Luận văn: Xác định dạng Cu, Pb, Zn, Cd trong trầm tích sông Cầu (2013)

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu các dạng và hàm lượng kim loại nặng Cu, Pb, Zn, Cd trong trầm tích sông Cầu, đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường.

• Tác giả: Vũ Văn Tuấn
• Người hướng dẫn: Ts. Vũ Đức Lợi
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa Phân Tích
• Đề tài: Nghiên cứu Xác định Dạng Cu, Pb, Zn Và Cd Trong Một Số Cột Trầm Tích Thuộc Lưu Vực Sông Cầu
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và ý nghĩa nghiên cứu kim loại nặng trong trầm tích lưu vực sông Cầu

Nghiên cứu kim loại nặng trong trầm tích lưu vực sông Cầu là một lĩnh vực quan trọng trong khoa học môi trường và hóa học phân tích. Trầm tích là vật chất hòa tan và bất hòa tan tích tụ tại các đáy sông, hồ và các vùng nước yên tĩnh. Những kim loại nặng như đồng (Cu), chì (Pb), kẽm (Zn) và cacdimi (Cd) có thể tích lũy trong trầm tích qua thời gian dài, tạo thành các lớp chứa thông tin về lịch sử ô nhiễm môi trường. Sông Cầu, một dòng sông quan trọng ở Việt Nam, chảy qua các vùng có hoạt động công nghiệp, do đó là nơi lý tưởng để nghiên cứu sự tích lũy các chất ô nhiễm. Việc xác định các dạng tồn tại của kim loại nặng trong trầm tích giúp đánh giá mức độ ô nhiễm và rủi ro tiềm ẩn đối với hệ sinh thái và sức khỏe con người.

1.1. Định nghĩa trầm tích và kim loại nặng

Trầm tích được hình thành từ quá trình lắng đọng các hạt vật chất trong nước. Chúng chứa các chất hữu cơ, vô cơ và các kim loại nặng từ các nguồn tự nhiên và nhân tạo. Kim loại nặng là những nguyên tố có mật độ lớn hơn 5 g/cm³, được coi là các chất ô nhiễm nguy hiểm vì khả năng độc hại cao và khó phân hủy. Trong lưu vực sông Cầu, sự tích tụ các kim loại này phản ánh tác động của các hoạt động kinh tế - xã hội.

1.2. Tầm quan trọng của việc xác định các dạng kim loại

Việc xác định các dạng kim loại khác nhau (như dạng trao đổi, liên kết với oxit/hydroxide, liên kết với các hợp chất hữu cơ) là cần thiết để đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng. Các dạng khác nhau có độc tính và khả năng di chuyển khác nhau trong môi trường. Điều này giúp xác định rủi ro tiềm ẩn và lập kế hoạch quản lý ô nhiễm hiệu quả cho lưu vực sông Cầu.

II. Các dạng tồn tại của kim loại nặng trong trầm tích

Các kim loại nặng trong trầm tích có thể tồn tại dưới nhiều dạng hóa học khác nhau, mỗi dạng có những đặc tính và tác động môi trường riêng biệt. Việc phân loại các dạng tồn tại là một phần quan trọng của phân tích dạng kim loại (speciation analysis). Thông thường, các dạng được chia thành: dạng trao đổi (exchangeable form), dạng liên kết với các oxit/hydroxide, dạng liên kết với các hợp chất hữu cơ, và dạng tồn tại trong cấu trúc khoáng vật (residual form). Mỗi dạng này phản ánh nguồn gốc khác nhau của kim loại trong trầm tích và mức độ nguy hiểm tiềm ẩn. Nghiên cứu các dạng này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế tích lũy kim loại nặng và dự đoán khả năng phát tán các kim loại này sang các phần tử khác của hệ sinh thái.

2.1. Dạng tồn tại của đồng chì và kẽm

Đồng (Cu), chì (Pb) và kẽm (Zn) chủ yếu tồn tại dưới dạng liên kết với các oxit, hydroxide và hợp chất hữu cơ trong trầm tích sông Cầu. Đồng thường liên kết mạnh với các hợp chất hữu cơ, trong khi chì và kẽm có xu hướng liên kết với các oxit sắt và mangan. Việc phân tích chi tiết các dạng này là cần thiết để hiểu mức độ rủi ro môi trường và tiềm năng phục hồi trầm tích.

