Nghiên cứu kỹ thuật đồng vị và ứng dụng để xác định tuổi nước ngầm khu vực Hà Nội

Nghiên cứu kỹ thuật đồng vị và ứng dụng để xác định tuổi nước ngầm khu vực Hà Nội

Bộ giáo dục và đào tạo Bộ khoa học và công nghệ Viện năng lợng nguyên tử việt nam Trịnh văn giáp Nghiên cứu kỹ thuật đồng vị và ứng dụng để xác định tuổi nớc ngầm khu vực Hà nội Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân Mã số: 62 44 05 01 Tóm tắt luận án tiến sĩ vật lý Hà nội 2007 Công trình đợc hoàn thành tại Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân-Viện Năng lợng nguyên tử Việt nam Hớng dẫn khoa học: 1. Hoàng Đắc Lực, Phó giáo s, Tiến sĩ vật lý, Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân. 2. Đặng Đức Nhận, Tiến sĩ hóa học, Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Triệu Tú, Trờng ĐH Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà nội Phản biện 2: GS.TS. Nguyễn Văn Đỗ, Viên Vật lý và điện tử Phản biện 3: PGS.TS. Phùng Văn Duân, Trờng ĐH Bách Khoa HN Luận án sẽ đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nớc họp tại Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân-Viện Năng lợng nguyên tử Việt nam vào hồi 9 giờ ngày 31 tháng 1 năm 2007 Có thể tìm hiểu luận án tại th viện Quốc gia hoặc th viện Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân Mở ĐầU 1. Tính cấp thiết của luận án Do sự phát triển của nền kinh tế, nhu cầu về nớc sạch của nhiều nớc trên thế giới nói chung, của Việt Nam nói riêng ngày càng tăng và nớc ngầm luôn đóng vai trò chủ yếu. Để tránh làm ô nhiễn nguồn nớc ngầm cũng nh tránh những rủi ro khác do khai thác quá mức lợng nớc ngầm có khả năng cung cấp, cần phải đánh giá nguồn gốc, tuổi, khả năng bổ cấp từ các nguồn nớc bề mặt để từ đó đa ra biện pháp quản lý và khai thác nguồn nớc ngầm một cách hợp lý. Kỹ thuật hạt nhân nói chung, kỹ thuật đồng vị nói riêng đang là công cụ hữu hiệu để giải quyết các vấn đề trên. Trên cơ sở các thiết bị máy móc hiện đại để phân tích các đồng vị phóng xạ 14 C, 3 H, 222 Rn cũng nh các đồng vị bền 18 O, 2 H đã đợc thiết lập tại phòng thí nghiệm thuỷ văn đồng vị của Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân, việc phân tích và sử dụng các đồng vị môi trờng trong nghiên cứu địa chất thuỷ văn sẽ thuận lợi và có thể đi sâu giải quyết các bài toán cụ thể. Với những yêu cầu khoa học và thực tiễn cũng nh khả năng thực hiện nh nói ở trên, tác giả lựa chọn đề tài Nghiên cứu kỹ thuật đồng vị và ứng dụng để xác định tuổi nớc ngầm khu vực Hà nội làm đề tài luận án tiến sỹ của mình. 2. Mục đích của luận án Nghiên cứu xây dựng các phơng pháp hiện đại để xác định các đồng vị môi trờng 3 H, 18 O, 2 H, 14 C và 222 Rn trong nớc và ứng dụng các đồng vị trên để xác định tuổi của nớc ngầm khu vực Hà nội. 3. Nội dung nghiên cứu của luận án - Tổng quan về nguồn gốc và vai trò của các đồng vị của cacbon, hyđrô, ôxy và radon trong nghiên cứu nớc ngầm. 1 - Nghiên cứu xây dựng các kỹ thuật hiện đại để xác định hàm lợng cá c đồng vị của cacbon, hyđrô, ôxy và radon trong nớc. - Nghiên cứu sử dụng các mô hình toán học nh: Mô hình cân bằng khối lợng đồng vị, mô hình tham số tập trung (mô hình hộp đen) để giải quyết bài toán tuổi nớc ngầm khu vực Hà nội. - Đa ra một số đề xuất về ứng dụng kỹ thuật đồng vị trong các bài toán liên quan nớc nớc ngầm khu vực Hà nội trong thời gian tới. 4. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tợng nghiên cứu chính của luận án là các vấn đề lý thuyết và thực nghiệm để xây dựng phơng pháp xác định các đồng vị môi trờng trong nớc. - Phạm vi nghiên cứu của luận án là ứng dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị môi trờng để xác định tuổi của nớc ngầm khu vực Hà nội. 5. Phơng pháp nghiên cứu và nguồn t liệu - Xây dựng các phơng pháp xác định hàm lợng các đồng vị môi trờng dùng trong nghiên cứu nớc ngầm. - Khảo sát thực địa, thu thập mẫu và phân tích thành phần hóa học và đồng vị trong các mẫu đã thu thập. - Sử dụng các mô hình toán học để giải thích các số liệu đồng vị môi trờng, cũng nh trên cơ sở các số liệu địa chất thuỷ văn, để đánh giá tuổi nớc ngầm khu vực Hà nội. 6. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Xây dựng phơng pháp xác định các đồng vị 14 C, 3 H, 18 O, 2 H và 222 Rn trong nớc theo điều kiện Việt Nam với độ chính xác cao, có thể áp dụng trong nghiên cứu thuỷ văn và địa chất thuỷ văn trong tơng lai ở Việt nam. 7. Những điểm mới của luận án 2 3 4 Chơng I - Lần đầu tiên hàm lợng các đồng vị nh 3 H, 18 O và 2 H trong các mẫu nớc đã đợc xác định trên các thiết bị hiện đại ở Việt Nam để phục vụ công tác nghiên cứu nớc ngầm cũng nh nghiên cứu môi trờng nói chung. Tổng quan về các đồng vị môi trờng trong địa chất thuỷ văn và tình hình sử dụng kỹ thuật đồng vị trong nghiên cứu nớc ngầm trên thế giới và ở việt nam - Mô hình toán học (mô hình tham số tập trung) đã đợc nghiên cứu sử dụng để giải thích các số liệu đồng vị đo đợc. 1.1 Tổng quan về các đồng vị 14 C, 3 H, 18 O, 2 H, 222 Rn 1.1.1 Đồng vị phóng xạ 14 C - Nguồn gốc nớc ngầm khu vực Hà nội đã đợc nghiên cứu khá chi tiết sử dụng kỹ thuật đồng vị. Với số lợng kết quả đo hàm lợng các đồng vị: Trên 150 kết quả đo đồng vị 2 H và đồng vị 18 O, trên 80 kết quả đo đồng vị 3 H và 27 kết quả đo đồng vị 14 C, đã đa ra các đánh giá về tuổi và dòng chảy của nớc ngầm khu vực động thái bị phá huỷ mạnh. 1.1.1.1 Ngun gc ng v 14 C ng v 14 C c sinh ra trong khớ quyn do phn ng ht nhõn ca ntrụn th cp ca tia v tr vi ht nhõn nit. Nguyờn t 14 C b ụxy húa to thnh phõn t khớ cacbonic ( 14 CO 2 ). ng v 14 C phõn ró phúng x - (E max = 156 keV) vi chu k bỏn ró l T=5730 nm. 8. Luận điểm bảo vệ Hm lng 14 C thng c biu din bng n v phn trm cacbon hin i (pmc) theo biu thc sau: - Các kỹ thuật đo đồng vị đã đợc nghiên cứu và áp dụng trong luận án nh: Xác định hàm lợng đồng vị 14 C trong nớc bằng phơng pháp kết tủa cacbonat và phơng pháp đếm nhấp nháy lỏng; Xác định hàm lợng đồng vị 3 H trong mẫu nớc bằng phơng pháp làm giàu điện phân và phơng pháp đếm nhấp nháy lỏng; Xác định hàm lợng các đồng vị bền 18 O và 2 H trên hệ khối phổ kế tỷ số đồng vị và xử lý mẫu bằng phơng pháp nhiệt phân; Xác định hàm lợng khí 222 Rn trong nớc bằng đềtéctơ vết hạt nhân và than hoạt tính. - Xác định tuổi, tỷ lệ pha trộn của nớc ngầm trên cơ sở sử dụng cả hai đồng vị phóng xạ môi trờng 3 H và 14 C - Xác định dòng chảy và tuổi nớc ngầm sử dụng đồng vị phóng xạ cũng nh đồng vị bền và mô hình tham số tập trung. 9. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, danh mục chữ viết tắt, thống kê các biểu bảng, thống kê các hình vẽ. luận án chia thành 3 chơng 100. A ox 14 a = A (pmc) (1.3) trong đó A và A ox là hoạt độ riêng 14 C trong mẫu và mẫu chuẩn. 1.1.1.2 Cỏc quỏ trỡnh a 14 C vo nc ngm 1/ Quỏ trỡnh húa hc thun tuý to ra s bóo hũa cacbonat; 2/ Quỏ trỡnh sinh húa to ra khớ CO 2 trong t v t 2 quỏ trỡnh trờn to ra tng cacbon vụ c hn tan (TDIC) trong nc. xỏc nh tui bng 14 C trong TDIC, cn phi tớnh n cỏc quỏ trỡnh pha loóng 14 C bởi cacbon không phóng xạ lm thay i hat 14 C trong nc ngm. 1.1.1.3 Tớnh tui ca nc ngm theo hm lng 14 C Xỏc nh tui ca nc ngm thc cht l xỏc nh tui ca cacbon phúng x ó hũa tan trong nc ngm theo biu thc sau: A o 2/1 ln. 2ln t t = AT (1.18) 5 6 vi A t , A o l hot phúng x riờng ca 14 C trong nc ngm ti thi im ly mu t v ti thi im ban u; T 1/2 l chu bỏn ró ca 14 C thng c ly l 5730 (40) nm. 1.1.1.4 Xỏc nh hot cacbon ban u trong TDIC Hot 14 C ban u trong TDIC ca nc ngm l hot riờng ca 14 C trong TDIC khi bt u i vo tng cha nc sau khi xy ra tt c cỏc quỏ trỡnh húa hc v quỏ trỡnh trao i ng v v trc khi cú s phõn ró phúng x xy ra . Tu theo nhng bi toỏn c th , ngi ta s dng cỏc mụ hỡnh khỏc nhau tớnh hot 14 C ban u:1/ Mụ hỡnh Vogel ; Vogel v Ehhalt; 2/ Mụ hỡnh Tammer v Schargenseel; 3/ Mụ hỡnh Ingerson v Pearson; 4/ Mụ hỡnh Mook; 5/ Mụ hỡnh Garnier v Fontes 1.1.2 Đồng vị phóng xạ 3 H Triti ( 3 H ) là đồng vị phóng xạ của hydrô, có chu kỳ bán rã 12,43 năm. Triti phân rã với năng lợng thấp . Đơn vị đo hàm lợng keVE 18 max = 3 H trong nớc là TU. 1 TU tơng đơng với tỉ số [ 3 H]/[ 1 H] là 10 -18 ; 1 lít nớc có hàm lợng 1 TU sẽ tạo ra 7,2 dpm ( 0,12 Bq). 