Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp khai thác than tại tỉnh Quảng Ninh, hoạt động này đã tạo ra lượng lớn chất thải đất đá và nước thải, gây ra nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng như chì (Pb), thủy ngân (Hg) và asen (As) trong môi trường đất và nước mặt. Theo ước tính, mỗi năm các mỏ than tại Quảng Ninh thải ra khoảng 182,6 triệu m³ đất đá và 70 triệu m³ nước thải mỏ, dẫn đến ô nhiễm nghiêm trọng tại nhiều khu vực như Mạo Khê, Uông Bí, Cẩm Phả. Mỏ than Khe Sim là một trong những mỏ than lớn với sản lượng khai thác hàng trăm tấn than mỗi ngày, đồng thời cũng là nguồn phát thải các kim loại nặng vào môi trường xung quanh.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định hàm lượng tổng số của Pb, Hg và As trong một số mẫu nước mặt và đất tại khu vực mỏ than Khe Sim bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) và phổ phát xạ nguyên tử (ICP-OES). Nghiên cứu tập trung khảo sát các điều kiện tối ưu của phương pháp phân tích, xây dựng đường chuẩn, xác định giới hạn phát hiện, đánh giá sai số và độ lặp lại, đồng thời ứng dụng quy trình phân tích để đánh giá hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng tại khu vực nghiên cứu.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm các mẫu đất và nước mặt lấy tại các vị trí khác nhau quanh mỏ than Khe Sim trong năm 2016. Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ góp phần làm rõ hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng tại khu vực khai thác than mà còn cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng các giải pháp xử lý và bảo vệ môi trường, đồng thời hỗ trợ các đơn vị khai thác khoáng sản và tư vấn môi trường trong công tác quản lý và giám sát chất lượng môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình phân tích hóa học hiện đại để xác định hàm lượng kim loại nặng trong mẫu môi trường. Hai phương pháp chính được áp dụng là:

  • Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS): Dựa trên nguyên lý đo sự hấp thụ bức xạ đơn sắc của nguyên tử tự do trong trạng thái hơi. Phương pháp này sử dụng kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa hoặc không ngọn lửa (lò graphite) và kỹ thuật hóa hơi lạnh cho các nguyên tố có nhiệt độ bay hơi thấp như Hg và As. Các khái niệm chính bao gồm nguyên tử hóa mẫu, nguồn phát bức xạ đơn sắc (đèn catốt rỗng), hệ thống đơn sắc và detector.

  • Phổ phát xạ nguyên tử ghép cặp cao tần cảm ứng (ICP-OES): Sử dụng plasma nhiệt độ cao (khoảng 10.000 K) để nguyên tử hóa mẫu, kích thích các nguyên tử và ion phát xạ bức xạ đặc trưng. Phương pháp này cho phép phân tích đồng thời nhiều nguyên tố với độ nhạy cao, khoảng tuyến tính rộng và khả năng giảm thiểu nhiễu nền. Các khái niệm chính bao gồm nguyên tử hóa bằng plasma, nhiễu phổ (chồng lấp phổ toàn phần và một phần), và phần mềm hiệu chỉnh nhiễu.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng khác gồm giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ), hiệu suất thu hồi (Recovery), độ lệch chuẩn tương đối (RSD), và các quy chuẩn môi trường Việt Nam (QCVN/BTNMT).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Mẫu đất và nước mặt được lấy tại các vị trí khác nhau quanh mỏ than Khe Sim, bao gồm lòng moong, bãi thải, khu vực trồng cây cải tạo, suối Lép Mỹ, suối Ngô Quyền và nước thải sinh hoạt khu mỏ. Mẫu được lấy theo tiêu chuẩn TCVN 4046:1985, TCVN 5297:1995 và TCVN 6663-1:2011.

  • Phương pháp phân tích: Xác định hàm lượng Pb và As bằng phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) với kỹ thuật lò graphite (GF-AAS) và phổ phát xạ nguyên tử ICP-OES. Hàm lượng Hg được xác định bằng kỹ thuật hóa hơi lạnh trên máy VAG-77 sử dụng chất khử NaBH4. Quy trình xử lý mẫu bao gồm phân hủy mẫu đất bằng hỗn hợp axit HNO3-HCl, HNO3-HClO4-H2SO4 cho mẫu Hg, và xử lý mẫu nước bằng axit hóa, lọc và chiết tách.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu đất khô được nghiền, rây qua lưới 2 mm và lấy mẫu đại diện theo phương pháp hình nón ¼. Mẫu nước được lấy ở độ sâu 20 cm dưới bề mặt, axit hóa ngay sau khi lấy để bảo quản.

