MỞ ĐẦU Mangan là nguyên tố phổ biến thứ 12 trong sinh quyển. Hàm lƣợng của nó trên bề mặt trái đất chiếm khoảng 0,098% về khối lƣợng. Mangan có mặt trong nhiều đối tƣợng môi trƣờng nhƣ đất, nƣớc, trầm tích và trong các vật chất sinh học khác nhau. Đây là nguyên tố rất cần thiết cho sự phát triển của sinh giới.
Tuy vậy, mangan cũng trở thành kim loại có tính độc hại khi đƣợc hấp thụ ở nồng độ cao. Với con ngƣời, mangan gây ra hội chứng đƣợc gọi là “manganism”, gây ảnh hƣởng đến hệ thần kinh trung ƣơng, bao gồm các triệu chứng nhƣ đau đầu, mất ngủ, viêm phổi, run chân tay, đi lại khó khăn, co thắt cơ mặt, tâm thần phân liệt và thậm chí ảo giác. Nó cũng có thể ảnh hƣởng tiêu cực đến hệ sinh thái thông qua chuỗi thức ăn. Với nồng độ quá cao trong nƣớc, mangan cùng với sắt là nguyên nhân gây ra hiện tƣợng nƣớc cứng, hiện tƣợng nhuộm màu các dụng cụ nấu nƣớng, đồ dùng nhà tắm và quần áo, gây mùi trong thức ăn và nƣớc uống.
Nhiều tài liệu nghiên cứu chỉ ra rằng mangan đã đƣợc tìm thấy trong nguồn nƣớc ngầm ở nhiều quốc gia trên thế giới. Ví dụ Băng-la-đét, Cam-pu-chia, Newzealand, Việt Nam…Tại Việt Nam, hàng chục triệu ngƣời dân sống tại vùng nông thôn đang dùng giếng khoan để khai thác nƣớc ngầm tầng nông phục vụ cho mục đích sinh hoạt. Do đó, nguy cơ phơi nhiễm mangan từ nƣớc ăn uống gây ảnh hƣởng tới sức khỏe là rất lớn. Với mong muốn đánh giá mức độ ô nhiễm mangan trong nƣớc giếng khoan và nguy cơ tác động đến sức khỏe ngƣời dân, luận văn đƣợc thực hiện với chủ đề: “Nghiên cứu sự ô nhiễm mangan trong nước giếng khoan và sự tích lũy trong cơ thể người dân tại xã Thượng Cát, huyện Từ Liêm, Hà Nội” gồm các mục tiêu cụ thể sau: 1.
Xác định nồng độ mangan trong nƣớc giếng khoan tại xã Thƣợng Cát, huyện Từ Liêm, Hà Nội. Nghiên cứu sự tích lũy mangan trong tóc ngƣời dân xã Thƣợng Cát, huyện Từ Liêm, Hà Nội. Luận văn Thạc sĩ khoa học 1 ĐHKHTN - ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Hoàng Mai Lớp K20 - Hóa phân tích CHƢƠNG 1. Khái quát về mangan 1.
Tính chất vật lý và tính chất hóa học Mangan là một kim loại màu trắng bạc, có kí hiệu Mn và có số hiệu nguyên tử 25 [43]. Mangan có một số dạng thù hình khác nhau về mạng lƣới tinh thể và tỉ khối, bền nhất ở nhiệt độ thƣờng là dạng α với mạng lƣới lập phƣơng tâm khối [5]. Dƣới đây là một số thông số vật lý quan trọng của mangan. Một số thông số vật lý quan trọng của Mn Số hiệu nguyên tử 25 Khối lƣợng nguyên tử 54,938045 g.mol-1 Cấu hình electron [Ar] 4s2 3d5 Tỉ trọng 7,21 g.cm−3 (gần nhiệt độ phòng) Điểm nóng chảy 1246 0C Điểm sôi 2061 0C Năng lƣợng hóa hơi 221 kJ.mol−1 Bán kính nguyên tử 127 pm Độ cứng (thang Moxơ) 5÷6 Độ dẫn điện (Hg=1) 5 Mangan rất cứng và rất dễ vỡ nhƣng dễ bị oxi hóa.
Các trạng thái oxi hóa phổ biến nhất của Mangan là +2, +3, +4, +6 và +7. Trong đó, trạng thái ổn định nhất là Mn+2 [5]. Mangan là kim loại tƣơng đối hoạt động. Nó dễ bị oxi hóa trong không khí bởi các chất oxi hóa mạnh nhƣ O2, F2, Cl2 tạo nên các hợp chất Mn2O3, Mn3O4, MnF4, MnCl2.
