Luận văn Thạc sĩ: Phân tích & đánh giá kim loại nặng trong trầm tích sông Hải Dương

Luận văn thạc sĩ phân tích sự phân bố các dạng liên kết kim loại nặng và đánh giá rủi ro môi trường trong trầm tích sông tỉnh Hải Dương.

• Tác giả: Linh Đức Quỳnh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Tạ Thị Thảo
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Phân tích và đánh giá sự phân bố các dạng liên kết kim loại nặng trong trầm tích sông thuộc tỉnh Hải Dương
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và tầm quan trọng phân tích kim loại nặng trong trầm tích

Phân tích kim loại nặng trong trầm tích sông là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong hóa phân tích môi trường. Trầm tích sông là những vật chất cặn lắng tích tụ tại đáy sông, chứa nhiều chất ô nhiễm từ hoạt động công nghiệp, giao thông và nông nghiệp. Kim loại nặng như Cu, Pb, Cd, Zn, Ni, Co, Fe và Mn tích lũy trong trầm tích và gây tác hại đáng kể đến hệ sinh thái nước. Việc phân tích dạng liên kết kim loại nặng giúp xác định mức độ nguy hiểm của các chất ô nhiễm này, từ đó đưa ra các biện pháp bảo vệ môi trường hiệu quả. Tỉnh Hải Dương, với hệ thống sông ngòi phức tạp và phát triển công nghiệp nhanh chóng, là khu vực cần nghiên cứu ưu tiên để đánh giá tình trạng ô nhiễm trầm tích sông Hải Dương.

1.1. Định nghĩa và nguồn gốc kim loại nặng

Kim loại nặng là những nguyên tố có khối lượng nguyên tử lớn hơn 50. Chúng phát tán vào trầm tích sông từ nhiều nguồn: hoạt động công nghiệp (nhà máy, xưởng sản xuất), giao thông (khí thải xe cơ giới), nông nghiệp (phân bón, thuốc trừ sâu), và thải rác thải. Các kim loại này không phân hủy sinh học mà chỉ thay đổi dạng liên kết, tích lũy từ từ trong trầm tích và sinh vật sống, gây tổn hại lâu dài đến sức khỏe con người và hệ sinh thái.

1.2. Các dạng liên kết kim loại trong trầm tích

Trong trầm tích sông, kim loại nặng tồn tại ở nhiều dạng liên kết khác nhau: dạng trao đổi (dễ hòa tan), dạng liên kết với chất hữu cơ, dạng liên kết với các oxit (ổn định hơn), và dạng tồn tại trong mạng tinh thể khoáng vật. Việc phân tích các dạng liên kết bằng phương pháp chiết tuần tự giúp xác định phần nào kim loại có nguy cơ cao được giải phóng vào nước và gây ô nhiễm, phần nào tương đối ổn định lâu dài.

II. Phương pháp phân tích và công nghệ sử dụng

Phân tích kim loại nặng trong trầm tích sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại để xác định hàm lượng và dạng liên kết của các kim loại. Phương pháp chiết tuần tự như chiết tuần tự Tessier và chiết tuần tự BCR được áp dụng rộng rãi để tách các dạng liên kết khác nhau. Sau khi chiết, các mẫu được định lượng bằng ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) - một kỹ thuật phân tích hiện đại cho phép xác định hàm lượng kim loại nặng ở nồng độ cực thấp (ppb). Ngoài ra, phổ hấp thụ nguyên tử AAS cũng được sử dụng cho các phân tích cơ bản. Các phương pháp thống kê như phân tích thành phần chính PCA và phân tích nhóm CA được dùng để xác định nguồn gốc phát tán của các kim loại nặng vào trầm tích sông.

2.1. Kỹ thuật ICP MS trong phân tích kim loại

Phương pháp ICP-MS là công nghệ phân tích tiên tiến cho phép định lượng kim loại nặng với độ chính xác cao và giới hạn phát hiện thấp. Kỹ thuật này kết hợp plasma cảm ứng với phổ khối, giúp xác định hàm lượng Cu, Pb, Cd, Zn, Ni, Co và các kim loại nặng khác một cách nhanh chóng. Phương pháp ICP-MS đặc biệt hữu ích trong phân tích trầm tích nơi có nhiều yếu tố gây nhiễu.

