CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Đặc điểm của một số chất hữu cơ độc hại Các chất hữu cơ ô nhiễm độc hại là những chất có độc tính cao, cấu tạo phức tạp. Các chất này rất khó phân hủy, khả năng phát tán và di chuyển xa, ảnh hưởng xấu đến môi trường và hệ sinh thái. Đối với con người và sinh vật những chất hữu cơ độc hại này cũng gây ảnh hưởng đến quá trình phát triển, gây rối loạn nội tiết thậm chí gây biến đổi gen.
Các chất hữu cơ ô nhiễm độc hại xuất hiện hầu hết trong tất cả các hoạt động sống của con người, từ các quá trình sản xuất đến quá trình sinh hoạt, giao thông. Các chất này có thể xâm nhập vào cơ thể qua nhiều con đường khác nhau: qua quá trình hô hấp, tiêu hóa, tiếp xúc. Qua thời gian chúng tích tụ và gây ảnh hưởng đến sức khỏe, thậm chí gây ra các bệnh hiểm nghèo dẫn tới tử vong. Một số chất hữu cơ ô nhiễm độc hại phổ biến có thể kể đến như: PCB – có trong dầu máy biến thế, vật liệu xây dựng, quá trình đốt cháy nhiên liệu; PAH – có nhiều trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch phục vụ cho cuộc sống, PAE – có trong các sản phẩm nhựa, dược phẩm, PDBE – có trong các tấm cách nhiệt, vật liệu xây dựng, Sterol, PPCP – có trong các sản phẩm chăm sóc cá nhân, các loại thực phẩm chứa caffein, … Đặc điểm chung của những chất này đều là những chất hữu cơ có chứa vòng thơm, bản thân chúng là những họ chất trong đó có chứa nhiều chất có cấu tạo khác nhau, số lượng chất trong từng họ chất có thể lên đến hàng trăm.
Chúng có mặt ở khắp nơi, trong tất cả các thành phần môi trường. Ngoại trừ PCB có xu hướng giảm do việc loại bỏ dần các máy phát điện, các tụ điện cũ còn các chất còn lại có xu hướng không ngừng tăng về số lượng chất cũng như nồng độ các chất trong các thành phần môi trường. Công ước Stockholm về các chất hữu cơ khó phân hủy (POP – Persistant Organic Pollutants) đã liệt kê tổng cộng 12 nhóm chất ô nhiễm bền vững ảnh hưởng xấu đến 6 i môi trường và con người. Trong các nhóm chất đề cập ở trên có 2 nhóm chất thuộc nhóm POPs: PCB, PBDE.
Nhóm PAE, PAH, PPCPs, Sterol hiện tại chưa được liệt kê vào trong công ước nhưng độ độc và bền vững đối với môi trường và sinh vật của những chất này đã được nghiên cứu ở một số các nghiên cứu có độ tin cậy cao [5] [6]. Những chất này là những chất gây rối loạn nội tiết dẫn đến các thay đổi về gen làm ảnh hưởng đến sự phát triển của con người, thậm chí gây bệnh ung thư [7] [8]. PAE, PAH, PPCP và Sterol tồn tại trong môi trường dài lâu và rất khó để xử lý triệt để. Ngoài ra nguồn thải của những chất này không ngừng tăng theo thời gian do tăng dân số và tăng nhu cầu sử dụng các ứng dụng của các loại chất này.
Theo công ước Stockholm để đánh giá một chất là chất hữu cơ bền vững thuộc nhóm POPs thì chất đó cần phải đáp ứng một số các tiêu chuẩn trong bảng 1.1 dưới đây: Bảng 1.1 Các đặc điểm của chất hữu cơ ô nhiễm độc, bền trong môi trường Đặc điểm Qui định Thời gian bán hủy trong nước > 2 tháng Độ bền vững Thời gian bán hủy trong trầm tích > 6 tháng Thời gian bán hủy trong đất > 6 tháng lgKow > 5 Khả năng tích tụ sinh học Hệ số nồng độ sinh học (Bioconcentration factor) > 5000 Hệ số tích tụ sinh học (Bioaccumulation factor) > 5000 Khả năng di chuyển và Thời gian bán hủy trong không khí > 2 ngày (hoặc có đủ minh phát tán xa chứng về số liệu quan trắc tại các vùng xa so với nguồn thải) Quan sát thấy các ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người, môi Ảnh hưởng xấu trường; hoặc kết quả về độc tính cho thấy có khả năng gây nguy hại đến sức khỏe con người, môi trường. Nguồn: [9] 7 i Từ bảng 1.1 nhận thấy rằng sự nguy hiểm của nhóm các chất hữu cơ ô nhiễm độc hại đến môi trường và con người đang ở mức đáng ngại. Độ bền vững và khả năng di chuyển phát tán của chúng làm cho nồng độ của chúng không ngừng tăng cao và lan rộng ra nhiều thành phần môi trường khác làm tăng nguy cơ ảnh hưởng xấu đến con người và hệ sinh thái [9] [10] [11] [12]. Các chất hữu cơ độc hại ̀ h 1.1: Con đường xâm nhập vào cơ thể người của các chất hữu cơ độc hại.