Ở dạng bột nhỏ, mangan tác dụng với nƣớc giải phóng hidro theo phản ứng: Luận văn Thạc sĩ khoa học 2 ĐHKHTN - ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Hoàng Mai Lớp K20 - Hóa phân tích Mn + 2H2O -> Mn(OH)2 +H2 Phản ứng này xảy ra mãnh liệt khi trong nƣớc có muối amoni vì Mn(OH)2 tan trong dung dịch muối amoni Mn(OH)2 + 2NH4+ -> Mn2+ + 2NH3 +2H2O Mangan tác dụng mạnh với dung dịch các axit loãng nhƣ HCl, H2SO4 giải phóng hidro, nhƣng lại thụ động hóa trong dung dịch HNO3 đặc, nguội. Nó chỉ tan trong dung dịch HNO3 đặc, nóng theo phản ứng 3Mn +8HNO3 -> 3Mn(NO3)2 +2NO + 4H2O Mangan cũng phản ứng với các nguyên tố không kim lọai nhƣ lƣu huỳnh, niơ, photpho, cacbon và silic ở nhiệt độ cao. Nhờ tính chất này nên mangan có vai trò của chất loại oxi trong luyện kim [5]. Những ứng dụng chính của mangan và các hợp chất của mangan Ứng dụng lớn nhất của mangan là trong công nghiệp sản xuất sắt, gang, hợp kim thép, nhất là trong việc chế tạo thép không gỉ [38].
Mangan có khả năng loại oxi, loại lƣu huỳnh trong thép, gang và có khả năng tạo hợp kim với sắt tạo thành thép đặc biệt nên truyền cho thép những tính chất tốt nhƣ khó gỉ, cứng và chịu mài mòn. Khoảng 85 - 90% lƣợng mangan đƣợc sản xuất để phục vụ cho việc sản xuất gang, thép trong ngành luyện kim [5]. Ứng dụng lớn thứ hai của mangan là sản xuất các hợp kim nhôm [43]. Hợp kim nhôm với hàm lƣợng mangan khoảng 1,5% có khả năng chống lại sự ăn mòn.
Mangan cũng có thể đƣợc thêm vào vàng, bạc, bismuth, đồng… để phục vụ cho các mục đích rất cụ thể, thƣờng liên quan đến ngành công nghiệp điện tử. Các hợp chất của mangan đƣợc ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Mangan dioxit (MnO2) và các hợp chất có tính oxi hóa đƣợc sử dụng để phục vụ cho việc làm sạch, khử màu và cho mục đích tẩy uế. MnO2 cũng đƣợc sử dụng trong sản xuất oxi và clo.
Mangan(II) oxit (MnO) đƣợc sử dụng trong việc in các sản phẩm dệt, ceramic, sơn, thủy tinh màu, phân bón Luận văn Thạc sĩ khoa học 3 ĐHKHTN - ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Hoàng Mai Lớp K20 - Hóa phân tích …Methylcyclopentadienyl mangan tricacbonyl (MMT), một hợp chất mangan hữu cơ là tác nhân làm tăng chỉ số octan trong xăng không chì ở Canada, Hoa Kỳ, châu Âu, châu Á và Nam Mỹ [38]. Vai trò của mangan đối với sự sống Mangan đƣợc tìm thấy trong nhiều loại thức ăn khác nhau, bao gồm: các loại quả, hạt, trái cây, các cây họ đậu, trà, các loại rau nhiều lá, sữa bột sơ sinh, một vài loại thịt và cá [39]. Đây là một nguyên tố cần thiết cho tất cả các loài. Cơ thể ngƣời trung bình chứa khoảng 12 mg mangan, đƣợc lƣu trữ chủ yếu ở trong xƣơng, gan, thận và tuyến tụy [43].
Con ngƣời chỉ có thể hấp thụ mangan ở dạng hòa tan của nó đó là Mn+2 [30],[43]. Mangan là một thành phần của enzym superoxit dimutat (SOD), loại enzym chống oxy hóa chủ yếu có trong ti thể, giúp chống lại các gốc tự do. Các gốc tự do xuất hiện một cách tự nhiên trong cơ thể nhƣng lại có thể làm hỏng màng tế bào và DNA, gây nên sự lão hóa, bệnh tim và ung thƣ. Sự có mặt của SOD giúp trung hòa các gốc tự do này, làm giảm thậm chí ngăn ngừa một số tác hại mà các gốc tự do gây ra [43].
