Đánh giá mức độ ô nhiễm và phân tích các dạng hoá học của crom trong bụi đường tại một số khu công nghiệp

Nghiên cứu này phân tích hàm lượng tổng và các dạng hóa học của Cr trong các mẫu bụi đường từ các khu công nghiệp đã được phân tích để đánh giá mức độ ô nhiễm. Dạng hoá học của Cr trong các mẫu bụi đường được phân tích theo quy trình chiết tuần tự của Tesser và đo bằng phương pháp ICP-MS, với tổng độ thu hồi Cr dao động từ 96,5% đến 102%.

TNU Journal of Science and Technology 227(08): 301 - 309 ASSESSMENT OF POLLUTION LEVEL AND ANALYSIS OF CROM’S CHEMICAL SPECIATION IN ROAD DUST AT SOME INDUSTRIAL PARKS Nguyen Thi Thu Thuy1, Vuong Truong Xuan1*, Nguyen Thi Mai Thu2 TNU 2Phu - University of Science Binh High school – Phu Binh district – Thai Nguyen province ARTICLE INFO Received: 29/3/2022 Revised: 12/5/2022 Published: 19/5/2022 KEYWORDS Tessier’s sequential extraction Chemical speciation analysis Pollution level Geoaccumulation Index Individual contaminant factor ABSTRACT This study analyzed Cr’s total concentration and chemical fractions in road dust samples from industrial zones to evaluate pollution levels According to Tesser's sequential extraction procedure, the chemical fraction of Cr in road dust samples was measured by the ICP-MS method, with total Cr recovery ranging from 96.5% to 102% The results showed that Cr exists mainly in the residual fraction (F5 58.9%) > organic bound fraction (F4 - 18.3%) > Fe/Mn oxide bound fraction (F3 - 13.0%) > exchangeable fraction (F1: 5.52%) > carbonate bound fraction (F2: 4.31%) We also apply pollution indices such as the geological accumulation index (Igeo), the individual pollution factor (ICF), and the risk assessment index (RAC) to assess the pollution level of Cr in the studied area Igeo values of Cr in the samples are all < 0, indicating no geological risk The mean value of the ICF was 1.32 (0.64-1.74), the RAC ranged from 6.64% to 22.0%, with a mean value of 15.7% According to ICF and RAC, Cr concentrations in most studied samples in industrial zones are classified as low pollution and risk ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ Ơ NHIỄM VÀ PHÂN TÍCH CÁC DẠNG HOÁ HỌC CỦA CROM TRONG BỤI ĐƯỜNG TẠI MỘT SỐ KHU CÔNG NGHIỆP Nguyễn Thị Thu Thúy1, Vương Trường Xuân1*, Nguyễn Thị Mai Thu2 1Trường 2Trường Đại học Khoa học - ĐH Thái Nguyên THPT Phú Bình - huyện Phú Bình - Tỉnh Thái Ngun THƠNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 29/3/2022 Ngày hoàn thiện: 12/5/2022 Ngày đăng: 19/5/2022 TỪ KHĨA Chiết liên tục Tessier Phân tích dạng hố học Mức độ nhiễm Chỉ số tích lũy địa chất Nhân tố nhiễm riêng lẻ TĨM TẮT Nghiên cứu phân tích hàm lượng tổng dạng hóa học Cr mẫu bụi đường từ khu cơng nghiệp phân tích để đánh giá mức độ nhiễm Dạng hố học Cr mẫu bụi đường phân tích theo quy trình chiết Tesser đo phương pháp ICP-MS, với tổng độ thu hồi Cr dao động từ 96,5% đến 102% Kết cho thấy Cr tồn chủ yếu dạng cặn dư (F5: 58,9 %) > dạng liên kết với hợp chất hữu (F4: 18,3%) > dạng liên kết Fe/Mn oxít (F3: 13,0%) > dạng trao đổi (F1: 5,52%), dạng liên kết với cácbonat (F2: 4,31%) Các số ô nhiễm số