Đặc điểm của PCB PCB (Polychlorinated Biphenyls) là một họ chất gồm 209 chất khác nhau có công thức cấu tạo từ 2 vòng thơm kết hợp với các gốc Clo. Số lượng Clo thay đổi và vị trí nối gắn vào 2 vòng thơm thay đổi thì độc tính cũng thay đổi theo.2 Công thức cấu tạo của PCB PCB là một loại hóa chất nhân tạo phục vụ cuộc sống của con người. Để sản xuất ra PCB người ta cho Biphenyl (C6H5)2 phản ứng với Cl2 với các điều kiện phản ứng khác nhau để cho ra các PCB có số nguyên tử Cl từ 1 đến 10 [8]. Đặc biệt nếu phản ứng ở nhiệt độ cao có thể thu được các chất có cơ chế độc tương tự như Dioxin: PCB77, PCB81, PCB105, PCB114.
PCB là hợp chất bền, không tan trong nước, tan trong các dung môi hữu cơ. Số lượng Cl2 trong PCB càng tăng thì độ hòa tan trong nước càng giảm. PCB có khả năng dẫn điện kém, khó bay hơi, do đó chúng được dùng để làm các loại máy biến áp, các tụ điện.2 Một số tính chất hóa lý của PCB Nhiệt độ sôi Áp suất hơi bão Độ tan trong nước Nhóm PCB lg Kow (b) (oC) hoà PL (Pa) (g/m3) (a) 1 (3) (d) 298,1 – 350,9 0,9 – 2,5 1,2 - 5,5 4,3 – 4,6 2 (12) 297,4 – 334,0 0,08 – 0,6 0,06 - 2,0 4,9 - 5,3 3 (24) 317 – 360 0,03 – 0,22 0,015 - 0,4 5,5 – 5,9 4 (42) 320 – 453 0,002 0,001 - 0,1 5,6 – 6,1 9 i Nhiệt độ sôi Áp suất hơi bão Độ tan trong nước Nhóm PCB lg Kow (b) (oC) hoà PL (Pa) (g/m3) (a) 5 (46) 349,5 – 397,0 0,023-0,051 0,004 - 0,02 6,2 – 6,5 6 (42) 358,0 – 387,0 3,4. Đặc điểm của PBDE PBDE (Polybromined Diphenyl Ethers) thuộc nhóm các hóa chất công nghiệp có chứa Br.
PBDE có cấu tạo tương tự như PCB gồm 2 vòng thơm kết hợp với 1 nguyên tử O và 1 đến 10 nguyên tử Br. Số lượng Br thay đổi thì tính chất của PBDE cũng thay đổi theo.3 Công thức cấu tạo của PDBE 10 i Họ chất của PBDE gồm 209 chất, PDBE thường tồn tại trong đất và trầm tích với độ độc rất cao. PBDE được hình thành từ phản ứng Brom hóa ete diphenyl tạo ra các PBDE có tỷ lệ Br khác nhau và được chia làm 3 nhóm phổ biến và thường được gọi là các PBDE thương mại ( Penta-, Octa- và Deca- bromodiphenylete (BDE)) [13] [14].3 Một số tính chất hóa lý của PDBE Tính chất PentaBDE OctaBDE DecaBDE Nhiệt độ nóng chảy (°C) - 200 290-306 Nhiệt độ sôi (°C) >300 - 425 Tỷ trọng (g/cm3) 2,28 2,76 3,25 Độ tan trong nước (µg/l) ở 13,3 <1 20-30 o 25 C Hệ số phân bố + lg Kow 6,64 – 6,97 8,35 – 8,90 9,97 + lg Koc 4,89 - 5,10 5,92 - 6,22 6,80 Áp suất hơi bão hoà PL 2,2 x 10-7 – 9,0 x 10-10 – 3,2 x 10-8 (mmHg) ở 25oC 5,5 x 10-7 1,7 x 10-9 Hằng số Henry 1,2 x 10-5 7,5 x 10-8 1,62 x 10-6 (at. PBDE là hợp chất bền, ít tan trong nước.