Mangan kích hoạt các enzym mà các enzym ấy đóng vai trò thiết yếu trong việc sử dụng một số chất dinh dƣỡng quan trọng nhƣ biotin, thiamin, axit ascobic và cholin. Nó là một chất xúc tác trong tổng hợp axit béo và cholesterol, tạo điều kiện cho sự trao đổi protein, cacbohydrat, tham gia vào việc sản xuất hooc môn giới tính và duy trì sức khỏe sinh sản. Ngoài ra, mangan cũng kích hoạt các enzym trong việc hình thành xƣơng. Cũng có giả thuyết đƣợc đƣa ra là mangan tham gia vào việc sản xuất các hooc môn tuyến giáp đƣợc gọi là thyroxin và duy trì sức khỏe của các tế bào thần kinh.
Mangan còn giúp làm giảm các triệu chứng tiền kinh nguyệt ở phụ nữ (PMS). Trong một nghiên cứu lâm sàng, phụ nữ ăn 5 - 6 mg mangan trong khẩu phần ăn của mình mỗi ngày ít có thay đổi tâm trạng và chuột rút hơn so với những ngƣời chỉ ăn 1 mg Mn/ngày. Luận văn Thạc sĩ khoa học 4 ĐHKHTN - ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Hoàng Mai Lớp K20 - Hóa phân tích Vì mangan đóng vai trò quan trọng trong một loạt các hệ thống enzym nên chế độ ăn uống thiếu mangan có thể tác động tới nhiều quá trình sinh lý. Ở ngƣời, thiếu mangan dẫn đến các triệu chứng: buồn nôn, nôn, kém dung nạp glucozơ, phát ban da, mất màu tóc, mức cholesterol thấp, chóng mặt, nghe kém và bị tổn thƣơng chức năng của hệ thống sinh sản.
Thiếu mangan nặng ở trẻ có thể gây ra tê liệt, co giật, mù lòa và điếc. Ở động vật thí nghiệm, thiếu mangan dẫn đến chậm tăng trƣởng, bất thƣờng xƣơng, gây sai sót trong quá trình chuyển hóa cacbohydrat và chất béo. Ngoài ra, con cái của động vật thí nghiệm cho ăn theo chế độ thiếu mangan sẽ phát triển mất cân bằng và bị rối loạn chuyển động. Mangan cũng đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp lignin, chuyển hóa axít thephenolic và trong quá trình quang hợp ở thực vật.
Vấn đề ô nhiễm mangan trong nƣớc ngầm 1. Ô nhiễm mangan trong nước ngầm trên thế giới Mangan có mặt trong hơn 100 loại khoáng khác nhau, ví dụ: hausmanit (Mn3O4) chứa khoảng 72% mangan, pyrolusite (MnO2) chứa khoảng 63% mangan [4]. Thông qua quá trình rửa trôi, phong hóa của đất đá và các hoạt động của con ngƣời mangan sẽ đƣợc tích tụ trong các nguồn nƣớc khác nhau nhƣ ao, hồ sông, suối, biển… gọi chung là nƣớc bề mặt rồi từ nƣớc bề mặt mangan sẽ đƣợc ngấm vào những mạch nƣớc trong lòng đất mà ta gọi là nƣớc ngầm. Đó là lí do vì sao mangan nói riêng và nhiều nguyên tố kim loại nặng nói chung hiện nay đã có mặt trong nguồn nƣớc ngầm của nhiều quốc gia trên thế giới.
Tại các giếng có độ sâu lớn, nƣớc có sự liên hệ, trao đổi với đá trong một thời gian dài nên làm cho nồng độ mangan ở những giếng này thƣờng cao hơn [30]. Ngoài điều kiện địa hóa của khoáng vật, nồng độ mangan trong nƣớc ngầm còn chịu ảnh hƣởng bởi điều kiện hóa học của nƣớc và hoạt động của các vi sinh vật [30]. Hóa học của nƣớc bao gồm: pH, thế khử (Eh), hàm lƣợng oxi hòa tan, hàm lƣợng cac bon hữu cơ hòa tan là các yếu tố ảnh hƣởng đến sự di động của mangan, điều khiển dạng tồn tại cũng nhƣ nồng độ mangan trong môi trƣờng nƣớc. Mangan Luận văn Thạc sĩ khoa học 5 ĐHKHTN - ĐHQGHN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Hoàng Mai Lớp K20 - Hóa phân tích tồn tại ở trạng thái khử hòa tan Mn2+ ở pH và Eh thấp hơn nhƣng bị oxi hóa thành dạng kết tủa khi có mặt oxi và tại pH cao hơn.