Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nước là nguồn tài nguyên giữ vai trò quyết định đối với sự tồn tại của sinh quyển, phục vụ các nhu cầu sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và phát triển kinh tế - xã hội. Tuy nhiên, sự gia tăng dân số đô thị và tốc độ công nghiệp hóa nhanh chóng đã tạo ra áp lực lớn đối với môi trường nước tự nhiên. Tại Thành phố Hồ Chí Minh, phần lớn hệ thống kênh rạch nội thành giữ chức năng tiếp nhận và tiêu thoát nước thải sinh hoạt lẫn công nghiệp nhưng nhiều đoạn đang trong tình trạng ô nhiễm. Tuyến kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè là một trong những lưu vực thoát nước chính của thành phố, đóng vai trò như hệ thống cống hở tiêu thoát nước cho một vùng đô thị có mật độ dân cư tập trung cao. Dù đã trải qua các giai đoạn cải tạo và nạo vét, nguồn nước tại đây vẫn tồn tại các nguy cơ ô nhiễm do việc thu gom và xử lý nước thải chưa triệt để, gây ảnh hưởng trực tiếp đến hệ sinh thái và đời sống cư dân khu vực xung quanh.

Trong các chỉ tiêu hóa học đánh giá mức độ ô nhiễm nước mặt, nồng độ của các hợp chất chứa nitơ, đặc biệt là ion nitrit ($\text{NO}_2^-$), là thông số biểu thị quan trọng. Trong môi trường nước, nitrit là sản phẩm trung gian của quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa nitơ dưới tác động của vi sinh vật theo chu trình: $$\text{Protein} \rightarrow \text{Amoni} \rightarrow \text{Nitrit} \rightarrow \text{Nitrat}$$ Vi khuẩn Nitrosomonas đảm nhận việc oxy hóa amoniac thành nitrit, sau đó vi khuẩn Nitrospira tiếp tục oxy hóa nitrit thành nitrat. Ngược lại, trong các điều kiện môi trường khử nhất định, quá trình khử nitrat cũng có thể tạo thành nitrit và amoni. Sự tồn tại của nitrit trong nước thường ngắn do dễ bị oxy hóa bởi oxy hòa tan. Do đó, quá trình chuyển hóa này làm suy giảm nghiêm trọng hàm lượng oxy hòa tan ($\text{DO}$), đe dọa trực tiếp đời sống thủy sinh vật.

Về mặt độc tính học, khi thâm nhập vào cơ thể sinh vật và con người qua nguồn nước, nitrit kết hợp với hemoglobin trong hồng cầu, oxy hóa $\text{Fe}^{2+}$ thành $\text{Fe}^{3+}$, biến đổi hemoglobin thành methemoglobin (methemoglobinamin) theo phản ứng: $$4\text{HbFe}^{2+}\text{O}_2 + 4\text{NO}_2^- + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{HbFe}^{3+}\text{OH} + 4\text{NO}_3^- + \text{O}_2$$ Methemoglobin mất khả năng liên kết và vận chuyển oxy, dẫn đến tình trạng thiếu oxy trong máu (hội chứng "blue baby" hay bệnh máu trắng), gây các triệu chứng nhức đầu, hoa mắt, nôn mửa, hôn mê và có thể dẫn đến tử vong nếu không xử lý kịp thời, đặc biệt ở trẻ nhỏ dưới 6 tháng tuổi. Ngoài ra, trong môi trường axit yếu, nitrit kết hợp với các amin bậc hai hoặc bậc ba tạo thành nitrosamin ($\text{R}_2\text{N}-\text{NO}$) – nhóm hợp chất có khả năng phá hủy cấu trúc di truyền, gây biến dị tế bào, ung thư và quái thai. Việc kiểm soát và xác định chính xác hàm lượng nitrit là cơ sở khoa học để đánh giá chất lượng nước mặt và đề xuất biện pháp xử lý.

Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể:

  1. Xác định hàm lượng nitrit trong nước ở một số địa điểm thuộc hệ thống kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè.
  2. Đánh giá mức độ ô nhiễm của nguồn nước kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè dựa trên hàm lượng nitrit phân tích được.

Giả thuyết khoa học được đặt ra: Hàm lượng nitrit trong nước ở một số địa điểm thuộc hệ thống kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè ở mức khá cao, là một trong những yếu tố làm gia tăng mức độ ô nhiễm của nguồn nước khu vực này.

