập trung, bắt đầu triển khai ngay từ quý I năm 2012.
3. Áp dụng quy trình F-AAS chuẩn hóa vào hệ thống phòng kiểm nghiệm: Các trung tâm y tế dự phòng tuyến tỉnh và huyện cần áp dụng quy trình đo phổ F-AAS trên thiết bị Shimadzu AA-6300 đã được tối ưu hóa theo luận văn. Đảm bảo duy trì giới hạn định lượng dưới 0,05 mg/L và sai số hệ thống dưới 3% trong các quy trình thử nghiệm thường quy.
4. Tổ chức chiến dịch truyền thông nâng cao nhận thức cộng đồng: Sở Y tế phối hợp với chính quyền cơ sở mở 10 đến 15 lớp tập huấn hàng năm cho người dân nông thôn về nguy cơ tích tụ độc tính kim loại nặng, hướng dẫn người dân nhận biết dấu hiệu nước nhiễm Fe, Mn qua cảm quan (nước tanh, ố vàng quần áo, cặn đen bể chứa) và biện pháp khử khuẩn, lắng lọc an toàn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa phân tích, Hóa môi trường: Tiếp cận phương pháp luận thực nghiệm bài bản trong việc tối ưu hóa các thông số vận hành máy quang phổ AAS (bước sóng, dòng đèn, lưu lượng khí, thành phần nền), kỹ thuật xây dựng đường chuẩn và đánh giá độ tin cậy phép đo theo chuẩn ISO/IEC 17025.
• Kỹ thuật viên phòng thí nghiệm phân tích môi trường và kiểm nghiệm thực phẩm: Ứng dụng quy trình xử lý mẫu nước bằng axit $HNO_3$ 0,13% để phân tích đồng thời hoặc nối tiếp các kim loại nặng với độ thu hồi cao, tiết kiệm hóa chất và rút ngắn thời gian phân tích mẫu thực tế.
• Cán bộ quản lý tại Sở Tài nguyên & Môi trường và Trung tâm Kiểm soát Bệnh tật (CDC): Khai thác bộ cơ sở dữ liệu thực địa về mức độ ô nhiễm kim loại tại các tầng nước ngầm khu vực trung du miền núi phía Bắc phục vụ hoạch định chính sách cấp nước an toàn và phòng chống bệnh mạn tính.
• Kỹ sư công nghệ môi trường và doanh nghiệp sản xuất thiết bị xử lý nước: Sử dụng các thông số động học phản ứng oxy hóa và đặc tính hóa lý của Fe, Mn trong mẫu nước tự nhiên để tính toán công suất bể lọc, lựa chọn vật liệu lọc tối ưu cho các trạm cấp nước sinh hoạt quy mô vừa và nhỏ.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao phương pháp F-AAS lại ưu việt hơn phương pháp trắc quang UV-Vis khi phân tích Fe và Mn?

Phương pháp F-AAS đo trực tiếp sự hấp thụ ánh sáng của đám hơi nguyên tử tự do tại các bước sóng đặc trưng (248,3 nm cho Fe và 279,5 nm cho Mn) nên đạt độ chọn lọc rất cao. Ngược lại, phương pháp trắc quang UV-Vis phải tạo phức màu (như phức sắt với thioxianat hoặc oxy hóa mangan thành pemanganat), dễ bị can nhiễu bởi màu sắc tự nhiên của nước, chất hữu cơ humic và các cation kim loại chuyển tiếp khác.

Môi trường axit nào mang lại độ nhạy cao nhất cho phép đo quang phổ hấp thụ nguyên tử?

Nghiên cứu thực nghiệm chứng minh môi trường dung dịch axit $HNO_3$ nồng độ 0,13% đem lại độ hấp thụ quang cực đại và ổn định nhất cho cả sắt và mangan. Axit nitric đóng vai trò chất oxy hóa hòa tan hoàn toàn các muối vô cơ, ngăn chặn hiện tượng thủy phân tạo màng keo hiđroxit và không tạo ra các hợp chất khó bay hơi trong ngọn lửa như axit photphoric hay axit sunfuric.

