Luận văn thạc sĩ nghiên cứu khả năng xử lý asen trong nước của cây ráng chân xỉ pteris vittata l tại xã trung châu huyện đan phượng thành phố hà nội

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu khả năng xử lý asen trong nước của cây ráng chân xỉ Pteris vittata L tại xã Trung Châu, huyện Đan Phượng, Hà Nội.

• Tác giả: Trần Văn Sơn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Hải
• Trường học: Đại học Thái Nguyên - Trường Đại học Nông Lâm
• Chuyên ngành: Khoa học môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng xử lý asen trong nước của cây ráng chân xỉ (Pteris vittata L.) tại xã Trung Châu, huyện Đan Phượng, thành phố Hà Nội
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học môi trường
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Tổng quan về Asen
• 1.2. Giới thiệu chung
• 1.3. Tính chất vật lý
• 1.4. Tính chất hóa học
• 1.5. Con đường xâm nhập trong nước
• 1.6. Độc tính của Asen
• 1.7. Cơ chế gây độc của Asen
• 1.8. Ảnh hưởng của asen
• 1.9. Ứng dụng của Asen
• 1.10. Hiện trạng ô nhiễm Asen trên thế giới và ở Việt Nam
• 1.11. Các phương pháp xử lý Asen
• 1.11.1. Oxi hoá As (III)
• 1.11.2. Kĩ thuật keo tụ - kết tủa
• 1.11.3. Phương pháp trao đổi ion
• 1.11.4. Phương pháp lọc màng
• 1.11.5. Phương pháp hấp phụ
• 1.12. Tổng quan về Biện pháp sử dụng thực vật xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong nước
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu
• 2.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu
• 2.2.1. Địa điểm nghiên cứu
• 2.2.2. Thời gian nghiên cứu
• 2.3. Nội dung nghiên cứu
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4.1. Phương pháp lấy mẫu ngoài thực địa
• 2.4.2. Phương pháp phân tích
• 2.4.3. Phương pháp bố trí thí nghiệm
• 2.4.4. Phương pháp xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Hiện trạng sử dụng và chất lượng nước tại khu vực nghiên cứu
• 3.1.1. Hiện trạng sử dụng nước trong khu vực nghiên cứu
• 3.1.2. Chất lượng nước khu vực nghiên cứu
• 3.2. Kết quả nuôi trồng cây ráng chân xỉ trong nước tại phòng thí nghiệm
• 3.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý asen trong nước của cây Ráng chân xỉ đối với mẫu gây nhiễm nhân tạo
• 3.3.1. Kết quả chuẩn độ pH, và phân tích nồng độ As ban đầu
• 3.3.2. Kết quả khảo sát khả năng hấp thụ Asen trong nước môi trường axit
• 3.3.3. Kết quả khảo sát khả năng hấp thụ As trong nước môi trường khoảng trung tính
• 3.3.4. Kết quả khảo sát khả năng hấp thụ As trong nước môi trường bazo
• 3.3.5. Tổng hợp so sánh và đánh giá
• 3.4. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý asen trong nước của cây Ráng chân xỉ đối với mẫu gây nhiễm nhân tạo
• 3.5. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Asen ban đầu đến hiệu quả xử lý Asen của cây Ráng Chân Xỉ
• 3.5.1. Khảo sát hiệu quả xử lý As trong nước khi nồng độ As ban đầu ở mức lớn hơn 90 (µg/l)
• 3.5.2. Khảo sát hiệu quả xử lý As trong nước khi nồng độ As ban đầu ở mức thấp <90 (µg/l)
• 3.5.3. Tổng hợp nhận xét, so sánh và đánh giá
• 3.6. Kết quả khảo sát hiệu quả xử lý Asen trong nước bằng cây Ráng Chân Xỉ đối với mẫu thực địa
• KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Xử lý asen trong nước

Nghiên cứu tập trung vào việc xử lý asen trong nước bằng phương pháp sinh học, sử dụng cây ráng chân xỉ Pteris Vittata. Phương pháp này được đánh giá là hiệu quả, chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Nước nhiễm asen là vấn đề nghiêm trọng tại Trung Châu, Đan Phượng, Hà Nội, nơi nồng độ asen vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Nghiên cứu nhằm tìm ra giải pháp khả thi để giảm thiểu tác động của ô nhiễm asen đến sức khỏe cộng đồng.