Khóa luận triển khai 6 nhiệm vụ nghiên cứu được đánh số tuần tự:

  1. Tìm hiểu tổng quan về môi trường nước, ô nhiễm môi trường nước, nitrit và các phương pháp xác định nitrit trong nước.
  2. Xác định những điều kiện tối ưu cho sự tạo phức giữa nitrit với thuốc thử.
  3. Khảo sát một số địa điểm thuộc hệ thống kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè để lấy mẫu.
  4. Tiến hành lấy mẫu nước, xử lý mẫu và xác định hàm lượng nitrit có trong mẫu nước.
  5. Thống kê, xử lý số liệu thực nghiệm.
  6. Nhận xét, đánh giá kết quả thu được.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Khách thể nghiên cứu: Một số vị trí thu mẫu dọc tuyến kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè, Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hàm lượng ion nitrit ($\text{NO}_2^-$) trong các mẫu nước mặt.
  • Phạm vi không gian: 5 vị trí cầu trên hệ thống kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè gồm Cầu Trần Khánh Dư, Cầu Lê Văn Sỹ, Cầu số 8, Cầu số 6 và Cầu số 5.
  • Phạm vi thời gian: Thực hiện lấy mẫu và phân tích qua 7 đợt khảo sát trong giai đoạn năm 2014 – 2015.
  • Địa điểm thực nghiệm: Phòng thí nghiệm Công nghệ – Môi trường, Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis và phản ứng tạo màu azo của ion nitrit. Cơ sở quang học dựa trên định luật hấp thụ bức xạ ánh sáng Bouguer – Lambert – Beer: $$A = \varepsilon \cdot l \cdot C$$ Trong đó: $A$ là mật độ quang (độ hấp thụ quang); $\varepsilon$ là hệ số hấp thụ phân tử gam ($\text{L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{cm}^{-1}$); $l$ là chiều dày lớp dung dịch trong cuvet ($l = 1\text{ cm}$); $C$ là nồng độ của phức màu trong dung dịch ($\text{mol/L}$).

Về phản ứng hóa học, phương pháp trắc quang xác định nitrit dựa trên cơ chế phản ứng ghép đôi diazo. Trong môi trường axit phosphoric ($\text{H}_3\text{PO}_4$ 85%, $\text{pH} = 2,0 - 2,5$), ion nitrit phản ứng với amin thơm bậc một là sulfanilamide (sunfanylamit) tạo thành muối diazonium trung gian. Sau đó, muối này ghép đôi với $\text{N}$-(1-naphthyl)-ethylenediamine dihydrochloride (NED) để tạo thành hợp chất màu azo hồng đậm, hấp thụ bức xạ mạnh trong vùng ánh sáng khả kiến. Tiêu chuẩn đối chiếu để đánh giá chất lượng nước mặt là Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt QCVN 08:2008/BTNMT với các phân hạng A1, A2, B1 và B2.

Tác giả so sánh các phương pháp phân tích nitrit hiện hành để làm rõ tính khả thi của phương pháp lựa chọn:

  • Phương pháp thể tích và khối lượng: Giới hạn phát hiện cao, độ nhạy thấp, chỉ áp dụng cho mẫu có hàm lượng nitrit lớn.
  • Phương pháp sắc ký lỏng (HPLC huỳnh quang với 2,3-diaminonaphthalene): Độ nhạy cao nhưng chịu ảnh hưởng cản trở lớn bởi clorua và các hợp chất amin trong mẫu nước tự nhiên.
  • Phương pháp sắc ký ion (IC): Cho phép định lượng nhiều anion đồng thời nhưng bị cản nhiễu mạnh bởi ion $\text{Cl}^-$ nồng độ cao trong nước mặt đô thị, chỉ phù hợp cho nền nước sạch.
  • Phương pháp cực phổ: Cần dùng anot hoặc catot thủy ngân – kim loại có độc tính cao đối với môi trường và kỹ thuật viên.
  • Phương pháp trắc quang tạo màu với sulfanilamide và NED: Có độ nhạy tốt (khoảng nồng độ xác định $10 - 1000\ \mu\text{g } \text{NO}_2^--\text{N/L}$), thao tác ổn định, thiết bị đo UV-Vis phổ biến và hóa chất có chi phí phù hợp với điều kiện phân tích thực tế.

Thiết bị, dụng cụ và hóa chất sử dụng:

  • Thiết bị: Máy đo quang UV-Vis, cuvet thạch anh ($1\text{ cm}$), cân phân tích điện tử Sartorius, máy đo pH.
  • Dụng cụ thủy tinh: Bình định mức các dung tích 25 mL, 50 mL, 100 mL, 500 mL, 1000 mL; pipet định mức 1 mL, 2 mL, 5 mL, 10 mL; cốc đốt, đũa thủy tinh, ống nhỏ giọt.
  • Hóa chất: Muối $\text{NaNO}_2$ tinh khiết, dung dịch $\text{H}_3\text{PO}_4$ 85%, sulfanilamide tinh thể, NED tinh thể, cloroform ($\text{CHCl}_3$), $\text{NaCl}$, $\text{NaNO}_3$, $\text{MgSO}_4$, $\text{CaSO}_4$, nước cất hai lần.