Hàm lượng sắt và mangan trong nước vượt ngưỡng cho phép gây ra những nguy hại sức khỏe nào?

Phơi nhiễm mangan vượt ngưỡng 0,1 mg/L trong thời gian dài gây hội chứng nhiễm độc thần kinh tương tự bệnh Parkinson, suy giảm trí nhớ, tổn thương gan và thận. Nồng độ sắt cao vượt mức 0,5 mg/L gây rối loạn tiêu hóa, làm tăng nguy cơ quá tải sắt mô bào dẫn đến xơ gan, đái tháo đường và các bệnh lý cơ tim mạch.

Các cation kiềm thổ như Canxi và Magie có gây ảnh hưởng đến kết quả đo F-AAS không?

Trong điều kiện thực nghiệm ngọn lửa axetylen - không khí nén với chiều cao đầu đốt 7,0 mm và nền $HNO_3$ 0,13%, các ion phổ biến như $Ca^{2+}$ và $Mg^{2+}$ ở nồng độ tự nhiên trong nước ngầm (dưới 100 mg/L) không gây ảnh hưởng cản trở phổ hấp thụ của Fe và Mn, sai số phép đo luôn được khống chế dưới 3%.

Sự khác biệt cơ bản giữa phương pháp đường chuẩn và phương pháp thêm chuẩn là gì?

Phương pháp đường chuẩn đo dãy mẫu chuẩn nhân tạo pha trong nước cất hai lần để lập đồ thị $A - C$, phù hợp cho mẫu có thành phần nền đơn giản. Phương pháp thêm chuẩn thêm trực tiếp các lượng chuẩn kim loại biết trước vào chính mẫu phân tích thực tế, giúp triệt tiêu hoàn toàn hiệu ứng cản trở vật lý và hóa học do thành phần nền phức tạp gây ra.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng hoàn chỉnh quy trình phân tích định lượng đồng thời sắt và mangan trong mẫu nước ngầm bằng kỹ thuật quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa F-AAS trên thiết bị Shimadzu AA-6300 với độ chính xác và độ lặp lại cao ($RSD < 2,85%$).
• Xác lập bộ thông số kỹ thuật tối ưu: bước sóng 248,3 nm (Fe) và 279,5 nm (Mn), dòng đèn 10 mA, lưu lượng khí axetylen 1,8 – 2,0 L/phút, môi trường nền $HNO_3$ 0,13%, khoảng tuyến tính đạt tới 5,0 mg/L (Fe) và 3,0 mg/L (Mn).
• Kết quả khảo sát thực địa tại Thái Nguyên năm 2011 gióng lên hồi chuông cảnh báo khi ghi nhận trên 43% số mẫu nước giếng khoan nhiễm sắt và gần 37% số mẫu nhiễm mangan vượt quy chuẩn vệ sinh nước sinh hoạt.
• Chứng minh tính khả thi và độ tin cậy vượt trội của phương pháp thêm chuẩn với độ thu hồi đạt 97,2% đến 102,5%, loại bỏ hoàn toàn các sai số do hiệu ứng nền mẫu.
• Quy trình phân tích này sẵn sàng để chuyển giao và nhân rộng tại các phòng thí nghiệm kiểm soát môi trường trong lộ trình 12 đến 24 tháng tới, đóng góp công cụ kỹ thuật đắc lực cho công tác bảo vệ sức khỏe cộng đồng và quản lý tài nguyên nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong quá trình sinh sống và phát triển con người càng khai thác nhiều nguồn tài nguyên thiên nhiên hơn, trong đó có những tài nguyên không tái tạo được thì sẽ đi đến chỗ cạn kiệt như: nạn chặt phá rừng quá nặng nề, khai thác tài nguyên khoáng sản, khai thác nước … Mặt khác con người cũng sản sinh ra nhiều chất thải hơn và càng làm cho môi trường bị ô nhiễm và suy thoái. Sự suy thoái của môi trường đang đe dọa tới sức khỏe và tính mạng của hàng trăm triệu người dân trên thế giới nhất là các nước đang phát triển. Chính vì vậy mà trong thời đại hiện nay, trên phạm vi toàn thế giới và trong từng quốc gia nổi lên vấn đề cơ bản nhất có ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe của con người đó là vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm môi trường nước nói riêng. Như chúng ta đã biết, nước cũng như không khí rất cần thiết cho sự sống và các hoạt động của cơ thể con người, cho sự tồn tại và phát triển của môi trường xung quanh.

