Nghiên cứu các phương pháp tách, làm giàu và xác định các kim loại nặng As, Cd trong một số đối tượng phục vụ cho mục đích bảo vệ môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH, LÀM GIAU VÀ XÁC ĐỊNH CÁC KIM LOẠI NẶNG As, Cd TRONG MỘT SỐ Đ ố i TƯỢNG PHỤC v ụ CHO MỤC ĐÍCH BẢO VỆ MƠI TRƯỜNG MÃ SỐ: QG.05.18 CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI: PGS TS Lê Như Thanh CÁC CÁN BỘ THAM GIA: ThS Phạm Quốc Dũng ThS Nguyễn Xuân Phú v A \ H O C Q U C 'C G IA H À N Ò I ' R U N T Â M T H Ô N G TIN T H IJ V I Ệ N - DT HÀ NỘI - 2007 / m l BÁO CÁO TÓM TẮT a Tên đề tài: Nghiên cứu phương pháp tách, làm giầu xác định kim loại nặng As, Cd số đối tượng phục vụ cho mục đích bảo vệ mơi trường Mã số: QG.05.18 b Chủ trì đề tài: PGS TS Lê Như Thanh c Các cán tham gia: TS Đỗ Quang Trung - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên ThS Phạm Quốc Dũng - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên ThS Nguyễn Xuân Phú - Viện Khoa học Hình sự, Bộ Cơng An d Mục tiêu nội dung nghiên cứu: Xác định lượng vết kim loại nặng As, Cd đối tượng liên quan đến mơi trường sống cộng đồng từ tìm nguồn gốc phục vụ cho việc xử lý kim loại nhằm bảo vệ mơi trường Trong đề tài đặc biệt quan tâm đến việc tách xác định định lượng dạng tồn As, vô hữu cơ, mà trước hết AsIII, AsV, monomethylasonic acid (MMA), dimethylasinic acid (DMA) Việc tách xác định thành công dạng Asen kết tốt giúp cho việc tìm nguồn gây nhiễm giúp cho việc đánh giá mức độ nguy hiểm Asen vơ Asen hữu có độc tính khác Asen vơ có độc tính cao e Các kết đạt Đã xây dựng quy trình để lách làm giầu Cadimi môi trường nước phương pháp chiết pha rắn với cột nhồi nhựa Chelex-100 Sau nồng độ Cd hồn tồn xác định phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử Các điều kiện phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử để xác định Cadimi nghiên cứu xác định Quy trình áp dụng thành cổng việc xác định cadimi số mẵu thực tế - Đã nghiên cứu sử dụng phương pháp sắc ký lỏng cao áp - cặp ion sử dụng thiết bị quang phổ hấp thụ nguyên tử detretor đặt trực tiếp cuối cột sắc ký để tách xác định thành công số dạng tồn asen As(III), As(V), monomethylarsinat (MMA) Độ nhạy phương pháp hoàn toàn đáp ứng yêu cầu việc phân tích mẫu mơi trường, mẫu nước - Đã hướng dẫn 01 học viên cao học bảo vệ thành công luận văn cấp thạc sĩ Nội dung luận văn hoàn toàn theo định hướng nghiên cứu phần đề tài - Đã cơng bố cơng trình nghiên cứu 01 báo 01 báo nhận đăng f Tình hình kinh phí đề tài: Tổng kinh phí cấp: 60.000.000đ Đã chi: 60.000.000đ XÁC NHẬN CỦA BAN CHỦ NHIỆM KHOA CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN OHÓ Hiệu TRƯỚNG SUMMARY a, Title of the subject Study methods of separation, enrichment and determination As, Cd in some objects for the aim of environmental protection C odeN 0: QG.05.18 b, Head of subject: Assoc Prof Dr Le Nhu Thanh c, Participants: Dr Do Quang Trung MA Pham Quoc Dung MA Nguyen Xuan Phu d, The aim and contents of the subject Separation and determination As, Cd in some environmental objects Study of new technique for the separation