2.2. Phương pháp chiết tuần tự xác định dạng liên kết

Chiết tuần tự là phương pháp phân tích sử dụng các dung dịch hóa học lần lượt với độ mạnh tăng dần để tách các dạng liên kết kim loại nặng khác nhau. Chiết tuần tự Tessier tách thành 5 dạng: trao đổi, liên kết với Fe-Mn oxit, liên kết với hữu cơ, liên kết với sulfide và dạng cặn. Phương pháp chiết tuần tự BCR là tiêu chuẩn Châu Âu, đơn giản và dễ tái lập. Phương pháp này cho phép đánh giá nguy cơ ô nhiễm của kim loại trong trầm tích sông.

III. Đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng ở Hải Dương

Tỉnh Hải Dương là khu vực có tình hình công nghiệp và giao thông phát triển nhanh, với nhiều sông ngòi chính như sông Hải Dương chảy qua các khu công nghiệp lớn. Kết quả phân tích trầm tích sông cho thấy hàm lượng kim loại nặng vượt quá tiêu chuẩn cho phép tại nhiều địa điểm. Chỉ số ô nhiễm ICF (Individual Contamination Factor) và chỉ số RAC (Risk Assessment Code) được sử dụng để đánh giá mức độ ô nhiễm và xác định rủi ro của các kim loại nặng. Phân tích kim loại Cu, Pb, Cd cho thấy tình trạng ô nhiễm trầm tích sông ở mức cao đến rất cao, đặc biệt tại các vị trí gần khu công nghiệp và giao lộ giao thông. Việc đánh giá ô nhiễm kim loại nặng là bước quan trọng để xây dựng chiến lược bảo vệ môi trường cho sông Hải Dương.

3.1. So sánh hàm lượng kim loại với tiêu chuẩn quốc tế

Hàm lượng tổng của các kim loại nặng trong trầm tích sông Hải Dương được so sánh với tiêu chuẩn quốc tế và tiêu chuẩn Việt Nam. Cu, Pb, Zn, Cd thường có hàm lượng cao hơn tiêu chuẩn cho phép, cho thấy tình trạng ô nhiễm kim loại nặng đáng kểm. Phân tích ở độ sâu 10-40 cm cho thấy hàm lượng kim loại không giảm đáng kể theo độ sâu, chứng tỏ ô nhiễm kim loại nặng đã thấm sâu vào trầm tích.

3.2. Chỉ số RAC đánh giá rủi ro môi trường

Chỉ số RAC phân loại rủi ro thành các mức: rủi ro thấp, vừa, cao, rất cao. Kết quả phân tích cho thấy kim loại Cd, Pb có chỉ số RAC cao, tức có khả năng giải phóng cao vào nước mặt. Dạng liên kết trao đổi của các kim loại nặng là yếu tố rủi ro chính trong trầm tích sông Hải Dương, cần các biện pháp xử lý môi trường khẩn cấp.

IV. Xác định nguồn gốc phát tán và ứng dụng thực tiễn

Phân tích thành phần chính PCA và phân tích nhóm CA được sử dụng để xác định nguồn gốc phát tán của kim loại nặng vào trầm tích sông. Các kết quả cho thấy kim loại Pb, Cu có mối tương quan mạnh với nhau, gợi ý chúng có nguồn gốc chung từ khí thải giao thông. Kim loại Cd có mẫu phân bố khác biệt, chỉ ra nguồn gốc từ hoạt động công nghiệp. Phân tích nguồn gốc này rất quan trọng để xác định địa điểm xả thải và áp dụng biện pháp khắc phục hiệu quả. Việc giám sát thường xuyên và quản lý nguồn thải là những bước cần thiết để giảm ô nhiễm kim loại nặng trong sông Hải Dương, bảo vệ hệ sinh thái nước và sức khỏe công cộng. Nghiên cứu phân tích kim loại nặng cung cấp dữ liệu khoa học cho chính sách bảo vệ môi trường.

4.1. Phương pháp phân tích thành phần chính PCA

Phương pháp PCA là kỹ thuật thống kê giúp xác định mối liên hệ giữa các kim loại nặng và nhận diện nguồn gốc phát tán. Phân tích PCA trên dữ liệu kim loại Cu, Pb, Cd, Zn, Ni từ trầm tích sông cho thấy các nhóm kim loại khác nhau đại diện cho nguồn gốc khác nhau. Phương pháp này giúp phân biệt ô nhiễm tự nhiên với ô nhiễm do hoạt động con người.