1.1. Phương pháp xử lý asen

Phương pháp sử dụng thực vật hấp thụ asen được áp dụng trong nghiên cứu. Cây ráng chân xỉ Pteris Vittata có khả năng hấp thụ asen từ nước một cách hiệu quả. Quá trình này được thực hiện trong phòng thí nghiệm và trên thực địa, với các thí nghiệm kiểm soát pH, thời gian và nồng độ asen ban đầu. Kết quả cho thấy cây có khả năng loại bỏ asen đáng kể, đặc biệt trong môi trường axit và trung tính.

1.2. Công nghệ xử lý nước

Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý nước dựa trên sinh thái học, sử dụng thực vật để loại bỏ asen. Phương pháp này không chỉ hiệu quả mà còn giảm chi phí so với các phương pháp hóa học và vật lý truyền thống. Giải pháp môi trường này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi tại các khu vực bị ô nhiễm asen, đặc biệt là ở Hà Nội và các vùng lân cận.

II. Hiện trạng ô nhiễm asen

Nghiên cứu đánh giá hiện trạng ô nhiễm asen tại Trung Châu, Đan Phượng, Hà Nội. Kết quả cho thấy nồng độ asen trong nước ngầm vượt quá tiêu chuẩn của Bộ Y tế, gây nguy hiểm cho sức khỏe người dân. Ô nhiễm asen chủ yếu do hoạt động công nghiệp và nông nghiệp, cùng với quá trình tự nhiên giải phóng asen từ các tầng địa chất.

2.1. Nguyên nhân ô nhiễm

Nguyên nhân chính của ô nhiễm asen bao gồm sự hòa tan tự nhiên từ các khoáng chất chứa asen và chất thải công nghiệp. Các hoạt động như khai thác mỏ, sử dụng phân bón và thuốc trừ sâu cũng góp phần làm tăng nồng độ asen trong nước. Nghiên cứu chỉ ra rằng nước nhiễm asen là vấn đề nghiêm trọng tại nhiều khu vực ở Việt Nam, đặc biệt là vùng đồng bằng sông Hồng.

2.2. Tác động đến sức khỏe

Asen là chất độc hại, có thể gây ra các bệnh mãn tính như ung thư da, tổn thương gan và thận. Nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xử lý nước nhiễm asen để bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Bảo vệ môi trường và giảm thiểu tác động của asen là mục tiêu chính của nghiên cứu này.

III. Ứng dụng thực tế

Nghiên cứu đưa ra các giải pháp môi trường thiết thực để xử lý nước nhiễm asen tại Trung Châu, Đan Phượng, Hà Nội. Phương pháp sử dụng cây ráng chân xỉ Pteris Vittata được đánh giá là có tiềm năng ứng dụng rộng rãi, đặc biệt tại các khu vực nông thôn và vùng sâu vùng xa.

3.1. Khả năng nhân rộng

Phương pháp xử lý asen bằng thực vật hấp thụ asen có thể được nhân rộng tại các khu vực khác bị ô nhiễm asen. Nghiên cứu đề xuất các bước triển khai cụ thể, bao gồm việc trồng và chăm sóc cây ráng chân xỉ tại các khu vực bị ô nhiễm. Công nghệ xử lý nước này không chỉ hiệu quả mà còn dễ dàng áp dụng với chi phí thấp.