1.1.2.1 Nguồn gốc triti trong nớc Đồng vị 3 H trong nớc có hai nguồn gốc: Tự nhiên và nhân tạo. - Nguồn gốc tự nhiên thứ nhất là do tơng tác của nơtrôn từ tia vũ trụ với nguyên tử nitơ trong khí quyển; Nguồn gốc tự nhiên thứ hai là do tơng tác nơtrôn phát ra từ phản ứng phân hạch tự phát của U, Th trong môi trờng đất với hạt nhân liti có trong đất đá. - Nguồn gốc nhân tạo thứ nhất là từ các vụ thử vũ khí hạt nhân, hàm lợng 3 H trong nớc ma cao nhất vào năm 1963 và đợc gọi là đỉnh 1963; Ngun gc nhõn to th hai l t cỏc lũ phn ng ht nhõn, ú l do tng tỏc ca ntrụn trong lũ phn ng vi ht nhõn nit ca mụi trng. 1.1.2.2 ng dng ng v 3 H i vi bi toỏn tui ca nc ngm 1/ Xỏc nh vn tc ca nh 3 H nm 1963 2/ o hm lng 3 H trong nc di t theo thi gian ti mt im quan sỏt ỏnh giỏ s di chuyn ca nh 1963 ti im ú. 3/ ỏnh giỏ nh tớnh tui ca nc ngm. 4/ Xỏc nh mụ hỡnh dũng chy v tui ca nc ngm s dng mụ hỡnh tham s tp trung. 1.1.3 Đồng vị bền 18 O, 2 H 1.1.3.1. Tng quan v ng v 18 O v 2 H Trong nghiờn cu nc ngm, cỏc ng v bn ca ụxy v hyrụ l nhng cht ỏnh du t nhiờn lý tng vỡ chỳng nm ngay trong phõn t nc: H 2 16 O, HD 16 O, D 2 16 O, H 2 17 O, HD 17 O, H 2 18 O, HD 19 O, D 2 18 O. 1.1.3.2. Thnh phn ng v 18 O v 2 H trong nc t nhiờn Trong chu trỡnh nc t nhiờn, thnh phn ng v 18 O v 2 H trong nc luụn thay i do cú quỏ trỡnh phõn tỏch ng v. Trong cỏc quỏ trỡnh bay hi v ngng t nc trong chu trỡnh thu vn, mc thay i thnh phn ng v do hin tng phõn tỏch ng v ph thuc vo cao, nhit , vựng khớ hu, theo mựa v v . 1.1.3.3 ng nc khớ tng ton cu (GMWL) Trong chu trỡnh thu vn, thnh phn ng v 18 O v 2 H luụn thay i, nhng chỳng thng cú mi liờn h vi nhau theo biu thc sau theo biu thc sau: D = 8 18 O + 10 (1.29) 7 8 ng biu din mi liờn h trờn c gi l ng nc khớ tng ton cu-GMWL Tu thuc vo thnh phn cỏc ng v bn 18 O v 2 H trong mụi trng nc m chỳng ta cú th s dng chỳng gii quyt cỏc bi toỏn v ngun gc nc ngm nh sau: 1/ Nhn dng vựng b cp cho nc ngm; 2/ Nhn dng ngun nc c; 3/ ỏnh giỏ mi liờn h gia nc ngm v nc b mt; 4/ ỏnh giỏ c ch nhim mn ca nc ngm; 5/ Xỏc nh ngun nc ngm nm trong vựng ho t ng a nhit. 1.1.4 Đồng vị phóng xạ 222 Rn Radon ( 222 Rn) là khí phóng xạ duy nhất nằm trong dãy phân rã phóng của 238 U, là sản phẩm phân rã trực tiếp của hạt nhân phóng xạ radi ( 226 Ra). Đồng vị radon phân rã phóng xạ alpha () với chu kỳ bán rã 3,82 ngày. Radon đợc sử dụng để xác định tuổi của nớc ngầm thông qua tỷ số đồng vị Rn/Ra trong nớc và đánh giá tốc độ thấm của nớc bề mặt (sông, hồ) vào các tầng chứa nớc. Nguyên tắc của phơng pháp là trong nớc bề mặt thờng có hàm lợng khí radon rất thấp, khi thấm vào tầng chứa nớc, do sự phân rã của radi nên hàm lợng khí radon sẽ tăng dần, khi đó thời gian lu của nớc ngầm đợc xác định theo biểu thức sau: () ( ) C C bh bh tC t = ln. 1 (1.31) trong đó C(t), C bh - hàm lợng khí radon trong nớc ngầm tại thời điển t và thời điểm bão hòa; -hằng phân rã phóng xạ của radon. Vì vậy, dọc theo hớng dòng chảy nếu có một số lỗ khoan ta có thể xác định đợc thời gian lu của nớc ngầm theo hàm lợng khí radon trong nớc. 1.2 Tình hình sử dụng kỹ thuật đồng vị trong nghiên cứu nớc ngầm trên thế giới và ở việt nam 1.2.1 Tình hình chung trên thế giới Theo các tài liệu của IAEA, trong bốn thập kỷ qua, kỹ thuật đồng vị đã đợc sử dụng để giải quyết các vấn đề nguồn gốc và dòng chảy nớc ngầm; Động học và mối liên hệ thuỷ áp của nớc ngầm; ứng dụng trong hệ thống địa nhiệt; Mối liên hệ giữa nớc bề mặt và nớc ngầmHầu hết các phòng thí nghiệm thuỷ văn đồng vị ở các nớc trên thế giới đều hợp tác với IAEA trong vấn đề ứng dụng kỹ thuật đồng vị. Riêng trong hai thập kỷ qua, IAEA đã chi khoảng 20 triệu đô la Mỹ cho các dự án viện trợ kỹ thuật về ứng