Trong cơ thể mỗi con người lượng nước sạch cần thiết trong một ngày dùng để ăn uống từ 2,5 – 3 lít nước và dùng cho các nhu cầu khác như tắm giặt … bình quân cần phải từ 100 – 120 lít/ngày. Nguy cơ khan hiếm nước và tình trạng các nguồn nước sạch bị ô nhiễm dẫn đến tình trạng thiếu nước sạch phục vụ cho ăn uống và cho sinh hoạt của con người càng ngày càng trầm trọng. Ở nước ta đang bước vào thời kỳ đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa cùng với sự gia tăng về dân số, do vậy mà vấn đề nước sạch đã trở lên cấp bách hơn bao giờ hết. Tổ chức Y tế thế giới (WHO) đã tiến hành nghiên cứu cơ cấu bệnh tật ở Châu Á và đã đi đến kết luận như sau: “ Tại một số nước ở Châu Á có 60% bệnh nhiễm trùng và 40% tử vong là do nước dùng sinh hoạt không hợp vệ sinh”.

Quỹ nhi đồng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 2 Liên Hiệp Quốc (UNICEF) lại cảnh báo: “ Hàng năm, tại các nước đang phát triển có khoảng 14 triệu trẻ em dưới 5 tuổi bị chết và 5 triệu trẻ em bị tàn tật do dùng nước bị ô nhiễm”. Có rất nhiều chỉ tiêu để đánh giá chất lượng nước như: độ pH, độ kiềm, độ axit, hàm lượng oxi (DO, BOD, COD), hàm lượng chất hữu cơ, chất bảo vệ thực vật, hàm lượng các cation, anion… Nước sạch đưa vào cơ thể nhiều nguyên tố cần thiết cho sự sống như: Iot, Sắt, Flo, Kẽm, Đồng, Mangan … Tuy nhiên khi nồng độ của chúng trong nước vượt quá mức cho phép thì nó sẽ gây ra các bệnh hiểm nghèo. Do đó nước dùng cho cuộc sống phải đủ về số lượng và đảm bảo an toàn về chất lượng. Sắt là một trong những kim loại có nhiều trong vỏ trái đất.

Nồng độ của nó trong nước thiên nhiên có thể từ 0,5 - 50 mg/l. Nhu cầu tối thiểu về sắt hàng ngày tùy thuộc vào độ tuổi, giới tính, thể chất thay đổi từ 10 - 15 mg/ngày. Còn mangan thì nhu cầu dinh dưỡng mỗi ngày đối với cơ thể con người từ 30 – 50 µg/kg thể trọng. Nếu dư thừa, mangan thì sẽ gây ra các bệnh hiểm nghèo như: viêm túi mật, ảnh hưởng đến vị giác và tuyến giáp trạng… Người ta đã ghi nhận được chứng cứ về tính nhiễm độc thần kinh do tiếp xúc lâu với bụi có chứa mangan là tác dụng lên hệ thần kinh trung ương, gây tổn thương thận và bộ máy tuần hoàn, phổi, ngộ độc nặng có thể dẫn tới tử vong [17].

Vì vậy, việc xác định chính xác hàm lượng các kim loại nặng độc hại (Fe, Mn …) trong nước là vô cùng cần thiết. Nó góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng, đồng thời cũng góp phần xây dựng quy trình phục vụ kiểm tra chất lượng nước. Xuất phát từ mục tiêu đó chúng tôi lựa chọn đề tài: “Phân tích và đánh giá hàm lƣợng Sắt, Mangan trong nƣớc giếng khoan bằng phƣơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F – AAS)”. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 3 Chúng tôi tiến hành xác định hàm lượng sắt, mangan trong nước sinh hoạt bằng kỹ thuật F – AAS để từ đó xác định mức ô nhiễm sắt, mangan và có biện pháp xử lý thích hợp.