3.2. Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và cải thiện chất lượng nước sinh hoạt. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học để phát triển các phương pháp xử lý asen hiệu quả, góp phần giảm thiểu tác động của ô nhiễm asen đến sức khỏe cộng đồng và môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Asen (As) là một nguyên tố phổ biến trong tự nhiên với hàm lượng trung bình khoảng 2 mg/kg trong đất và đá, tồn tại dưới nhiều dạng hợp chất khác nhau, trong đó Asen hóa trị III (As(III)) có độc tính cao hơn so với Asen hóa trị V (As(V)). Theo ước tính, trên thế giới có hàng chục triệu người bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm Asen trong nước uống, đặc biệt tại các khu vực đồng bằng sông Hồng, đồng bằng sông Cửu Long ở Việt Nam, nơi nồng độ Asen trong nước ngầm vượt tiêu chuẩn cho phép từ 20 đến 50 lần. Tại Hà Nội, khảo sát 519 mẫu nước ngầm cho thấy khoảng 25% mẫu vượt tiêu chuẩn Việt Nam về Asen, và 67,63% vượt tiêu chuẩn của WHO. Nước ngầm bị ô nhiễm Asen có thể gây ra nhiều bệnh nguy hiểm như ung thư da, tổn thương thần kinh, tim mạch và các bệnh mãn tính khác.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá khả năng xử lý Asen trong nước của cây Ráng chân xỉ (Pteris vittata L.) tại xã Trung Châu, huyện Đan Phượng, Hà Nội, nhằm tìm ra phương pháp xử lý Asen hiệu quả, đơn giản và kinh phí thấp. Nghiên cứu tập trung vào khảo sát hiện trạng ô nhiễm Asen, đánh giá hiệu quả xử lý Asen trong mẫu nước gây nhiễm nhân tạo và mẫu thực địa, đồng thời xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xử lý của cây. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 7/2014 đến tháng 9/2015, với phạm vi nghiên cứu tại xã Trung Châu và phòng thí nghiệm tại Trung tâm phân tích chất lượng Hà Nội.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sinh học xử lý ô nhiễm kim loại nặng, góp phần giảm chi phí xử lý môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng, đặc biệt trong bối cảnh ô nhiễm Asen đang ở mức báo động tại nhiều vùng nông thôn Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết về độc tính và cơ chế gây độc của Asen, đặc biệt là As(III) và As(V), cùng với các mô hình xử lý ô nhiễm kim loại nặng bằng thực vật (phytoremediation). Các khái niệm chính bao gồm:

• Độc tính Asen: Asen tác động lên tế bào bằng cách ức chế enzym chứa nhóm -SH, phá vỡ quá trình tổng hợp ATP, gây tổn thương đa cơ quan.
• Phytoremediation: Sử dụng thực vật để hấp thụ, cô lập hoặc chuyển hóa các chất ô nhiễm trong môi trường nước, với ưu điểm chi phí thấp và thân thiện môi trường.
• Ảnh hưởng của pH và nồng độ Asen: pH môi trường ảnh hưởng đến dạng tồn tại của Asen và hiệu quả hấp thụ của cây; nồng độ Asen ban đầu quyết định khả năng xử lý và tốc độ hấp thụ.
• Cơ chế hấp thụ của cây Ráng chân xỉ: Rễ cây hấp thụ Asen từ nước, vận chuyển lên thân và lá, với khả năng chịu đựng và tích lũy kim loại nặng cao.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu bao gồm mẫu nước ngầm lấy tại 10 điểm khác nhau ở xã Trung Châu, huyện Đan Phượng, Hà Nội, được thu thập theo tiêu chuẩn TCVN 5993-1995. Mẫu nước được bảo quản bằng H2SO4 và HNO3 đậm đặc, phân tích nồng độ Asen bằng máy quang phổ hấp phụ nguyên tử (AAS) với độ nhạy từ ppb đến ppm.

Phương pháp phân tích gồm khảo sát ảnh hưởng của pH, thời gian và nồng độ Asen ban đầu đến hiệu quả xử lý Asen của cây Ráng chân xỉ trong phòng thí nghiệm. Các thí nghiệm được bố trí với các mức pH từ 1,01 đến 12,01, thời gian từ 0 đến 50 giờ, và nồng độ Asen ban đầu từ 40 đến 500 µg/l. Mỗi thí nghiệm sử dụng 4 cây Ráng chân xỉ trong bình 1 lít, được đặt trong máy lắc cung cấp oxy và duy trì nhiệt độ 28±1°C.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 7/2014 đến tháng 9/2015, bao gồm thu thập tài liệu, lấy mẫu thực địa, thí nghiệm phòng thí nghiệm và xử lý số liệu. Số liệu được xử lý và biểu diễn bằng phần mềm Excel 2010, với các bảng và đồ thị minh họa hiệu quả xử lý Asen theo các biến số nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiện trạng ô nhiễm Asen tại xã Trung Châu: Nồng độ Asen trong nước ngầm tại 10 điểm khảo sát dao động từ 0,1 đến 0,5 mg/l, vượt tiêu chuẩn cho phép của Bộ Y tế (0,01 mg/l) từ 10 đến 50 lần, nước có màu vàng đục và mùi tanh, không thể sử dụng trực tiếp cho sinh hoạt.

2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý Asen: Cây Ráng chân xỉ hấp thụ Asen hiệu quả nhất trong môi trường pH trung tính (khoảng 6-8), với hiệu suất hấp thụ đạt trên 80% sau 5 ngày. Ở môi trường axit hoặc kiềm mạnh, hiệu quả giảm xuống dưới 50%. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hấp thụ Asen theo pH cho thấy đỉnh hấp thụ tại pH 7,13.

3. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý: Hiệu suất hấp thụ Asen tăng theo thời gian, đạt khoảng 70% sau 24 giờ và trên 90% sau 48 giờ nuôi trồng trong dung dịch Asen có nồng độ ban đầu 100 µg/l. Đồ thị biểu diễn hiệu suất hấp thụ theo thời gian cho thấy sự tăng dần rõ rệt, ổn định sau 48 giờ.

4. Ảnh hưởng của nồng độ Asen ban đầu: Khi nồng độ Asen ban đầu dưới 90 µg/l, cây Ráng chân xỉ xử lý hiệu quả với tỷ lệ hấp thụ trên 85%. Ở nồng độ cao hơn 90 µg/l, hiệu suất giảm xuống còn khoảng 60-70%, do quá tải độc tính. Kết quả này được thể hiện qua bảng so sánh nồng độ Asen trước và sau xử lý.

5. Hiệu quả xử lý mẫu thực địa: Khi xử lý mẫu nước thực địa có nồng độ Asen trung bình 0,3 mg/l, cây Ráng chân xỉ giảm nồng độ Asen xuống còn khoảng 0,1 mg/l sau 48 giờ, tương đương hiệu suất xử lý khoảng 66%. Kết quả này khẳng định khả năng ứng dụng thực tế của cây trong xử lý ô nhiễm Asen.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu quả xử lý cao ở pH trung tính là do dạng tồn tại của Asen trong nước phù hợp với khả năng hấp thụ của cây, đồng thời môi trường pH này giúp duy trì hoạt động enzym và sinh trưởng của cây. Hiệu suất giảm ở pH quá thấp hoặc quá cao do ảnh hưởng tiêu cực đến cấu trúc tế bào và khả năng hấp thụ ion của rễ.

So sánh với các nghiên cứu khác, hiệu quả xử lý Asen của cây Ráng chân xỉ tại xã Trung Châu tương đương hoặc cao hơn so với các loài thực vật khác được nghiên cứu trong điều kiện tương tự. Kết quả cũng phù hợp với các báo cáo quốc tế về khả năng phytoremediation của Pteris vittata.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường thể hiện hiệu suất hấp thụ Asen theo pH và thời gian, bảng tổng hợp nồng độ Asen trước và sau xử lý ở các nồng độ ban đầu khác nhau, giúp minh họa rõ ràng xu hướng và hiệu quả xử lý.

Nghiên cứu góp phần làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xử lý Asen của cây Ráng chân xỉ, từ đó đề xuất các điều kiện tối ưu cho ứng dụng thực tế, đồng thời bổ sung cơ sở khoa học cho công nghệ xử lý ô nhiễm kim loại nặng bằng thực vật tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai mô hình xử lý Asen bằng cây Ráng chân xỉ tại các khu vực ô nhiễm: Khuyến khích các địa phương có nồng độ Asen trong nước ngầm vượt tiêu chuẩn áp dụng mô hình trồng và nuôi dưỡng cây Ráng chân xỉ trong bể lọc nước sinh hoạt, nhằm giảm nồng độ Asen xuống mức an toàn trong vòng 48-72 giờ. Chủ thể thực hiện: chính quyền địa phương, các tổ chức môi trường; timeline: 6-12 tháng.

2. Điều chỉnh pH môi trường nước trong quá trình xử lý: Đề xuất duy trì pH nước trong khoảng 6-8 để tối ưu hiệu quả hấp thụ Asen của cây, có thể sử dụng các chất điều chỉnh pH an toàn như NaOH hoặc HCl với liều lượng phù hợp. Chủ thể thực hiện: đơn vị quản lý nước, hộ gia đình; timeline: liên tục trong quá trình xử lý.

3. Tăng cường nghiên cứu và phát triển công nghệ phytoremediation: Khuyến khích các viện nghiên cứu, trường đại học tiếp tục nghiên cứu sâu về cơ chế hấp thụ, khả năng chịu độc và sinh trưởng của cây Ráng chân xỉ trong điều kiện thực tế, mở rộng quy mô thí điểm tại nhiều vùng khác nhau. Chủ thể thực hiện: các cơ sở nghiên cứu; timeline: 1-3 năm.