dụng kỹ thuật đồng vị trong nghiên cứu nớc ngầm ở các nớc thành viên. 1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt nam ở đồng bằng Nam Bộ, sử dụng kỹ thuật đồng vị để nghiên cứu nớc ngầm đã đợc Trung Tâm ứng dụng kỹ thuật hạt nhân thành phố Hồ Chí Minh bắt đầu thực hiện từ những năm 80. Từ đó đến nay đã có tổng cộng 4 dự án viện trợ kỹ thuật của IAEA liên quan đến lĩnh vực thuỷ văn đồng vị: Dự án VIE/8/003 (Võ Tiến Tài và các cộng sự) nghiên cứu về nguồn gốc và cơ chế nhiễm mặn một số vùng ven biển ở đồng bằng sông Cửu Long; Dự án VIE/8/008 (Lê Văn Khôi và các cộng sự) nghiên cứu về nguồn gốc ô nhiễm nớc ngầm vùng thành phố Hồ Chí Minh; Dự án VIE/8/012 (Nguyễn Kiên Chính và các cộng sự) nghiên cứu về mối quan hệ giữa nớc sông và nớc ngầm khu vực miền Đông Nam Bộ; Dự án VIE/8/016 (Nguyễn Kiên Chính và các cộng sự) nghiên cứu về cơ chế nhiễm mặn nớc ngầm khu vực thành phố Hồ Chí Minh. 9 10 ở đồng bằng Bắc Bộ, Năm 1981, lần đầu tiên các đồng vị môi trờng đã đợc các tác giả Bùi Học, Nguyễn Thợng Hùng đề cập trong công trình nghiên cứu Những nghiên cứu đầu tiên về các đồng vị trong nớc ở Miền Bắc Việt Nam trên cơ sở phân tích đồng vị trong 3 mẫu nớc ngầm, 1 mẫu nớc ma và 1 mẫu nớc sông Hồng khu vực Hà nội. Chơng ii Xây dựng phơng pháp đo hàm lợng các đồng vị 14 C, 3 H, 18 O, 2 H và 222 Rn trong nớc 2.1 O HM LNG NG V 14 C TRONG MU NC 2.1.1 Kết tủa bari cacbonat tại thực địa Trong luận án Tiến sỹ Địa chất thuỷ văn đồng vị lãnh thổ Việt Nam, tác giả Bùi Học đã đa ra những kết luận về nguồn gốc, thời gian c trú, tốc độ vận động của nớc ngầm ở cả hai đồng bằng Bắc Bộ và Nam Bộ. Trong đồng bằng Bắc Bộ, tác giả đã có kết luận là nớc ngầm có nguồn gốc thấm tuổi hiện đại và có tuổi từ trăm năm đến hàng nghìn năm. Hàm lợng TDIC trong nớc đợc xác định bằng phơng pháp kết tủa về dạng cacbonat của một vài kim loại nặng nh BaCO 3 trong một dụng cụ chuyên dụng. Lợng nớc cần thiết để kết tủa từ 30 đến 60 lít nớc tuỳ thuộc vào lợng TDIC trong nớc. Quá trình kết tủa thờng đợc tiến hành ngay tại thực địa 2.1.2 Tổng hợp benzen trong phòng thí nghiệm Năm 1994, Vũ Kim Tuyến đã bảo vệ thành công luận án Tiến sỹ Phơng pháp đồng vị nghiên cứu tuổi và nguồn gốc nớc ngầm trong trầm tích đệ tứ đồng bằng Bắc Bộ. Trong đề tài 50 mẫu nớc đã đợc thu thập từ 45 vị trí phân bố trên cả đồng bằng Bắc Bộ, trong đó bao gồm cả 3 mẫu nớc ma, 6 mẫu nớc mặt. Cacbon trong BaCO 3 đợc chuyển thành benzen trên một thiết bị chuyên dụng gọi là thiết bị tổng hợp benzen trong chân không. Quá trình tổng hợp thành benzen (C 6 H 6 ) từ cacbon trong BaCO 3 đợc tiến hành theo các bớc để tạo ra các sản phẩm sau : BaCO 3 CO 2 Li 2 C 2 C 2 H 2 C 6 H 6 2.1.3 Đo hoạt độ riêng đồng vị 14 C trên phổ kế nhấp nháy lỏng Từ 1994 đến 1996, trong khuôn khổ dự án hợp tác kỹ thuật giữa các nhà khoa học Việt Nam ( Nguyễn Văn Đản, Đặng Ngọc Trản, Nguyễn Thị Hà) và các nhà khoa học nớc ngoài (J.M.Traford, A.R.Lawrence, D.M.J.Macdonal) , kỹ thuật đồng vị và các kỹ thuật liên quan đã đợc sử dụng nhằm đánh giá tác động của đô thị hóa đến chất lợng nớc khu vực Hà nội. Các số liệu đồng vị bền chỉ ra nớc ngầm khu vực Hà nội có nguồn gốc pha trộn. Lấy 3 ml benzen từ quá trình tổng hợp ở trên hòa với hỗn hợp dung môi 3.10 -4 gPPO + 2.10 -6 gPOPOP + 0,5 ml C 6 H 5 CH 3 để tạo thành dung dịch nhấp nháy lỏng và đo hoạt độ 14 C trên hệ nhấp nháy lỏng Tri-carb 2770TR/SL 2.2 O HM LNG NG V 3 H TRONG NC Phng phỏp lm giu 3 H trong mu nc l phng phỏp in phõn nc trc khi m mu trờn mỏy m nhp nhỏy lng. Một trong những khó khăn là do tất cả các mẫu nớc đều phải gửi đi phân tích ở các phòng thí nghiệm nớc ngoài, nên số lợng mẫu còn hạn chế và cha triển khai đợc liên tục theo thời gian. Cũng chính vì vậy mà trong các nghiên cứu trên, các số liệu đồng vị còn hạn chế cha đáp ứng đợc các yêu cầu nghiên cứu nh mong muốn. Hot A S ca 3 H trong mu nc c tớnh theo cụng thc sau: SSt StSA S ZN AN A . . = (2.4) 11 12 2.2.2 ỏnh giỏ h s tỏch ca h in cc v h s lm giu Z s ca mu c tớnh theo cụng thc sau: () = f i fi av S W W Ln WW QP ExpZ . 