Quy trình chuẩn bị dung dịch và xử lý mẫu:

  • Dung dịch nitrit gốc ($500\text{ mg/L}$): Hòa tan $1,232\text{ g } \text{NaNO}_2$ trong nước cất, định mức thành $500\text{ mL}$, bảo quản bằng $1\text{ mL } \text{CHCl}_3$ trong chai thủy tinh tối màu (thời hạn 1 tuần). Pha loãng thành dung dịch làm việc $0,5\text{ mg/L}$ hoặc $1\text{ mg/L}$ dùng ngay trong ngày.
  • Thuốc thử ghép đôi: Lấy $10\text{ mL } \text{H}_3\text{PO}_4$ 85% vào bình định mức $100\text{ mL}$, thêm khoảng $80\text{ mL}$ nước cất, hòa tan hoàn toàn $1\text{ g}$ sulfanilamide, tiếp tục hòa tan $0,1\text{ g}$ NED và định mức bằng nước cất đến vạch $100\text{ mL}$, bảo quản trong bình tối màu (thời hạn 1 tháng).
  • Kỹ thuật lấy và bảo quản mẫu: Dụng cụ lấy mẫu và bình chứa bằng nhựa PE được rửa sạch, tráng nước cất và tráng lại nhiều lần bằng chính nước sông tại vị trí lấy. Điểm thu mẫu nằm ở giữa tim cầu, tại độ sâu $3\text{ m}$ dưới mặt nước. Mẫu sau khi lấy được đặt ngay vào thùng bảo ôn chứa đá lạnh, chuyển về phòng thí nghiệm lọc qua màng lọc để tách triệt để chất rắn lơ lửng, lưu trữ trong tủ lạnh ở $4^\circ\text{C}$ và hoàn tất phân tích trong vòng 24 giờ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về môi trường nước

Chương 1 hệ thống hóa vai trò sinh học và kinh tế của tài nguyên nước đối với sự sống của con người, hệ động thực vật và các ngành sản xuất công nghiệp, nông nghiệp. Nước chiếm khoảng 70% trọng lượng cơ thể người; khi cơ thể mất trên 10% lượng nước có thể dẫn đến trụy tim mạch và tử vong nếu mất trên 20%. Tác giả trình bày chu trình thủy văn toàn cầu, sự phân bố tài nguyên nước (hơn 97% là nước mặn, khoảng 3% là nước ngọt nhưng phần lớn tập trung ở hai cực và tầng sâu, chỉ khoảng 1% phân bố trong sông hồ, nước ngầm có thể khai thác). Về thành phần hóa sinh, nước tự nhiên chứa các ion chính ($\text{Cl}^-$, $\text{Na}^+$, $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{K}^+$, $\text{HCO}_3^-$), các khí hòa tan, các chất rắn lơ lửng và chất hữu cơ (dễ phân hủy sinh học và khó phân hủy như thuốc trừ sâu, PCB, dioxin). Hiện trạng ô nhiễm nước trên thế giới được nêu kèm số liệu thống kê (khoảng 2 triệu tấn chất thải sinh hoạt đổ ra sông biển mỗi ngày, 70% nước thải công nghiệp ở các nước đang phát triển không qua xử lý). Tại Việt Nam, ô nhiễm nước mặt hạ lưu các lưu vực sông gia tăng vào mùa khô; riêng Thành phố Hồ Chí Minh mỗi ngày thải ra khoảng $600.000\text{ m}^3$ nước thải sinh hoạt và $260.000\text{ m}^3$ nước thải công nghiệp (trong đó tỷ lệ được xử lý đạt chuẩn còn thấp), kết hợp cùng tình trạng lấn chiếm bờ kênh của 18.000 hộ dân làm suy giảm khả năng tiêu thoát nước.

