CHƯƠNG 1. Kim loại nặng và tác hại của chúng Kim loại nặng (KLN) là các kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3 như Thủy ngân (15,534 g/cm3), Chì (11,34 g/cm3), Cadimi (8,65 g/cm3), Crom (7,15 g/cm3), Asen (5,73 g/cm3). Chúng có thể ở trong khí quyển (dạng hơi), thủy quyển (các muối hòa tan), địa quyển (dạng rắn không tan, khoáng, quặng.) và sinh quyển (trong cơ thể con người, động thực vật). Một vài KLN có thể cần thiết cho cơ thể sống, khi ở một hàm lượng nhất định nào đó.
Tuy nhiên khi lớn hơn giới hạn cho phép, nó sẽ trở lên độc hại. Những nguyên tố như Pb, Cd, Hg, Cr.được sử dụng trong công nghiệp, khoa học kỹ thuật, nhưng việc phát thải ra môi trường sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Những kim loại này khi đi vào cơ thể sống, ngay cả ở dạng vết cũng có thể gây độc hại. Trong các KLN thì Cd, Pb, Hg, Cr là những KLN được Cơ quan Bảo vệ Môi trường của Mỹ (US-EPA) xếp vào nhóm tám KLN phổ biến nhất và có độc tính cao.
Người ta cho rằng, sự độc hại gây nên do các KLN được thải hàng năm vào sinh quyển vượt xa độ độc hại của tất cả các chất thải hữu cơ và phóng xạ [4]. Các nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng Theo nghiên cứu của các nhà khoa học, KLN có nguồn gốc phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau. Đặc biệt, sự phát thải các KLN vào môi trường do con người (khai khoáng, công nghiệp, nông nghiệp.) lớn hơn rất nhiều so với hoạt động của các quá trình tự nhiên (núi lửa, động đất, sạt lở.), đặc biệt là Pb, Zn, Cu. Ô nhiễm kim loại nặng do hoạt động sản xuất nông nghiệp Trong quá trình sản xuất nông nghiệp, con người đã sử dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật có chứa As, Pb, Hg hay các loại phân bón hóa học có chứa Cd, Pb, nên đã làm tăng đáng kể các nguyên tố KLN trong đất.
Các loại 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com bùn, nước thải cũng là nguồn có chứa nhiều các KLN khác như Hg, Zn, As, Pb. Hàm lượng các KLN này sẽ tăng lên trong đất theo thời gian 1. Ô nhiễm kim loại nặng do công nghiệp Ngày nay theo xu hướng công nghiệp hóa đất nước, các ngành công nghiệp phát triển mạnh mẽ, vấn đề ô nhiễm ngày càng trở nên nghiêm trọng. Nguồn phát tán các KLN trước hết phải kể đến sản xuất công nghiệp, đặc biệt là ngành khai khoáng tạo ra nguồn thải là Pb, Hg, Zn.Và chúng là nguyên nhân của sự tích tụ quá mức hàm lượng KLN trong đất và nước.
Kết quả nghiên cứu của tác giả Nguyễn Ngọc Nông (2003) [8] cho rằng: hàm lượng Cd, Pb và As ở trong đất tỉnh Thái Nguyên lần lượt dao động trong khoảng 0,78 mg/kg- 1,59 mg/kg, 1,97 mg/kg- 4,45mg/kg và 1,88 mg/kg- 5,12 mg/kg. Hàm lượng các nguyên tố này trong đất càng lớn theo thời gian, trong các khu công nghiệp, khu dân cư tập trung và các vùng khai khoáng 1. Ô nhiễm KLN do chất thải làng nghề Hiện nay, ở Việt Nam, vấn đề ô nhiễm môi trường đất và nước xảy ra khá nghiêm trọng ở các làng nghề đặc biệt là các làng nghề tái chế kim loại. Theo nghiên cứu của các nhà khoa học, thì hàm lượng KLN trong nước thải của các làng nghề tái chế kim loại hầu hết đều cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần, và đều thải trực tiếp vào môi trường mà không qua xử lý 1.