4.2. Giải pháp quản lý và kiểm soát ô nhiễm

Dựa trên kết quả phân tích kim loại nặng, cần thực hiện giám sát định kỳ tình trạng ô nhiễm trầm tích sông. Biện pháp kiểm soát bao gồm giảm khí thải giao thông, kiểm soát xả thải công nghiệp, cải thiện hệ thống xử lý nước thải. Công tác khôi phục môi trường là giải pháp dài hạn để bảo vệ sông Hải Dương khỏi ô nhiễm kim loại nặng và duy trì sức khỏe hệ sinh thái nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Kim loại nặng là các nguyên tố có trong tự nhiên có khối lƣợng nguyên tử lớn và có tỷ trọng lớn hơn 5 g/cm3 [25]. Thuật ngữ ―kim loại nặng‖ đƣợc sử dụng trong thời gian gần đây là nhằm để chỉ những kim loại và á kim đƣợc sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, y tế và khoa học kỹ thuật[25]. Kim loại nặng không độc khi tồn tại ở dạng nguyên tố tự do nhƣng có thể có độc tính khi tồn tại ở trạng thái ion nhất định do nó có thể gắn kết với các chuỗi carbon, khiến cho việc đào thải kim loại nặng của con ngƣời gặp khó khăn và gây ra ngộ độc kim loại nặng. Kim loại nặng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp của con ngƣời nên dẫn đến việc kim loại nặng đƣợc xả thải ra môi trƣờng, làm tăng nguy cơ của chúng đối với sức khỏe con ngƣời và hệ sinh thái.

Ở Việt Nam hiện nay , do quá trình phát triển công nghiệp, nông nghiệp, y tế. khiến cho môi trƣờng bị ô nhiễm, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng có trong môi trƣờng đất, nƣớc đang là những vấn đề nóng đƣợc cộng đồng quan tâm. Các lƣu vực sông, cửa sông, các khu vực ven biển, cửa biển thƣờng là nơi tập trung tích tụ các chất ô nhiễm. Trầm tích tại các lƣu vực sông đóng vai trò quan trọng trong việc tích lũy các kim loại nặng bởi sự lắng đọng của các hạt lơ lửng có trong nƣớc mặt và các quá trình trao đổi giữa nƣớc mặt và trầm tích.

Các nghiên cứu về ô nhiễm kim loại nặng trong các lƣu vực sông trên thế giới đều có phần nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng có trong trầm tích, nguyên nhân là do hầu hết các kim loại nặng đều ở trạng thái bền vững và có xu thế tích tụ trong trầm tích và trong các thủy sinh vật tầng đáy sông. Kim loại nặng tích tụ ở đáy sông sẽ gây ra ảnh hƣởng đến đời sống của các sinh vật thủy sinh, điều này gián tiếp gây ra ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời thông qua chuỗi thức ăn. Do vậy, xác định hàm lƣợng kim loại nặng có trong trầm tích là rất cần thiết trong việc xem xét một cách đầy đủ mức độ ô nhiễm kim loại nặng của một nguồn nƣớc. Và độc tính, ảnh hƣởng sinh học của kim loại nặng không phải lúc nào cũng liên quan đến tổng hàm lƣợng của kim loại nặng có trong trầm tích [28].

Độc tính của kim loại nặng phụ thuộc vào các dạng hóa học của chúng nên việc xác định tổng hàm lƣợng kim loại nặng có trong trầm tích không đánh giá đƣợc mức độ ảnh hƣởng của việc ô nhiễm kim loại nặng trong trầm tích đến hệ sinh thái [19,27,28]. Để đánh giá mức độ ảnh hƣởng của kim loại nặng có trong trầm tích đến hệ sinh thái thì ngoài việc phân tích tổng hàm lƣợng của các kim loại nặng thì cũng cần phải nghiên cứu các dạng và phân bố của chúng trong trầm tích. Qua đó sẽ giúp cho chúng ta có cái nhìn tổng thể về ô nhiễm kim loại nặng trong trầm tích và ảnh hƣởng của chúng tới hệ sinh thái. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu kim loại nặng có trong trầm tích và ảnh hƣởng của chúng tới môi trƣờng đã đƣợc tiến hành rất phổ biến trên thế giới.