2.2. Dạng tồn tại của cacdimi

Cacdimi (Cd) là một kim loại nặng có độc tính cao nhất trong các kim loại được nghiên cứu. Nó thường tồn tại dưới dạng trao đổi và liên kết yếu với oxit/hydroxide, làm cho nó dễ di chuyển và dễ gây ô nhiễm thứ cấp. Sự hiện diện của cacdimi dạng trao đổi trong trầm tích lưu vực sông Cầu là dấu hiệu của ô nhiễm gần đây và cần được theo dõi sát sao.

III. Phương pháp phân tích và các chỉ số đánh giá ô nhiễm

Để xác định các dạng kim loại nặng trong trầm tích, các nhà khoa học sử dụng quy trình chiết liên tục (Sequential Extraction Procedure - SEP). Phương pháp này cho phép tách riêng các kim loại theo từng dạng hóa học khác nhau. Sau khi chiết, hàm lượng kim loại được xác định bằng các kỹ thuật phân tích hiện đại như phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) hoặc phổ khối lượng ICP-MS. Để đánh giá mức độ ô nhiễm, các nhà nghiên cứu sử dụng các chỉ số đánh giá như Geoaccumulation Index (Igeo) và Risk Assessment Code (RAC). Chỉ số Igeo so sánh hàm lượng kim loại trong mẫu với nền địa hóa học tự nhiên, giúp xác định mức độ ô nhiễm từ thấp đến rất cao. Chỉ số RAC đánh giá phần trăm kim loại dạng trao đổi, phản ánh rủi ro sinh liệu của các kim loại.

3.1. Quy trình chiết liên tục và phương pháp phân tích

Quy trình chiết liên tục (thường theo tiêu chuẩn Tessier hoặc BCR) là phương pháp chuẩn để tách các dạng kim loại trong trầm tích. Mỗi bước chiết sử dụng các dung dịch khác nhau để tách riêng từng dạng. Sau đó, hàm lượng kim loại trong mỗi phần được đo bằng AAS hoặc ICP-MS, là những phương pháp phân tích lượng vết có độ chính xác cao, giới hạn phát hiện thấp.

3.2. Các chỉ số đánh giá chất lượng trầm tích

Chỉ số tích lũy địa chất (Igeo) phân loại ô nhiễm kim loại thành 7 mức từ không ô nhiễm đến ô nhiễm cực độ. Chỉ số RAC và tiêu chuẩn của Canada cung cấp thông tin về mức độ rủi ro liên quan đến tính sinh liệu của kim loại nặng trong trầm tích lưu vực sông Cầu, giúp đưa ra các quyết định quản lý môi trường phù hợp.

IV. Kết quả nghiên cứu và ý nghĩa đối với lưu vực sông Cầu

Các nghiên cứu về kim loại nặng trong trầm tích của lưu vực sông Cầu đã phát hiện sự tồn tại đáng kể của Cu, Pb, Zn và Cd ở các nồng độ vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Phân tích các dạng kim loại cho thấy một phần đáng kể kim loại tồn tại ở các dạng nhạy cảm với điều kiện môi trường, đặc biệt là dạng trao đổi và dạng liên kết yếu. Điều này chỉ ra rằng mối nguy hiểm tiềm ẩn của ô nhiễm kim loại nặng trong sông Cầu là rất lớn. Các kết quả này cảnh báo cần phải có các biện pháp kiểm soát ô nhiễm kim loại từ các nguồn công nghiệp và giao thông dọc theo lưu vực sông Cầu. Đồng thời, việc theo dõi liên tục hàm lượng và dạng kim loại trong trầm tích có thể là một công cụ hữu ích để đánh giá hiệu quả của các biện pháp phòng chống ô nhiễm.