  • Phân tích số liệu: Mỗi mẫu được đo lặp lại 3 lần để lấy giá trị trung bình. Sử dụng phần mềm Origin 8.5 và Excel để xử lý số liệu, tính toán sai số chuẩn, độ lặp lại, hiệu suất thu hồi, xây dựng đường chuẩn và so sánh kết quả giữa các phương pháp.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2016, bao gồm các giai đoạn lấy mẫu, xử lý mẫu, phân tích trong phòng thí nghiệm và xử lý số liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử tối ưu:

    • Với As và Pb, bước sóng hấp thụ lần lượt là 193,7 nm và 283 nm, sử dụng khí argon làm môi trường nguyên tử hóa, lượng mẫu nạp 20 µl, nồng độ HNO3 1%.
    • Với Hg, bước sóng 253,7 nm, cường độ dòng đèn 6 mA, thời gian đo 45 giây, sử dụng kỹ thuật hóa hơi lạnh với chất khử NaBH4 0,3%.

  2. Khoảng tuyến tính và đường chuẩn:

    • Khoảng tuyến tính của As từ 0,5 đến 30 ppb với độ hấp thụ tuyến tính (R² > 0,99).
    • Khoảng tuyến tính của Pb từ 0,5 đến 60 ppb với độ hấp thụ tuyến tính tương tự.
    • Đường chuẩn được xây dựng với các điểm chuẩn chuẩn hóa, cho phép xác định chính xác hàm lượng kim loại trong mẫu.

  3. Hàm lượng kim loại nặng trong mẫu đất và nước:

    • Hàm lượng Pb trong đất tại các vị trí bãi thải và lòng moong dao động từ khoảng 50 đến 150 mg/kg, vượt mức giới hạn an toàn theo tiêu chuẩn Việt Nam.
    • Hàm lượng As trong nước mặt tại suối Lép Mỹ và suối Ngô Quyền dao động từ 10 đến 25 µg/l, có nơi vượt ngưỡng cho phép của QCVN.
    • Hàm lượng Hg trong mẫu đất và nước mặt thường dưới 0,5 µg/l trong nước và dưới 0,1 mg/kg trong đất, tuy nhiên có điểm mẫu có dấu hiệu tăng nhẹ do hoạt động khai thác than.

  4. So sánh phương pháp AAS và ICP-OES:

    • Kết quả phân tích hàm lượng Pb, As và Hg bằng hai phương pháp có sự tương quan cao với hệ số hồi quy trên 0,95, chứng tỏ tính chính xác và độ tin cậy của quy trình phân tích.
    • ICP-OES cho phép phân tích đồng thời nhiều nguyên tố với độ nhạy cao và khoảng tuyến tính rộng hơn, phù hợp cho phân tích mẫu phức tạp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm kim loại nặng tại khu vực mỏ than Khe Sim là do hoạt động khai thác lộ thiên, trong đó quá trình bóc đất đá và xử lý nước thải mỏ thải ra lượng lớn các kim loại nặng hòa tan hoặc bám dính trong đất và nước mặt. Hàm lượng Pb vượt ngưỡng an toàn tại nhiều điểm cho thấy nguy cơ tích tụ kim loại này trong chuỗi thức ăn và ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Hàm lượng As và Hg tuy thấp hơn nhưng vẫn cần giám sát do tính độc và khả năng tích tụ sinh học cao.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng ô nhiễm kim loại nặng tại các khu vực khai thác than và công nghiệp nặng. Việc sử dụng kết hợp AAS và ICP-OES giúp tăng độ chính xác và hiệu quả phân tích, đồng thời cung cấp dữ liệu đa chiều cho đánh giá môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường chuẩn, biểu đồ so sánh hàm lượng kim loại giữa các vị trí lấy mẫu, bảng tổng hợp kết quả phân tích và đồ thị hồi quy so sánh hai phương pháp phân tích.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát môi trường định kỳ:
    Thực hiện quan trắc chất lượng đất và nước mặt tại khu vực mỏ than Khe Sim ít nhất 3 tháng một lần để phát hiện sớm các dấu hiệu ô nhiễm kim loại nặng, đảm bảo dữ liệu cập nhật và chính xác.

  2. Cải tiến hệ thống xử lý nước thải:
    Nâng cấp công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải mỏ, áp dụng các biện pháp keo tụ, tuyển nổi và khử trùng hiệu quả nhằm giảm hàm lượng kim loại nặng trước khi xả thải ra môi trường.

  3. Phục hồi môi trường đất bị ô nhiễm:
    Áp dụng các biện pháp cải tạo đất như trồng cây cải tạo, sử dụng vi sinh vật phân hủy kim loại nặng, kết hợp với xử lý hóa học để giảm thiểu hàm lượng kim loại trong đất, đặc biệt tại các bãi thải và lòng moong.

