Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Phân tích và đánh giá mức độ ô nhiễm đồng, chì trong bụi đường tại Thành phố Bắc Ninh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:75

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận văn nhằm xác định hàm lượng các kim loại Cu, Pb trong mẫu bụi đường bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử. Đánh giá sự phân bố và mức độ ô nhiễm kim loại Cu, Pb trong mẫu bụi đường tại khu vực Thành Phố Bắc Ninh. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Phân tích và đánh giá mức độ ô nhiễm đồng, chì trong bụi đường tại Thành phố Bắc Ninh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ NHUNG PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ Ô NHIỄM ĐỒNG, CHÌ TRONG BỤI ĐƯỜNG TẠI THÀNH PHỐ BẮC NINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN-2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ NHUNG PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ Ô NHIỄM ĐỒNG, CHÌ TRONG BỤI ĐƯỜNG TẠI THÀNH PHỐ BẮC NINH Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 8.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. PHẠM THỊ THU HÀ THÁI NGUYÊN-2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc của mình tới TS. Phạm Thị Thu Hà, người đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, dìu dắt tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo trường Đại học Khoa Học - ĐHTN, Ban chủ nhiệm Khoa Hóa học, các thầy cô giáo và các cán bộ nhân viên phòng thí nghiệm đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện luận văn này. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn động viên, ủng hộ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Khoa Học – Đại Học Thái Nguyên. Mặc dù đã cố gắng nhưng trong bản luận văn này không tránh khỏi những sai sót và khiếm khuyết. Tôi rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để bản luận văn được đầy đủ và hoàn chỉnh hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Nguyễn Thị Nhung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................. a DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... b DANH MỤC HÌNH .......................................................................................... c MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ........................................................................... 3 1.1. Tổng quan về đồng, chì .............................................................................. 3 1.1.1. Tính chất và tác dụng sinh học của đồng, chì ......................................... 3 1.1.2. Các nguồn gây ô nhiễm đồng, chì ........................................................... 6 1.2. Bụi đường và tác hại của bụi đường đến sức khỏe con người ................... 8 1.3. Các phương pháp xử lý mẫu bụi đường để xác định kim loại ................... 9 1.3.1. Kỹ thuật vô cơ hóa ướt (Xử lý ướt) ...................................................... 10 1.3.2. Kỹ thuật vô cơ hóa khô (Xử lý khô) ..................................................... 13 1.3.3. Phương pháp vô cơ hóa khô - ướt kết hợp. ........................................... 14 1.4. Một số phương pháp hiện đại xác định hàm lượng kim loại nặng .......... 14 1.4.1. Phương pháp quang phổ ........................................................................ 14 1.4.2. Phương pháp phổ khối plasma cảm ứng( ICP-MS) .............................. 20 1.4.3. Phương pháp điện hóa ........................................................................... 22 1.5 Khu vực nghiên cứu .................................................................................. 24 1.5.1 Điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội Thành phố Bắc Ninh ................. 24 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ................................................................... 27 2.1. Hóa chất, thiết bị sử dụng ........................................................................ 