Ở Việt Nam đã một số nghiên cứu về kim loại nặng có trong trầm tích sông nhƣ sông Tô Lịch, sông Đáy, sông Nhuệ,. Tuy nhiên việc nghiên cứu kim loại nặng trong trầm tích sông thuộc địa phận tỉnh Hải Dƣơng vẫn chƣa đƣợc quan tâm. Tỉnh Hải Dƣơng là một tỉnh thuộc vùng đồng bằng Bắc Bộ, trên địa bàn tỉnh có 2 hệ thống sông lớn là hệ thống sông Cầu và hệ thống sông Bắc Hƣơng Hải. Do việc khai thác và phát triển các hoạt động khai khoáng chƣa hợp lí, các nhà máy và các khu công nghiệp có mật độ cao và việc xả thải của các khu công nghiệp, nhà máy ra môi trƣờng cũng nhƣ việc sử dụng một cách bừa bãi các thuốc bảo vệ thực vật, phân bón hóa học, thuốc kích thích tăng trƣởng trong nông nghiệp nên nguồn nƣớc, cảnh quan và hệ sinh thái thuộc lƣu vực các con sông trên địa bàn tỉnh Hải Dƣơng đang đứng trƣớc nguy cơ bị ô nhiễm, đặc biệt là việc ô nhiễm các kim loại nặng có trong trầm tích sông.

Vì vậy việc nghiên cứu phân tích và đánh giá sự phân bố của các dạng liên kết kim loại nặng có trong trầm tích sông thuộc tỉnh Hải Dƣơng là điều rất cấp thiết. 14 Với các vấn đề đặt ra ở trên, chúng tôi thực hiện đề tài ―Phân tích và đánh giá sự phân bố các dạng liên kết kim loại nặng trong trầm tích sông tỉnh Hải Dƣơng‖ với các nội dung chính sau: - Đánh giá mức độ ô nhiễm của 8 kim loại nặng (Cu, Pb, Cd, Zn, Fe, Co, Ni, Mn) có trong trầm tích sông tại 6 địa điểm trên địa bàn tỉnh Hải Dƣơng. - Nghiên cứu, phân tích sự phân bố của các dạng liên kết của 8 kim loại nặng (Cu, Pb, Cd, Zn, Fe, Co, Ni, Mn) có trong trầm tích sông tại 6 địa điểm trên địa bàn tỉnh Hải Dƣơng. - Nghiên cứu nguồn phát tán của kim loại nặng ra môi trƣờng.

- Đƣa ra kết luận, đánh giá về hiện trạng của các kim loại nặng này tại các địa điểm đƣợc khảo sát. 15 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Kim loại nặng, trầm tích, nguồn gốc phát tán kim loại nặng vào nƣớc mặt và trầm tích sông. Kim loại nặng.

Từ xƣa đến nay có nhiều cách định nghĩa kim loại nặng. Và những cách cách định nghĩa đó đều xuất phát từ khối lƣợng riêng chỉ khác nhau về giới hạn của giá trị này. Phổ biến nhất là cách xếp loại kim loại nặng dựa vào khối lƣợng riêng và số khối. Những kim loại có khối lƣợng riêng d > 5 g/cm 3 hoặc có khối lƣợng mol lớn hơn 52 g/mol đƣợc xếp vào nhóm kim loại nặng [40].

Trong thời gian gần đây, thuật ngữ ―kim loại nặng‖ đƣợc sử dụng là nhằm để chỉ những kim loại và á kim đƣợc sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, y tế và khoa học kỹ thuật[40]. Những kim loại này đƣợc chia làm 3 nhóm: các kim loại có độc tính (Hg, Cr, Pb, Ni, Cd, As,.), những kim loại quý (Au, Ag, Pt,.) và các kim loại phóng xạ (U, Ra,. Nhiều kim loại nặng là nguyên tố vi lƣợng cần thiết cho sức khỏe của con ngƣời nhƣ Fe, Mn, Cu,. vì những kim loại này có mặt trong các quá trình chuyển quá trong cơ thể.

Tuy nhiên nếu cơ thể có hiện tƣợng thừa các chất này thì có thể gặp các bệnh nguy hại thừa Fe có thể dẫn đến xơ gan. Trầm tích sông. Trầm tích sông là các hạt vật chất tự nhiên bị phá vỡ bởi các quá trình xói mòn hoặc do các hoạt động hóa học trên bề mặt trái đất. Sau đó những hạt vật chất này nƣớc cuốn đi và cuối cùng đƣợc lắng đọng và tích tụ thành các lớp trên bề mặt đáy của lƣu vực sông.