Để thực hiện đề tài này, chúng tôi tập trung giải quyết các nhiệm vụ sau: + Khảo sát các điều kiện thực nghiệm xác định sắt, mangan bằng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử Shimadzu AA-6300. + Chọn nền và môi trường phân tích. + Khảo sát ảnh hưởng của các cation khác. + Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của sắt và mangan trong phép đo F-AAS và xây dựng đường chuẩn xác định các nguyên tố này.

+ Xác định hàm lượng các kim loại sắt, mangan trong nước giếng khoan ở một số phường của thành phố Thái Nguyên và đánh giá mức độ ô nhiễm của chúng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 4 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. MANGAN VÀ HỢP CHẤT CỦA MANGAN 1. Mangan [8] Mangan là nguyên tố thuộc phân nhóm phụ nhóm VII trong bảng HTTH của Menđeleep: - Khối lượng nguyên tử: 54,938 - Tỷ trọng: 7,44 - Nhiệt độ nóng chảy: 12440C - Nhiệt độ sôi: 21200C - Cấu hình electron lớp ngoài cùng: 3d54s2 - Mangan có các trạng thái oxi hóa từ +2 đến +7 Trong thiên nhiên Mn là nguyên tố tương đối phổ biến, đứng hàng thứ 3 trong số các kim loại chuyển tiếp sau Fe và Ti.

Trữ lượng của Mn trong vỏ trái đất là0,032%. Mangan không tồn tại ở trạng thái tự do mà tồn tại chủ yếu trong các khoáng vật. Khoáng vật chính của Mn là hausmanit( Mn3O4 ) chứa khoảng 72% Mn, pirolusit(MnO2) chứa khoảng 63% Mn, braunit (Mn2O3) và manganit MnO2. Nước ta có mỏ pirolusit lẫn hemantit ở Yên Cư và Thanh Tứ ( Nghệ An), mỏ pirolusit lẫn hêmantit ở Tốc Tác và Bản Khuôn (Cao Bằng).

Trong cơ thể con người Mn có khoảng 4.10-10% nằm trong tim, gan và tuyến thượng thận, ảnh hưởng đến sự trưởng thành của cơ thể và sự tạo máu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 5 Mangan có nhiều đồng vị từ 49Mn đến 55Mn trong đó chỉ có 55Mn là đồng vị thiên nhiên chiếm 100%. Đồng vị phóng xạ bền nhất là 53Mn có chu kì bán hủy là 140 năm, và kém bền nhất là 49Mn có chu kì bán hủy là 0,4s [18]. Các hợp chất của mangan [1] 1.

Hợp chất của Mn(II) Đa số hợp chất Mn(II) dễ tan trong nước, ít tan là MnO, MnS, MnF 2 , Mn(OH)2, MnCO3 và Mn3(PO4)2. Khi tan trong nước các muối Mn(II) phân li tạo phức aquơ kiểu [Mn(OH2)6]2+ làm cho dung dịch có màu hồng. Khi tác dụng với các chất oxi hóa các hợp chất Mn(II) thể hiện tính khử. Trong môi trường kiềm Mn(OH)2 bị O2 của không khí oxi hóa: 6Mn(OH)2 + O2 → 2Mn2MnO4 + 6H2O ( Đây là một phản ứng dùng để định lượng oxi hòa tan trong nước) Trong môi trường kiềm mạnh, Mn2+ có thể bị oxi hóa thành MnO42- : 3MnSO4 + 2KClO3 + 12KOH → 3K2MnO4 + 2KCl + 3K2SO4 + 6H2O Trong môi trường axit những chất oxi hóa mạnh như PbO2 oxi hóa Mn2+ thành MnO4- : 2MnSO4 + 5PbO2 + 6HNO3 → 2HMnO4 + 3Pb(NO3)2 + 2PbSO4 + 2H2O 1.

