khảo sát, đánh giá sự phân bố hàm lượng các kim loại nặng trong nước và trầm tích hệ thống sông đáy

Nguyễn Kim Thùy Hóa phân tích Luận văn tốt nghiệp ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Kim Thùy KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ SỰ PHÂN BỐ HÀM LƯỢNG CÁC KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC VÀ TRẦM TÍCH HỆ THỐNG SÔNG ĐÁY Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 60 44 29 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TẠ THỊ THẢO Hà Nội - 2011 Nguyễn Kim Thùy Hóa phân tích Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1. Tổng quan về lƣu vực sông Đáy 3 1.1.1. Đặc điểm tự nhiên và kinh tế - xã hội lƣu vực sông Đáy 3 1.1.2. Tổng quan về hiện trạng môi trƣờng lƣu vực sông Đáy 7 1.2. Hệ số phân bố của các kim loại nặng 12 1.2.1. Vai trò của chất rắn lơ lửng 13 1.2.2. Vai trò của chất hữu cơ 14 1.3. Độc tính kim loại nặng 15 1.4. Các phƣơng pháp phân tích kim loại nặng 18 1.4.1. Phƣơng pháp quang phổ khối plasma cảm ứng (ICP-MS) 18 1.4.2. Các phƣơng pháp khác xác định kim loại nặng 23 1.5. Các phƣơng pháp xử lý mẫu nƣớc và trầm tích 26 1.5.1. Nguyên tắc xử lý mẫu 26 1.5.2. Một số phƣơng pháp xử lý mẫu trầm tích xác định hàm lƣợng kim loại nặng 27 1.5.3. Một số phƣơng pháp xử lý mẫu nƣớc xác định hàm lƣợng kim loại nặng 28 1.6. Xử lý thống kê số liệu phân tích 29 1.6.1. Phân tích phƣơng sai đa biến (MANOVA) 29 1.6.2. Phân tích thành phần chính (PCA) 30 1.6.3. Phân tích nhóm (CA) 31 1.6.4. Phần mềm máy tính 32 1.7. Giới thiệu về GIS (Geographic Information System) 32 1.7.1. Khái niệm GIS 32 1.7.2. Ứng dụng GIS trong phân tích môi trƣờng 33 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM 34 Nguyễn Kim Thùy Hóa phân tích Luận văn tốt nghiệp 2.1. Đối tƣợng, nội dung, phƣơng pháp nghiên cứu 34 2.2. Hóa chất và dụng cụ 34 2.3. Lấy mẫu, xử lý mẫu, bảo quản mẫu 36 2.3.1. Lấy mẫu 36 2.3.2. Xử lý mẫu sơ bộ và bảo quản mẫu 40 2.4. Phƣơng pháp xử lý mẫu trầm tích 41 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 3.1. Tối ƣu hoá điều kiện phân tích bằng ICP-MS 42 3.1.1. Chọn đồng vị phân tích 42 3.1.2. Độ sâu mẫu (Sample Depth - SDe): 44 3.1.3. Công suất cao tần (Radio Frequency Power - RFP 44 3.1.4. Lƣu lƣợng khí mang (Carier Gas Flow Rate - CGFR): 45 3.1.5. Thế thấu kính ion 47 3.1.6. Tóm tắt các thông số tối ƣu của thiết bị phân tích 47 3.2. Đánh giá phƣơng pháp phân tích 48 3.2.1. Khoảng tuyến tính 48 3.2.2. Đƣờng chuẩn 49 3.2.3. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lƣợng 52 3.2.4. Đánh giá độ đúng của phép đo 54 3.3. Kết quả phân tích hàm lƣợng kim loại nặng trong mẫu nƣớc bề mặt 55 3.4. Kết quả phân tích hàm lƣợng kim loại nặng trong thành phần lơ lửng của các mẫu nƣớc bề mặt. 59 3.5. Kết quả phân tích hàm lƣợng kim loại nặng trong trầm tích hệ thống sông Nhuệ-Đáy 62 3.6. Phân tích phƣơng sai đa biến (MANOVA) 63 3.6.1. Mẫu nƣớc: 63 3.6.2. Mẫu chất lơ lửng: 64 3.6.3. Mẫu trầm tích mặt: 65 3.7. Xác định hệ số phân bố của các kim loại nặng tại các địa điểm thuộc lƣu vực sông Đáy 65 Nguyễn Kim Thùy Hóa phân tích Luận văn tốt nghiệp 3.8. Phân tích thống kê đa biến xác định nguồn gốc và phân bố ô nhiễm kim loại nặng. 67 3.8.1. Pha lỏng: 67 3.8.2. Chất rắn lơ lửng và trầm tích: 71 3.9. Biểu diễn phân bố không gian hàm lƣợng các kim loại nặng và lan truyền ô nhiễm các kim loại nặng trong nƣớc và trầm tích lƣu vực sông Đáy 75 KẾT LUẬN 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 Nguyễn Kim Thùy Hóa phân tích Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Ước tính hàm lượng chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt ở lưu vực sông Nhuệ - Đáy, 2005 9 Bảng 1.2. Thống kê lượng chất thải của các ngành sản xuất công nghiệp của các tỉnh thành trong lưu vực sông Nhuệ - Đáy 10 Bảng 1.3. Hệ số phân bố tại các hàm lượng chất rắn lơ lửng của một số kim loại nặng (Theo Ambrose) 13 Bảng 2.1. Tọa độ địa lý và thông tin lấy mẫu 39 Bảng 3.1. Số khối, tỷ lệ đồng vị 43 Bảng 3.2. Các thông số tối ưu cho máy đo ICP-MS 47 Bảng 3.3. Đường chuẩn các nguyên tố khi dùng phương pháp ICP-MS 50 Bảng 3.4. Giá trị LOD và LOQ của 1 số nguyên tố dùng phép đo ICP-MS 53 Bảng 3.5. Kết quả phân tích mẫu chuẩn MESS-3 bằng phương pháp ICP-MS 54 Bảng 3.6. Kết quả phân tích một số chỉ tiêu môi trường thông thường của các mẫu nước bề mặt lưu vực sông Nhuệ - Đáy 55 Bảng 3.7. Kết quả phân tích hàm lượng kim loại nặng trong mẫu nước bề mặt tại các địa điểm thuộc lưu vực sông Nhuệ - Đáy 57 Bảng 3.8. Giới hạn nồng độ kim loại nặng trong nước mặt 58 Bảng 3.9. Kết quả phân tích hàm lượng kim loại nặng trong mẫu chất rắn lơ lửng tại các địa điểm thuộc lưu vực sông Nhuệ - Đáy 60 Bảng 3.10. Kết quả phân tích hàm lượng kim loại nặng trong mẫu trầm tích tại các địa điểm thuộc lưu vực sông Nhuệ - Đáy 62 Bảng 3.11. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng đất ( QCVN) 63 Bảng 3.12. Log–Kd các kim loại nặng tại các địa điểm thuộclưu vực sông Nhuệ- Đáy 66 Nguyễn Kim Thùy Hóa phân tích Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Bản đồ các tỉnh nằm trong lưu vực sông Đáy 3 Hình 1.2. Phần trăm lượng nước thải của các ngành vào lưu vực sông Nhuệ - Đáy 8 Hình 1.3. Ứng dụng phương pháp phân tích ICP-MS trong các lĩnh vực 20 Hình 2.1. Sơ đồ khối về nguyên tắc cấu tạo của hệ ICP- MS 35 Hình 2.2. Hình ảnh máy ICP – MS (ELAN 9000) 36 Hình 2.3. Sơ đồ các vị trí lấy mẫu 38 Hình 3.1. Độ sâu mẫu của máy ICP - MS 44 Hình 3.2. Ảnh hưởng của công suất RF 45 Hình 3.3. Ảnh hưởng của LLKM 46 Hình 3.4. Ảnh hưởng của thế thấu kính ion 46 Hình 3.5. Ảnh hưởng của các kim loại đến 3 PC đầu đối với mẫu nước 69 Hình 3.6. Mức độ tương đồng của các kim loại đối với mẫu nước 70 Hình 3.7. Ảnh hưởng của các kim loại đến 3 PC đầu đối với mẫu chất rắn lơ lửng 72 Hình 3.8. Ảnh hưởng của các kim loại đến 3 PC đầu đối với mẫu trầm tích 73 Hình 3.9. Mức độ tương đồng của các kim loại đối với mẫu chất rắn lơ lửng 74 Hình 3.10. Mức độ tương đồng của các kim loại đối với mẫu trầm tích 74 Hình 3.11. Phân bố hàm lượng Cr trong nước hệ thống sông Đáy 75 Hình 3.12. Phân bố hàm lượng Cr trong trầm tích hệ thống sông Đáy 75 Hình 3.13. Phân bố hàm lượng Mn trong nước hệ thống sông Đáy 76 Hình 3.14. Phân bố hàm lượng Mn trong trầm tích hệ thống sông Đáy 76 Hình 3.15. Phân bố hàm lượng Fe trong nước hệ thống sông Đáy 76 Hình 3.16. Phân bố hàm lượng Fe trong trầm tích hệ thống sông Đáy 76 Hình 3.17. Phân bố hàm lượng Co trong nước hệ thống sông Đáy 77 Hình 3.18. Phân bố hàm lượng Co trong trầm tích hệ thống sông Đáy 77 Hình 3.19. Phân bố hàm lượng Ni trong nước hệ thống sông Đáy 77 Hình 3.20. Phân bố hàm lượng Ni trong trầm tích hệ thống sông Đáy 77 Hình 3.21. Phân bố hàm lượng Cu trong nước hệ thống sông Đáy 78 Nguyễn Kim Thùy Hóa phân tích Luận văn tốt nghiệp Hình 3.22. Phân bố hàm lượng Cu trong trầm tích hệ thống sông Đáy 78 Hình 3.23. Phân bố hàm lượng Zn trong nước hệ thống sông Đáy 78 Hình 3.24. Phân bố hàm lượng Zn trong trầm tích hệ thống sông Đáy 78 Hình 3.25. Phân bố hàm lượng As trong nước hệ thống sông Đáy 79 Hình 3.26. Phân bố hàm lượng As trong trầm tích hệ thống sông Đáy 79 Hình 3.27. Phân bố hàm lượng Cd trong nước hệ thống sông Đáy 79 Hình 3.28. Phân bố hàm lượng Cd trong trầm tích hệ thống sông Đáy 79 Hình 3.29. Phân bố hàm lượng Hg trong nước hệ thống sông Đáy 80 Hình 3.30. Phân bố hàm lượng Hg trong trầm tích hệ thống sông Đáy 80 Hình 3.31. Phân bố hàm lượng Pb trong nước hệ thống sông Đáy 80 Hình 3.32. Phân bố hàm lượng Pb trong trầm tích hệ thống sông Đáy 80 Hình 3.33. Mức độ tương đồng của các địa điểm lấy mẫu 82 Nguyễn Kim Thùy Hóa phân tích Luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AAS (Atom Absorption Spectrometry) : phổ hấp thụ nguyên tử. BOD (Biological Oxygen Demand): nhu cầu oxy sinh học. DO (Dissolve Oxygen): hàm lượng oxy hòa tan. ICP – AES (Inductively Coupled Plasma – Atom Emission Spectrometry): phương pháp phổ phát xạ plasma cao tần cảm ứng. ICP – MS (Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometry): phương pháp quang phổ khối plasma cao tần cảm ứng. GC (Gas Chromatography): phương pháp sắc ký khí. LC (Liquid Chromatography): phương pháp sắc ký lỏng. SS (Suspended Solid): chẩt rắn lơ lửng. TDS (Total of Dissolve Solid): tổng chất rắn hòa tan. TOC (Total of Organic Carbon): tổng Cacbon hữu cơ. Nguyễn Kim Thùy Hóa phân tích Luận văn tốt nghiệp 1 MỞ ĐẦU Lưu vực sông Đáy nằm ở phía Tây – Nam của đồng bằng Bắc Bộ, đây là một trong những lưu vực sông quan trọng của nước ta. Lưu vực sông trải trên diện tích hành chính của 5 tỉnh, thành phố (Hòa Bình, Hà Nội, Nam Định, Hà Nam, Ninh Bình) gồm một phần Thủ đô Hà Nội. Những năm gần đây, nền kinh tế - xã hội của các tỉnh thành này đang trên đà khởi sắc, tốc độ phát triển tăng một cách đáng kể. Tốc độ công nghiệp hóa, đô thị hóa này đã có tác dụng thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của nền kinh tế nhưng mặt trái của nó là việc ảnh hưởng đến môi trường của khu vực nói chung cũng như của lưu vực sông Đáy nói riêng. Chất lượng nước của các con sông nhìn chung đã bị ô nhiễm và ở một vài khu vực sông đã bị ô nhiễm nghiêm trọng. Tại các con sông của Việt Nam, đặc biệt là ở vùng châu thổ sông Hồng (trong đó có lưu vực sông Đáy), chất rắn lơ lửng trong cột nước là rất lớn, kéo theo hàm lượng kim loại vết trong pha hạt tăng nên rất dễ gây ra hiện tượng tái lơ lửng. Do vậy, việc nghiên cứu sự phân bố của kim loại nặng là cần thiết để có thể hiểu được sự phân tán, sự chuyển đổi, và quá trình làm giàu thêm của các kim loại nặng trong môi trường nước của lưu vực sông Đáy. Một đặc điểm riêng của nước mặt tại lưu vực sông Đáy nói riêng và của Việt Nam nói chung là do tốc độ đô thị hóa nhanh mà không có sự phát triển tương xứng trong việc xử lý nước thải, nước thải không được xử lý mà thải trực tiếp ra các sông. Điều này cũng ảnh hưởng lớn đến sự phân bố của các kim loại trong nước. Thêm vào đó, do sự bùng nổ kinh tế của nước ta, các kim loại nặng sinh ra trong các hoạt động công nghiệp (như ngành mạ kim loại…) ngày càng nhiều; điều đó rất dễ dẫn đến sự tích lũy kim loại nặng trong nước và chất rắn lơ lửng. Vì vậy, việc nghiên cứu sự phân bố kim loại nặng trong nước, trong chất rắn lơ lửng và trầm tích là rất cần thiết. Trong bản luận văn này, với đối tượng phân tích là hàm lượng các kim loại nặng trong các mẫu nước, chất lơ lửng và trầm tích lấy tại 10 địa điểm thuộc lưu Nguyễn Kim Thùy Hóa phân tích Luận văn tốt nghiệp 2 vực sông Đáy được xác định theo phương pháp quang phổ khối plasma cao tần cảm ứng (ICP – MS). Số liệu hàm lượng các kim loại nặng có trong các đối tượng mẫu nghiên cứu được xử lý theo phương pháp thống kê đa biến (multivariate analysis) để đánh giá nguồn gốc, sự phân bố hàm lượng kim loại nặng và ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System – GIS) để đánh giá nguồn phát sinh, sự lan truyền, quản lý ô nhiễm tại lưu vực sông Đáy. [...]... nghiên cứu kim loại nặng, trầm tích có cỡ hạt nhỏ sẽ tích tụ được nhiều kim loại hơn và do vậy có ý nghĩa hơn trong nghiên cứu Đã có nhiều tác giả nghiên cứu và đã thống kê được các giá trị hệ số phân bố Tất cả các giá trị này đều tính đến sự phụ thuộc vào hàm lượng chất rắn lơ lửng trong nước Bảng 1.3 Hệ số phân bố tại các hàm lượng chất rắn lơ lửng của một số kim loại nặng [15] Kim loại Asen Cadimi... chất hữu cơ và nồng độ kim loại có sự tương hỗ với nhau Chất hữu cơ hòa tan trong nước có thể giúp giải phóng các ion kim loại đang hấp thụ trên trầm tích đáy và ngược lại, các chất hữu cơ hấp thụ trên trầm tích có thể thu hồi các ion kim loại đang nằm trong dung dịch.[15] 1.3 Độc tính kim loại nặng Kim loại nặng là những kim loại có phân tử lượng lớn hơn 52 bao gồm một số kim loại như: As, Hg, Cu,... hàm lượng kim loại nặng trong nước[ 23] Luận văn tốt nghiệp 12 Nguyễn Kim Thùy Hóa phân tích Theo nhiều nghiên cứu đã được công bố thì hệ số phân bố chịu ảnh hưởng chủ yếu vào hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS), và do sông Đáy còn chịu ô nhiễm bởi chất thải sinh hoạt nên hàm lượng chất hữu cơ cao cũng gây ra những ảnh hưởng nhất định tới sự phân bố kim loại nặng giữa 2 pha: lỏng – rắn, ngoài ra hệ số phân. .. trình phân bố của kim loại nặng trong môi trường nước Các nghiên cứu đã cho thấy rằng hàm lượng kim loại trong trầm tích phụ thuộc vào thành phần khoáng hóa của trầm tích Do vậy trầm tích tại cùng một chỗ nhưng có thành phần cỡ hạt, hàm lượng chất rắn lơ lửng khác nhau sẽ có hàm lượng kim loại nặng khác nhau Thông thường, thành phần khoáng hóa của trầm tích có liên quan đến cỡ hạt Đối với nghiên cứu kim. .. Pb, 4,49–11,2 mg.kg−1 với Zn Các tác giả cũng đã cho rằng tất cả các kim loại được phát hiện trong gan đều lớn hơn trong thịt Trong một số vùng, đã có dấu hiệu ô nhiễm kim loại nặng Hàm lượng Cd và Cr trong cả thịt và gan, hàm lượng Pb trong gan của các mẫu phân tích cao hơn giới hạn cho phép dư lượng kim loại nặng trong thực phẩm 1.5 Các phƣơng pháp xử lý mẫu nƣớc và trầm tích 1.5.1 Nguyên tắc xử lý... tủa/ sa lắng của các chất lơ lửng Do đó hàm lượng kim loại nặng trong nước tự nhiên luôn bị ảnh hưởng chủ yếu của quá trình vận chuyển này.[37] Trong nước, kim loại nặng tồn tại ở hai pha là pha rắn và pha lỏng Người ta thường sử dụng hệ số phân bố Kd để biểu diễn sự phân bố giữa hai pha: pha rắn và pha lỏng Nhiều nghiên cứu đã khẳng định rằng biến đổi của hàm lượng kim loại trong nước mặt chịu ảnh... 1.1 Bản đồ các tỉnh nằm trong lưu vực sông Đáy Luận văn tốt nghiệp 3 Nguyễn Kim Thùy Hóa phân tích Sông Đáy dài 237km, chảy qua các tỉnh Hà Tây, Hà Nam, Nam Định và Ninh Bình, cuối cùng đổ ra biển tại cửa Đáy Sông Đáy là một sông nhánh của sông Hồng Từ năm 1937, sau khi đập Đáy được xây dựng, nước sông Hồng không chảy vào sông Đáy thường xuyên, do đó sông Đáy đã trở thành con sông tiêu nước và phục vụ... thể Kim loại nặng có độc tính là các kim loại có tỷ trọng lớn gấp 5 lần tỷ trọng của nước Chúng là các kim loại bền (không tham gia vào các quá trình sinh hoá trong cơ thể) và có tính tích tụ sinh học (chuyển tiếp trong chuỗi thức ăn và đi vào cơ thể con người) Chúng bao gồm Hg, As, Pb, Cd, Mn, Cu, Cr Các kim loại nặng khi xâm nhập vào cơ thể sinh vật sẽ gây độc tính [16] Kim loại nặng xâm nhập vào... cho việc phân lũ vào mùa lũ Sông Nhuệ dài 74km và nhận nước từ sông Hồng thông qua cống Liên Mạc Sông Nhuệ cũng phục vụ cho hệ thống tiêu nước cho thành phố Hà Nội và quận Hà Đông Sông Nhuệ gặp sông Đáy tại thị xã Phủ Lý Lưu vực sông Nhuệ có diện tích 1.070km2 Một số sông chính nhận nước từ sông Hồng từ các kênh đào bao gồm: sông Đáy, sông Nhuệ, sông Châu và sông Đào Bên cạnh đó, có những sông khác... chất hữu cơ Các hợp chất hữu cơ có trong nước ảnh hưởng đến trạng thái hóa học cũng như khả năng phản ứng của kim loại nặng trong nước tự nhiên Các chất hữu cơ có khả năng: tạo phức với kim loại và làm tăng độ tan của kim loại, hoặc can thiệp vào phân bố dạng oxy hóa và dạng khử của kim loại Chất hữu cơ cũng có thể làm giảm độc tính của kim loại và can thiệp vào quá trình ảnh hưởng của kim loại tới chu . 3.30. Phân bố hàm lượng Hg trong trầm tích hệ thống sông Đáy 80 Hình 3.31. Phân bố hàm lượng Pb trong nước hệ thống sông Đáy 80 Hình 3.32. Phân bố hàm lượng Pb trong trầm tích hệ thống sông Đáy. trầm tích hệ thống sông Đáy 76 Hình 3.17. Phân bố hàm lượng Co trong nước hệ thống sông Đáy 77 Hình 3.18. Phân bố hàm lượng Co trong trầm tích hệ thống sông Đáy 77 Hình 3.19. Phân bố hàm lượng. Zn trong trầm tích hệ thống sông Đáy 78 Hình 3.25. Phân bố hàm lượng As trong nước hệ thống sông Đáy 79 Hình 3.26. Phân bố hàm lượng As trong trầm tích hệ thống sông Đáy 79 Hình 3.27. Phân bố