27 2.1.1. Hóa chất................................................................................................. 27 2.1.2. Trang thiết bị ......................................................................................... 27 2.2. Các phương pháp thực nghiệm ................................................................ 27 2.2.1. Vị trí lấy mẫu, phương pháp lấy mẫu và bảo quản ............................... 27 2.2.2. Phương pháp xử lý mẫu để xác định kim loại ...................................... 30 2.2.3 Các phương pháp xác định hàm lượng kim loại .................................... 31 2.3. Xử lý số liệu thực nghiệm ........................................................................ 32 2.4. Một số tiêu chí đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại trong bụi đường. ..... 34 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2.4.1. Chỉ số tích lũy địa chất (Geoaccumulation Index: Igeo) ...................... 34 2.4.2. Chỉ số ô nhiễm (CF) .............................................................................. 35 2.4.3. Chỉ số rủi ro tiềm năng đối với hệ sinh thái (ER) ................................ 35 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 37 3.1. Xây dựng đường chuẩn, xác định LOD và LOQ của Cu, Pb trong phép đo AAS. ................................................................................. 37 3.1.1. Đường chuẩn, LOD và LOQ của phép đo xác định hàm lượng Cu ..... 37 3.1.2. Đường chuẩn, LOD và LOQ của phép đo xác định hàm lượng Pb ...... 38 3.2. Khảo sát và tối ưu hóa các điều kiện xử lý mẫu bụi trong lò vi sóng ...... 41 3.2.1. Khảo sát tỷ lệ thành phần axit trong quá trình vô cơ hóa mẫu trong lò vi sóng .............................................................................................. 41 3.2.2. Khảo sát thể tích hỗn hợp axit vô cơ hóa mẫu trong lò vi sóng ........... 43 3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình vô cơ hóa mẫu trong lò vi sóng ..................................................................................................... 45 3.2.4. Khảo sát tổng thời gian của quá trình xử lý mẫu trong lò vi sóng ........ 46 3.2.5. Đánh giá hiệu suất thu hồi của phương pháp ........................................ 48 3.3. Kết quả phân tích hàm lượng kim loại trong các mẫu bụi đường............ 49 3.3.1. Kết quả phân tích hàm lượng Cu trong mẫu bụi đường ....................... 49 3.3.2. Kết quả phân tích hàm lượng Pb trong bụi đường ................................ 51 3.4. Đánh giá mức độ ô nhiễm của các kim loại nặng trong bụi đường ......... 53 3.4.1. Chỉ số tích lũy địa chất (Geoaccumulation Index : Igeo) ..................... 53 3.4.2. Chỉ số ô nhiễm (CF) .............................................................................. 56 3.4.3. Chỉ số rủi ro tiềm năng đối với hệ sinh thái (ER) ................................. 57 KẾT LUẬN .................................................................................................... 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 62 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Atomic Absorption AAS Phổ hấp thụ nguyên tử Spectroscopy Atomic Emission Phổ phát xạ nguyên tử AES Spectroscopy Flame Atomic Phổ hấp thụ nguyên tử - F-AAS Absorption ngọn lửa đèn khí Spectroscopy Graphite furnace Phổ hấp thụ nguyên tử - GF-AAS Atomic Absorption không ngọn lửa Spectroscopy Hollow Cathode HCL Đèn catot rỗng Lamp Inductively coupled Phổ phát xạ nguyên tử plasma Atomic ICP -AES với nguồn cảm ứng cao Emission tần Spectroscopy Inductively coupled Phổ khối plasma cảm ICP – MS plasma mass ứng spectrometry KCN Khu công nghiệp KLN Kim loại nặng LOD Limit of detection Giới hạn phát hiện Limit of LOQ Giới hạn định lượng quantification Statistical Product and Tên của phần mềm xử lý SPSS Services Solutions thống kê Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Hằng số vật lý của đồng ................................................................... 3 Bảng 1.2: Nguồn thải một số kim loại của một số ngành công nghiệp phổ biến . 8 Bảng 1.3: Nhiệt độ sôi của các dung dịch axit đặc ......................................... 