đề tài Nghiên cứu sự tồn tại của hợp chất PFOS và PFOA trong nước và trầm tích sông Cầu

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG BIÊU vi DANH MỤC HÌNH VẼ viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết luận án Mục tiêu nghiên cứu luận án Nội dung nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Điểm luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan hợp chất PFOS PFOA 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Cấu trúc hóa học số đặc tính hóa lý PFOS PFOA .7 1.1.3 Sản xuất ứng dụng PFOS PFOA 1.1.4 Sự phơi nhiễm độc tính PFOS PFOA 11 1.1.5 Nguồn phát thải PFOS PFOA vào môi trường 13 1.2 Các phương pháp phân tích PFOS PFOA mẫu nước trầm tích .16 1.2.1 Các phương pháp xử lý mẫu 16 1.2.2 Các kỹ thuật phân tích 17 1.2.3 Phương pháp xử lý phân tích mẫu chứa hợp chất PFOS PFOA Việt Nam 19 1.3 Sự ô nhiễm hợp chất PFOS PFOA nguồn nước mặt 22 1.3.1 Hiện trạng ô nhiễm PFOS PFOA khu vực châu Á 22 1.3.2 Hiện trạng ô nhiễm PFOS PFOA Việt Nam 24 1.4 Sự ô nhiễm hợp chất PFOS PFOA trầm tích 26 1.4.1 Cơ chế hấp phụ PFOS PFOA lên trầm tích 26 1.4.2 Động học hấp phụ PFOS PFOA lên trầm tích 29 1.4.3 Hiện trạng ô nhiễm PFOS PFOA trầm tích số quốc gia khu vực châu Á 30 1.4.4 Hiện trạng ô nhiễm PFOS PFOA trầm tích Việt Nam 31 1.5 Điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội trạng chất lượng nước lưu vực sông Cầu 32 i 1.5.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội 32 1.5.2Hiện trạng chất lượng nước sông Cầu đoạn qua thành phố Thái Nguyên 35 1.6 Kết luận phần Tổng quan 36 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38 2.1 Đối tượng nghiên cứu 38 2.2 Phạm vi nghiên cứu 38 2.3 Hóa chất, dụng cụ thiết bị 39 2.4 Tối ưu hóa điều kiện phân tích PFOS PFOA mẫu nước trầm tích kỹ thuật LC-MS/MS 41 2.4.1 Tối ưu hóa điều kiện khối phổ 41 2.4.2 Tối ưu hóa điều kiện sắc ký 42 2.4.3 Xác nhận phương pháp phân tích 43 2.5 Đánh giá trạng ô nhiễm PFOS PFOA nước trầm tích .44 2.5.1 Lấy mẫu, bảo quản mẫu 44 2.5.2 Phân tích đặc tính hóa lý nước, trầm tích sơng Cầu 48 2.5.3 Quy trình xử lý mẫu nước 49 2.5.4 Quy trình xử lý mẫu trầm tích 50 2.5.5 Kiểm soát đảm bảo chất lượng phân tích 53 2.6 Đánh giá sơ rủi ro môi trường PFOS PFOA nước mặt trầm tích 53 2.6.1 Nồng độ môi trường dự báo/đo (PEC/MEC) 54 2.6.2 Nồng độ dự báo không ảnh hưởng (PNEC) cho môi trường nước 54 2.6.3 Nồng độ dự báo không ảnh hưởng (PNEC) cho trầm tích 56 2.7 Tính tốn hệ số phân bố nước trầm tích 57 2.8 Phương pháp xử lý số liệu phân tích thống kê 57 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 59 3.1 Tối ưu hóa điều kiện phân tích PFOS PFOA kỹ thuật LC-MS/MS mẫu nước trầm tích 59 3.1.1 Tối ưu hóa điều kiện khối phổ 59 3.1.2 Tối ưu hóa điều kiện sắc ký 60 3.1.3 Xác nhận phương pháp phân tích 64 3.2 Hiện trạng chất lượng nước đặc tính hóa lý trầm tích sơng Cầu, thành phố Thái Nguyên 66 3.2.1 Các nguồn phát sinh nước thải vào lưu vực sông Cầu thành phố Thái Nguyên 66 3.2.2 Hiện trạng chất lượng nước sông Cầu thành phố Thái Ngun 68 3.2.3 Đặc tính hóa lý trầm tích sơng Cầu thành phố Thái Nguyên 72 3.3 Hiện