Trang 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TRƯƠNG QUANG VINH PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG BỤI ĐƯỜNG TẠI CÁC KHU CÔNG NGHIỆP THUỘC MIỀN BẮC VIỆT NAM Chuyên ng
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TRƯƠNG QUANG VINH PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG TRONG BỤI ĐƯỜNG TẠI CÁC KHU CÔNG NGHIỆP THUỘC MIỀN BẮC VIỆT NAM Chuyên ngành: Hóa phân tích LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thị Thu Thúy THÁI NGUYÊN, 2021 LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc của mình tới TS Nguyễn Thị Thu Thúy đã trực tiếp giao cho em đề tài, cô đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho em trong suốt quá trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Hóa học, các thầy cô giáo, các cán bộ nhân viên phòng thí nghiệm Khoa Hóa học-ĐHKH-ĐHTN đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để em thực hiện đề tài này Em cũng xin chân thành cảm ơn các anh chị, những người bạn đã cho em những ý kiến đóng góp, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn nghiên cứu của mình Mặc dù đã cố gắng nhưng trong luận văn này không tránh khỏi những sai sót và khiếm khuyết, em rất mong được sự đóng góp của thầy cô Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng 10 năm 2021 Học Viên Trương Quang Vinh i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3 1.1 Nguồn phát sinh các kim loại nặng trong môi trường 3 1.2 Độc tính của một số kim loại nặng 5 1.3 Dạng kim loại và phương pháp chiết dạng kim loại nặng trong mẫu rắn 6 1.3.1 Khái niệm về phân tích dạng 6 1.3.2 Phương pháp chiết dạng kim loại nặng trong đất 7 1.4 Các phương pháp xác định vết kim loại nặng 8 1.4.1 Một số phương pháp phân tích kim loại nặng 8 1.4.2 Phương pháp ICP-MS 9 1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của luận văn ở trong và ngoài nước 13 1.5.1 Ngoài nước 13 1.5.2 Trong nước 14 CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 16 2.1 Hóa chất, thiết bị sử dụng 16 2.1.1 Hóa chất, dụng cụ .16 2.1.2 Trang thiết bị .16 2.2 Các phương pháp thực nghiệm 16 2.2.1 Vị trí lấy mẫu 16 2.2.2 phương pháp lấy mẫu và bảo quản .19 2.2.3 Quy trình phân tích hàm lượng tổng và các dạng kim loại 20 2.2.4 Các phương pháp xác định hàm lượng kim loại .24 2.2.5 Phương pháp kiểm soát chất lượng của phương pháp phân tích 24 2.3 Một số chỉ số đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại trong bụi đường 27 ii 2.3.1 Chỉ số tích lũy địa chất (Geoaccumulation Index: Igeo) 28 2.3.2 Nhân tố làm giàu (EF) 29 2.3.3 Nhân tố ô nhiễm (CF) và mức độ ô nhiễm (DC) 30 2.3.4 Nhân tố gây ô nhiễm cá nhân (ICF) và nhân tố gây ô nhiễm toàn cầu (GCF) 30 2.3.5 Chỉ số đánh giá mức độ rủi ro RAC (Risk Assessment Code) 31 2.3.6 Chỉ số đánh giá mức độ rủi ro toàn cầu (GRI) 31 2.3.7 Nhân tố rủi ro tiềm năng đối với hệ sinh thái (ER) và chỉ số đánh giá rủi ro (RI) 32 2.3.8 Chỉ số đánh giá Mức độ ô nhiễm và các nguy cơ liên quan đến sức khỏe con người 33 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Lựa chọn các điều kiện phân tích tối ưu trên thiết bị ICP-MS 36 3.1.1 Chọn các thông cơ bản tối ưu và chuẩn hóa số khối 36 3.1.2 Các điều kiện phân tích tối ưu trên thiết bị ICP-MS 36 3.2 Kiểm soát chất