and determination of arsenic species: A s ( i n ) , As(V), monomethylarsinat (MMA) e, Results Set up optimal condition of the process for the separation and enrichment Cd in aqueous solution by solid extraction method with chelex100 resin Determination Cd by Atomic Absorption spectrometry - Using successfully high pressure liquid chromatography/ ion-paired with Hydride Generation/Atomic Absorption spectrometry as the detector for the determination of the arsenic species PHẦN I - MỞ ĐẨU Trong vòng 15 năm trở lại đây, vấn đề ô nhiễm As môi trường ngày cộng đồng quốc tế quan tâm đặc biệt Ô nhiễm As nước ngầm phát nhiều nơi giới Mỹ, Chi Lê, Ba Lan, Hungary đặc biệt Ganges(Băngladét) sông Bengan (Ân Độ) Ở nước ta tron năm gần đây, số cơng trình nghiên cứu ngành địa chất phát khoáng vật giầu Asen số vùng miền Bắc Việt Nam Đây nguy tiềm tàng ảnh hưởng xấu đến môi trường, người vật nuôi khu vực bị ô nhiễm Ngày nay, hợp chất Asen hữu sử dụng sản xuất thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ gỗ sản xuất chất bán dẫn GaAs Đây nguồn gây ô nhiễm đáng kể Đối với Cadimi (Cd), có tài liệu nêu lên vụ ngộ độc kim loại Tuy nhiên gần đây, số báo cáo ngành y dược, người ta bắt đầu ý đến độc tính nguyên tố Cadimi độc, với lượng 40mg vào thể dẫn đến tử vong Con người bị nhiễm cadimi từ nguồn: + Thở hít khơng khí có chứa bụi cadimi , trường hợp công nhân nhà máy kẽm , nhà máy luyện kim , nhà máy sản xuất pin, nhà máy gốm sứ, + Ăn thực phẩm bị nhiễm nhiều cadimi : tập trung nhiều phủ tạng động vật, đồ biển tơm, sị , hến, rau, hoa + Sử dụng nước sinh hoạt từ nguồn nước bị ô nhiễm cadimi Cadimi tồn luân chuyển tự nhiên thường có nguồn gốc từ chất thải hầu hết ngành sản xuất công nghiệp trực tiếp gián tiếp sử dụng cađimi q trình cơng nghệ từ chất thải sinh hoạt người Ví dụ, nước thải khu cơng nghiệp, nhà máy hố chất, sở in dạng bụi khí thải khu cơng nghiệp hố chất, lị cao, khí thải loại xe có động chạy xăng Sau phát tán vào môi trường dạng nói trên, chúng lưu chuyển tự nhiên, bám dính vào bề mặt, tích luỹ đất gây ô nhiễm nguồn nước sinh hoạt, ngun dẫn đển tình trạng thực phẩm bị nhiễm Rau bị ô nhiễm trồng nguồn đất ô nhiễm cadimi, nước bị ô nhiễm cá, tơm, thuỷ sản ni nguồn nước thường bị nhiễm Gia súc, gia cẩm nuôi thức ăn bị ô nhiễm (rau, ) uống nguồn nước ô nhiễm nguồn lan nhiễm sang người Ngồi thực phẩm bị ô nhiễm kim loại nặng trình sản xuất bao gói đựng thực phấm Mặt khác, thực phấm bị nhiễm việc sử dụng nguyên liệu chế biến không tinh khiết, kể phụ gia thực phấm, có hàm lượng cadimi vượt mức cho phép Rác thải điện tử nguồn gây ô nhiễm cadimi lớn Cadimi có vỏ nhựa, linh kiện điện tử, pin, Cadimi sử dụng nhiều vật liệu cảm quang tế bào quang điện, hình màu, hình Plasma Cadmium cịn tìm thấy dầu diesel, hợp kim để mạ, sơn men đô gôm, nhựa PVC, công nghiệp sản xuất ắc qui, pin Như vậy, As Cd thực nguyên tố gây độc hại nhiều nhất, đáng quan tâm công tác bảo vệ môi trường Việc quan tâm phải xác định lượng Cd, As số đối tượng mơi trường có chọn lọc Hơn với As cẩn phải xác định riêng rẽ dạng tồn dạng khác As có độ độc