trạng ô nhiễm đánh giá rủi ro PFOS PFOA nước trầm tích sông Cầu, thành phố Thái Nguyên 74 3.3.1 Hiện trạng ô nhiễm PFOS PFOA nước sông Cầu thành phố Thái Nguyên 74 3.3.2 Hiện trạng nhiễm PFOS PFOA trầm tích sơng Cầu thành phố Thái Nguyên 81 3.3.3 So sánh nồng độ PFOS PFOA nước trầm tích sơng Cầu với khu vực khác Việt Nam 89 3.3.4 Đánh giá rủi ro môi trường diện PFOS PFOA nước trầm tích sơng Cầu thành phố Thái Ngun 92 3.4 Sự ảnh hưởng đặc tính hóa lý nước trầm tích đến phân bố PFOS PFOA nước trầm tích 95 3.4.1 Hệ số phân bố Kd nước trầm tích PFOS PFOA 96 3.4.2 Sự ảnh hưởng đặc tính hóa lý mơi trường nước đến phân bố PFOS PFOA nước trầm tích 99 3.4.3 Sự ảnh hưởng đặc tính hóa lý trầm tích đến phân bố PFOS PFOA nước trầm tích 103 3.4.4 Sự ảnh hưởng đồng thời đặc tính hóa lý mơi trường nước trầm tích đến hệ số phân bố nước trầm tích 108 KẾT LUẬN 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 121 PHỤ LỤC 122 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT APCI Tên Tiếng Việt Ion hóa hóa học áp suất khí Tên Tiếng Anh Atmospheric pressure chemical ionization API Ion hóa áp suất khí Atmospheric pressure ionization ASE Chiết dung môi gia tốc Accelerated solvent extraction DO Oxy hòa tan Dissolved Oxygen EC Ủy ban Châu Âu European Commission ECF Flo hóa điện hóa Electrochemical fluorination ESI Ion hóa tia điện Electrospray ionization GC-MS Sắc ký khí khối phổ Gas chromatography–mass spectrometry Kd Hệ số phân bố Distribution Coefficients Koc Kow Hệ số phân bố Carbon hữu Nước Hệ số phân bố Otanol - Nước LC 50 LC 50-48h Nồng độ gây chết 50% Nồng độ gây chết 50% 48 LC 50-96h Nồng độ gây chết 50% 96 LC-MS/MS Sắc ký lỏng khối phổ ba tứ cực LLE LOAEL LOD LOQ MDL NOAEL không Chiết lỏng - lỏng Mức độ ảnh hưởng bất lợi thấp quan sát Giới hạn phát Giới hạn định lượng Giới hạn phát phương pháp Mức độ ảnh hưởng bất lợi quan sát Organic carbon water partition coefficient Octanol water partition coefficient Lethal Concentration 50 Lethal Concentration 50 in 48 hours Lethal Concentration 50 in 96 hours Liquid chromatography tandem mass spectrometry Liquid–liquid extraction Lowest observed adverse effect level Limit of Detection Limit of Quantitation OECD Tổ chức Hợp tác Kinh tế Phát triển Method Detection Limit No observed adverse effect level The Organisation for Economic Co-operation and Development PEC Nồng độ mơi trường dự đốn PFCA Perfluoroalkylcarboxylic acid PFCs Hợp chất per flo hóa PFOA Perfluorooctanoic acid PFOS Perfluorooctane sulfonic acid acid PFSA Perfluoroalkyl Sulfonates PNEC Nồng độ môi trường dự báo không gây ảnh hưởng POPs Các chất ô nhiễm hữu khó phân hủy RQ Thương số rủi ro SPE Chiết pha rắn TSS Tổng chất rắn lơ lửng TOC Tổng carbon hữu UNEP Chương trình môi trường Liên hợp quốc US EPA Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ Predicted Environmental Concentrations Perfluoroalkylcarboxylic acid Perfluorinated chemicals Perfluorooctanoic acid Perfluorooctane sulfonic Perfluoroalkyl Sulfonates Predicted No-EffectConcentrations Persistent organic pollutants Risk Quotient Solid phase extraction