Chương 2: Ô nhiễm môi trường nước

Chương 2 trình bày các khái niệm cơ bản về ô nhiễm môi trường nước, phân loại nguồn gây ô nhiễm từ tự nhiên (mưa lũ, xác sinh vật) và nhân tạo (sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp). Tác giả dẫn chiếu bảng thông số giới hạn chất lượng nước mặt theo QCVN 08:2008/BTNMT với 4 cấp phân hạng (A1, A2, B1, B2). Chương này đi sâu phân tích các biểu hiện cảm quan và chỉ tiêu vật lý - hóa học đặc trưng của nước bị ô nhiễm:

  • Màu sắc: Biến đổi từ không màu sang xanh đậm (do hiện tượng phú dưỡng, bùng phát tảo nở hoa), vàng đục (do axit humic) hoặc màu đen xám do nước thải công nghiệp, cản trở sự truyền ánh sáng và quang hợp của thực vật thủy sinh.
  • Mùi và vị: Sinh ra từ các khí khử ($\text{H}_2\text{S}$, $\text{NH}_3$, mercaptan), phenol, cloramin và xác hữu cơ thối rữa; vi sinh vật như tảo Volvox hoặc Dinobryon gây mùi tanh cá.
  • Độ đục: Do các hạt keo, bùn sét, chất lơ lửng kích thước $> 10^{-6}\text{ m}$ phân tán trong dòng chảy, hấp phụ kim loại độc và vi khuẩn gây bệnh, giảm lượng oxy hòa tan.
  • Ô nhiễm nhiệt: Nước làm mát từ các nhà máy có nhiệt độ cao hơn môi trường $10 - 15^\circ\text{C}$, làm giảm độ tan của oxy và làm tăng tốc độ phân hủy kỵ khí.

Chương 3: Tổng quan về hệ thống kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè

Chương 3 mô tả vị trí địa lý, đặc điểm thủy lực và điều kiện tự nhiên của kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè. Tuyến kênh có tổng chiều dài $9.470\text{ m}$, bắt đầu từ ngã tư Bảy Hiền (quận Tân Bình) và đổ ra sông Sài Gòn tại khu vực Ba Son (quận 1), chảy qua địa bàn các quận Tân Bình, Phú Nhuận, Quận 3, Quận 1 và Bình Thạnh. Diện tích toàn lưu vực đạt $3.935\text{ ha}$ thuộc 7 quận nội thành, mật độ dân số bình quân khoảng 361 người/ha. Chế độ thủy văn chịu tác động trực tiếp của bán nhật triều không đều từ sông Sài Gòn (mỗi ngày có 2 lần đỉnh triều và 2 lần đáy triều; chu kỳ triều kéo dài 12 - 15 ngày). Tại trạm Phú An, biên độ triều trung bình biến động $1,7 - 2,5\text{ m}$, cực đại đạt $3,95\text{ m}$. Do lòng kênh hẹp, nông, độ dốc thoải và bị bồi lắng bởi rác thải sinh hoạt, biên độ triều suy giảm nhanh theo chiều dài kênh; nước triều từ sông Sài Gòn đẩy vào chỉ đến khu vực Cầu Kiệu (cách cửa sông khoảng $2,5\text{ km}$), dẫn đến vùng giáp nước và ứ đọng nước thải ở đoạn thượng lưu (từ Phú Nhuận về Tân Bình).

Chương 4: Tổng quan về nitrit

Nội dung chương 4 tập trung làm rõ nguồn gốc hóa học, động học chuyển hóa và độc tính của nitrit ($\text{NO}_2^-$). Nitrit là chất phụ gia bảo quản thực phẩm, nhưng trong nước mặt nó phản ánh mức độ phân hủy chất thải hữu cơ giàu protein. Chương này mô tả chi tiết cơ chế gây bệnh thiếu máu methemoglobin ở trẻ sơ sinh do sự oxy hóa sắt trong phân tử hemoglobin, cũng như cơ chế phản ứng tạo nitrosamin từ amin bậc hai ($\text{R}_2\text{NH}$) và axit nitro ($\text{HNO}_2$) gây đột biến gen và hình thành khối u ở động vật thí nghiệm. Tác giả tiến hành khảo sát và đánh giá ưu - nhược điểm của các kỹ thuật định lượng nitrit: trắc quang với thuốc thử Griess (axit sulfanilic và $\alpha$-naphthylamin), axit disulfonic, dapsone kết hợp $\alpha$-naphthol, và hệ sulfanilamide kết hợp NED; các phương pháp sắc ký ion, sắc ký lỏng hiệu năng cao và cực phổ xung vi phân trên điện cực giọt thủy ngân.