Tính chất và tác hại của chì Chì kim loại có tồn tại trong tự nhiên nhưng ít gặp. Chì thường được tìm thấy trong các quặng như PbS, PbCO3. Chì có tính chống ăn mòn cao và dễ dát mỏng nên có nhiều ứng dụng. Chì là thành phần chính tạo nên ăc quy sử dụng cho xe, chì được sử dụng như chất nhuộm trắng trong sơn, chì dùng làm các tấm ngăn để chống phóng xạ hạt nhân.
Việc sử dụng chì tràn lan đã dẫn đến vấn đề ô nhiễm môi trường. Chì tiếp xúc với con người dẫn đến các vấn đề về sức khỏe cộng đồng ở nhiều nơi trên thế giới. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tác hại của chì đối với sức khỏe con người: Trong cơ thể người, chì không tham gia phản ứng sinh hóa hay vai trò sinh lý nào, nên ngưỡng an toàn dành cho chì là không hề có. Bất kể một lượng nhỏ nào của chì cũng sẽ gây hại cho cơ thể.
Trong cơ thể người, Chì có xu hướng thay thế vị trí của tất cả các kim loại khác. Chì cũng chiếm chỗ của kẽm và canxi trong các protein, mà không có mặt hai nguyên tố này, protein không thể hoạt động. Chì trong máu liên kết với hồng cầu, và tích tụ trong xương. Khả năng loại bỏ chì ra khỏi cơ thể rất chậm chủ yếu qua nước tiểu.
Chu kì bán rã của chì trong máu khoảng một tháng, trong xương từ 20-30 năm [40]. Các hợp chất chì hữu cơ rất bền vững độc hại đối với con người, có thể dẫn đến chết người [30]. Những biểu hiện của ngộ độc chì cấp tính như nhức đầu, tính dễ cáu, dễ bị kích thích, và nhiều biểu hiện khác nhau liên quan đến hệ thần kinh. Con người bị nhiễm độc lâu dài đối với chì có thể bị giảm trí nhớ, giảm khả năng hiểu, giảm chỉ số IQ, xáo trộn khả năng tổng hợp hemoglobin có thể dẫn đến bệnh thiếu máu [26].
Chì cũng được biết là tác nhân gây ung thư phổi, dạ dày và u thần kinh đệm [35]. Nhiễm độc chì có thể gây tác hại đối với khả năng sinh sản, gây sảy thai, làm suy thoái nòi giống [18]. Đất và sự tích lũy kim loại chì trong đất Chì được sử dụng nhiều trong các ngành nghề làm nảy sinh những vấn đề lớn về môi trường, đó là ô nhiễm độc chất chì trong môi trường sinh thái, đặc biệt là môi trường đất. Khi phát sinh vào môi trường đất, chì có thời gian tồn tại lâu dài và khó phân hủy.
Những hợp chất chì trong đất và trầm tích, làm ô nhiễm chuỗi thức ăn và ảnh hưởng đến trao đổi chất của con người lâu dài trong tương lai. Trên thế giới, các nước có nền công nghiệp phát triển thì việc gây ô nhiễm môi trường có xu hướng cao hơn và hàm lượng Pb trong đất cũng nhiều hơn. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong tự nhiên, quá trình phong hóa đá cũng gây nên lượng Pb nhỏ xâm nhập vào đất, đặc biệt là các loại đá trầm tích có chứa lưu huỳnh, đá phiến sét (chẳng hạn như các sunfua kim loại) [16]. Tuy nhiên, nguồn tự nhiên gây ô nhiễm Pb trong đất không đáng kể so với nguồn nhân tạo.
