Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu xác định dạng Cu, Pb, Zn và Cd trong một số cột trầm tích thuộc lưu vực sông Cầu

MỞ ĐẦU Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường do các hoạt động sinh hoạt và sản xuất của con người đã và đang là vấn đề nhức nhối của toàn xã hội. Một trong các chương trình đang được nhà nước quan tâm là nghiên cứu và đánh giá mức độ ô nhiễm thuộc lưu vực một số hệ thống sông chính như: sông Đáy, sông Nhuệ, sông Cầu... để từ đó có các biện pháp quản lí thích hợp. Trong số các chỉ số ô nhiễm, ô nhiễm kim loại nặng là một trong những chỉ số được quan tâm nhiều bởi độc tính và khả năng tích lũy sinh học của chúng. Để có thể đánh giá một cách đầy đủ về mức độ ô nhiễm của các kim loại nặng ta không thể chỉ dựa vào việc xác định hàm lượng của các kim loại hòa tan trong nước mà cần xác định cả hàm lượng các kim loại trong trầm tích. Rất nhiều công trình khoa học nghiên cứu về trầm tích sông, hồ đều cho thấy hàm lượng của các kim loại trong trầm tích lớn hơn nhiều so với trong nước. Dưới một số điều kiện lí hóa nhất định các kim loại nặng từ trong nước có thể tích lũy vào trầm tích đồng thời cũng có thể hòa tan ngược trở lại nước [65, 68]. Khả năng hòa tan của kim loại trong mẫu trầm tích vào nước cũng như khả năng tích lũy sinh học của nó phụ thuộc vào dạng tồn tại của kim loại trong trầm tích [69]. Vì vậy cần thiết phải xác định cụ thể dạng tồn tại của các kim loại trong trầm tích mới có thể đưa ra những đánh giá cụ thể và chính xác hơn về mức độ ô nhiễm và ảnh hưởng đến hệ sinh thái của các kim loại nặng [48]. Một vấn đề đáng lưu ý nữa là hàm lượng của các kim loại trong mẫu trầm tích phụ thuộc vào hàm lượng của các kim loại trong nước tại mỗi thời điểm. Do đó dựa vào việc xác định hàm lượng của các kim loại tại các điểm khác nhau trên cùng một cột trầm tích có thể giúp ta thấy được sự thay đổi về mức độ ô nhiễm kim loại nặng tại khu vực nghiên cứu theo thời gian. Để xác định dạng kim loại trong trầm tích, công đoạn quan trọng nhất là chiết tách riêng từng dạng kim loại ra khỏi trầm tích. Đã có rất nhiều quy trình chiết được 1 đưa ra nhưng quy trình chiết liên tục của Tessier (Tessier et.al, 1979 [34]) được nhiều tác giả lựa chọn sử dụng và cải tiến thêm phương pháp này. Theo quy trình chiết liên tục của Tessier, kim loại trong trầm tích được chia làm 5 dạng là: dạng trao đổi, dạng liên kết với cacbonat, dạng liên kết với sắt và mangan oxit, dạng liên kết với chất hữu cơ và dạng cặn dư. Lưu vực sông Cầu là một trong những lưu vực sông lớn và tập trung đông dân cư sinh sống ở khu vực phía Bắc. Sông Cầu dài 288,5 km bắt nguồn từ núi Vạn On ở độ cao 1175m thuộc huyện Chợ Đồn tỉnh Bắc Cạn chạy qua các tỉnh Bắc Cạn, Thái Nguyên, Bắc Giang, Hà Nội, Bắc Ninh và đổ vào sông Thái Bình ở thị xã Phả Lại tỉnh Hải Dương. Các khu vực sông Cầu chạy qua là những khu vực tập trung rất nhiều các hoạt động sản xuất công nghiệp như: khai khoáng, luyện kim, mạ điện... Vì vậy tình hình ô nhiễm nói chung và ô nhiễm kim loại nặng nói riêng đang ở mức báo động. Trước tình hình đó chính phủ đã cho thành lập Ủy ban Bảo vệ môi trường lưu vực sông Cầu vào tháng 1 năm 2008 để có những giải pháp đồng bộ quản lí và giảm thiểu ô nhiễm trên hệ thống lưu vực sông Cầu. Mặt khác, trên hệ thống lưu vực sông Cầu, Thái Nguyên là tỉnh mà ngành công nghiệp khai khoáng và luyện kim rất