4. Tuyên truyền, nâng cao nhận thức cộng đồng về nguy cơ ô nhiễm Asen và biện pháp xử lý: Tổ chức các chương trình đào tạo, hội thảo, phát tài liệu hướng dẫn sử dụng cây Ráng chân xỉ trong xử lý nước, đồng thời khuyến khích người dân kiểm tra nồng độ Asen định kỳ. Chủ thể thực hiện: Sở Y tế, Sở Tài nguyên Môi trường, các tổ chức phi chính phủ; timeline: 6 tháng đến 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học Môi trường: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về khả năng xử lý Asen bằng thực vật, giúp mở rộng kiến thức và ứng dụng trong nghiên cứu môi trường.

2. Cơ quan quản lý môi trường và chính quyền địa phương: Thông tin về hiện trạng ô nhiễm Asen và giải pháp xử lý thực tiễn hỗ trợ hoạch định chính sách, quản lý nguồn nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

3. Các tổ chức phi chính phủ và doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực xử lý môi trường: Cơ sở khoa học để phát triển các mô hình xử lý ô nhiễm Asen thân thiện môi trường, chi phí thấp, phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam.

4. Người dân và cộng đồng tại các vùng bị ô nhiễm Asen: Hướng dẫn thực hành sử dụng cây Ráng chân xỉ để cải thiện chất lượng nước sinh hoạt, giảm thiểu nguy cơ mắc các bệnh liên quan đến Asen.

Câu hỏi thường gặp

1. Cây Ráng chân xỉ có thể xử lý Asen trong nước ở mức nồng độ nào hiệu quả nhất?
   Cây xử lý hiệu quả nhất với nồng độ Asen ban đầu dưới 90 µg/l, đạt hiệu suất hấp thụ trên 85% sau 48 giờ. Ở nồng độ cao hơn, hiệu quả giảm do độc tính ảnh hưởng đến cây.

2. Thời gian cần thiết để cây Ráng chân xỉ giảm nồng độ Asen trong nước là bao lâu?
   Hiệu suất hấp thụ tăng theo thời gian, đạt khoảng 70% sau 24 giờ và trên 90% sau 48 giờ trong điều kiện phòng thí nghiệm với nhiệt độ 28±1°C.

3. Ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý Asen của cây như thế nào?
   pH môi trường ảnh hưởng lớn đến hiệu quả xử lý; cây hấp thụ tốt nhất trong môi trường pH trung tính (6-8). pH quá thấp hoặc quá cao làm giảm khả năng hấp thụ do ảnh hưởng đến cấu trúc tế bào và dạng tồn tại của Asen.

4. Phương pháp phân tích nồng độ Asen trong nghiên cứu là gì?
   Nồng độ Asen được phân tích bằng máy quang phổ hấp phụ nguyên tử (AAS), phương pháp có độ nhạy cao, phù hợp với nồng độ từ ppb đến ppm, đảm bảo độ chính xác trong phân tích mẫu nước.

5. Cây Ráng chân xỉ có thể áp dụng xử lý Asen trong thực tế ở quy mô lớn không?
   Nghiên cứu cho thấy cây có khả năng xử lý hiệu quả trong mẫu thực địa, do đó có tiềm năng áp dụng quy mô lớn tại các vùng ô nhiễm Asen, đặc biệt trong các hệ thống xử lý nước sinh hoạt quy mô hộ gia đình hoặc cộng đồng.

Kết luận

• Cây Ráng chân xỉ (Pteris vittata L.) có khả năng hấp thụ và xử lý Asen trong nước với hiệu suất cao, đặc biệt trong môi trường pH trung tính và nồng độ Asen dưới 90 µg/l.
• Hiệu quả xử lý tăng theo thời gian, đạt trên 90% sau 48 giờ nuôi trồng trong điều kiện phòng thí nghiệm.
• Nước ngầm tại xã Trung Châu, huyện Đan Phượng, Hà Nội bị ô nhiễm Asen nghiêm trọng, vượt tiêu chuẩn cho phép từ 10 đến 50 lần, gây nguy cơ sức khỏe cộng đồng.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng công nghệ phytoremediation bằng cây Ráng chân xỉ trong xử lý ô nhiễm Asen, góp phần giảm chi phí và bảo vệ môi trường.
• Đề xuất triển khai mô hình xử lý tại các vùng ô nhiễm, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng và nâng cao hiệu quả ứng dụng trong thực tế.

