TỔNG Q UAN
Ô nhiễm chì và cadimi trong nư ớc mặt
1.1.1 Tình hình ô nhiễm chì và cadimi trong nước mặt
Sự phát triển của các ngành kinh tế như công nghiệp, nông nghiệp và khai thác mỏ đã dẫn đến ô nhiễm kim loại nặng cho nguồn nước mặt Các hoạt động như sản xuất hóa chất, sử dụng thuốc trừ sâu và khai thác quặng đồng, kẽm thường thải ra nước thải chưa qua xử lý hoặc xử lý không đạt yêu cầu Bên cạnh đó, nước thải đô thị cũng góp phần làm ô nhiễm nguồn nước khi xả thải trực tiếp vào hệ thống sông, ngòi.
Hình 1-1 Các nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng vào môi trường nước
Trong môi trường nước, kim loại hòa tan một phần, hấp phụ lên các hạt lơ lửng và tích lũy trong sinh vật thủy sinh Các hạt lơ lửng này sẽ lắng xuống và tích tụ trong trầm tích theo thời gian Quá trình hòa tan kim loại trong nước mặt bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như pH, dạng tồn tại, hàm lượng chất hấp phụ, trạng thái oxy hóa của các thành phần trong nước và điều kiện oxy hóa khử của môi trường.
Sông Rio Tinto ở Tây Ban Nha, dài 100 km, đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm kim loại nặng nghiêm trọng do khai thác khoáng sản từ 5.000 năm trước, với pH thấp và hàm lượng kim loại nặng cao Hiện tại, Rio Tinto là một trong những hệ thống sông bị ô nhiễm nhất thế giới.
Hình 1-2 Ô nhiễm kim loại nặng ở sông Rio Tinto, Tây Ban Nha [9]
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong nước mặt trên toàn cầu Saeed và Shaker (2008) đã khảo sát hàm lượng các kim loại nặng như Fe, Zn, Cu, Mn, Cd, Pb trong nước và trầm tích của các hồ Edku, Borollus và Manzala tại châu thổ phía bắc Ai Cập, đồng thời đánh giá sự tích lũy của chúng trong các bộ phận của cá rô phi sông Nin Hồ Manzala ghi nhận hàm lượng kim loại nặng cao nhất, với nồng độ sắt, mangan, chì và cadimi vượt mức cho phép Trong trầm tích, hàm lượng mangan ở hồ Edku và cadimi ở hồ Manzala cũng cao hơn giới hạn cho phép Đặc biệt, hàm lượng chì và cadimi trong cá rô phi sông Nin có thể gây nguy hại cho sức khỏe con người khi tiêu thụ Bên cạnh đó, Baride và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong nước bề mặt và nước ngầm tại một số khu vực ở huyện Jalgaon, Maharashtra, Ấn Độ.
Năm 2012, 64 mẫu nước đã được thu thập từ các nguồn như sông, suối, giếng khoan và giếng ngầm trong khu vực để phân tích hàm lượng kim loại nặng, bao gồm sắt, crom, đồng, niken, kẽm, mangan và chì, bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS Kết quả phân tích cho thấy hàm lượng các kim loại nặng này đều vượt quá giới hạn quy định của BIS (Cục tiêu chuẩn Ấn Độ).
Theo báo cáo của Cục Tiêu chuẩn Ấn Độ (2004) và Tổ chức Y tế Thế giới (2004), nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường là do sự xả thải từ các khu công nghiệp, đô thị và các khu vực chôn lấp chất thải rắn.
Nghiên cứu của Kar và cộng sự (2008) về 96 mẫu nước bề mặt sông Ganga ở Tây Bengal cho thấy sự hiện diện của các kim loại nặng như sắt, mangan, kẽm, niken, crom và chì trong 92 mẫu, với hàm lượng từ 0,001 đến 5,49 mg/l Cadimi và đồng được phát hiện trong 20 và 36 mẫu, với hàm lượng lần lượt từ 0,001-0,003 và 0,003-0,032 mg/l Hàm lượng sắt, mangan, cadimi và crom có sự biến động theo mùa, với mức cao nhất là 1,520 mg Fe/l vào mùa hè, 0,423 mg Mg/l vào mùa mưa, và 0,003 mg Cd/l cùng 0,020 mg Cr/l vào mùa đông.
Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa tại Việt Nam, nhiều ngành công nghiệp mở rộng quy mô sản xuất, dẫn đến gia tăng lượng nước thải, trong khi đầu tư cho hệ thống xử lý nước thải chưa đủ đáp ứng nhu cầu Đông Nam Bộ, nơi tập trung các khu công nghiệp lớn, là vùng phát sinh nước thải công nghiệp lớn nhất cả nước, nhưng chỉ 50-60% khu công nghiệp có hệ thống xử lý nước thải hoạt động hiệu quả Nhiều ngành như khai khoáng, sản xuất hóa chất và luyện kim xả thải nước ô nhiễm kim loại nặng, ảnh hưởng đến nguồn nước mặt và sức khỏe con người, đặc biệt trong nông nghiệp khi nước ô nhiễm được sử dụng để tưới tiêu Để kiểm soát chất lượng nguồn nước, quy chuẩn QCVN 08: 2015/BTNMT đã thiết lập giá trị giới hạn cho các thông số chất lượng nước mặt, bao gồm chì và cadimi, nhằm bảo vệ và sử dụng nước một cách hợp lý.