  4. Tuyên truyền và đào tạo nâng cao nhận thức:
    Tổ chức các chương trình đào tạo, tuyên truyền cho công nhân và cộng đồng về tác hại của kim loại nặng, cách phòng tránh và bảo vệ sức khỏe, đồng thời khuyến khích thực hiện các biện pháp bảo vệ môi trường.

  5. Phối hợp nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới:
    Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu, doanh nghiệp hợp tác phát triển các công nghệ xử lý kim loại nặng tiên tiến, đồng thời áp dụng các phương pháp phân tích hiện đại để nâng cao hiệu quả giám sát và quản lý môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các cơ quan quản lý môi trường:
    Sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, quy chuẩn và kế hoạch giám sát ô nhiễm kim loại nặng tại các khu vực khai thác khoáng sản.

  2. Doanh nghiệp khai thác khoáng sản và than:
    Áp dụng các giải pháp xử lý nước thải và cải tạo đất được đề xuất nhằm giảm thiểu tác động môi trường, đảm bảo hoạt động khai thác bền vững và tuân thủ quy định pháp luật.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học:
    Tham khảo phương pháp phân tích và kết quả nghiên cứu để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo về ô nhiễm kim loại nặng và công nghệ xử lý môi trường.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức phi chính phủ:
    Nắm bắt thông tin về mức độ ô nhiễm và tác hại của kim loại nặng để nâng cao nhận thức, tham gia giám sát và bảo vệ môi trường sống tại các khu vực có hoạt động khai thác than.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp AAS và ICP-OES khác nhau như thế nào?
    AAS đo sự hấp thụ bức xạ của nguyên tử tự do, phù hợp với phân tích từng nguyên tố riêng biệt, trong khi ICP-OES sử dụng plasma để kích thích phát xạ đồng thời nhiều nguyên tố với độ nhạy cao hơn và khoảng tuyến tính rộng hơn.

  2. Tại sao cần sử dụng kỹ thuật hóa hơi lạnh cho thủy ngân?
    Thủy ngân có nhiệt độ bay hơi thấp và dễ bị mất trong quá trình nguyên tử hóa bằng ngọn lửa hoặc lò graphite, kỹ thuật hóa hơi lạnh giúp chuyển thủy ngân thành dạng nguyên tử tự do dễ bay hơi ở nhiệt độ phòng, tăng độ nhạy và chính xác.

  3. Hàm lượng kim loại nặng vượt ngưỡng có ảnh hưởng gì đến sức khỏe?
    Kim loại như Pb, As, Hg có độc tính cao, tích tụ trong cơ thể gây rối loạn chuyển hóa, tổn thương thần kinh, suy giảm trí tuệ, ung thư và các bệnh mãn tính khác, đặc biệt nguy hiểm với trẻ em và phụ nữ mang thai.

  4. Làm thế nào để giảm ô nhiễm kim loại nặng tại khu vực khai thác than?
    Áp dụng các biện pháp xử lý nước thải hiệu quả, cải tạo đất bằng cây trồng và vi sinh vật, kiểm soát nguồn thải, giám sát môi trường định kỳ và nâng cao nhận thức cộng đồng.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các khu vực khác không?
    Phương pháp và kết quả nghiên cứu có thể tham khảo và điều chỉnh áp dụng cho các khu vực khai thác khoáng sản khác có điều kiện tương tự, giúp đánh giá và quản lý ô nhiễm kim loại nặng hiệu quả.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình phân tích hàm lượng tổng số Pb, As và Hg trong mẫu đất và nước mặt bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử và phổ phát xạ nguyên tử với độ chính xác và độ lặp lại cao.
  • Xác định được khoảng tuyến tính, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng phù hợp cho từng nguyên tố, đảm bảo độ tin cậy của kết quả phân tích.
  • Phát hiện hàm lượng Pb vượt ngưỡng an toàn tại nhiều vị trí quanh mỏ than Khe Sim, đồng thời As và Hg cũng có dấu hiệu ô nhiễm nhẹ, cảnh báo nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng do hoạt động khai thác than.
  • So sánh kết quả giữa hai phương pháp AAS và ICP-OES cho thấy sự tương quan cao, khẳng định tính khả thi và hiệu quả của quy trình phân tích.
  • Đề xuất các giải pháp xử lý nước thải, cải tạo đất, giám sát môi trường và nâng cao nhận thức cộng đồng nhằm giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe người dân.

Next steps: Triển khai áp dụng quy trình phân tích trong giám sát môi trường định kỳ, phối hợp với các đơn vị khai thác than để thực hiện các biện pháp xử lý và cải tạo môi trường. Khuyến khích nghiên cứu mở rộng phạm vi và ứng dụng công nghệ mới trong phân tích và xử lý kim loại nặng.

Call-to-action: Các cơ quan quản lý, doanh nghiệp và cộng đồng cần phối hợp chặt chẽ để kiểm soát ô nhiễm kim loại nặng, bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng bền vững.