khác Đó nhiệm vụ đặt cho để tài PHẦN n NỘI DUNG NGHIÊN c ứ u A TỔNG QUAN VỀ CADIMI VÀ ASEN Giới thiệu chung Cadimi Cadimi kim loại thuộc phân nhóm phụ nhóm 2, chu kỳ V, số thứ tự 48 bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep, khối lượng nguyên tử 112,41 Phân lớp d lớp điện tử sát bên (4d10) hoàn toàn điền đầy, phân mức trạng thái bền việc tách electron khỏi cân lượng lớn Do cadimi thể mức oxi hóa +2 hợp chất Tính chất đặc trưng cadimi gần giống với phân nhóm đồng (Cu) tính có khuynh hướng tạo phức Cadimi kim loại màu trắng bạc, mềm, dễ rèn, dễ kéo Bị tác dụng khơng khí làm cho đục nhanh chóng bị phủ lóp màng oxyt Cadimi dễ tan HNO 3, tan chậm H 2SO HC1 loãng Cadimi thuộc thành phần quặng kẽm Trong quặng kẽm có chứa khoảng 0,2% cadimi Cadimi không phổ biến kẽm tự nhiên Cadimi vỏ đất chiếm 10‘5 % Cadimi dùng rộng rãi vai trò làm chất xúc tác, kỹ nghệ đồ gốm, sơn chế tạo thủy tinh màu chất cadmi sulphua màu vàng (CdS) Cadimi hấp phụ mạnh nơtron chậm, người ta thường dùng cadimi lị phản ứng hạt nhân để điều chỉnh tốc độ phản ứng dây chuyền Hợp kim đồng với cadimi (chứa khoảng 1% Cd) dùng chế tạo dây điện báo, điện thoại, dây điện cho xe buýt điện hợp kim có độ bền cao, chống mài mịn tốt đồng Vì cadimi khơng bị ảnh hưởng mơi trường kiềm nên thường dùng để mạ vật liệu thép Thêm nừa, cadimi có hệ sổ mài xát nhỏ nên cadimi dùng làm lớp bao bọc mặt dụng cụ dân dụng ( ví dụ nút, van thường tráng bàng cadimi để tránh hao mịn cọ xát bị xoay, vặn lên xuống) Cadimi có điểm nóng chảy 321°c, điểm nóng chảy coi thấp so với kim loại, dùng chế tạo hợp kim dễ nóng chảy ( khoảng 70°C) ứng dụng hệ thống chữa cháy tự động vòi phát lửa gắn trần nhà, nối với ống nước Khi có lửa cháy, nhiệt độ xung quanh tăng lên, làm cho hợp kim cadimi chảy vòi phun rải nước xuống để dập tắt lửa Cadimi dùng sản xuất pin sạc Cadimi-Niken (ắc qui kiềm Cd-Ni) c ấ u tạo ắc qui gồm điện cực mỏng-phẳng có lỗ Chất hoạt động cực (+) Ni(III) oxit hydrat hóa NÌ 2O 3.H 2O NiOOH Chất hoạt động cực (-) hỗn hợp cadimi xốp với bột sắt Dung dịch điện ly gồm KOH LiOH [10] Q trình xảy ăc qui Cadỉmi-Niken: Cd + 20H" = Cd(OH ) + 2e 2NĨOOH + 2H20 + 2e* - 2Ni(OH )2 + H ■ 2NĨOOH + 2H20 + Cd = 2Ni(OH)2+ Cd(OH )2 Cadỉmi borat rât nhạy cảm vói ánh sáng tia cực tím (ultra violet) dùng chất phát quang (phosphore) ống TV ( TV tubes) Cịn cadmium sulphua dùng nguyên liệu để sản sinh dòng điện- tế bào quang điện mặt trời Nhiều loại thiết bị đo với đầu đo cảm biến quang điện thường dùng cadimi suỉphua Pin mặt trời nguyên mẫu Alivisatos chế tạo bao gồm từ composite polyme nhồi nano (là tinh thể bán dẫn vơ cơ, hình thanh, có kích thước 7x60 nm), có bề dày 200 nm Những ghép xen kẽ với lóp mỏng chứa điện cực Khi ánh sáng chiếu vào, xuất dòng điện dẫn ngồi nhờ điện cực Một vài cải tiến giúp nâng cao tính Thứ nhất, nano trước dùng cadimi selenua, thay cadimi telỉurua chất hấp thụ ánh sáng mạnh Thứ hai, việc phân bố nano cách trật tự giúp tăng độ dẫn điện so với tình trạng phân bố tuỳ tiện trước Pin mặt trời loại cán thành tấm, in phun, chí phủ lên bề mặt, sau này, “cả thông báo dán xe buýt trở thành nơi thu góp lượng mặt trời” Trong máy chụp ảnh, pin lượng mặt trời có cấu tạo gồm miếng vật liệu nhạy cảm với ánh sáng, thường làm cadimi sulph.ua Khi có ánh sáng vào Cadimi sulphua bị ánh sáng kích thích tạo lượng (điện năng) máy hoạt động Họfp chất cadimi thường dùng làm chất ổn định nhựa PVC, PE, PƯ với hàm lượng khoảng 10-50 mg/kg Cadimi suỉphua dùng làm bột màu (pigmen) cho chế tạo sơn màu vàng, dùng men gốm Cadimi khói thuốc lá: Các nghiên cứu đo lường lượng cadimi nhà người khơng hút thuốc khơng có khác biệt khác Tuy nhiên, người hút thuốc nhà có khác biệt rõ rệt, nhà cadimi lớn cao Một điếu thuốc chứa 1-2 ng cadimi:10% cadimi hít vào phổi hút thuốc Các nghiên cứu khảo sát sinh học nhận thấy khói thuốc tập trung lại thận người Những người hút thuốc có lượng cadimi cao nhiều so với người không hút thuốc Hút 20 điểu thuốc mồi ngày có từ - ng cadimi qua phổi, khoảng 25-50% phổi hấp thụ, nên phối chứa từ 1-2 ịig lượng cadimi cao hon cadimi khơng khí Cadimỉ thức ăn: Thịt, cá trái chứa liều lượng cadimi gần giống nhau, từ 510 |ig/kg Tuy nhiên ngủ cốc rau cải có củ chứa cadimi khoảng 25 ^Ig/kg Cịn loại tơm cua chứa lượng cadimi khoảng 50-100 ng/kg Thức ăn sửa sọan để nấu nướng nghiệm thấy số cadimi bị giảm nhiều khâu Việc xay nghiền làm giảm 50% cadimi có bột mì trắng để sản xuất Các việc rửa, lột vỏ, nấu rau, làm giãm bớt lượng cadimi, lượng nhỏ Việc dùng tô, chén, dĩa thủy tinh, tráng men, đế đựng thức ăn có chứa axit thức ăn bị nhiễm cadimi từ men truyền qua, Phần lớn cadimi có gan, thận, tim phối động vật bị nhiễm cađimi Vì thế, khơng nên ăn gan thận loài động vật Ngoài ra, loài chim thiên nga nhạn biến, chúng có hàm lượng cadimi mức nguy hiểm Giói thiệu chung Asen Asen nguyên tố hóa học phổ biến thứ 20 trái đất, coi nguyên tố sống lượng vết Asen tự nhiên thường tìm thấy dạng hợp chất với hay nhiều nguyên tố khác oxy (O), clo (Cl), sắt (Fe) lưu huỳnh (S) hỗn hợp khoáng vật như: asenopyrite (FeAsS), realga (AsS), oripimen (As 20 3), tennatit (Cu 3AsS3), enargit (Cu 3AsS4), skorodit (FeA s0 4.2H 20 ) Do có tính chất hóa học gần giống phốtpho (P) nên người ta tìm thấy As khống vật ngun tơ' Asen kết hợp với nguyên tố tạo thành hợp chất asen vơ cơ, cịn kết hợp với hyđro cácbon tạo thành hợp chất asen hữu Các hợp chất asen hữu thường độc hợp chất asen vơ Nồng độ nguyên tố As tầng trầm tích thường thấp, Hàm lượng As tướng đá khoảng 1,7.10 "4%, đất khoảng 5.10 '4% Nồng độ As ... đề tài: Nghiên cứu phương pháp tách, làm giầu xác định kim loại nặng As, Cd số đối tượng phục vụ cho mục đích bảo vệ mơi trường Mã số: QG.05.18 b Chủ trì đề tài: PGS TS Lê Như Thanh c Các cán... vết kim loại nặng As, Cd đối tượng liên quan đến mơi trường sống cộng đồng từ tìm nguồn gốc phục vụ cho việc xử lý kim loại nhằm bảo vệ mơi trường Trong đề tài đặc biệt quan tâm đến việc tách xác. .. độ Cd hồn tồn xác định phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử Các điều kiện phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử để xác định Cadimi nghiên cứu xác định Quy trình áp dụng thành cổng việc xác