Ba ̉ ng 1-1 Giá trị giới hạn của cadimi và chì trong nước mặt [1]
(Bộ Tài nguyên và môi trường)
Sông Nhuệ ở Việt Nam đóng vai trò quan trọng trong cung cấp nước cho nông nghiệp ngoại thành và các trang trại cá Tuy nhiên, ô nhiễm từ các nhà máy công nghiệp dọc theo sông đã làm suy giảm chất lượng nước Nghiên cứu của Kikuchi và cộng sự (2009) đã chỉ ra sự thay đổi chất lượng nước theo không gian và thời gian, thông qua việc đo lường các thành phần chính và phân tích kim loại nặng Mặc dù hàm lượng kim loại nặng trong nước sông Nhuệ và sông Tô Lịch thấp hơn tiêu chuẩn chất lượng nước mặt Việt Nam, nhưng vẫn cao hơn so với giá trị trung bình quy định cho nước ngọt toàn cầu, cụ thể là 0,42-43 lần đối với sông Nhuệ và 0,13-32 lần đối với sông Tô Lịch.
Việc sử dụng nước thải sinh hoạt cho tưới tiêu đang trở nên phổ biến ở các vùng ven đô Việt Nam Nghiên cứu của Chu Anh Đào và cộng sự (2010) đã đánh giá đặc tính nước thải sinh hoạt tại Hà Nội, tập trung vào giá trị dinh dưỡng và nguy cơ khi sử dụng trong nông nghiệp Mẫu nước được thu từ bốn con sông chính: sông Lu, sông Sét, sông Kim Ngưu và sông Tô Lịch trong khoảng thời gian từ tháng 3 đến tháng 5 năm 2010 Kết quả cho thấy nước thải chứa nhiều chất vô cơ từ sinh hoạt và công nghiệp, với hàm lượng Cd từ 1,09-2,14 àg/l, Cu từ 0,16-0,33 mg/l, và Pb từ 2,75-4,02 àg/l.
Nghiên cứu của Nguyễn Công Vinh và cộng sự (2012) về chất lượng nước mặt và đất tại Lâm Thao, Phú Thọ, Việt Nam cho thấy hàm lượng kim loại nặng như đồng, kẽm, cadimi và chì trong đất khu vực trồng lúa gần các khu công nghiệp cao, vượt quá tiêu chuẩn tối đa cho phép của Việt Nam Điều này cho thấy sự ảnh hưởng nghiêm trọng từ việc xả thải của các ngành công nghiệp lên môi trường địa phương.
1.1.2.Tác động đến môi trường và sức khỏe
Kim loại nặng là thuật ngữ dùng để chỉ những kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5 g/cm 3 [31]
Kim loại nặng hiện diện rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp và y tế, gây lo ngại về ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường Độc tính của kim loại nặng phụ thuộc vào liều lượng, đường thâm nhập và nhiều yếu tố cá nhân như tuổi tác, giới tính và tình trạng dinh dưỡng Cadimi và chì, với độc tính cao, được xếp vào nhóm kim loại ưu tiên có ý nghĩa sức khỏe cộng đồng, vì chúng có thể gây hại cho nhiều cơ quan ngay cả với hàm lượng phơi nhiễm thấp Ngoài ra, chúng cũng được phân loại là chất gây ung thư cho con người theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ và các tổ chức nghiên cứu ung thư quốc tế.
Kim loại nặng xâm nhập vào môi trường, từ đó vào chuỗi thức ăn và cuối cùng tích tụ trong cơ thể con người Sự gia tăng nhu cầu về an toàn thực phẩm hiện nay đã khiến vấn đề ô nhiễm kim loại nặng trở thành mối quan tâm lớn trong xã hội.
Nhiễm độc mãn tính kim loại nặng đã trở thành một vấn đề y tế nghiêm trọng toàn cầu, với hàng triệu người bị ảnh hưởng Mỗi năm, khoảng 1,6 triệu trẻ em tử vong do các bệnh liên quan đến ô nhiễm nguồn nước, trong đó nước uống bị ô nhiễm là nguyên nhân chính.
1.1.2.2 Tác động đến môi trường và sức khỏe của chì
Chì có thể xâm nhập vào môi trường theo một số cách khác nhau như:
- Hoạt động tự nhiên: Núi lửa phun trào, …
Chì chủ yếu được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất ắc quy chì-axit, sơn bảo vệ, đóng tàu, xây dựng, chế tạo thủy tinh và pha lê chì, khắc pha lê, khai thác mỏ, luyện kim, tái chế chất thải điện tử, sử dụng xăng pha chì, tinh chế kim loại màu và đốt nhiên liệu hóa thạch.