Tùy vào tốc độ lắng đọng và tích tụ các hạt vật chất này mà tạo nên những lớp trầm tích khác nhau. [19] Thành phần thông thƣờng của trầm tích bao gồm: Đá bột, đất sét chiếm khoảng 80% đến 90%, còn lại 10% đến 20% là gồm các hạt cát nhỏ, hạt mùn hữu cơ, hạt vô cơ. Các hợp chất chứa kim loại phổ biến có trong trầm tích gồm SiO2, 16 Al2O3, Fe2O3. Các nguyên tố kim lại nặng nhƣ Cu, Zn, Cd, As, Hg, Pb, Mn,.

chiếm một phần nhỏ. Các kim loại nặng có trong nƣớc mặt có thể đi vào trong trầm tích sông thông qua các quá trình tích lũy, và ngƣợc lại các kim loại nặng có trong trầm tích sông ở dạng di động có khả năng hòa tan ngƣợc lại vào nƣớc [17]. Chính vì lí do này nên trầm tích sông đƣợc coi là một chỉ thị quan trọng trong việc nghiên cứu đánh giá mức độ ô nhiễm của một hệ thống sông. Nguồn gốc phát tán kim loại nặng vào trong nước mặt và trầm tích sông.

Kim loại có trong nƣớc mặt xuất phát từ nhiều nguồn. Hoặc là có nguồn gốc tự nhiên hoặc là từ nƣớc thải do hoạt động sản xuất của con ngƣời. Thông thƣờng, ở môi trƣờng tự nhiên không bị ô nhiễm thì hàm lƣợng kim loại nặng có trong nƣớc mặt là rất thấp. Kim loại nặng có trong nƣớc mặt có 3 nguồn gốc tự nhiên chính: - Từ khí quyển (mƣa, tuyết, ).

- Sự phân hủy của các sinh vật. - Sự bào mòn qua thời gian trên bề mặt đá theo thời tiết. Các ion kim loại có xuất phát từ 3 nguồn kể trên sẽ dần dần đƣợc vận chuyển tới lƣu vực sông. Trong quá trình vận chuyển sẽ có nhiều quá trình tác động tới nồng độ của kim loại nhƣ: bay hơi, tái hấp thu bởi các cây cối sống gần lƣu vực sông,.

[24] Kim loại nặng có trong nƣớc mặt đƣợc đƣa đến bề mặt của trầm tích sông và đƣợc giữ lại trong trầm tích sông theo các con dƣờng sau: - Sƣ phấp phụ hóa lí từ nƣớc. - Sự hấp thu sinh học. - Sự tích lũy vật lí. Sự hấp phụ hóa lý của các nguyên tố kim loại nặng từ nƣớc mặt vào trầm tích sông đƣợc thực hiện nhờ các quá trình phấp phụ các kim loại có trên bề mặt của các hạt 17 keo, các quá trình trao đổi ion, các phản ứng tạo phức của các kim loại nặng với các hợp chất hữu cơ hoặc các phản ứng hóa học tạo ra các hợp chất ít tan[43].

Sự hấp thu sinh học chủ yếu là do quá trình hấp thu kim loại của các vi sinh vật, các quá trình sinh hóa của hệ vi sinh vật có trong trầm tích sông[25,48]. Sự tích lũy vật lí chủ yếu là do sự lắng đọng của các hạt vật chất lơ lƣởng có chứa kim loại nặng có trong nƣớc mặt xuống bề mặt trầm tích[22,31]. Giới hạn ô nhiễm của các kim loại nặng có trong trầm tích. Có nhiều tiêu chuẩn để đánh giá giới hạn ô nhiễm của kim loại nặng có trong trầm tích vì điều này phụ thuộc vào đặc điểm tự nhiên và đặc điểm kinh tế xã hội của từng nƣớc, từng khu vực.

Các giới hạn ô nhiễm của kim loại nặng có thể thay đổi khi ta đem so sánh các tiêu chuẩn với nhau. Ví dụ giới hạn ô nhiễm của đồng tại Việt Nam là 197 mg/kg nhƣng giới hạn ô nhiễm của đồng tại Hoa Kỳ là 25 mg/kg.