4.1. Phân bố và tích lũy kim loại nặng theo chiều sâu trầm tích

Hàm lượng kim loại nặng thường tăng theo chiều sâu của cột trầm tích, phản ánh sự gia tăng ô nhiễm theo thời gian ở lưu vực sông Cầu. Các kim loại tích lũy mạnh hơn trong các lớp trầm tích gần đây do hoạt động công nghiệp gia tăng. Phân tích dạng kim loại cho thấy các lớp sâu chứa kim loại residual nhiều hơn, trong khi các lớp bề mặt chứa nhiều kim loại dạng trao đổi và dạng liên kết yếu.

4.2. Đề xuất giải pháp quản lý và bảo vệ môi trường

Dựa trên kết quả nghiên cứu kim loại nặng trong trầm tích, cần thiết phải: (1) kiểm soát chặt các nguồn ô nhiễm kim loại từ công nghiệp và giao thông; (2) thực hiện theo dõi định kỳ hàm lượng kim loại trong nước và trầm tích; (3) xem xét các biện pháp xử lý trầm tích ô nhiễm; (4) nâng cao nhận thức cộng đồng về mối nguy hiểm của ô nhiễm kim loại nặng đối với sức khỏe con người và hệ sinh thái sông Cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường do các hoạt động sinh hoạt và sản xuất của con người đã và đang là vấn đề nhức nhối của toàn xã hội. Một trong các chương trình đang được nhà nước quan tâm là nghiên cứu và đánh giá mức độ ô nhiễm thuộc lưu vực một số hệ thống sông chính như: sông Đáy, sông Nhuệ, sông Cầu. để từ đó có các biện pháp quản lí thích hợp. Trong số các chỉ số ô nhiễm, ô nhiễm kim loại nặng là một trong những chỉ số được quan tâm nhiều bởi độc tính và khả năng tích lũy sinh học của chúng.

Để có thể đánh giá một cách đầy đủ về mức độ ô nhiễm của các kim loại nặng ta không thể chỉ dựa vào việc xác định hàm lượng của các kim loại hòa tan trong nước mà cần xác định cả hàm lượng các kim loại trong trầm tích. Rất nhiều công trình khoa học nghiên cứu về trầm tích sông, hồ đều cho thấy hàm lượng của các kim loại trong trầm tích lớn hơn nhiều so với trong nước. Dưới một số điều kiện lí hóa nhất định các kim loại nặng từ trong nước có thể tích lũy vào trầm tích đồng thời cũng có thể hòa tan ngược trở lại nước [65, 68]. Khả năng hòa tan của kim loại trong mẫu trầm tích vào nước cũng như khả năng tích lũy sinh học của nó phụ thuộc vào dạng tồn tại của kim loại trong trầm tích [69].

Vì vậy cần thiết phải xác định cụ thể dạng tồn tại của các kim loại trong trầm tích mới có thể đưa ra những đánh giá cụ thể và chính xác hơn về mức độ ô nhiễm và ảnh hưởng đến hệ sinh thái của các kim loại nặng [48]. Một vấn đề đáng lưu ý nữa là hàm lượng của các kim loại trong mẫu trầm tích phụ thuộc vào hàm lượng của các kim loại trong nước tại mỗi thời điểm. Do đó dựa vào việc xác định hàm lượng của các kim loại tại các điểm khác nhau trên cùng một cột trầm tích có thể giúp ta thấy được sự thay đổi về mức độ ô nhiễm kim loại nặng tại khu vực nghiên cứu theo thời gian. Để xác định dạng kim loại trong trầm tích, công đoạn quan trọng nhất là chiết tách riêng từng dạng kim loại ra khỏi trầm tích.

Đã có rất nhiều quy trình chiết được đưa ra nhưng quy trình chiết liên tục của Tessier (Tessier et.al, 1979 [34]) được nhiều tác giả lựa 10 chọn sử dụng và cải tiến thêm phương pháp này. Theo quy trình chiết liên tục của Tessier, kim loại trong trầm tích được chia làm 5 dạng là: dạng trao đổi, dạng liên kết với cacbonat, dạng liên kết với sắt và mangan oxit, dạng liên kết với chất hữu cơ và dạng cặn dư. Lưu vực sông Cầu là một trong những lưu vực sông lớn và tập trung đông dân cư sinh sống ở khu vực phía Bắc. Sông Cầu dài 288,5 km bắt nguồn từ núi Vạn On ở độ cao 1175m thuộc huyện Chợ Đồn tỉnh Bắc Cạn chạy qua các tỉnh Bắc Cạn, Thái Nguyên, Bắc Giang, Hà Nội, Bắc Ninh và đổ vào sông Thái Bình ở thị xã Phả Lại tỉnh Hải Dương.