Total suspended solid Total organic carbon United Nations Environment Programme Environmental Protection Agency of United States DANH MỤC BẢNG BIÊU Bảng 1.1 Lịch sử phát sử dụng hợp chất PFOS PFOA Bảng 1.2 Tóm tắt số đặc tính hóa lý khác PFOA PFOS Bảng 1.3 Các ứng dụng PFOS, PFOA 10 Bảng 1.4 Ước tính lượng hấp thu hàng ngày người trưởng thành (ng/kg thể trọng/ngày) 12 Bảng 1.5 Giá trị LD50 LC50 PFOS PFOA 13 Bảng 1.6 So sánh số phương pháp phân tích hợp chất PFCs 18 Bảng 1.7 Quy trình xử lý phân tích mẫu nghiên cứu PFOS PFOA Việt Nam 21 Bảng 1.8 Nồng độ PFOS PFOA nước mặt số quốc gia châu Á 23 Bảng 1.9 Các thông số đường đẳng nhiệt hấp phụ Freudlich mô tả hấp phụ PFOS/PFOA lên chất hấp phụ tự nhiên (đất trầm tích) 30 Bảng 1.10 Nồng độ PFOS PFOA trầm tích số quốc gia châu Á 30 Bảng 1.11 Nồng độ PFOS PFOA trầm tích khu vực Việt Nam .31 Bảng 1.12 Thông tin chung nguồn thải tỉnh lưu vực sông Cầu 32 Bảng 2.1 Thông số chất chuẩn chất nội chuẩn 39 Bảng 2.2 Thông số hệ khối phổ 41 Bảng 2.3 Vị trí lấy mẫu nước trầm tích lưu vực sơng Cầu Tp Thái Nguyên 45 Bảng 2.4 Tổng hợp số lượng mẫu nước trầm tích 46 Bảng 2.5 Các thơng số đặc tính hóa lý nước trầm tích phân tích trường Phịng thí nghiệm 48 Bảng 2.6 Các mức rủi ro môi trường theo Thương số rủi ro (RQ) 54 Bảng 2.7 Hệ số đánh giá loại liệu 55 Bảng 2.8 Giá trị EC50 PNEC PFOS PFOA số loài sinh sống môi trường nước 56 Bảng 2.9 Đặc tính thành phần mơi trường 57 Bảng 3.1 Các thông số tối ưu hóa hệ LC-MS/MS phân tích PFOS PFOA 63 Bảng 3.2 Giá trị giới hạn phát phương pháp phân tích PFOS PFOAtrong mẫu nước trầm tích 64 Bảng 3.3 Kết khảo sát độ chụm độ phương pháp 66 Bảng 3.4 Thông tin số nguồn thải thành phố Thái Nguyên .68 Bảng 3.5 Nồng độ PFOS/PFOA trầm tích sơng giới .83 Bảng 3.6 Nồng độ PFOS PFOA nước trầm tích số tỉnh/thành phố Việt Nam 90 Bảng 3.7 Thương số rủi ro (RQ) nước mặt sông Cầu 93 Bảng 3.8 Thương số rủi ro (RQ) trầm tích sông Cầu 94 Bảng 3.9 So sánh RQ sông Cầu với số khu vực giới 95 Bảng 3.10 Hệ số phân bố Kd KOC nước trầm tích sơng Cầu 98 Bảng 3.11 So sánh giá trị logKd logKOC sông Cầu với số thủy vực giới Việt Nam 99 Bảng 3.12 Kết phân tích tương quan thơng số mơi trường nước trầm tích đến nồng độ phân bố PFOS PFOA nước trầm tích 107 Bảng 3.13 So sánh giá trị phân tích hồi quy đa biến hệ số phân bố Kd đặc tính trầm tích luận án với nghiên cứu khác 109 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phân loại hợp chất Perfluoroalkyl Polyfluoroalkyl Hình 1.2 Cấu tạo hóa học hợp chất PFOS PFOA Hình 1.3 Con đường lan truyền nhiễm PFOS PFOA vào mơi trường 14 Hình 1.4 Tỷ lệ nguồn phát thải PFOS vào môi trường 15 Hình 1.5 Tỷ lệ nguồn phát thải PFOA vào môi trường 15 Hình 1.6 So sánh mức độ nhiễm PFCs quốc gia 23 Hình 1.7 Cơ chế tương tác tĩnh điện trình hấp phụ PFCs 28 Hình 1.8 Cơ chế tương tác kỵ nước trình hấp phụ PFCs 28 Hình 1.9 Mơ hình mơ tả chế hấp phụ PFCs lên trầm tích 29 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình nghiên cứu 38 Hình 2.2 Bản đồ vị trí lấy mẫu nước trầm tích sơng Cầu Tp Thái Nguyên 47 Hình 2.3 Quy trình xử lý mẫu nước 51 Hình 2.4 Quy