Chương 5: Giới thiệu chung về phương pháp trắc quang

Chương 5 cung cấp cơ sở lý thuyết tổng quan về phân tích trắc quang phân tử trong vùng UV-Vis, phân biệt bản chất giữa quang phổ hấp thụ phân tử và quang phổ phát xạ/hấp thụ nguyên tử. Tác giả trình bày các định luật hấp thụ bức xạ quang học: Định luật Bouguer – Lambert (sự suy giảm bức xạ qua các lớp dung dịch có bề dày bằng nhau: $I = I_0 \cdot 10^{-k'l}$), Định luật Beer (sự phụ thuộc bậc nhất của độ hấp thụ vào nồng độ chất tan: $k = \varepsilon \cdot C$) và Định luật tổng hợp Bouguer – Lambert – Beer. Định nghĩa các đại lượng trắc quang: độ truyền qua ($T = I/I_0 = 10^{-\varepsilon l C}$), mật độ quang ($A = -\lg T = \varepsilon \cdot l \cdot C$), và ý nghĩa của hệ số hấp thụ phân tử gam $\varepsilon$. Các bước tối ưu hóa điều kiện đo quang được chuẩn hóa bao gồm: quét phổ xác định $\lambda_{\max}$, khảo sát pH môi trường, thể tích thuốc thử dư, độ bền phức theo thời gian, ảnh hưởng của nhiệt độ và giới hạn tuyến tính tuân theo định luật Beer.

Chương 6: Xác định hàm lượng nitrit trong nước sông bằng phương pháp trắc quang

Chương 6 cụ thể hóa quy trình thực hành phân tích nitrit trong mẫu nước kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè. Nội dung mô tả chi tiết các bước thu thập mẫu nước mặt tại độ sâu $3\text{ m}$ giữa các nhịp cầu, kỹ thuật lọc màng loại bỏ tạp chất cơ học, làm lạnh và bảo quản mẫu ở $4^\circ\text{C}$ trong vòng 24 giờ. Quy trình pha chế dung dịch gốc $\text{NaNO}_2$ $500\text{ mg/L}$, dung dịch làm việc $0,5\text{ mg/L}$ và $1\text{ mg/L}$, dung dịch thuốc thử hỗn hợp sulfanilamide - NED trong môi trường $\text{H}_3\text{PO}_4$ 85% được thiết lập rõ ràng. Quy trình phân tích định lượng mẫu: hút chính xác $10\text{ mL}$ mẫu nước đã lọc vào bình định mức $25\text{ mL}$, thêm $0,3\text{ mL}$ dung dịch thuốc thử, định mức bằng nước cất đến vạch, lắc đều, để yên 30 phút trong bóng tối và đo độ hấp thụ quang $A$ ở bước sóng $\lambda = 540\text{ nm}$ trên máy quang phổ UV-Vis so với mẫu trắng nước cất.

Chương 7: Kết quả thực nghiệm

Chương 7 là trọng tâm thực nghiệm của khóa luận, gồm hai phần: khảo sát các thông số kỹ thuật tối ưu và phân tích mẫu thực tế. Tác giả tiến hành quét phổ hấp thụ phân tử của phức azo trong dải bước sóng $400 - 700\text{ nm}$, ghi nhận đỉnh hấp thụ cực đại tại bước sóng $\lambda_{\max} = 540\text{ nm}$. Thể tích thuốc thử được khảo sát từ $0,1\text{ mL}$ đến $1\text{ mL}$ (mật độ quang đạt giá trị cao nhất tại $0,3\text{ mL}$). Thời gian phản ứng được đo từ 5 đến 70 phút, cho thấy mật độ quang tăng dần và đạt độ ổn định cao nhất trong khoảng $28 - 32\text{ phút}$ (chọn mốc tối ưu 30 phút). Các thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của ion vô cơ cản trở ($\text{Cl}^-$, $\text{NO}_3^-$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Ca}^{2+}$) được thực hiện với 3 lần đo lặp. Đường chuẩn hồi quy được xây dựng với hệ số tương quan $R^2 = 0,9993$, phương trình $y = (0,046)x$. Phần phân tích mẫu thực địa trình bày số liệu đo nitrit tại 5 cây cầu qua 7 đợt quan trắc độc lập, đánh giá biến thiên nồng độ theo không gian và thời gian.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã thiết lập các thông số kỹ thuật tối ưu cho phản ứng tạo màu giữa ion nitrit và hệ thuốc thử sulfanilamide - NED:

  • Bước sóng hấp thụ cực đại: $\lambda_{\max} = 540\text{ nm}$.
  • Thể tích thuốc thử tối ưu: $0,3\text{ mL}$ cho $10\text{ mL}$ dung dịch mẫu (trong thể tích định mức $25\text{ mL}$).
  • Thời gian phát triển màu tối ưu: $30\text{ phút}$ (ổn định trong khoảng $28 - 32\text{ phút}$).