Các khu vực sông Cầu chạy qua là những khu vực tập trung rất nhiều các hoạt động sản xuất công nghiệp như: khai khoáng, luyện kim, mạ điện. Vì vậy tình hình ô nhiễm nói chung và ô nhiễm kim loại nặng nói riêng đang ở mức báo động. Trước tình hình đó chính phủ đã cho thành lập Ủy ban Bảo vệ môi trường lưu vực sông Cầu vào tháng 1 năm 2008 để có những giải pháp đồng bộ quản lí và giảm thiểu ô nhiễm trên hệ thống lưu vực sông Cầu. Mặt khác, trên hệ thống lưu vực sông Cầu, Thái Nguyên là tỉnh mà ngành công nghiệp khai khoáng và luyện kim rất phát triển nên nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng là rất lớn.

Từ những vấn đề trình bày ở trên, chúng tôi đã chọn đề tài “nghiên cứu xác định dạng Cu, Pb, Zn và Cd trong một số cột trầm tích thuộc lưu vực sông Cầu ” với địa bàn nghiên cứu chính là tỉnh Thái Nguyên theo các nhiệm vụ cụ thể là: + Xác định hàm lượng tổng và hàm lượng các dạng liên kết của các kim loại Cu, Pb, Zn và Cd trong một số cột trầm tích thuộc lưu vực sông Cầu khu vực đi qua thành phố Thái Nguyên. + Đánh giá sự thay đổi hàm lượng tổng và các dạng của các kim loại Cu, Pb ,Zn và Cd theo chiều sâu của cột trầm tích và giữa các cột trầm tích. + Đánh giá mối tương quan về hàm lượng tổng và các dạng của các kim loại Cu, Pb, Zn và Cd trong cùng 1 cột trầm tích và giữa các cột trầm tích với nhau. + Đánh giá mức độ ô nhiễm các kim loại Cu, Pb, Zn và Cd theo một số tiêu chuẩn đánh giá ô nhiễm trầm tích.

Việc lấy mẫu trầm tích được chúng tôi trực tiếp tiến hành tại sông Cầu đoạn đi qua thành phố Thái Nguyên vào tháng 7 năm 2012. Các công việc bảo quản mẫu trầm tích, xử lí mẫu và phân tích hàm lượng tổng cũng như các dạng của các kim loại Cu, Pb, Zn và Cd được thực hiện tại phòng Hóa Phân Tích – Viện Hóa Học – Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam. 11 Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Trầm tích và sự tích lũy kim loại trong trầm tích 1.1 Trầm tích và sự hình thành trầm tích Trầm tích là các vật chất tự nhiên bị phá vỡ bởi các quá trình xói mòn hoặc do thời tiết, sau đó được các dòng chảy vận chuyển đi và cuối cùng được tích tụ thành các lớp trên bề mặt hoặc đáy của một khu vực chứa nước như ao, hồ, sông, suối, biển. Quá trình hình thành trầm tích là một quá trình tích tụ và lắng đọng các chất cặn lơ lửng (bao gồm cả các vật chất vô cơ và hữu cơ) để tạo nên các lớp trầm tích.

Ao, hồ, sông, biển tích lũy trầm tích thành các lớp theo thời gian. Vì vậy trầm tích là một hỗn hợp phức tạp của các pha rắn bao gồm sét, silic oxit, chất hữu cơ, cacbonat và một quần thể các vi khuẩn (Trần Nghi, 2003 [14]; [71] ). Trầm tích là một trong những đối tượng thường được nghiên cứu để đánh giá và xác định mức độ cũng như nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng đối với môi trường nước bởi hàm lượng kim loại trong trầm tích thường lớn hơn nhiều so với lớp nước phía trên và có mối quan hệ chặt chẽ với hàm lượng của các ion kim loại tan trong nước. Các kim loại trong nước có thể tích lũy đi vào trầm tích và ngược lại kim loại trong trầm tích ở dạng di động có khả năng hòa tan ngược lại vào nước.