tích lũy địa chất (Igeo), hệ số nhiễm riêng lẻ (ICF) số đánh giá rủi ro (RAC) để đánh giá mức độ ô nhiễm Cr Giá trị Igeo Cr mẫu < 0, cho thấy khơng có nguy rủi ro địa chất Các giá trị ICF trung bình 1,32 (0,64 - 1,74), RAC dao động từ 6,64% đến 22,0%, với giá trị trung bình 15,7% Theo số ICF RAC nồng độ Cr hầu hết mẫu nghiên cứu khu công nghiệp xếp vào mức độ ô nhiễm rủi ro thấp DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.5771 * Corresponding author Email: xuanvt@tnus.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 301 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 301 - 309 Giới thiệu Ơ nhiễm cơng nghiệp mối quan tâm hàng đầu nước phát triển Việt Nam Sự phát triển nhanh chóng nhà máy, xí nghiệp dẫn đến nguy nhiễm mơi trường ngày cao, có nhiễm kim loại nặng bụi lắng mặt đường Bụi đường thường phát sinh yếu tố tác động mơi trường bên ngồi, ngồi cịn sinh hoạt động sinh hoạt (hoạt động giao thơng, khí thải xăng dầu, phanh xe…) sản xuất người q trình gia cơng, chế biến vật liệu xây dựng, ngành sản xuất gang thép, điện tử, hóa chất Các kim loại nặng tìm thấy bụi đường phát gây nguy hại người môi trường Một kim loại có độc tính cao phải kể đến crom (Cr), vào thể, Cr thấm qua màng tế bào vào máu gây chứng bệnh thủng loét vách ngăn phổi, viêm phế quản, suy giảm chức phổi, viêm phổi, tổn thương giác mạc, gây ung thư 0], [0 Khả gây độc Cr cịn phụ thuộc vào dạng tồn hóa trị, theo Cr(III) có độc tính thấp so với Cr(VI), khả xâm nhập qua màng tế bào Cr(III) Tuy nhiên, độc tính lớn kim loại nặng chúng tồn dạng linh động (hay dạng dễ trao đổi) môi trường, dạng linh động kim loại dễ dàng giải phóng vào mơi trường xung quanh dẫn đến làm tăng tích lũy vào thể sinh vật từ vào thể người thông qua chuỗi thức ăn 0]-[0 Con người hệ sinh thái tiếp xúc với Cr thơng qua đường tự nhiên hoạt động người nước thải hạt vật chất (đất, bụi đường sol khí) Nguồn phát thải chủ yếu Cr bụi đường liên quan đến phương tiện giao thơng (như: lót phanh, lốp xe), sản xuất thép, điện tử, chế biến quặng Cr, thuộc da Nhiều chứng nước Châu Á cho thấy nguy độc chất khả gây ung thư Cr (VI) người hệ sinh thái 0]-[0 Một số nghiên cứu dạng hóa học kim loại bụi đường báo cáo, chủ yếu đánh giá đô thị khu vực tái chế kim loại 0], [0 Tại Việt Nam, thông tin kim loại nặng bụi đường hạn chế, đặc biệt phân tích dạng kim loại Cr bụi đường từ khu công nghiệp phức hợp 0], [0 Như vậy, thấy kim loại Cr cơng nhận yếu tố có khả gây hại liệt kê chất gây ô nhiễm quan tâm luật mơi trường tồn giới Vì vậy, nghiên cứu chúng tơi tập trung vào mục tiêu sau: i) phân tích đánh giá mức độ ô nhiễm hàm lượng tổng dạng liên kết hóa học Cr bụi đường sử dụng quy trình chiết Tessier 00, ii) đánh giá nguy rủi ro môi trường sinh thái Cr gây thơng qua số nhiễm tích lũy địa chất Igeo, ô nhiễm riêng lẻ (ICF) số rủi ro RAC Số liệu nghiên cứu bổ sung thêm thơng tin mức độ ô nhiễm kim loại nặng bụi đường tồn dạng di động nguy rủi ro môi trường sinh thái người từ hoạt động sản xuất công nghiệp Phương pháp nghiên cứu 2.1 Thơng tin mẫu phân tích Các mẫu nghiên cứu gồm khu công nghiệp (KCN) (n = 20), lấy trục đường phía trước