phát triển nên nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng là rất lớn. Từ những vấn đề trình bày ở trên, chúng tôi đã chọn đề tài “nghiên cứu xác định dạng Cu, Pb, Zn và Cd trong một số cột trầm tích thuộc lưu vực sông Cầu ” với địa bàn nghiên cứu chính là tỉnh Thái Nguyên theo các nhiệm vụ cụ thể là: + Xác định hàm lượng tổng và hàm lượng các dạng liên kết của các kim loại Cu, Pb, Zn và Cd trong một số cột trầm tích thuộc lưu vực sông Cầu khu vực đi qua thành phố Thái Nguyên. + Đánh giá sự thay đổi hàm lượng tổng và các dạng của các kim loại Cu, Pb ,Zn và Cd theo chiều sâu của cột trầm tích và giữa các cột trầm tích. + Đánh giá mối tương quan về hàm lượng tổng và các dạng của các kim loại Cu, Pb, Zn và Cd trong cùng 1 cột trầm tích và giữa các cột trầm tích với nhau. + Đánh giá mức độ ô nhiễm các kim loại Cu, Pb, Zn và Cd theo một số tiêu chuẩn đánh giá ô nhiễm trầm tích. Việc lấy mẫu trầm tích được chúng tôi trực tiếp tiến hành tại sông Cầu đoạn đi qua thành phố Thái Nguyên vào tháng 7 năm 2012. Các công việc bảo quản mẫu trầm tích, xử lí mẫu và phân tích hàm lượng tổng cũng như các dạng của các kim loại Cu, 2 Pb, Zn và Cd được thực hiện tại phòng Hóa Phân Tích – Viện Hóa Học – Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam. Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Trầm tích và sự tích lũy kim loại trong trầm tích 1.1.1 Trầm tích và sự hình thành trầm tích Trầm tích là các vật chất tự nhiên bị phá vỡ bởi các quá trình xói mòn hoặc do thời tiết, sau đó được các dòng chảy vận chuyển đi và cuối cùng được tích tụ thành các lớp trên bề mặt hoặc đáy của một khu vực chứa nước như ao, hồ, sông, suối, biển. Quá trình hình thành trầm tích là một quá trình tích tụ và lắng đọng các chất cặn lơ lửng (bao gồm cả các vật chất vô cơ và hữu cơ) để tạo nên các lớp trầm tích. Ao, hồ, sông, biển tích lũy trầm tích thành các lớp theo thời gian. Vì vậy trầm tích là một hỗn hợp phức tạp của các pha rắn bao gồm sét, silic oxit, chất hữu cơ, cacbonat và một quần thể các vi khuẩn (Trần Nghi, 2003 [14]; [71] ). Trầm tích là một trong những đối tượng thường được nghiên cứu để đánh giá và xác định mức độ cũng như nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng đối với môi trường nước bởi hàm lượng kim loại trong trầm tích thường lớn hơn nhiều so với lớp nước phía trên và có mối quan hệ chặt chẽ với hàm lượng của các ion kim loại tan trong nước. Các kim loại trong nước có thể tích lũy đi vào trầm tích và ngược lại kim loại trong trầm tích ở dạng di động có khả năng hòa tan ngược lại vào nước. Chính vì lí do đó nên trầm tích được xem là một chỉ thị quan trọng dùng để nghiên cứu và đánh giá sự ô nhiễm môi trường. 1.1.2 Các nguồn tích lũy kim loại vào trầm tích Sự tích lũy kim loại vào trầm tích đến từ hai nguồn là nguồn nhân tạo và nguồn tự nhiên. 3 Nguồn tự nhiên gồm các kim loại nằm trong thành phần của đất đá xâm nhập vào môi trường nước và trầm tích thông qua các quá trình tự nhiên như: phong hóa, xói mòn, rửa trôi (Ip Crman 2007 [46]). Nguồn nhân tạo là các nguồn ô nhiễm từ các hoạt động sinh hoạt và sản xuất của con người như: nước thải sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp, y tế. Các kim loại này sau khi đi vào nước sẽ tích lũy vào trầm tích cũng như các sinh vật thủy sinh. 1.1.3 Cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến sự tích lũy kim