Kết quả kiểm tra khả năng cản trở của các ion vô cơ thường gặp trong nền nước tự nhiên được tổng hợp trong bảng sau:

Ion khảo sát Dải nồng độ thử nghiệm (mg/L) Ngưỡng nồng độ không gây cản trở (mg/L) Sai số mật độ quang so với chuẩn (%)
$\text{Cl}^-$ $5 - 100$ $\le 100$ $< 3%$
$\text{NO}_3^-$ $5 - 100$ $\le 100$ $< 3%$
$\text{Mg}^{2+}$ $2 - 40$ $\le 40$ $< 3%$
$\text{Ca}^{2+}$ $5 - 100$ $\le 100$ $< 3%$

Kết quả trên chứng minh các ion vô cơ chính tồn tại trong nước mặt kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè không gây ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo trắc quang. Đường chuẩn nitrit xây dựng trong khoảng nồng độ tuyến tính tuân theo định luật Beer có hệ số tương quan $R^2 = 0,9993$, phương trình hồi quy $y = (0,046)x$. Phép kiểm tra độ đúng trên mẫu chuẩn đã biết nồng độ cho sai số thực nghiệm $< 3%$.

Kết quả định lượng hàm lượng nitrit ($\text{mg/L}$) trong nước mặt tại 5 vị trí cầu thuộc hệ thống kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè qua 7 đợt khảo sát thực tế được tổng hợp như sau:

Vị trí lấy mẫu Đợt 1 (mg/L) Đợt 2 (mg/L) Đợt 3 (mg/L) Đợt 4 (mg/L) Đợt 5 (mg/L) Đợt 6 (mg/L) Đợt 7 (mg/L)
Cầu Trần Khánh Dư 0,033 0,033 0,032 0,027 0,024 0,012 0,017
Cầu Lê Văn Sỹ 0,033 0,029 0,033 0,028 0,016 0,016 0,019
Cầu số 8 0,031 0,032 0,029 0,029 0,022 0,015 0,019
Cầu số 6 0,032 0,036 0,026 0,028 0,026 0,019 0,021
Cầu số 5 0,037 0,038 0,031 0,029 0,016 0,016 0,022

So sánh với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt QCVN 08:2008/BTNMT:

  • Đợt 1 đến Đợt 4: Hàm lượng nitrit tại tất cả các điểm khảo sát dao động trong khoảng $0,026 - 0,038\text{ mg/L}$, đều vượt ngưỡng giới hạn phân hạng A2 ($0,01\text{ mg/L}$ đối với $\text{NO}_2^--\text{N}$, nước dùng cho mục đích sinh hoạt sau khi xử lý phù hợp), nhưng nằm trong ngưỡng cho phép của phân hạng B1 (nước phục vụ tưới tiêu thủy lợi và giao thông thủy).
  • Đợt 5: Ghi nhận sự chênh lệch lớn giữa các điểm ($0,016 - 0,026\text{ mg/L}$). Nồng độ nitrit tại Cầu Lê Văn Sỹ và Cầu số 5 giảm xuống $0,016\text{ mg/L}$, không vượt chuẩn A2; trong khi Cầu Trần Khánh Dư, Cầu số 8 và Cầu số 6 vẫn vượt giới hạn A2 nhưng dưới ngưỡng B1.
  • Đợt 6: Hàm lượng nitrit giảm mạnh trên toàn tuyến, dao động từ $0,012 - 0,019\text{ mg/L}$, tất cả các điểm đo đều không vượt ngưỡng giới hạn A2.
  • Đợt 7: Hàm lượng nitrit dao động từ $0,017 - 0,022\text{ mg/L}$. Đoạn từ Cầu Trần Khánh Dư đến Cầu số 8 không vượt mức A2; riêng Cầu số 6 ($0,021\text{ mg/L}$) và Cầu số 5 ($0,022\text{ mg/L}$) vượt ngưỡng A2 nhưng không vượt giới hạn B1.

Phân tích xu hướng và nguyên nhân: Nồng độ nitrit có xu hướng tăng dần từ hạ lưu (Cầu Trần Khánh Dư) về phía thượng lưu (Cầu số 6, Cầu số 5). Điều này giải thích bởi đặc điểm thủy triều: nước triều từ sông Sài Gòn đẩy vào chỉ tới Cầu Kiệu làm pha loãng nước vùng hạ lưu, trong khi đoạn thượng lưu lòng kênh thu hẹp, nước thải sinh hoạt bị ứ đọng. Ngoài ra, tại một số thời điểm, việc người dân xả rác sinh hoạt trực tiếp xuống lòng kênh tại khu vực Cầu số 5 và Cầu Lê Văn Sỹ làm tăng đột biến chất hữu cơ phân hủy, gây biến động hàm lượng nitrit cục bộ.