Hàm lượng Pb nếu ở mức cao tồn đọng trong đất, rất dễ theo chu trình đất - cây trồng - động vật - con người gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và động vật. Khi chì tích tụ trong môi trường đất, thì việc làm giảm hàm lượng chì trở nên rất khó khăn. Bởi lẽ Pb là nguyên tố kim loại nặng tồn tại ở nhiều dạng khác nhau và được các heo đất giữ chặt. Và cách thông dụng nhất để giảm hàm lượng chì là hạn chế hàm lượng Pb ngay từ khâu đầu vào để tránh khả năng xâm nhập của Pb vào đất 1.
Dạng kim loại và các phương pháp chiết dạng kim loại nặng trong đất 1. Khái niệm về phân tích dạng Trong đất có chứa nhiều thành phần, nguyên tố có hại, trong số đó có các kim loại nặng. Các kim loại có thể tồn tại dưới các dạng hóa học khác nhau, nhưng các dạng có khả năng tích lũy sinh học được quan tâm nhiều hơn. Trong thực tế, độ linh động và hoạt tính sinh học cũng như khả năng tích lũy sinh học của kim loại phụ thuộc vào dạng tồn tại bao gồm dạng hóa học (trạng thái oxi hóa, điện tích, trạng thái hóa trị và liên kết) và dạng vật lí (trạng thái vật lí, kích thước hạt.
Nếu các kim loại tồn tại trong các dạng linh động và có khả năng tích lũy sinh học được giải phóng từ đất sẽ làm tăng hàm lượng các kim loại có độc tính trong nước, dẫn đến nguy cơ gia tăng sự hấp thu các kim loại này đối với thực vật, động vật và con người [10, 37]. Việc xác định cụ thể hàm lượng của các KLN ở từng dạng liên kết cũng như nghiên cứu sự phân bố các KLN giữa các dạng liên kết khác nhau trong đất được xem là phân tích dạng. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các dạng liên kết của kim loại trong đất Kim loại trong đất và trầm tích được chia thành 5 dạng chính: Dạng trao đổi, dạng liên kết với cacbonat, dạng hấp phụ trên bề mặt oxit sắt - mangan, dạng liên kết với các hợp chất hữu cơ và dạng cặn dư.
- Dạng trao đổi: Kim loại trong dạng này liên kết với trầm tích bằng lực hấp phụ yếu trên các hạt. Sự thay đổi lực ion của nước sẽ ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ hoặc giải hấp các kim loại này dẫn đến sự giải phóng hoặc tích lũy kim loại tại bề mặt tiếp xúc của nước và trầm tích hoặc đất [1, 38] - Dạng liên kết với cacbonat: các kim loại liên kết với cacbonat rất nhạy cảm với sự thay đổi của pH, khi pH giảm thì kim loại tồn tại ở dạng này sẽ được giải phóng [1, 38] - Dạng liên kết với Fe-Mn oxit: Ở dạng liên kết này kim loại được hấp phụ trên bề mặt của Fe-Mn oxi hydroxit và không bền trong điều kiện khử, bởi vì trong điều kiện khử trạng thái khử của sắt và mangan sẽ bị thay đổi, dẫn đến các kim loại trong đất sẽ được giải phóng vào pha nước [1, 38] - Dạng liên kết với hữu cơ: Các kim loại ở dạng liên kết với hữu cơ sẽ không bền trong điều kiện oxi hóa, khi bị oxi hóa các chất hữu cơ sẽ phân hủy và các kim loại sẽ được giải phóng vào pha nước [1, 38] - Dạng cặn dư: Phần này chứa các muối khoáng tồn tại trong tự nhiên có thể giữ các vết kim loại trong nền cấu trúc của chúng, do vậy khi kim loại tồn tại trong phân đoạn này sẽ không thể hòa tan vào nước trong các điều kiện như trên [1, 38] 1. Phương pháp chiết tuần tự xác định dạng liên kết kim loại Trong nghiên cứu các dạng của KLN có trong đất thì các quy trình chiết liên tục (chiết tuần tự) được sử dụng rất rộng rãi để xác định hàm lượng của các KLN có trong các dạng.