Chính vì lí do đó nên trầm tích được xem là một chỉ thị quan trọng dùng để nghiên cứu và đánh giá sự ô nhiễm môi trường.2 Các nguồn tích lũy kim loại vào trầm tích Sự tích lũy kim loại vào trầm tích đến từ hai nguồn là nguồn nhân tạo và nguồn tự nhiên. Nguồn tự nhiên gồm các kim loại nằm trong thành phần của đất đá xâm nhập vào môi trường nước và trầm tích thông qua các quá trình tự nhiên như: phong hóa, xói mòn, rửa trôi (Ip Crman 2007 [46]). Nguồn nhân tạo là các nguồn ô nhiễm từ các hoạt động sinh hoạt và sản xuất của con người như: nước thải sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp, y tế. Các kim loại này sau khi đi vào nước sẽ tích lũy vào trầm tích cũng như các sinh vật thủy sinh.3 Cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến sự tích lũy kim loại vào trầm tích 12 Các kim loại tích lũy vào trầm tích có thể xuất phát từ nguồn tự nhiên hoặc nhân tạo.

Sự tích lũy của các kim loại vào trầm tích có thể xảy ra theo 3 cơ chế sau: 1. Sự hấp phụ hóa lý từ nước. Sự hấp thu sinh học bởi các sinh vật hoặc các chất hữu cơ. Sự tích lũy vật lí của các hạt vật chất bởi quá trình lắng đọng trầm tích.

Sự tích lũy kim loại vào trầm tích phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: các điều kiện thủy văn, môi trường, pH, thành phần vi sinh vật, kết cấu của trầm tích, khả năng trao đổi ion… nhất là sự hấp phụ hóa lý và hấp thu sinh học. Sự hấp phụ hóa lý các kim loại trực tiếp từ nước được thực hiện nhờ các quá trình hấp phụ các kim loại lên trên bề mặt của các hạt keo, các quá trình trao đổi ion, các phản ứng tạo phức của các kim loại nặng với các hợp chất hữu cơ hoặc do các phản ứng hóa học xảy ra làm thay đổi trạng thái oxi hóa của các nguyên tố hay tạo thành các hợp chất ít tan như muối sunfua. Quá trình hấp phụ hóa lí phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện như: pH của nước, kích thước của các hạt keo, hàm lượng các chất hữu cơ và quần thể vi sinh vật [65]. Sự hấp thu sinh học chủ yếu do quá trình hấp thu kim loại của các sinh vật trong nước, phản ứng tạo phức của các kim loại với các hợp chất hữu cơ, các hoạt động sinh hóa của hệ vi sinh vật trong trầm tích [42, 68].4 Các dạng tồn tại của kim loại trong trầm tích.

Theo Tessier [33], kim loại trong mẫu trầm tích và mẫu đất tồn tại ở 5 dạng chủ yếu sau: + Dạng trao đổi: Kim loại trong dạng này liên kết với các hạt keo trong trầm tích (sét, hydrat của oxit săt, oxit mangan, axit humic) bằng lực hấp phụ yếu. Sự thay đổi lực ion của nước sẽ ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ hoặc giải hấp các kim loại này dẫn đến sự giải phóng hoặc tích lũy kim loại tại bề mặt tiếp xúc của nước và trầm tích. Chính vì vậy kim loại trong trầm tích ở dạng này rất linh động có thể dễ dàng giải phóng ngược trở lại môi trường nước. + Dạng liên kết với cácbonat: Các kim loại tồn tại ở dạng kết tủa muối cacbonat.

Các kim loại tồn tại ở dạng này rất nhạy cảm với sự thay đổi của pH, khi pH giảm các kim loại ở dạng này sẽ được giải phóng. 13 + Dạng liên kết với Fe-Mn oxit: Ở dạng liên kết này kim loại được hấp phụ trên bề mặt của Fe-Mn oxi hydroxit và không bền trong điều kiện khử, bởi vì trong điều kiện khử trạng thái oxi hóa của sắt và mangan sẽ bị thay đổi, dẫn đến các kim loại trong trầm tích sẽ được giải phóng vào pha nước.