trình xử lý mẫu trầm tích 52 Hình 3.1 Các tín hiệu (peak) PFOS/PFOA với lượng F khác 59 Hình 3.2 Các tín hiệu (peak) PFOS/PFOA với lượng CE khác 60 Hình 3.3 Các tín hiệu (peak) PFOS PFOA với pha động khác 61 Hình 3.4 Sắc ký đồ phân tích mẫu chuẩn PFOS PFOA 63 Hình 3.5 Đường chuẩn PFOA với hệ số tương quan R2 = 0,998433 .65 Hình 3.6 Đường chuẩn PFOS với hệ số tương quan R2 = 0,996137 65 Hình 3.7 Hàm lượng oxy hòa tan điểm lấy mẫu 70 Hình 3.8 Hàm lượng E.Coli điểm lấy mẫu 71 Hình 3.9 Hàm lượng Amoni điểm lấy mẫu 71 Hình 3.10 Hàm lượng chất rắn lơ lửng điểm lấy mẫu 72 Hình 3.11 Hàm lượng TOC (cột) hàm lượng sét (đường) trầm tích sơng Cầu 74 Hình 3.12 Sự phân bố kích thước hạt trầm tích sơng Cầu 74 Hình 3.13 Nồng độ PFOS PFOA vị trí lấy mẫu vào tháng 09/2019 78 Hình 3.14 Nồng độ PFOS PFOA vị trí lấy mẫu vào tháng 03/2020 78 Hình 3.15 Tổng nồng độ PFOS PFOA vị trí lấy mẫu theo thời gian 79 Hình 3.16 Xu hướng thay đổi theo mùa nồng độ PFOS PFOA theo chiều dịng chảy dịng sơng Cầu 80 Hình 3.17 Sự tương quan tổng nồng độ PFOS PFOA mùa mưa mùa khô 81 Hình 3.18 Nồng độ PFOS PFOA trầm tích bề mặt 83 Hình 3.19 Nồng độ PFOS PFOA theo độ sâu trầm tích .86 Hình 3.20 Xu hướng ô nhiễm PFCs khu vực biển Bering 89 Hình 3.21 Xu hướng nhiễm PFCs sơng Haihe (Trung Quốc) 89 Hình 3.22 Tương quan hàm lượng TOC nồng độ trầm tích 105 Hình 3.23 Tương quan hàm lượng TOC hệ số phân bố nước- trầm tích 105 Phụ lục Tổng hợp điều kiện phân tích hợp chất PFCs kỹ thuật LC-MS/MS [19] Loại mẫu Nước mặt Xử lý mẫu sơ Pha tĩnh SPE (Water Oasis HLB Thermo Scientific Betasial Pha động 2mM ammonium acetate + 0,2g, 6cm3) Lọc, SPE (Oasis HLB 500mg, 6mL) C18 (100x2,1mm ; 5µm) X-Terra MS C18 (2,1x150mm) MeOH MS 2,5mM ammonium acetate + LC-ESIMeOH MS Nước thải Lọc, ASE (Presep C Agri C18) Agilent Eclipse XDB-C18 A: 5mM ammonium acetate nước MiliQ B: 100% acetronitrile LC-ESIMS 0,20 ng/L Nước sông Lọc, SPE ( Presep C Agri) Agilent Eclipse XDB-C18 A: 5mM ammonium acetate nước MiliQ B: 100% acetronitrile LC-ESIMS 0,20 ng/L Nước hồ Lọc, SPE (Oasis WAX 6cc, 150mg) X-Terra MS C18 (2,1x150mm) A: 2,5mM ammonium acetate methanol B: 2,5mM ammonium acetate LC-ESIMS NR SPE (Water Oasis HLB Thermo Scientific Betasial 2mM ammonium acetate + LC-ESI- 0,5 ng/L 0,2g, 6cm3) Lọc, SPE (Oasis HLB 500mg, 6mL) C18 (100x2,1mm ; 5µm) X-Terra MS C18 (2,1x150mm) MeOH MS 2,5mM ammonium acetate + LC-ESIMeOH MS 0,70 ng/L Lọc, ASE (Presep C Agilent Eclipse XDB-C18 A: 5mM ammonium acetate 0,50 ng/L PFOA Nước mặt Nước thải Detector LC-ESI- LC-ESI- LOQ 0,10 ng/L 0,70 ng/L Loại mẫu Xử lý mẫu sơ Agri C18) Nước sông Lọc, SPE ( Presep C Agri) Nước hồ Lọc, SPE (Oasis WAX 6cc, 150mg) Pha tĩnh Pha động nước MiliQ B: 100% acetronitrile Detector MS LOQ Agilent Eclipse XDB-C18 A: 5mM ammonium acetate nước MiliQ B: 100% acetronitrile LC-ESIMS 0,50 ng/L X-Terra MS C18 (2,1x150mm) A: 2,5mM ammonium acetate methanol B: 2,5mM ammonium acetate LC-ESIMS NR Phụ lục Kết quan trắc chất lượng nước sông Cầu năm 2018 Trung tâm quan trắc Môi trường tỉnh Thái Nguyên Thông số Đơn vị SCA 1-4 7.03 6.01 3.25 6.29 79.80 0.004