Về đóng góp thực tiễn, khóa luận đã chuẩn hóa quy trình phân tích trắc quang xác định vết nitrit áp dụng cho đối tượng nước mặt đô thị tại phòng thí nghiệm trường Đại học Sư phạm TP.HCM. Công trình cung cấp bộ số liệu thực nghiệm về nồng độ nitrit tại 5 vị trí cầu trên kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè qua 7 đợt quan trắc, đóng góp dữ liệu cơ sở cho công tác theo dõi diễn biến chất lượng nước của hệ thống kênh rạch nội thành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận có một số giới hạn dựa trên nội dung được tác giả công bố trong văn bản:

  • Phạm vi không gian chỉ tập trung vào 5 vị trí cầu thuộc tuyến chính kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè (Trần Khánh Dư, Lê Văn Sỹ, Cầu số 8, Cầu số 6, Cầu số 5), chưa bao quát toàn bộ 9.470 m chiều dài kênh và các cửa xả nhánh.
  • Tần suất lấy mẫu thực hiện theo 7 đợt khảo sát đơn lẻ, chưa tiến hành quan trắc liên tục theo các mùa khí hậu rõ rệt (mùa mưa và mùa khô) hoặc theo đầy đủ các pha nhật triều (triều cường, triều kém).
  • Nghiên cứu chỉ định lượng đơn lẻ chỉ tiêu nitrit ($\text{NO}_2^-$), chưa phân tích đồng thời các hợp phần nitơ khác ($\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_3^-$, tổng nitơ Kjeldahl) và các thông số thủy lý - thủy hóa đi kèm ($\text{DO}$, $\text{pH}$, nhiệt độ, $\text{COD}$, $\text{BOD}_5$).

Hướng nghiên cứu tiếp theo được gợi mở từ phạm vi đề tài:

  • Mở rộng mạng lưới điểm quan trắc trên toàn tuyến kênh từ ngã tư Bảy Hiền đến ngã ba sông Sài Gòn và các kênh nhánh lân cận.
  • Thiết lập chu kỳ quan trắc định kỳ theo mùa và gắn với từng chu kỳ triều cụ thể (đỉnh triều và đáy triều) để đánh giá chính xác tác động của chế độ bán nhật triều đến khả năng tự làm sạch của dòng nước.
  • Phân tích đồng thời chuỗi thông số chuyển hóa nitơ ($\text{NH}_4^+ \rightarrow \text{NO}_2^- \rightarrow \text{NO}_3^-$) kết hợp đo đạc oxy hòa tan ($\text{DO}$) nhằm mô hình hóa động học quá trình nitrat hóa trong nước thải kênh đô thị.

Giá trị tham khảo

Bản khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên chuyên ngành Hóa học (Hóa phân tích, Hóa công nghệ môi trường), Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường và Quản lý Tài nguyên Nước.
  • Giảng viên, nghiên cứu viên cần tài liệu hướng dẫn thực hành phân tích các hợp chất vô cơ trong nước mặt bằng quang phổ hấp thụ phân tử.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

  • Quy trình pha chế và bảo quản hệ thuốc thử tạo phức diazo (sulfanilamide kết hợp NED trong nền axit $\text{H}_3\text{PO}_4$).
  • Phương pháp luận thiết kế thực nghiệm tối ưu hóa các thông số trắc quang: xác định bước sóng hấp thụ cực đại ($\lambda_{\max}$), khảo sát thể tích thuốc thử tối ưu, thời gian phản ứng tạo phức và thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các ion cản trở vô cơ ($\text{Cl}^-$, $\text{NO}_3^-$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Ca}^{2+}$).
  • Kỹ thuật lấy mẫu nước mặt tầng sâu ($3\text{ m}$ tại tim cầu) và phương pháp bảo quản mẫu lạnh trước khi tiến hành phân tích quang học.

Câu hỏi thường gặp

1. Phức màu giữa nitrit và hệ thuốc thử sulfanilamide - NED trong khóa luận hấp thụ cực đại ở bước sóng nào và thời gian tạo phức tối ưu là bao nhiêu? Phức màu azo tạo thành từ phản ứng giữa nitrit với sulfanilamide và NED có bước sóng hấp thụ cực đại tại $\lambda_{\max} = 540\text{ nm}$ (khảo sát trong dải quét phổ $400 - 700\text{ nm}$). Thời gian tạo phức tối ưu được xác định là $30\text{ phút}$, trong đó mật độ quang đạt giá trị ổn định cao nhất trong khoảng $28 - 32\text{ phút}$ sau khi thêm thuốc thử.