11 Bảng 2.1: Vị trí và kí hiệu mẫu ....................................................................... 28 Bảng 2.2: Các điều kiện đo phổ F-AAS của Cu và Pb ................................... 31 Bảng 2.4: Chương trình hóa nhiệt độ cho lò graphit ...................................... 32 Bảng 2.5: Phân loại mức độ ô nhiễm dựa vào Igeo ............................................ 35 Bảng 2.6: Phân loại mức độ ô nhiễm theo CF [35]............................................ 35 Bảng 2.7: Phân loại các mức độ rủi ro theo ER ................................................ 36 Bảng 3.1. Kết quả đo đường chuẩn của Cu..................................................... 37 Bảng 3.2: Kết quả đo đường chuẩn của Pb trong phép đo F-AAS ................. 39 Bảng 3.3: Kết quả đo đường chuẩn của Pb trong phép đo GF-AAS .............. 40 Bảng 3.4: Hiện tượng quan sát được khi khảo sát tỷ lệ thành phần axit ........ 41 Bảng 3.5: Kết quả khảo sát tỷ lệ thành phần axit............................................ 42 Bảng 3.6: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thể tích hỗn hợp axit đến quá trình vô cơ hóa mẫu ................................................................................. 44 Bảng 3.7: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình vô cơ hóa mẫu. 45 Bảng 3.8: Kết quả khảo sát thời gian của quá trình vô cơ hóa mẫu trong lò vi sóng. 47 Bảng 3.9: Kết quả khảo sát đối với mẫu thêm chuẩn. .................................... 48 Bảng 3.10: Kết quả phân tích hàm lượng Cu trong các mẫu bụi đường ........ 49 Bảng 3.11: Kết quả phân tích hàm lượng Pb trong các mẫu bụi đường ......... 51 Bảng 3.13: Bảng kết quả giá trị Igeo của Cu .................................................. 54 Bảng 3.14: Bảng kết quả giá trị Igeo của Pb................................................... 55 Bảng 3.16: Bảng kết quả giá trị CF của Cu .................................................... 56 Bảng 3.17: Bảng kết quả giá trị CF của Pb ..................................................... 57 Bảng 3.18: Bảng kết quả giá trị ER của Cu .................................................... 58 Bảng 3.19: Bảng kết quả giá trị ER của Pb..................................................... 59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ đo phổ hấp thụ phân tử (phổ UV-VIS) ................................. 15 Hình 1.2: Sơ đồ đo phổ AAS .......................................................................... 18 Hình 1.3: Sơ đồ biến đổi mẫu để có phổ MS .................................................. 21 Hình 1.4: Sơ đồ thiết bị cho phép đo ICP-MS ................................................ 21 Hình 1.5. Bản đồ hành chính tỉnh Bắc Ninh ................................................... 24 Hình 2.1: Bản đồ vị trí lấy mẫu ....................................................................... 29 Hình 3.1: Đồ thị đường chuẩn của Cu ............................................................ 38 Hình 3.2: Đồ thị đường chuẩn của Pb trong phép đo F-AAS ......................... 39 Hình 3.3: Đồ thị đường chuẩn của Pb trong phép đo GF-AAS ...................... 40 Hình 3.4: Đồ thị mối quan hệ giữa hàm lượng kim loại (mg/kg) thu được theo thể tích HF phá mẫu (trong đó VHF +VCường thủy=10ml) .. 42 Hình 3.5: Mối quan hệ giữa hàm lượng kim loại (mg/kg) thu được theo thể tích hỗn hợp axit dùng để phá mẫu ................................................. 43 Hình 3.6. Mối quan hệ giữa hàm lượng kim loại (mg/kg) thu được theo nhiệt độ phá mẫu ............................................................................. 46 Hình 3.7: Mối quan hệ giữa hàm lượng kim loại (mg/kg) thu được theo thời gian phá mẫu ................................................................................... 47 Hình 3.8: Đồ thị phân bố hàm lượng Cu theo các vị trí lấy mẫu .................... 50 Hình 3.9: Đồ thị phân bố hàm lượng Pb theo các vị trí lấy mẫu .................... 52 Hình 3.10: Đồ thị phân bố Chỉ số Igeo của Cu ............................................... 54 Hình 3.11: Đồ thị phân bố Chỉ số Igeo của Pb ............................................... 55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