lượng phương pháp phân tích 37 3.2.1 Lựa chọn số khối phân tích và xây dựng đường chuẩn 37 3.2.2 Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng 38 3.2.3 Độ lặp lại và độ đúng 40 3.3 Kết quả phân tích hàm lượng tổng của kim loại trong bụi đường tại các tỉnh thuộc miền Bắc Việt Nam 43 3.4 Kết quả phân tích hàm lượng các dạng liên kết của KLN trong mẫu bụi đường 56 3.4.1 Kết quả phân tích hàm lượng các dạng liên kết của đồng 60 3.4.2 Kết quả phân tích hàm lượng các dạng liên kết của kẽm 61 3.4.3 Kết quả phân tích hàm lượng các dạng liên kết của chì .62 3.4.4 Kết quả phân tích hàm lượng các dạng liên kết của asen 63 3.5 Đánh giá mức độ ô nhiễm sinh thái và rủi ro đối với sức khỏe con người do các kim loại nặng trong bụi đường 66 3.5.1 Chỉ số tích lũy địa chất (Geoaccumulation Index : Igeo) .66 3.5.2 Chỉ số rủi ro sinh thái tiềm ẩn (RI) .67 3.5.3 Chỉ số đánh giá mức độ rủi ro RAC (Risk Assessment Code) 69 3.5.4 Đánh giá rủi ro sức khỏe đối với con người .71 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 PHỤ LỤC 84 iii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Nguồn thải một số kim loại của một số ngành công nghiệp phổ biến 4 Bảng 1.2 Quy trình chiết tuần tự của Vũ Đức Lợi 8 Bảng 1.3 So sánh năng lực phân tích của các phương pháp phân tích vết các kim loại nặng - Các phương pháp phổ nguyên tử 9 Bảng 2.1 Vị trí và kí hiệu mẫu 17 Bảng 2.2 Phân loại mức độ ô nhiễm dựa vào Igeo 29 Bảng 2.3 Phân loại các mức độ làm giàu kim loại theo EF 29 Bảng 2.4 Phân loại mức độ ô nhiễm theo CF và DC 30 Bảng 2.5 Phân loại mức độ ô nhiễm 31 Bảng 2.6 Tiêu chuẩn đánh giá mức độ rủi ro theo chỉ số RAC 31 Bảng 2.7 Phân loại mức độ ô nhiễm 32 Bảng 2.8 Phân loại các mức độ rủi ro theo ER và RI 32 Bảng 2.9 Yếu tố phơi nhiễm được sử dụng làm tham chiếu để đánh giá rủi ro sức khỏe con người 34 Bảng 2.10 Liều tham chiếu (RfD) và độ dốc ung thư yếu tố (CSF) cho mỗi con đường phơi nhiễm 35 Bảng 3.1 Giá trị cần đạt được sau khi thiết bị ICP-MS tự động tối ưu 36 Bảng 3.2 Các điều kiện phân tích tối ưu trên thiết bị ICP-MS 37 Bảng 3.3 Các đồng vị của những kim loại độc được lựa chọn để phân tích 38 Bảng 3.4 Phương trình đường chuẩn xác định các nguyên tố 38 Bảng 3.5 Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của thiết bị ICP-MS 39 Bảng 3.6 Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phương pháp phân tích mẫu tổng các KLN 39 Bảng 3.7 Độ thu hồi hàm lượng của KLN so với mẫu chuẩn MESS_4 40 Bảng 3.8 Kết quả xác định độ lặp lại và độ đúng của phương pháp phân tích tổng kim loại trong mẫu bụi lắng mặt đường (a) 42 iv Bảng 3.9 So sánh hai phương pháp - phân tích dạng kim loại và tổng kim loại trong mẫu bụi lắng mặt đường 42 Bảng 3.10 Hàm lượng tổng các kim loại trong bụi đường tại một số tỉnh thuộc miền bắc Việt Nam (mg/kg) 51 Bảng 3.11 So sánh hàm lượng các KLN trong nghiên cứu này với một số nước khác trên thế giới 54 Bảng 3.12 Hàm lượng các dạng liên kết của các KLN trong bụi đường 58 Bảng 3.13 Chỉ số tích lũy địa chất của các KLN (Igeo) trong bụi đường 66 Bảng 3.14 Chỉ số rủi ro sinh thái tiềm ẩn (RI) 67 Bảng 3.15 Giá trị ICF của các KLN trong bụi đường 68 Bảng 3.16 % RAC của các KLN trong bụi đường 69 Bảng 3.17 Nguy cơ rủi ro đối với sức khỏe của con người qua các con đường tiếp xúc với bụi đường 72 Bảng 3.18 Nguy cơ rủi ro và gây ung thưc đối với từng kim loại theo con đường tiếp xúc 73 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống ICP-MS…………………………………………… 11 Hình 2.1 Bản đồ vị trí lấy mẫu .19 Hình 2.2 Sơ đồ chiết các dạng kim loại nặng trong bụi đường .22 Hình 2.3 Sơ đồ sử dụng cho mười chỉ số 28 Hình 3.1 Tổng hàm lượng KLN trong bụi đường tại một số tỉnh thuộc miền bắc Việt Nam………… .44 Hình 3.2 Hàm lượng tổng của các KLN trong bụi đường tại Thái Nguyên 45 Hình 3.3 Hàm lượng tổng của các KLN trong bụi đường tại Quảng Ninh 45 Hình 3.4 Hàm lượng tổng của các KLN trong bụi đường tại Bắc Giang 45 Hình 3.5 Hàm lượng tổng của các KLN trong bụi đường tại Bắc Ninh 46 Hình 3.6 Hàm lượng tổng của các KLN trong bụi đường tại Hà Nội 46 Hình 3.7 Hàm lượng tổng của các KLN trong bụi đường tại Hải Phòng 46 Hình 3.8 Hàm lượng trung bình của các KLN của một số tỉnh ở miền bắc Việt Nam so với ngưỡng cho phép tại Việt Nam và Trung Quốc 49 Hình 3.9 Hàm lượng các KLN trong nghiên cứu này so với một số nghiên cứu khác trên thế giới 56 Hình 3.10 Kết quả phân tích hàm lượng % các dạng liên kết của đồng 60 Hình 3.11 Kết quả phân tích hàm lượng % các dạng liên kết của kẽm 61 Hình 3.12 Kết quả phân tích hàm lượng % các dạng liên kết của chì .62 Hình 3.13 Kết quả phân tích hàm lượng % các dạng liên kết của asen 63 Hình 3.14 Kết quả phân tích hàm lượng % các dạng liên kết của cadimi .64 Hình 3.15 Tỷ lệ % phân bố của các dạng liên kết của KLN trong quy trình chiết tuần tự các mẫu bụi đường tại 6 tỉnh thuộc miền bắc Việt Nam 65 Hình 3.16 Chỉ số tích lũy địa chất của các KLN (Igeo) trong bụi đường 67 Hình 3.17 Giá trị ICF của các KLN trong bụi đường 69 Hình 3.18 Phần trăm RAC của các KLN trong bụi đường 70 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu viết tắt Tiếng Việt AAS (Atomic Absorption Phổ hấp thụ nguyên tử Spectroscopy) Phổ phát xạ nguyên tử Bắc Giang AES (Atomic Emission Spectroscopy) Bắc Ninh Bộ tài nguyên môi trường BG Kỹ thuật buồng va chạm/phản ứng Phổ hấp thụ nguyên tử - ngọn lửa đèn BN khí Phổ hấp thụ nguyên tử - không ngọn BTNMT lửa Hà Nội CRC Hải Phòng Axit Axetic F-AAS (Flame Atomic Absorption Phổ phát xạ nguyên tử với nguồn cảm ứng cao tần Spectroscopy) Phổ khối plasma cảm ứng GF-AAS (Graphite furnace Atomic Chỉ số tích lũy địa chất Absorption Spectroscopy) Tổ chức Quốc tế về tiêu chuẩn hóa Kỹ thuật phân biệt khối bằng động HN lượng HP Kim loại nặng Giới hạn phát hiện HOAc Giới hạn định lượng Amoni axetat ICP -AES (Inductively coupled plasma Hệ thống phản ứng bát cực Atomic Emission Spectroscopy) Quảng Ninh ICP - MS (Inductively coupled plasma Tiêu chuẩn Việt Nam Thái Nguyên mass spectrometry) Trung Quốc Tử ngoại - khả kiến Igeo von-ampe hòa tan ISO Nhiễu xạ tia X KED Tổ chức Y tế Thế giới KLN LOD (Limit of detection) LOQ (Limit of quantification) NH4OAc ORS QN TCVN TN TQ UV-VIS (Ultra Violet - visible light) VAHT XRD (X-ray diffraction) WHO (World Health Organization) vii MỞ ĐẦU Hiện nay, do quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa tăng tốc, gần một nửa dân số trên thế giới hiện đang sống trong các khu dân cư đô thị Những hoạt động này dẫn đến việc gia tăng lượng chất gây ô nhiễm vào môi trường đô thị Do đó, một loạt các vấn đề ô nhiễm môi trường và ô nhiễm kim loại độc hại đã trở thành một vấn đề lớn, đặc biệt là trong không khí đô thị, đất và bụi đường [1] Bụi đường là một hỗn hợp phức tạp của các hạt và có thể chứa các thành phần khác nhau như chất hữu cơ, kim loại nặng, vi khuẩn nấm mốc, v.v., có thể bị lưu lại do chuyển động của xe và gió, là nguồn gây ô nhiễm không khí trong khí quyển Nhiều nghiên cứu đã cho thấy các hạt bụi có chứa kim loại, đặc biệt là với bụi mịn, vẫn lơ lửng trong không khí lâu hơn trong các điều kiện khí hậu nhất định Bụi đường là một chỉ số môi trường quan trọng, gây ô nhiễm kim loại, có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau như giao thông xe cộ, hoạt động công nghiệp, nhà máy điện, đốt nhiên liệu hóa thạch dân cư, đốt chất thải, xây dựng, phá hủy và sự phục hồi của đất bị ô nhiễm [1] Do đó, bụi đường là một nguồn phát thải, đóng góp đáng kể vào mức độ ô nhiễm trong môi trường đô thị Các kim loại độc hại như như cadmium (Cd), và chì (Pb), asen (As)…đã được chứng minh là gây ra các tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và động vật, Sự hiện diện kéo dài của các chất gây ô nhiễm trong môi trường đô thị, đặc biệt là bụi đường làm tăng đáng kể sự tiếp xúc của dân số đô thị với kim loại thông qua đường hô hấp, nuốt phải và tiếp xúc qua da [2] Kim loại nặng có thể tích tụ trong các mô mỡ, trong máu, ảnh hưởng đến chức năng của các cơ quan và phá vỡ hệ thống thần kinh hoặc hệ thống nội tiết và một số kim loại có thể gây ra tác dụng gây đột biến, gây quái thai và gây ung thư ở người sống [3, 4] Mặc dù một số nghiên cứu về ô nhiễm kim loại trong bụi đường đã được thực hiện ở các nước phát triển [5], tuy nhiên rất ít thông tin có sẵn về vấn đề này ở các nước đang phát triển đặc biệt tại Việt Nam Như vậy, cho thấy sự cần thiết phải nghiên cứu một cách tổng thể về các nguồn phát thải và mức độ ô nhiễm môi trường của các kim loại trong bụi đường ở Việt Nam Đây là vấn đề mang tính thời sự trong điều kiện hiện nay khi vấn đề về sức khỏe và môi trường ở Việt Nam đang ở mức báo động 1 Với các vấn đề đặt ra ở trên, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Phân tích hàm lượng một số kim loại nặng trong bụi đường tại các khu công nghiệp thuộc miền Bắc Việt Nam” Mục tiêu nghiên cứu: - Đánh giá hàm lượng của tổng kim loại (gồm Cu, Zn, Cd, As, Pb) trong các mẫu bụi đường tại một số tỉnh thuộc miền Bắc Việt Nam - Đánh giá hàm lượng của dạng liên kết kim loại trong các mẫu bụi đường tại một số tỉnh thuộc miền Bắc Việt Nam - Đánh giá mức độ ô nhiễm và rủi ro đối với sức khỏe con người từ các KLN trong bụi đường Nội dung nghiên cứu: - Hoàn thiện quy trình tối ưu phân tích tổng và dạng liên kết phù hợp của các KLN - Áp dụng quy trình xác định hàm lượng tổng và hàm lượng các dạng trao đổi (F1), dạng liên kết với cacbonat (F2), dạng liên kết với Fe-Mn oxit (F3), dạng liên kết với hữu cơ (F4), dạng cặn dư (F5) của Cu, Pb, As, Zn, Cd trong bụi đường tại một số khu vực công nghiệp thuộc 6 tỉnh miền Bắc Việt Nam bao gồm Thái Nguyên, Quảng Ninh, Bắc Ninh, Bắc Giang, Hải Phòng, Hà Nội - Áp dụng các tiêu chuẩn đánh giá mức độ ô nhiễm sinh thái và rủi ro đối với sức khỏe con người từ các KLN trong bụi đường 2