Phân tích định lượng kim loại nặng bằng kỹ thuật phân tích dòng chảy FIA12 1 Nguyên tắc hoạt động
Trong nước mặt, kim loại nặng thường có hàm lượng thấp và thành phần mẫu phức tạp, do đó, việc phân tích kim loại nặng đòi hỏi độ nhạy cao Nhiều phương pháp được áp dụng để xác định lượng vết kim loại nặng trong nước, bao gồm trắc quang, hấp thụ nguyên tử (AAS, GF-AAS), huỳnh quang tia X (XRF), quang phổ phát xạ nguyên tử plasma cảm ứng (ICP-ASE), và khối phổ plasma cảm ứng (ICP-MS).
Các phép đo có độ chính xác cao và giới hạn phát hiện thấp, nhưng chi phí phân tích lại cao và thường yêu cầu quy trình phức tạp trong phòng thí nghiệm, dễ bị nhiễm bẩn Điều này không phù hợp cho việc phân tích hiện trường, đặc biệt là trong các tình huống cần giám sát liên tục chất lượng nước Do đó, việc phát triển hệ thống quan trắc tự động tại chỗ để giám sát lượng vết của các kim loại nặng là cần thiết, nhằm thực hiện các biện pháp can thiệp kịp thời để duy trì hàm lượng trong giới hạn cho phép.
Các hệ thống phân tích tự động thương mại đã được phát triển để đáp ứng nhu cầu của các phòng thí nghiệm lâm sàng, đặc biệt là trong việc xác định hơn 30 thành phần trong mẫu máu và nước tiểu Với hàng trăm triệu phân tích lâm sàng diễn ra hàng năm, việc có một phương pháp đơn giản, chính xác, nhanh chóng và tiết kiệm chi phí là rất cần thiết Điều này đã thúc đẩy sự ra đời của các hệ thống phân tích tự động đầu tiên Hiện nay, tự động hóa đã trở thành yêu cầu quan trọng trong phân tích hóa học hiện đại Kỹ thuật phân tích dòng (FIA), được giới thiệu bởi Ruzicka vào năm 1975, đã nhanh chóng trở thành một trong những kỹ thuật phân tích phổ biến nhờ vào tính đơn giản và dễ sử dụng.
Hình 1-5 Thành phần cơ bản của hệ FIA ( Trong đó: C là chất mang, R là thuốc thử, W là nước thải)
Hệ thống FIA mang lại nhiều lợi ích nổi bật, bao gồm khả năng phân tích số lượng mẫu lớn với tần suất từ 30-120 mẫu/giờ, dễ dàng tự động hóa, và tiêu thụ thuốc thử chỉ từ 0,4-2,0 ml/phút Hệ thống này còn linh hoạt, không yêu cầu điều kiện hóa học ổn định, dễ bảo trì và có chi phí chế tạo cũng như vận hành thấp nhờ vào thiết kế đơn giản.
Trong hệ FIA, dòng mang được bơm qua kênh với tốc độ không đổi nhờ bơm nhu động hoặc bơm pitong, đảm bảo thể tích mẫu bơm vào có độ lặp lại cao do kiểm soát bởi các van bơm mẫu Khi mẫu di chuyển trong ống, nó sẽ phân tán và phản ứng với thuốc thử, tạo ra các dạng có thể phát hiện trước khi qua detector và phát sinh tín hiệu Chất phân tích trong vùng mẫu luôn bị phân tán dưới tác động của tốc độ dòng chất mang, khuếch tán và đối lưu, dẫn đến việc vùng mẫu luôn mở rộng và chất phân tích bị pha loãng nhiều lần Thể tích mẫu bơm vào có thể từ vài µl đến ml, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể Độ phân tán D của vùng mẫu trong dòng chất mang được định nghĩa là tỷ số của nồng độ chất phân tích trước và sau quá trình phân tán, với đỉnh thường được mô tả theo hệ số phân tán (D).
𝐶 𝑚𝑎𝑥 (1) Trong đó: 𝐶 o là nồng độ ban đầu của chất phân tích,
𝐶 max là nồng độ lớn nhất của chất phân tích,
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ phân tán mẫu bao gồm thể tích mẫu, tốc độ dòng mang, độ nhớt của dòng mang, chiều dài và cấu trúc dòng chảy Độ phân tán lớn dẫn đến việc mẫu bị pha loãng, làm giảm tín hiệu của chất phân tích Do đó, cần tìm điều kiện tối ưu để hạn chế sự phân tán và nâng cao độ nhạy Thời gian lưu và đường kính ống nhỏ hơn sẽ giúp giảm độ phân tán vùng mẫu Quá trình phân tán trong hệ FIA được minh họa trong hình 1-6.
Hình 1-6 Quá trình phân tán điển hình trong hệ FIA
Hệ FIA có khả năng lập trình để điều chỉnh nồng độ chất phân tích thông qua quá trình pha loãng hoặc làm giàu Việc phân tán là rất quan trọng khi mẫu quá đậm đặc, và có thể cải thiện quá trình này bằng cách giảm thể tích mẫu bơm vào, tăng thể tích kênh hoặc chọn dữ liệu đầu ra tại vị trí khác nhau của đỉnh cực đại Độ phân tán D là một yếu tố cần xem xét trong quy trình này.
- 1