975.2. . (2.5) Mi liờn h gia h s lm giu (hay tham s lm giu) vi h s tỏch ca in cc c biu din bng biu thc sau: 1 1 ln ln 0 = = N Z W WW P e f (2.18) trong ú: P av l tham s lm giu trung bỡnh ca c h in phõn; W i ,W f l khi lng nc ban u v khi lng nc cũn li ca mu; Q l tng lng in tớch (ampe gi) dựng in phõn lm giu mu; N St ,N SA l tc m ca mu chun v mu o( cpm); A St l hot ca mu chun ti ngy o. Tham s lm giu trung bỡnh ca h in phõn c xỏc nh khi sử dng 3 b in cc in phõn mu chuẩn để xác định hệ số làm giàu trung bình của cả hệ điện phân. Sau ú tham s lm giu i vi mu chun c xỏc nh bng cụng thc sau: H s ph thuc vo tớnh cht b mt ca catốt. Vỡ vy trong thc t phi la chn vt liu lm catốt, cng nh phng phỏp x lý b mt ca catụt sao cho h s l ln nht cú h s lm giu ln. Mt khỏc khi h s ln thỡ thng giỏng ca h s lm giu s gim. 2.2.3 Cỏc quỏ trỡnh xy ra trờn b mt catụt Quá trình điện phân làm giàu đồng vị 3 H xẩy ra trong chất điện phân kiềm thờng có hai bớc. Bớc 1 là điện phân các phần tử nớc - phản ứng Volmer, dẫn đến làm cho hyđrô đợc hấp thụ trên bề mặt của catôt. Bớc 2 là quá trình tách hyđrô ra khỏi bề mặt của catôt, quá trình này có thể xảy ra hoặc là quá trình hoá học thuần tuý - phản ứng Tafel; Hoặc có tính lựa chọn (làm giàu) bởi có sự tham gia của một phân tử nớc - phản ứng Hegrovsky. Vì vậy trong thực tế catôt thờng đợc làm bằng thép ít cacbon và điện phân với chế độ thích hợp để phản ứng Hegrovsky xảy ra. NW WW Z P i e t i ln ln 0 = (2.6) vi Z i l h s lm giu ca in cc th i; W e l th tớch nc ó c in phõn theo s ch tng in lng ó tiờu th (A.h); N=W i /W f .Tham s lm giu trung bỡnh ca 3 mu chun l: = = 3 1 3 1 i iav PP (2.6a) 2.2.1 Tớnh toỏn tham s lm giu ca h in phõn 2.2.4 Đo hoạt độ phóng xạ của mẫu sau làm giàu thit lp c cụng thc tớnh toỏn tham s lm giu P theo cụng 2.6 v 2.6a, cn phi gii phng trỡnh vi phõn mụ t s thay i hm lng 3 H trong mu nc trong quỏ trỡnh in phõn. Phng trỡnh vi phõn ny mụ t c 3 quỏ trỡnh xy ra trong khi in phõn, ú l: 1/ in phõn mu nc; 2/ Quỏ trỡnh bay hi khi in phõn; 3/ Quỏ trỡnh phun tro cú th xy ra khi in phõn. Sau khi điện phân 10 ml mẫu nớc thu đợc hòa với 10 ml dung dịch chất nhấp nháy lỏng loại ultima gold LLT trong lọ đo chuyên dụng bằng polyetylen. Thời gian đo là 1000 phút chia làm 10 vòng. 2.2.5 Xác định tham số làm giàu của hệ điện cực bằng thực nghiệm. Tham số làm giàu trung bình của hệ điện phân đã đợc xác định bằng thực nghiệm tăng từ 0,85 đối với lần điện phân thứ 7 đến 0,959 đối 13 14 2.3.3 Cỏc phng phỏp x lý mu với lần điện phân thứ 29. Điều đó chứng tỏ bề mặt của catôt đã đợc cải thiện đáng kể sau mỗi lần điện phân. nhit cao phõn t nc s b phõn tỏch thnh khớ CO v H 2 theo phn ng: 2.2.6 Độ ổn định của thiết bị đo triti đã đợc kiểm tra thông qua việc sử dụng cả 15 bộ điện cực để làm giàu đồng vị triti trong cùng 1 mẫu nớc, sau đó mẫu đợc đo trên hệ nhấp nháy lỏng để xác định hàm lợng của 15 mẫu. Thăng giáng chuẩn đạt đợc là 0,2 TU. H 2 O + C CO + H 2 (2.42) Tuỳ theo phân tích đồng vị 18 O hoặc 2 H mà khí CO hoặc H 2 trong phản ứng trên (2.42) đợc giữ lại khi sử dụng các chất xúc tác khác nhau: Phân tích đồng vị 18 O sử dụng chất xúc tác là hỗn hợp cacbon vô định hình và cacbid nikel, nhiệt độ phân tích là 1350 o C; Phân tích đồng vị 2 H sử dụng chất xúc tác là crôm, nhiệt độ phân tích là 1050 o C 2.2.7 Tính toán sai số của phơng pháp: Đối với thời gian đếm 1000 phút chia làm 10 vòng, sai số trung bình của phơng pháp từ 0,4-0,5 TU 2.2.8 Giới hạn xác định của phơng pháp là 0,4 TU với thời gian đếm 1000 phút/mẫu . 