loại vào trầm tích Các kim loại tích lũy vào trầm tích có thể xuất phát từ nguồn tự nhiên hoặc nhân tạo. Sự tích lũy của các kim loại vào trầm tích có thể xảy ra theo 3 cơ chế sau: 1. Sự hấp phụ hóa lý từ nước. 2. Sự hấp thu sinh học bởi các sinh vật hoặc các chất hữu cơ. 3. Sự tích lũy vật lí của các hạt vật chất bởi quá trình lắng đọng trầm tích. Sự tích lũy kim loại vào trầm tích phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: các điều kiện thủy văn, môi trường, pH, thành phần vi sinh vật, kết cấu của trầm tích, khả năng trao đổi ion… nhất là sự hấp phụ hóa lý và hấp thu sinh học. Sự hấp phụ hóa lý các kim loại trực tiếp từ nước được thực hiện nhờ các quá trình hấp phụ các kim loại lên trên bề mặt của các hạt keo, các quá trình trao đổi ion, các phản ứng tạo phức của các kim loại nặng với các hợp chất hữu cơ hoặc do các phản ứng hóa học xảy ra làm thay đổi trạng thái oxi hóa của các nguyên tố hay tạo thành các hợp chất ít tan như muối sunfua. Quá trình hấp phụ hóa lí phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện như: pH của nước, kích thước của các hạt keo, hàm lượng các chất hữu cơ và quần thể vi sinh vật [65]. Sự hấp thu sinh học chủ yếu do quá trình hấp thu kim loại của các sinh vật trong nước, phản ứng tạo phức của các kim loại với các hợp chất hữu cơ, các hoạt động sinh hóa của hệ vi sinh vật trong trầm tích [42, 68]. 1.1.4 Các dạng tồn tại của kim loại trong trầm tích. Theo Tessier [33], kim loại trong mẫu trầm tích và mẫu đất tồn tại ở 5 dạng chủ yếu sau: 4 + Dạng trao đổi: Kim loại trong dạng này liên kết với các hạt keo trong trầm tích (sét, hydrat của oxit săt, oxit mangan, axit humic) bằng lực hấp phụ yếu. 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. Chính vì vậy kim loại trong trầm tích ở dạng này rất linh động có thể dễ dàng giải phóng ngược trở lại môi trường nước. + Dạng liên kết với cácbonat: Các kim loại tồn tại ở dạng kết tủa muối cacbonat. Các kim loại tồn tại ở dạng này rất nhạy cảm với sự thay đổi của pH, khi pH giảm các kim loại ở dạng này sẽ được giải phóng. + Dạng liên kết với Fe­Mn oxit: Ở dạng liên kết này kim loại được hấp phụ trên bề mặt của Fe­Mn oxi hydroxit và không bền trong điều kiện khử, bởi vì trong điều kiện khử trạng thái oxi hóa của sắt và mangan sẽ bị thay đổi, dẫn đến các kim loại trong trầm tích sẽ được giải phóng vào pha nước. + 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 cơ sẽ phân hủy và các kim loại sẽ được giải phóng vào pha nước. + Dạng cặn dư: Phần này chứa các khoáng chất bền vững tồn tại trong tự nhiên có thể giữ các vết kim loại trong nền cấu trúc của chúng, hoặc một số kết tủa bền khó tan của các kim loại như PbS, HgS... Do vậy khi kim loại tồn tại trong phân đoạn này sẽ không thể hòa tan vào nước trong các điều kiện như trên. 1.1.5 Kim loại nặng và nguồn tích lũy một số kim loại nặng trong trầm tích Kim loại nặng là các kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5 g/cm3, nhưng thông thường ta dùng để chỉ những kim loại độc hại và gây ô nhiễm môi trường. Trong trầm tích, kim loại nặng có thể tồn tại ở các dạng khác nhau, có khả năng tích lũy trong trầm tích, khả năng tích lũy sinh học và độc tính khác nhau [30]. Trong giới hạn của đề tài, chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu bốn kim loại nặng là: đồng, chì, kẽm và cadimi. 1.1.5.1 Kim loại đồng 5 ... - tailieumienphi.vn