Hành động tiếp theo là triển khai thí điểm mô hình xử lý Asen bằng cây Ráng chân xỉ tại các khu vực ô nhiễm, đồng thời tăng cường tuyên truyền và đào tạo cộng đồng về biện pháp xử lý thân thiện môi trường này. Các cơ quan quản lý và tổ chức nghiên cứu cần phối hợp để phát triển và hoàn thiện công nghệ, hướng tới bảo vệ nguồn nước và sức khỏe người dân.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về Asen 1. Giới thiệu chung Asen hay còn gọi là thạch tín, có ký hiệu hóa học là As và số nguyên tử 33. Nó phân bố rộng rãi trong vỏ trái đất với hàm lượng trung bình khoảng 2mg/kg, có mặt trong đất, đá, nước, không khí ở dạng vết.

Khối lượng nguyên tử của nó bằng 74,92. Asen là một á kim gây ngộ độc khét tiếng và có nhiều dạng thù hình: màu vàng (phân tử phi kim) và một vài dạng màu đen và xám (á kim). Ba dạng có tính kim loại của asen với cấu trúc tinh thể khác nhau cũng được tìm thấy trong tự nhiên, nhưng nói chung nó hay tồn tại dưới dạng các hợp chất asenua và asenat. Vài trăm loại khoáng vật như thế đã được biết tới.

Asen và các hợp chất của nó được sử dụng như là thuốc trừ dịch hại, thuốc trừ cỏ, thuốc trừ sâu và trong một loạt các hợp kim. Asen cũng dễ tự liên kết với chính nó, chẳng hạn tạo thành các cặp As-As trong sulfua đỏ hùng hoàng (α-As4S4) và các ion As43- vuông trong khoáng coban asenua có tên skutterudit. e 5 Hàm lượng asen trong một số khoáng vật phổ biến. Hàm lượng Asen trong một số khoáng vật STT Tên đá hoặc khoáng vật Khoảng nồng độ Asen (Mg/kg) Khoáng vật Sulphit 1 Marcasit 20-60 2 Chalcopyrite 10-5000 3 Sphalerit 5-17000 4 Galen 5-10000 Khoáng ôxit 5 Fe(3+)oxithydroxid >76000 6 Fe oxid >2000 7 Magnetid 2.7-41 Khoáng Silicat 8 Quartz 0.3 Khoáng cacbonat 12 Calcit 1-8 13 Dolomit <3 14 Xiderit <3 Khoáng Sunphat 15 Gypsum/anhydrite <1-6 16 Barit <1-12 17 Jarosit 34-1000 18 Apatit 1-1000 (Nguồn: Nguyễn Hoài Châu và nnk 2006) e 6 Asen là thành phần của hơn 200 khoáng vật khác nhau.

Khoáng vật phổ biến nhất là Arsenopyrite (FeAsS), có hàm lượng tới vài chục gam/kg quặng, tiếp đến là khoáng Asenua (27 loại), sunfua (13 loại), muối sunfo (65 loại) và các sản phẩm ôxy hóa của chúng (2 dạng ôxit, 11 dạng Asenit, 116 dạng Asenat và 7 dạng silicat) [10] Hình 1.1: Khoáng vật chứa Asen Asen về tính chất hóa học rất giống với nguyên tố đứng trên nó là phốt pho. Tương tự như phốtpho, nó tạo thành các ôxít kết tinh, không màu, không mùi như As2O3 và As2O5 là những chất hút ẩm và dễ dàng hòa tan trong nước để tạo thành các dung dịch có tính axít. Axít asenic (V), tương tự như axít phốtphoric, là một axít yếu. Tương tự như phốtpho, Asen tạo thành hiđrua dạng khí và không ổswn định, đó là arsin (AsH3).

Sự tương tự lớn đến mức Asen sẽ thay thế phần nào cho phốtpho trong các phản ứng hóa sinh học và vì thế nó gây ra ngộ độc. Tuy nhiên, ở các liều thấp hơn mức gây ngộ độc thì các hợp chất asen hòa tan lại đóng vai trò của các chất kích thích và đã từng phổ biến với các liều nhỏ như là các loại thuốc chữa bệnh cho con người vào giữa thế kỷ 18. Khi bị nung nóng trong không khí, nó bị ôxi hóa để tạo ra triôxít asen; hơi từ phản ứng này có mùi như mùi tỏi. Mùi này cũng có thể phát hiện bằng cách đập các khoáng vật asenua như asenopyrit bằng búa.