Trong cấu tạo phân tử có các liên kết carbon- brom tương đối yếu và không bền nhiệt dẫn đến khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện kém [13]. Đây cũng chính là tính chất khiến PBDE trở nên phổ biến trong cuộc sống, nó xuất hiện trong các sản phẩm với tác dụng chống cháy. Đặc điểm của PAE PAE (este acid phthalic) là các este của 1,2-benzenedicarboxylic acid. PAE được điều chế từ phản ứng của phthalic anhydride và rượu.
Công thức cấu tạo của PAE gồm 1 vòng thơm liên kết với các nhóm chức.4 Công thức cấu tạo của PAE PAE được sử dụng rộng rãi trong nhiều loại sản phẩm vì độ bền của chúng. Chúng thường được thêm vào các sản phẩm nhựa để tăng tính bền cho những sản phẩm này. Ngoài ra PAE còn được dùng trong các sản phẩm chăm sóc cơ thể và các sản phẩm phục vụ cho y tế.4 Tính chất vật lý và hóa học của một số PAE điển hình Ký hiệu Công thức phân tử Độ tan (mg/l) lgKow DMP C10H10O4 4000 1,6 DEP C12H14O4 1000 2,5 DBP C16H22O4 13 4,5 BBP C19H20O4 0,7 4,9 DEHP C24H38O4 0,3 7,5 DOP C24H38O4 0,27 8,1 Nguồn: [12] 12 i PAEs thường không màu, ít tan trong nước thường tan trong dầu hoặc dung môi hữu cơ [15]. Khả năng tích tụ sinh học của các PAE có khối lượng phân tử lớn: BBP, DEHP, DOP cao (do lgKow cao) và những PAE này là những PAE được sử dụng rộng rãi với khối lượng lớn [7] [16] [17].
Đặc điểm của PAH PAH (Polycyclic Aromatic Hydrocarbon) là một họ chất hữu cơ bao gồm hơn 200 chất có cấu tạo từ 2 hay nhiều vòng thơm kết hợp với nhau, chúng được cấu tạo từ các nguyên tử C và H. PAH có cấu tạo càng nhiều vòng thì càng bền vững và có độ độc cao với con người và môi trường.5 Công thức cấu tạo của một số PAH điển hình PAH được phát hiện trong cả tự nhiên và nhân tạo. PAH là sản phẩm của quá trình đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch cũng như các sản phẩm khác. Ngoài ra 13 i PAH còn xuất hiện trong các quá trình hình thành đất đá, trầm tích sự rò rỉ của dầu mỏ hoặc các mỏ than [18] [19].5 Một số tính chất vật lý và hóa học của 16 PAH điển hình Độ hòa tan trong Hằng số henry Ký hiệu lgKow lgKoc nước (µg/l) (Pa.m3/mol) Nap 3,34 3,13 31900 50,4 Acy 3,55 3,34 16100 11,6 Ace 3,92 3,71 4160 13,9 Flu 4,18 3,97 1880 8,7 Phe 4,502 4,292 1034 3,8 Ant 4,68 4,47 47 5,0 Pyr 4,96 4,75 124 1,2 Flu 5,18 4,97 227 1,1 Chr 5,81 5,60 1,61 0,24 BaA 5,91 5,70 10,2 0,47 BkF 6,11 5,90 0,93 0,059 BbF 6,124 5,914 1,28 0,067 BaP 6,13 5,92 1,5 0,059 BghiP 6,22 6,01 0,31 0,034 DahA 6,55 6,29 0,91 0,035 Ind 6,584 6,374 0,19 0,035 Nguồn: [20] 14 i PAH thường tồn tại ở dạng chất rắn, không màu, màu trắng hoặc màu vàng lục nhạt, có mùi thơm dễ chịu.