MỞ ĐẦU Ô nhiễm môi trường đang là vấn đề bức xúc đối với xã hội hiện nay, có tác động xấu đến sức khỏe con người, ảnh hưởng đến các hệ sinh thái và gây biến đổi khí hậu. Bắc Ninh là một tỉnh thuộc vùng Đồng bằng sông Hồng và là một trong 8 tỉnh thuộc vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ, đây khu vực có mức độ tăng trưởng kinh tế cao. Hiện nay Bắc Ninh có 16 KCN trong đó có các KCN lớn như KCN Sam Sung, KCN Tiên Sơn, KCN Quế Võ….Sự phát triển của các KCN dẫn tới một lượng lớn khí thải, bụi thải, nước thải…phát tán ra môi trường, nguy cơ gây ô nhiễm môi trường là rất lớn. Bên cạnh sự phát triển các KCN, các khu dân cư, đô thị ngày một đông đúc, cùng với đó là mật độ giao thông ngày một tăng. Khói xe cơ giới và khói xây dựng là nguồn chính gây ô nhiễm kim loại nặng trong bụi đô thị [1]. Sự phân bố kim loại nặng trong bụi đô thị ở nhiều nước đã được nghiên cứu, bao gồm Trung Quốc [2, 3], Hồng Kông [4], Ấn Độ [5], Hàn Quốc [6, 7], Tây Ban Nha [8], Jordan [9] và Mexico [10]. Ở Trung Quốc, đất đô thị và bụi đường bị ô nhiễm crôm (Cr), niken (Ni), đồng (Cu), chì (Pb), kẽm (Zn) và cadmium (Cd). Các nhà khoa học đã nhận thấy giao thông và khí thải công nghiệp là những nguồn chính gây ô nhiễm kim loại nặng trong bụi [11] và bụi ô nhiễm này ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người [12]. Tại Việt Nam trong đó có tỉnh Bắc Ninh, đặc biệt là khu vực thành phố, nơi có mật độ dân cư cao cũng như giao thông đông đúc cùng với sự phát triển mạnh về kinh tế, thì việc nghiên cứu ô nhiễm các kim loại trong bụi đường còn chưa được quan tâm. Đồng, chì là hai kim loại nặng phổ biến, có nhiều ứng dụng trong thực tế nên khả năng phát tán ra môi trường là rất cao. Do đó, tôi lựa chọn đề tài: “Phân tích và đánh giá mức độ ô nhiễm đồng, chì trong bụi đường tại Thành phố Bắc Ninh”. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Mục tiêu nghiên cứu: + Nghiên cứu quy trình xử lý mẫu bụi đường xác định các kim loại nặng ( Cu, Pb). + Xác định hàm lượng các kim loại Cu, Pb trong mẫu bụi đường bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử. + Đánh giá sự phân bố và mức độ ô nhiễm kim loại Cu, Pb trong mẫu bụi đường tại khu vực Thành Phố Bắc Ninh. Nội dung nghiên cứu: + Lựa chọn các điều kiện đo phổ AAS của Cu, Pb phù hợp. Xây dựng đường chuẩn, xác định LOD, LOQ của phép đo Cu, Pb bằng phương pháp AAS. + Khảo sát phương pháp xử lý ướt bằng hỗn hợp axit trong điều kiện lò vi sóng để tìm ra quy trình xử lý mẫu bụi đường phù hợp nhằm xác định hàm lượng Cu, Pb trong các mẫu thu được. + Áp dụng xác định lượng vết Cu, Pb trong các mẫu bụi nghiên cứu. + Đánh giá sự phân bố hàm lượng các kim loại Cu, Pb trong mẫu bụi tại khu vực thành phố Bắc Ninh và mức độ ô nhiễm của chúng thông qua các phần mềm xử lý số liệu, và các tiêu chuẩn đánh giá như: Chỉ số tích lũy địa chất I(geo); chỉ số ô nhiễm (CF), chỉ số rủi ro tiềm năng đối với hệ sinh thái (ER). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về đồng, chì 1.1.1. Tính chất và tác dụng sinh học của đồng, chì 1.1.1.1 Đồng Đồng là nguyên tố hóa học trong bảng hệ thống tuần hoàn có ký hiệu Cu và số nguyên tử bằng 29, thuộc nhóm IB. Bảng 1.1: Hằng số vật lý của đồng Số thứ tự 29 Khối lượng nguyên tử 63,56 Cấu hình electron [Ar] 3d104s1 Bán kính nguyên tử (Ao) 1,28 Độ âm điện 1,9 Khối lượng riêng (g/cm3) 8,94 Năng lượng ion hoá (eV) I1 I2 I3 7,72 20,29 36,20 Đồng là một kim loại có màu vàng ánh đỏ, có độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt cao (trong số các kim loại nguyên chất ở nhiệt độ phòng chỉ có bạc có độ dẫn điện cao hơn), là kim loại mềm, dễ dát mỏng, dễ kéo sợi. Đồng có lẽ là kim loại được con người sử dụng sớm nhất do các đồ đồng có niên đại khoảng năm 8700 trước công nguyên (TCN) đã được tìm thấy. Ngoài việc tìm thấy đồng trong các loại quặng khác nhau, người ta còn tìm thấy đồng ở dạng kim loại (đồng tự nhiên) ở một nơi. Đồng đã được