nhà máy công nghiệp Thái Nguyên (TN - KCN Điềm Thụy, huyện Phú Bình), Bắc Ninh (BN - KCN Quế Võ, huyện Quế Võ), Bắc Giang (BG – KCN Vân Trung, huyện Việt Yên), Hải Phòng (HP- KCN Vsip, huyện Thủy Nguyên) Mỗi mẫu bụi mẫu gộp, gồm nhiều mẫu đơn thu thập đoạn đường cung đường Mẫu lấy cách quét bụi lòng đường, với khoảng cách 0,5 đến m từ mép vỉa hè, đoạn từ đến 10 m Mẫu đoạn quét dồn vào vị trí, lựa chọn lớp mẫu phía với kích thước hạt mịn, loại bỏ sơ dị vật Mẫu gói phoi nhơm, chuyển vào túi nilon (PE), trước đóng miệng túi cần ép chặt để loại khơng khí bên túi 2.2 Phương pháp xử lý mẫu phân tích mẫu http://jst.tnu.edu.vn 302 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 301 - 309 Để phân tích hàm lượng tổng kim loại mẫu bụi đường: tiến hành phân hủy mẫu theo phương pháp Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA – Environment Protection Agency) – Method EPA 3052 0, 500 mg mẫu bụi đường phân hủy mL HNO3 65% mL HF 48% (d = 1,15 g/cm³) bình teflon (đặt lị vi sóng) theo chương trình: (i) nâng nhiệt độ đến 180oC 5,5 phút; (ii) giữ 180oC 15 phút; (iii) giảm nhiệt độ đến 50oC Phân tích tổng kim loại mẫu bụi theo phương pháp EPA 6020B00 Để phân tích dạng hóa học Cr bụi đường, áp dụng quy trình chiết Tessier để tách dạng kim loại 00 Quy trình gồm giai đoạn tách dạng chính: Dạng trao đổi (F1); Dạng liên kết cacbonat (F2); Dạng liên kết với Fe – Mn oxit (F3); Dạng liên kết với chất hữu (F4), phần lại kim loại mẫu bụi đường sau giai đoạn chiết gọi dạng cặn dư (F5) Ngoài dạng F1 linh động, dạng F2, F3, F4 điều kiện thích hợp mơi trường pH thấp, oxi - hố khử thay đổi bị hồ tan chuyển kim loại thành dạng linh động hơn, nên dạng F1-F4 coi dạng di dộng kim loại Còn dạng cặn dư (F5) dạng bền, thường hoà tan hỗn hợp axit mạnh nên gọi dạng cố định.0 Nồng độ kim loại Cr xác định phương pháp ICP-MS (Agilent 7900) Độ thu hồi kim loại Cr đánh giá so với mẫu tổng, mẫu bụi đường từ 96,5 - 102%, độ lặp lại < 10% Giới hạn phát Cr từ 0,06 mg/kg trọng lượng khơ Các q trình chiết phân tích hàm lượng kim loại Cr mẫu đất thực lặp lại lần Kết cuối kết trung bình lần thí nghiệm lặp lại trừ mẫu trắng 2.3 Các tiêu đánh giá ô nhiễm môi trường 2.3.1 Chỉ số tích lũy địa hóa (Geoaccumulation Index : Igeo) Igeo thước đo định lượng đánh giá mức độ nhiễm bụi đường, có cơng thức tính sau: Cn Igeo = Log2 ( 1,5.B ) (1) n Trong đó: Cn hàm lượng kim loại mẫu; Bn: giá trị cho phép kim loại đất 0, 1,5: hệ số đưa để giảm thiểu tác động thay đổi xảy giá trị biến đổi địa hóa bụi đường Chỉ số Igeo cho kim loại tính tốn phân loại không bị ô nhiễm (Igeo ≤ 0); không bị ô nhiễm đến ô nhiễm vừa phải (0 < Igeo ≤ 1); bị ô nhiễm vừa phải (1 < Igeo ≤ 2); nhiễm từ trung bình đến nặng (2 < Igeo ≤ 3); bị ô nhiễm nặng (3 < Igeo ≤ 4); ô nhiễm nặng đến ô nhiễm (4 < Igeo ≤ 5); ô nhiễm (Igeo ≥ 5) 2.3.2 Nhân tố gây ô nhiễm riêng lẻ (ICF) Việc xác định nhân tố gây ô nhiễm riêng lẻ (ICF) Cr mẫu bụi đường theo công thức sau: F +F +F + F Dạng di động IFC = 2F = Dạng cặn dư (2) Mức độ ảnh hưởng số IFC phân loại thành mức sau: thấp (< 1); trung bình (1 - 3); lớn (3 - 6); lớn (> 6) 2.3.3 Chỉ số đánh giá mức độ rủi