2. Các ion vô cơ nào được tác giả khảo sát về mức độ cản trở phản ứng tạo phức và kết quả ra sao? Nghiên cứu đã khảo sát 4 ion vô cơ phổ biến trong nước sông: $\text{Cl}^-$ ($5 - 100\text{ mg/L}$), $\text{NO}_3^-$ ($5 - 100\text{ mg/L}$), $\text{Mg}^{2+}$ ($2 - 40\text{ mg/L}$) và $\text{Ca}^{2+}$ ($5 - 100\text{ mg/L}$). Kết quả thực nghiệm lặp lại 3 lần cho thấy với nồng độ ion $\text{Cl}^- \le 100\text{ mg/L}$, $\text{NO}_3^- \le 100\text{ mg/L}$, $\text{Mg}^{2+} \le 40\text{ mg/L}$ và $\text{Ca}^{2+} \le 100\text{ mg/L}$, sai số mật độ quang so với mẫu chuẩn đều nhỏ hơn 3%, chứng minh các ion này không gây cản trở phép đo.

3. Quy trình lấy mẫu và bảo quản mẫu nước tại kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè được tiến hành như thế nào? Mẫu nước được thu thập tại vị trí tim cầu ở độ sâu $3\text{ m}$ bằng dụng cụ chuyên dụng, sau khi đã rửa sạch và tráng lại bằng chính nguồn nước tại điểm lấy. Mẫu được chứa trong bình nhựa PE, đặt ngay vào thùng bảo ôn ướp đá lạnh để vận chuyển về phòng thí nghiệm. Tại đây, mẫu được lọc màng để loại bỏ hoàn toàn các chất rắn lơ lửng, bảo quản trong tủ lạnh ở $4^\circ\text{C}$ và tiến hành đo trắc quang trong vòng 24 giờ.

4. Hàm lượng nitrit trong nước kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè biến thiên như thế nào qua 7 đợt khảo sát và so sánh với QCVN 08:2008/BTNMT ra sao? Hàm lượng nitrit đo được tại 5 cầu dao động từ $0,012\text{ mg/L}$ đến $0,038\text{ mg/L}$. Trong các đợt 1 đến 4, hàm lượng nitrit dao động trong khoảng $0,026 - 0,038\text{ mg/L}$, toàn bộ đều vượt giới hạn A2 nhưng nằm trong giới hạn B1. Đợt 5 có sự phân hóa ($0,016 - 0,026\text{ mg/L}$). Đợt 6 ghi nhận mức giảm mạnh ($0,012 - 0,019\text{ mg/L}$) và không có vị trí nào vượt mức A2. Đợt 7 nồng độ tăng nhẹ ($0,017 - 0,022\text{ mg/L}$), trong đó Cầu số 6 và Cầu số 5 vượt chuẩn A2 nhưng không vượt giới hạn B1.

5. Vì sao tác giả lựa chọn phương pháp trắc quang thay vì sắc ký ion hay cực phổ để định lượng nitrit trong nghiên cứu này? Theo phân tích của tác giả, sắc ký ion bị cản nhiễu nghiêm trọng bởi hàm lượng ion $\text{Cl}^-$ có trong nền nước tự nhiên ô nhiễm nên chỉ thích hợp cho nước sạch. Phương pháp cực phổ sử dụng điện cực thủy ngân có độc tính cao, trong khi phương pháp thể tích và khối lượng có độ nhạy kém. Phương pháp trắc quang tạo phức azo với sulfanilamide và NED có độ nhạy phù hợp ($10 - 1000\ \mu\text{g } \text{NO}_2^--\text{N/L}$), ít bị ảnh hưởng bởi các ion vô cơ nền, thao tác đơn giản, chi phí hóa chất thấp và tương thích với trang thiết bị phổ biến của phòng thí nghiệm phân tích môi trường.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Mai Thị Vui đã chuẩn hóa thành công quy trình xác định hàm lượng vết nitrit trong nước mặt bằng phương pháp trắc quang tạo phức màu azo với hệ thuốc thử sulfanilamide và NED ở bước sóng $\lambda = 540\text{ nm}$. Số liệu quan trắc qua 7 đợt tại 5 vị trí cầu trên kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè cho thấy hàm lượng nitrit dao động từ $0,012\text{ mg/L}$ đến $0,038\text{ mg/L}$, đa số các đợt đều vượt tiêu chuẩn chất lượng nước mặt loại A2 dùng cho cấp nước sinh hoạt nhưng vẫn nằm trong giới hạn loại B1 dùng cho tưới tiêu và giao thông thủy theo QCVN 08:2008/BTNMT. Kết quả thực nghiệm phản ánh rõ nét tác động của chế độ bán nhật triều từ sông Sài Gòn và tình trạng xả thải cục bộ đến sự phân bố các chất ô nhiễm dọc tuyến kênh. Đề tài cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị thực tiễn cao về kỹ thuật phân tích hóa học môi trường và đóng góp cơ sở dữ liệu cho việc theo dõi chất lượng nước đô thị tại Thành phố Hồ Chí Minh.