ghi chép trong các tư liệu của một số nền văn minh cổ đại, và nó có lịch sử sử dụng ít nhất là 10.000 năm. Trong tự nhiên Đồng có thể tìm thấy như là đồng tự nhiên hoặc trong dạng khoáng chất. Các khoáng chất chẳng hạn như cacbonat azurite (2CuCO3Cu(OH)2 là các nguồn để sản xuất đồng, cũng như là cát sunfua như chlcopyrite (CuFeS2), bornit (CuFeS2), bornit (Cu5FeS4), Covellit (CuS), chalcocit (Cu2S) và các oxit như cuprit (Cu2O). Đồng có hai đồng vị ổn định là Cu63 và Cu65, cùng với một số đồng vị phóng xạ. Phần chủ yếu của các đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã ở mức độ phút Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
hay nhỏ hơn, đồng vị phóng xạ bền nhất Cu64 có chu kỳ bán rã 12,7 giờ, có hai cách phân rã tạo ra hai sản phẩm khác nhau. Nguồn tích lũy của kim loại đồng trong tự nhiên đến từ 2 nguồn tự nhiên và nhân tạo. Đồng được tìm thấy tự nhiên trong các khoáng như cuprite (Cu2O), malachite (CuCO3.Cu(OH)2, azurite (2CuCO3.Cu(OH)2, chalcopyrite (CuFeS2), chalcocite (Cu2S), và bornite (Cu5FeS4) và trong nhiều hợp chất hữu cơ và trong nhiều hợp chất hữu cơ. Ion đồng (II) gắn kết qua ôxy đối với các tác nhân vô cơ như H2O, OH- , CO32-, SO42-,...đối với các tác nhân hữu cơ qua các nhóm như phenolic và carboxylic. Vì vậy hầu hết đồng trong tự nhiên phức hợp với các hợp chất hữu cơ. Trong đá nham thạch đồng biến động từ 4-200 mg/kg, trong đá trầm tích 2-90 mg/kg. Sự khuếch tán đồng từ các nguồn tự nhiên trung bình trên khắp thế giới hàng năm từ bụi được mang từ gió 0,9-15 × 103 tấn, cháy rừng 0,1-7,5 × 103 tấn, hoạt động núi lửa 0,9-18 × 103 tấn [13]. Nguồn tích lũy nhân tạo đồng xuất phát chủ yếu từ các hoạt động sản xuất đặc biệt là từ các ngành công nghiệp luyện kim và mạ điện. Theo một số nghiên cứu, hàm lượng kim loại đồng trong nước thải của các nhà máy mạ điện Đồngcócũng thể lên là một đến 200 số kim loại có rất nhiều ứng dụng trong các trongmg/L. lĩnh vực công nghiệp khác nhau như: chế tạo dây dẫn điện, các hợp kim có độ chống mài mòn cao, chế tạo sơn, thuốc trừ sâu… 1.1.1.2. Chì. Chì (Pb) thuộc phân nhóm chính nhóm IV, chu kỳ 6 trong bảng hệ thống tuần hoàn. Chì có số thứ tự: Z=82 Khối lượng nguyên tử: 207,2 Cấu tạo electron : [Xe]4f145d106s26p2 Nhiệt độ nóng chảy : 327,46oC Nhiệt độ sôi : 1737oC Khối lượng riêng : 11,34 g/cm3 Độ âm điện : 2,33 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Trữ lượng trong thiên nhiên của chì là 1.10-4 % tổng số nguyên tử của vỏ trái đất, tức là nguyên tố ít phổ biến. Chì là kim loại màu xám thẫm, rất mềm. Ở điều kiện thường chì bị oxy hoá tạo thành lớp oxit màu xám xanh bao bọc trên mặt bảo vệ chì không tiếp tục bị oxy hoá nữa. Pb tan được trong các axít. Chì chỉ tương tác ở trên bề mặt với dung dịch axit clohidric loãng và axit sunfuric dưới 80% vì bị bao bởi lớp muối khó tan (PbCl2 và PbSO4) nhưng với dung dịch đậm đặc hơn của các axit đó chì có thể tan vì muối khó tan của lớp bảo vệ đã chuyển thành hợp chất tan: PbCl2 + 2HCl = H2PbCl2 PbSO4 + H2SO4 = Pb(HSO4)2 Pb dễ dàng tác dụng với axit HNO3 ở bất kỳ nồng độ nào, có thể tan trong axit axetic và các axit hữu cơ khác. Hàm lượng chì trung bình trong thạch quyển ước khoảng 1,6x10-3 phần trăm trọng lượng, trong khi đó trong đất trung bình là 10-3 phần trăm và khoảng biến động thông thường là từ 0,2x10-3 đến 20x10-3 phần trăm. Chì hiện diện tự nhiên trong đất với hàm lượng trung bình 10-84 ppm. Chì thường được tìm thấy ở dạng quặng cùng với kẽm, bạc, và (phổ biến nhất) đồng, và được thu hồi cùng với các kim loại này. Trong tự nhiên, khoáng chì chủ yếu là galena (PbS) ngoài ra còn có một số dạng khoáng chứa chì khác như cerussite (PbCO3) và anglesite (PbSO4). Trong công nghiệp, kim loại chì được sử dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như: công nghiệp chế tạo ắc quy, nhựa, luyện kim... Vì vậy nguồn phát thải chì nhân tạo chủ yếu từ các hoạt động sản xuất công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp như: công nghiệp luyện kim, ắc quy, sơn, nhựa và các làng nghề tái chế chì, tái chế nhựa... Chì được dùng để