Asen (và một số hợp chất của Asen) thăng hoa khi bị nung nóng ở áp suất tiêu chuẩn, chuyển e 7 hóa trực tiếp thành dạng khí mà không chuyển qua trạng thái lỏng. Asen nguyên tố được tìm thấy ở nhiều dạng thù hình rắn: dạng màu vàng thì mềm, dẻo như sáp và không ổn định, và nó làm cho các phân tử dạng tứ diện As4 tương tự như các phân tử của phốtpho trắng. Các dạng màu đen, xám hay kim loại hơi có cấu trúc kết tinh thành lớp với các liên kết trải rộng khắp tinh thể. Chúng là các chất bán dẫn cứng với ánh kim.

Tỷ trọng riêng của dạng màu vàng là 1,97 g/cm³; dạng asen xám hình hộp mặt thoi nặng hơn nhiều với tỷ trọng riêng 5,73 g/cm³; các dạng á kim khác có tỷ trọng tương tự.Tính chất vật lý Asen không gây mùi khó chịu trong nước ngay cả khi hàm lượng có thể gây chết người và khó phân hủy. Asen là nguyên tố phổ biến thứ 20 trong các nguyên tố có trên bề mặt trái đất, hàm lượng trung bình là 1,5 – 2 mg/kg đất. Theo từ điển bách khoa dược học xuất bản năm 1999, Thạch tín là tên gọi thông thường chỉ nguyên tố asen, nhưng cũng đồng thời dùng chỉ hợp chất oxit của asen hóa trị III (As2O3). Ô xít có màu trắng, dạng bột, tan trong nước, rất độc.

Ở vị trí thứ 33 trong bảng hệ thống tuần hoàn Menđeleep có cấu trúc electron là : [Ar]. Asen mang nhiều độc tính tương tự như một số kim loại nặng như chì và thủy ngân, khối lượng phân tử là 74,9216g/mol, không hòa tan trong nước. Vỏ trái đất chỉ chứa một hàm lượng rất nhỏ asen (~0. Tuy nhiên nó lại phân bố rộng khắp trái đất.

Trong tự nhiên thạch tín tồn tại ở dạng nguyên chất với ba dạng thù hình (dạng alpha có màu vàng, dạng bê ta có màu đen, dạng gama có màu xám). Nguyên tố Asen cũng tồn tại ở một số dạng ion khác.Tính chất hóa học Asen tồn tại dưới các dạng hợp chất. trong nước asen tồn tại ở 2 hóa trị hóa trị (III) và hóa trị (V). Hợp chất asen hóa trị (III) có độc tính cao hơn dạng hóa trị asen hóa trị (V).

Asen có khả năng cộng kết với nhiều các ôxít kim loại như Fe, Mg, Al, Zn. Trong môi trường khí hậu khô: Các hợp chất Asen dễ bị hòa tan, rửa trôi để thâm nhập vào đất, vào nước, vào không khí. Asen tham gia phản ứng với oxy trở thành dạng As2O3 rồi sau đó trở thành As2O5. nếu trong môi trường yếm khí thì As(V) sẽ bị khử về trạng thái As(III).

4As + 3O2 → 2As2O3 As2O3 + O2 → As2O5 Asen tham gia phản ứng với tất cả các halogen trong môi trường axit 2As + 3Cl2 → 2AsCl3 AsCl3 + Cl2 → AsCl5 2As + 3F2 → 2AsF3 Quy trình phản ứng Oxy hóa diễn ra như sau: + Ở dạng Ion: FeAsS + O2 + H2O → H2AsO4- + H3AsO3 + SO42- + H+ + FeOOH + Ở dạng hoàn chỉnh: FeAsS + O2 + H2O → H3AsO4 + H3AsO3 + H2SO4 + FeOOH * Một số hợp chất của asen Ở trạng thái tự nhiên Asen tồn tại nhiều dạng hợp chất khác nhau nhưng dạng gây độc và ảnh hưởng tới con người nhiều nhất là asen (III) e 9 - Asen(III) clorua (AsCl3) + Khối lượng phân tử: 181.24 gam/mol + Nhiệt độ đông đặc: -160C +Nhiệt độ sôi: 1300C + Trạng thái: dung dịch + D=2150-2205 kg/m3 - Asen(V) florua (AsF5) + Khối lượng phân tử: 169.914 gam/mol +Nhiệt độ đông đặc: -79.80C + Trạng thái: khí + D=7.456 kg/m3 - Asen(III) oxit (As2O3) + Khối lượng phân tử:197.84gam/mol + Nhiệt độ đông đặc: 3130C + Nhiệt độ sôi: 4600C + Trạng thái: tinh thể rắn + D= 3704 kg/m3 - Asen(V) oxit (As2O5) + Khối lượng phân tử: 229.84gam/mol + Nhiệt độ nóng chảy: 3150C + Màu trắng + Trạng thái: rắn + D= 4320kg/m3 Hình 1. Cấu Trúc không gian các hợp chất của asen e 10 1. Con đường xâm nhập trong nước Con đường tự nhiên: Sự tích tụ trong các tầng trầm tích chứa nước, khi điều kiện môi trường thay đổi, asen được giải phóng và đi vào nước ngầm dưới dạng các ion, sự hòa tan tự nhiên giữa khoáng chất và quặng. + Con đường nhân tạo: Do chất thải công nghiệp (nhất là trong các ngành thuộc da, làm thủy tinh, đồ gốm, sản xuất thuốc nhuộm), sử dụng phân bón và hóa chất bảo vệ thực vật, hoạt động đào và lấp giếng không đúng tiêu chuẩn kỹ thuật của người dân.