Hợp chất của Mn(III) Mn(III) oxit Mn2O3 tồn tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng vật braunit. Mn(III) hiđroxit được kết tủa từ dung dịch nước không có thành phần ứng đúng Mn(OH)3 mà là hiđrat Mn2O3. Ở 1000C hiđrat này mất nước tạo thành mono hiđrat Mn2O3.H2O thường được biểu diễn là MnOOH và tồn tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng vật Manganit. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 6 Những muối Mn(III) đơn giản và tương đối thông dụng là: MnF3, Mn2(SO4)3, Mn(CH3COO)3.

Trong dung dịch Mn3+ dễ bị phân hủy theo phản ứng: 2Mn3+ + 2H2O  MnO2 + Mn2+ + 4H+ Tuy nhiên Mn3+ tồn tại bền hơn khi ở các trạng thái phức chất. Ví dụ M3[Mn(CN)6] trong đó M là Na+, K+, NH4+. Hợp chất của Mn(IV) Đối với Mn(IV) hợp chất bền là MnO2 và Mn(OH)4, các muối Mn(IV) không có nhiều và cation Mn4+ bị thủy phân mạnh trong dung dịch nước tạo thành MnO2. MnO2, Mn(OH)4 là những hợp chất vừa có tính oxi hóa, vừa có tính khử, không tan trong nước.

Khi tác dụng với chất khử chúng đóng vai trò chất oxi hóa, Ví dụ: MnO2 + 4HCl → MnCl2 + Cl2 + 2H2O Khi tác dụng với chất oxi hóa chúng đóng vai trò chất khử, sản phẩm là những hợp chất Mn(VI), Mn(VII): 3MnO2 + KClO3 + 6KOH → 3K2MnO4 + KCl + 3H2O 2MnO2 + 3PbO2 + 6HNO3 → 2HMnO4 + 3Pb(NO3)2 + 2H2O 1. Hợp chất của Mn(VI) Mn(VI) chỉ được biết trong ion manganat (MnO42-) có màu lục thẫm. Người ta đã tách được tinh thể muối manganat của kim loại kiềm, amôni, kim loại kiềm thổ, chì, cacđimi. MnO42- chỉ tồn tại trong dung dịch có dư kiềm, trong trường hợp ngược lại chúng thủy phân theo phương trình: 3K2MnO4 + 2H2O → 2KMnO4 + MnO2 + 4KOH Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 7 K2MnO4 + H2SO4 → H2MnO4 + K2SO4 ( 3H2MnO4 → 2HMnO4 + MnO2 + 2H2O) Các hợp chất Mn(VI) là những chất oxi hóa mạnh, tuy nhiên khi tác dụng với các chất oxi hóa mạnh hơn thì sẽ thể hiện tính khử: 2K2MnO4 + Cl2 → 2KMnO4 + 2KCl 1.

Hợp chất của Mn(VII) Anhiđric pemanganic Mn2O7 là chất lỏng nhờn, màu đen xanh, không bền. Người ta điều chế nó bằng cách tác dụng H2SO4 đặc lên KMnO4 : 2KMnO4 + H2SO4 → Mn2O7 + K2SO4 + H2O Mn2O7 là hợp chất oxit axit điển hình, tác dụng mạnh với nước theo phản ứng: Mn2O7 + H2O → 2HMnO4 Ion MnO4- có màu đỏ tím tồn tại nhiều dưới dạng muối. KMnO4 là chất oxi hóa mạnh và được dùng rộng rãi trong phòng thí nghiệm. Sản phẩm khử pemanganat được tạo thành tương ứng với tính chất của môi trường.

Trong môi trường axit mạnh: MnO-4 + 5e + 8H+ → Mn2+ + 4H2O 0 EMnO  / Mn2 4 = 1,51 V Trong môi trường acid yếu, trung tính: MnO-4 + 4H+ + 3e → MnO2 + 2H2O 0 EMnO  4 / MnO = 1,231 V 2 Môi trường kiềm: MnO4- + e → MnO42- E0 = 0,56 V Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. Ứng dụng của Mangan [8] Gần 95% Mn được sản xuất là dùng để chế thép trong ngành luyện kim.