làm tấm điện cực trong ăc quy, dây cáp điện, đầu đạn và các ống dẫn trong công nghiệp hoá học. Chì hấp thụ tốt tia phóng xạ và tia Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Rơnghen nên được dùng làm những tấm bảo vệ khi làm việc với những tia đó. Chì và các hợp chất của chì đều rất độc, nên khi tiếp xúc cần phải cẩn thận. Chì là nguyên tố có độc tính cao đối với con người và động vật. Nó xâm nhập vào cơ thể sống chủ yếu qua con đường tiêu hóa, hô hấp,… Tác động đến tủy xương và quá trình hình thành huyết cầu tố, nó thay thế canxi trong xương. Đặc tính nổi bật của chì là sau khi xâm nhập vào cơ thể sống nó ít bị đào thải mà tích tụ theo thời gian. 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 2003. Sau khi chì xâm nhập vào cơ thể người qua đường nước uống nó tích tụ lại rồi đến một mức độ nào đó mới gây độc. Khi nồng độ chì trong nước uống là 0,042 - 1,000 mg/L sẽ xuất hiện triệu chứng bị ngộ độc kinh niên ở người. Các hợp chất hữu cơ chứa chì có độc tính cao gấp hàng trăm lần so với các hợp chất vô cơ. Khi bị nhiễm độc chì, nó sẽ gây ra nhiều bệnh như: Giảm trí thông minh; Các bệnh về máu, thận, tiêu hóa, ung thư,… Sự nhiễm độc chì có thể dẫn đến tử vong. 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. Chì cũng được biết là tác nhân gây ung thư phổi, dạ dày và u thần kinh đệm. Nhiễm độc chì có thể gây tác hại đối với khả năng sinh sản, gây sẩy thai, làm suy thoái nòi giống. 1.1.2. Các nguồn gây ô nhiễm đồng, chì Trong số tất cả các chất gây ô nhiễm, kim loại nặng là một trong những tác nhân nguy hiểm nhất trong đó có đồng và chì vì đây là những chất không phân hủy sinh học và tồn tại lâu trong môi trường. Chúng xâm nhập vào trong Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
môi trường thông qua cả hai nguồn: tự nhiên và con người. Kim loại nặng là những thành phần tự nhiên của vỏ trái đất, hàm lượng của chúng thường tăng cao do tác động của con người, đây chính là nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng chủ yếu khi chúng đi vào môi trường đất và nước. Các kim loại do hoạt động của con người như As, Cd, Cu, Ni và Zn thải ra ước tính là nhiều hơn so với nguồn kim loại có trong tự nhiên, đặc biệt đối với chì 17 lần [14]. Kim loại nặng rất nguy hiểm do có xu hướng tích lũy sinh học. Tích lũy sinh học có nghĩa là tăng nồng độ của một chất hóa học trong cơ thể sinh vật theo thời gian so với nồng độ của nó trong môi trường. Các hợp chất tích tụ trong hệ thống sống khi chúng được đưa vào và được tích lũy nhanh hơn so với bị phá vỡ (chuyển hóa) hoặc bài tiết. Các kim loại nặng có thể đi vào nguồn đất, nước và không khí thông qua các chất thải công nghiệp hay người tiêu dùng giải phóng các kim loại nặng vào sông suối, hồ, sông, và nước ngầm. Không giống như các chất gây ô nhiễm hữu cơ, kim loại nặng không phân hủy tạo ra một thách thức rất lớn đối với các biện pháp khắc phục ô nhiễm. Một thảm họa môi trường nổi tiếng gắn liền với các kim loại nặng là bệnh Minamata do ô nhiễm thủy ngân ở Nhật Bản. Một số đơn vị công nghiệp thường thải ra các kim loại nặng độc hại vào môi trường được liệt kê trong (Bảng 1.1). Một số nước thải ra từ các nhà máy giấy, nhà máy phân bón có thêm kiềm, amoni, xianua và các kim loại nặng vào các nguồn nước. Nước thải từ các ngành công nghiệp thuốc nhuộm và bột màu, phim và nhiếp ảnh, làm sạch kim loại, mạ điện, khai thác mỏ và da có chứa một lượng đáng kể của các ion kim loại nặng. Ngoài ra thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu và các chất độc hại khác qua quá trình phân hủy từ từ, các kim loại nặng không bị loại bỏ và vẫn tồn tại trong đất, trầm tích tại nơi nó được thải ra. Ngoài các nguyên nhân gây ô nhiễm kim loại nặng ở trên thì bụi cũng là nguyên nhân gây nên ô nhiễm kim loại nặng phổ biến nhất và ảnh hưởng đến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