2.3.4 Xỏc nh h s hiu chnh ion H 3 + bng thc nghim 2.2.9 Độ tin cậy của kết quả đo đã đợc khẳng định trên cơ sở so sánh kết quả phân tích với phòng thí nghiệm thuỷ văn đồng vị của IAEA thực hiện trên 3 mẫu. 2.3 O HM LNG CC NG V 18 O V 2 H TRONG NC 2.3.1 n v o. Thnh phn ng v bn c biu din bng biu thc delta ( ) và đơn vị đo là phần nghìn nh sau: 1000. Std StdS R RR = + 3 H H s hiu chnh ion ó c xỏc nh bng thc nghim khi a cỏc xung khớ chun H 2 vi ỏp sut khỏc nhau vo khi ph k v o t s dũng I 3 /I 2 , sau ú dựng phng phỏp ngoi suy bit c t s I 3 /I 2 khi ỏp sut khớ H 2 bng 0. T ú xỏc nh c mc ộ úng gúp ca ion H 3 + hiu chnh kt qu o. Sau khi hiu chnh, thng giỏng chun ca t s I 3 /I 2 i vi cỏc ỏp sut khớ H 2 khỏc nhau phi nh hn giỏ tr cho phộp l 1. () (2.26) 2.3.5 ỏnh giỏ n nh ca thit b ó c kim tra trc khi phõn tớch mu s dng cỏc xung khớ chuẩn vi cựng mt ỏp sut v thng giỏng chun ca giỏ tr trung bỡnh ca cỏc t s dũng in cn phõn tớch phi tho món gii hn cho phộp l <1 i vi t s I 3 /I 2 khi phõn tớch ng v 2 H v <0,1 i vi t s I 30 /I 28 khi ph õn tớch ng v 18 O. vi R S l t s ng v D/ 1 H hoc 18 O/ 16 O ca mu cn o v R Std l t s ng v D/ 1 H hoc 18 O/ 16 O ca mu chun. 2.3.2. K thut o t s ng v bng khi ph k T s cỏc ng v 18 O/ 16 O v 2 H/ 1 H ó c o trờn khi ph k t s ng v trong cỏc phõn t khớ CO v H 2 . T s ng v ca cỏc cht khớ s c xỏc nh t t s cỏc dũng in ( cỏc cc thu in tớch) c to thnh bi cỏc ion do cỏc cht khớ b ion húa khi i vo bung to ion ca khi ph k. 2.3.6 ỏnh giỏ tuyn tớnh ca thit b ó c kim tra sau khi kim tra n nh bng cỏch a cỏc xung khớ chun vi ỏp sut khỏc nhau trong khong dũng ion to thnh t 2nA n 10nA v thng giỏng chun ca giỏ tr trung bỡnh ca cỏc t s dũng in cng phi t c nh khi ỏnh giỏ n nh ca thit b. 15 16 2.3.7 Tớnh toỏn kt qu o theo mu chun Kt qu ng v ca mu cn o so vi mu chun V-SMOW thụng qua 2 mu chun th cp ca phũng thớ nghim c tớnh nh sau: S-VSMOW = 1-VSMOW + ( 2-VSMOW - 1-VSMOW ). 12 1 S (2.40) s 1 v s 2 ng vi mu chun th nht v th hai ca phũng thớ nghim; 1 , 2 , S c tớnh theo khớ chun. Hai mu chun ang c s dng trong nghiờn cu ny l CB1 v SH1. Mu CB1 l mu nc bin gn khu vc o Cỏt B (Hi Phũng), mu SH1 l mu nc sụng Hng thu thp trong mựa ma nm 2003. 2.3.8 ỏnh giỏ di o ca thit b Khi s dng 5 mu chun vi hm lng ng v khỏc nhau, kt qu thc nghim ó ch rừ l h thit b cú kh nng lm vic trờn mt khong hm lng rt rng t -50 n -300 i vi ng v 2 H v t 0 n -40 i vi ng v 18 O. 2.3.9 ỏnh giỏ lp li ca kt qu o luụn c kim tra khi phõn tớch nhiu ln mt mu nc v thng giỏng chun ca giỏ tr trung bỡnh sau 10 ln o phi nh hn giỏ tr cho phộp l 0,1 i vi 18 O v 1 i vi 2 H. 2.3.10 So sỏnh vi kt qu o ca phũng thớ nghim ca IAEA tin cy ca kt qu o ó c khng nh thụng qua so sỏnh kt qu phõn tớch ca 5 mu nc c gi i phõn tớch ti phũng thớ nghim thu vn ng v ca IAEA. 2.4 O HM LNG KH RADON TRONG NC Trong nghiên cứu này, phơng pháp đo thụ động trong thời gian dài sử dụng đềtéctơ vết hạt nhân (SSNTD) v than hoạt tính đã đợc sử dụng. u điểm của phơng pháp đo dùng SSNTD là: Dụng cụ đo đơn giản; Có thể tiến hành đo nhiều điểm ở thực địa trong cùng một lúc; SSNTD sau khi đo tại thực địa đã đợc xử lý và đếm vết trên máy đếm vết tự động bằng phơng pháp tia lửa điện. Chơng III ứng dụng kỹ thuật đồng vị xác định tuổi nớc ngầm khu vực Hà nội 3.1 Vùng nghiên cứu Khu vực nghiên cứu thuộc thành phố Hà nội nằm ở phía tây của sông Hồng với diện tích khoảng 200 km 2 Khí hậu trong vùng đặc trng là có 2 mùa rõ rệt, mùa ma và mùa khô. Sông Hồng bắt nguồn từ Trung Quốc, khi chảy qua vùng Hà nội, đáy sông nhiều chỗ khắc sâu và cắt vào tầng chứa nớc ngầm khu vực Hà nội nằm dới. 3.2 Đặc điểm địa chất và địa chất thuỷ văn trong vùng Hệ thống tầng chứa nớc đệ tứ đợc chia ra hệ thống tầng chứa nớc holoxen (Qh) bên trên và hệ thống tầng chứa nớc pleixtoxen (Qp) bên dới. Các tầng chứa nớc thờng đợc ngăn cách bởi các lớp sét có độ thấm nhỏ. 3.2.1 Hệ thống tầng chứa nớc Qh Hệ thống Qh bao gồm các lớp cát, đất phù sa và sét có chiều dày phổ biến từ 20 đến 70 mét và đợc chia thành 2 tầng chứa nớc: Tầng không hạn chế nông bên trên và tầng bán hạn chế sâu hơn bên dới. 3.2.2 Hệ thống tầng chứa nớc Qp Hệ thống Qp còn gọi là hệ thống tầng chứa nớc Hà nội có tuổi pleixtoxen dới-trung. Đây là tầng cung cấp nớc ngầm chính cho thành phố Hà nội. Dới tầng Qp là tầng chứa nớc có tuổi neogen. 