Asen thâm nhập vào cơ thể chủ yếu qua thực phẩm, nước uống và không khí. Cơ chế + Asen xâm nhập vào nước từ các công đoạn hòa tan các chất và quặng mỏ, từ nước thải công nghiệp và sự tự lắng đọng của không khí. + Asen được giải phóng ra môi trường nước do quá trình oxy hóa các khoáng sunfua hoặc khử các khoáng oxi hidroxit giàu asen. + Thông qua quá trình sinh địa hóa, thủy địa hóa và các điều kiện địa chất thủy văn mà Asen có thể thâm nhập vào môi trường nước.

+ Hàm lượng asen trong nước dưới đất phụ thuộc vào tính chất và trạng thái môi trường địa hóa. Asen tồn tại dưới đất, trong nước có dạng H2AsO4 1-( trong môi trường axit đến gần trung tính) + H2AsO4 2- (trong môi trường kiềm). hợp chất H3AsO3 được hình thành chủ yếu ở quá trình khử yếu. Các hợp chất của asen với Na có tính hòa tan rất cao.

Phức chất asen có thể chiếm tới 80% các dạng hợp chất asen tồn tại trong nước dưới đất. + Asen trong nước dưới đất thường tập trung cao trong các hợp chất bicarbonat như bicacbonat Cl, Na, B, Si. e 11 + Nước dưới đất không có oxi thì hợp chất asenat được khử thành asenit, có độc tính gấp 4 lần asenat. Trong trường hợp tầng nhiều sắt và chất hữu cơ thì khả năng hấp thụ asen tốt khiến tiềm năng ô nhiễm sẽ cao hơn.

+ Nguyên nhân khiến cho nước ngầm có hàm lượng asen cao hơn là do sự oxi hóa asenopyrit, pyrite trong các tầng sét và lớp kẹp than bùn trong bồi tích cũng như giải phóng asen dạng hấp thụ khi khử keo hyđroxit Fe3+ bởi các hợp chất hữu cơ và vi sinh vật. Độc tính của Asen Asen là nguyên tố cần thiết cho sự sống khi ở hàm lượng rất thấp, có vai trò quan trọng trong trao đổi chất nuclein, tổng hợp protit và hemoglobin, tuy nhiên lại là rất độc khi ở hàm lượng đủ lớn. Asen rất phổ biến trong tự nhiên và nó có thể đi vào cơ thể sinh vật qua nhiều con đường như hô hấp, tiếp xúc qua da, nhưng con đường chủ yếu vẫn là qua thức ăn và nước uống. Trong cơ thể thực vật, Asen như một chất làm cản trở quá trình trao đổi chất, hạn chế quá trình quang hợp, làm rụng lá và giảm mạnh năng xuất cây trồng đặc biệt trong môi trường thiếu photpho.

Khi thực vật hấp thu một lượng đáng kể Asen, con người và động vật ăn phải thì cũng có thể nhiễm độc. Đối với con người, Asen và nhiều hợp chất của nó là những chất độc cực kỳ có hiệu nghiệm: Làm đông tụ protein, tạo phức với coenzyme va phá hủy quá trình photpho hóa. Asen phá vỡ việc sản xuất ATP thông qua vài cơ chế. Ở cấp độ của chu trình axít citric, Asen ức chế pyruvat dehydrogenaza và bằng cách cạnh tranh với photphat nó tháo bỏ photphorylat hóa ôxi hóa, vì thế ức chế quá trình khử NAD+ có liên quan tới năng lượng, hô hấp của ti thể và tổng hợp ATP.