sức khỏe con người. Trong các khu vực đô thị, ô nhiễm kim loại nặng trong bụi đường phố phát sinh từ vô số nguồn như khí thải của các phương tiện giao thông, mòn xe ( lốp xe, thân xe, lót phanh,…) Bảng 1.2: Nguồn thải một số kim loại của một số ngành công nghiệp phổ biến STT Kim loại Nguồn phổ biến Crom (cả hai Mạ crom, lọc dầu, các ngành công nghiệp mạ điện, 1 hóa trị III và da, thuộc da, sản xuất dệt may và chế biến bột giấy VI) đơn vị. Mạ điện, sơn và bột, sản xuất pin, luyện kim và phân 2 Niken bón supe lân. Các nguyên liệu từ xăng, xăng pha chì, thuốc trừ sâu, 3 Chì và pin điện thoại di động. Ngành công nghiệp mạ điện, công nghiệp nhựa, luyện 4 Đồng kim và công nghiệp khí thải. Công nghiệp cao su, sơn, thuốc nhuộm, chất bảo quản 5 Kẽm gỗ và thuốc mỡ. Pin niken-cadimi, các ngành công nghiệp mạ điện, phân bón phosphate, chất tẩy rửa, sản phẩm tinh chế 6 Cadmi dầu mỏ, bột sơn màu, thuốc trừ sâu, ống mạ kẽm, nhựa, polyvinyl và nhà máy lọc dầu. 1.2. Bụi đường và tác hại của bụi đường đến sức khỏe con người Bụi đường là tên chung cho các hạt chất rắn có đường kính nhỏ cỡ vài micromet đến nửa milimet, tự lắng xuống theo trọng lượng của chúng nhưng vẫn có thể lơ lửng trong không khí một thời gian sau. Các hạt to hơn có thể gọi là cát, sỏi. Khi bụi phân tán mạnh trong không khí hay các chất khí nói chung, hỗn hợp khí và bụi được goi là aerosol rắn. Bụi đường xuất phát từ đất, từ ma sát trong hoạt động của con người và động vật. Đặc biệt hiện nay ở Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
những nơi dân cư đông đúc, xe cô qua lại nhiều, làm cho lượng bụi trong không khí tăng cao, ảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng cuộc sống. Ô nhiễm bụi gây ra nhiều tác động ảnh hưởng sức khỏe con người, không những vậy ảnh hưởng của hạt bụi còn phụ thuộc vào thành phần hóa học của nó. Bụi chứa các kim loại Pb, Hg gây ra các bệnh nhiễm độc rất nguy hiểm, bụi quặng và các hợp chất phóng xạ, chất hợp chứa Cr(VI), As, Cd…gây ra các bệnh ung thư; bụi thạch anh, bụi amiang…gây xơ hóa phổi [15]. Hơn nữa, ô nhiễm bụi gây ra những ảnh hưởng nhất định đối với môi trường đất và nước và không khí. Ở nước ta, lượng bụi chì trung bình trong không khí đô thị và nông thôn khoảng 1mg/m3 và 0,1-0,2 mg/m3, và con người phải hít vào tương ứng là 1,5-20 mg/ngày và 1,5-4,0 mg/ngày. Theo quy định của tổ chức sức khỏe thế giới (WHO) giới hạn bụi chì nơi làm việc phải nhỏ hơn 0,005mg/m3. Tuy nhiên, bụi chì trong khu vực sản xuất công nghiệp cao hơn nhiều lần cho phép. Dọc các trục lộ giao thông, dù giờ đây không dùng xăng pha chì nữa nhưng lượng bụi chì cũng không giảm đáng kể. Con người có thể tiếp xúc với kim loại nặng thông qua hấp thụ da và ăn các hạt bụi kim loại nặng có thể gây tổn thương DNA, do đó gây ra các tác động gây đột biến, gây quái thai và gây ung thư ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Cd, As và Cr có thể gây ung thư và Pb ảnh hưởng đến hệ thần kinh và não. Các triệu chứng phơi nhiễm Pb lâu dài là suy giảm trí nhớ, thời gian phản ứng kéo dài và giảm khả năng trí tuệ. Hơn nữa, đánh giá có hệ thống về ảnh hưởng của ô nhiễm không khí ngoài trời lâu dài đến các chức năng tâm lý cho thấy ô nhiễm không khí xung quanh có liên quan đến rối loạn tâm trạng, chức năng thần kinh và bệnh thoái hóa thần kinh ở người tiếp xúc lâu dài. 1.3. Các phương pháp xử lý mẫu bụi đường để xác định kim loại Xử lý mẫu phân tích là một quá trình phức tạp để chuyển các chất, hay các nguyên tố, các ion cần xác định có trong mẫu đưa về dạng tan trong dung môi thích hợp, như nước hay dung môi hữu cơ, … để sau đó có thể xác định Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
chúng theo một phương pháp phân tích thích hợp. Tuy vậy, việc xử lý mẫu được thực hiện theo rất nhiều kỹ thuật có nguyên lý, bản chất, cơ chế vật lý và hóa học có khi rất khác nhau, tùy theo mỗi loại mẫu và yêu cầu phân tích. Song một cách khái quát ta có thể phân loại theo một số nguyên tắc, cơ chế về hóa học, hóa lý và vật lý trong quá trình xử lý mẫu. Vì thế để xác định kim loại trong bụi đường có các phương pháp xử lý mẫu sau. Đó là các kỹ thuật: 1. Kỹ thuật vô cơ hóa ướt (xử lý ướt) 2. Kỹ thuật vô cơ hóa khô 3. Kỹ thuật vô cơ hóa khô và ướt kết hợp 1.3.1. Kỹ thuật vô cơ hóa ướt (Xử lý ướt) 1.3.1.1. Bằng