17 18 3.3 Các nguồn bổ cấp Nớc ngầm trong tầng Qh và Qp có thể là từ nớc sông Hồng, nớc ma và các nguồn bổ cấp khác nh: Nớc từ tới tiêu, rò rỉ từ các nguồn nớc bề mặt (ao hồ), rò rỉ từ các ống dẫn nớc của thành phố. 3.4 Thu thập mẫu nớc Vị trí thu thập mẫu nớc ngầm là các lỗ khoan trên mạng lới quan trắc và một số lỗ khoan đang khai thác nớc của nhà máy nớc. Các đợt thu thập mẫu nớc ngầm đợc tiến hành vào mùa ma năm 2000, 2003 (tháng 9) và mùa khô năm 2004 (tháng 3) để phân tích các đồng vị 14 C, 3 H, 18 O và 2 H. Tại một số lỗ khoan, các mẫu nớc đợc thu thập theo tháng trong cả một năm hoặc theo mùa trong nhiều năm, 3.5 Kết quả thực nghiệm phân tích các mẫu nớc Tất cả các đồng vị trong nghiên cứu này đều đợc phân tích tại phòng thí nghiệm thuỷ văn đồng vị của Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân (KHKTHN), Viện Năng lợng Nguyên tử Việt Nam theo các phơng pháp nh đã trình bày trong chơng II. 3.5.1 Thành phần hóa học. Các mẫu nớc ngầm đợc phân tích tại phòng thí nghiệm hóa nớc của Liên đoàn Địa chất và Công trình miền bắc và phòng thí nghiệm môi trờng của vin KHKTHN. 3.5.2 Thành phần đồng vị trong nớc ma - Số liệu đồng vị 3 H trong nghiên cứu này đã đợc ngoại suy theo vĩ độ từ số liệu 3 H của hai trạm Hồng Kông và Băng Cốc. Kết quả ngoại suy đã đợc so sánh với kết quả thực nghiệm hàm lợng 3 H trong nớc ma năm 2002 - Số liệu đồng vị bền 18 O, 2 H trong khu vực Hà nội phân bố trên một khoảng rộng và các điểm đều nằm trên đờng GMWL. Đồng vị nặng đợc làm giàu trong mùa khô và nghèo đi trong mùa ma. Giá trị trung bình trong cả năm là -7,31 đối với đồng vị 18 O và -46,69 đối với đồng vị 2 H. 3.5.3 Thành phần đồng vị trong nớc bề mặt - Trong nớc Sông Hồng: Thành phần đồng vị bền thay đổi theo tháng, các điểm đo đều phân bố xung quanh đờng nớc khí tợng. Giá trị trung bình của cả năm 2003 đối với đồng vị 18 O là -8,27 và đối với đồng vị 2 H là -56,43. - Trong nớc Hồ Tây: Do ảnh hởng của quá trình bay hơi, nên các điểm thực nghiệm trong đồ thị giữa 18 O và 2 H đều phân bố trên một đờng thẳng biểu diễn bằng phơng trình 2 H= 6,0034. 18 O - 6,4703 (3.3) 3.5.4 Thành phần đồng vị trong nớc ngầm Thành phần đồng vị của các mẫu nớc đợc thu thập trong 3 đợt chính bao gồm: 27 số liệu hoạt độ 14 C; 130 số liệu đồng vị bền 18 O và 2 H; 67 số liệu hàm lợng đồng vị 3 H. Ngoài ra, còn một số số liệu đồng vị bền 18 O, 2 H, 3 H của một số vị trí đợc quan trắc theo mùa trong nhiều năm, hoặc theo tháng trong một năm để giải quyết bài toán xác định tuổi của nớc ngầm. 3.6 Xác định tuổi nớc ngầm sử dụng các đồng vị môi trờng 3.6.1 Sử dụng thành phần hóa học của nớc Nớc ngầm khu vực Hà nội chủ yếu thuộc loại Ca(Mg)-HCO 3 ; Na(Mg)-HCO 3 ; Ca-Na(Mg)-HCO 3 . Các số liệu hóa học chỉ ra nớc ngầm có nguồn gốc pha trộn. Hàm lợng HCO 3 - lại tỷ lệ với hàm lợng NH 4 + , chứng tỏ HCO 3 - có sự đóng góp của các chất hữa cơ trong nớc ngầm, vì vậy cần phải xem xét khi xác định tuổi của nớc ngầm bằng đồng vị 14 C trong TDIC. 3.6.2 Sử dụng đồng vị phóng xạ môi trờng đánh giá tuổi nớc ngầm [...]... xác định mô hình dòng chảy và thời gian lu của nớc 6 ngầm đồng vị trong nớc ngầm, nớc ma và nớc bề mặt trong khu vực Hà 3 Tuổi của nớc ngầm khu vực Hà nội đã đợc nghiên cứu khá tỷ mỉ nội Các số liệu này sẽ rất có ích cho các nghiên cứu về địa chất thuỷ bằng đồng vị 14C và đồng vị 3H Kết quả hàm lợng 2 đồng vị phóng xạ văn và môi trờng trong tơng lai để hiệu chỉnh hàm lợng Đã thu thập đợc (xác định. .. Đặng Đức Nhận (2000) Nghiên cứu sử dụng than nớc ngầm có nguồn gốc pha trộn của nớc ma, nớc bề mặt và nớc hoạt tính và máy đếm nhấp nháy lỏng để đo hàm lợng khí radon trong có tuổi cao hơn, 4 Ngoài việc sử dụng đồng vị phóng xạ để xác định tuổi của nớc ngầm, trong nghiên cứu này, đồng vị bền nh 18O đã đợc nghiên cứu và sử dụng để xác định định lợng mô hình dòng chảy, thời gian lu và tỷ môi trờng Tuyển... Ngoài ra tại 2 giếng H27 và H12, do thời gian lu khá lớn nên nhiên, tỷ lệ nớc sông Hồng tại H27 và H12 là 72% và 78% Kết luận Luận án đã hoàn thành những nội dụng đề ra là nghiên cứu sử dụng các phơng pháp hiện đại để xác định các đồng vị môi trờng đợc sử (3.23) dụng phổ biến trong nghiên cứu nớc ngầm là 3H, 18O, 2H, 14C và 222 Rn trong nớc và ứng dụng các đồng vị trên để xác định tuổi của nớc trong đó... khi nghiên cứu nớc ngầm trong vùng lu 26 Đã nghiên cứu sử dụng các mô hình để hiệu chỉnh các kết quả đo và giải thích các số liệu đồng vị đã đo đợc phục vụ cho các bài toán về vực sông, đó là nơi có thể khai thác một lợng lớn nớc ngầm đánh giá nguồn gốc nớc ngầm Tuổi của nớc ngầm đợc xác định khi 5 sử dụng đồng vị 14C sẽ chính xác hơn khi sử dụng các mô hình thích hợp thu nhận đợc trong nghiên cứu. .. thành phần đồng vị trong nớc ma và nớc sông Hồng đã C ban đầu Đồng vị H đóng vai trò quan dài các số liệu đồng vị trong nớc ma, nớc sông Hồng ở các trạm trọng trong việc nhận dạng nớc ngầm có tuổi hiện đại Đồng thời khi khác phụ vụ cho các nghiên cứu địa chất thuỷ văn và mội trờng trong sử dụng mô hình tham số tập trung (mô hình hộp đen), đồng vị 3H còn cả khu vực đồng bằng Bắc Bộ đợc sử dụng để xác. .. đồng vị phóng xạ tâm, đó là vùng nớc ngầm bị pha trộn giữa nớc hiện đại và nớc đợc bổ cấp trớc năm 1950; 4/ Vùng phía nam, đặc trng cho vùng nớc 14 3 Từ mối quan hệ về hàm lợng giữa hai đồng vị C và H trong các mẫu nớc ngầm, khu vực Hà nội có thể chia ra làm 3 vùng: - Vùng 1: Có hàm lợng đồng vị 14C lớn hơn 85 pmc và hàm lợng đồng vị 3H lớn hơn 1 TU, đó là vùng nớc hiện đại - Vựng 2: Có hàm lợng đồng. .. g() là hàm tơng thích Đại lợng tích phân ngầm khu vực Hà nội Những kết quả chính thu nhận đợc trong nghiên trong công thức 3.23 chính là phần đóng góp của nớc hiện đại cứu này đóng góp trong lĩnh vực nghiên cứu địa chất thuỷ văn và môi - Xác định mô hình dòng chảy và thời gian lu trung bình của nớc sông trờng là: Hồng đến một số giếng khoan đang khai thác nớc ngầm tại Hà nội 1 Phơng pháp xác định hàm... Hội nghị toàn quốc lần thứ ba về Vật lý và Kỹ thuật hạt nhân, Tr 391-393, Nxb Khoa học và Kỹ thuật 3 Trịnh Văn Giáp, Hoàng Đắc Lực, Đặng Đức Nhận (2002) Sử dụng mô hình tham số tập trung và đồng vị C-14 để đánh giá tuổi nớc ngầm khu vực Hà nội Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị toàn quốc lần thứ IV Khoa học và Công nghệ hạt nhân, Tr 176-181, Nxb Khoa học và kỹ thuật 4 Hoang Dac Luc, Trinh Van Giap and... các đồng vị trong môi trờng đợc Thành phần đồng vị 18 O trong nớc sông Hồng và nớc ngầm tại giếng khai thác đã đợc đo theo tháng trong khoảng thời gian một năm Hàm đầu vào là thành phần đồng vị bền 18O trong nớc sông Hồng, nó thay đổi theo tháng Nớc khai thác tại giếng khoan đợc đóng góp bởi nớc sông Hồng và nớc ngầm vùng lân cận dùng phổ biến trong nghiên cứu nớc ngầm lần đầu tiên đợc nghiên cứu và. .. thời gian - Xác định mô hình dòng chảy và tuổi nớc ngầm bằng đồng vị 3H lu và tỷ lệ đóng góp của nớc sông Hồng vào các giếng khoan H26 và Sử dụng phơng pháp quan trắc hàm lợng đồng vị 3H trong nớc ngầm theo thời gian và mô hình tham số tập trung, mô hình dòng chảy và tuổi nớc ngầm tại 2 vị trí P37a và P60a đã đợc xác định Kết quả H29 khu nhà máy nớc Yên phụ nh sau: Giếng H26 đợc tính tóan theo mô hình . là ứng dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị môi trờng để xác định tuổi của nớc ngầm khu vực Hà nội. 5. Phơng pháp nghiên cứu và nguồn t liệu - Xây dựng các phơng pháp xác định hàm lợng các đồng vị. trợ kỹ thuật về ứng dụng kỹ thuật đồng vị trong nghiên cứu nớc ngầm ở các nớc thành viên. 1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt nam ở đồng bằng Nam Bộ, sử dụng kỹ thuật đồng vị để nghiên cứu. giáo dục và đào tạo Bộ khoa học và công nghệ Viện năng lợng nguyên tử việt nam Trịnh văn giáp Nghiên cứu kỹ thuật đồng vị và ứng dụng để xác định tuổi nớc ngầm khu vực Hà nội