ro RAC (Risk Assessment Code) Trong bụi đường, dạng trao đổi (F1) dạng cacbonat (F2) kim loại liên kết tương đối yếu, dễ giải phóng vào mơi trường bụi vào thể người qua nhiều đường tiếp xúc, gây độc cho môi trường người Vì vậy, số RAC tính theo tổng phần trăm dạng trao đổi cacbonat: RAC = %F1 + %F2 Tiêu chuẩn đánh giá mức độ rủi ro theo số RAC%: thấp (< 10%); trung bình (10 - 30%); cao (30 - 50%); cao (> 50%) Kết bàn luận 3.1 Hàm lượng tổng Cr bụi đường từ số khu công nghiệp phức hợp http://jst.tnu.edu.vn 303 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 301 - 309 Kết trung bình hàm lượng tổng Cr mẫu bụi đường từ số khu cơng nghiệp trung bình 36,3 mg/kg Hàm lượng trung bình tổng Cr giảm dần theo thứ tự: Thái Nguyên (63,0 mg/kg) > Bắc Ninh (42,9 mg/kg) > Hải Phòng (24,2 mg/kg) > Bắc Giang (13,7 mg/kg), (bảng 1) Bảng Hàm lượng tổng dạng liên kết Cr (mg/kg) bụi đường Tỉnh F1 F2 F3 F4 F5 Tổng dạng TN (n=5) BG (n=5) BN (n=5) HP (n=5) Trung bình 2,09± 0,19 0,67± 0,008 2,31± 0,022 2,133± 0,002 1,79 1,89± 0,007 0,241± ,023 3,37± 0,011 1,15± 0,004 1,69 6,34± 0,003 2,09 ± 0,004 5,02 ± 0,019 3,69± 0,120 4,31 12,4± 0,010 2,34± 0,002 8,17 ± ,429 4,52± 0,201 6,79 40,4± 0,114 8,36± 0,180 43,9± 1,366 24,7± 0,067 21,8 63,0 13,7 43,9 24,7 36,3 Độ thu hồi (%) 97,2 96,5 102 102 - Sự có mặt Cr khu công nghiệp khác phụ thuộc vào nhiều yếu tố quy mơ sản xuất, cơng suất lị thải, số lượng giao thông.v.v Tuy nhiên, bụi đường khu cơng nghiệp yếu tố vật liệu nhiên liệu sản xuất thường xem xét nhiều Một số nghiên cứu cho thấy nguồn phát thải Cr phổ biến bao gồm q trình cơng nghiệp chẳng hạn tinh chế quặng (gang, thép), chế biến hóa chất vật liệu chịu lửa, sản xuất (xi măng tơ lót phanh chuyển đổi xúc tác) thuộc da Như vậy, kết phù hợp với khu vực lấy mẫu khu công nghiệp, Thái Nguyên mẫu bụi thu thập đường phía trước nhà máy sản suất thép, vật liệu xây dựng, thiết bị y tế Trong tỉnh cịn lại phần lớn thu thập khu vực sản xuất linh kiện điện tử, tơ Hình Hàm lượng trung bình Cr bụi đường so sánh với nghiên cứu khác Nghiên cứu so sánh với số nghiên cứu thuộc quốc gia khác thể hình Kết cho thấy, hàm lượng trung bình tổng Cr thấp so với số liệu đưa Trung Quốc 2017 (96,9 mg/kg) 0, Trung Quốc năm 2018 (92,1 mg/kg) 0, Ai Cập năm 2011 (87,5 mg/kg) Iran năm 2017 (76,5 mg/kg) Tuy nhiên, hàm lượng Cr khu vực TN, BN cao so với số liệu đưa Trung Quốc năm 2021 (2,28 mg/kg) 0, Pakistan năm 2015 Afghanistan 2018 Việc so sánh nghiên cứu mang tính chất tương đối, song khẳng định có mặt cao Cr bụi đường khu vực đô thị công nghiệp 3.2 Đánh giá phân bố Cr dạng di động bụi đường http://jst.tnu.edu.vn 304 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 301 - 309 Kết phân tích hàm lượng dạng liên kết kim loại Cr bụi đường khu công nghiệp thể hình 2, mơ tả tỷ lệ % phân bố dạng liên kết Cr bụi đường Hình Phân bố dạng liên kết hóa học Cr bụi đường Có thể thấy Cr tồn chủ yếu dạng cặn dư (F5), tỷ lệ % trung bình so với tổng dạng chiết 58,9%, dao động từ 53,5 – 64,1%, dạng F4 % trung bình 18,3%, tương ứng dao động từ 17,1 đến 19,2%, dạng F3 % trung bình 13,0% với khoảng dao động từ 10,2 đến 15,3% thấp dạng F1, F2 với tỷ lệ % trung bình 5,52% 4,3% Ở chúng tơi khơng tìm thấy khác biệt phân bố dạng liên kết Cr khu vực cơng nghiệp, điều liên quan đến tương đồng loại hình sản xuất chủ yếu linh kiện điện tử, ngoại trừ TN có thêm ngành sản xuất gang thép Để xét mức độ độc tính Cr cần phải đánh giá phân bố pha di động [6], [14], [18] Trong môi trường, Cr tồn chủ yếu hai trạng thái oxy hóa - crom hóa trị ba [Cr(III)] crom hóa trị sáu [Cr(VI)] Trong điều kiện thường, Cr(III) thường dạng trội tương đối ổn định không độc hại pH trung tính (6,5–8,5) hình thành hợp chất hydroxit oxit khơng hịa tan tạo phức mạnh với khoáng chất chất hữu Trong đó, điều kiện nhiễm, Cr(VI) có xu hướng chiếm ưu thế, hịa tan vào dạng di động Trong dạng chiết F1 F2 dạng có tính di động [32], dạng F1 kim loại thường liên kết với hạt keo bụi đường (hydrat oxit sắt, oxit mangan, axit humic) lực hấp phụ yếu, kim loại bụi đường dạng linh động dễ dàng giải phóng ngược trở lại mơi trường nước Ở dạng F2, kim loại tồn dạng kết tủa muối cacbonat, dạng nhạy cảm với thay đổi pH, pH giảm kim loại dạng giải phóng [18] Trong nghiên cứu tổng dạng F1 F2 chiếm tỷ lệ 9,38%, thấp so với dạng lại Tuy nhiên, người dễ hấp thụ kim loại dạng F1, F2, dẫn đến nguy rủi ro sức khỏe người [32] Các mẫu bụi đường nghiên cứu có giá trị pH đo nằm khoảng từ 7,1 đến 8,4, cho thấy mẫu bụi đường thuộc khu vực nghiên cứu có tính kiềm nhẹ Điều giải thích có cao Cr dạng cặn dư F5 đồng thời cho thấy tính ổn định liên kết mạnh Cr với khoáng chất thành phần cấu trúc tinh thể khống chất khơng thể hòa tan vào nước [15], [32] Tuy nhiên, thay đổi pH phụ thuộc nhiều vào yếu tố khác bụi đường có mặt CaCO3, hay thành phần chất hữu (OC) [33], [34] Một số nghiên cứu trước chứng minh Cr (III) có nguồn gốc từ q trình khử Cr (VI) tạo thành phức chất bề mặt chất hữu oxit sắt [35], [36] Điều giải thích tỷ lệ cao Cr dạng F3 F4 Các kim loại nặng phân đoạn F3 không ổn định không bền điều kiện khử, điều kiện khử trạng thái oxi hóa sắt mangan bị thay đổi Trong kim loại dạng F4 liên kết với hữu không bền điều kiện http://jst.tnu.edu.vn 305 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 301 - 309 oxi hóa, bị oxi hóa chất hữu phân hủy, dẫn đến kim loại bụi đường giải phóng vào pha nước [18], [37] Tỷ lệ phần trăm phân bố Cr pha di động nghiên cứu tương đương với nghiên cứu bụi đường tác giả Tokalıoğlu (41%) 0, 0, cao so với phần trăm Cr bụi đường tác giả Li (29,5%), Keskavan (14,3%) đưa Mặc dù phần trăm Cr tập trung lớn dạng cặn dư, nhiên % dạng F1, F2 Cr cho thấy nguy rủi ro người dân khu vực thu thập mẫu Đặc biệt, xem xét đến khả gây ung thư Cr 3.3 Đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường qua số Igeo, ICF, RAC 3.3.1 Chỉ số tích luỹ địa hố (Igeo) Kết tính tốn giá trị Igeo Cr dựa nồng độ tổng, cho giá trị trung bình -1,58 (Hình 3) Trong giá trị Igeo cao tìm thấy tỉnh có nhiều khu cơng nghiệp liên quan đến sản xuất sắt thép, linh kiện điện tử (TN) thấp BG Tuy nhiên, tất giá trị < 0, điều cho thấy khơng có nguy rủi ro Cr khu vực lấy mẫu nghiên cứu Giá trị Igeo nghiên cứu tương đương với kết thu nghiên cứu tác giả Men (-1 < Igeo