axit mạnh đặc và có tính ôxy hóa a. Nguyên tắc và bản chất Dung dịch axit mạnh và đặc (HCl, H2SO4) hay axit mạnh đặc có tính oxy hóa mạnh (HNO3,HClO4), hay hỗn hợp 2 axit (HNO3 + H2SO4) hay 3 axit (HNO3 + H2SO4 + HClO4) để phân hủy mẫu trong điều kiện đun nóng trong bình Kendan hay trong ống nghiệm chịu nhiệt. Lượng axit thường dùng gấp 10 – 15 lần mẫu, tùy từng loại mẫu. Thời gian xử lý mẫu trong hệ hở, bình Kendan thường từ vài giờ đến vài chục giờ tùy từng loại mẫu. Còn nếu trong lò vi sóng hệ kín (có áp xuất) thì chỉ cần khoảng 30 – 60 phút tùy loại mẫu. Trong quá trình này, các chất hữu cơ đều bị ô xy hóa hết, để giải phóng các ion kim loại tạo thành các muối vô cơ tan trong dung dịch axit. Trong xử lý ướt người ta thường dùng các loại dung dịch axit đặc, còn chọn axit nào là tùy thuộc vào bản chất mẫu và chất cần phân tích có trong mẫu. Những loại dung dịch axit có thể đưa ra sau đây: - Các đơn axit đặc: HCl, HNO3, H2SO4, HClO4, … - Các hỗn hợp 2 axit: cường thủy (HCl+ HNO3), (HNO3+ H2SO4), (HF+ H2SO4) - Các hỗn hợp 3 axit (HCl+ HNO3+ H2SO4), (HNO3+ H2SO4 + HClO4), … Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
- Các hỗn hợp 1 axit và 1 chất ôxy hóa (H2SO4 + KMnO4), (HNO3+ H2O2), … - Hỗn hợp 2 axit và 1 muối (HNO3+ H2SO4 + KMnO4) Nhiệt độ sôi khi xử lý mẫu là phụ thuộc vào nhiệt độ của axit dùng để phân hủy mẫu. Có thể tham khảo nhiệt độ sôi của các axit trong bảng dưới đây: Tất nhiên khi dùng hỗn hợp, thì nhiệt độ sôi của dung dịch tùy thuộc vào các axit thành phần và nhiệt độ sôi của dung dịch sẽ vào khoảng giữa nhiệt độ của 2 axit trộn với nhau. Vì thế các mẫu khó phân hủy ta phải dùng các axit có nhiệt độ sôi cao và tính ôxy hóa mạnh. Bảng 1.3: Nhiệt độ sôi của các dung dịch axit đặc Với axit đơn Axit HCl HNO3 H2SO4 H3PO4 HClO4 HF Nồng độ (%) 36 65 98 78 72 40 o Nhiệt độ sôi C 110 121 280 213 203 120 Với hỗn hợp axit Loại hỗn hợp Thành phần (V/V) Nhiệt độ sôi C o Cường thuỷ (HCl/HNO3) 3/1 116-118 (HNO3+ H2SO4) 4/1 130-135 (HNO3+ H2SO4 ) 3/2 150-155 (HNO3+ H2SO4 + HClO4 ) 4/2/2 137-140 (HF+ H2SO4 ) 2/1 130-50 (HNO3+ H2SO4 + HF ) 2/1/1 120-130 b. Các kiểu xử lý ướt: Việc xử lý theo phương pháp ướt, có thể được thực hiện trong các thiết bị khác nhau tùy thuộc từng phòng thí nghiệm được trang bị loại nào, ví dụ: + Trong điều kiện thường, có thể xử lý mẫu: - Trong cốc thủy tinh, đun nóng trên bếp điện hoặc nồi cách thủy - Trong bình Kendan thường, khi đun ta có thể dùng phễu thủy tinh úp ngược Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
- Trong bình Kendan và có ống hồi lưu, v.v + Trong nồi áp xuất cao. Mẫu để trong hộp kín, thêm dung dịch axit để phân hủy mẫu, đậy kín sau đó đặt trong: - Sấy trong tủ sấy, trên bếp cát, trong lò nung - Luộc trong nồi nước sôi, hay trong dầu đun sôi + Xử lý mẫu trong lò vi sóng: * Trong các hệ lò đơn giản: - Hệ bình mẫu hở - Hệ bình mẫu đóng kín (có áp suất cao) * Trong các hệ nhiều bình và tự động hoàn toàn: - Hệ bình cầu hở, có khống chế nhiệt độ - Hệ bình mẫu đóng kín (áp suất cao), có khống chế nhiệt độ, áp suất. Trong các kiểu xử lý ướt này, hiện nay kỹ thuật ướt với axit đặc có tính ô xy hóa mạnh trong bình Kendan và trong lò vi sóng hệ kín (áp suất cao) đang được dùng nhiều. Với các nước phát triển, phổ biến hiện nay là cách xử lý trong lò vi sóng. Vì nó triệt để, nhanh, không mất chất phân tích. Ứng dụng chủ yếu của kỹ thuật này là để xử lý mẫu phân tích các kim loại và một số anion vô cơ, như Cl-, Br-, I-, SO42-, PO43-, v..v trong các loại mẫu sinh học, mẫu hữu cơ, mẫu vô cơ, mẫu môi trường, đất, nước, bụi không khí, kim loại, hợp kim, … Kỹ thuật này không áp dụng cho việc phân tích các chất hữu cơ. Để đánh giá ô nhiễm kim loại nặng trong mẫu bụi đường tại Jeongeup – Nam Hàn Quốc, tác giả Jin Ah Kim và cộng sự [6] đã tiến hành xử lý mẫu như sau: Cân 0,2g mẫu đã được nghiền mịn cho vào bình Teflon. Thêm HCl đậm đặc (3mL), HNO3 (2mL), HClO4 (1mL) và HF (2mL) làm nóng đến 1100C sau đó cô cạn ở nhiệt độ 1600C. Để nguội, làm lạnh bằng 1mL HNO3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn